THESE en co-tutelle entre lUniversit de Cergy-Pontoise et lUniversit de Yaound I

pour obtenir le grade de docteur dUniversitSpcialit : Energtique Gnie Civil VALORISATION DES BRIQUES DE TERRE STABILISEES EN VUE DE LISOLATION THERMIQUE DE BATIMENTS par Pierre MEUKAM Docteur 3 Cycle 10 DECEMBRE 2004 A YAOUNDE DEVANT LE JURY COMPOSE DE : M.PUIGGALIJ ean R.Universit Bordeaux I Prsident M.AYINA OHANJ A L.M.Universit de Yaound I Examinateur M.DUVAL Roger Universit de Cergy-Pontoise Directeur de Thse M.J ANNOT YvesUniversit de Bordeaux I Examinateur M.KOFANE Timolon C.Universit de Yaound I Directeur de Thse M.NGANHOU J ean Universit de Yaound I Examinateur M.NOUMOWE N. Albert Universit de Cergy Pontoise Examinateur M.WOUAFFO Paul.Universit de Yaound IRapporteur THESE Prsente A l UNIVERSITE DE YAOUNDE I pour lobtention du diplme deDOCTORAT /Ph.D Spcialit Energtique par Pierre MEUKAM Docteur 3 Cycle sur CARACTERISATION DE MATERIAUX LOCAUX EN VUE DE LISOLATION THERMIQUE DE BATIMENTS SOUTENUE LE. NOVEMBRE 2004 DEVANT LE JURY COMPOSE DEM.TONYE EmmanuelProfesseurUniversit de Yaound I Prsident M.DUVAL Roger ProfesseurUniversit de Cergy Pontoise Rapporteur M.KOFANE Timolon C.ProfesseurUniversit de Yaound I Rapporteur M.PUGGALIJ ean R.ProfesseurUniversit de Bordeaux I Rapporteur M.AWONO ONANA M.C.Universit de Yaound I Examinateur M.NGANHOU J ean M.C.Universit de Yaound I Examinateur M.NOUMOWE Albert M.C.Universit de Cergy Pontoise Examinateur M.J ANNOT YvesCharg de RechercheLEPT-ENSAM Bordeaux I Examinateur Travail ralis au Laboratoire dEnergtique (ENSP Yaound) et lIUP Gnie Civil (Universit de Cergy Pontoise) LEternel est mon Berger, je ne manquerai de rien (Psaume 23) Remerciements Ce travail a t initi,au Laboratoire dEnergtique de lEcole Nationale Suprieure PolytechniquedeYaoundlorsqueM.YvesJANNOTentaitleResponsable.Noustenons toutdabordluiadresserainsiquM.AlbertNOUMOWE,MatredeConfrences lUniversitdeCergy-Pontoise,nosremerciementspouravoirconduitlencadrementdes travaux jusqu' leur terme. Que Monsieur Timolon Crpin KOFANE, Professeur des Universits camerounaises etMonsieurRogerDUVAL,ProfesseurmritelUniversitdeCergyPontoise,trouventici lexpression de notre profonde reconnaissance pour avoir accept de diriger nos travaux. Nous tenons remercier vivement et respectueusement le Professeur Jean-RodolphePUIGGALI,DirecteurdulaboratoireTREFLElEcoleNationaleSuprieuredesArtset Mtiers(ENSAM),davoirbienvouluprsidernotrejury.Nousmesuronstoutlhonneur quil nous fait. NoussommesparticulirementreconnaissantenverslesProfesseursLouisMax AYINAOHANJA,DirecteurdelIUTdeDoualaetPaulWOAFOduLaboratoirede Mcanique de la facult des sciences de lUniversit de Yaound I, qui participenten tant rapporteursau jury de cette thse. NousadressonsnotreprofondegratitudeauprofesseurJeanNGANHOUChefde Dpartement GIM lENSP, qui a accept de lire et de juger ce travail. QueleDrCapelBIDJOCKA,ResponsableduLaboratoiredeGotechniqueetdes MatriauxdelENSP,ainsiquesonpersonneltechniquetrouventlexpressiondenos chaleureux remerciements pour le srieux accord la ralisation des essais mcaniques. Je tiens remercier tous les membres du Laboratoire dEnergtique et mes collgues du dpartement MSP de lENSP, pour lambiance amicale quils ont su crer pendant toute laduredemestravaux.JemadresseenparticulierauDocteurPaulSalomonNGOHE EKAMquiabienvoulumefaireprofiterdesonexpriencepourlamesuredesproprits themophysiques utilisant la mthodeditedes botes. En fin, je sais combien la prsence de mon pouse et de mes enfants mes cots a t importante pour surmonter les moments difficiles. Cest eux que je ddie particulirement ce mmoire.NOMENCLATURE aDiffusivit thermiquem2.s-2 aceActivit de leau ceChaleur spcifique de leauJ .kg.-1C-1 C1Coefficient de dperditionW.K-1 cPChaleur spcifique pression constanteJ .kg.-1C-1 dDiamtre de lprouvettemm DDiffusivit eEpaisseur de lchantillonm EEffusivitJ .m-2.s-0,5.K-1FForce appliqueN HHauteur de lprouvettemm HRHumidit relative% mMassekg meMasse de leaukg mhMasse humidekg msMasse schekg PoPression de vapeur de l'eau purePa PTPorosit totalePa PvPression de vapeur d'eau du matriauPa PvsPression de vapeur saturationPa QQuantit de chaleur change par unit de surfaceJ .m-2 TTempratureC TaTemprature ambianteC TATemprature ambiante de la salle dexprienceC TBTemprature lintrieur de la boteC TCTemprature de la face chaudeC TeTemprature dquilibreC TemTemprature moyenne de leauC TeoTemprature initiale de leauC TfTemprature de la face froideC TmTemprature moyenne du mlangeC TsoTemprature initiale du solideC RcRsistance en compressionMPa RtRsistance en tractionMPa RtfRsistance en traction par fendageMPa RRsistance des fils SSurfacem2 UCoefficient global dchangeW.m-2.C-1 VTensionV VaVolume apparent du matriaum3 VpVolume total des poresm3 VpfVolume total des pores fermesm3 VpoVolume total des pores ouvertesm3 tTempss xDistancem yDistancem wTeneur en eau% Symboles grecs Porosit Conductivit thermiqueW.m-1.K-1 gConductivit thermique en phase gazeuseW.m-1.K-1 sConductivit thermique en phase solideW.m-1.K-1 cFlux de chaleur convectifW.m-2 rFlux de chaleur radiatifW.m-2 0Masse volumique du matriau ltat seckg.m-3 Masse volumique de leau liquidekg.m-3 wMasse volumique de la vapeur deaukg.m-3 Potentiel chimique cValeur en eau du calorimtrekg Chaleur latente de vaporisation de leauJ .kg-1 Permabilit de la vapeur TABLE DE MATIERES Page Remerciements Rsume/Abstract Nomenclature Introduction gnrale1 Chapitre1 : Synthsebibliographique et prsentation des matriaux locaux3 Chapitre 2 : Mthodesde mesure des proprits thermophysiques23 Chapitre 3 : Caractrisation thermophysique59 Chapitre4 : Caractrisation mcanique80 Chapitre5 : Modlisation des transferts de chaleur et dhumidit dans une enveloppe de btiment en briques de terre stabilises 94 Conclusion gnrale123 Rfrences bibliographiques125 Annexes130 Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btimentsIntroduction gnrale Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 1 INTRODUCTION GENERALEValorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btimentsIntroduction gnrale Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 1Introduction gnrale La part importante de lnergie consomme pour le chauffage ou la climatisation des btiments a amen des chercheurs se pencher sur le problme des changes de chaleur entre les locaux et lenvironnement. Ce problme trs vaste et complexe dpend de paramtres tels que : La nature des matriauxservant la construction, La forme des btiments qui influe sur le captage de lnergie solaire, Lenvironnement climatique dans lequel se trouve le btiment, Linteraction btiment sol. Dans de nombreux pays, la courbe de consommation d'nergie continue d'augmenter. La rduction de gaz brls, de suie et de poussire par des conomies d'nergie correspond une contribution directe la protection de l'environnement, et l'isolation thermique est un facteur dterminantcetgard.L'isolationthermiquedeparois,solsetplafondsestaussiune composante de la qualit de vie. Un climat ambiant sain et confortable n'est toutefois possible quedansdeslocauxolatempratureetl'humiditdel'airvarientdansleslimites acceptables.L'isolationthermiquepermetenl'occurrencedecrerunclimatambiant confortable.Une bonne partie de la dperdition de chaleur se faisant par les murs, les matriaux isolants ralentissent le transfertde chaleur travers l'enveloppe du btiment. La qualit de lisolationprvoirdpendduclimat,delexpositiondesmursetaussidesmatriaux employspourlaconstruction.Lechoixdunmatriauutiliscommeisolantdpend naturellement de sa disponibilit et de son cot. Contrairement au ciment, au bton ou lacier, la terre ltat naturel peut tre utilise commematriaudeconstructionpratiquementsansdpensednergie.Elleprsentede nombreux avantages environnementaux, sociaux et culturels. La terre largement utilise dans la construction des btiments est trs sensible leau. Les blocs de terre sont produits par la compression de terre crue dans une presse mcanique ou hydraulique. La terre est retenue dans un moule o elle est comprime entre deux plateaux qui se rapprochent lentement. Cette compressionpermetderduirelevolumedesvidesdanslebloc,cequidiminueainsisa sensibilit l'eau et augmente sa rsistance la compression.Certaines proprits des briques de terre (faible masse volumique, faible conductivit thermique) justifient leur utilisation pour lamlioration de lisolation thermique des btiments comme par exemple les briques alvoles et les briques creuses. Il savre utile de rechercher des matriaux locaux qui amliorent lisolation thermique des btiments et dont le cot de production est faible. Nousnousproposonsdanscetravaildemettreaupointdesbriquesdeterreavec incorporationdematriauxfaiblemassevolumiqueetdontlesconductivitsthermiques sont suffisamment faibles pour que le bton de terre obtenu soit judicieux pour une isolation thermique. Nous avons choisi dincorporer dans les briques de terre stabilises (BTS) soit de la pouzzolane naturelle soit de la sciure de bois. La valorisation de la sciure de bois et une contribution la protection de lenvironnement (la sciure de bois est le plus souvent brle, produisant du CO2) constituent le second objectifde ce travail. Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btimentsIntroduction gnrale Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 2Pouroptimiserleschangesd'air,dechaleuretd'humiditdanslesbtiments,les concepteurs ont besoin de connatre les proprits thermo-hydriques de chaque lment qui composel'enveloppedubtiment.Danslalittrature,ilexistepeudedonnessurles proprits du matriau terre, pourtant largement utilis dans les constructions et notammentau Cameroun.Ces proprits incluent : la capacit calorifique;la conductivit thermique et son lien avec la temprature;la permabilit la vapeur d'eau et son lien avec l'humidit relative;la teneur en humidit au point d'quilibre et son lien avec l'humidit relative;le coefficient d'absorption d'eau;la diffusivit de l'eau l'tat liquide (une proprit qui dtermine le taux de diffusion de l'eau l'tat liquide dans les matriaux poreux) et sa relation avec la teneur en eau;la permabilit l'air qui dpend des diffrentiels de pression.La plupart des matriaux de construction possdent une structure poreuse lintrieur de laquelleleausousformeliquideouvapeurpeuttrestockeourestitueaumilieu environnant. L'humidit constitue lune des principales causes des dommages que subissent lesbtiments.Lessimulationsinformatiquespermettentdtudierlaperformance hygrothermique (diffusion combine de la chaleur, de l'air et de l'humidit) des enveloppes debtimentsoffrantlapossibilitdenamliorerlaconception.Larecherchemenedansce travail a aussi pour objectif dutiliser des outils de modlisation pour prdire le comportement hygrothermique des enveloppes de btiment en BTS et den amliorer l'efficacit nergtique et la durabilit.Letransfertdechaleur,dansunmilieuporeux,saccompagneleplussouventde transfert dhumidit. De nombreuses tudes menes sur ce phnomne assez complexe ont montrladifficultdemiseenuvredesmodles.Quelquesmodlespropossplus rcemment prennent en compte le transfert coupl de chaleur et dhumidit en considrant leau sous forme liquide ou sous forme vapeur.NousnousproposonsdanscetravaildefaireunetudeapprofondiedesBTSafin dacqurirunensemblededonnesthermophysiqueslesconcernant.Nousprsentonsla mthode utilise pour la mesure de la conductivit thermique et de la diffusivit thermique. Etant donne la variation de ces deux proprits avec lhumidit, nous avons fait une tude sur linfluence de la teneur en eau sur chacune delles. La mthode calorimtrique est utilise pour la dtermination de la chaleur spcifique.Les briques de terre confectionnes ainsi que celles avec incorporation de pouzzolane naturelle ou de sciure de bois doivent avoir une rsistance mcanique suffisante pour viter que les parois ne se fissurent rapidement. Une partie de ce travail est donc consacre ltude des proprits mcaniques des briques de terre ralises. Nousnoussommesattachsensuitemesurerlesparamtreshygrothermiquesdes BTS ncessaires la modlisation destransferts coupls de chaleur et dhumidit entre les environnements extrieur et lintrieurdune enveloppe de btiment. Nous faisons une tude incluant les isothermes de sorption des matriaux et des donnes climatiques moyennes des trois localits choisies.Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btimentsIntroduction gnrale Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 3Nous ralisons enfin grce la modlisation des transferts chaleur et de masse dessimulations indiquant les profils de temprature, dhumidit relative et de teneur en eau, de faon prvoir la durabilit des matriaux mis au point dans ce travail. Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btimentsSynthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 3 1. SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE etPRESENTATION DES MATERIAUX LOCAUX Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btimentsSynthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 4 Chapitre 1 SYNTHESE BIBIOGRAPHIQUE ET PRESENTATION DE MATERIAUX LOCAUX Sommaire Introduction................................................................................................................................5 1.1- L'isolation thermique des btiments....................................................................................6 1.1.2- Les techniques disolation thermique dans le btiment.................................. 