Heat and moisture transfers in biobased construction materials: impact of ambient conditions

Bio-based construction materials are systems containing or formed of vegetal particles, such as wood, hemp, cellulose, flax, cotton, etc., possibly linked with a mineral paste or an organic binder. They represent a promising solution for carbon emission reduction, due to their low production cost and their partial or full recyclability. Moreover, they bring more comfort to the occupants thanks to their moisture-buffering capacity, and they require less energy for heating or cooling. These qualities are obtained through exchanges between water vapor and “bound water”, i.e., water absorbed in the solid structure, combined with heat transfers. Consequently, understanding and predicting water and heat (hygrothermal) transfers in such materials is essential to selecting them appropriately, adjusting their conditions of use, and designing innovative materials. However, the current analysis of their performance is generally based on limited evaluations at a global scale or via macroscopic models lacking physical information. Our group has recently developed original approaches and tools that allow to clarify and quantify the internal heat and mass transfers thanks to a proper description of boundary conditions, along with new NMR and MRI techniques [1-5] providing spatially and temporally resolved distributions of the water in its different phases.

The objective of this PhD work is to further explore the impact of the boundary conditions on the heat and mass transfers of biobased construction walls. Note that this research is also applicable to naturals textiles, for which the same problematic exists. The research work will focus on the relative impact of velocity and temperature on the drying of an initially saturated biobased material, with the objective to develop a physical knowledge and a detailed quantification of the processes. This will be carried out with the help of NMR and MRI measurements giving insights in the time evolution of the spatial distribution of moisture throughout the material, measurements with a special device providing the distribution of temperature inside the sample over time, numerical simulations of the air flux, and full modelling of the heat and mass transfer based on our recent developments in the group. The ultimate objectives are to develop a relevant predictive model of heat and humidity transfers in fibers + mineral paste systems, to optimize the control of air flux and temperature in biobased buildings for a reduction of energy consumption.

The work will be carried in Laboratoire Navier, within the framework of the ERC Advanced Grant PHYSBIOMAT (2023-2028). The candidate will thus benefit of a very favorable work environment within a group of research including various students or researchers experts in the different experimental or theoretical aspects of the project, along with all equipments for material characterization and physical observations.

Le Laboratoire Navier (UMR 8205) est une unité mixte de recherche de l’Ecole nationale des ponts et chaussées (ENPC), de l’Université Gustave Eiffel et du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS). Il réunit actuellement près de 190 personnes (dont 55 chercheurs, 23 personnels techniques et administratifs et environ 90 doctorants et 15 post-doctorants).

Le Laboratoire Navier mène des recherches de base sur la mécanique et la physique des matériaux, des structures et des géomatériaux, et sur leurs applications à la géotechnique, à la construction, au génie civil et aux transports. Les enjeux sociétaux couverts concernent la construction durable, les risques naturels, l’environnement et l’énergie. Dans le développement des lois mécaniques et physiques relatives à ces thèmes, les études entreprises sont à la fois expérimentales et théoriques. Elles s’appuient sur des équipements variés dont certains grands équipements sont uniques en leur genre.

Associant étroitement la production de connaissances et la formation en mécanique appliquée à divers domaines, le Laboratoire Navier est impliqué dans de nombreuses collaborations nationales et internationales avec des établissements publics et privés. Il est membre de la Fédération Francilienne de Mécanique (fédération de recherche CNRS FR2609).

Le Laboratoire Navier est structuré en quatre équipes de recherche :

• Géotechnique (CERMES), responsable Siavash Ghabezloo.
• Matériaux et Structures Architecturés (MSA), responsable Cyril Douthe.
• Modélisation et expérimentation multi-échelle pour les solides hétérogènes (Multi-échelle), responsable Michel Bornert.
• Rhéophysique et Physique des milieux poreux (RMP), responsable Florence Rouyer.

L’évaluation en 2024 par le HCERES du Laboratoire a été excellente et a souligné que le laboratoire Navier est « une unité de recherche qui a un positionnement unique au sein du paysage national, voire européen, avec une forte reconnaissance internationale sur un périmètre d’activités couvrant largement le champ du génie civil, de la mécanique et physique des matériaux poreux (matériaux cimentaires, géomatériaux, matériaux bio-sourcés, etc.). ». Il est ajouté dans le rapport d’évaluation que « l’excellence de l’unité se traduit aussi bien par une production scientifique soutenue dans les meilleures revues du domaine que pour sa forte implication et ses succès dans des projets collaboratifs et de nombreux partenariats (ANR, contrats industriels) ou appels à projets (par exemple ERC) ».

Le candidat recherché devra avoir une bonne motivation pour la recherche et disposera d'une solide formation en physique, mécanique des fluides ou science des matériaux.