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Les propriétés des matériaux de construction

L’essentiel du travail est fait. Il ne nous reste plus qu’à trouver des matériaux et techniques de construction capables de répondre à notre cahier de charges. C’est beaucoup plus simple qu’il n’y paraît même si l’explication rationnelle qui va suivre utilise des dénominations complexes pour désigner les propriétés des matériaux. Je ne dresserais pas ici la liste de tous les matériaux et je ne donnerais pas de chiffres sur les propriétés car en fin de compte, peu importe. Ce sont les principes qui sont déterminants et non le nombre de chiffres après la virgule.

D’abord, les techniques de constructions. Nous avons vu qu’il nous faut une protection contre la pluie, donc, un toit étanche à l’eau. Il nous faut un milieu abrité du vent, donc clos, mais pouvant être ouvert ponctuellement, donc, pourvu de parties mobiles comme des fenêtres ou portes. Jusque-là, rien d’extraordinaire. Il faut que nous soyons ouverts au soleil pendant l’hiver, ce qui suppose donc beaucoup d’ouvertures au sud, et peu sur les autres faces. Ces ouvertures doivent laisser passer la lumière, mais dans l’idéal ne doivent pas laisser passer ni l’eau, ni le vent, ni, évidemment, la chaleur. La maison devrait être protégée des assauts continuels du vent d’ouest et du vent de nord-est, soit par sa forme, soit par l’existence d’éléments brise-vents naturels ou artificiels. Enfin, la maison doit être protégée du soleil d’été. Comme celui-ci rayonne principalement sur les faces est, ouest et sur le toit côté sud, il suffira de ne pas faire d’ouvertures à ces endroits (ou d’en faire peu).
Pour la face sud, une simple casquette suffira à empêcher la lumière de pénétrer dans la maison, grâce à la hauteur estivale du soleil. C’est ainsi qu’on constate que nos impératifs d’hiver non seulement ne sont pas en contradiction avec ceux d’été, mais en plus, se complètent !

Enfin, le remplissage des murs, outre ses éventuelles fonctions porteuses, doit permettre de conserver la température interne le plus longtemps possible (quelque soit la saison), tout en étant étanche à la pluie et au vent, mais pas à la vapeur d’eau. C’est tout.

Le matériau le plus important pour le bioclimaticien est le verre. En effet, il a la particularité d’être transparent à l’énergie solaire sous forme lumière visible, mais d’être opaque à l’énergie sous forme de d’infrarouges thermiques. C’est donc la pièce maîtresse de notre stratégie de récupération des calories solaires : on laisse passer la lumière, celle-ci finit par buter sur un matériau opaque, l’énergie lumineuse se transforme alors en énergie thermique en échauffant ce matériau, et celui-ci devient finalement un émetteur de chaleur en diffusant cette énergie sous-forme d’infrarouges. Ces infrarouges butent sur la vitre qui les absorbe, s’échauffe, et les réemet, dans toutes les directions : vers l’extérieur, bien sûr, mais vers l’intérieur aussi. C’est ainsi qu’on peut capturer à l’intérieur de notre pièce une partie de la chaleur. Plus la pièce sera chaude et plus il y aura de chaleur qui sera dissipée vers l’extérieur, mais tant que de l’énergie lumineuse entrera, l’intérieur de la pièce continuera de s’échauffer, même si le milieu extérieur est froid. C’est pour cela qu’on appelle ce phénomène l’effet de serre.

 

Pourtant, le verre n’a pas toutes les qualités : il est fragile, et donc ne peut pas porter le poids de la maison seul, est imperméable à l’eau, au vent, mais également à la vapeur d’eau. Il faudra donc l’utiliser uniquement pour les ouvertures et pas ailleurs. A part le cas particulier du verre, tous les autres matériaux vont se juger les uns par rapports aux autres sur l’échelle de la capacité thermique, sur leur résistance mécanique, et sur leur perméabilité.

 

Les transferts de chaleur

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L’énergie calorique se déplace de trois manières différentes, qui sont généralement simultanées. Il s’agit de la conduction, de la convection et du rayonnement.