12 1.1.2.1-Isolation intgre.......................................................................................... 12 1.1.2.2- Les autres solutions..................................................................................... 12 1.2-La pouzzolane naturelle au Cameroun...............................................................................13 1.2.1-Dfinition de la pouzzolane............................................................................. 13 1.2.2-Prsentation des sites de prlvement............................................................. 13 1. 3.Production de la sciure de bois au Cameroun.................................................................17 1. 4-Production du ciment au Cameroun................................................................................20 1. 5-Stabilisation des briques de terre......................................................................................21 1.5.1-Stabilisation mcanique................................................................................... 22 1.5.2-Stabilisation chimique..................................................................................... 22 1.5.3- Stabilisation physique..................................................................................... 22 1. 5.4- Stabilisation au ciment .................................................................................. 22 1.5.5- Stabilisation par cuisson................................................................................. 23 Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btimentsSynthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 5Introduction La meilleure faon d'assurer le dveloppement durable du systme nergtique passe, de l'avis gnral, par la rduction de la consommation de toutes les ressources nergtiques. La mise en uvre des potentialits d'conomie d'nergie existantes ne peut avoir que des effets bnfiques, d'abord sur le plan financier et ensuite sur la situation environnementale globale. En effet, l'conomie d'nergie est l'une des manires de contribuer la diminution des risques de changements climatiques auxquels notre plante est expose. La plupart des btiments, quils soient usage d'habitation ou industriel, constituent des systmesdontlaconsommationd'nergieestimportantesilondsireassurerunconfort thermique acceptable par ses occupants. Pour les deux raisons ci-dessus mentionnes, la mise enuvred'unprogrammed'conomied'nergiedanslesbtimentsdevraittreunedes actions prioritaires entreprendre. La mise en uvre d'un tel programme se traduirait par :l'amlioration de la conception thermique des btiments adapte aux climats du pays concern lamlioration de l'efficacit nergtique des btiments, un code de qualit pour les btiments neufs et un guide d'exploitation. Il est par ailleurs indispensable de mener des tudes qui permettent l'amlioration du confort thermique dans l'habitat non climatis. PouramliorerleconfortthermiquedansunpayschaudcommeleCameroun,le recours la climatisation savre ncessaire. La climatisation naturelle contribue limiter les recours aux appareils de climatisation, ce qui est une ncessit conomique dans un grand nombre de pays chauds. On constate que chaque anne, les techniques traditionnelles reculent auprofitdesstandardarchitecturauximportsetinadaptsauxclimatschaudsavecdes consquences pour le moins ngatives (Abdesselam, 1999). Pour une climatisation naturelle ou passive, savoir un choix adquat des matriaux et leur disposition pour rduire les apports de chaleur, les outils dont dispose le concepteur d'un btimentneluipermettentpastoujoursderpondredirectementauxproccupationsqui peuvent tre entre autres : - le niveau d'isolation adapter pour un btiment sans climatisation active - la rpartition des conductances et des capacits thermiques - l'paisseur optimale pour les couches des matriaux -l'actionthermiquelaplusefficacedansuncontextedonn(climatisationartificielle/ climatisation naturelle). Letransfertdechaleur,dansunmilieuporeux,saccompagneleplussouventde transfert dhumidit. De nombreuses tudes menes sur ce phnomne assez complexe ont montrladifficultdemiseenuvredesmodles.Lewis(1921)atudiletransfert dhumidit dans les milieux poreuxen ngligeant les effets de transfert de chaleur et a conclu que le mouvement de lhumiditdiffuse de lintrieur la surface du matriauo leau svapore.Biot(1941)adveloppunethoriededformationdesmilieuxporeux isotropiques trois dimensions en supposant le composant solide homogne et lastique ou homogne mais anisotropique. Unemodlisation des phnomnes physiques fondamentaux reposesurlacaractrisationdespropritsintrinsquesdesmatriaux.Lamesuredes grandeursphysiquesintervenantdanscesmodles estindispensableetlaplupartdes difficults proviennent : .delapauvretdesdonnesphysiquescaractristiquesdesmatriauxutilissdansla construction des btiments, . de la complexit des modles bass sur la thorie de Glasercit parPerrin (1985) qui ne concerne que le rgimes tabli ngligeant les variations des caractristiques thermiques des matriaux avec lhumidit et la temprature et supposant que les transferts nont lieu quen phase vapeur, ce qui nest pas souvent le cas.Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btimentsSynthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 6Quelques modles proposs plus rcemment prennent en compte le transfert coupl de chaleur et dhumidit en considrant leau sous forme liquide ou sous forme vapeur (Shun-Lund Su, 1997) 1.1- L'isolation thermique des btiments Pour amliorer le confort thermique dans un btiment et conomiser de l'nergie, il est ncessairedemettreenuvredesmatriauxparticulirementperformants,apportantune bonneisolationthermique.Eneffet,unebonneisolationthermiqueentranelechoix d'quipements de climatisation moins puissants donc plus conomiques. Dans la plupart des cas, lisolationest obtenue par lemploi de matriaux spcifiques, qui, outreune bonne rsistance la transmission de la chaleur, doivent prsenter dautres qualits qui sont fonction des impratifs de mise en uvre comme : -lalgretetlanonhygroscopicitafindeconserverdansletempssesqualits isolantes, -une bonne rsistance mcanique, -une bonne tenue aux tempratures demploi, -une absence deffets nuisibles sur les matriaux en contact avec lisolant. On peut par exemple, au cas o il y a ncessit disolation complmentaire,opter pour la mise en uvre d'isolants pour habiller la construction tant par l'intrieur que par l'extrieur, mais dans ce cas il faudrait traiter les ponts avec soin. Une autre solution consiste faire appel des matriaux qui, en raison de leurs proprits isolantes, se suffisent eux-mmes et ne ncessitent pas la mise en uvre d'une isolation complmentaire. 1.1.1- Les isolants thermiques Lesisolantsthermiquesdiffrentlesunsdes autres par de nombreux paramtres. Nous prsentons ci-aprs un aperu des principales caractristiquespar type disolant (Busschaert, 1996). La laine de verre minrale (MW) La laine de verre minrale se prsente sous diffrentes formes (matelas ou panneaux). Les produits sont fabriqus par un mlange de matires premires en fusion (pour la laine de roche il s'agit essentiellement de diabase et de calcaire, pour la laine de verre essentiellement de sable et de dbris de verre) jusqu' l'obtention de fibres de consistance laineuse. Le polystyrne expans (EPS) On distingue le polystyrne expans modifi non rsistant au feu et le polystyrne expans modifi rsistant au feu. La masse volumique et, donc les proprits spcifiques d'isolation thermiquesontadaptesencoursdefabrication.Eneffet,laconductivitthermiquepar exemple est lie la masse volumique. La masse volumique est fonction de la taille des billes,de leur vitesse d'introduction et du dbit de vapeur. Le verre cellulaire (CG) Les isolants en verre cellulaire se prsentent sous forme de panneaux bords ou de pices dcoupes dans les panneaux. La masse volumique ou les proprits spcifiques d'isolation thermiques sont adaptes en cours de fabrication. Le produit est obtenu par fusion pure et d'additifs, puis pass dans une tireuse, vitrifi et broy. Le polystyrne extrud (XPS) Le polystyrne extrud se prsente sous forme de panneaux bords droits, rainure et languettes ou bute. Les proprits spcifiques d'isolation thermique sont adaptes en cours Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btimentsSynthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 7de fabrication. Le produit est obtenu par mlange de granulats de polystyrne et d'additifs (agentsexpansifsnotamment)jusqu'l'obtentiond'uneptequel'onintroduitdansune extrudeusepourproduirel'paisseurdsire.Leproduitdoitsespropritsisolantes spcifiques au type d'agent expansif utilis ainsi qu' la vitesse de monte en temprature et lavitessed'intrusion.L'adjonctiondel'agentexpansifengendreunemigrationair/agent expansif qui se stabilise avec le temps. Polyurthanne (PUR) et Polyisocyanurate (PIR) Les produits se prsentent sous forme de panneaux bords droits pourvus ventuellement de rainures et de languettes. Les panneaux sont constitus d'une me de mousse rigide en PUR/PIRetsontdotsd'unparementsurlesdeuxfaces.Lesparementsconditionnenten partie les proprits isolantes. La mousse rigide de PUR/PIR rsulte d'une raction chimique exothermique de polyisocyanurates et de polyol sous l'effet d'agents expansifs. La laine de boisLes panneaux de laine de bois sont labors partir de fibres de bois, le liant tant la ligninedebois.Cematriaunaturelpossdeuncoefficientdeconductivitthermique identique aux autres laines isolantes, une structure rigide assemblage rainur garantissant une trs grande longvit. Phnol (PF) Ce produit se prsente sous forme de panneaux bords droits pourvus ventuellement de rainures et languettes. Les panneaux sont constitus d'une me en mousse phnolique et sont dots d'un parement sur les deux faces qui conditionne en partie les proprits isolantes. Le produit doit ses proprits isolantes spcifiques au type d'agent expansif et la formulation adopte. Perlite expanse (EPB) Le processus de fabrication consiste poser sur un tapis roulant un mlange compos d'eau de perlite expanse, de fibres de verre, de cellulose et d'un liant bitumeux. Le mlange est comprim jusqu' l'obtention de l'paisseur voulue. Les matriaux comme les granulats de verre, le chanvre, la terrecuite sont utiliss danslaconfectiondesbriquesspcifiquesquientrentdanslacompositiond'lments particulirement isolants. Aveclegranulatdeverre,onconfectionneunbtonisolant.C'estaussilecasdu chanvre qui est un bon isolant biologique sur les plans thermique et phonique, et difficilement inflammable.Onrencontregalementsurlemarchdubtimentdesbriquesalvolesen quinconce qui offrent un bon pouvoir isolant.Les masses volumiques et les conductivits thermiques des isolants prsents ci-dessus sont regroupes dan le tableau 1.1. Tableau 1.1 : Masses volumiques et conductivits thermiques de quelques isolants MatriauMasse volumiqueConductivitValorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btimentsSynthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 8 (kg/m3) thermique (W/m.C) Laine de verre minrale180,034 -0,056 Polystyrne expans180,040 - 0,046 Verre cellulaire0,050 Poliuthane35 Polystyrne extrud350,031 - 0,034 Laine de bois1500,052 -0,065 Perlite expanse900,060 Parmi les proprits thermophysiques des matriaux utiliss comme isolants dans le btiment, la conductivit thermique est celle dont la valeur est la plus frquemment rclame. Nousprsentonsdansletableau1.2lesconductivitsthermiquesdequelquesmatriaux disolation utiliss au Cameroun. Tableau 1.2 : Masses volumiques et conductivits thermiques de quelques matriaux utiliss dans le btiment au Cameroun MatriauMasse volumique (kg/m3) Conductivit thermique (W/m.C) Bton de fibre de bois300 - 4000,12 Bton de copeau de bois450 - 6500,16 Bton de pouzzolane0,52 Lige de bambou150 - 2500,048 Paille300 - 4000,12 Carton0,14 0,35 Carton comprim0,26 Sciure de bois190 - 2150,06 0,07 Terre sche1000 - 20000,17 0,58 Terre 10% deau1000 - 20000,50 - 2,1 Terre 20% deau1000 - 20000,80 - 2,6 Terre battue (mur)17000,99 Contre plaqu0,12 Bois lourds0,15 0,23 Bois lgers0,12 Terre cuite1800 - 20001,15 Kapok0,035 30C Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Synthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 9Dans le tableau 2.3 sont prsentes les masses volumiques et les conductivits thermiques des principaux isolants thermiques utilissdans le btiment. Tableau 1.3: Coefficients de conductivit thermique de quelques matriaux utiliss dans le btiment ( RECKNAGEL, 1995 ). MatriauMasse volumique 1.kg/m3 Conductivit thermique (W/mC) Bloc de terre comprime1700 - 19001,05 Terre cuite1700 - 21001 - 1,35 Btons Bton plein (granulats) Bton caverneux (granulats) Btons de pouzzolane Bton de perlite Bton de bois Bton cellulaire trait lautoclave 1600 2400 1000 2000 1000 1200 400 800 250 650 375 - 825 0,8 1,75 0,35 0,7 0, 35 0,24 0,31 0,10 0,16 0,16 0,33 Plaques fibres de bois 450 550 350 450 250 350 0,16 0,12 0,10 Bois naturel spciaux Balsa Bois lourd 60 120 800 1000 0,052 0,29 Mousserigidebasede polychlorure de vinyle 25 480,031 0,034 Mousserigidebasede polyuthanne Plaque expanse en continu Bloc expans en discontinu 30 40 30 60 0,029 0,030 0,033

