Sujet de thèse IFSTTAR

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Fiche détaillée :

Titre : Écoconception d’un géopolymère armé durable et rentable sur le cycle de vie d’une structure

Laboratoire principal - Référent principal MAST - FM2D  -  DJERBI Assia      tél. : +33 181668376

Directeur du laboratoire principal FEN-CHONG Teddy  -

Spécialité de la thèse Matériaux et structures - génie civil

Axe 2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures

Site principal Marne-la-Vallée

Etablissement d'inscription UNIVERSITE PARIS-EST

Ecole doctorale SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)

Directeur de thèse prévu FEN-CHONG Teddy  -  Université Gustave Eiffel  -  MCD

Type de financement prévu Contrat doctoral  - Ifsttar

Résumé

Contexte :
La pratique courante de la conception des ouvrages d’art est fortement orientée par la phase de construction. Traditionnellement, la conception des ouvrages consiste à retenir un dimensionnement (choix du matériau et dispositions constructives) permettant d’atteindre un coût initial de construction le plus faible possible tout en respectant les exigences prescrites pour une durée de service/ vie donnée. Cette approche est aujourd’hui revisitée pour chercher à intégrer tout le cycle de vie de l’ouvrage, c’est-à-dire considérer toutes les étapes de sa vie, depuis la conception jusqu’à la fin de vie en service. En effet, les activités liées au cycle de vie de l’ouvrage durant les phases d’exploitation (maintenance/réhabilitation) et de fin de vie génèrent des impacts tant sur le plan économique que sur les plans environnemental et sociétal bien plus importants que la simple phase de conception/construction.

Les travaux sur la durabilité, bien que peu nombreux, ont montré que les matériaux alcali-activés en général et les géopolymères en particulier présentent une stabilité chimique remarquable [Lecomte et al., 2006, Idir et al., 2012, Idir et al., 2019]. En effet, dans des conditions riches en CO2, les géopolymères présentent de meilleures propriétés « anti-corrosion » que les liants à base de ciment Portland. Ceci est dû notamment à la structure tridimensionnelle du réseau formé dans les gels géopolymériques et également à l’absence ou à la faible teneur en Ca(OH)2. [Zhu et al., 2010] ont démontré que, d’une part, les géopolymères utilisés dans les puits pétroliers se carbonataient plus lentement que les coulis à base de ciments pétroliers, et d’autre part, la carbonatation modifiait très faiblement la taille des pores dans les géopolymères.

L’objectif de recourir aux géopolymères armés en alternative aux bétons armés traditionnels est d’agir sur les performances au cours des différentes phases de la vie de l’ouvrage. Les géopolymères peuvent contribuer à augmenter la durabilité, à diminuer la périodicité des opérations d’entretien ou encore les quantités de matériaux mobilisés pour la construction et la maintenance de l’ouvrage. Ce matériau, pourtant prometteur d’un point de vue performantiel (notamment par rapport à l’initiation de la corrosion) reste aujourd’hui encore une piste écartée dans la conception des ouvrages, car évaluée dans le cadre d’une analyse restreinte au seul coût initial.

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Objectifs de la thèse :
Cette thèse propose une démarche méthodologique innovante pour analyser la pertinence des géopolymères armés dans leur cycle de vie selon trois critères pouvant représenter des enjeux conflictuels : économique, environnemental et performantiel. Cette démarche consiste en une analyse multicritère pour évaluer l’ensemble des variantes de conception, en intégrant notamment des considérations architecturales, et permettre d’avoir une vision globale qui aide les maîtres d’ouvrage et les gestionnaires lors de la prise de décision.

La performance du matériau sera testée vis-à-vis de la durabilité de l’épaisseur d’enrobage afin de limiter le risque de corrosion d’armature causée par les ions chlorures [Djerbi et al., 2013]. Ceci sera fait sur la base d’une unité fonctionnelle impliquant un géopolymère armé et un béton armé. En parallèle de cette étude de durabilité du matériau géopolymère, une analyse du coût et environnementale [Gervásio et al. 2015, Orcesi et al. 2018] sera considérée pour discriminer les différentes stratégies de choix de matériau et de conception dès l’étape de construction, en prenant en compte l’ensemble du cycle de vie (cf. thèses encadrées par R. Idir).

L’enjeu de la thèse est donc de mener une analyse multicritère aux différentes étapes d’une unité fonctionnelle de structure, voire d’une structure complète, pour identifier si une solution en géopolymère armé, pourtant plus chère à la phase de construction, peut devenir avantageuse sur l’ensemble du cycle de vie de la structure.