Conduction

La chaleur se transmet de proche en proche, dans les corps qui sont en contact direct. Elle s’observe à l’intérieur d’un corps unique mais également lorsque deux corps de températures différentes sont en contact. Ce type d’échange ne se produit que dans les objets solides.
Une casserole chaude réchauffe la table sur laquelle elle est posée. Si un aliment solide est mis dans la casserole, il recevra également la chaleur par conduction à travers les surfaces en contact.

Convection

La chaleur se transmet par mélange au sein d’un fluide. Dans un liquide ou un gaz, il se crée spontanément un mouvement entre les zones chaudes qui deviennent moins denses et donc montent et les zones froides qui restent en bas. La circulation par convection peut s’inverser si c’est le fluide qui est plus chaud que son récipient. A l’intérieur d’un local, si l’air est plus chaud que les parois, alors c’est l’air qui va se refroidir au contact des parois. Dans ce cas, l’air s’alourdit en perdant sa chaleur et coule vers le bas de la pièce.

Rayonnement

Tout corps qui n’est pas au zéro absolu émet un rayonnement électromagnétique. Ceux-ci se caractérisent par leur longueur d’onde : rayonnements cosmiques, gamma, rayons X, ultraviolets, lumière visible, infrarouges, micro-ondes, ondes radios, etc. Tous ces rayonnements sont de même nature et transportent de l’énergie mais seuls les infrarouges et les micro-ondes sont dit « thermiques » parce que le corps humain les ressent comme chaleur. L’énergie transportée par rayonnement se propage dans toutes les directions, en ligne droite, et se transfère à un corps solide lorsqu’elle entre en contact avec lui. Ce corps l’absorbe, se réchauffe, et réemet des rayonnements à son tour. Le rayonnement ne se convertit en chaleur que dans les matériaux solides qui lui sont opaques. Enfin, comme le rayonnement se propage en ligne droite, il entre en collision avec des surfaces selon un certain angle. Des matériaux peuvent ainsi devenir réfléchissants pour des rayonnements si l’angle d’incidence du rayonnement est élevé, et les laisser passer (ou les absorber) si l’angle est plus faible.
Pour finir, le rayonnement est le seul transfert de chaleur qui se produise dans le vide ; c’est donc sous cette forme que l’énergie solaire nous parvient.
La chaleur d’un feu de bois nous parvient aussi par rayonnement. La chaleur est sensiblement uniforme quel que soit le côté où l’on se place autour du feu et on constate facilement que notre corps n’y est sensible que du côté qui est face au feu.

La capacité thermique :

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C’est le résultat de plusieurs paramètres. Le premier est la quantité de chaleur qu’il faut pour échauffer le matériau de 1°C. Le second c’est la vitesse à laquelle la chaleur se déplace dans le matériau. Le troisième c’est la vitesse à laquelle la surface du matériau devient à la température de ce qu’elle touche. Les valeurs de ces paramètres définissent les propriétés thermiques d’un matériau, et on peut en faire au moins trois grandes familles : les isolants, les accumulateurs, et les métaux. Certains matériaux se trouvent à la limite entre ces catégories, mais la plupart se classent facilement.

Les isolants absorbent peu de chaleur, leur température de surface s’élève très rapidement, et la chaleur se déplace très lentement en eux. En conséquence, ils peuvent empêcher la chaleur de rentrer ou de sortir, dans un milieu qu’ils clôturent. Ils apparaissent toujours « chauds » au toucher. Par contre, ils sont incapables de stocker de l’énergie en eux-même. Ils sont également généralement très légers.

Les accumulateurs sont l’inverse des isolants, ils absorbent beaucoup de chaleur. Leur température de surface s’élève très lentement, et la chaleur se déplace moyennement vite en eux. En conséquence, ils ne peuvent pas empêcher la chaleur de les traverser, mais ils ralentissent son déplacement. Ils apparaissent toujours « froids » ou toucher (sauf lorsqu’ils sont chargés d’énergie et dépassent la température de notre peau). Ils sont capables de stocker une grande quantité d’énergie. Ils sont en général très lourds.

