Propriétés thermiques

Un article de TerraWiCotta.

Sommaire 1 Expansion thermique 2 Chaleur spécifique, de base et utile 3 Conductivité thermique du tesson 3.1 Influence de la porosité 3.2 Influence de la composition chimique et de la structure 3.3 Conductivité thermique équivalente 3.4 Humidité et conductivité utile 3.5 Mesure de la conductivité thermique 4 Diffusivité thermique

Expansion thermique

L’expansion thermique est une propriété importante pour la fabrication et à la mise en œuvre. Un faible coefficient de dilatation limite la création de contrainte thermique au refroidissement des produits. En œuvre, c’est un paramètre important dans la tenue au choc thermique des boisseaux et dans les dilatations de maçonneries et de carreaux exposés au soleil. L’expansion thermique est provoquée globalement par l’agitation thermique des atomes qui se gênent et se repoussent les uns les autres dans le réseau cristallin. Elle est liée à l’énergie des liaisons qui vibrent. L’expansion thermique des terres cuites est ainsi liée à la composition et structure minéralogique (verre, zone amorphe, zone cristallisée, structure cristallographique). Elle est aussi liée à la texture et à la porosité. La texture peut la rendre anisotrope. L’expansion dépend de la composition, elle diminue avec la concentration en SiO2 et augmente avec l’alumine et surtout avec les alcalins et alcalinoterreux.

Tableau 46 Expansion thermique linéaire de céramiques

En principe l’expansion thermique décroît quand la porosité croît. De même, la granulométrie a une influence, les gros grains dans des petits grains présentant une plus faible expansion que des grains uniformes. L’expansion augmente de façon assez linéaire avec la température jusqu’à 400 °C. Au-dessus, l’expansion devient plus importante avec un point singulier localisé au point quartz. Sur le tableau 46, on donne quelques valeurs comparatives de coefficients d’expansion thermique linéaire de céramiques près de la température ambiante. Pour un matériau isotrope, l’expansion volumique est le triple de l’expansion linéaire.

Chaleur spécifique, de base et utile

La chaleur spécifique cp de la terre cuite sèche est de l’ordre de 800 à 1 100 J/kg/K selon sa composition chimique et sa structure cristallographique. Les normes européennes ont retenu la valeur intermédiaire de 1 000 J/(kg.K). Les valeurs n’augmentent que lentement avec la température : vers 500 °C, les valeurs sont de l’ordre de 1050 J/(kg.K). Pour faire des calculs thermiques pour le bâtiment, il convient de prendre la valeur « utile », c'est-à-dire la valeur de la propriété du produit en équilibre avec les conditions extérieures, caractéristiques du bâtiment. Il faut donc s’intéresser à la terre cuite avec son humidité hygroscopique. Comme la terre cuite est peu hygroscopique, une faible quantité d’eau est absorbée (voir la section consacrée aux propriétés hydriques). La chaleur spécifique est additive. Pour avoir la chaleur spécifique utile, on ajoute donc à la chaleur spécifique de la terre cuite sèche celle de l’eau absorbée (considérée comme de l’eau liquide). Comme la quantité est faible (1 % typique), l’augmentation de cp pour 1 % d’eau est limitée : 0,01 x 4 180 J/kg/°C = 42 J/kg/°C soit +4 % par rapport à la valeur sèche.

Conductivité thermique du tesson

La conductivité thermique caractérise la facilité de transfert de la chaleur dans la matière. Grâce aux améliorations apportées ces dernières années sur le dessin des briques et sur la conductivité thermique, il est maintenant possible de réaliser des briques qui assurent tout à la fois les fonctions de structure, de remplissage et aussi l’isolation thermique d’un mur, de façon conforme à la réglementation. La conductivité thermique intervient dans la loi de Fourier qui décrit le flux de chaleur dans un matériau d’épaisseur x, entre deux surfaces parallèles de section S, portées à deux températures différentes T1 et T2. Équation 10  =S dT/dx, avec : –  flux thermique (W) ; – S section (m2) ; – dT/dx gradient thermique (K/m) ; –  conductivité thermique (W/mK). De façon globale,  est fonction de la structure du matériau, de la densité ou porosité, et de la température. La conductivité est très sensible à tous les défauts (porosité, inclusions, interfaces cristallines) qui permettront de diffuser le flux thermique. Quand le tesson est anisotrope, ce qui est le cas habituel, la conductivité est anisotrope.

