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Rapport de stage à Polytech'Orléans

Essais sur les propriétés physiques de la paille

David Kodarin juillet 2010


D.Kodarin, Essais sur les propriétés physiques de la paille Raport de stage, Polytech'Orléans, France

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D.Kodarin, Essais sur les propriétés physiques de la paille

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Raport de stage, Polytech'Orléans, France

Résumé

Le rapport du stage est composé de la théorie et des tests en laboratoire sur les propriétés physiques que détermine la paille. Dans le rapport, la paille, ses caractéristiques techniques et les constructions en bottes de paille sont décrites. Le rapport continue par la description des caractéristiques d'isolation thermique en général et la thermo-régulation (réglementation thermique) en France. Décrire les matériaux naturels existants et les ajouts possibles à la paille a été le début des travaux de laboratoire. Le premier test est relatif à la caractérisation de la conservation de la paille et de la perméabilité de la vapeur, tous deux fonctions de la densité. Le deuxième critère est lié à l'utilisation potentielle de la paille comme matériau compact pour l'isolation. Le test est composé de l'extraction de la lignine (un des principaux éléments de la paille) suivi du collage, selon la même technique que des panneaux de bois collé. L'objectif principal est d'extraire la lignine avec l'aide de différentes solutions naturelles (biopolymères) et l'utilisation de la pression et de micro-ondes. mots clés: botte de paille, extraction de lignine, l'isolation thermique, le réglementation thermique en France, matériaux biologiques, méthode d’essais sur les propriétés physiques de la paille

Abstract

The report of the internship is consisting of the theory and of the tests in the laboratory for determining the physical proprieties of the straw. In the report is described the straw material, its characteristics and straw bale techniques of construction. It continues with the description of the thermo isolation characteristics in general and the thermo regulation in France. Describing existing natural materials and potential additions to the straw was the start of the laboratory work. First test is concerning the characterization of the retention of the straw the permeability of the vapour, both related to the function of the density. The second test is related to the potential use of straw as a compact isolation material. The test is consisting of extracting the lignin (one of the main component of the straw) and glue it together with the same way as the technique of the glued wood panels. The main goal is to extract the lignin with the help of different natural (biopolymers) additions and with the use of pressure and microwave.

key words: straw bale, lignin extraction, thermal insulation, the thermal regulation in France, organic materials, method of testing the physical properties of straw


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Sommaire Résumé.................................................................................................................................................3 Abstract.................................................................................................................................................3 Remerciement.......................................................................................................................................8 Principales notations ou abréviations...................................................................................................9 Introduction........................................................................................................................................10 1 Paille................................................................................................................................................11 1.1 La récolte et l'utilisation de la paille........................................................................................11 1.2 Production de la paille.............................................................................................................12 1.3 La botte de paille : matériau de construction .........................................................................12 2 Isolation thermique..........................................................................................................................14 2.1 Performance thermique............................................................................................................14 2.2 La déperdition de chaleur de la maison...................................................................................15 2.3 La résistance thermique du bâtiment ......................................................................................15 2.4 La résistance thermique d'une paroi.........................................................................................15 2.4.1 Trois types de mouvement de chaleur dans les murs.......................................................15 2.4.2 Méthodes pour analyser la performance thermiques des murs........................................16 2.4.3 Facteurs affectant la valeur R pour un mur en paille.......................................................16 2.5 Utilisation des bottes de paille pour les dalles et les toits........................................................16 2.6 Les essais pour définir la conductivité thermique de la paille.................................................17 2.7 Isolation thermique par l'extérieur (ITE)................................................................................17 2.8 Perméabilité des matériaux fibreux........................................................................................18 3 Constructions en botte de paille.......................................................................................................19 3.1 La histoire de les constructions en botte de paille..................................................................19 3.2 La situation actuelle en France...............................................................................................19 3.3 Pourquoi construire en botte de paille?...................................................................................20 3.4 Les techniques de construction................................................................................................21 3.5 Enduits et armatures.................................................................................................................23 Les fonctions de l'enduit:...............................................................................................................23 Trois types de revêtements sont particulièrement adaptés à la construction en bottes de paille : 24 3.6 L'humidité ...............................................................................................................................24 3.7 Le feu.......................................................................................................................................25 3.8 Les insectes et autres invités indésirables................................................................................25 3.9 Conclusion général..................................................................................................................25 4 La réglementation en France...........................................................................................................26 4.1 Développement durable...........................................................................................................26 4.2 Réglementation thermique 2005 (RT 2005)...........................................................................27 4.2.1 L'objectif principal...........................................................................................................27 4.2.2 Trois conditions à respecter pour le bâtiment à construire...............................................27 4.2.3 Deux modalités d'action au choix des acteurs..................................................................27 4.3 Bientôt la RT 2012...................................................................................................................28 4.4 Le Grenelle Environnement.....................................................................................................28 4.5 L'Avis Technique (Atec) et le Document Technique d'Application (DTA).............................28 5 Matériaux biologiques d'isolation thermique actuellement sur le marché......................................30 5.1 L'absence de règlementation....................................................................................................30 5.2 Le premier isolant végétal en fibres de bois à obtenir un Avis Technique de CSTB...............30 5.3 Chanvre....................................................................................................................................31 5.4 Panneaux de paille compressée Stramit...................................................................................31


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6 Potentiel d'implémentation..............................................................................................................33 6.1 Lignine.....................................................................................................................................33 6.2 Biopolymere.............................................................................................................................33 6.2.1 Polysaccharides................................................................................................................33 6.2.2 Protéines...........................................................................................................................33 7 Méthode d’essais sur les propriétés physiques de la paille.............................................................35 7.1 Les objectifs du stage en laboratoire .......................................................................................35 7.2 La perméabilité et la rétention ................................................................................................36 7.2.1 Le carrotage de l'échantillon............................................................................................36 7.2.2 Les essais de rétention......................................................................................................36 7.2.3 Les essais de la perméabilité à la vapeur d’eau................................................................36 7.2.4 Les problèmes des essais..................................................................................................36 7.3 Traitement mécano-thermique.................................................................................................38 Conclusion..........................................................................................................................................40 Bibliographie......................................................................................................................................41 ...........................................................................................................................................................41


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Remerciement

Je tiens à remercier toute l'équipe de Polytech'Orléans, surtout mon tuteur Dashnor Hoxha. Un grand merci va également au Bureau des relations internationales parce qu'elles sont gentilles et serviables. J'apprécie beaucoup les étudiants qui travaillent dans le bureau avec moi et ils ont aidé à avoir une atmosphère agréable dans le lieu de travail. Un merci spécial va à Alice Aubert, qui m'encourage dans le travail et corrige certaines de mes fautes de français.


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Principales notations ou abréviations

RT 2005 – Régulation thermique 2005 INSEE - Institut national de la statistique et des études économiques BBC – Bâtiment Basse Consommation SHON – surface hors œuvre nette Le maître d’ouvrage est une personne moral (administration, entreprise, etc.), une entité de l’organisation. Ce n’est en principe pas une personne physique, même si par abus de langage on dit souvent « untel est maître d’ouvrage », alors qu'il est plus exactement maître d'ouvrage délégué, maître d'ouvrage opérationnel ou assistant au maître d'ouvrage. Ceux-ci ont le pouvoir de représenter juridiquement et financièrement le Maître d’Ouvrage. Dans le cas de la maîtrise d'ouvrage privée, le maître d'ouvrage peut être une personne physique ( ex. un particulier qui fait construire sa maison est considéré comme le maître d'ouvrage du projet). Le maître d’œuvre est le même que pour la maîtrise d'ouvrage, le terme maîtrise d'œuvre provient du secteur de la construction et a rencontré un grand succès dans celui des systèmes d'information. Pour les opérations publiques (bâtiment ou autres) les rôles respectifs sont définis par la loi. L’énergie grise représente par définition la consommation cumulée d’énergie primaire non renouvelable (Fossile, nucléaire, biomasse issue du déboisement de forêts primaires). Cet indicateur permet des prédictions quant à l’efficience de l’utilisation des ressources. Plus un produit nécessite un grand besoin en énergie primaire non renouvelable, moins ce produit ou service est efficient. L’effet de serre permet d’évaluer les effets cumulés de l’émission de différents gaz contribuant au réchauffement climatique par rapport au CO2 (substance de référence). L'humidité absolue de l'air est la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air, exprimée en g/m3. L'humidité relative notée HR exprime le rapport (en pourcentage) entre la quantité de vapeur d'eau contenue dans un volume d'air et la quantité maximale que ce volume peut contenir à la même température.