Nous prsentons ci-dessous les principaux matriaux utiliss pour le remplissage des murs dans la construction des btiments. La brique de terre stabilise (BTS) Un bloc de terre non ou trs peu stabilis ne supporte pas dimmersion dans leau. Il se disloque compltement lorsquil est plong dans leau. La stabilisation a donc pour but de remdier cet inconvnient. La stabilisation dpend de plusieurs paramtres dont les plus importants sont :-La nature du stabilisant et sa quantit -La qualit de la terre -La qualit du compactage LetravaildeAyissi(1993)montrequelaterrenonstabiliseaunersistancesec acceptablecarsuprieureauminimumexigedanslaconstruction.Ilatestleseffets stabilisateurs du ciment et de la chaux, deux produits minraux dutilisation courante, sur un chantillon de sol donn.- Lajout de 4% de ciment amliore la rsistance sec tandis quavec 8% de ciment cette rsistance est multiplie par trois.Daprs les essais effectus il constate une dgradation des chantillons non stabiliss aprsquatre heures trente sept minutes dimmersion, alors Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Synthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 10quaprs vingt quatre heures les chantillons stabiliss 4 et 8% de ciment nont subi aucune altration vidente. La rsistance humide des chantillons stabiliss au ciment est suprieure au seuil exig dans les constructions.- Par ailleurs une BTS avec 8% de chaux permet un gain important par rapport la terre simple en ayant peu prs la mme efficacit que le ciment 8%. LestravauxduLaboratoiredesTravauxPublicsduCameroun(LTPC)deYaound rapports par Ottou (1987), prsents dans le tableau 1.4, mettent en vidence limportance de la teneur en eau sur le compactage. Tableau 1.4: Qualit de compactage en fonction de la teneur en eau de moulage Teneur en eau de moulage en fonction de lO.P.M. Qualit du compactage en pourcentage de lO.P.M. lO.P.M.Compactage impossible ; les grains ne peuvent glisser les uns sur les autres lO.P.M. +3%80 92% lO.P.M. + 5%79 85% lO.P.M. +8%84 96% lO.P.M. +10 17%72 88% O.P.M. : optimum PROCTOR modifi EnsebasantsurlestudesantrieuresfaitessurlesBTS(rsistanceencompression, sensibilit leau etc.), Dongmo (1991) a utilis trois valeurs de teneur en ciment savoir : 0%,5%et10%.Ilachoisiquatrevaleursdecompactageentenantcomptedesvaleurs courammentutilisesenmatiredecompactagedeblocsdeterre ;cespressionsde compactage sont comprises entre 7 et 20 bars.A partir des donnes tires du mmoire de Dongmo (1991), nous avons trac la courbe de variation de la conductivit thermique dune BTS en fonction de la teneur en eau. La figure 1 montre que la conductivit thermique augmente logiquement avec la teneur en eau. En effet, legobtonestporeuxetlecoefficientdeconductivitthermiquedeleau(0,54W/m.K 20C) est suprieur celui de lair (0,02W/m.K 20C). Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Synthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 11 Figure 1.1 : Variation de la conductivit thermique en fonction de la teneur en eau dune BTS avec 10% de ciment La terre cuite Construire et isoler simultanment constitue un pari mis en uvreparla terre cuite grceaublocdeterreG19savoirunebriquemuniedungrandnombrederanges dalvoles parois quinconces. Elle sert de matriau de construction et prsente des qualits de rigidit et de tenue mcanique.Ses 37,5 cm dpaisseur et ses 19ranges dalvoles allongent le parcours thermique, rduisant les dperditions nergtiques (Richard, 1995). Ce bloc de terre isolation rpartie a un coefficient de conductivit =0,46 W /mC pour un tesson en terre cuite standardet =0,37 W /mC pour un tessonallg par incorporation de sciure ou de polystyrne. Sa forte inertie permet une bonne rgulation de la temprature et prservelafracheurdeslocaux.Incombustible,ilnedgagepasdegaztoxiquesencas d'incendie. De plus il est non polluant et rsout les problmes de recyclage. Le bton cellulaire autoclav Cest un matriau silico-calcaire alvolaire obtenu par traitement lautoclave dun mlange de sable siliceux broy, de chaux et de ciment additionn de poudre daluminium. Une multitude dalvoles se forme dans le matriau par dgagement gazeux dhydrogne. La conductivit est variable avec la masse volumique. Les btons lgers de pouzzolane Ce sont des btons granulats de pouzzolane, donc granulats poreux. On dsigne par pouzzolane les pyroclastites, qui sont des projections issues des ruptions volcaniques. Les btonsdepouzzolanenaturelleontunemassevolumiquequisesitueentre1100et1500 kg/m3(Bidjocka1990).Leurspropritsmcaniquesetphysiquesrendentpossibleleur utilisation soit comme btons isolants et porteurs soit comme btons de structure. Le bton mousse Les btons mousse sont des btons dans lesquels des bulles dair sont introduites par lintermdiaire dune mousse. Ils prsentent des proprits disolation thermique et acoustique ainsi quune bonne rsistance au feu et au gel. Le tronc de cocotier ou de palmier Variation de la conductivit thermique en fonction de la teneur en eau00,20,40,60,811,20 5 10 15 20 25 30Teneur en eau (%)Conductivit (W/m.K)Pc=7,17 Pc =11,54 Pc=15,78 Pc=18,58Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Synthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 12Une tude portant sur lutilisation des matriaux locaux faite au Nigeria par Kolawole (1995)a montr que le tronc de palmier ou de cocotier peut tre utilis comme isolant dans le btiment. En effet, la composition des fibres de palmier est trs diffrente des autres bois de construction. Pour cette raison il offre des proprits thermiques diffrentes de la plupart des essences de bois. Les proprits thermiques dtermines sont la conductivit thermique, la rsistivit thermique et la rsistance thermique spcifique. 1.1.2- Les techniques disolation thermique dans le btiment 1.1.2.1-Isolation intgre Le bloc de coffrage isolant C'est un systme de mur compos d'lments en polystyrne expans ou d'lments mixtes bton/polystyrne expans destin tre empils sec et formant coffrage pour la mise en uvre d'un voilearm ou non. Le petit lment isolation intgre Cesystmeestconstitudemursenpetitslmentspermettantlaralisationdemurs maonns qui assurent simultanment des fonctions mcaniques et isolantes. Le systme isolation intgre Danscecasonfaitappeldeslmentscoffrantsdelahauteurd'untage, prconditionns lors de la fabrication en usine. L'ossature est en bton. lments lourds en bton Ce systme se compose d'lments lourds en bton de grandes dimensions avec une me en polystyrne expans. Le panneau sandwich C'est un systme constitu d'une peau extrieure dcorative, d'un isolant par exemple le polystyrneexpansetd'unepeauintrieuredcorativeounon.Ils'agitd'lments industrialiss de grande hauteur qui se mettent facilement en uvre et qui apportent une bonne isolation. 1.1.2.2- Les autres solutions D'autres matriaux entrent dans la composition d'lments particulirement isolants. Ce sont par exemple le granulat de verre, le chanvre (plante fibres) et la terre cuite qui entrent dans la confection de briques spcifiques. Avec le granulat de verre et le chanvre, qui est un bon isolant thermique et phonique difficilement inflammable, on confectionne un bton isolant.Les briques alvoles en quinconce offrent un bon pouvoir isolant (les briques "G" de l'entreprise Bouyer-Leroux). Le granulat de verre cellulaire Verexpanfabriqu partir des slections de verre de recyclage, de composition entirement minrale permet par une srie de traitementsthermiqueshautetemprature,d'obtenirunestructurecellulairehomogneet ferme, lgre et rsistante. Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Synthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 131.2-La pouzzolane naturelle au Cameroun 1.2.1-Dfinition de la pouzzolane EnnousappuyantsurlestravauxdeBidjocka(1990),nousprsentonsci-dessous quelquesnotionssurlapouzzolane,lundesmatriauxutiliserpourlaralisationdes matriaux composites dont nous nous proposons de dterminer les caractristiques. Parpouzzolanenaturelleondsigneausensstrictlespyroclastites,quisontdes projectionsdesruptionsvolcaniques.Lemotpouzzolanerappellelenomduneville italienne, POUZZOLES o se trouve ce type de roche. Actuellement le terme pouzzolane est tenduausensindustrieletdsignetoutmatriaunaturelouartificielricheensiliceet aluminecapablederagirtempratureambianteavecleschauxenprsencedeaupour former des produits aux proprits liantes. Pournotretudenousutilisonsletermepouzzolanepourdsigneruniquementles scoriesvolcaniquesprovenantdelambeauxdelavesltatliquide.Lastructure morphologique de type vacuolaire des pouzzolanes proprement dites, ainsi que leur forme dchiquete leur sont caractristiques. Les vsicules de tailles variables que prsentent les pouzzolanes sont dues aux gaz emprisonns dans la lave ; plus celle-ci est fluide moins elle estvacuolaire.Laformeextrieureprovientdesexplosionsvolcaniquesquiprovoquent ljection des lambeaux de laves constitutifs des pouzzolanes naturelles aprs refroidissement. Cettestructuredonneauxgranulatsuneporositremarquableainsiquunhautpouvoir disolation thermique. 1.2.2-Prsentation des sites de prlvement Il est reconnu que le Cameroun est affect par un gigantesque accident tectonique qui relieraitSao-TomauCamerounetsepoursuivraitjusquauTibesti(figure1.2).Au Cameroun, cet accident est bien observ par lalignement dune quarantaine de massifs sur plus de 500 km, de locan atlantique au lac Tchad selon une direction SW-NE. Ces massifs se situent dans la partie Ouest du Cameroun, la frontire du Nigria. Ces fractures sont jalonnes de nombreuses missions volcaniques. Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Synthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 14 Figure 1.2 : La direction Cameroun-Tibesti et les axes gravimtriques par P. Louis, cit par Bidjocka, 1990 Lessitesdeprlvementdepouzzolanepeuventtrelocalissdansdeuxrgions diffrentes de lOuest Camerounprsents sur la figure 1.3. - La plaine de Tombel o se trouve la carrire de Djoungo, - LaplainedeNounosetrouventquatrecarriresouvertesquiseraientlesplus importantes de la rgion de Foumbot. Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Synthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 15 Figure 1.3 : Le volcanisme au Cameroun Nous avons choisi de travailler avec de la pouzzolane de la carrire de Djoungo. Cette carriresetrouveaupiedSud-EstduMontPel(figure1.4). Les pouzzolanes qui y sont exploitesonttoutdabordtutilisescommegranulatspourlaconstructiondelaligne occidentale du chemin de ferdu Cameroun. Les analyses chimiques ont permis de les utiliser aussicommeliantshydrauliques.Cestdailleurscettefinquestdestinlessentielde lexploitation de la carrire par les cimenteries du Cameroun (CIMENCAM). Le Djoungo, encore appel mont Pel est lun des mieux conservs de tous les cnes volcaniques de la plaine de Tombel. Sa masse principale qui na jamais t value est constitue de produitsde projection, parmi lesquels dominent les scories. Elles sont gnralement noir violac, mais on en trouve galement de couleur rouge brique. Plaine de Tombel Plaine du Noun Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Synthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 16 Figure 1.4 : Situation gographique du site de Djoungo 1.2.3- Diffrentes utilisations de la pouzzolane La pouzzolane par toutes les caractristiques quelle offre de faon naturelle, tant sur le plan physico-chimique que sur le plan conomique trouve un ventail toujours croissant de domainesdevalorisation.Quecesoitauniveauartisanalouagricole,lutilisationdela pouzzolanesediversifiesurtoutauvoisinagedesrgionsvolcaniques.Lesprincipaux domaines dutilisation sont les suivants: LagricultureLes pouzzolanes sont riches en silice, en alcalino-terreux et en oligo-lments. Elles offrentpourcertainescultureslavantagedunmilieubienar,chimiquementinerte, dabsence de parasites au dpart de la mise en uvre, de facilit de dsinfection par la suite et dune grande stabilit et durabilit. Les pouzzolanes servent aussi au drainage des tranches, lamendement des sols. Elles sont galement utilises avec succs en horticulture et cultures marachres. Applications routires Dans ce domaine la pouzzolane est utilise comme sable comportant des fines. Fabrication des cimentsLapouzzolaneestutilisedanslafabricationdecertainstypesdecimentcomme constituant secondaire. Elle est galement utilise comme filler, donc comme un produit plus ou moins ractif du point de vue hydraulique et dont la prsence accrot la maniabilit et diminue la capillarit du ciment. Lemploi de tels ciments est dun grand avantage dans les DJ OUNGOValorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Synthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 17btons de masse, cause de laccroissement de leur rsistance au gel et laction des eaux agressives sans oublier la diminution de la solubilit de la chaux que prsentent ces btons. Fabrication des btons Dans le domaine des btons, les pouzzolanes naturelles, lorsquelles sont disponibles, sontabondammentutilises,avecdesaspectsdiversifis.Denombreusesapplications possiblesaveclespouzzolanesnaturellesdpendentdirectementdespropritsdeces matriaux. 1. 3.Production de la sciure de bois au Cameroun Le bassin du Congo comprend six pays d'Afrique Centrale dont le Cameroun. Environ 76 %, soit plus de 17 millions d'hectares, de forts camerounaises (qui s'tendent sur 22,8 millionsd'hectaresdont17,5millionsdefortproductive)onttexploitsouaumoins dsignscommeconcessionforestire.Moinsd'uncinquimedesfortsnonprotgesdu pays, surtout dans le Centre et l'Est du pays, n'a pas t touch par l'exploitation. Seulement 6%, soit 1,4 millions d'hectares, des forts camerounaises sont protges sous le statut d'un parc national ou d'une rserve. En 1994, le Cameroun a adopt une nouvelle loi forestire qui, si elle est applique, pourrait contribuer la rduction des cots sociaux et environnementaux de l'exploitation, tout en gnrant plus de revenus fiscaux. Au-del de la valeur conomique dubois,lesfortscamerounaisessontparmilesplusdiversifiesetlesplusmenaces d'Afrique Centrale. Les forts du Bassin du Congo, qui s'tendaient sur plus de 198 millions d'hectares en 1995, reprsentent le deuxime plus grand bloc de forts tropicales au monde aprs le Bassin de l'Amazonie. Les forts les plus intactes du Cameroun sont situes dans le sud-est du pays. Cest dans cette zone quese trouvent les concessions les plus vastes et les taux d'extraction les plus levs. L'exploitation a commenc par les zones les plus accessibles. Aujourd'hui,7millionsd'hectaresdefortviergerestentdisponibles.Lesinventairesont couvert ce jour 13,8 millions d'hectares et le potentiel de bois sur pied est estim plus d'un milliarddemtrecube(m3)surtroiscentsessencesrpertories.Parmilesessences rpertories, une soixantaine fait l'objet d'une exploitation commerciale dont une vingtaine de faon systmatique et le reste au gr de la conjoncture. La production forestire camerounaise a rgulirement augment depuis 20 ans pour atteindre de nos jours un rgime de croisire qui semble se stabiliser aux environ de 2,5 millions de mtres cubes de grumes par an. Les capacits de transformation de boisau Cameroun connaissent une augmentation depuis 1993-94 (tableau1.5). En cinq ans, 28 nouvelles usines ont t construites pour une capacit de transformation de 1,15 million de m3.En outre, 9 des 38 usines existantes en 1993-94 ont fait lobjet de rachats avec modernisation (augmentation de capacit de 320 000 m3). Ainsi, en cinq ans, la capacit de transformation a plus que doubl, passant de 1,20 2,67 millions de m3. Tableau 1.5 : Augmentation de la transformation du bois au Cameroun Anne fiscale1993 /941998/991999/2000 Volume transform (millions de m3 de grumes) 1,001,832,32 Capacit detransformation (millions de m3 de grumes) 1,202,222,68 Nombre dusines en activit385166 Source : lindustrialisation de la filire bois au Cameroun entre 1994 et 1998 (Carret 1999) Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Synthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 18Comme le montre le tableau 1.5 le volume de grumes est en augmentation ainsi que le nombre dusines de transformation. Ceci conduit une augmentation de la quantit de sciure de bois produite au Cameroun depuis 1993. L'estimationdelaquantitdesciuredeboisestpossiblesionconnatletauxde rendementdansleschanesdeproduction.Latransformationduboisgnreunegrande quantitdersidusdontlespropritsphysico-chimiquesetnergtiquessonttrs diversifies. On distingue dans ce secteur dactivit deux grands groupes dindustries : celle de la premire transformation, qui travaille partir des grumes ou de bois ronds, et celle de la seconde transformation qui utilise les bois dj usins. - Rsidus de lindustrie de la premire transformation Ces industries assurent le dbit des grumes ou lusinage des bois ronds. Le tableau 1.6 prsente le taux de rsidus gnrs par la premire transformation.

