Kamilia Abahri

The thermo-hygro-morphological behavior of Expanded Polystyrene (EPS) mortar remains insufficiently characterized, especially under high-temperature conditions. This study investigates its microstructural, thermal, and chemical evolution over a wide temperature range (-20 °C to 1000 °C) using advanced imaging and analytical techniques. In-situ X-ray microtomography combined with Digital Volume Correlation (DVC) enabled three-dimensional quantification of internal displacements and strain fields. Complementary analyses using Environmental Scanning Electron Microscopy (ESEM), optical microscopy, Thermogravimetric Analysis (TGA), and X-ray Diffraction (XRD) provided multi-scale insight into phase interactions and chemical transformations.The EPS mortar exhibited a total porosity of 65%, comprising 21% micro-porosity and 44% EPS bead fraction, with a Representative Elementary Volume of 2.2 × 2.2 × 2.2 mm³. EPS inclusions preserved their integrity below 60 °C but began shrinking and degrading above 160 °C, leading to matrix cracking and complete loss by 300 °C. TGA and XRD confirmed portlandite dehydroxylation between 250 °C and 470 °C and calcite decarbonation above 900 °C.These results provide a comprehensive understanding of EPS mortar’s thermo-hygro behavior and microstructural degradation mechanisms, offering valuable data for future modeling and durability assessments of lightweight cementitious composites.

Ces travaux de thèse visent à étudier les transferts couplés de chaleur, de masse et d’air au sein des matériaux poreux. Sur le volet de la modélisation, il s’agit de prédire le comportement hygrothermique de ces matériaux, à l’aide d’un modèle macroscopique, qui intègre à la fois l’effet du phénomène de thermodiffusion et celui de la pression totale de l’air s’exerçant sur les parois du bâtiment. Ce modèle, dont les paramètres d’entrée sont évalués expérimentalement, utilise des moteurs de transfert continus, d’où la possibilité de traiter des problèmes de transferts dans les matériaux multicouches. Il présente aussi l’avantage d’admettre, dans certaines configurations, des solutions analytiques d’où la possibilité d’entreprendre des comparaisons avec des solutions numériques. De plus, une justification formelle des équations de bilan de ce modèle a été abordée, moyennant l’utilisation d’une approche à changement d’échelle « micro-macro ». Il s’agit d’affiner la modélisation des transferts hydriques du comportement macroscopique, en utilisant des informations issues de la microstructure. Le passage de l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique a été réalisé à l’aide de la méthode d’homogénéisation par prise de moyenne. Une des difficultés de l’utilisation de ce modèle réside dans l’identification des nombreux paramètres caractérisant les propriétés hygrothermiques des matériaux. Une partie du travail a été consacrée à l’évaluation des principales propriétés intrinsèques des matériaux moyennant l’élaboration de différents prototypes expérimentaux au laboratoire. Par ailleurs, une approche expérimentale dédiée à l’évaluation du processus de la thermodiffusion dans les matériaux poreux a été entreprise. Pour cela, une expérimentation relative à la détermination de l’effet du gradient de température et de la dynamique du processus d’échange d’eau à l’intérieur des parois a été mise en place au laboratoire. L’utilisation de la plateforme expérimentale MegaCup du Technical University of Denmark a permis de collecter des données relatives à la sensibilité de l’effet de la thermodiffusion sur les transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité. Une comparaison des résultats expérimentaux et numériques a ensuite été effectuée. Peu d’écarts ont été relevés. Aussi, une investigation expérimentale portant sur la contribution des infiltrations massiques sur les transferts hydriques dans les matériaux de construction a été réalisée. Moyennant le développement d’un banc d’essai, une caractérisation expérimentale du coefficient d’infiltration d’humidité a été entreprise. Ce dernier est utilisé comme paramètre d’entrée des modèles de simulation numérique.

When exposed to different building environmental conditions, bio-composite materials, such as hemp mortars, represent a risk of mold proliferation. This later plays a critical role in the biodeterioration of the materials when their physical properties are locally modified by the natural aging process. The primary objectives of the present work are first to assess the evolution of the surface of contaminated mortar; second, to investigate an accurate DNA extraction method that could be used for both bio-composite mortars and their fiber sources collected in situ; then, to understand the process of the proliferation of mold strains on both hemp shives and hemp mortar; and finally, to compare mold strains present in these phases to show their relationship to mold contamination and their impact on human health. In situ hemp mortar contamination behavior was investigated in the region of Pau (France) two months after hemp mortar application in extreme conditions (high humidity, low temperature, no aeration), which did not match the standard conditions under which hemp mortar must be used. The SEM observations and FTIR and pH analyses highlighted the decrease in pH level and the presence of organic matter on the mortar surface. DNA sequencing results showed that hemp shives were the main source of fungal contamination of hemp mortar. A mold population analysis showed that the most dominant phylum was Ophistokonta, which represented 83.6% in hemp shives and 99.97% in hemp mortar. The Acrostalagmus genus representatives were the most abundant, with 42% in hemp shives and 96% in hemp mortar. The interconnection between the mold strain characteristics (particularly the ability to grow in extreme environments) and the presence of hemp mortar was emphasized.

This study reports the combined effects of fly ashes, hemp fibers, and shives on the strength performance of modified mortars. Fly ashes are first processed using high-intensity mechanical milling. Natural fibers are observed using X-ray microtomography to reveal the microstructural arrangement. Preliminary formulations are attempted with different proportions of hemp fibers and shives up to 4%. X-ray diffraction, infrared, and thermal gravimetric analysis (TGA) methods are used to reveal the main structural changes in modified cement pastes. Workability and strength characteristics of various formulations are evaluated for ranking. The best performing modified mortars are selected based on their strength performance to formulate the mix proportions of milled fly ash and cement mortar. The experimental results demonstrate the beneficial effect of adding hemp fibers with shiv to achieve acceptable workability. In addition, it was found that the optimal hemp content in modified mortar was 3%. This amount minimizes the negative effect of natural additions on mechanical strength. Finally, fly ashes are found to be an efficient leverage to formulate modified mortars exhibiting a strength performance superior to that of the reference mortar.