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Introduction

La préoccupation pour la pollution du planète et sa protection sont toujours plus dans notre subconscient. Les gens ducement commencent à se comporter plus écologique contre la terre mere. Des nouveaux codes du bâtiment sont forçant le développement durable dans la construction des cadre de construire des bâtiments consommant moins d'énergie (ou même passive) avec capteurs solaires, matériaux écologiques, re-utilisation de l'eau, chaufage avec le bois ou sonde geotermique,... À l'école Polytechnique de Orléans (Polytech'Orléans) en France, dans le laboratoire de Prism, il y a un catedre de la Construction Durable. Une des thématiques imposées était de bâtiments avec des matériaux écologiques, plus précisément avec les bottes de paille. Malheureusement, les constructions en bottes de paille n'ont pas de normes et réglementations techniques, ce qui décourage beaucoup d'investisseurs à construire avec ce matériel. L'objectif de mon stage était de faire de la théorie et des essais en laboratoire pour les proprietes physiques determinating de la paille. Les datas de les proprietes de la paille est le début de potentiel future reglementation en construction en bottes de paille.


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1 Paille

1.1

La récolte et l'utilisation de la paille

La paille est la partie tubulaire (ou tige) des graminées (blé, orge, avoine, seigle, riz), située entre la racine et l'épi portant les grains. Elle est coupée lors de la moisson et débarrassée des grains. Lorsqu'elle est récoltée, la paille peut avoir plusieurs types d'utilisation: • litière pour animaux, • biocarburant, • biomasse, • aliment pour bétail, • protection de sol, • matériaux de construction, • isolant thermique, • fabrication de papier, • décoration, • corde, • vannerie • ...

Illustration 1: La paille

Elle est issue de plantes lignocellulosiques composées de • Cellulose (très longues microfibres constituées de parties cristallines et de parties moins bien ordonnées, l'ensemble conférant à la plante son élasticité et sa structure ) • Hémicellulose (molécules plus courtes et moins cristallines, agissant comme un adhésif structural liant les fibres de cellulose) • Silice et autres composant mineurs, principalement oxyde de silicium (plus le taux de silice est élevé plus la paille résiste au feu et à la pourriture) • Lignine (c'est une sortie de colle qui amalgame l'ensemble, à la façon du béton entourant une armature pour créer une structure composite. La dégradation photochimique due aux rayons ultraviolets s'effectue principalement dans la lignine (dégradation visible par un changement de couleur, une décoloration et une altération). Contrairement aux hydrates de carbone, la lignine est l'élément le plus stable de la paille – les dépôts de pétrole et de charbon proviennent de lignine préhistorique. Les usines de pâte à papier modernes extraient la lignine de la pulpe de bois et l'utilisent comme combustible en raison de sa valeur calorique élevée)


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1.2

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Production de la paille

La région Centre est une grande productrice de céréales et il y a beaucoup de paille non utilisée. En 2008, la région Centre a produit presque 14% de la poduction nationale totale en céréales (voir: le Tableau1). Pour cette raison, cette région a beaucoup de paille qui peut être utiliser comme matériaux de construction ou comme isolant thermique.

Centre Céréales

Superficie Production Rendement dont Blé tendre Superficie Production Rendement dont Blé dur Superficie Production Rendement dont Orge et escourgeon Superficie Production Rendement dont Maïs (grain et semence) Superficie Production Rendement

2007 1241770 79584800 64 704500 45296500 64 93250 5269200 57 264000 15701000 59 112500 10914000 97

hectare, quintal, quintal/ha % Région/France métropolitaine 2008* 2008* 1304070 13.5 92224210 13.1 71 726600 14.3 50491000 13.7 69 80900 18.9 5313000 25.3 66 295700 16.4 21189700 17.4 72 133220 7.6 12302000 7.7 92

Tableau 1: Principales productions végétales de la région : céréales et oléoprotéagineux * semi-définitif

1.3

La botte de paille : matériau de construction Une paille bien sèche lors de la récolte des céréales, du bottelage et pendant le stockage est la garantie de la durabilité et de la résistance du mur en bottes de paille. Deux éléments peuvent affecter les bottes de paille: le type de céréale et les amendements (engrais et pesticides).

Illustration 2: Botte de paille


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Cinq qualités sont déterminantes pour les bottes de paille destinées à la construction: •

la teneur en eau (plus la paille est sèche, mieux c'est),

la masse volumique (sèche~96kg/m³),

l'historique,

la longueur des fibres et de la paille,

ne doit pas contenir de foin.

Les avantages de la botte de paille sont : de très bonnes caractéristiques thermiques, une grande disponibilité sur un grand territoire de la France, un matériau prêt à l’utilisation, un matériau respirant et qui est produite tous les ans de façon relativement abondante et d'être 100% biodégradable. Les fiches techniques de la botte de paille: origine

refus de la récolte de céréales blé, orge, riz, etc.

composition

cellulose, lignine, silice, cire naturelle

dimensions

120/240 ±50 cm h=80 cm (jumbo botte) 80/200 ±50 cm h=50 cm (medium botte) 50/90 ±10 cm h=35 cm (petite botte)

longueur fibres

≥ 25 cm

densité

250 kg/m3 (jumbo et medium botte) 100±10 kg/m3 (petite botte)

résistance des ficelles

10x1 supérieure au poids de la botte

conductivité thermique [λ]

fibres verticales 0.044 W/mk fibres transversales 0.067 W/mk plus λ est petit, plus le matériau est isolant

capacité hygroscopique

achat et pose 12 -14 % mur sain max. 20% (= 84% HR ) fibres saturées 28% (= 98% HR)

effusivité

E f ≤ 0.7 (comme le bois = matériau chaud)

coeff. résistance vapeur d’eau [μ]

2-2,5 (bonne capacité perspirante) (Enduit terre 5 à 8, ciment 30)

résistance au feu

F 90 (90 minutes) / normalement inflammable (norme allemande et autrichienne)

performance acoustique

Rw = 53 dBA (meilleure qualité qu’un isolant standard)

module d’élasticité [ε]

0.5-0.55N/mm2 ( jumbo bottes non enduite) ~1.0 N/mm2 (mur en petites bottes enduit) pas de rupture abrupte

capacité portante

25.5 tonne/m2 (jumbo botte non enduite) ~7-8 t/m2 (mur de petites bottes) capacité portante largement suffisante

tassement

dans le cas de bottes de paille porteuses enduites 3-4% de compression en précontrainte (sangles)

Tableau 2: Les fiches techniques de la botte de paille


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2

2.1

Isolation thermique

Performance thermique

L'élément clé de la performance thermique est la capacité de l'enveloppe à isoler et à emmagasiner la chaleur ou la fraîcheur. •

la conductivité thermique - lambda (λ) définit la capacité d'un matériau à transmettre la chaleur par conduction. Techniquement, cela correspond à la mesure du flux de chaleur qui s'écoule à travers un mètre carré de matériau, sur un mètre d'épaisseur, pour une différence de température de un degré entre les deux faces. Les unités sont Watt par mètre Kelvin [W / m K]. Plus λ est grand, moins le matériau est isolant.

la résistance thermique - R - définit la résistance d'un matériau ou d'une paroi d'une certaine épaisseur au passage de la chaleur. Elle se calcule en divisant l'épaisseur du matériau Illustration 3: La conductivité thermique par le coefficient λ de ce même matériau (R = e / λ). Les unités sont mètre carré Kelvin par Watt [m2 K / W]. Plus R est grand, plus le matériau est isolant.

le coefficient de transmission thermique - U est l'inverse de la résistance thermique (R) de la paroi U = 1 / R. Ce coefficient caractérise la quantité de chaleur traversant une paroi en régime permanent, par unité de temps, par unité de surface et par unité de différence de température entre les ambiances situées de part et d'autre de la-dite paroi. Les unités sont Watt par mètre carré Kelvin [W / m2 K]. Plus U est grand, moins le matériau est isolant.

