REVUE INTERNATIONALE D'HELIOTECHNIQUE ENERGIE - ENVIRONNEMENT - N° 36 (2007) 03-12

http:\\www.comples.org

___________________________________________________________________________________

CARACTERISATION THERMOPHYSIQUE DU MORTIER A BASE DU CIMENT ET DE SABLE

L.BOUKHATTEM ⁽¹⁾, R.MIR ⁽¹⁾, M.KOURCHI⁽¹⁾ A. BENDOU ⁽¹⁾

(1) Laboratoire d’Ingénierie des Procédés de l'Energie et de l’Environnement (LIP2E)

ENSA d’Agadir, B.P. 1136, Maroc boukhattem@ensa-agadir.ac.ma

Reçu le 21/05/2007, En ligne le 22/09/2007

RESUME :

Dans cet article, nous présentons une étude expérimentale de caractérisation d’un matériau qui est à la base de la majorité des travaux de maçonnerie. Il s’agit du mortier qu’est un mélange de sable, d'eau et de liant (ciment). La caractérisation utilise le dispositif EI700 qui est conçu spécialement pour déterminer simultanément la conductivité thermique et la diffusivité du matériau par la méthode dite "des boîtes" du régime permanent. La chaleur massique et l’effusivité thermique, du matériau en question, ont été également déduites. Les résultats de caractérisation montrent que la conductivité thermique, la chaleur massique et l’effusivité thermique du matériau décroissent en fonction de la granulométrie du sable. Par contre, la diffusivité thermique croît en fonction du diamètre du sable. Pour le dosage du ciment dans le mélange, les résultats montrent que la conductivité thermique, la diffusivité thermique et l’effusivité thermique décroissent en fonction de l'augmentation du pourcentage du ciment dans le matériau. Par contre, la chaleur massique croît en fonction du dosage du ciment.

Mots clés: mortier/ caractérisation/ conductivité thermique/ diffusivité thermique

ABSTRACT:

In this work, we present an experimental characterization study of a material which is at the basis of the majority of many works. It’s a mortar which is a mixture of sand, water and binder (cement). The characterization has been experimentally done by EI700 Device which is specially designed to determine simultaneously the thermal conductivity and diffusivity of the material using the method called "box" in a permanent way. Specific heat and effusivity of mortar were then calculated. The results of characterization show that the thermal conductivity, the specific heat and thermal effusivity of material decrease according to the granulometry of sand. On the contrary, the thermal diffusivity increases according to the diameter of sand. As the proportioning of cement in the mixture, the results show that the thermal conductivity, the thermal diffusivity and thermal effusivity decrease according to the increase of the percentage of cement in the material. Contrary, the specific heat increases according to the proportioning of cement.

Keywords: mortar/ characterization/ thermal conductivity/ thermal diffusivity

I. INTRODUCTION

La caractérisation thermophysique permet de déterminer les caractéristiques des matériaux usuels tel que la conductivité et la diffusivité thermique. Elle contribue à une meilleure connaissance du comportement thermique des matériaux utilisés dans un grand nombre de domaine scientifique et industriel, en particulier, le domaine de construction et d’isolation. En fonction de l’importance de l’utilisation des matériaux de construction, la caractérisation thermophysique a fait l’objet de nombreuses études. Ces études se focalisent en particulier sur certains matériaux locaux à savoir: liège, plâtre et brique creuse [1], le mortier [2], le polystyrène expansé [3], la terre de Larache stabilisée au ciment [4], le bois [5] ainsi que des matériaux d’isolation [6].

Dans ce travail, notre choix s’est porté sur le mortier qui est le matériau de construction par excellence. Il est adopté universellement, pour les avantages suivants:

Ø Il est formé de matériaux naturels primaires largement disponibles à la surface de la Terre.

Ø Il résiste à des environnements corrosifs (comme l'eau de mer), au feu, …

Ø Sa mise en œuvre est assez simple.

Dans ce contexte, nous allons procéder à la préparation d’échantillon de mortier pour effectuer des expériences de caractérisation. Plusieurs paramètres sont pris en considération : le taux de liant, la granulométrie, la porosité du sable, la masse volumique. La caractérisation va se faire par la méthode des boîtes.

II. PRINCIPE DE LA METHODE DES BOITES

Plusieurs méthodes permettent une caractérisation thermophysique de ce matériau. Parmi ces méthodes, nous citons la méthode du disque chaud (HD) [6]. La méthode flash utilisée par M. Lachi [7]. Récemment, S. Min et all [8] ont adapté un nouveau système flash laser pour la mesure des propriétés thermophysiques. La méthode que nous avons optée est celle des boîtes [1-5]. Cette méthode permet de déterminer simultanément les deux caractéristiques principales à savoir la conductivité et la diffusivité thermique.

