Le polystyrène extrudé offre des valeurs R supérieures à celles du polystyrène expansé pour les applications souterraines.

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Article : Le polystyrène extrudé offre des valeurs R plus élevées

ABSTRAIT

Une nouvelle étude du Centre des transports de l'Université d'Alaska à Fairbanks (étude Connor [1]) a récemment présenté les valeurs R mesurées sur des isolants retirés d'installations souterraines dans des climats rigoureux, complétant ainsi les données de deux études similaires antérieures [2, 3]. Ces trois études rapportaient les valeurs R en service par pouce d'épaisseur d'isolants en polystyrène extrudé (XPS) et en polystyrène expansé (EPS) installés sous les routes et les pistes d'aéroport, avec une durée de service allant de 1 à 31 ans. Les données de ces trois études ont été combinées afin de déterminer plus précisément les performances en service du XPS et de l'EPS dans des applications souterraines exigeantes. Les nouvelles données confirment les résultats précédents indiquant une valeur R par pouce d'épaisseur plus élevée pour le XPS que pour l'EPS. En réalité, ces nouveaux résultats indiquent que les résultats précédents sous-estimaient la diminution de la résistance thermique de l'EPS au fil du temps. Pour obtenir la même valeur R en service, l'EPS doit être 1,5 à 2 fois plus épais que le XPS.

INTRODUCTION

La valeur R de l'isolation en polystyrène sous les routes et les aéroports en climat froid est essentielle pour protéger les infrastructures des dommages causés par le soulèvement dû au gel et au dégel du pergélisol. Par conséquent, les principaux facteurs influençant la performance de la valeur R en service, tels que le vieillissement et l'absorption d'humidité, doivent être pris en compte. Les architectes, ingénieurs, consultants et prescripteurs expérimentés du secteur de la construction, intéressés par la performance à long terme de l'isolation en polystyrène, apprécieront un nouveau rapport instructif présentant les résultats d'essais réalisés sur 15 échantillons d'isolation en polystyrène prélevés in situ dans trois zones souterraines différentes de régions à climat froid de l'Alaska [1].

Le rapport final du projet d’étude Connor [1] a révélé ce qui suit :

  1. Pour offrir la même valeur R en service, l'EPS doit être 1,5 à 2 fois plus épais que le XPS.
  2. Les nouvelles données confirment les résultats précédents indiquant une valeur R plus élevée par pouce pour le XPS que pour l'EPS. En réalité, ces nouveaux résultats montrent que les résultats précédents sous-estimaient la diminution de la résistance thermique de l'EPS au fil du temps.
  3. Les tests comparatifs en laboratoire à petite échelle utilisés pour classer les produits EPS et XPS (tels que ASTM C272 [4] ou ASTM D2842 [5], référencés dans les normes de matériaux ASTM C578 [6] et CAN/ULC S701.1 [7]) ne tiennent pas pleinement compte de la valeur R réelle à long terme réalisée sur le terrain.
  4. Les nouveaux produits EPS n'ont pas permis d'améliorer les performances en termes de valeur R évaluées après extraction sur le terrain et des années d'exposition sous terre.
  5. L'absorption d'humidité par l'EPS a un impact négatif beaucoup plus important sur la valeur R en service que l'absorption d'humidité et le vieillissement par l'XPS.

ARRIÈRE-PLAN

Avant l'étude Connor, l'échantillon de XPS le plus ancien des trois rapports avait 25 ans de service, et celui d'EPS le plus ancien, 15 ans. Le nombre total de données combinées pour le XPS et l'EPS était respectivement de 18 et 7. L'étude Connor a fourni des données supplémentaires sur l'isolation en EPS et XPS, notamment pour les durées de vie plus longues, permettant ainsi une évaluation comparative actualisée sur une période de service similaire.