Le second principe de la thermodynamique: la chaleur s'écoule toujours d'un corps chaud vers un corps plus froid (voir Illustration 5).


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2.2

La déperdition de chaleur de la maison Dans une maison individuelle non isolée, les valeurs moyennes des sources de déperdition de chaleur sont les suivantes: •

le toit 30%

les murs 25%

air renouvelé 20%

les fenêtres et portes extérieures 13 %

le plancher 7%

les ponts thermiques 5%

Illustration 4: Les zones de déperdition de chaleur de la maison

2.3

La résistance thermique du bâtiment

L'isolation d'un bâtiment permet de diminuer les échanges de chaleur entre l'intérieur du bâtiment et l'environnement extérieur, et ainsi de diminuer les besoins de chauffage et, le cas échéant, de climatisation. Cette isolation doit être pensée en fonction des contraintes climatiques du lieu où se situe le bâtiment. L'isolation thermique est le principe de base de la maison passive. Elle emprisonne la chaleur à l'intérieur en hiver et garde la maison fraîche en été.

2.4

La résistance thermique d'une paroi

2.4.1

Trois types de mouvement de chaleur dans les murs

Le chaleur peut "voyager" de trois façons différentes (voir Illustration 5), par : •

conduction - propagation de la chaleur molécule par molécule, à travers un corps. C'est le mode de transmission dominant à travers les murs et le toit dans un bâtiment bien étanche à l'air.

convection - dans les bâtiments moins étanches à l'air, la chaleur profite alors du déplacement des fluides pour se déplacer. (des fenêtres qui laissent passer l'air, des joints mal faits, un jour sous la porte, ...)

rayonnement - mode de transfert de la chaleur via les rayons lumineux, et en Illustration 5: Le sens de flux de chaleur et trois façons particulier les infrarouges. En général, plus de chaleur un objet est chaud, plus il irradie d'énergie. (principalement à travers les vitrages, surtout les plus anciens)


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2.4.2

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Méthodes pour analyser la performance thermiques des murs

Il y a plusieurs méthodes pour analyser les performances thermiques des murs mais les plus connus sont: •

test du mur par la méthode de la plaque chaude ou de la sonde thermique

test de l'assemblage mural par la technique de la "boite chaude gardée"

contrôle de la performance du mur dans les conditions ambiantes

modélisation de la performance du mur en utilisant les propriétés physiques connues ou estimées des matériaux

thermographie infrarouge des murs en place

2.4.3

Facteurs affectant la valeur R pour un mur en paille

Les facteurs pour un mur en paille sont: •

le type de paille employé

la teneur en eau de la paille

les vides entres les bottes

la densité de l'enduit poussé dans les interstices entre les bottes

l'orientation des fibres

la présence et la taille d'autres éléments intégrés dans le mur (tels que les fenêtres)

la nature et l'épaisseur des enduits, etc

Le nombre, la taille et la qualité des portes et des fenêtres ont souvent des répercussions énormes sur la valeur R "effective" d'une paroi, et cela indépendamment du pouvoir isolant des matériaux constitutifs de cette paroi. L'isolant, avant d'être mis sur le marché, est testé et contrôlé pour indiquer la valeur R. Toutefois si l'on considère la construction dans son ensemble, il y a plusieurs autres facteurs qui influencent sur la caractéristique thermique des murs et, donc, la valeur de la résistance thermique globale, de toute la maison, sera inférieure celle projetée. Avec un mur de paille, le coefficient ne va pas changer beaucoup si la maison est construite correctement, sans ponts thermiques. Il faut aussi porter une grande attention à l'isolation de la toiture et des planchers. A partir d'un certain seuil, continuer à augmenter l'épaisseur d'une paroi ne permet plus d'augmenter la résistance thermique.

2.5

Utilisation des bottes de paille pour les dalles et les toits

Les bottes de paille peuvent s'utiliser pour isoler aussi bien le plafond que la toiture mais on doit faire attention à ce que les bottes puissent sécher si elles sont mouillées. On doit prendre soin à l'enduit pour protéger la paille contre le feu. Les bottes de paille sont relativement lourdes et ainsi il est difficile de calculer la stabilité en cas de charges sismiques (il n'y a pas de standard pour les poids élevés). Dans un plancher, il est difficile de protéger la paille contre les inondations dues à un dysfonctionnement d'une machine à laver, d'un tuyau d'eau qui lâche, etc. Au vu de ces expériences, il n'apparait guère judicieux d'employer des bottes de paille à d'autres fins


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que l'élément mural.

2.6

Les essais pour définir la conductivité thermique de la paille

Les essais ont régulièrement démontré que les valeurs R attribuées aux matériaux d'isolation utilisés dans les murs "standard" sont généralement beaucoup plus élevées que la valeur R de la paroi en tant qu'assemblage de matériaux composites. Cela n'est tout simplement pas vrai d'un mur en bottes de paille enduit, et testé, dans lequel la structure, l'isolation et la finition forment un seul et même assemblage, généralement assez étanche (à condition de n'avoir pas créé de ponts thermiques). Les chercheurs ont des difficultés pour définir la conductivité thermique de la paille. Ils ont donné une valeur optimisée à lambda pour rester dans la zone de sécurité du projet. Lambda été défini à λ = 0,099 W / m K. Au-delà d'une résistance thermique R de 5 ou 6 m 2 K /W, le gain en termes de performance énergétique de l'enveloppe globale est mineur et il est généralement éclipsé par des considérations telles que l'orientation de la maison, la qualité des fenêtres, les planchers, les portes ou l'isolation du plafond et de la toiture.

2.7

Isolation thermique par l'extérieur (ITE)

L'isolation thermique par l'extérieur consiste à envelopper le bâtiment d'un manteau isolant. Ce type d'isolation est le meilleur lorsque les enduits extérieurs ne sont pas défectueux. Les solutions techniques qui existent sont l'enduit mince sur isolant, l'enduit hydraulique sur isolant (similaire à la précédente), les parements sur isolant, les vêtures et les enduits isolants. L’isolation par l’extérieur modifie complètement l’aspect extérieur du bâtiment et elle n’est donc pas toujours applicable. L’isolation thermique par l’extérieur est également moins pertinente sur une façade présentant trop de parois vitrées, modénatures (éléments en relief), balcons, loggias et autres bow-windows, qui représentent autant de ponts thermiques à traiter (linteaux, appuis de fenêtres) et donc de difficultés voire d'obstacles à la réalisation. En revanche, l’isolation thermique par l’extérieur est une solution possible notamment à l'occasion d'une rénovation complète ou à l’occasion du ravalement d’une façade ou d’un pignon. Lorsque les enduits extérieurs sont dégradés, l’isolation par l’extérieur permet en effet de réaliser plusieurs opérations en même temps : isolation, étanchéité, ravalement. Les avantages sont les suivants : •

augmentation de la performance thermique globale du bâtiment,

pas de réduction de la surface habitable ni de décoration à refaire,

solution de complément d'isolation à un ravalement,

réduction significative des consommations de chauffage,

modernisation de l'aspect des façades,

pas d'obligation de quitter le logement pendant les travaux,

limitation des ponts thermiques structurels

Illustration 6: Isolation thermique par extérieure


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amélioration globale du confort des habitants.

Les inconvénients sont : •

augmention du coefficient d'occupation au sol sur le terrain,

modification l'aspect global de la maison (façades, toitures et ouvertures),

nécessité de créer une avancée complémentaire de la couverture et de la toiture et de modifier le système de récupération des eaux de pluie,

le pont thermique entre les combles et la façade reste malgré tout très important,

fixation des systèmes de fermeture à revoir (volets battants),

isolation des tableaux et appuis de fenêtres réduisant la grandeur des ouvertures et donc l'apport lumineux,

ne pas traiter les linteaux et les appuis de fenêtres engendre 18% de déperdition et réduit d’autant l’efficacité du système.

