Thèmes de Recherche

L’activité de cette équipe est détaillée ci-après sur la période 2008-2013 correspondant à l’évaluation AERES en cours. Les principaux résultats des deux thèmes de recherche sont présentés ci-après :

Valorisation de matières minérales issues de déchets ou de sous-produits industriels dans les matériaux de construction :

La valorisation de matières minérales issues de déchets ou de sous-produits industriels dans les matériaux de construction est une thématique historique de l’équipe. L’équipe a progressivement élargi son champ de compétences de la mécanique des milieux granulaires à la physico-chimie pour arriver à des aspects environnementaux et écotoxicologiques. Outre cette pluridisciplinarité, une originalité supplémentaire repose sur une approche expérimentale partant d’essais de laboratoire et se terminant par des démonstrateurs pilotes à l’échelle 1 qui est complétée par la simulation numérique.

R1.Sédiments marins et fluviaux

Les recherches menées sur la valorisation des sédiments marins et fluviaux depuis plus de 10 ans sont l’un des points forts de l’équipe avec de nombreuses collaborations, contrats et thèses (11 thèses sur la période considérée). Ces recherches sont également fédératrices au sein du LGCgE (2 enseignants-chercheurs du site de l’Université d’Artois font partie de l’équipe) et constitue un thème privilégié avec les Universités de Sherbrooke (Canada) et de Hohai (Chine). La ligne directrice des travaux réalisés correspond à l’étude du comportement mécanique en associant des aspects relatifs à l’expérimentation, la modélisation, l’identification des paramètres de comportement et de l’impact sur l’environnement. Des avancées scientifiques significatives ont été réalisées notamment vis-à-vis de l’impact de la matière organique sur les lois de comportement mécanique des sédiments. La connaissance de ces dernières a permis de mettre au point une méthodologie de formulation pour des assises routières, des coulis et des bétons, qui prend en compte la variabilité des sédiments. Les essais en laboratoire ont pu être validés à l’échelle 1 par la réalisation de pilotes instrumentés qui sont suivis sur plusieurs années. Ces études ont été menées à travers de nombreux contrats associant les gestionnaires de sédiments (GPMD, nombreux ports, VNF…) et des partenaires industriels (Colas, Italcementi, Lhoist, Baudelet, Envisan…), l’objectif ultime étant de créer des filières de valorisation.

R2. Laitiers

Les recherches sur la valorisation des laitiers concernent les produits issus de la fabrication de la fonte (laitier HF) et de l’acier (laitier LD). Une caractérisation physico-chimique fine du laitier LD (mise en évidence des différentes formes de chaux en nodules et micro-inclusions et l’impact sur l’instabilité dimensionnel) en relation avec le mode d’élaboration au travers du procédé utilisé au niveau du convertisseur à oxygène a permis de définir une méthodologie de sélection des coulées afin d’obtenir des granulats stables pour la construction d’infrastructure routière durable (Thèse J. Waligora). Ceci a conduit au dépôt d’un brevet avec la société Eiffage Travaux Publics. Les travaux sur le thème des laitiers LD se poursuivent avec Arcelor Mittal dans le cadre du projet AAP ECO-INDUSTRIES-LACTER. L’activation chimique des laitiers HF a été également étudiée à travers des adjuvants spécifiques conduisant à augmenter leur vitesse de dissolution (ANR BEFU) ou avec des ajouts permettant d’augmenter la nucléation – croissance des hydrates (Thèse F. Jacquemot avec le CERIB).

