Performances acoustiques et thermiques des laines végétales pour le bâtiment

L'utilisation des laines végétales est de plus en plus pertinente au sein de l'enveloppe des bâtiments

Pour promouvoir l’utilisation des laines végétales utilisées en tant qu’isolant du bâtiment, de récents travaux de recherche ont conduit au recueil de nombreuses données expérimentales ainsi qu’au développement d’une procédure novatrice de modélisation conjointe de leurs performances acoustiques et thermiques.

L’utilisation de matériaux biosourcés, tels que les laines végétales (isolants fibreux), est de plus en plus pertinente au sein de l’enveloppe des bâtiments. En effet, en plus de permettre une gestion plus raisonnée des ressources naturelles et de stocker du dioxyde de carbone atmosphérique [Pittau et al. 2018], ces matériaux présentent des performances acoustiques et thermiques de haut niveau [Arenas & Asdrubali 2018]. En s’appuyant sur des travaux récents menés dans le cadre d’une thèse de doctorat [Piégay 2019], les propriétés acoustiques et thermiques d’un large panel de panneaux de laines végétales sont tout d’abord présentés. Dans un second temps, l’influence de paramètres de la microstructure de ces matériaux, tels que la taille des fibres, sur leurs performances acoustiques et thermiques sont mises en évidence. Enfin, une procédure de modélisation conjointe des propriétés acoustiques et thermiques de ces matériaux fibreux à partir d’éléments spécifiques de leur microstructure est présentée.

Les propriétés acoustiques et thermiques des laines végétales

Les performances acoustiques et thermiques présentées dans cet article correspondent à celles de panneaux de laines végétales semi-rigides fabriquées par thermoliage (présence de 8 à 20% en masse de fibres bicomposantes assurant la cohésion des panneaux). Ces matériaux, dont des échantillons sont présentés à la Figure 1, offrent des plages représentatives, pour ce type d’isolant, en termes d’épaisseur [25 – 160 mm] et de masse volumique [26 – 41 kg.m-3].

Figure 1_Echantillons de laines végétales

Les propriétés acoustiques

En ce qui concerne les propriétés acoustiques, c’est la capacité d’absorption acoustique (capacité à absorber l’énergie d’une onde sonore) des matériaux qui est caractérisée dans le cas d’une onde plane et harmonique se propageant en incidence normale. Comme l’illustre la Figure 2, les résultats obtenus montrent la large gamme d’absorption acoustique possible pour les laines végétales utilisées en tant qu’isolant de l’enveloppe du bâtiment en faisant varier leur épaisseur (e) et leur masse volumique apparente (). Ces résultats soulignent également que ces matériaux affichent des performances acoustiques de bon niveau pour les moyennes et hautes fréquences. Néanmoins, il est à noter que pour les matériaux d’épaisseur supérieure à 100 mm, des phénomènes de résonances élastiques peuvent être observés comme par exemple pour le Chanvre3, Chanvre4, Chanvre-Lin-Coton1 et Chanvre-Lin-Coton2.

Figure 2_Capacité d'absorption acoustique des laines végétales

Les propriétés thermiques

La grandeur utilisée pour caractériser les performances en isolation thermique des laines végétales est la conductivité thermique. Chacun des modes de transfert de chaleur, conduction, rayonnement et convection, peut être représenté à partir d’une valeur de conductivité thermique spécifique. Néanmoins, dans le cas des isolants fibreux tels que les laines végétales, il est admis dans la littérature scientifique que la contribution du transfert par convection est négligeable par rapports aux deux autres modes [Bankvall 1973], [Lux et al. 2006]. Ainsi, les résultats de caractérisations expérimentales présentés à la Figure 3, montrent que pour des valeurs de masse volumique faibles (< 40kg.m-3) le phénomène de rayonnement joue un rôle non négligeable. Ce phénomène se caractérise par la présence d’un « optimum de transfert couplé conduction-rayonnement ». Au-delà de cet optimum, c’est le phénomène de transfert par conduction qui devient prépondérant.

Figure 3_Conductivité thermique des laines végétales en fonction de la masse volumique

Le lien entre la structure des matériaux et leurs propriétés acoustiques et thermiques

Même si les performances acoustiques et thermiques des laines végétales sont liées à leur épaisseur et à leur masse volumique, elles sont également liées à des paramètres de leur microstructure notamment le diamètre de leurs fibres comme il est précisé dans [Tarnow 1996] et [Tarnow 1997] pour l’acoustique et dans [Bankvall 1973] et [Stapulioniene et al. 2016] pour la thermique.

Ce lien peut ainsi être mis en évidence par la caractérisation expérimentale de la résistivité statique à l’écoulement de l’air. Ce paramètre qui caractérise la capacité d’un matériau à s’opposer à l’écoulement d’un fluide à travers sa structure est directement lié à sa porosité (volume d’air contenu dans le matériau par rapport à son volume total) et à une valeur moyenne de rayon de fibres, comme l’illustre le graphe présenté en Figure 4.

Figure 4_Résistivité statique à l'écoulement de l'air en fonction de la porosité des laines végétales

On retrouve ainsi des valeurs moyennes de rayon de fibres propres à chaque famille de laines végétales.