L'isolation par l'extérieur ne peut pas être appliquée sur tous les bâtiments. Il est obligatoire de consulter les règles d’urbanisme de la commune et de s’assurer de l’accord des architectes des Bâtiments de France. Le coût au m² est très variable selon le type de projet et chaque projet est un cas d'espèce, notamment en réhabilitation (complexité du bâtiment, nombre d'ouvertures en façades, etc.). Il est, dans tous les cas, supérieur à celui d'une isolation par l'intérieur.

2.8

Perméabilité des matériaux fibreux

A l'IUT-Département Génie Civil, Laboratoire des Technologies Innovantes d'Amiens, des essais de perméabilité des matériaux fibreux en conditions isotherme ont été réalisés. Les essais se constituent de trois échantillons des isolant de construction fibreux, deux de nature minérale et un végétal. La méthode utilisée était la méthode de la coupelle. Suivant leurs états initiaux (séchés ou en équilibre hydrothermique avec l’environnement extérieur), les cinétiques de diffusion enregistrées sont différentes. La perméabilité à la vapeur ( p), le coefficient de diffusion effective (Dve)et la tortuosité (t) en sont déterminés, puis comparés. La conclusion est qu'il est toujours difficile de comparer les résultats d'essais expérimentaux avec les données bibliographiques. Néanmoins, les essais ont validés la méthode de la coupelle aux matériaux fibreux à très forte porosité. Ils ont également permis de déterminer la perméabilité à la vapeur (p) et le coefficient de diffusion effective (Dve) conduisant à la tortuosité (t) . Les cinétiques de diffusion lorsque les échantillons sont séchés avant l’essai sont plus régulières que celles obtenues avec des échantillons initialement en équilibre hydrothermique avec leur environnement. La détermination des coefficients cités précédemment montrent que nous restons dans les mêmes ordres de grandeurs, quelque soit la nature (minérale ou végétale) de nos isolants thermiques.


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3 Constructions en botte de paille

3.1 La histoire de les constructions en botte de paille La paille a toujours été utilisé dans la construction comme un mélange avec la terre sous forme de torchis ou en chaume pour la couverture. La première utilisation historique des bottes de pailles pour une école date de 1886 dans le Nebraska (Étas Unis d'Amérique). La construction était faite avec la technique de paille porteuse. Ce type de construction fait petit à petit son chemin en Amérique du Nord, jusqu'à s'effacer face au béton et à l'acier. Il faut attendre 1973 pour trouver une publication décrivant cette technique aux États Unis d'Amérique. En Europe, il faudra attendre 1921 pour qu'une publication démontre au Illustration 7: Un de les premières maisons en paille en France public la pertinence de la mise en œuvre de ce matériau dans le bâtiment. La même année, M. Feuillette construit sa maison à Montargis (France) et propose cette solution pour reconstruire le pays après la guerre mais la mode est plus à la construction de fortifications en béton. La construction en botte de paille redémarre en France dans les années 1980 ou les bottes sont alors maçonnées à la verticale. En raison du savoir faire des charpentiers Français, ce sont les méthodes poteau-poutre et ossature bois qui se sont ensuite répandues dans notre pays grâce aux autoconstructeurs et quelques pionniers.

3.2 La situation actuelle en France Début 2005, l'association "APPROCHE-Paille" diffuse une nouvelle technique de construction, éloignée des principes habituels de construction en paille, la technique du GREB. Fin 2005, l'association "Les Compaillons" se met en place. En mai 2006, André De Bouter (association La Maison en Paille) organise les premières rencontres nationales de la construction en paille, d'où naitra le RFCP (Réseau Français de la Construction en Paille). Ce réseau est symboliquement sous la tutelle de l'association "les Compaillons", mais regroupe en plus des auto-constructeurs, des concepteurs, des constructeurs et des associations. Aujourd'hui, le RFCP travaille sur l'élaboration de règles professionnelles qui encadreraient les principes de base de la construction en paille et la paille trouvera pleinement sa place chez les professionnels.


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20

L’association Empreinte et le Réseau Française de la Construction en Paille tiennent une enquête nationale sur la construction en paille. Le résultat de février 2010 avec 691 réponses reçues montre un très fort intérêt pour les constructions en paille dans les Alpes, dans la région ouest et au sud de la France. (voir Illustration 8)

3.3 Pourquoi construire en botte de paille? Il y a plusieurs raisons pour construire en paille. La plus importante est sûrement que la paille offre de très bonnes caractéristiques thermos-isolantes. La résistance thermique - R (voir le chapitre 2.1 La performance thermiques) est Illustration 8: Les constructions actuel en paille en France estimée à 6 m².K/W pour un mur. Pour cela, on peut construire sa maison en respectant les nouvelles réglementations thermiques (BBC, habitat écologique, HQE, bâtiment passif). L’énergie nécessaire à la production du matériau et à sa mise en place pendant la construction de la maison s'appelle énergie grise. Pour les constructions en botte de paille, elle est très basse à cause de l'utilisation de matériaux locaux et de ne pas avoir besoin de machines pour monter les murs. Comme les bottes sont légères et que la mise en oeuvre est simple, beaucoup de nouvelles constructions sont faites en auto-construction.

Illustration 9: Cycle de vie de la botte de paille

D'un point de vu écologique, le cycle de vie d'un isolant comme la botte de paille est très favorable à l’écosystème. Sa durée de vie moyenne est la même que pour tout isolant. Le recyclage ou l’élimination du matériau paille pose encore des questions, pour la simple et très bonne raison que nous n’avons encore aucun exemple de déconstruction de maison en paille. Néanmoins, on peut parier qu’à l’avenir la phase de déconstruction sera intégrée dans la conception du bâtiment et que par conséquent la paille sera revalorisée. En effet, on peut imaginer utiliser la paille comme combustible par exemple.

Économiquement pour maintenant une construction en botte de paille coûte un peu plus chère qu'une construction habituelle. Mais il existe des solutions pour réduire les coûts: •

la préfabrication permet de réduire le temps de fabrication, de pose, les frais de transport.


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l'habitat groupé a l'avantage de réduire le coût du m² habitable et de réduire les déperditions thermiques.

la maison « clé en main » c’est une solution qui permet de réduire les coûts et d’éviter les imprévus de chantier liés à une multiplicité d’acteurs.

le chantier participatif c’est une solution alternative que permet une véritable sensibilisation des participants à l’écoconstructions.

l’auto-construction s’accompagne presque systématiquement d’un chantier participatif qui peut être simplement un coup de main d’amis ou de voisins

3.4

Les techniques de construction

La construction paille évolue vers une professionnalisation de la mise en œuvre, pour se rapprocher de plus en plus des zones urbaines où la demande commence à émerger. Les maisons en paille par leur apparence originale étaient réservées aux zones rurales, les contraintes architecturales obligeant les constructeurs (souvent auto-constructeurs) à faire preuve d'imagination pour simplifier les techniques et les rendre acceptables en tout milieu. Cette technique est la plus ancienne, mais aussi une des plus économiques, puisqu'elle ne demande que très peu de matériaux. On s'en sert en général pour des petits bâtiments utilitaires. Les techniques connues sont: •

Technique Nebraska ou Technique de paille porteuse c'est un technique sans aucune ossature, faisant référence à la première maison en paille construite. Les bottes sont directement enduites de chaux à l'extérieur et de terre à l'intérieur. (Illustration 10)

Technique maçonnée c'est la même technique qu'avec des briques. À la différence que les bottes de paille remplacent les briques et un béton chaux-paille-sable le mortier. (Illustration 10)

Illustration 10: Technique Nebraska

Illustration 11: Technique maçonnée

Technique GREB, innovée au Québec dans les années 90. C’est un système constructif composé d’une double ossature légère en bois et les bottes de paille sont ensuite recouvertes d’un mortier coulé. La technique du GREB est très appréciée pour son accessibilité à l’autoconstructeur de maisons à 2 niveaux. (Illustration 12)