Tableau 1.6 : Quantit de rsidus gnrs par lindustrie de premire transformation(Carre et al.1992) Type de rsidusPourcentage du volume initial (%) Sciage corces7 15 Dosses et dlignures25 40 Sciure7 12 Mise dimension des grumes4 12 Tranchage corce1 0 11 contre-plaqu ; Noyaux de droulage 4 5 Rsidus de placage humide24 Rsidus de placage sec8 9 Poussires de ponage, sciure4 5 Pointes, mise dimension15 20 -Rsidus de lindustrie de la seconde transformation Cesontlesindustriesquiutilisentlesassortissantsdeboisayantdjsubiune premiretransformation.Ellessontencorepeudveloppes.Onpeutestimerquelques millionsdemtrecubeparan,laproductiondesproduitslaborsmisaujourd'huisurle march.Leszonesetleslocalitsdimplantationdessocitsquiexploitentduboisau Camerounsontprsentessurlafigure1.5(Carret,1999).Troistypesdetransformation figurent sur la carte : le sciage (toile), le sciage et la menuiserie (rectangle), et le droulage, le tranchage et le contre plaqu (cylindre). Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Synthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 19 Figure 1.5 : Localisation des usines de transformation de bois au Cameroun Sur la figure1.6 est prsente lvolution des exportations du bois au Cameroun. On peut y constater que, depuis 1999, la quantit de bois sci sur place augmente au dtriment du bois brut avec pour consquence laugmentation de la quantit de sciure de bois produite. Figure 1.6 : Evolution des exportations du bois au Cameroun. Le tableau1.7prsente les activits de quelques usines de transformation de bois au Cameroun.Laquantitdesciuregnreparcesusinesestcalculepartirdutauxde production des rsidus du tableau 1.6. Si on prend en compte le taux de production de rsidus de la seconde transformation on devrait obtenir une plus grande quantit de sciure de bois. Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Synthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 20 Tableau 1.7 : Activits de quelques units de transformations de bois au Cameroun UsineActivitsEssencestransformes Capacit de production annuelle Quantit de sciure annuelle estime SFID Mbang Sciage Schage Aboutage parqueterie Ayous Sapeli Iroko Tali Mbabi Doussie 120 000 m3 12 000 m3 SID Djoum Sciage Iroko Sapelli Movingui Bosse Tali 50 000 m3 5 000 m3 SFID Dimako contre-plaqus Placage Ayous Sapelli Lotofa Frake 50 000 m3 6 000 m3 Lanalysestatistiqueamontrquilexistedesdiffrencesimportantesdes caractristiquesde la transformation en fonction du type de transformation choisi, c'est--dire selon que lusine est une scierie simple, une scierie avec schoir, une scierie avec un atelier de menuiserieindustriel,uneusinededroulage/contreplaquouuneusinedetranchage.Il apparat que le nombre de transformations de scieries avec schoir, de scieries intgres avec un atelier de menuiserie industrielle et de scieries de droulageest en augmentation sensible et devrait samplifierdans les annes venir en raison de lexistence de nombreux nouveaux projets. Il est par consquent probable que la quantit de sciure de bois gnre augmente dans les annes venir. Si la tendance lacclration de linvestissement se poursuivait, le principal problme consisteraitrguleretorienterledveloppementdel'industriedetransformationau Cameroun de manire ce quil soit compatible avec la gestion durable et lamnagement des forts. Il faut en effet viter quune surcapacit industrielle entrane une surexploitation de la fort et puise ainsi une matire premire lentement renouvelable.De mme, si la tendance construire des usines sommaires se poursuivait, il pourrait se poser aussi un srieux problme dadquation entre la qualit de la matire premire disponible sur lemarchintrieurcamerounaisetlaqualitdelatransformationlocale,aveccomme consquence une mauvaise valorisation industrielle de la fort camerounaise. 1. 4-Production du ciment au Cameroun Le ciment est produit au Cameroun par la socit CIMENCAM installe au Cameroun depuis 30 ans, et qui est le fournisseurdes ciments en Afrique Centrale.CIMENCAM assure la fourniture rgulire du Cameroun partir de 2 usines (Bonaberi dans le littoral et Figuil danslargionnorddupays).CIMENCAMmetladispositiondesconsommateursune gamme de 4 produits savoir :-LeCPJ35,cimentconupourlesprincipauxbesoinsdemaonneriecourante: parpaings, enduits, mortiers, btons de propret, de fondation, chapes, dallages. Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Synthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 21-Le CPJ 45, cimentpour les travaux de gnie civil appelant des rsistances leves : bton arme, bton de fondation,bton routier, prfabriqus, chapes, dallages, etc... - LeCPA50,ciment trs haute rsistance et durcissement rapide pour tous les prfabriqus, btons prcontraint, arm, de fondation, de semelle, etc... -LeCPA45, ciment pour les travaux de gnie civil et en milieux agressifs : btons arms, fondation, routier, prcontraint, prfabriqus, chapes, dallages, etc... Les rsistances mcaniques la compression des diffrents types de ciment produit au Cameroun varient entre 15 et 25 MPa pour deux jours, entre 39 et 58 MPa pour 28 jourscomme on peut le constater dans le tableau 1.8. Tableau 1.8 : Rsistance la compression des diffrents types de ciment produits au Cameroun. Rsistance mcaniquea la compression (MPa)Type de ciment NormeCIMENCAM deux jours-15 Le CPJ 35 28 jours32,539 deux jours-23 Le CPJ 45 28 jours42,550 deux jours-25 Le CPA 45 28 jours42,552 deux jours25 Le CPA 50 28 jours52,558 Source : http://www.cameroun-plus.com/ 1. 5-Stabilisation des briques de terre Suivant l'usage que l'on va faire des briques, il peut tre utile, voire ncessaire de les stabiliser.Unebriquedeterrecomprimenonstabiliseadetrsbonnesproprits d'changes thermiques et hygromtriques et une rsistance suffisante la compression pour pouvoir tre utilise telle quelle dans la construction.Dans les rgions trs pluvieuses, il est ncessaire de stabiliser les briques de terres comprimes (BTC) : l'humidit contenue dans les briques entrane leur miettement.SelonRemilloncitparOttou(1987),ondistinguedeuxprocessusdelatrisation, correspondant aux deux zones climatiques en Afrique : la zone tropicale humide et la zone tropicale sche. La composition des latrites est donne par le tableau 8 ci-dessous. Tableau 1.8 : Composition de la latrite Oxydes de ferOxydes daluminium Minraux argileux goethitegibbsitekaolinite limoniteboenmitehalloysite hermatiteillite Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Synthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 22La stabilisation est un ensemble de procds physiques ou chimiques visant amliorer lescaractristiquesdunebriquedeterre,enparticuliersarsistanceportante,sa sensibilit leau et sa durabilit. Elle doit permettre : - de rduire le volume des vides entre les particules solides - de colmater les vides que lon peut supprimer - decrerdesliensoudamliorerlesliaisonsexistantentrelesparticules(rsistances mcaniques) Lamlioration de ces caractristiques doit garder un caractre irrversible. 1.5.1-Stabilisation mcanique La stabilisation mcanique amliore la brique de terre par la modification de sa densit naturelle. Il sagit du compactage qui consiste essentiellement en une rduction de la porosit dumatriauparresserrementdesparticules.Leseffetsduncompactageeffectudansde bonnes conditions,se traduisent par une diminution de la permabilit, de la compressibilit, de labsorption deau et du gonflement. Les rsistances mcaniques initiales et long terme augmentent.Lecompactageluiseulpermetdobtenirunmatriauauxcaractristiques mcaniques leves, cependant ces matriaux restent trs sensibles leau. Mise au contact de l'eau, la brique redevient plastique et ne rsiste plus du tout la compression. Limmersion dune brique de terre comprime (BTC) dans un seau d'eau, donne le lendemain un tas de boueaufondduseau.SilesBTCsontprotgesdesintempries(dbordsdetoiture importants,protectionscontrelerejaillissement,soubassementssuffisammentlevs, drainage en pied de mur), il n'est pas ncessaire de stabiliser. Ce qui nest pas toujours le cas dans les zones concernes par cette tude.1.5.2-Stabilisation chimique La stabilisation chimique modifie les proprits dune brique de terre par lintermdiaire decertainsadjuvants.Afindediminuerlasensibilitleau,onasouventrecours ladjonctiondeproduits(liantshydrauliquesparexemple),rendantlessolstraitsmoins hydrophiles. Ladjonction du ciment qui est un liant hydraulique permet de lier les grains de sable tout en stabilisant largile de terre. On obtient ainsi une amlioration des caractristiques mcaniquesetdelasensibilitleau.Ilfaudraveillercequeleaudegchagene contienne ni de matires organiques, ni de sulfates. Daprs Remillon cit par Ottou (1987), la technique anglaise estime que tous les sols sont utilisables, sauf ceux dont la nature est trop plastique, cest--dire ceux dont lindice de plasticit est suprieur 20% et ceux contenant des sulfates nuisibles au ciment ou des matires organiques. 1.5.3- Stabilisation physique Lastabilisationphysiquemodifielespropritsdessolsparuneamliorationdes caractristiques du matriau par correction de la granularit. Le mlange obtenu conduit selon lecas,soitdiminuerlindicedeplasticitdematriaudebase,soitluiconfrerune certaine cohsion. Sikali cit par Ottou (1987) a tudi la stabilisation granulaire dune latrite par ajout de gravillons concasss. Il a constat que pour un pourcentage optimum du matriau dapport, la portance du matriau tudi samliore considrablement. 1. 5.4- Stabilisation au ciment Lors de la fabrication des BTS, il faut tenir compte du fait que le ciment a besoin d'eau pour faire sa prise (matriau hydraulique). Pour que le ciment assure son rle de stabilisant, il faut un minimum de 3 4 % en poids de ciment par rapport au poids de la terre utilise, sinon Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Synthse bibliographique et prsentation des matriaux locaux Doctorat/PhD. Dcembre 2004 Pierre Meukam 23il n'y pas de assez de liant. Ce minimum vaut pour un ciment de bonne qualit : suivant les qualitsducimentutilis,cepourcentagepeutmonterplusde10%.Pluslaterreest compose d'lments fins, plus il faudra de ciment pour lier les lments entre eux. Dans le cas o il est difficile de se procurer du ciment, il est moins coteux d'avoir une terre contenant des lments plus gros car ncessitant moins de ciment pour un mme degr de stabilisation (tout en restant dans les proportions et dimensions des lments d'une terre propre fabriquer desBTC).Pourdesconstructionsdevantrsisterleaudepluie,ilfautmonterle pourcentage de ciment 10%. La stabilisation amliore la rsistance la compression et la tenue des angles des briques l'abrasion et aux chocs.1.5.5- Stabilisation par cuissonLesbriquessontissuesd'unmlangedeterreetd'eau,danslequelonajoute,pour certainsmodlesisolants,desgrainscombustibles,telsquelasciuredebois.Lorsdela cuisson, dans des fours au gaz naturel, la sciure se consume en conomisant l'nergie du four et disparat en crant de petites bulles d'air qui amliorent l'isolation thermique. La brique de terrecuite,estunmatriauquipermetd'vacuerefficacementlhumiditversl'extrieur. Cette matrise essentielle de lhygromtrie et de la ventilation est un avantage que possde la terre cuite.Une maison en brique de terre cuite est un habitat bioclimatique qui protge les occupants du bruit, des variations climatiques, de l'humidit, de l'incendie. Elle ncessite par contre de dnergie pour la cuisson et parconsquent cote plus cher que la brique de terre stabilise au ciment et sa production participe la dforestation. Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 2. METHODES DE MESUREDES PROPRIETES THERMOPHYSIQUES Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Mthodes de mesure des proprits thermophysiques Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 23 23 23 Chapitre 2

