Détermination des paramètres thermo physiques de la filasse-plâtre par analogie électrique-thermique

CARACTERISATION DES PHENOMENES D’EMMAGASINEMENT D’ENERGIE THERMIQUES ET D’INERTIE D’UN MATERIAU FILASSE-PLATRE EN REGIME TRANSITOIRE

Introduction 

 Pour valoriser les matériaux locaux, il est important de connaitre les différentes méthodes de caractérisation des paramètres intrinsèques et thermophysiques c’est-à-dire la diffusivité, la conductivité et les coefficients globaux d‟échanges thermiques qui dépendent de plusieurs facteurs comme : la nature du matériau et les conditions d‟expérimentation. Parmi ces différentes méthodes de détermination nous avons :  Modélisation et mesure des propriétés thermiques d’isolation fibres végétales par la méthode de la plaque chaude asymétrique et radiale méthode des flux.  Caractérisation par phénomènes thermiques transitoires d‟une dalle en béton récupératrice d‟énergie solaire.  Caractérisation des isolateurs locaux : sciure et laine de Kapok. Dans ce chapitre nous allons faire en premier lieu la présentation du matériau filasse-plâtre et enfin nous allons étudier les méthodes de caractérisation des paramètres intrinsèques et thermophysiques. Dans l‟étude bibliographie nous allons faire une présentation des matériaux :  De la présentation du filasse et  De la présentation du plâtre. 

Présentation du Filasse 

 Il existe plusieurs types de fibres : -les fibres naturelles sont composées des fibres végétales, des fibres animales, des fibres minérales et -les fibres artificielles. Parmi ces nombreuses fibres nous intéressons à celles des végétales. Elles sont composées :  des tiges (lin, chanvre, ramie, jute, genet, kénaf, jonc, bambou),  des fruits (coton, kapok et coco) et  des feuilles (sisal, raphia, alfa, paja toquilla, abaca, phorminum ). Parmi toutes les fibres naturelles le sisal est l‟objectif de notre étude.

Origine du Sisal 

Le sisal est originaire de l‟est du Mexique .Sisal est également le nom de la fibre extraite des feuilles de cette plante.   Le nom provient de la ville de Sisal situé dans la province du Yucatan. L‟intérêt de cette plante poussera des pays européens comme, la Belgique et la France ; des pays américains comme, le Brésil, la Colombie, le Venezuela et Cuba à introduire cette plante dans leur agriculture. L‟introduction du sisal en Afrique est à mettre à l‟actif des colons. 

 Caractéristiques 

Le sisal a une durée de vie de 7/10 ans. Généralement la première coupe a lieu après 2/3 ans, puis à 6/12 mois d‟intervalle. Une plante typique produira 200/250 feuilles commercialement exploitables dans ses temps de vie (variétés hybrides jusqu‟à 400-450 feuilles) et chaque feuille contient une moyenne d‟environ 1000 fibres. L‟élément à fibres, qui ne représente que 4% environ de la plante en poids, est extrait par un procédé connu sous le nom de décortication. La longueur de la fibre est de 60cm à 110cm.

Conditions de stockage 

Au moins 24 mois. Conserver dans un emballage bien fermé dans un endroit sec, à une température entre +5°C et +25°C. 

L’utilisation de sisal 

Pour sa haute résistance, elle est traditionnellement utilisée pour la production de ficelles agricoles et des cordes. En dehors de cordes, ficelles et cordages, le sisal peut être utilisé pour les jeux de fléchettes, pour le polissage en tissu, pour des filtres, des tapis et fils noyaux de  corde. Au cours de ces dernières années, le sisal a été utilisé comme une force «naturelle» et ses caractéristiques respectueuses de l‟environnement sont grandement appréciées. Le sisal remorquage (fibres récupérées du processus de brossage) et cardée est utilisée. Les fibres du chanvre offrent une multitude d‟usages pour l‟habillement, les sacs à dos, les moquettes, les matelas, les cordes pour ne nommer que quelques un.

La filasse est imputrescible, ininflammable, pas comestible aux rongeurs et insectes ; mais surtout possède une importante inertie thermique (capacité d‟un matériau à accumuler de l‟énergie thermique et à la restituer, par la suite sur une période de temps plus ou moins longue [ ]) La ténacité en humidité est de 12% et le sisal est un produit non dangereux. Il doit être protégé de la mer, la pluie et l‟eau de condensation et également des niveaux élevés d‟humidité relative. Figure 3 : Nattes de Filasse La filasse est utilisée pour armer ou renforcer le plâtre. La filasse est utilisée aussi dans le cadre de la plomberie pour accrocher correctement au filetage des raccordements. Elle est utilisée aussi pour le staff c’est-à-dire la création, la réalisation et la décoration des plafonds. 