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Références :
• Cyr M., R. Idir, T. Poinot (2012). Properties of inorganic polymer (geopolymer) mortars made of glass cullet, Journal of Materials Science, March 2012, Volume 47, Issue 6, pp 2782–2797.
• Djerbi A, S. Bonnet, A. Khelidj, V. Baroghel-Bouny (2013). Effect of uniaxial compressive loading on gas permeability and chloride diffusion coefficient of concrete and their relationship. Cement and Concrete Research, 2013, 52, 131-139.
• Gervásio H., Simões da Silva, L., Perdigão, V. Orcesi, A.D. & Andersen, R. (2015). Influence of maintenance strategies on the life cycle performance of composite highway bridges, Structural Engineering International, 25(2), 184-196.
• Idir R., M. Cyr., A. Pavoine. Investigations on the durability of geopolymer made of recycled glass, publication soumise à construction and Building Materials. CONBUILDMAT-D-19-01571R1-1.
• Lecomte C. Henrist, M. Liégeois, F. Maseri, A. Rulmont, R. Cloots (2006). (Micro)-structural comparison between geopolymers, alkali-activated slag cement and Portland cement. Journal of the European Ceramic Society.
• Orcesi A.D., Cremona, C. & Ta, N.-B. (2018). Optimization of design and life-cycle management for steel-concrete composite bridges, Structural engineering international, 28, 2, International Association for Bridge and Structural Engineering - IABSE, pp 185-195, DOI: 10.1080/10168664.2018.1453763.
• Zhu H., Yao X., Zhang Z. (2010). Study on non-cement based alkali-activated material for oil and gas well cementing at low and moderate temperatures, C. Shi, X. Shen (Eds.), The First International Conference on Advances in Chemically-activated Materials (CAM'2010), Jinan, Shandong, China, RILEM Publication S.A.R.L, 100–106.

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Thèses actuelles (toutes démarrées en 2017) en lien avec le sujet proposé :
• Développement, caractérisation et durabilité de géopolymères à faible impact CO2 à base de poudre de verre ; thèse co-encadrée par Rachida Idir (CEREMA) et Martin Cyr (LMDC/Université de Toulouse).
• Valorisation de ressources naturelles et sous-produits locaux pour la fabrication d'éco-matériaux durables ; thèse co-encadrée par Rachida Idir (CEREMA) et Martin Cyr (LMDC/Université de Toulouse) + cotutelle avec l’ITC du Cambodge.
• Durabilité d’un liant géopolymérique à faible impact environnemental ; thèse de Baptiste Luzu co-dirigée par T. FEN-CHONG (IFSTTAR) et L. GAUTRON (UPEM), encadrée par A. DJERBI (MAST/FM²D) et M. DUC (GERS/SRO).

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Résultats attendus et valorisation :
• 3 publications dans des revues scientifiques internationales
• Alimentation d’une base de données comparative entre bétons hydrauliques et bétons géopolymériques
• Introduction dans la norme EN206/CN de ce type de liants et des règles de mise en œuvre dans le cadre de la formulation de nouveaux bétons
• Création d’une filière de valorisation industrielle des bétons géopolymériques
• Autres valorisations sous forme de communication (colloques, congrès, etc.).

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Profil attendu :
Il est attendu obligatoirement du (de la) candidat(e) des compétences très fortes en :
• Physico-chimie des matériaux de construction
• Construction Durable.
Le (la) candidat(e) doit avoir un fort attrait pour la recherche expérimentale (incluant la métrologie) et doit faire preuve de qualités relationnelles lui permettant de travailler en équipe.
Des connaissances en Analyse du Cycle de Vie seraient appréciables.
Un bon niveau en anglais est demandé à l’oral pour la présentation des travaux lors de conférences internationales et à l’écrit pour la rédaction d’articles scientifiques.

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Encadrement :
L’encadrement du travail sera assuré par Teddy Fen-Chong (Directeur de Recherche du Développement Durable, Ifsttar), Assia Djerbi (Chargée de Recherche du Développement Durable, Ifsttar), et Rachida Idir (Chargée de Recherche du Développement Durable, Cerema).
Durant le travail de thèse, le (la) doctorant(e) répartira son temps entre le Laboratoire Eco-matériaux du Cerema à Sourdun, et le Laboratoire FM2D du département MAST de l’Ifsttar à Champs-sur-Marne. Ces deux laboratoires sont en Seine-et-Marne.