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Technique CST cette technique est dérivée de la technique Ossature bois, mais sans contreventement bois, utilisant uniquement l'énergie de tension contenue dans les bottes de paille pour le contreventement de la structure. Cette technique est plutôt choisie pour le rendu esthétique très «organique» du bâtiment et l’empreinte écologique réduite de ses murs. (Illustration 13)

Illustration 12: Technique GREB

Illustration 13: Technique CST

Technique Ossature Bois Elle comprend de nombreuses variantes. C'est la technique la plus connue et la plus utilisée. A partir d’une structure massive en poutres et en poteaux, les bottes de paille sont insérées dans le mur avec ou sans structure secondaire plus légère. Le parement est en général un enduit à la chaux ou à la terre crue. (Illustration 14)

Technique avec enduit non contreventant L'ossature bois est porteuse et les bottes sont empilées en quinconce, et solidarisées à l'ossature bois. (Illustration 15)

Illustration 14: Technique Ossature Bois

Illustration 15: Technique avec enduit non contrevenant


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Le choix d’une technique dépend de : 1. la mise en œuvre 2. la performance thermique désirée 3. le nombre d’étage 4. si le bâtiment est collectif ou individuel 5. le choix esthétique 6. le savoir faire local 7. la réglementation et le périmètre constructible Choix des matériaux et des dispositions constructives: •

les bottes;

l'enduit;

l'armature;

fixations et ancrages.

La résistance et le comportement d'un mur soumis à des charges de tout type et de toute direction, dépendent de: •

la raideur et la résistance des lisses basses et hautes (ou autres éléments de structure);

les attaches servant à fixer l'armature de l'enduit à ces éléments;

la raideur de la pile de bottes de paille;

la résistance et la raideur de l'ensemble formé par l'armature et l'enduit;

la fermeté du support présent en parties haute et basse de l'enduit;

et tout particulièrement (comme toujours dans la construction), la compétence et le soin apportés à la conception du projet, à la réalisation des travaux et au séchage de l'enduit.

3.5

Enduits et armatures

Les fonctions de l'enduit: •

protection contre l'humidité (la paille se décompose lorsqu'elle est exposée à un certain taux d'humidité en forme liquide et en forme de vapeur)

résistance thermique et stockage de la chaleur (ralentit très fortement le flux d'air au travers des bottes)

protection contre le feu (limitant l'afflux d’oxygène et en agissant comme un barrière physique non inflammable et relativement peu conductrice de chaleur. )

protection contre les ravageurs (une barrière physique)


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comportement structural (l'enduit est l'élément le plus rigide d'un mur en botte de paille et pour cela il porte la plupart des charges verticales ou horizontales imposées au bâtiment)

finitions et esthétique (un enveloppe visible par tous)

Composition de l'enduit: •

le liant (il donne généralement son nom à l'enduit, il colle et assure la cohésion des différents composants de l'enduit, on utilise la chaux, le ciment, l'argile, le plâtre)

la charge (il s'agit d’éléments non organique tels que du sable, des roches concassées ou d'autres agrégats)

de l'eau (pour amalgamer les différents composants, activer le liant et faciliter l'application)

les adjuvants: ◦ les fibres (elles rendent l'enduit plus résistant aux sollicitations, améliorent son élasticité, augmentent sa ductilité et réduisent les risques d'apparition de fissures. On utilise: paille hachée, paillettes de lin, cellulose, poils d'animaux, chanvre, fibres de verre, fibres ou treillis en plastique ou métal, ...) ◦ des agents divers (visant à améliorer la plasticité, la mise en œuvre, la durabilité ou le temps de séchage)

Trois types de revêtements sont particulièrement adaptés à la construction en bottes de paille :

3.6

les enduits en terre crue

les crépis à la chaux (aérienne)

les bardages en bois (sur enduit terre ou chaux)

L'humidité

C'est le point le plus important à surveiller pour les maisons en paille. En effet les murs doivent être très bien protégés pour éviter qu'ils ne prennent l'eau. Ainsi, il faut qu'il y ait une bonne toiture, les murs doivent respecter certaines règles (garde au sol d'au moins 20 cm). Les ruptures de capillarité et la gestion de l'étanchéité au niveau des fenêtres sont particulièrement importantes. Le taux d’humidité de la botte à l’achat et à la pose ne doit pas dépasser 20%. Le passé de la botte est très important : la paille ne doit pas avoir eu de contact prolongé avec de l’eau. Une botte grise ou noire, même sèche, aura moins de résistance lors d’une éventuelle nouvelle exposition à l’eau. La paille la plus durable a des brins entiers, et ne contient aucun grain ou résidu de grain. Dans la paille bien sèche la majeure partie des bactéries et champignons meurent après une année. De plus, l’obscurité et l’absence d’oxygène dans laquelle est maintenue la paille évite leur prolifération. Une attention particulière doit être portée sur les qualités perspirantes des revêtements (terre, chaux) afin d’éviter toute condensation à l’intérieur du mur.


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3.7

Le feu

La combustion est alimentée par l’oxygène. Dans un matériau compressé comme une botte de paille, il y a suffisamment d’air pour être un bon isolant, mais pas assez d’oxygène pour favoriser la combustion. Le matériau est considéré comme normalement inflammable, c’est-à-dire tout à fait apte à la construction.

3.8

Les insectes et autres invités indésirables

Surprenante constatation, ce sont uniquement les portes et les fenêtres ainsi que l’ossature bois qui ont été attaquées.

3.9

Conclusion général

Un mur en bottes de paille, renforcé et enduit, avec ses liaisons aux éléments de structure attenants (toiture, planches, murs et fondations), est assez peu comparable aux matériaux et éléments de structure connus de professionnels du bâtiment.


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4

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La réglementation en France

En France, la valeur réglementaire de la conductivité thermique (λ - lambda) des petites bottes de paille est donc de 0,065 W / m K , quel que soit le sens de la fibre. Cette valeur peut être fournie a tout bureau d'étude (R = 7).

4.1

Développement durable

Le développement durable (sustainable development en l'anglais) est une nouvelle conception de l’intérêt public, appliquée à la croissance économique et reconsidérée à l'échelle mondiale afin de prendre en compte les aspects environnementaux généraux d'une planète globalisée. La commission mondiale sur l'environnement a défini le développement durable comme: «un développement qui répond aux besoins des générations du présent sans compromettre la capacité des générations futures à répondre aux leurs. Deux concepts sont inhérents à cette notion: le concept de «besoins», et plus Illustration 16: Schéma du développement durable particulièrement des besoins essentiels des plus démunis à qui il convient d’accorder la plus grande priorité, et l’idée des limitations que l’état de nos techniques et de notre organisation sociale impose sur la capacité de l’environnement à répondre aux besoins actuels et à venir.» La crise écologique (changement climatique, raréfaction des ressources naturelles, écarts entre pays développés et pays en développement, perte drastique de biodiversité, croissance de la population mondiale, catastrophes naturelles et industrielles,...) a fait que le développement durable est une réponse à tout le monde pour reconsidérer la croissance économique à l'échelle mondiale afin de prendre en compte les aspects environnementaux et sociaux du développement. Le développement durable concerne l’activité de: l’agriculture, l'industrie, l'habitation, l'organisation familiale, mais aussi les services (finance, tourisme,...) qui, contrairement à une opinion quelquefois répandue, ne sont pas qu'immatériels.