Les métaux sont un cas particulier. Ils absorbent beaucoup de chaleur, leur température de surface s’élève rapidement, mais la chaleur se déplace très vite en eux. En conséquence, ils n’empêchent pas la chaleur de passer, et accélèrent son déplacement. Ils apparaissent toujours « très froids » au toucher. Ils sont capables de stocker beaucoup d’énergie en eux-mêmes. Leur poids est très variable.

Ces différences ont toutes sortes d’applications pratiques dans la vie courante.

• Par exemple, il est facile de comprendre qu’on ne pourra jamais se brûler avec un matériau isolant : il ne peut pas stocker d’énergie, et se sature très rapidement par l’énergie de contact que vous-même lui fournissez. Ainsi, si vous mettez un morceau de liège au congélateur, en le ressortant à la main vous ne sentirez aucune sensation de froid, et il se passe la même chose si vous le mettez au four.
• Avec un métal, la situation est très différente : il peut stocker beaucoup d’énergie, et la diffuse très rapidement. Donc, si vous le mettez au congélateur, en le sortant à la main, votre main restera collée dessus car le métal va absorber votre chaleur corporelle plus vite que votre corps ne la produit ! A l’inverse, s’il est mis au four, vous vous brûlerez instantanément. Dans les deux cas, le métal reprendra la température de la pièce rapidement et ne posera plus ces problèmes.
• Les accumulateurs sont eux-aussi spécifiques, car ils peuvent absorber beaucoup d’énergie sans pouvoir ni la gagner ni la perdre très rapidement. Ainsi, le morceau de pierre dans un congélateur ressortira froid, mais ne vous gèlera pas la main. Le morceau au four risque de vous brûler, mais tout dépend du temps qu’il y a passé, et il est fort probable que vous ayez le temps de le lâcher avant de vous brûler. Dans les deux cas, la pierre ne retrouvera la température de la pièce qu’après un très long moment. Le risque de brûlure ou l’absorption de chaleur persistera pendant des heures. C’est cette combinaison de propriétés que nous appelons l’inertie (dans le cas des applications thermiques).

Ces matériaux réagiront de la même manière avec le soleil et l’intérieur de la pièce qu’avec le four ou le congélateur et votre main.

 

Voici maintenant quelques descriptions de ce que pourraient donner différentes maisons construites avec seulement un type ou un autre de matériau (simulation dans le cadre d’une maison construite en région centre uniquement).

Passons vite sur le cas du métal car il n’est pas possible de construire une maison uniquement de métal : elle serait perpétuellement en état de danger pour ses occupants. Le jour car le métal serait brûlant au moindre rayon de soleil, la nuit parce que la maison absorberait la chaleur de ses occupants jusqu’à la dernière goutte. Ces matériaux sont donc totalement inappropriés, une maison de métal est inhabitable en toute saison. Ceci peut se vérifier par une expérience simple : vous constaterez facilement qu’il est plus confortable de dormir dehors en plein hiver s’il n’y a ni vent ni pluie que dans une voiture. Le seul intérêt de l’abris en métal est de protéger de la pluie…

Construire une maison avec seulement de l’isolant générera une ambiance intérieure condamnée à « l’instant présent ». Lorsque le soleil brillera, la pièce sera trop chaude mais dès qu’un nuage le voilera, elle deviendra trop froide. La nuit la pièce sera dépendante des apports internes instantanés, oscillants sans arrêt entre le trop chaud ou le trop froid dès que les conditions changent : 1 personne dans la pièce, trop froid, 2 personnes, correct mais une des deux personnes fait un effort physique… trop chaud. Etc. En été, cette maison ne peut que surchauffer : l’environnement extérieur la nuit est à la bonne température, donc la nuit tout va bien, mais dès que le jour se lève, la température extérieure devient trop élevée, la maison surchauffera donc dès que cette chaleur pourra entrer (porte ouverte par ex), et la surchauffe ne pourra que continuer jusqu’à la nuit (ou jusqu’à ce qu’un apport de froid soit produit). Une maison d’isolant présente donc un confort très mauvais, avec un comportement moyen en hiver, et catastrophique en été. Typiquement, les maisons de ce type se retrouvent traditionnellement dans les climats très froids et sont utilisées surtout en abris nocturne (elles ont donc peu de fenêtres ce qui limite leur problème de surchauffe). Notez toutefois qu’une maison isolée par l’intérieur présente en pratique un comportement similaire à une maison entièrement constituée d’isolant (c’est tout particulièrement vrai dans ses combles s’ils sont aménagés).