LES METHODES DE MESURE DES PROPRIETES THERMOPHYSIQUES Sommaire Introduction..........................................................................................................................24 2.1Les principales mthodes de mesure des proprits thermophysiques....................25 2.1.1-Les mthodes en rgime permanent..........................................................................26 2.1.1.1-mthode de la plaque chaude garde. ....................................................................26 2.1.1.2-Mthode des botes................................................................................................27 2.1.2-Les mthodes en rgime transitoire..........................................................................29 2.1.2.1-Mthode de la plaque chaude avec excitation sinusodale.....................................29 2.1.2.2-Mesure de la conductivit thermique par la mthode du fil chaud........................32 2.1.2.3-Mesure de leffusivit thermique par la mthode du plan chaud...........................34 2.1.2.4-Mesure simultane de la conductivit et de leffusivit.........................................36 2.1.2-5-Mesure de la diffusivit thermique par la mthode flash......................................39 2.1.3-Mthode de mesure de la chaleur spcifique............................................................45 2.1.3.1-Principe de la mthode...........................................................................................45 2.1.3 2-Dtermination de la valeur en eau du calorimtre.................................................46 2.1. 3.4-Dtermination de la chaleur massique du matriau humide.................................46 2.1.4-Conclusion................................................................................................................47 2.2Les principales mthodes de mesure des proprits hygroscopiques.......................47 2.2.1-Mthode gravimtrique.............................................................................................47 2.2.1.1-Mthode des solutions salines concentres :..........................................................47 2.2.1.2-Mthode des solutions dacide sulfurique : ...........................................................48 2.2 2-Mthode dynamique..................................................................................................48 2.2.3-Mthodes de lenceinte rgule en temprature et en humidit................................50 2.2.4-Conclusion................................................................................................................50 2.3-Influence de la porosit sur les propritsthermophysiques....................................50 2.3.1-Rappels thoriques sur les milieux poreux...............................................................50 2.3.2-Diffrents types de porosits.....................................................................................52 2.3.2-Mcanismes de transfert de chaleur dans les matriaux poreux...............................53 2.3.3-Modlisation des transferts de chaleur dans les matriaux poreux...........................53 2.3.4-Influence de lhumidit sur les proprits thermophysiques des matriaux.............56 2.3.5-Modlisation des isothermes dadsorption/dsorption..............................................57 Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Mthodes de mesure des proprits thermophysiques Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 24 24 24