Études antérieures

L'étude d'Esch [2] portait sur 23,7 kilomètres de routes et 2 972 mètres de piste d'aéroport construits par le Département des routes de l'Alaska pour lutter contre le soulèvement dû au gel et le dégel du pergélisol. Des matériaux isolants ont été installés sous le niveau du sol à la fin des années 1960 et extraits vers 1984 pour une évaluation ultérieure. Les échantillons de polystyrène expansé (EPS) avaient 3 et 15 ans ; ceux de polystyrène extrudé (XPS), 3, 5, 10, 15, 20 et 25 ans.

L’étude de Pouliot et Savard [3] a par la suite évalué un tronçon de route expérimental d’environ 385 mètres de long à Saints-Martyrs-Canadaiens, au Québec (au sud de la ville de Québec), afin de comparer la performance de tronçons de route non isolés et isolés à l’aide de XPS et d’EPS. La route a été construite en 1995 et les matériaux XPS et EPS ont été extraits après 1, 3, 5 et 7 ans de service.

Rapports d'épaisseur existants

L'expression typique d'une évaluation comparative d'isolants en polystyrène expansé (EPS) est le rapport d'épaisseur. L'épaisseur recommandée d'isolant EPS est obtenue en multipliant l'épaisseur requise de polystyrène expansé (XPS) par le rapport EPS/XPS. Par exemple, si le cahier des charges exige 10 cm (4 pouces) de XPS et que le rapport d'épaisseur recommandé est de 1,5, alors le cahier des charges devrait exiger une épaisseur d'EPS de 1,5 x 10 cm (4 pouces). Une épaisseur de 15 cm (6 pouces) d'EPS serait alors nécessaire en alternative aux 10 cm (4 pouces) de XPS prévus. Dans l'étude Esch de 1986, le rapport d'épaisseur recommandé était de 1,36. Dans l'étude Pouliot et Savard de 2003, il était de 1,20. En revanche, l'étude Connor suggère d'augmenter l'épaisseur d'EPS à 1,5 à 2 fois celle du XPS. Le rapport d'épaisseur EPS/XPS est généralement déduit de documents de conception existants, tels que la norme ASCE 32. Pour une isolation installée horizontalement, la norme ASCE 32 relative aux fondations superficielles hors gel [8] et le Code international du bâtiment résidentiel [9] recommandent un rapport d'épaisseur de 1,43 pour l'EPS de type IX (valeur R de 2,8) par rapport à l'XPS de type IV (valeur R de 4,0) dans le cadre d'une pose horizontale pour ce type de fondations. Ces deux types d'isolants présentent des densités similaires selon la norme ASTM C578. Ce rapport d'épaisseur calculé de 1,43 repose sur une analyse documentaire approfondie [10]. Le rapport d'épaisseur de 1,43 prescrit par la norme ASCE 32 tient compte de l'incertitude quant à l'efficacité des mesures de drainage des fondations et de la possibilité de conditions de sol plus défavorables. L'étude de Connor, en complément des deux études précédentes, apporte des précisions supplémentaires sur ces rapports d'épaisseur recommandés. La sévérité des conditions de sol varie d'un site à l'autre et s'aggrave avec le temps.

L'ÉTUDE CONNOR

L'étude Connor fournit de nouvelles données à long terme, recueillies en service, qui permettent de mieux comprendre le comportement à l'humidité des produits EPS et XPS, anciens et récents. Ces données montrent que les performances thermiques et hygrométriques des produits EPS récents (après environ cinq ans de service) sont comparables à celles des produits EPS plus anciens. Ces nouvelles données renforcent la validité, voire la sous-estimation, des rapports d'épaisseur actuels prescrits par la norme ASCE 32, ainsi que par les études Esch et Pouliot et Savard. Elles confirment par ailleurs les performances thermiques et hygrométriques supérieures du XPS pour les applications souterraines.

