Matériaux de construction à matrice cimentaire incorporant des Matériaux à Changement de Phase solide/solide : Étude de durabilité et de mise en oeuvre - Archive ouverte HAL Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Building cement based materials incorporating solid/solid Phase Change Materials : Durability and implementation study

Matériaux de construction à matrice cimentaire incorporant des Matériaux à Changement de Phase solide/solide : Étude de durabilité et de mise en oeuvre

Résumé

Energy storage applied to the building sector allows significant energy and resource savings. In this sense, PCMs accumulate and release energy in the form of heat and thus improve the thermal efficiency of buildings. These PCMs, incorporated in building materials, are currently marketed in encapsulated form. As this form is not ideal because of its cost and it is not always efficient, it is interesting to turn to PCM technologies that do not require encapsulation. The PUX1520 PCMs are solid/solid (S/S) PCMs composed of PEG and urethane functions, structured as cross-linked networks. The value of this PCM when incorporated into plaster has been demonstrated by Harlé et al. (submitted, 2021). This thesis explored the possibility of incorporating this PCM into cementitious materials and measured the impact this could cause on the properties of the composites. In the fresh state, cementitious materials such as cement pastes and mortars show an increase in consistency with the level of PCMs. It has been shown that this evolution can be modeled and thus predicted by a combined Huggins and Krieger-Dougherty model. In the hardened state, three granular scales were analyzed. Formulations of cement paste, mortars and concretes incorporating PCMs were mechanically tested. The compressive strength, the tensile strength and the Young's modulus decreased as the amount of PCMs increases. The Poisson's ratio, however, does not seem to be affected by the MCPs content. Except in the case of mortars, in comparison with the levels of encapsulated MCPs, PUX1520 seems to affect the mechanical properties to a similar extent. However, the Young's moduli are largely less diminished in the case of PUX1520.MCPs are intended to be introduced into building materials and therefore must exhibit durability on a building life scale. Humidity and temperature of the indoor environment can be favorable conditions for mold growth. This development can lead to biodegradation of the materials. Thus, the susceptibility of PCMs to be biodegraded by molds was tested. Among six molds tested, two were able to biodegrade PCMs. Mucor biodegrades only in the presence of additional nutrient substrate while Penicillium is able to biodegrade without any additional nutrient supply. For Penicillium, this biodegradation is done by an oxidative mechanism which allows the dissociation of the urethane bonds of PCMs. This biodegradation remains limited when the PCM is used for fungal growth on agar or in broth and does not occur in the case of cement composites. The pH of these materials is too high to allow mold growth under laboratory conditions. One can thus consider that the fungal biodegradation of PUX1520 demonstrated in laboratory does not constitute a handicap for its implementation in the building.The exploration of the synthesis of a new S/S PCM was also studied in this thesis. The goal is to evolve the MCPs towards a more efficient material. It was shown that PEG could be functionalized with furyl groups in a first step. These functionalized polymers were cross-linked by Diels-Alder bonds. This second synthesis showed only partial conversion of the functionalized PEG. Although the thermoreversible aspect of the synthesized PCM is well present, its thermal properties did not reach those of the reference PCM.
Le stockage d’énergie appliqué au secteur du bâtiment permet d’envisager d’importantes économies d’énergie et de ressource. Dans ce sens, les MCPs accumulent et relarguent de l’énergie sous forme de chaleur et améliorent ainsi l’efficacité thermique des bâtiments. Ces MCPs, incorporés dans des matériaux de constructions sont aujourd’hui commercialisés sous forme encapsulée. Cette forme n’étant pas idéale car coûteuse et pas toujours efficace, il est intéressant de se tourner vers des technologies de MCPs ne nécessitant pas d’être encapsulés. Les MCPs PUX1520 sont des MCPs solides/ solides (S/S) formés à base de PEG et de fonctions uréthanes, structurés sous forme de réseaux. L’intérêt qu’apporte ce MCP lorsqu’il est incorporé dans du plâtre a été démontré par Harlé et al. (soumis, 2021). Cette thèse a exploré la possibilité d’incorporer ce MCP dans des matériaux cimentaires et a mesuré l’impact que cela pouvait causer sur les propriétés des composites. A l’état frais, les matériaux cimentaires tels que les pâtes de ciment et les mortiers montrent une augmentation de leur consistance avec le taux de MCPs. Il a été montré que cette évolution peut être modélisée et donc prédite par un modèle combiné de Huggins et Krieger-Dougherty. A l’état durcis, trois échelles granulaires ont été analysées. Des formulations de pâte de ciments, de mortiers et de bétons incorporant des MCPs ont été testées mécaniquement. Le taux de MCPs fait chuter la résistance en compression, en traction et le module de Young. Le coefficient de Poisson, quant à lui ne semble pas être affecter par le taux de MCPs. A part dans le cas des mortiers, en comparaison aux taux de MCPs encapsulés, les PUX1520 semblent affectés les propriétés mécaniques d’une ampleur similaire. Toutefois, les modules de Young sont largement moins diminués dans le cas des PUX1520.Les MCPs sont destinés à être introduits dans des matériaux de construction et doivent donc présenter une durabilité à l’échelle de la durée de vie du bâtiment. L’humidité et la température dans l’environnement intérieur peuvent être des conditions favorables aux développement de moisissures. Ce développement peut conduire à une biodégradation des matériaux. Ainsi, la susceptibilité des MCPs à être biodégradés par des moisissures a été testée. Parmi six moisissures testées, deux ont été capables de biodégrader les MCPs. Mucor effectue cette biodégradation uniquement en présence de substrat nutritif supplémentaire alors que Penicillium est capable de le faire sans autres apport nutritif. Pour Penicillium, cette biodégradation se fait par un mécanisme oxydatif qui permet la dissociation des liaisons uréthanes des MCPs. Cette biodégradation reste limitée lorsque le MCP est utilisé pour la croissance fongique sur milieu gélosé ou en bouillon et ne se manifeste pas dans le cas de composites cimentaires. Le pH de ces matériaux est trop élevé pour permettre un développement de moisissures en conditions de laboratoire. On peut ainsi considérer que la biodégradation fongique du PUX1520 mise en évidence en laboratoire ne constitue pas un handicap pour sa mise en œuvre dans le bâtiment.L’exploration de la synthèse d’un nouveau MCP S/S a également été étudiée dans cette thèse. Le but est de faire évoluer les MCPs vers un matériau plus performant. Il a été montré que du PEG pouvait être dans un premier temps fonctionnalisé par des groupement furyles. Ces polymères fonctionnalisés ont été réticulés par des liaisons de Diels-Alder. Cette seconde synthèse a montré une conversion seulement partielle du PEG fonctionnalisé. Bien que l’aspect thermoréversible du MCP synthétisé est bien présent, ses propriétés thermiques n’ont pas atteint celles du MCP de référence.
Fichier non déposé

Dates et versions

tel-04405535 , version 1 (19-01-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04405535 , version 1

Citer

Lionel Plancher. Matériaux de construction à matrice cimentaire incorporant des Matériaux à Changement de Phase solide/solide : Étude de durabilité et de mise en oeuvre. Sciences de l'environnement. CY Cergy Paris Université, 2021. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04405535⟩
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