Introduction La fabrication de la plupart des matriaux de btiment consomme beaucoup d'nergie provoquantainsideseffetsnfastespourl'environnement.Cependant,lesmatriaux naturelspermettent dviter une grande partie de ces problmes lis leur fabrication et contribuent la cration d'une ambiance saine l'intrieure d'une maison. Lestimation des proprits thermophysiques des matriaux de construction joue un rle primordial dans un grand nombre de domaines scientifiques et industriels. Notre choix sest port sur la terrequiconnatactuellementunregaindintrtsuitelacrisenergtiqueetcelledu logement. La terre ltat naturel peut tre utilise comme matriau de construction sans une grandedpensednergie.Danslaplupartdespaysenvoiededveloppementeten particulierau Cameroun, le revenu dune majorit dhabitants ne leur permet de construire quedeslogementssociauxconomiques.Laterreestunmatriaunaturel,disponibleen abondance ; il nimplique souvent ni achat, ni transport, ni transformation importante, de plus elle est facilement recyclable. Contrairement aux matriaux et produits semi-finis dont la fabrication industrielle exige normment dnergie, le matriau terre ncessite trs peu dnergie pour tre produit (la fabrication dun mtre cube de bton requiert 400 800 kWh Houben, 1997).Les avantages de la terre naturelle utilise comme matriau de construction sont connus. Les matriaux naturels comme la terre ne requirent que de 5 10 kWh par mtre cube. Toutefois les performances des briques de terre en terme disolation thermique desbtimentsrestentencorepeuconnues.Nousentendonsparisolantthermiqueun matriau, qui par sa composition ou sa nature ralentit le transfert de lnergie calorifique. Dans le btiment lappellation isolant thermique est rserve aux produits dont la rsistance thermique, aptitudedun matriau ralentir la propagation de lnergie qui le traverse, est infrieure 0, 5 m2.K.W-1 (Pompeo n178) et dont la conductivit thermique est au plus gale0,065W.m-1.K-1.Ladterminationdespropritsthermophysiquesdecesbriques pourraittredunegrandeutilitpourlvaluationdeleurefficacitdanslisolation thermique des btiments. La conductivit thermique des briques dpend de la nature du sol. Adam et al. (1995) ont obtenu des valeurs comprises entre 0, 38 et 0, 88 W.m-1.K-1, alors que les valeurs trouves par Lamkharouet et al. (1991), pour les briques stabilises au ciment, varient entre 0,71 et 1,53 W.m-1.K-1.Les caractristiques thermophysiques des matriaux reprsentent la facult qua la chaleur de se propager dans un corps ou dy tre stocke. Pour introduire les caractristiques thermophysiques internes des matriaux, nous allons rappeler quelques notions de base sur lapropagationdelachaleurdanslessolidesetnousexposeronsensuitequelques mthodologies de mesure qui permettent dobtenir les coefficients.Les grandeurs thermophysiques que nous allons examiner pour les briques de terre stabilises tudies sont : -la conductivit thermique -la diffusivit thermique -la chaleur massique La conductivit thermique Laconductivitthermiqueestlunedespropritsthermophysiqueslaplus recherche pour les matriaux de construction. En rgime permanent, dans le cas le plus simple de lcoulement unidimensionnel de chaleur travers un mur homogne dpaisseur e et de tempratures uniformes T1 et T2, ce flux de chaleur en W sexprime sous la forme : Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Mthodes de mesure des proprits thermophysiques Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 25 25 25 ( )S T Te2 1 = o S est laire des faces latrales en m2 La conductivit thermique mesure donc la facult qua la chaleur de traverser plus ou moins aisment un corps enrgime permanent. Elle dpend de la nature du corps et de sa temprature.Le processus de transfert de lnergie thermique est un phnomne statistique. Enralit,lnergienentrepassimplementparunboutpouratteindrelautrebouten suivant une ligne droite, mais lnergie diffuse dans lchantillon en se transmettant par des collisionssuccessives.Cestlanaturestatistiqueduprocessusquiintroduitlegradient thermique et un libre parcours moyen dans lexpression du flux de chaleur. Dans le cas de lisolation thermique des btiments, il sagit de minimiser ce transfert. Diffusivit thermique Lorsque la temprature du milieu est fonction du temps et que la conductivit dpend de la temprature et des coordonnes spatiales, lquation de Fourier scrit : =gradT . divtTCp Lorsque les paramtres thermiques sont indpendants de la temprature, la relation ci-dessus devient : TCtTp= avec,222222zTyTxTT ++=Cette relation fait apparatre le rapport pCa=qui reprsente la diffusivit thermique du milieu. On peut donc crire : TtTa = Ladiffusivitthermique,lorsquelleestdfinieestdonclielaconductivit thermique,lachaleurmassiqueetlamassevolumique.Ellecaractriselavitessede propagation dune onde dans un corps et intresse tous les problmes dinertie thermique des matriaux. Chaleur massique Lquation calorimtrique classique : Q =m Cp (T2 T1)montre que la quantit de chaleur absorbe par un corps de masse m quand sa temprature augmente de T1 T2 est proportionnellelachaleurmassiqueCp dusolideconsidr.Pratiquement,lachaleur massique Cp dun corps correspond la quantit de chaleur dont il a besoin pour que la temprature dune unit de sa masseslve dun degr. Ceci met en vidence limportance delachaleurmassiquepourtouslescalculsdestockagedechaleuroudetransportde chaleur. Dautre part, la chaleur massique intervenant dans la diffusivit thermique , sa mesure est souvent ncessaire. 2.1Les principales mthodes de mesure des proprits thermophysiques La conductivit thermique , la chaleur spcifique Cp, leffusivit thermique E et la diffusivitthermiqueasontdesparamtresthermophysiquesimportantsdansltudedes transfertsdechaleurdanslesmatriaux ;cestainsiquilssontessentielsauniveaudes procds de schage, de chauffage, de refroidissement et en thermique du btiment. Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Mthodes de mesure des proprits thermophysiques Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 26 26 26 Ces paramtres peuvent tre mesurs par diverses mthodes, mais la connaissance de deux quelconques dentre eux entrane la dtermination des autres laide des relations :