Mots-clefs: Eco-conception, Géopolymère, ACV, Analyse économique, Durabilité, Corrosion

Laboratoire principal - Référent principal	MAST - FM2D - DJERBI Assia tél. : +33 181668376
Directeur du laboratoire principal	FEN-CHONG Teddy -
Spécialité de la thèse	Matériaux et structures - génie civil
Axe	2 - COP2017 - Améliorer l'efficience et la résilience des infrastructures
Site principal	Marne-la-Vallée
Etablissement d'inscription	UNIVERSITE PARIS-EST
Ecole doctorale	SCIENCES, INGENIERIE ET ENVIRONNEMENT (SIE)
Directeur de thèse prévu	FEN-CHONG Teddy - Université Gustave Eiffel - MCD
Type de financement prévu	Contrat doctoral - Ifsttar
Résumé Contexte : La pratique courante de la conception des ouvrages d’art est fortement orientée par la phase de construction. Traditionnellement, la conception des ouvrages consiste à retenir un dimensionnement (choix du matériau et dispositions constructives) permettant d’atteindre un coût initial de construction le plus faible possible tout en respectant les exigences prescrites pour une durée de service/ vie donnée. Cette approche est aujourd’hui revisitée pour chercher à intégrer tout le cycle de vie de l’ouvrage, c’est-à-dire considérer toutes les étapes de sa vie, depuis la conception jusqu’à la fin de vie en service. En effet, les activités liées au cycle de vie de l’ouvrage durant les phases d’exploitation (maintenance/réhabilitation) et de fin de vie génèrent des impacts tant sur le plan économique que sur les plans environnemental et sociétal bien plus importants que la simple phase de conception/construction. Les travaux sur la durabilité, bien que peu nombreux, ont montré que les matériaux alcali-activés en général et les géopolymères en particulier présentent une stabilité chimique remarquable [Lecomte et al., 2006, Idir et al., 2012, Idir et al., 2019]. En effet, dans des conditions riches en CO2, les géopolymères présentent de meilleures propriétés « anti-corrosion » que les liants à base de ciment Portland. Ceci est dû notamment à la structure tridimensionnelle du réseau formé dans les gels géopolymériques et également à l’absence ou à la faible teneur en Ca(OH)2. [Zhu et al., 2010] ont démontré que, d’une part, les géopolymères utilisés dans les puits pétroliers se carbonataient plus lentement que les coulis à base de ciments pétroliers, et d’autre part, la carbonatation modifiait très faiblement la taille des pores dans les géopolymères. L’objectif de recourir aux géopolymères armés en alternative aux bétons armés traditionnels est d’agir sur les performances au cours des différentes phases de la vie de l’ouvrage. Les géopolymères peuvent contribuer à augmenter la durabilité, à diminuer la périodicité des opérations d’entretien ou encore les quantités de matériaux mobilisés pour la construction et la maintenance de l’ouvrage. Ce matériau, pourtant prometteur d’un point de vue performantiel (notamment par rapport à l’initiation de la corrosion) reste aujourd’hui encore une piste écartée dans la conception des ouvrages, car évaluée dans le cadre d’une analyse restreinte au seul coût initial. --------------------------- Objectifs de la thèse : Cette thèse propose une démarche méthodologique innovante pour analyser la pertinence des géopolymères armés dans leur cycle de vie selon trois critères pouvant représenter des enjeux conflictuels : économique, environnemental et performantiel. Cette démarche consiste en une analyse multicritère pour évaluer l’ensemble des variantes de conception, en intégrant notamment des considérations architecturales, et permettre d’avoir une vision globale qui aide les maîtres d’ouvrage et les gestionnaires lors de la prise de décision. La performance du matériau sera testée vis-à-vis de la durabilité de l’épaisseur d’enrobage afin de limiter le risque de corrosion d’armature causée par les ions chlorures [Djerbi et al., 2013]. Ceci sera fait sur la base d’une unité fonctionnelle impliquant un géopolymère armé et un béton armé. En parallèle de cette étude de durabilité du matériau géopolymère, une analyse du coût et environnementale [Gervásio et al. 2015, Orcesi et al. 2018] sera considérée pour discriminer les différentes stratégies de choix de matériau et de conception dès l’étape de construction, en prenant en compte l’ensemble du cycle de vie (cf. thèses encadrées par R. Idir). L’enjeu de la thèse est donc de mener une analyse multicritère aux différentes étapes d’une unité fonctionnelle de structure, voire d’une structure complète, pour identifier