Influence de la porosité

La porosité est le facteur primordial qui influe sur la conductivité thermique. Pour un tesson donné, il existe une relation linéaire entre la conductivité thermique et la porosité. Malheureusement la porosité influe aussi, et de façon plus importante, sur la résistance mécanique. Il n’est donc pas possible d’augmenter outre mesure la porosité. Sous l'aspect thermique, il y a deux phases dans le tesson poreux : – la phase solide où il y a conduction thermique ; – la phase pore où il y a de l’air avec du transfert par rayonnement et par conduction. La conduction dans l’air est faible car sa conductivité est faible. Il n’y a pas de convection dans les porosités de taille moyenne ou petite (< 1 cm). En associant ces deux phases dans des modèles séries ou parallèles ou série/parallèle, on peut décrire les variations de  en fonction de la porosité. La conductivité thermique augmente peu avec la température, tout au moins jusqu’à 600 °C. En effet la conductivité du matériau céramique sans porosité diminue avec l’augmentation de la température alors que le transfert par rayonnement augmente avec la température. La conductivité est habituellement donnée à 10 °C. A 20 °C, la conductivité de la brique augmenterait de 1%. Au-dessus de 600 °C, la conductivité augmente de façon importante à cause de la radiation.

Influence de la composition chimique et de la structure

L’influence de la nature du matériau se voit sur le tableau 47 où l'on trouve des conductivités de produits de terre cuite, valeurs qui proviennent de publications ou de normes. On en a profité aussi pour indiquer les conductivités de quelques matériaux proches, à titre de comparaison. On voit une grande variation de conductivité selon la structure cristallographique de la silice. On voit aussi l’effet de l’alumine, qui augmente les conductivités. En pratique, on peut observer des différences de 30 % sur la conductivité de la terre cuite de même densité et porosité selon la composition et la structure. Des études ont montré que la présence d’éléments micacés dans la terre cuite (> 25 %) diminuait la conductivité (nombreuses interfaces ?) alors que la présence de calcaire/dolomie (> 5 %), avec la plus grande cristallisation produite, augmentait cette conductivité. Une forte concentration en alumine élèverait aussi la conductivité alors que la phase vitreuse la diminuerait.

Tableau 47 Conductivités thermiques de quelques matériaux

Conductivité thermique équivalente

Dans une brique, il existe la porosité interne du tesson et aussi la porosité grossière des alvéoles. Ces alvéoles deviennent de plus en plus petites au fur et à mesure du développement technologique. Il n’est pas rare d’avoir des alvéoles de quelques mm d’épaisseur pour une brique de 300 mm. Il est souvent possible de définir de façon simplifiée une conductivité équivalente qui tient compte des deux porosités (micro et macro) et de considérer alors le matériau comme homogène. On calcule ou on mesure alors la résistance thermique de la brique et on calcule ensuite alors la conductivité équivalente.

Humidité et conductivité utile

Quand la terre cuite est exposée à une atmosphère humide, une petite quantité d’eau va s’absorber par hygroscopie. Cette eau absorbée augmente la conductivité thermique. La réglementation française considère qu’il faut augmenter la conductivité du tesson de 30 % par défaut pour obtenir la conductivité utile à employer dans les calculs thermiques du bâtiment. Avec des tessons certifiés, les mesures effectuées permettent souvent de limiter l’augmentation à 5 %. De son côté, la norme EN ISO 10456 obtient la valeur utile pour une humidité de l’air donnée, en multipliant la valeur de la conductivité sèche par un facteur Fm avec : Fm = exp(f) avec f = 10 et  humidité volumique (m3/m3). Ainsi pour une humidité volumique de 0,5 %, la conductivité est augmentée de 5 %.

Mesure de la conductivité thermique

Différentes techniques assez complexes et délicates sont utilisées pour mesurer la conductivité. Elles varient selon :

• l’état thermique : stationnaire ou non stationnaire ;
• la géométrie de l’échantillon mesuré ;
• la procédure de mesure des températures et des flux thermiques.

La technique la plus courante réalise la mesure en stationnaire en suivant la loi de Fourier : on mesure le flux thermique qui passe à travers un échantillon dont on contrôle les températures des deux parois parallèles externes. Pour un tesson de brique, la géométrie la plus simple est un disque plan. Il faut qu’il soit suffisamment épais pour que les résistances thermiques de contact soient négligeables.

Diffusivité thermique

Si la conductivité thermique est le paramètre qui décrit le transfert thermique stationnaire, le transfert en dynamique est fonction de la diffusivité  =  / (. c) (m2/s), fonction de la conductivité mais aussi de la densité  et de la chaleur spécifique c. L’établissement cinétique du régime stationnaire est lié à  alors que le régime stationnaire lui-même est lié à . Il est possible de mesurer directement  par une mesure dynamique en mesurant le temps de transfert d’un échelon ou d’un pic de température réalisé sur une face d'un échantillon vers l’autre face. On ne mesure plus une température avec les imperfections de cette mesure, mais une variation d’une propriété dans le temps dont il faut déterminer, par exemple, le maximum. On peut en déduire . Si on connaît la densité et la chaleur spécifique, on peut obtenir .

La diffusivité baisse lentement avec la température jusqu’à 600 °C.