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4.2 4.2.1

Réglementation thermique 2005 (RT 2005) L'objectif principal

Le secteur du bâtiment, qui consomme plus de 40 % de l'énergie finale et contribue pour près du quart aux émissions nationales de gaz à effet de serre fait actuellement l'objet de toutes les attentions. Donc l'objectif principal de la réglementation thermiquescs est de créer des bâtiments confortables et performants. La RT 2005 succède à la RT 2000 et anticipe sur la prochaine RT 2012 que n'est pas si loin. Illustration 17: Réglementation thermique 2005 logo

Les objectifs de limitation des émissions de gaz à effet de serre ont été fixés en accord avec des protocoles de Rio de Janeiro, Brésil (1992) et de Kyoto, Japon (1997). En France, la réglementation engage notamment à réduire la consommation d'énergie des bâtiments. Le Plan Climat 2004, qui traite de la performance énergétique des bâtiments spécifie clairement les objectifs de la réglementation thermique des constructions neuves (amélioration de la performance énergétique de la construction neuve d'au moins 15%, pour un objectif de 40% en 2020; une limitation du recours à la climatisation et la maîtrise de la demande en électricité). La consommation moyenne en énergie dans la réglementation thermique 2005 doit être comprise entre 80 et 250 kWh/m2Shon/an. 4.2.2

Illustration 18: Évolution de la consommation moyenne des bâtiments neufs par rapport aux bâtiments RT 2000

Trois conditions à respecter pour le bâtiment à construire

L'économie d'énergie - La consommation globale d'énergie du bâtiment pour les postes de chauffage, eau chaude sanitaire, refroidissement auxiliaires ainsi que l'éclairage pour un bâtiment tertiaire, doit être inférieur à la consommation de référence de ce bâtiment. Le confort d'été - La température intérieure conventionnelle atteinte en été doit être inférieure à la température de référence. Les « garde-fous » - Des performances minimales sont requises pour une série de composants (isolation, ventilation, système de chauffage...). Introduites par la RT 2000, ces performances minimales ont été renforcées par la RT 2005, notamment au niveau des déperditions par les ponts thermiques. 4.2.3

Deux modalités d'action au choix des acteurs

Lors de sa demande de permis de construire, la maitre d'ouvrage s'engage à appliquer la réglementation thermique liée aux règles de construction. Il doit pouvoir justifier du respect de la RT 2005: Soit au moyen d'une étude thermique – La consommation d'énergie et la température intérieure conventionnelle sont alors calculées au moyen de logiciels d'application. Une synthèse d'étude


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thermique doit être fournie par le maitre d'ouvrage. Soit sans calcul à l'aide de solutions techniques – Agréées par le ministère chargé de la construction et de l'habitation, elles dérivent des solutions qui garantissent le respect des valeurs de référence, tant en termes d'économie d'énergie que de confort en été.

4.3

Bientôt la RT 2012

La nouvelle réglementation devrait être connue courant été 2010. Les grandes lignes de la nouvelle réglementation tournent notamment autour des points suivants: •

La consommation d'énergie devra impérativement être inférieure ou égale à 50 kWh/m2Shon/an (norme BBC) pour les constructions neuves.

Des normes d'émission de CO2 plus drastiques

Un objectif d'amélioration des performances énergétiques des bâtiments neufs de 50%, voire plus à l'horizon 2020, par rapport aux performance actuelles.

L’application des exigences de la RT 2012 entraînera un certain nombre de conséquences, dont : • Une forte progression du nombre d’habitats économes en énergie telles que les maisons bioclimatiques et les maisons passives, qui réduisent de façon conséquente les besoins de chauffeage et de climatisation • Un surcoût par rapport à la RT 2005, de l’ordre de 10 à 15% pour les maisons individuelles A noter que le Grenelle de l’Environnement ambitionne de généraliser les maisons à énergie positive dès 2020.

4.4 Le Grenelle Environnement

Illustration 19: Le Grenelle Environnement

« Le Grenelle Environnement (souvent appelé Grenelle de l'environnement) est un ensemble de rencontres politiques organisées en France en octobre 2007, visant à prendre des décisions à long terme en matière d'environnement et de développement durable, en particulier pour restaurer la biodiversité par la mise en place d'une trame verte et bleue, et de Schémas régionaux de cohérence écologique, tout en diminuant les émissions de gaz à effet de serre et en améliorant l'efficience énergétique. » source: http://fr.wikipedia.org/wiki/Grenelle_de_l%27environnement

4.5 L'Avis Technique (Atec) et le Document Technique d'Application (DTA) L’Avis Technique est délivré par la "Commission chargée de formuler les Avis Techniques" (créée en application de l’arrêté du 2 décembre 1969). Il s’est substitué à l’ancien Agrément du CSTB. Une vingtaine de groupes d’experts, représentants les

Illustration 20: L'Avis Technique


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constructeurs, gère la délivrance des ATec et DTA dans des domaines d’application très larges : structures, isolation thermique et acoustique, traitement des eaux, revêtements de sols, baies et vitrages, installations de génie climatique… L’Avis Technique est destiné à fournir, à tous les participants à l’acte de construire, une opinion autorisée sur les produits, procédés et équipements nouveaux, pour un emploi défini. Il indique notamment dans quelles mesures le procédé ou produit : • satisfait à la réglementation en vigueur, • est apte à l’emploi en œuvre, • dispose d’une durabilité en service. Les Avis Techniques sont des documents d’information. Ils ne sont pas obligatoires et n’ont aucun caractère réglementaire particulier. Le DTA, une déclinaison particulière de l’ATec… Le Document Technique d’Application (DTA) est une forme particulière de l’Avis Technique. Il désigne l’avis formulé pour l’emploi d’un produit ou composant relevant du marquage CE. Réciprocité de l’Avis Technique ou du DTA avec ses homologues étrangers Formulée par l’un des membres de l’UEATc, la procédure d’instruction permet de prendre en compte les homologues étrangers de l’Avis Technique ou du DTA, grâce à la “confirmation d’Agrément”. Inversement, l’Avis Technique ou le DTA peut faciliter l’obtention d’un ou plusieurs de ses homologues hors de France. Il est également possible d’instruire simultanément l’ATec ou le DTA avec un ou plusieurs de ses homologues, en prenant en compte les spécificités des pays choisis, du point de vue notamment des exigences de mise en œuvre.


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5

5.1

30

Matériaux biologiques d'isolation thermique actuellement sur le marché

L'absence de règlementation

L'absence de règlementation dans certains pays (dont la France) rend difficile la généralisation de ces pratiques. C'est le cas des nouveaux matériaux isolants biologiques. Certaines entreprises bénéficient, grâce à leur expérience, d'une garantie décennale.

5.2 Le premier isolant végétal en fibres de bois à obtenir un Avis Technique de CSTB «Après la certification ACERMI obtenue en novembre dernier, Isonat+ vient d’obtenir un AvisTechnique (Atec) du CSTB. C’est le premier isolant végétal en fibres de bois à acquérir cette qualification. Délivré par un groupe d’experts, cet avis prend en compte les exigences réglementaires françaises, les objectifs de performances (RT) et de durabilité résultant d’une mise en œuvre effectuée dans les règles de l’art. Cet avis s’impose comme un indicateur de qualité et une garantie pour les professionnels comme pour les particuliers.

Illustration 21: Isonat +

Pour répondre aux exigences d’isolation thermique, Isonat+ propose une conductivité thermique (lambda) de 0,038 W/m.K et un coefficient de déphasage de 10 h. Cet isolant est composé de 30% de fibres de chanvre, 55% de fibres de bois et 15% de fibres textiles. Lancé par l’entreprise Buitex, il est au cœur d’une large gamme d’isolants pour le bâtiment. La particularité de tous ces produits réside dans la variété des matériaux qui les composent. On trouve : du tout chanvre (Isonat Chanvre), du tout bois (Fiberwood), du chanvre et coton (Isonat Végétal sous Avis Technique du CSTB), de la ouate de cellulose (Panneaux : Isonat Celflex et vrac : Isonat Cel-fibres). » source: http://www.francebtp.com


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5.3

Chanvre

La isolation thermique en chanvre existe en forme de la laine de chanvre et come la chènevotte. La primiere fait partie des isolants ayant le plus faible impact (CO2) sur l'environnement, tout en offrant de grandes qualités thermo-acoustiques et hygrométriques. Il faut la utiliser pour solation de combles, rampants de toit, cloisons... Le conditionnement sont en rouleaux , en panneaux et en vrac. La deuxieme est issue des tiges de chanvre broyées, est un matériau qui possède également de bonnes qualités thermo-acoustiques et hygrométriques. Il faut la utiliser avec mélangée à la chaux pour la réalisation d'enduits isolants et de chapes de sols. Il est en vrac. Les caractéristiques générales de la laine de chanvre (chènevotte, partie fibreuse de la plante) est un matériau issu de fibres naturelles conditionnées, auxquelles sont adjointes des fibres de type polyester (entre 10 et 25 %) afin de constituer un matelas de fibres et d’assurer la cohésion de ce matelas. Le liant étant parfois de la laine de mouton des traitements complémentaires sont alors nécessaires notamment contre la prolifération des insectes (mites, poux…). Certains isolants en laine de chanvre reçoivent un traitement additionnel ignifuge. La laine de chanvre possède des qualités isolantes, sa conductivité thermique varie de 0.039 à 0.045W/mK. Elle a aussi des aptitudes concernant l’isolation acoustique (phonique). Présenté sous forme de rouleaux, panneaux semi-rigides ou en vrac, l’isolant en laine de chanvre peut être utilisé pour l’isolation des murs, des toitures et des planchers. Les laines de chanvre ne relèvent pas du marquage CE obligatoire mais il existe un référentiel européen pour attester de leur aptitude à l’usage qui est repris par les Avis Technique et la et la certification Acermi.