Les échantillons d'EPS utilisés dans l'étude de Connor ont été exposés à des conditions souterraines pendant cinq ans (route Dalton, Alaska) et 21 ans (route Cripple Creek, Alaska). Les matériaux d'isolation XPS ont été exposés à ces mêmes conditions pendant 31 ans (aéroport de Golivan, Alaska). Ces échantillons fournissent des données supplémentaires sur les performances de l'EPS et du XPS après respectivement 21 et 31 ans d'utilisation. Les échantillons d'EPS et de XPS prélevés en sous-sol ont fait l'objet d'une étude approfondie. Les chercheurs ont constaté une différence notable au niveau de la résistance thermique (valeur R) et de l'absorption d'eau.

La multiplicité des sites permet d'examiner les performances dans un large éventail de conditions, avec un échantillon suffisamment important pour révéler les tendances à long terme. Durant ces longues périodes d'utilisation, les échantillons d'isolants en polystyrène ont été exposés aux effets du vieillissement, de l'absorption et du séchage de l'humidité, ainsi qu'aux forces de compression. En combinant les données des trois études pour l'EPS et le XPS, on obtient respectivement des échantillons de 19 et 21 échantillons ; les durées d'utilisation les plus longues sont de 21 et 31 ans. Les conclusions relatives aux performances (valeur R) sont présentées ci-dessous et illustrées dans la figure 1.

Les résultats de l'étude Connor indiquent une chute rapide de la résistance thermique (valeur R par pouce) pour le polystyrène expansé (EPS) au cours des cinq premières années de service (valeurs R par pouce en service comprises entre 3,13 et 3,70). En comparaison, les valeurs R par pouce pour le polystyrène expansé (XPS) n'ont diminué que progressivement après cinq ans de service sur des échantillons XPS mesurés antérieurement (valeurs R par pouce comprises entre 4,51 et 5,15). De plus, l'étude Connor a montré que les valeurs R par pouce pour le XPS diminuaient graduellement, se stabilisant à une valeur moyenne d'environ 4,1 après 31 ans de service. En comparaison, les valeurs R par pouce pour l'EPS ont diminué rapidement, se stabilisant à une valeur moyenne d'environ 2,2 après 21 ans de service.

Figure 1 : Résistance thermique (valeur R par pouce en °F h ft²/Btu) en fonction des années de service Figure 1 : Résistance thermique (valeur R par pouce, exprimée en °F h·pi²/Btu) en fonction de la durée de service. Ce graphique reprend les données présentées par Connor sous forme de tableau. Il indique également la courbe moyenne d’ajustement optimale et la courbe moyenne d’ajustement optimale moins un écart-type pour les échantillons EPS et XPS, telles que données par Connor sous forme d’équation.

La figure 1 représente graphiquement les points de données relatifs à la valeur R en service par pouce, tels que rapportés dans l'étude Connor. Ces nouveaux points de données confirment les résultats antérieurs indiquant une valeur R par pouce plus élevée pour le XPS que pour l'EPS. En réalité, les nouveaux résultats indiquent que les résultats précédents sous-estimaient la diminution de la résistance thermique de l'EPS au fil du temps.

L'étude Connor développe le concept de valeur R moyenne en service par pouce moins un écart type (ligne continue dans la figure 1) comme une façon de calculer les épaisseurs d'isolation nécessaires pour tenir compte de l'exposition en service à des environnements souterrains sévères.

Plusieurs autres procédures et coefficients multiplicateurs sont proposés pour compenser la diminution de la valeur R par pouce d'épaisseur avec le temps d'utilisation. Quelle que soit la procédure retenue, l'étude de Connor conclut que l'épaisseur du PSE doit être de 1,5 à 2 fois supérieure à celle du XPS pour que les performances thermiques du PSE soient équivalentes à celles du XPS.