II.1. Dispositif expérimental

Le dispositif utilisé au laboratoire est une cellule de mesure conçue spécialement pour déterminer simultanément la conductivité thermique et la diffusivité du matériau. Il s'agit du dispositif EI700 qui contient deux boites, une pour la conductivité et l'autre pour la diffusivité (Figure 1). Le système est relié à une centrale d'acquisition liée à un micro-ordinateur.

Figure 1. Cellule de mesure EI700.

Les dimensions des échantillons à caractériser sont parallélépipédiques (Figure 2).

Figure2. Briques à base du ciment et de sable.

Le système permet d’avoir simultanément la valeur de la conductivité et de la diffusivité thermique du matériau.

II.2. Conductivité thermique

Le principe de mesure de la conductivité thermique du matériau en question est basé sur la réalisation de façon permanente d'un écoulement de chaleur unidirectionnel à travers l'échantillon placé dans la première boîte, entre la capacité isotherme froide du dispositif et la source de chaleur à flux constant dont l’émission de l’énergie est régulée à l’aide d’un rhéostat , on fait en sorte par réglage de l’émission de chaleur, que la température à l’intérieur de la boîte ; soit légèrement supérieure à la température extérieure qui est la température ambiante (figure 3). Une fois le régime permanent établi, c’est-à-dire quand les valeurs de températures restent constantes plus d’une demi-heure environ, on prend alors le gradient de température au centre de l’échantillon, la tension de chauffage et on utilise l’expression suivante pour déduire la valeur de la conductivité thermique [9]:

(1)

L’équation (1) tient compte des flux suivants :

Effet joule produit par la résistance chauffante :
Chaleur globale perdue à travers la boite B1 :
Chaleur transférée par conduction à travers l’échantillon :

Figure 3. Boîte de mesure de la conductivité.

II.3. Diffusivité thermique

Pour la mesure de la diffusivité thermique, la deuxième boite est éclairée par deux lampes à incandescence de puissances pendant quelques secondes (figure 4). On relève l’élévation de température de l'échantillon en fonction du temps et on repère les points pour lesquels, on a: 1/2, 2/3, 5/6 et 5/6 de la valeur maximale de la température. On cherche alors les valeurs du temps correspondant et on en déduit la diffusivité thermique du matériau par la moyenne des trois valeurs calculées par les expressions suivantes [9]:

(2)

(3)

Figure 4. Boîte de mesure de la diffusivité.

II.4. Chaleur massique et effusivité thermique

Connaissant expérimentalement; la conductivité thermique, la diffusivité thermique et la masse volumique de l’échantillon, la chaleur massique et l’effusivité thermique de ce dernier peuvent se déduire à partir des deux relations suivantes:

(4)

(5)

III. RESULTATS ET INTERPRETATION

Avant de démarrer notre compagne de mesures expérimentales, nous avons étalonné la machine EI700.

III.1. Etalonnage et fiabilité des mesures

Les premières mesures de conductivité et de diffusivité sont faites sur un échantillon étalon de polystyrène expansé. Les valeurs trouvées sont présentées dans le tableau 1. Ces valeurs coïncident très bien avec celles présentées dans la littérature.

[10]		[11]
0,043	0,04357	1.77 10^-6	1,7 10^-6

Tableau 1. Valeurs expérimentales et présentées dans la littérature

de la conductivité et la diffusivité thermique.

III.2. Effet de la granulométrie

Pour tester l’effet du diamètre de sable sur les propriétés thermo-physiques du mortier nous avons choisi quatre diamètres du sable dans le ciment de dosage fixe (50%, pour le ciment et 50%, pour le sable). Le tableau 2 présente les différents paramètres du sable à différentes granulométries. L’illustration graphique des résultats obtenus avec ces granulométries pour la conductivité thermique, la diffusivité thermique, la chaleur massique et l’effusivité thermique est présentée sur la figure 4 ( a, b, c et d) respectivement.

Diamètre du sable (mm)	Masse volumique (Kg.m^-3)	Porosité du sable
0.75	1905,8454	0.3
1.08	1935,8782	0.39
1.25	2011,1368	0.41
2.5	2011,8435	0.48

Tableau 2. Caractéristiques du sable en fonction de la granulométrie

(a)

(b)

(c)

(d)

Figure 5. Variations en fonction du diamètre du sable: (a) conductivité thermique; (b) diffusivité thermique; (c) chaleur massique, (d) effusivité thermique.

Ces résultats montrent que la conductivité thermique du matériau décroît en fonction du diamètre de sable. Ceci s'explique par le fait que l'augmentation du diamètre du sable s'accompagne d'une augmentation de la porosité du milieu qui engendre un taux d’air important au sein du milieux poreux qui possède une conductivité thermique inférieure à celle de la matrice solide.

