Impression 3D de geopolymères à faible impact environnemental

La filière de la construction est confrontée à un impératif de productivité et de réduction de son impact environnemental sans précédent. Pour y parvenir il y a urgence à développer des alternatives aux matériaux existants et de structurer la filière de la construction autour du numérique, de la maquette numérique aux outils de production automatisés et robotisés. En effet dans un contexte mondial et local d’épuisement des ressources, l’utilisation de nouveaux process (fabrication additive par exemple) et de nouveaux matériaux moins impactant, plus locaux, et en tout premier lieu ceux issus du sous-sol, est vu comme un chemin devant impérativement être suivi. Ainsi, le chantier du Grand Paris va générer plus de 45 millions de tonnes de déblais, dont seulement 60% sont considérés comme valorisables aujourd’hui. Ces matériaux, peu ou pas transformés sont peu performants mécaniquement et de plus sujet à une grande variabilité de leurs propriétés mécaniques. Tout ceci limite leur utilisation dans des contextes industriels toujours plus normés. En tout état de cause il est difficile de les mettre en compétition en l’état, avec le ciment qui lui présente par contre un vrai problème en termes d’impact environnemental, d’ACV et d’épuisement de ressources, comme le sable par exemple. Il existe cependant une famille de matériaux également géosourcée comme le ciment, performante mécaniquement, mais dont l’intérêt en termes d’impact reste à bien évaluer, même si les premières données sont très encourageantes. Il s’agit de la famille des géopolymères obtenus par la polycondensation en milieu alcalin, par exemple de chaines de metakaolin composées majoritairement de silice et d’alumine, et qui sont très tolérant à l’addition de forts taux charges, charges pouvant être des granulats, mais également des argiles brutes. Les laboratoires partenaires ont démarré des travaux sur ces matériaux et le sujet s’inscrit donc dans la volonté de pousser l’effort plus loin. En particulier en intégrant intimement la dimension constructive dans la réflexion matériau, process et application, il semble possible d’explorer de nouvelles solutions globales efficientes et soutenables. Après avoir révolutionné l'industrie manufacturière, il est en effet difficile d’imaginer que la robotique, l'impression 3D, et plus globalement un workflow digital orchestré autour du Building Information Modeling ne puisse transformer en profondeur la construction.

Programme
Le sujet se concentrera ainsi autour de l’exploration rationnelle (réflexion constructive, optimisation) des possibilités qu’offre l’impression 3D de géopolymères à faibles impacts environnementaux. Le doctorant devra formuler des géopolymères de type mortiers maigres à base de charges issus de “ressources locales” et de l’économie circulaire. L’optimisation de la formulation sera basée sur des plans d’expériences et des algorithmes d’optimisation.
L’imprimabilité de tels mortiers sera alors étudiée et les adaptations des formulations réalisées. Le doctorant explorera ensuite des applications constructives ciblées sur ce matériau (par exemple façades ou fondations…). La démarche se concentrera sur une approche de type construction numérique, design paramétrique et Robot Oriented Design. Un prototype/démonstrateur illustrera le concept. Une ACV sur la formulation, le process, et le système constructif devra accompagner les réflexions et solutions.

Connaissances requises

  • Étudiant au doctorat avec des intérêts en matériaux, environnement et robotique
  •  Intérêts à développer des protocoles expérimentaux au laboratoire.
  • Habiletés à l’analyse de données et à faire la modélisation
  • Autonome et motivé
  • Capacité à communiquer en français et en anglais.

Programme d'études visé

Doctorat

Domaines de recherche

Environnement, Infrastructures et milieux bâtis, Matériaux et fabrication

Financement

Bourse de professeur

Autres informations

Partenaires impliqués :  Cotutelle entre l’ÉTS Montréal au Canada et l’École des Ponts ParisTech en France.

Autre personne contact : jean-francois.caron@enpc.fr
Directeur de Recherche au laboratoire Navier, ENPC/UGE/CNRS

Début du projets: 2021-08-30