Le béton de chanvre est un matériau de construction qui présente l'avantage d'être performant pour ses propriétés thermiques et sur le plan environnemental dans la globalité de son cycle de vie. Néanmoins, ses propriétés mécaniques (élasticité, résistance en compression) sont plus faibles que celles des matériaux traditionnels de construction. Cette étude a pour objectif de modéliser l'effet des inclusions végétales sur la conductivité thermique et les modules d'élasticité de composites chaux-chanvre afin d'optimiser ses propriétés d'usage. Pour homogénéiser ces matériaux hétérogènes des approches théoriques et numériques sont confrontées aux résultats expérimentaux obtenus pour des pâtes de chaux avec des fractions volumiques de chènevotte allant de 0 à 35% [1]. Sur le plan numérique, les simulations sont effectuées par des calculs éléments finis 3D qui s'intéressent aux réponses thermique et mécanique de volumes élémentaires statistiques (VES). Comme il est difficile de définir une notion de volume élémentaire représentatif (VER) pour cette classe de composites, les calculs sont mis en œuvre sur un grand nombre de VES constitués d'une matrice cimentaire de chaux (avec ou sans porosité) comportant des inclusions cylindriques de chènevotte disposées selon des configurations conformes aux données expérimentales.

Une des clés de cette étude est de disposer d'un outil de maillage robuste pour automatiser les nombreux calculs EF 3D nécessaires. Les maillages de chaque VES sont réalisés via une plateforme numérique basée sur le modèle de topologie unifié (MTU) qui englobe les outils de la conception assistée par ordinateur (CAO), de maillage automatique et les techniques de la méthode des EF [2]. La géométrie de chaque microstructure est générée par addition séquentielle de particules dans la matrice en vérifiant sa conformité statistique avec les données expérimentales disponibles (concentrations volumiques, tenseurs d'orientations des particules élancées). La forme des particules et la matrice sont représentées par le modèle BREP (Boundary REPresentation), c'est-à-dire comme une hiérarchie d'éléments topologiques. Avant de générer chaque maillage, une carte de taille est construite en tenant compte de la taille d'éléments souhaitée et de l'espacement entre deux particules [3]. Les résultats obtenus, qui ont pour objectifs de valider les théories utilisées pour cette classe de composites chaux–chanvre, montrent, pour les microstructures globalement isotropes, la pertinence des estimations de Hashin-Shtrikman.

[1] T. H. Pham, Modélisation multi-échelles des propriétés thermiques et élastiques de composites chaux-chanvre, Thèse, Université de Bretagne-Sud, Lorient, fév. 2014.

[2] Cuillière, J.-C., Francois, V., Integration of CAD, FEA and Topology Optimization through a Unified Topological Model, 2014, Computer-Aided Design and Applications, 11 (5), pp. 493-508.

[3] A. Couture, V. François, J.-C. Cuillière, Ph. Pilvin, Modélisation de la microstructure de composites particulaires : application à l'homogénéisation en conduction thermique, 13ème Colloque National en Calcul des Structures, Giens, 2017