pC = aet C Ep= (2.1) La mesure de la conductivit thermique est dune grande importance quand on dsire tudier les changes de chaleur dans un systme. Un grand nombre de mthodes ont t dj utilises pour dterminer la conductivit thermique de diffrents matriaux. Quelques-unes dentre elles dveloppent des thories bases sur les quations de conduction de la chaleur. Les mthodes de mesure de la conductivit thermique peuvent tre classes en deux grandes catgories : les mthodes tat stable et les mthodes tat transitoires. 2.1.1-Les mthodes en rgime permanent Cesmthodesncessitentunlongtempsdemanipulationetlavariationde lhumiditaucoursdutempsentraneainsidesrsultatsentachsderreurs.Cependant parmi celles-ci, la mthode de Lee (Avery et Ingran, 1976) donne des rsultats satisfaisants, mais elle exige plus de temps surtout pour des matriaux faible conductivit thermique. LesmesuresstatiquessupposentlutilisationdesquationsdeFourierdansltat stationnaire. Il est ncessaire de dterminer la densit de flux de chaleur et le gradient de temprature le long de la normale lchantillon. Le rgime permanent permet dobtenir des mesuresdunegrandeprcisionmaisletempsquilfautpouratteindrelquilibrepeut constituer un long processus si la conductivit est trs faible. 2.1.1.1-mthode de la plaque chaude garde. Leprincipedumontageexprimentalconsistemaintenirunediffrencede temprature T entre deux plaques, A et B, planes, parallles et portes respectivement aux tempratures constantes TA et TB. Un chantillon du matriau tudier, solide faiblement conducteur, est plac entre les deux plaques (figure 2.1). La mthode de la plaque chaude garde a t dveloppe pour la mesure de faibles conductivits thermiques (Gustafson et al 1981;Pradhan et al 1991). Figure 2.1 : Schma de principe de mesure de la conductivit thermique par la mthode de la plaque chaude garde. G : anneau de garde B : plaque froide A : plaque chaude E : chantillon Isolant Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Mthodes de mesure des proprits thermophysiques Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 27 27 27 Soit e lpaisseur de lchantillon et le flux thermique en rgime stationnaire par unit desurface, transfr dune plaque lautre. La conductivit thermique du matriau est donne par : Te = (2.2) avec T=TA-TB.La rsistance thermique est dautant plus leve que la conductivit est petite. Afin dviter les phnomnes de bord, la plaque A est entoure dun anneau port la mmetempratureTA.LintervallequisparelanneaudegardedelaplaqueAest suffisamment petit pour viter une perturbation trop importante du flux thermique sur les bordsde la plaque. La prcision de la mesure dpendra de celles des quantits figurant dans lquation (2.2) ainsi que des corrections apporter cette relation qui nglige plusieurs phnomnes thermiques. Pour les matriaux ncessitant des chantillonsreprsentatifs de surfacerelativementimportante,telsquelesisolantsutilissdanslebtiment,cette technique est le plus souvent utilise. La conductivit thermique des matriaux sous forme de plaques peut tre mesure par la mthode fluxmtrique, dite secondaire ou relative, ou par la mthode absolue, autrement appele de la plaque chaude garde , dont le principe est dfini par les normes ISO 8301 et 8302. Cette mthode permet dobtenir la prcision maximale de mesurede la conductivit thermique (1%), mais ncessite un temps de mesure de 1 3 jours par essai et le montage technique est dlicat.Le principe de la mthode du flux radial est celui de la plaque chaude garde mais il est utilis pour la mesure de la conductivit de matriaux granulaires ou pulvrulents. Le matriau est plac entre deux cylindres, bases circulaires, concentriques de rayons r1 et r2 et de hauteur h. Le flux de chaleur est cr par effet J oule dans le cylindre intrieur ; le cylindre extrieur est refroidi par une circulation deau. En rgime permanent on a : 12rrlnT 2q = (2.3) T : diffrence de temprature entre les deux faces.Commepourlamthodeprcdente,letempsdexprimentationestlongetle montage technique dlicat. Lamthodefluxmtriquepermetdestempsdemesurebeaucouppluscourt(15 minutes deux heures) pour une prcision allant de 3% 5% selon les performances des appareils prsents sur le march (A.L.B. instrumentation 1998). 2.1.1.2-Mthode des botes Le principe de cette mthode, mise au point par le Laboratoire dEtudes Thermiques et Solaires de lUniversit Claude Bernard de Lyon,est schmatis sur la figure 2.2. Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Mthodes de mesure des proprits thermophysiques Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 28 28 28 Figure 2.2 : Coupe du dispositif "des botes" Le volume A est maintenu une temprature plus basse que les deux botes grce un changeur basse temprature R reli un cryostat. Les plaques chauffantes C situes dans les botes crent un gradient de temprature travers lchantillon E. En rgime permanent, les mesures du flux de chaleur mis par C et des tempratures sur les faces suprieure et infrieure de E permettent de calculer les caractristiques thermiques de lchantillon. Lesystmedechauffageestmaintenupendantunecertainedure.Onobserve l'volution des tempratures TC et TF des faces chaude et froide de l'chantillon. Lorsque ces tempratures se stabilisent (variation de l'ordre du 1/10e de degr en une heure) on considre que l'on a atteint le rgime permanent. Ceci intervient gnralement 4 7 heures aprs le montage de l'chantillon, si le systme de refroidissement n'a pas t arrt aprsl'essaiprcdent.Acemoment,lebilannergtiquedu"localbote"permetde considrer les trois flux suivants : - l'effet J oule produit par l'lment chauffant C : RVJ2= (2.4) - les dperditions thermiques travers la bote B : ) (1 am B dT T C = (2.5) - et le flux conductif travers l'chantillon : ) (F CCT TeS = (2.6) Le flux J compensant les dperditions d et la conduction C (J =d +C), les quations (3), (4) et (5) conduisent la conductivit thermique sous la forme : Isolant Sondes de temprature E : chantillon B1 : Boite A : enceinteR : changeur de chaleur Rsistance chauffante Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Mthodes de mesure des proprits thermophysiques Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 29 29 29 = ) () (12A BF CT T CRVT T Se (2.7) 2.1.2-Les mthodes en rgime transitoire Ces mthodes sont le plus souvent utilises pour des matriaux biologiques qui sontgnralement htrognes et ont un taux dhumidit lev. Lamthode du FilChaud est lunedesmthodestattransitoirelaplusutilise.Lamthodetransitoiresuppose lquation diffrentielle complte de lcoulement de chaleur (Carslaw et J agger 1959). La mthode dynamique ne donne pas en gnral une grande prcision. Nousprsentonsci-dessousquelquesmthodesdemesuredelaconductivit thermique dont nous exposons rapidement les principes. Nousallons,ennousappuyantsurlestravauxdeJ annot(2003),prsenterles diffrentes mthodes de mesure des proprits thermophysiques par le fil chaud et le plan chaud. 2.1.2.1-Mthode de la plaque chaude avec excitation sinusodale. Cette mthode est base sur le systme plaque chaude encore appele plan chaud. La figure 2.3 reprsente le schma de principe de la mthode. Le principe de cette mthode consistegnrerunsignalthermiquepriodiquesurlafaceinfrieuredelapaire dchantillons, tout en maintenant constante la temprature de la face suprieure, laide dun dispositif de refroidissement plaque deau froide. Ce signal est produit par un flux de chaleurintermittentlintrieurdelaplaquechaude.Lorsquelergimepriodiqueest tabli, les signaux de temprature et de flux de chaleur peuvent tre dcomposs en srie de Fourier, donnant ainsi des signaux sinusodaux de mme que celle du gnrateur lectrique. Ces termes sinusodaux nous donnent la diffusivit et l effusivit thermique. Il est noter que le choix de la priode du signal dpend de lpaisseur et de la nature du matriau tudier.Engnral,cechoixsopredefaoncequelhypothsedetempratureconstante de la face suprieure de la paire dchantillons soit vrifie, tout en vitant davoir une amplitude du signal ngligeable. Pour un matriau donn, la priode du signal crot avec lpaisseur. 4-fluxmtre 7- thermostats 5- plaque chaude 8-gnrateur lectrique6- isolation latrale Figure 2.3 : Dispositif de mesure de la conductivit thermique par la mthode des signaux 8 1 2 3 4 5 6 7 1-plaque de refroidissement eau 2- thermocouple diffrentiel 3- chantillon Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Mthodes de mesure des proprits thermophysiques Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 30 30 30 Modlisation mathmatique Letransfertdechaleurestsupposunidirectionnelenraisondelasymtriede lchantillon et de lisolation latrale. Ce qui permet dcrire lquation de Laplace suivante : ( ) ( )2 22xt x, Ttt x, T=

avec les conditions aux limites : T (0, t) =T1 =constante T(2.e,t) =T3+T3sin(t) La temprature linterface scrit : T(e,t) =A T2sin(t - )(2.8) T1, T2 et T3sont les tempratures aux points ( x=o, x=e et x=2e ) respectivement. T2= , T tant la priode et t le temps.Le flux de chaleur appliqu sur la face infrieure scrit : ( ) ( ) t sin t 2e, + = = (2.9) En posant2122e Z =, on obtient : ( )( )21cosz chz 21z A+= ( )( )( )=2zth2ztgartgthztgzarctg z 1( 0 , ) T t T =2 2( , ) sin( ) T e t T T t = + 3 3(2 , ) sin( ) T e t T T t = +0 X= 0 X= e

X= 2ex ( ) ( ) + = t t e sin , 2Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Mthodes de mesure des proprits thermophysiques Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 31 31 31 21213cos2z ch2zcos2z ch2zE T+= ( ) ( )( ) [ ] + =thztgzartg thz tgz artg4z - Mesure de la diffusivit thermiquea Lanalyse harmonique des signauxT (2e, t) et T(e,t)donne les valeurs de A et . Les expressions de A(z) et (z) permettent dobtenirlesvaleurs de z et finalement on en dduit la diffusivit grce la relation : ( )T z 2ea22=(2.10) -Mesure de leffusivit thermiqueE Lefluxmtreestconsidrcommeunemincecouchehomogne.Lanalyseharmoniquede 3, , T z permetdedterminerleffusivitthermiqueE, connaissant3, , T z z et, savoir : ( ) z TE213= (2.11) avec ( )21cos2z ch2zcos2z ch2zz += Cette valeur de leffusivit E devratrecorrige par la relation :

Ec =E* ravec 212sin41 + = ret

ST S 3'= ,un paramtre adimensionnel. S : capacit calorifique du fluxmtre ; S : surface de la zone de mesure du fluxmtre ; : diffrence dephase entreT(2.e,t) et le dtecteur. restlerapportdufluxdechaleurtraversantlchantillonaufluxdechaleur traversant une couche quivalente homogne de fluxmtre.Lajoutdundeuximefluxmtrepermetdedterminerenplusdesvaleursde leffusivit thermique et de la diffusivit thermique, celle de la conductivit thermique. Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Mthodes de mesure des proprits thermophysiques Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 32 32 32 2.1.2.2-Mesure de la conductivit thermique par la mthode du fil chaud Principe de la mthode Figure 2.4 : Schma de principe de la mesure de conductivit thermique par la mthode du fil chaud

Unfluxdechaleurconstant(=0sitt0)estappliquaufil chauffant.Unthermocouplenouspermetdereleverlvolutionaucoursdutempsdela temprature To(t) de ce fil. Pendant le temps o la perturbation na pas atteint les autres faces c'est--dire lorsque lhypothse du milieu infini est valide, on peut supposer que le transfert dans lchantillon autour du fil est radial. La modlisation de ce transfert de chaleur permet decalculerlvolutiondelatempratureaucentredelchantillon.Unemthode destimation judicieusement choisie de faon minimiser lcart entre les courbes thoriques etexprimentalesnouspermetdvaluerlaconductivitthermique ,lacapacitance thermique ( )smc de lensemble sonde +rsistance chauffante et la rsistance de contact Rc linterface sonde /chantillon. Modlisation du fil chaud

Figure 2.5 : Une vue en coupe du fil chaudet de lchantillon. La modlisation du systme laide du formalisme des quadriples permet dcrire : Fil chauffant Thermocouple chantillon Rsistance de contact Rc Fil chauffant de rayon ro et deTemprature To (t) Temprature T (t) Echantillon=cylindre creux de rayon intrieur ro, Rayon extrieur infini Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Mthodes de mesure des proprits thermophysiques Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 33 33 33 ( )( )( )( )( )( )apq avecqr Kqr KLqr 21 0R1 qr Iqr I2qr Lp cr Lp cr1-qr Iqr I2Lq11p0 00 10c0 10 0 0 2020 0 10 0000== o : 0Transforme de Laplace de la diffrence T0(t)-T0(t=0) Transforme de Laplace de la diffrence T(t)-T0(t=0) RcRsistance de contact a linterface rsistance chauffante/chantillon cCapacit calorifique du thermocouple rsistance Conductivit thermique de lchantillon aDiffusivit thermique de lchantillon pVariable de Laplace r0Rayon du fil chauffant LLongueur du fil chauffant 0Puissance dissipe dans la rsistance chauffante I0, I1, K0, K1 Fonctions de Bessel. On en dduit 0: ( )( )/Z D R C C/Z B R A Ap0 c 0 00 c 0 0 00+ ++ += (2.12)

10 = A;( )( )pL r 1r q Ir q Ir q L 21B200 10 000 =; L p r c C20 0= ( )( )0 10 0 00qr Iqr I2qrD=; ( )( )0 00 10qr Kqr Kr L q 2Z1=Lesparamtresinconnusdterminersontlaconductivit thermique de lchantillon,larsistancethermiquedecontactRcentrelasondeetlchantillonetla capacit thermique (mc) de la sonde. Estimation simplifie aux temps longs En considrantorpetit(fil fin) et aux temps trs longs po on a les dveloppement limits au voisinage de 0 suivants : Ko(x) - ln (x) ,11( ) K xx;, Io(x) 1,1( )2xI x ; ce qui conduit : Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Mthodes de mesure des proprits thermophysiques Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 34 34 34 Ao =1 ;Bo =0 ; C0 =cr02Lp ;D0=1 ;( )0qr lnL 2Z1 =