De même, la chaleur massique et l’effusivité thermique suivent la même évolution que la conductivité thermique. Par contre on remarque très bien la croissance de la diffusivité thermique en fonction du diamètre du sable.

III.2. Effet du dosage

Pour avoir l’effet du ciment sur les propriétés thermo-physiques du mortier nous avons fait varier le pourcentage du ciment dans le sable de porosité moyenne, . Le tableau 3 regroupe les différents paramètres de mesures. L’illustration graphique des résultats en fonction du dosage massique du ciment pour la conductivité thermique, la diffusivité thermique, la chaleur massique et l’effusivité thermique est présentée sur la figure 5 ( a, b, c et d) respectivement .

sable	ciment	Masse volumique (Kg.m^-3)	Porosité du sable
80	20	1835,180	0.39
67	33	1835,245	0.39
50	50	1935,878	0.39
33	67	1851,079	0.39

Tableau 3. Paramètres de mesures.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figure 6. Variations en fonction du dosage du ciment: (a) conductivité thermique; (b) diffusivité thermique; (c) chaleur massique, (d) effusivité thermique.

Ces résultats obtenus (figure 6), montrent que la conductivité thermique décroît en fonction de l'augmentation du pourcentage du ciment dans le matériau. Ceci s'explique par le fait que la conductivité thermique du ciment est inférieure à la conductivité thermique du sable. Nous avons constaté aussi, que la diffusivité thermique et l’effusivité thermique du matériau en question évoluent dans le même sens. Par contre la chaleur massique croît en fonction du dosage du ciment.

IV. CONCLUSION

A la lumière des résultats expérimentaux obtenus sur le mortier en fonction de la granulométrie du sable et le dosage massique du ciment dans le mélange, nous constatons que la conductivité thermique, la chaleur massique et l’effusivité thermique décroissent en fonction de la granulométrie du sable. Par contre la diffusivité thermique évolue dans le sens opposé.

En ce qui concerne le dosage massique du ciment dans le mélange, l’étude a montré que la conductivité thermique, la diffusivité thermique et l’effusivité thermique décroissement en fonction du pourcentage du ciment dans le matériau. Par contre la chaleur massique décroît en fonction du même matériau dans le mélange.

Cette étude expérimentale vaut s’étendre à la simulation numérique des transferts d’énergie entre un bâtiment complètement enterré et le sol dont les parois intérieures de l’habitat concerné vont être colmatées par une couche du mortier caractérisé expérimentalement.

Références bibliographiques

[1] A.EL Bakkouri, T. Ajzoul, H. Ezbakhe, A.Et Bouardi, "Influence de l’humidité sur les propriétés thermo-physiques de certains matériaux locaux liége, plâtre et brique creuse", Revue marocaine de génie civil N°64 Juillet - Août (1996), 89.

[2] L.Boukhattem, R.Mir, A.Bendou, "Caractérisation thermophysique des matériaux de construction", 7ème Congrès de Mécanique Avril (2005) Vol. II, Casablanca, Maroc, 320.

[3] L.Boukhattem, R.Mir, A.Bendou, "Supervision de la caractérisation thermophysique d’un matériau", Premières journées de Télécommunications d'Electronique et Electrotechnique, Mai (2006), Oujda, Maroc, 110

[4] N. Lamkharouet , S. Boussaid , H. Ezbakhe , A. El Bakkouri, T. Ajzoul, A. El Bouardi, "Etude thermique de la terre de Larache stabilisée au ciment, Forum International sur les énergies renouvelables", Acte du forum Tome II. Mai (2002), Tétouan, Maroc, 541.

[5] P.S. Ngohe-Ekam, P. Meukam, G. Menguy, P. Girard, "Thermophysical characterisation of tropical wood used as building materials: With respect to the basal density", Construction and Building Materials, 20 (2006) 929.

[6] Saleh A. Al-Ajlan, “Measurements of thermal properties of insulation materials by using transient plane source technique“, Applied Thermal Engineering 26 (2006) 2184.

[7] M. Lachi et A. Degiovanni, "Influence de l'erreur de mesure de température de surface par thermocouples de contact sur la détermination de la diffusivité thermique par méthode « flash »", J. Phys. III France 2 (1992) 2247.

[8] S. Min, J. Blumm, A. Lindemann, "A new laser flash system for measurement of the thermophysical properties", Thermochimica Acta 455 (2007) 46.

[9] Bulletin technique, "Cellule de mesure des caractéristiques thermo-physiques des Matériaux", EI700.

[10] P. Dol Zotto, Mémotech, Génie Energétique, Edition CASTEILLA.

[11] A. Khabbazi, "Etude des écoulements le long d’une paroi verticale non isotherme,dans une cavité fermée a grand nombre de Rayleigh, Thèse de doctorat, Université Paul Sabatier", Toulouse III, France, février (1993).