Construire avec seulement de l’accumulateur génère une ambiance moins frénétique. Les changements de températures sont lents et doux. Il se produit un perpétuel déphasage entre les conditions extérieures et intérieures : lorsque le soleil brille, l’intérieur reste frais, il ne deviendra chaud qu’à la nuit tombée, et le restera pendant une bonne partie de la nuit. La température intérieure ne varie pas lorsque le nuage est voilé par rapport au soleil en direct. En hiver, la maison restera tempérée pendant le début de l’hiver, et deviendra ensuite de plus en plus froide, consommant pour maintenir une température interne convenable une quantité effarante d’énergie. Au retour du printemps, l’atmosphère interne restera froide longtemps après que les beaux jours soient revenus. En été, la maison restera fraîche tout le temps, sauf s’il se produit une canicule de plusieurs semaines, dans ce cas, c’est la catastrophe : l’intérieur de la maison devient anormalement chaud, et reste ainsi, de jour comme de nuit, pendant la même durée que la canicule mais après la fin de celle-ci… Une maison d’accumulateur présente donc un confort mauvais, avec un bon comportement en milieu et fin d’été et automne, et un comportement mauvais en fin d’hiver et printemps. Ce comportement se retrouve dans la maisons paysannes traditionnelles construites dans la région que nous étudions : cela corrobore le fait que ces constructions sont celles qui présentent le meilleur compromis confort été/confort hiver.

 

La Résistance mécanique

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Ce n’est pas l’objet de cette étude, je ne rentre donc pas dans le détail de cette propriété. En général, les matériaux se classent tous sur une échelle qui va de « très dur et très cassant » à « très mou et très élastique », exception faite de quelques matériaux possédant à la fois la résistance, et une certaine élasticité (bois, acier). Une construction a besoin des deux types de matériaux : ceux qui sont dur pour les éléments structurels, et ceux qui sont mous pour faire les joins entre ces éléments.

Les éléments plutôt mous ont également tendance à ne pas être très durables, ou à perdre leur élasticité dans le temps, ce sont donc des parties de la maisons qui devront être changées et remplacées de temps à autre. C’est pourquoi on préférera user pour la structure de matériaux qui durent le plus longtemps possible.

La Perméabilité

La perméabilité à la vapeur d’eau dépend de la structure interne du matériau. Il n’y a pas vraiment de grande famille dans ce domaine. Certains matériaux sont très hydrophiles, et absorbent l’eau mais ne laissent pas passer la vapeur d’eau, d’autres sont imperméables à l’eau liquide mais pas à la vapeur d’eau. Certains encore sont imperméables à tout échange de fluide qu’il soit gazeux ou liquide. Il est important de connaître le comportement des matériaux à ce sujet pour ne pas les utiliser à un endroit inapproprié, c’est à dire, un endroit où ils ne répondraient pas au cahier des charge de notre ouvrage (étanchéité air et eau, mais perméabilité à la vapeur d’eau). Nous avons fait le choix ici de ne garder que ce terme de perméabilité pour toutes ces propriétés, mais la perméabilité à l’eau liquide s’appelle hygroscopie.

 

Comparer les matériaux

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Voici maintenant une liste des matériaux couramment utilisés pour l’habitat et de leurs propriétés si elles sont spécifiques.