On en dduit : ( )+ ++=1 Z R mcpR Zpcc 00( ) +c0R Zp+c00R2apr lnp ( )+c00R4kLarln4kLp ln -p Lutilisation des tables de la transforme inverse, permet de calculer la temprature T0(t) aux temps longs : ( ) ( ) ( )L 2arlnL 2R t lnL 20 T t T0000 c00 0 + (2.13)avec =0.57721 la constante dEuler. On obtient finalement : ( ) ( ) ( )+ + L 2L 2arlnR t lnL 20 T t T0c 000 0 Le trac de To (t) To (t=o) en fonction de ln (t) est une droite de pente L 20 ce qui nous permetde dduire la conductivit thermique . 2.1.2.3-Mesure de leffusivit thermique par la mthode du plan chaud Principe de la mthode Figure 2.6 : Schma du principe de la mesure de la conductivit thermique par la mthode du plan chaud Thermocouple Rsistance chauffante plane chantillon Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Mthodes de mesure des proprits thermophysiques Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 35 35 35 Un flux de chaleur constant ( =0 si tt0) est appliqu la rsistance chauffante et on relve lvolution de la temprature T0(t) au centre de cette mme rsistance dans ou sur laquelle est plac un thermocouple.. Nous supposerons le transfert au centre de lchantillon unidirectionnel lorsque la perturbationna pas encore atteint les autres faces (validit du milieu semi-infini). Une mthode destimation des paramtres judicieusement choisie permet dvaluer la fois leffusivit thermique E, la capacitancethermique( )smc de lensemble(sonde + rsistance chauffante) et la rsistance de contact Rc entre la sonde et lchantillon. Le choix de la mthode destimation est fait de faon minimiser lcart entre les courbes T0(t) thoriques et exprimentales. Modlisation du plan chaud a laide du formalisme des quadriples. Lamodlisationdusystmelaideduformalismedesquadriplespermet dcrire :

( )( ) ( ) [ ] + ++== P ES 1 p mc Rc p mc P RcES P ES 1 0Rc 11 p mc01ps ss00o : 0Transforme de Laplace de la diffrence T0(t)-T0(t=0) Transforme de Laplace de la diffrence T(t)-T0(t=0) RcRsistance de contact a linterface rsistance chauffante/chantillon mMasse thermocouple +rsistance chauffante cCapacit calorifique du thermocouple +rsistance chauffante EEffusivit thermique de lchantillon pVariable de Laplace SSurface de la rsistance chauffante 0Puissance dissipe dans la rsistance chauffante

on en dduit la transforme de Laplace 0.

( ) ( ) [ ] p ES 1 p mc R p mcp ES R 1ps c sc 00+ ++= (2.14) Lesparamtresinconnusdterminersontleffusivitthermique,larsistance thermique de contact Rc entre la sonde et lchantillon. Estimation du temps pendant lequel lhypothse de milieu semi long est valide On se fixe un temps t arbitraire et on dtermine lvolution de la temprature Te(t) une distance gale lpaisseur e. Si elle diffre de plus de 0.1C de Te(t=o), on reprend les calculs sur un temps plus court jusqu ce que cette condition soit vrifie. En utilisant le Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Mthodes de mesure des proprits thermophysiques Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 36 36 36 formalisme des quadriples et en supposant la rsistance de contact Rc et la capacitance ( )smc nulles, on obtient : ( ) ( )+ =at 2eierfc at2e,0 T t e, T0 (2.15) o( ) ( ) ( ) [ ] u erf u u u ierfc = 1 exp12

Estimation simplifie au temps long

Aux temps trs longs ( p0 ), lexpression 0 devient :

( )( ) + =2sc02300ESmcRpESp (2.16) Sa transforme inversedonne : ( ) ( )( )( )t ES2ESmsR 0 t T t T02sc 0 0 0 + = = (2.17) La relation (1.21), montre que la graphe de To(t) To(t=o) en fonction de t est une droite de pente ES20 ce qui permet de dterminer leffusivit thermique E. 2.1.2.4-Mesure simultane de la conductivit et de leffusivit Cette mthode dveloppe au laboratoire TREFLE de lENSAM (J annot et Meukam, 2004) permet de mesurer la fois la conductivit thermique et leffusivit thermique. Principe de la mthode Une prsentation simplifie de la mthode du ruban chaud pourrait tre la suivante : oExploiterauxtempscourtsuncomportementdetypeplanchaudaucentredela sonde, li un flux de chaleur perpendiculaire au ruban ; oExploiter aux temps longs un comportement de type fil chaud quand le flux devient assimilable un flux radial. Lerubanchaud(figure2.6)seprsenteradoncsouslammeformequeleplan chaud, seules ses dimensions vont diffrer. Modlisation du ruban chaud Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Mthodes de mesure des proprits thermophysiques Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 37 37 37 Figure 2.7 : Schmatisation de la mesure simultane de la conductivit et de leffusivit avec le "ruban chaud" Llvationdetemprature ) , , ( t y x T senunpointdecoordonnes(x,y)vrifie lquationsuivantependantletempst2oletransfertencepointrestebidirectionnel (hypothse du ruban infini) : tt y x Ta yt y x Txt y x T=+ ) , , ( 1 ) , , ( ) , , (2222 (2.18) Avec les conditions aux limites suivantes : En y=0 : =yt x T ) , 0 , ( si xb ; En x=0 : 0) , , 0 (=xt y Tpar symtrie ; En x =L :0 ) , , ( = t y L Thypothse du milieu semi-infini selon Ox ; En y =e :0 ) , , ( = t e x T hypothse du milieu semi-infini selon Oy. En appliquant successivement une transformation de Laplace puis une transformation finie de Fourrier en cosinus entre y=0 et y=L la relation (2.18), on obtient : ) , , () , , ( ) , , (2222t y xapyp y xxp y x =+ (2.19) puis ) , , () , , (22 222p y nLnapyp y ncc + = (2.20) La solution gnrale de lquation (1.24) scrit sous la forme : ) sinh( ) cosh( ) , , (2 1y q C y q C p y nn n c+ = avec 22 22Lnapqn+ = Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Mthodes de mesure des proprits thermophysiques Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 38 38 38 Enutilisantleformalismedesquadriples(Ladevie),onpeutcriresousforme matricielleaucentredelasondeconsidrecommeunsystmemince(pasdegradient thermique dans lpaisseur) : = ) , 0 , () , 0 , (1 0110 1) , 0 , () , 0 , (p n S qp n Rp c m p np nc nc cs s cscs On en dduit : pbq qh Sp c mqhp nnnn ns sncs) sin(11) , 0 , (+ ++=(2.21) avec 22 2Lnapqn+ =, Lnn =et RSU22= Par transformation inverse de Fourrier de la relation (1.25), on obtient la variation de temprature de la sonde dans lespace de Laplace : =+ =1 ncs cs sp) (n,0, L2p) (0,0, L1p) (0,0, (2.22) Et par transformation inverse de Laplace par la mthode de Stefhest, la variation de temprature) , 0 , 0 ( t T peut finalement se calculer par :==tjVtt TsnjjL) 2 ln(, 0 , 0) 2 ln() , 0 , 0 (1 Modle simplifi Ce modle complet de la temprature au centre de la sonde permet de justifier le modle simplifi et intuitifprsent en introduction de ce chapitre : un comportement de type plan chaud aux temps courts, fil chaud aux temps longs. Pour cela, on considre un ruban chaud prsentant les caractristiques suivantes : Longueur (2l) : 5,4 cm ; Largeur (2b) : 1,2 cm ; Rsistance : 61,8 . Les caractristiques de lchantillon sont fixes : Conductivit () : 0.21 W.m-1.K-1 ; Effusivit (E) : 510 J .m-2.K-1.s-1/2. Onmodliselvolutiondelatempratureaucentredurubaninsrentre2 chantillons de ce matriauet soumis une tension (U) de 6V : en le considrant comme un plan de surface 6,48 cm2 ; en le considrant comme un ruban ; enleconsidrantcommeunfildelongueur5,4cmetderayon1/10mede millimtre. La figure 2.8 reprsente lvolution de la temprature sur une dure de 180 secondes dans ces trois cas, aprs que lon ait fait subir la courbe reprsentative du modle fil chaud unetranslationpourfaireconcidersatempraturefinaleaveccelledumodle SondeRsistance de contactMilieusemi-infini Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Mthodes de mesure des proprits thermophysiques Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 39 39 39 ruban chaud . Elle fait apparatre trs clairement les similitudes de comportement entre le ruban et les deux autres sondes en dbut et en fin dexprience. Figure 2.8 : comparaison des 3 modles appliqus une sonde de type "ruban chaud" 2.1.2-5-Mesure de la diffusivit thermique par la mthode flash Cas dune excitation courte Lamesuredeladiffusivitthermique,quicaractriselaptitudedunmatriau diffuser de la chaleur, peut se faire en utilisant diverses mthodes transitoires. La mthode du chauffage priodique a t nonce par A.J . Angstron, cit par Hladik (1990), en 1863. Divers dveloppements de la mthode initiale sont apparus rapidement, tel le chauffage aux deux extrmits de la barre de Weber en 1872 (Carslaw et J aeger, 1965). La mthode flash propose par Parker et al. (1961) est la plus connue et lune des plus utilises. Dans son principe, cette mthode unidirectionnelle consiste soumettre la face avant dun chantillon plan une impulsion de flux de chaleur de courte dure et observer lvolution temporelle de la temprature (appele thermogramme) en un ou plusieurs points de lchantillon. Elle a fait lobjet de nombreux dveloppements lis aux mthodes de calcul et destimation des paramtres, aux capteurs, aux dispositifs dacquisition et de traitement des donnes. Dans le premier modlede Parker, les fuites thermiques sont ngliges sur les diffrentes faces de lchantillon. Maillet et al. (1993) ont utilis deux mthodes de temps partiels pour traiter le thermogrammeissuduneexprienceflash.Lafigure2.7reprsentellvationdela temprature de la face irradie dun chantillon plan lorsquil est soumis un moment donn unedistributiondetypeDiracdnergie.Eneffet,siuneimpulsionsapprochedune impulsiondeDiraccest--diresisadurepeuttresupposeinfinimentcourte,alors lanalyse dune rponse en temprature en un seul point de lchantillon(gnralement dans sa face arrire) suffit pour estimer la diffusivit thermique (Hay et al., 2004). Valorisation des BTS en vue de lisolation thermique de btiments Mthodes de mesure des proprits thermophysiques Doctorat/PhD. Dcembre 2004Pierre Meukam 40 40 40 Figure 2.9 : Thermogramme face avant dun chantillon adiabatique Dans la zone (1) la loi de comportement de lchantillon sapparente celle dun mur semi-infini. Lvolution de llvation de temprature de la face irradie suit la loi : t EQT(t) =(2.23) oQ : densit de flux dexcitation (W.m-2) E : effusivit thermique du matriau donn par : pc E = (2.24) La connaissance du flux de cha