Effect of thermal treatment of a clay-based raw material on porosity and thermal conductivity: experimental approach, image processing and numerical simulation

Abstract

This work aims to reveal the influence of thermal treatment on thermal conductivity of a clay-based raw material. The analysis of the effect of the porous network and solid skeleton on thermal conductivity has been performed by numerical simulation. Three steps were combined: (i) elaboration, (ii) characterisation, (iii) validation and comparison with experimental results. In filigree, the objective is to make an insulating material for the building field while decreasing energy of fabrication. After the step of elaboration, the porosity was evaluated experimentally by pycnometer and mercury intrusion porosimeter and numerically by means of micrographs observations. The effective thermal conductivity was evaluated using the laser flash technique and compared to results obtained by numerical simulation using ABAQUS software. The influence of the microstructure characteristics was highlighted by the numerical study which enables to overcome the limitation of the classical analytical models. As results, we observe that when the temperature of fabrication decreases of about 200 °C, the pore volume fraction is multiplied by six while the thermal conductivity decreases four times. The mechanical properties remain acceptable for a construction field. These tendencies were confirmed by both experimental and numerical approaches.

Ce travail s’intéresse à l’étude de l’effet du traitement thermique sur la conductivité thermique de matériaux à base de kaolin. L’étude de l’effet du réseau de pores et du squelette solide sur la conductivité thermique a été réalisée par simulation numérique. Un travail alliant trois étapes a été réalisé: (i) élaboration, (ii) caractérisation, (iii) validation et comparaison avec les résultats expérimentaux. En filigrane, se dresse l’objectif de réaliser un matériau isolant pour le domaine de la construction tout en diminuant l’énergie consommée lors de son élaboration. Après une étape de fabrication d’échantillons, la porosité a été évaluée expérimentalement par pycnométrie et porosité mercure et numériquement par une approche par observation de micrographies. La conductivité thermique a été mesurée en utilisant la technique flash laser et comparée aux résultats obtenus par calcul numérique en utilisant le logiciel ABAQUS. L’influence des caractéristiques de la microstructure a été mise en évidence par cette approche numérique ce qui permet de dépasser les limites des modèles analytiques classiques. Comme résultats expérimentaux, validés et expliqués numériquement, on constate que lorsque la température de fabrication diminue d'environ 200 °C, la fraction volumique de pores est multipliée par six. La conductivité thermique est quant à elle divisée par quatre. La tenue mécanique reste acceptable.

Keywords:

• kaolin
• porosity
• thermal conductivity
• image processing
• finite element method

Mots clés:

• kaolin
• porosité
• conductivité thermique
• traitement d’images
• méthodes des éléments finis