5.4

Panneaux de paille compressée Stramit

« Le panneau Stramit en paille fortement compressée, sans liants chimiques et entièrement recyclable, est fabriqué selon les dimensions, caractéristiques et performances suivantes : • largeur : 1,20 m ; • longueur standard : 2,50 m (longueurs en option entre 1,0 m et 3,60 m) ; • épaisseur : 58 mm ; • densité moyenne : 379 kg/m³ ; • poids : 22 kg/m² ; • conductivité thermique : 0.081 W/mK ; • résistance m²/KW ;

thermique

:

0.72

• coefficient de diffusion : µ = 13,1 ;

Illustration 22: Le panneau Stramit en paille fortement compressée

• résistance de charge sans déformation : 981,3 Mpa. Les panneaux sont fabriqués sur une machine continue. Un tapis élévateur monte la paille en bottes et la déverse dans une machine qui l’ouvre, la bat et la nettoie. La paille tombe ensuite dans une


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trémie collectrice d’où elle est entraînée par un peigne assurant sa descente régulière et son rangement devant un piston à mouvement alternatif qui la comprime entre deux plaques chauffantes, portées à une température de 200°C, et la repousse en une nappe continue. La nappe ainsi formée est recouverte sur ses deux faces d’une feuille de carton fort, collée à l’aide de colles urée-formol. Le chauffage assure la stérilisation et la consolidation de la paille. En bout de la machine, la nappe est coupée selon la longueur voulue. Puis une bande de carton est collée sur les traces sciées pour éviter le soulèvement des brins de paille. Cette application est faite par l’intermédiaire d’une machine pneumatique électrique qui assure la polymérisation de la colle et la compression de l’extrémité des plaques. Actuellement commercialisé en France par deux distributeurs, le panneau Stramit sera bientôt fabriqué, selon la technologie mise au point par Stramit International, par la société Stramentech SAS à Ardentes. » source : http://www.paperblog.fr/


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6

6.1

Potentiel d'implémentation

Lignine

Les lignines sont des substances complexes qui incrustent les parois des fibres et leur apportent une bonne durabilité et surtout une grande rigidité, notamment en compression transversale. Sans lignine, nos bois seraient impropres à une utilisation mécanique. La lignine est la partie essentielle de la paille et on essayera de l'extraire avec des acides et biopolymères comme polysaccharides et protéines.

6.2

Biopolymere

Pour obtenir un isolant de paille plus compacte et avec des meilleur caractéristique technique on vas a la idée de ajouter des biopolymere pour obtenir un matériau complètement organique. 6.2.1

Polysaccharides

Illustration 23: Representation schematique de la localisation de la cellulose

AMIDON est un biopolymere que se trouve en pomme de terre, en blé, en riz et en autre légumes. Quand il est extrudé (soumis a de l'énergie thermique et mécanique) il se transformé en thermoplastique. Pour améliore les caractéristique technique on recommande de utilisations de plastifiants. Avec ça, on diminuer les liaisons hydrogène intermoléculaires et stabiliser les propriétés de produit. CELLULOSE est le plus abondant polymere en la nature. On la familièrement rencontrée sous forme de papier ou de carton dans le contexte de l’emballage. Le film de cellophane est sensible a l'eau et possède de bonne propriétés mécaniques. 6.2.2

Protéines

Les protéines sont utilisées telles qu'on les trouve a l'etat naturel. Elle sont les constituants de la matière vivante animale, muscle, peau, cheveux, etc. L’inconvénient majeur des plastiques faits a partir de protéines est leur sensibilité a l'humidité. Les recherches dans ce sens sont limitées et la seule possibilité est de modifier chimiquement les protéines qui comprennent beaucoup de fonctions réactives.


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Matières premières issues de plantes et leurs applications potentielles en polymères Transformation chimique/enzymatique/ph Intermédiaires ysique Matières premières chimiques Applications GLUCIDES Fermentation par Saccharose Acide lactique Polymères d’acide lactique Lactobacillus Traitement thermique en Film d’amidon présence de plastifiant thermoplastique Hydrolyse/Fermentation Acide lactique Polymères d’acide lactique Polymères d’acide Hydrolyse/Fermentation Acide glycolique glycolique Amidon Hydrolyse/Fermentation Acide succinique Polyesters Acide Hydrolyse/Fermentation Polyhydroxybutyrate hydroxybutyrate Hydrolyse/Fermentation 1, 3 Propanediol Polyesters Polyuréthanes, résines Hydrolyse + hydrogénation Sorbitol alkydes Fibre de renfort Cellulose Acétate de cellulose, Cellophane, Acétate de Estérification nitrate de cellulose cellulose Hydrolyse + cyclisation Furfural Polymères furaniques Hémicellulose Polymères d’acide Fermentation Acide itaconique itaconique Pectines Polymères films Gommes végétales Polymères alimentaires (alginates, arabinogalactanes) LIPIDES Fonctionnalisation Polyuréthanes, polyamides, Acides gras insaturés (époxydation, polyesters, polyanhydrides hydroformylation, etc) Colophanes Estérification avec glycérol Gomme-esters Terpènes Résines terpéniques PROTÉINES Cas général Hydrolyse Acide aminé Polyaspartates Zéine Polymères à base de zéine Gluten Polymères à base de gluten POLYPHÉNOL Polymères composites à base de lignine Lignine Réaction avec l’oxyde de Polyuréthanes propylène Tannins Polymères pour adhésifs Réaction avec l’oxyde de Subérine (liège) Polyuréthanes propylène (oxypropylation) POLYISOPRÈNE Caoutchouc Tableau 3: Matières premières issues de plantes et leurs applications potentielles en polymères


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7

Méthode d’essais sur les propriétés physiques de la paille

7.1

Les objectifs du stage en laboratoire

1. Création d’échantillons (petite taille) à densité variée (voir les densités utilisées en pratique) • Mise au point d’une procédure de création d’échantillons cylindrique parfaite, avec contrôle de la densité, de l’orientation de la paille et des dimensions de l’échantillon 2. Caractérisation de la courbe de rétention de la botte de paille en fonction de la densité • Trois densités caractéristiques • Séchage à l’étuve • Application de la méthode des solutions salines : protocole expérimentale à définir, sels à acheter si nécessaire. Séquence de passage des échantillons 3. Caractérisation de la perméabilité à la vapeur d’eau en fonction de la densité • Trois densités caractéristiques • Séchage à l’étuve • Application de la méthode des solutions salines : protocole expérimentale à définir, sels à acheter si nécessaire. 4. Caractérisation thermique • Conductivité thermique • Chaleur spécifique • Dilatation thermique 5. Traitement mécano-thermique (pression + micro-ondes) : caractérisation hydrique, mécanique et thermique • Mise au point d’une procédure de traitement de la paille sous contrainte et microondes.  Conception de l’essai  Différents tests à Hr différents  Rôle d’adjuvants  Quels essais de caractérisation mécanique ?