si une solution en géopolymère armé, pourtant plus chère à la phase de construction, peut devenir avantageuse sur l’ensemble du cycle de vie de la structure. --------------------------- Références : • Cyr M., R. Idir, T. Poinot (2012). Properties of inorganic polymer (geopolymer) mortars made of glass cullet, Journal of Materials Science, March 2012, Volume 47, Issue 6, pp 2782–2797. • Djerbi A, S. Bonnet, A. Khelidj, V. Baroghel-Bouny (2013). Effect of uniaxial compressive loading on gas permeability and chloride diffusion coefficient of concrete and their relationship. Cement and Concrete Research, 2013, 52, 131-139. • Gervásio H., Simões da Silva, L., Perdigão, V. Orcesi, A.D. & Andersen, R. (2015). Influence of maintenance strategies on the life cycle performance of composite highway bridges, Structural Engineering International, 25(2), 184-196. • Idir R., M. Cyr., A. Pavoine. Investigations on the durability of geopolymer made of recycled glass, publication soumise à construction and Building Materials. CONBUILDMAT-D-19-01571R1-1. • Lecomte C. Henrist, M. Liégeois, F. Maseri, A. Rulmont, R. Cloots (2006). (Micro)-structural comparison between geopolymers, alkali-activated slag cement and Portland cement. Journal of the European Ceramic Society. • Orcesi A.D., Cremona, C. & Ta, N.-B. (2018). Optimization of design and life-cycle management for steel-concrete composite bridges, Structural engineering international, 28, 2, International Association for Bridge and Structural Engineering - IABSE, pp 185-195, DOI: 10.1080/10168664.2018.1453763. • Zhu H., Yao X., Zhang Z. (2010). Study on non-cement based alkali-activated material for oil and gas well cementing at low and moderate temperatures, C. Shi, X. Shen (Eds.), The First International Conference on Advances in Chemically-activated Materials (CAM'2010), Jinan, Shandong, China, RILEM Publication S.A.R.L, 100–106. --------------------------- Thèses actuelles (toutes démarrées en 2017) en lien avec le sujet proposé : • Développement, caractérisation et durabilité de géopolymères à faible impact CO2 à base de poudre de verre ; thèse co-encadrée par Rachida Idir (CEREMA) et Martin Cyr (LMDC/Université de Toulouse). • Valorisation de ressources naturelles et sous-produits locaux pour la fabrication d'éco-matériaux durables ; thèse co-encadrée par Rachida Idir (CEREMA) et Martin Cyr (LMDC/Université de Toulouse) + cotutelle avec l’ITC du Cambodge. • Durabilité d’un liant géopolymérique à faible impact environnemental ; thèse de Baptiste Luzu co-dirigée par T. FEN-CHONG (IFSTTAR) et L. GAUTRON (UPEM), encadrée par A. DJERBI (MAST/FM²D) et M. DUC (GERS/SRO). --------------------------- Résultats attendus et valorisation : • 3 publications dans des revues scientifiques internationales • Alimentation d’une base de données comparative entre bétons hydrauliques et bétons géopolymériques • Introduction dans la norme EN206/CN de ce type de liants et des règles de mise en œuvre dans le cadre de la formulation de nouveaux bétons • Création d’une filière de valorisation industrielle des bétons géopolymériques • Autres valorisations sous forme de communication (colloques, congrès, etc.). --------------------------- Profil attendu : Il est attendu obligatoirement du (de la) candidat(e) des compétences très fortes en : • Physico-chimie des matériaux de construction • Construction Durable. Le (la) candidat(e) doit avoir un fort attrait pour la recherche expérimentale (incluant la métrologie) et doit faire preuve de qualités relationnelles lui permettant de travailler en équipe. Des connaissances en Analyse du Cycle de Vie seraient appréciables. Un bon niveau en anglais est demandé à l’oral pour la présentation des travaux lors de conférences internationales et à l’écrit pour la rédaction d’articles scientifiques. --------------------------- Encadrement : L’encadrement du travail sera assuré par Teddy Fen-Chong (Directeur de Recherche du Développement Durable, Ifsttar), Assia Djerbi (Chargée de Recherche du Développement Durable, Ifsttar), et Rachida Idir (Chargée de Recherche du Développement Durable, Cerema). Durant le travail de thèse, le (la) doctorant(e) répartira son temps entre le Laboratoire Eco-matériaux du Cerema à Sourdun, et le Laboratoire FM2D du département MAST de l’Ifsttar à Champs-sur-Marne. Ces deux laboratoires sont en Seine-et-Marne.
Mots-clefs:	Eco-conception, Géopolymère, ACV, Analyse économique, Durabilité, Corrosion

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