IMPLICATIONS POUR LES RECHERCHES ULTÉRIEURES

Les facteurs influençant la performance d'un isolant en situation réelle comprennent la valeur R, l'humidité, la température, le vieillissement, la composition du sol environnant, le drainage et la qualité de la pose. Tous les produits en polystyrène XPS et EPS sont classés par type selon des essais comparatifs en laboratoire à petite échelle, réalisés conformément aux normes ASTM C578 [6], CAN/ULC S701.1 [7] ou AASHTO M230 [11]. Il est toutefois erroné d'extrapoler ces résultats à petite échelle pour en déduire une représentation exacte (ou une valeur de conception) de la performance sur le terrain, compte tenu notamment des nombreuses variables mentionnées ci-dessus.

Par exemple, la résistance thermique à long terme (RTLT) [12], ou vieillissement, basée sur un essai de laboratoire à petite échelle et de courte durée, est parfois considérée comme la valeur R de conception et le critère de produit le plus important. Cette hypothèse est erronée. Une caractéristique unique, issue d'un essai à petite échelle comme le vieillissement, ne permet pas de prédire avec précision la résistance thermique de conception d'un isolant en service, en particulier lorsque ses performances réelles, vérifiées sur le terrain dans des environnements extrêmes, ont déjà été confirmées.

De plus, une étude de terrain menée dans une région du pays ne permet pas de prédire avec précision les mêmes performances dans toutes les régions, compte tenu des différences de climat et de nature des sols. Heureusement, ces trois études ont examiné plusieurs climats soumis à des cycles de gel/dégel importants, comme à Fairbanks (Alaska) et au Québec (Canada). Elles fournissent des données essentielles à long terme, contrairement aux méthodes d'essai à petite échelle utilisées pour classer le polystyrène, qui ne sont pas représentatives des performances à long terme. Il incombe au prescripteur de s'assurer que ces données de recherche sont applicables à sa région climatique.

Une autre conclusion importante de l'étude Connor met en évidence les limites de l'utilisation des tests d'absorption d'humidité à petite échelle comme indicateur de performance en service. Outre les mesures de la valeur R par pouce, l'absorption d'humidité a été mesurée sur tous les échantillons. L'étude Connor visait à corréler les données d'absorption d'eau en volume avec les valeurs R par pouce. Un produit en polystyrène expansé (EPS) prétendait avoir la même absorption d'humidité que le polystyrène expansé (XPS) sur la base de tests de laboratoire à petite échelle (conformément à la norme ASTM C578), or ses performances en service étaient sensiblement différentes.

En d'autres termes, les résultats améliorés des tests d'absorption d'humidité à petite échelle du PSE n'ont pas permis d'améliorer statistiquement la dégradation déjà rapide de la valeur R du PSE due à l'absorption d'humidité en service. Dans ces études, la différence relative d'absorption d'humidité contribue à expliquer la dégradation des valeurs R sous le niveau du sol en service. Le XPS a absorbé moins d'humidité que le PSE en moyenne dans toutes les études ; d'où la nécessité d'appliquer un rapport d'épaisseur aux produits en PSE.

RÉSUMÉ ET CONCLUSIONS

En résumé, grâce à des études scientifiques et des preuves empiriques, la résilience du XPS a été réaffirmée.

L'étude suggère que les essais à petite échelle utilisés pour classer les produits selon les normes de matériaux ASTM C578 ou CAN/ULC S701.1 ne tiennent pas compte des réductions de performance réelles sur le terrain. L'absorption d'humidité par le PSE a un impact négatif beaucoup plus important sur la valeur R en service que l'absorption d'humidité et le vieillissement du XPS. Dans ces applications souterraines exigeantes, la recherche indique qu'après absorption d'humidité, le séchage du PSE et du XPS en service est très limité.

La plus récente des trois études de ce type, l'étude Connor confirme la résistance thermique supérieure du XPS par rapport à l'EPS, l'attribuant à la plus faible absorption d'humidité du XPS par rapport à l'EPS ; de plus, elle recommande un rapport d'épaisseur EPS/XPS de 1,5 à 2,0.

Remarque : Une version de cette étude, comprenant les auteurs, les remerciements et les références, est disponible ici sur le site Web de l' Extruded Polystyrene Foam Association .

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