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7.2

La perméabilité et la rétention

7.2.1

Le carrotage de l'échantillon

36

Avant de commencer les essais en laboratoire, on doit créer un système mécanique pour extraire des échantillons cylindriques parfaits, avec contrôle de la densité, de l’orientation de la paille et des dimensions de l’échantillon. On a pensé extraire les échantillons avec un système de carrotage. Dans l'atelier de Polytech'Orléans, on a proposé un système avec un cylindre métallique et un système de réglage de densité. (voir Illustration 23). 7.2.2

Les essais de rétention

Pour faire les essais de rétention de la vapeur dans les échantillons de paille, on a pensé utiliser la méthode de la coupelle. Cette méthode consiste en deux boîtes complètement étanches, chacune avec un degré d'humidité relative (RH) diffèrent et connectées avec un tube dans lequels on met l'échantillon de paille. On doit s'assurer que l'échantillon est bien isolé : il ne doit pas y avoir d'air entre la paille et le tuyaux. On isole avec du silicone pour ne pas laisser circuler l'air autour de l'échantillon. On contrôle l'humidité relative de chacune des boîtes avec des solutions salines. Diffèrentes solutions salines sont placées dans les deux diffèrentes coupelles dans deux boîtes connectées. L'humidité supérieure (RH1) dans la boîte1 se transfère vers l'humidité inférieure (RH2) dans la boîte2. (voir Illustration 24) On mesure le poids des coupelles en continu, dans notre cas, au pas de temps journalier. Avec la perte en eau de la première coupelle et avec la récupération d'eau dans la deuxième coupelle, on peut obtenir la différence d'humidité qui est retenue par l'échantillon de paille. Le test doit être effectué avec des échantillons de paille de trois diffèrentes densités. Avec les résultats obtenus, on va caractériser la courbe de rétention de la botte de paille en fonction de la densité. 7.2.3

Les essais de la perméabilité à la vapeur d’eau

Les essais de la perméabilité à la vapeur d’eau d'un échantillon de paille repose sur le même principe que l'essai de rétention. On mesure la quantité de vapeur d'eau que se transmet de la première boîte à la deuxième boîte. 7.2.4

Les problèmes des essais

Malheureusement, les tests n'ont pas été effectués car l'atelier mécanique était trop occupé et n'a pas eu le temps de produire le système de carrotage pour botte de paille.


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Illustration 24: technique de carrotage du echantion de botte de paille

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Illustration 25: la méthode de la coupelle

7.3

Traitement mécano-thermique

Le but du traitement mécano-thermique est d'essayer de faire un collage compact de la paille. Ceci pour faire des plaques en paille compactes pour une utilisation comme l'isolant (extérieur et intérieur). L'idée est d'utiliser la même technique que le collage de bois, c'est-à-dire haute pression et haute température. Ces conditions permettent d'extraire la lignine qui devrait coller la paille. L'idée est aussi de trouver un adjuvant qui permette d'améliorer la performance du collage.

Illustration 26: Échantillon de paille

Pour les adjuvants on va utiliser du vinaigre blanc, des pommes de terre, du citron, du sucre et du nitrate de sodium (NaNO3). Les pommes de terre et le nitrate de sodium n’ont pas été utilisés à cause des problèmes avec les micro-ondes. Il est aussi prévu d’utiliser un refroidissement rapide par immersion des échantillons de paille dans l’eau glaciale pour voir si le collage est meilleur.


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A la fin, on devra aussi valoriser la quantité de collage avec des tamis et mesurer le plus grand part collage de paille. On a utilisé un micro-onde avec la fréquence 2,45 GHz et 340 W. Les temps essais ont été de 5, 6 et 8 min. A cause d’un disfonctionnement du micro-onde, on a essayé aussi un four à 70°C et 105°C pendant 30, 60 et 180 minutes.

échantillon

~volumen densité Poids + poids de après temps Poids [g] [cm³] [g/cm³) adjuvant adjuvant adjuvant le test technique [min] 1 34.6 337.992 0.1024 vinagre blanc 56.4 21.8 30.6 microonde 8 2 28.8 294.720 0.0977 vinagre blanc 83.5 54.7 / forn 30 3 25.3 215.581 0.1174 vinagre blanc 67.3 42 47.1 forn 60 4 29.8 285.861 0.1042 vinagre blanc 80.1 50.3 64.6 forn 60 5 26 267.110 0.0973 vinagre blanc 69.7 43.7 49.9 forn 180 6 29.2 314.163 0.0929 vinagre blanc 71.4 42.2 60.9 microonde 5 7 28.3 262.966 0.1076 sucre+eau 86.6 58.3 72.5 microonde 6 8 27.8 271.561 0.1024 suc de citron 74.1 46.3 59.4 microonde 6

Table 4: Les resultate de traitement mécano-thermique

Malheureusement les résultats de traitement mécano thermique n'été pas comme prévus. Les échantillons 1 et 6 ont brûlé. L’échantillon 5 est devenu très sec, signal d’un début de carbonisation. Dans aucun cas, un collage n’a été observé. Pour les essais mal réussis, je soupçonne que le disfonctionnement du micro-onde peut en être la raison et aussi que la pression n'était peut-être pas assez élevée. Je crois qu’une saturation plus élevée et un meilleur micro-onde ou un four à plus haute température, peuvent peut-être coller la paille. Aussi, j’ai proposé pour cette expérience des adjuvants que, j'ai trouvé sur Internet mais ils n'étaient pas directement utilisés ou suggérés pour la paille mais pour d’autres matériaux naturels avec une structure similaire.


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Conclusion

Les tests ont été, malheureusement, sans succès et les expérimentations ne sont pas terminées. Comme je n'ai pas fait suffisamment de tests, entre autre parce que je ne disposais pas du matériel nécessaire, les tests n’ont pas donnés les résultats attendus. Le seul critère qui a été testé est le collage de la paille avec la pression et la chaleur. Il n'a pas eu de réaction avec la lignine et aucun collage n’a été observé. Même sans résultats concluants, j’ai beaucoup appris sur la théorie sur la paille, les constructions écologiques, les constructions en bottes de paille, les biopolymères, mécanismes de tests et travaux de laboratoire.


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Bibliographie

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Premier page :http://blog.michellekaufmann.com/wp-content/uploads/2009/10/michellekaufmann-straw-bale2.jpg Premier page : http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fe/Lehmverputztes_Strohballenhaus.jpg Illustration 1: http://blog.vignetage.com/wp-content/uploads/2009/06/paille.jpg Illustration 2: http://loveforlife.com.au/files/ringing-cedars-strawbale1.jpg Illustration 3 : http://labo-energetic.eu/fr/labo/boite_outils_guide_1.php? PHPSESSID=a450c62a4430ff267b00a0cc710d26d6 Illustration 4 : http://www.lanaturemamaison.be Illustration 5: http://www.optimum-travaux44.com Illustration 6: http://www.peg-online.net Illustration 7: http://www.compaillons.eu Illustration 8: http://www.habitat-ecologique.org Illustration 9: http://www.worgamic.org/leblog/leblog/images/Diapositive3_petit.JPG Illustration 10-15: http://www.pour-construire-ecologique.fr/techossb.php Illustration 16: http://telecompagnons.files.wordpress.com/2008/01/cercles-dd.jpg Illustration 17: http://www.cstb.fr Illustration 18: http://www.faseo.fr/faseo_rt.html Illustration 19: http://corpoaction.files.wordpress.com/2009/07/grenelle-environnement.jpg Illustration 20: http://fenetre-menuiserie-pvc-porte-porte-garage-volet.geraultsarl.com/images/qualite/CSTB.jpg Illustration 21: http://www.francebtp.com Illustration 22 : http://www.paperblog.fr/982750/stramit-un-panneau-de-paille-compresseepour-cloisons-et-planchers/ Illustration 23 : http://www.techniques-ingenieur.fr/page/am3580niv10001/differentesfamilles-de-biopolymeres-et-leurs-proprietes.html#1.5 Illustration 24 : autor Illustration 25 : autor Illustration 26 : autor

Tableau • Tableau 1 : Service de la Statistique et de la Prospective-Statistique Agricole Annuelle (NSEE) • Tableau 2 : www.atba.ch/articles/Etude2.pdf • Tableau 3 : http://www.techniques-ingenieur.fr/page/am3580niv10001/differentes-famillesde-biopolymeres-et-leurs-proprietes.html#1.4 • Tableau 4 : autor


Essais sur les propriétésphysiques de la paille