Modélisation conjointe acoustique et thermique

Afin de lier ces paramètres de la microstructure de matériaux fibreux, tels que les laines végétales, à leurs propriétés acoustiques et thermiques, les travaux de recherche menés dans la thèse [Piégay 2019] ont permis de développer une procédure innovante de modélisation conjointe acoustique et thermique.

Ainsi, à partir de 2 paramètres facilement caractérisables expérimentalement, la porosité du matériau et une valeur moyenne de rayon de fibres, cette procédure permet de modéliser la capacité d’absorption acoustique et la conductivité thermique de matériaux fibreux. La Figure 5 illustre la validation de cette modélisation par comparaison avec les données expérimentales pour le cas de la laine de lin 4.

Figure 5_Modélisation conjointe acoustique et thermique pour la laine de lin4

Cette procédure de modélisation s’appuie sur une approche d’homogénéisation Auto-Cohérente (HAC). La méthode HAC repose sur des techniques mathématiques s’appuyant sur la définition d’un milieu homogène équivalent au milieu hétérogène à l’échelle macroscopique.

Pour l’acoustique, cette approche peut être couplée à un modèle dit « composite » pour prendre en compte deux types de fibres, les fibres végétales et les fibres polymères bicomposantes comme cela a été développé dans [Piégay et al. 2018].

Pour la thermique, le modèle HAC relatif aux transferts thermiques par conduction, détaillé dans [Piégay et al. 2020], est couplé avec un modèle empirique [Bankvall 1973] permettant de prendre en compte les transferts thermiques par rayonnement.

Conclusion

Les caractérisations expérimentales réalisées sur un panel important de panneaux de laines végétales semi-rigides utilisés en tant qu’isolant de l’enveloppe du bâtiment montrent que leurs propriétés acoustiques et thermiques rivalisent avec celles des isolants plus conventionnels comme les laines minérales.

De plus, leurs performances acoustiques et thermiques sont liées aux paramètres de la microstructure des matériaux et notamment la taille de leurs fibres (rayon). Ainsi, il est à présent possible de modéliser conjointement leurs performances acoustiques et thermiques à partir d’uniquement 2 paramètres de leur microstructure.

Ces travaux ouvrent ainsi de grandes perspectives concernant l’optimisation conjointe de leurs performances acoustiques et thermiques.

Un article signé Clément Piegay, Philippe Glé (UMRAE, Cerema, Univ Gustave Eiffel, Ifsttar ), Etienne Gourlay (Eq. BPE, Cerema) et Emmanuel Gourdon (Université de Lyon, ENTPE)

Cerema : https://www.cerema.fr/fr
UMRAE : https://www.umrae.fr/
ENTPE : https://www.entpe.fr/

Références bibliographiques

[Arenas & Asdrubali 2018] J.P. Arenas et F. Asdrubali. Eco-Materials with Noise Reduction Properties. In Leticia Myriam Torres Martínez, Oxana Vasilievna Kharissova et Boris Ildusovich Kharisov, editeurs, Handbook of Ecomaterials, p. 1–26. Springer International Publishing, Cham, 2018.

[Bankvall 1973] C. Bankvall. Heat Transfer in Fibrous Materials. Journal of Testing and Evaluation, vol. 1, no. 3, p.235–243, 1973.

[Lux et al. 2006] J. Lux, A. Ahmadi-Sénichault, C. Gobbé et C. Délisée. Macroscopic thermal properties of real fibrous materials: Volume averaging method and 3D image analysis. International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 49, no. 11, p.1958–1973, 2006.

[Piegay et al. 2018] C. Piégay, P. Glé, E. Gourdon, E. Gourlay et S. Marceau. Acoustical model of vegetal wools including two types of fibers. Applied Acoustics, vol. 129, p. 36–46, Janvier 2018.

[Piegay 2019] C. Piégay. Approche Conjointe Acoustique et Thermique pour l’Optimisation des Laines Végétales du Bâtiment. Thèse de Doctorat, Université de Lyon, 2019

[Piegay et al. 2020] C. Piégay, P. Glé, E. Gourdon et E. Gourlay. A cylindrical self-consistent modelling of vegetal wools thermal conductivity. Construction and Buildings Materials, vol. 232, p. 117–123, Janvier 2020.

[Pittau et al. 2018] F. Pittau, F. Krause, G. Lumia et G. Habert. Fast-growing bio-based materials as an opportunity for storing carbon in exterior walls. Building and Environment, vol. 129, p.117–129, Février 2018.

[Stapulioniene et al. 2016] R. Stapulioniene, S. Vaitkus, S. Vejelis et A. Sankauskaite. Investigation of thermal conductivity of natural fibres processed by different mechanical methods. International Journal of Precision Engineering and Manufactoring, vol. 17, no. 10, p.1371–1381, Octobre 2016.

[Tarnow 1996] V. Tarnow. Airflow resistivity of models of fibrous acoustic materials. The Journal of the Acoustical Society of America, vol. 100, no. 6, p.3706–3713, 1996.

[Tarnow 1997] V. Tarnow. Calculation of the dynamic air flow resistivity of fiber materials. The Journal of the Acoustical Society of America, vol. 102, no. 3, p.1680–1688, 1997.

Autres références

[Dossier Biosourcés #21] Performances acoustiques et thermiques des laines végétales pour le bâtiment

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