Le métal :

• Thermique > métal
• Résistance mécanique > le métal est en général très résistant et va de cassant à élastique. Cela peut le rendre séduisant pour des rôles structurel.
• Perméabilité > généralement étanche à tous transferts, mais peut être sujet à des corrosions chimiques diverses conduisant à sa destruction.

Comme nous l’avons vu, le métal ne présente strictement aucun intérêt en matière de confort dans l’habitat, c’est pourquoi son rôle ne peut être que conditionné à, éventuellement, un rôle structurel tout en gardant à l’esprit qu’il faut en mettre le moins possible. Si on peut se passer complètement de sa présence, c’est encore mieux. Si on ne peut pas, à utiliser avec mille précautions.

Le bois :

• Thermique > le bois est un matériau composite qui n’est ni un isolant, ni un accumulateur. Les bois les plus légers sont presque des isolants, les bois les plus lourds sont presque des accumulateurs. Toutefois, ils ne peuvent être utilisés pour ces rôles qu’avec circonspection puisque les propriétés du matériau changent en fonction du sens dans lequel il est posé.
• Résistance mécanique > généralement très résistant et élastique perpendiculairement à la fibre, faible et cassant dans l’autre sens.
• Perméabilité > variable suivant les essences, le fil du bois et sa section, la perméabilité reste souvent idéale. Étanche à l’air et à l’eau, mais perméable à la vapeur.

Le bois est un matériau tout indiqué pour la construction, mais il ne convient pas si l’on n’utilise que lui. Il faut le marier avec de vrais isolants et de vrais accumulateurs (cette conclusion n’est valable que pour la région centre). C’est un matériau qui se marie presque à la perfection avec le fonctionnement de notre organisme, juste après l’argile.

La pierre :

• Thermique > généralement accumulateur. Quelques pierres volcaniques sont isolantes.
• Résistance mécanique > résistant et cassant. Présente parfois des résistances différentes selon le sens du matériaux.
• Perméabilité > toujours étanche à l’air, pas forcément étanche à l’eau, de faiblement perméable à la vapeur à imperméable à la vapeur d’eau.

La pierre est un bon choix d’accumulateur. Généralement on peut également lui confier une fonction porteuse, par contre, il est toujours nécessaire de lier les différents blocs de pierres ce qui mélange les propriétés de la pierre elle-même avec celle du matériau qui lie les blocs. Cela peut grandement modifier le résultat final, notamment au niveau de la perméabilité.

La terre crue (l’argile) :

• Thermique > accumulateur. Il est possible de le rendre isolant en le mélangeant avec des fibres végétales.
• Résistance mécanique > faible et plastique ou dur et cassant en fonction du taux d’humidité.
• Perméabilité > Étanche à l’eau et à l’air, perméable à la vapeur d’eau.

L’argile est l’accumulateur idéal. Sa mise en œuvre permet de l’utiliser en fonction porteuse ou en combinaison avec du bois. C’est le matériau le plus adapté à notre organisme. Il est possible de construire une habitation idéale pour l’être humain juste avec de la terre crue, c’est le seul matériau qui le permette.

La terre cuite :

• Thermique > accumulateur. Il est possible de le rendre isolant en le mélangeant avec de l’air pendant ou après la cuisson (alvéoles).
• Résistance mécanique > résistant et cassant.
• Perméabilité > étanche à l’air et à l’eau (sauf défaut de cuisson), peu perméable à la vapeur d’eau. La perméabilité de la terre cuite (à tout) augmente au fil du temps jusqu’à ce que le matériau devienne complètement poreux.

La terre cuite pleine est un bon accumulateur, mais peut également être un isolant correct en grande épaisseur (et avec beaucoup d’air). Ce matériau est très semblable à la pierre, mais est plus facile à utiliser du fait qu’on peut lui donner avant de le cuire la forme désirée.

Le platre (sulfate de calcium) :

• Thermique > accumulateur. Il est possible de le rendre isolant en le mélangeant avec des fibres (chanvre ou cellulose par ex)
• Résistance mécanique > Faible et cassant mais peut être armé avec des fibres (cellulose, verre)
• Perméabilité > étanche à l’air mais pas à l’eau qu’il absorbe facilement et qui finit par altérer ses propriétés.