R3. Granulats de béton recyclé

La valorisation des granulats de béton recyclé (GBR) constitue un enjeu important. Elle fait l’objet d’un projet national (PN Recybéton) auquel l’équipe participe en collaboration avec l’Ecole des Mines d’Alès (Thèse de T. Le). La maîtrise de la rhéologie des bétons réalisés à partir de GBR passe par une bonne compréhension de l’effet de la teneur en pâte de ciment durcie dans les GBR. L’équipe a mis au point une méthode originale de mesure de la teneur en pâte de ciment durcie dans les GBR basée sur une dissolution sélective de cette dernière (Thèse de Z. Zhao). La teneur en pâte de ciment durcie et le coefficient d’absorption d’eau sont tous deux étroitement corrélés à la taille des particules. Cette double corrélation peut être utilisée pour déterminer précisément le coefficient d’absorption d’eau de la fraction granulaire la plus fine des sables, ce que ne permettent pas les méthodes de caractérisation définies dans les normes actuelles.

R4. Modélisation numérique par éléments discrets

L’optimisation des matériaux de construction contenant des sous-produits nécessite une bonne compréhension de l’influence de ces derniers sur la microstructure. En complément des outils expérimentaux, un code de calcul basé sur la méthode des éléments discrets (code DemGCE) est développé par l’équipe. La modélisation discrète a notamment été utilisée pour l’étude de l’agglomération des fines minérales en suspension (thèse d’A. Kimbonguila). La floculation des fines entraine une augmentation importante de la demande en eau des mélanges cimentaires et constitue un frein à la valorisation des sous-produits contenant des proportions élevées de fines. Les simulations discrètes ont été menées pour étudier le processus d’agglomération en vue de quantifier l’eau immobilisée dans les flocs. Il a également été montré que le comportement d’une suspension diluée monodisperse peut être décrit par un unique nombre adimensionnel faisant intervenir la force de cohésion maximale, la taille des particules et le gradient de vitesse. La demande en eau des flocs peut ensuite être estimée à partir de leur compacité moyenne. Le code DemGCE est utilisé pour étudier le comportement sous cisaillement triaxial des matériaux granulaires hétérogènes (thèse de K. Wu). Une collaboration a ainsi été récemment engagée avec le laboratoire LTI (Université Picardie Jules Vernes) en vue de développer l’utilisation du calcul haute performance (HPC). Enfin, le code DemGCE est utilisé en collaboration avec l’équipe 3 du LGCgE (thèse de K. El-Cheikh) pour analyser la microstructure de l’interface béton/coffrage. 


Matériaux et éco-matériaux de construction de performance :

La conception de matériaux et d’éco-matériaux de construction de performance repose également sur la forte pluridisciplinarité de l’équipe. Ce domaine est très vaste et en conséquence l’équipe s’est focalisée sur quelques sujets selon une double logique. D’une part, une logique de continuité sur certains thèmes où l’équipe possède une bonne visibilité comme pour les aspects de durabilité relatifs à l’étude de la réaction alcali-silice. D’autre part, une logique de prise de risque sur des sujets émergents à travers l’étude des interactions entre matériaux de construction et micro-organismes.

R1 Matériaux et d’éco-matériaux innovants

L’équipe a été fortement associée au développement des connaissances de l’hydratation des ciments à base de sulfoaluminate de calcium qui suscitent un très fort intérêt au niveau mondial afin de réduire les émissions de CO2 lors de la fabrication du ciment Portland (6 à 8% des émissions mondiales de CO2) (Thèses de J. Wang, S. Berger, J-B Champenois et M. Idrissi en collaboration avec Lafarge, CEA et Université de Rabat). Deux points essentiels ressortent de ces travaux. D’une part, la grande complexité de l’hydratation de ces ciments demande à avoir une approche méthodologique différente de celle utilisée depuis une centaine d’années pour le ciment Portland. D’autre part, la composition chimique de ciments à base de sulfoaluminate de calcium leur confère des propriétés spécifiques non atteignables par le ciment Portland ce qui ouvre de nouvelles applications comme dans le domaine du stockage de déchets radioactifs.  Des études amont sur les mécanismes de dissolution des minéraux du ciment ont conduit à plusieurs résultats majeurs comme la mise en évidence d’une phase apparentée à la calciochondrodite formant une couche de 2 à 5 nm à la surface du silicate tricalcique (Université de Weimar). Ces résultats ont été utilisés pour mettre au  point des ciments dentaires innovants confectionnés à base de minéraux présents dans le ciment Portland (Faculté de Médecine de l’Université de Malte et la startup Material Research Processing).