Mise en œuvre  

Mode d’emploi -Appliquer le chanvre dans le filetage (dans le sens du filet) -Appliquer la pâte abondamment et uniformément sur le filet entier. -Assembler le raccord. [ ]  Propriétés techniques Résistance à l’eau: Très bon(ne) Résistance à la température : -20°C à +130°C. [ ] 

Présentation du plâtre 

Le plâtre est un matériau de construction très usité car il présente de nombreux avantages : en particulier, c’est un matériau abondant, relativement bon marché, d’une grande facilité de mise en œuvre, et il assure naturellement des propriétés mécaniques suffisantes pour répondre à de nombreux emplois.[ ] Cependant, le plâtre présente aussi quelques inconvénients qui limitent son utilisation. D’abord le plâtre est un matériau friable. Par ailleurs, il possède une bonne résistance en compression, mais des résistances en flexion et aux chocs très faibles. Ensuite, c’est un matériau fragile, c‟est-à-dire que l‟amorçage d‟une fissure dans ce matériau conduit à sa ruine (fissuration non contrôlée) : il se casse en deux morceaux.

Enfin, on peut citer le fait que c‟est un matériau perméable, ce qui interdit son utilisation dans des environnements sujets à l‟humidité (façade des bâtiments, par exemple). Aussi, l’utilisation du plâtre se restreint actuellement à une utilisation intérieure comme matériau d’isolation acoustique et phonique, et comme éléments de décoration (stuc, corniches…). [ ] Nous allons présenter dans ce paragraphe quelques-unes des diverses voies d’amélioration des propriétés du plâtre qui ont été envisagées jusque-là, puis nous focaliserons notre attention sur Les études ayant traitées au renforcement du plâtre par des fibres, et sur quelques autres concernant l’emploi de charges pour modifier la microstructure du plâtre.[ ] Figure 4 : Poudre de plâtre Figure 5 : Brique de plâtre Pour la decoration : Figure 6 : Brique de plâtre

Généralités sur le plâtre 

Comme nous venons de le souligner, la validation du plâtre en tant que matériau de construction a fait l’objet de nombreuses études pour l’optimisation de ses propriétés. Plusieurs voies ont ainsi été explorées, dans le but soit d’améliorer les propriétés, soit d’ouvrir de nouveaux domaines d’utilisation. Dans un premier temps, bien sûr, plusieurs auteurs se sont attachés à réduire la fragilité du plâtre. Pour cela, deux approches sont possibles :  on crée un matériau composite en associant au plâtre des renforts sous forme de fibres ou de particules, qui vont améliorer la résistance mécanique du plâtre tout en retardant la propagation des fissures.  on cherche à agir sur la microstructure du plâtre.

En effet, comme on vient de le voir, le plâtre pris sec est un matériau très poreux (porosité d’environ 50 %), constitué d’un enchevêtrement de cristaux de gypse, sous forme de plaquettes et d’aiguilles. La forte porosité du plâtre est particulièrement préjudiciable à ses propriétés mécaniques, aussi de nombreuses études s’attachent-elles à réduire cette porosité. De plus, il est reconnu que la cristallisation sous forme d’aiguilles des cristaux de gypse conduit à de meilleures propriétés mécaniques du plâtre ; c’est pourquoi certains auteurs cherchent à influencer la nucléation et la croissance des cristaux de gypse en ajoutant certains additifs au plâtre. Ensuite, on peut noter de nombreuses études ayant pour but d’améliorer les qualités naturelles du plâtre. En effet, depuis l’antiquité, le plâtre est utilisé pour protéger du feu les éléments structuraux en bois, qui sont recouverts de ce matériau.

Cependant, bien que possédant un comportement au feu excellent, le plâtre se rétracte lorsqu’il est exposé à une forte chaleur, et se fissure donc. C’est pourquoi certains auteurs ont ajouté au plâtre des fibres réfractaires [I.4], ou bien des fibres naturelles ou synthétiques, dotées elles aussi d‟une bonne résistance au feu, telles que les fibres de verre [I.5], ou les fibres de sisal (fibres végétales extraites d’une plante des régions tropicales, l’agave sisalana) [I.6] qui est l‟objet de notre étude.

Le but est ici d’augmenter la résistance au feu du plâtre, en retardant l’amorçage et la propagation de fissures générées par le retrait du matériau lorsqu’il est exposé à une forte chaleur. Quelques études, comme celles de [I.7], traitent de l’augmentation de la résistance du plâtre à l’absorption d’eau, qui est très préjudiciable aux propriétés mécaniques du plâtre. En effet l‟étude de ces dernières traites les propriétés mécaniques du plâtre, l‟absorption de 6 à 7 % d‟eau entraîne une diminution de résistance de pratiquement 50 %. La solution alors apportée consiste à imprégner le plâtre par des solutions polymères, qui imperméabilisent le matériau, et contribuent à augmenter ses propriétés mécaniques. Enfin, on peut citer quelques publications visant à alléger le plâtre, sans que s’ensuive une perte trop conséquente de ses propriétés mécaniques. Pour ce faire, l’une des techniques les plus utilisées consiste à remplacer dans des matériaux une partie du plâtre par des particules plus légères