Le plâtre n’a pas a priori des qualités extraordinaires, cependant sa grande facilité de mise en œuvre (non agressif pour la peau, prise très rapide) ainsi que sa facilité de fabrication (cuisson à 150°C) en font un des produits les plus utilisé en construction depuis toujours.

Le béton de chaux (carbonate de calcium + sable) :

• Thermique > accumulateur. Il est possible de le rendre isolant en provoquant une réaction avec de l’aluminium (provoquant une expansion du matériau pendant sa prise : béton cellulaire), ou en le mélangeant avec des fibres (chanvre par ex)
• Résistance mécanique > résistant et cassant.
• Perméabilité > étanche à l’air et à l’eau, perméable à la vapeur d’eau à peu perméable à la vapeur d’eau (selon le degré d’hydraulicité de la chaux).

Le béton de chaux, ou le mortier de chaux, est l’allié habituel de la pierre et de la brique. Il possède des propriétés semblables et la capacité d’être mis en oeuvre dans un état plastique avant de sécher pour redevenir pierre.

Le béton de ciment (ainsi que parpaing):

• Thermique > accumulateur. Il est possible de le rendre un peu isolant en le mélangeant avec des matériaux isolants pendant la mise en oeuvre.
• Résistance mécanique > très résistant et très cassant. Il est possible de le mélanger avec de l’acier pour donner à l’ensemble les capacités cumulée des deux matériaux.
• Perméabilité > étanche à l’air, peu perméable à l’eau, très peu à la vapeur d’eau. Le ciment peut contenir beaucoup d’eau mais ne la libère que très lentement Il est donc en général toujours plus humide que le milieu dans lequel il se trouve, ce qui le rend peu compatible avec tous les matériaux biodégradables (bois, fibres) dont il doit impérativement être déconnecté.

Le béton de ciment est un produit à utiliser en connaissance de cause. Son comportement étrange avec l’humidité le rend quasiment incompatible avec la plupart des autres matériaux, qui se gâtent en présence d’humidité constante. Le ciment lui-même n’a qu’une durabilité limitée, car tout comme la terre cuite, il finit par se désagréger de lui-même, selon un processus encore peu connu (très lent, de l’ordre du siècle). Ce produit est un bon accumulateur thermique mais est plus compatible avec le fonctionnement biologique des champignons que des humains. A n’utiliser qu’avec modération ou pas du tout.

Les fibres végétales ou animales :

• Thermique > isolant.
• Résistance mécanique > faible à résistant et élastique.
• Perméabilité > perméable à la vapeur d’eau. Généralement perméable à l’eau, sauf si les fibres sont très serrées et/ou enduite d’une matière hydrofuge. Généralement perméable à l’air, sauf si les fibres sont très serrées.

Il existe de très nombreuses fibres dont on peu tirer des produits isolants de toutes natures. S’ils sont naturels, ces produits sont biodégradables et peuvent être détruits par des créatures qui les consomment, ou détruits par des champignons si le taux d’humidité est élevé et constant. Ces fibres ont toutes la capacité de ne pas perdre leur pouvoir isolant même si le taux d’humidité est élevé.

Les fibres synthétiques :

• Thermique > isolant
• Résistance mécanique > faible à résistant et élastique.
• Perméabilité > Généralement perméable à l’air et à l’eau, sauf tissage spécifique. Perméable ou imperméable à la vapeur d’eau, dépend du processus de fabrication.

Les isolants à base de fibres synthétiques, pour ceux qui ne sont pas d’office complètement étanches à la vapeur d’eau, présentent l’inconvénient de perdre leur pouvoir isolant en présence d’eau (ils prennent alors les propriétés accumulatrices/conductrices de l’eau). La mise en œuvre les rend alors imperméable à la vapeur d’eau en les protégeant avec un pare-vapeur étanche, ce qui les rend de fait impropres à l’utilisation en tant qu’isolant dans une habitation.

 

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