Le domaine très en vogue des matériaux capables d’autocicatriser des microfissures a été appliqué au cas de mortier grâce à la précipitation de calcite. En effet l’intensité de la carbonatation d’un mortier peut être amplifiée par la respiration cellulaire de bactéries. L’équipe a mis au point des expériences originales permettant de connaître l’activité bactérienne et donc de déduire la contribution réelle des bactéries afin d’optimiser cette dernière pour colmater des microfissures de plus de 100 mm non cicatrisables par la carbonatation naturelle (Thèse de J. Ducasse avec l’Université de Sherbrooke en cotutelle). Ce thème émergent conduit à avoir une interaction avec l’équipe 1 qui utilise une approche similaire pour consolider des sols (Thèse de Y.H. Suprapto).

Le développement d’écomatériaux associe les problématiques de valorisation de coproduits (industriels et/ou agricoles) et le développement de matériaux ou produits de construction à faible empreinte environnementale. Depuis 2008, les études ont porté sur le développement de briques et de carreaux de terre comprimée (Thèse de C. Flament). Ces travaux ont conduit à la conception d’un produit innovant « mousse de terre »  qui est léger, résistant et performant sur les plans thermiques et acoustiques.

R2. Matériaux de construction durables

Les recherches menées pour garantir une maîtrise de la durabilité des matériaux de construction sont basées sur la poursuite de l’étude de la réaction alcali-silice qui est l’une des thématiques historiques de l’équipe et sur l’étude de la biodétérioration qui est une thématique émergente. L‘étude de la réaction alcali-silice (RAS) (6ième thèse consécutive avec Holcim) a permis la mise en évidence des paramètres physico-chimiques spécifiques à la RAS en mesurant l’avancement de la réaction conduisant à la rupture de liaison Si-O de silices réactives. Ceci a permis de formuler des bétons durables tout en étant constitués de granulats et sables réactifs conduisant à des enjeux socio-économiques forts puisque certaines régions possèdent principalement des granulats réactifs conduisant souvent à utiliser des ressources d’autres régions ou pays comme au Canada. La méthodologie a été exportée au Canada à travers une thèse en cotutelle avec l’Université Sherbrooke (Thèse de Y. Boukari).

Deux principales problématiques relatives à la biodétérioration ont été ciblées : (i) la biodétérioration des tuyaux d’égout et (ii) l’encrassement des enduits de façade. Les recherches sur la biodétérioration de mortiers ont été réalisées à partir d’un essai de biolixiviation spécifiquement développé qui permet de mettre en œuvre Halothiobacillus neapolitanus comme bactérie sulfo-oxydante (BSO) neutrophile et Acidithiobacillus thiooxidans comme BSO acidophile (Thèses de M. Hajj-Chehade et E. Honjuilia en collaboration avec Kerneos). L’originalité de la démarche provient du suivi de la croissance bactérienne et de la production d’acide sulfurique associée en relation avec les quantités d’éléments chimiques accumulés en solution par l’altération du mortier. Il est ainsi possible de comparer de façon quantitative la performance de différentes formulations mais aussi de comprendre l’origine des dernières. Les recherches menées sur la colonisation des façades notamment par les algues  (Thèses de T-H Tran et E. Dallod avec Ecole des Mines de Saint-Etienne) ont mis en évidence l’influence de la rugosité, du type de ciment et de la carbonatation de la surface sur la vitesse de colonisation de la surface des mortiers par les algues. Un des résultats majeurs est d’avoir utilisé une loi cinétique de type Avrami pour modéliser la vitesse de colonisation.