Etudes concernant le renforcement du plâtre :  Renforcement par des fibres 

Aussi différents auteurs ont-ils étudié le renforcement du pâtre par des fibres naturelles ou synthétiques, de moindre coût que les fibres de verre [I.3]. On peut citer une étude de [I.9] sur le renforcement du plâtre par des fibres prélevées dans les tiges des fleurs de coton ; ces fibres contribuent de façon notable à l’amélioration des propriétés mécaniques du plâtre. Nous avions déjà citer des études où des fibres sisal étaient associées au plâtre dans le but de retarder l’amorçage et la propagation des fissures dans le matériau lorsqu’il est soumis au feu [I.6]. De la même façon, [I.10] ont utilisé ces mêmes fibres pour augmenter la contrainte à la rupture et la ténacité du plâtre. De tels matériaux, dont le coût se révèle très faible, peuvent être utilisés en architecture et pour des applications d’ingénierie civile. Enfin, dans une récente étude [I.11] nous avons montré l’effet bénéfique de l’ajout de fibres polyamide sur les performances mécaniques du plâtre.

Etudes visant à modifier la microstructure du plâtre 

Application d’une précontrainte initiale

 Une autre approche dans l‟étude de la réduction de la forte porosité du plâtre consiste à précontraindre le plâtre pendant sa prise [I.12]. Il découle de ce gonflement en cours de prise, une structure poreuse du plâtre après sa prise, quand bien même il est gâché sans excès d‟eau. Partant de ce fait, il semble possible de réduire la porosité du matériau en empêchant son expansion au cours de la prise. Pour ce faire, il suffit d‟appliquer sur la surface libre du plâtre au cours de la prise une pression constante, compensant totalement ou partiellement la pression exercée par le plâtre lors de son gonflement. On parle alors de « plâtre précontraint » ou de « plâtre à prise contrariée ». La réduction de la porosité du matériau obtenue par la précontrainte conduit ainsi à des valeurs de contrainte à la rupture en flexion et de module d’élasticité bien supérieures à celles du plâtre non contraint [I.13].

L’étude bibliographie nous allons faire une étude sur les différents types de méthodes de détermination et caractérisation des phénomènes thermophysiques.  Modélisation et mesure des propriétés thermiques d’isolation fibres végétales par la méthode de la plaque chaude asymétrique et radiale méthode des flux[ ] Dans cet article les auteurs mettent en exergue la modélisation et la mesure des propriétés thermo physiques des différentes fibres végétales comme : les fibres de kapok, les fibres de coque d’arachide, les fibres de rotin et les fibres de noix de coco. Il existe plusieurs méthodes qui sont : la méthode chaude asymétrique de plat et la méthode radiale de flux, etc. L‟objet de l‟auteur est de comparer les propriétés thermiques estimées par ce procédé aux résultats obtenus par un flux radial méthode des flux, une méthode de régime permanent qui mesure directement la conductivité thermique. Les auteurs font d‟abord une étude expérimentale ensuite une étude théorique.

Dispositif expérimental

Le dispositif expérimental de mesure de l‟effusivité thermique est composé (De blocs isothermes, d‟arachides shell fibres, de dispositif d’enregistrement de la température, plaque chauffante insérée, un matériau isolant, Type K thermocouple, Générateur électrique). Il est un dispositif de plaque chauffante asymétrique qui permet l’enregistrement de la température au centre du chauffage surface. 

Processus d’étalonnage de l’élément de chauffage

La température au centre de l’élément chauffant a été mesurée avec thermocouple de type K fait avec deux fils de diamètre 0,005 mm. La conductivité thermique du matériau isolant en polystyrène mesurée par la méthode de la plaque centrale [29] est 0,032 W m-1 K -1 et sa capacité calorifique volumique est de 4800 J m-2 K. Ce dispositif expérimental est placé sur un bloc isothermique épaisseur de 20 mm et d’une section de 200200 mm . La température T0 du bloc isotherme a été supposé uniforme. Cette hypothèse est validée si le nombre Bi          AL hL Biot  est inférieur à de 0,1 [I.14]. Considérant h = 10 W m-2 K-1, la conductivité thermique des blocs ? Al = 200 W m-2 K implique que Bi = 0,01 donc que la température des blocs d’aluminium peut être envisagée comme uniforme. I.3.3 La modélisation physique La modélisation a été basée sur les hypothèses suivantes: – Dans un premier temps, le système a une Ta (température ambiante) de température uniforme. – Le polystyrène est un matériau isolant. Ainsi, la résistance thermique de contact à l’interface de l’élément chauffant / polystyrène sera négligée. – Les fibres sont séchées, aucun transfert de masse ne se produit.  Modèle à Trois dimensions : Dans cette partie les auteurs ont étudié l‟évolution de la température à trois dimensions T (x, y, z, t) à travers les fibres.