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Etude et caractérisation d’un matériau composite avancé (TRC) transformé par procédé de fabrication additive (impression 3D)

ABG-106450 Thesis topic
2022-06-23 Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
Ecole Centrale de Lyon / site de Saint Etienne
Saint Etienne - Auvergne-Rhône-Alpes - France
Etude et caractérisation d’un matériau composite avancé (TRC) transformé par procédé de fabrication additive (impression 3D)
  • Materials science
  • Civil engineering, construction and public works

Topic description

Contexte et enjeux scientifiques
Avec une consommation de 44% de l’énergie finale, le secteur du bâtiment représente le secteur le plus énergivore en France. Ainsi, il est considéré comme le plus grand gisement d’économie d’énergie et de réduction de gaz à effet de serre. Dans cette conjoncture, différentes solutions peuvent être envisagées notamment celles qui portent sur l’optimisation de l’enveloppe du bâtiment. Ceci en développant des technologies innovantes permettant de satisfaire des exigences en lien avec l’efficacité énergétique et environnementale, mais aussi des exigences en lien avec les enjeux propres au bâtiment dans sa réalisation et son exploitation (mise en oeuvre, durabilité des matériaux, le confort des occupants, la qualité de l’air intérieur…).
Ces dernières années, le monde de la construction est entré dans une phase de transformation grâce à l’émergence de nouvelles technologies innovantes pour le secteur du bâtiment comme le BIM, la réalité augmentée et l’impression 3D appliquée aux éléments de structure et aux bâtiments. En raison des avantages apportés, cette dernière technologie suscite l’intérêt des acteurs (entreprises et laboratoires de recherche…) du domaine de la construction.
Par ailleurs, l’étude et le recours aux matériaux composites à base minérale (Textile Reinforced Cement, TRC) est en plein essor même si de nombreux verrous scientifiques et technologiques entravent encore une mobilisation optimale de ce composite à impact carbone comparativement limité par rapport aux matériaux composites à base polymère (FRP, Fiber Reinforced Polymer).
Ainsi, les travaux de thèse proposés visent à étudier, évaluer l’intérêt du couplage d’une technologie à fort potentiel (l’impression 3D) et un composite prometteur (TRC) mais singulier (fissurant, fortement hétérogène) dans une optique performantielle vis-à-vis des exigences liées à la réduction de l’empreinte carbone.


Description du travail de thèse
L’objectif de ces travaux de thèse est de formuler des matériaux composites avancés et actifs en substituant aux matrices polymères traditionnelles issues de l’industrie pétrolière, des matrices minérales décarbonnées ou à faible empreinte carbone et plus sécuritaires vis-à-vis de la tenue au feu en mobilisant des fibres à impact environnemental limité (basalte, fibres végétales). Leur transformation fera appel à la valorisation de techniques de fabrication additive (extrusion par dépôt de couches successives) permettant de robotiser à la fois les procédures de « placement des fibres et textiles de renforcement » et les opérations d’imprégnation et de compactage. La finalité du projet vise à développer des systèmes constructifs actifs par l’intégration de capteurs (fibres optiques, thermosondes…) pour répondre aux objectifs de performances thermomécaniques pour la réhabilitation des bâtiments et l’innovation dans la construction (pilotage, asservissement en température, actuateurs pour régime transitoire) dans un contexte de recherche de gain de productivité.
Le développement de cette production innovante de matériaux composites du XXIe siècle pour la construction est particulièrement en rupture avec les procédés de préfabrication traditionnels. Les objectifs assignés aux travaux de thèse ne pourront être atteints qu’en levant les verrous suivants :
Au niveau du matériau avancé : l’interaction « fibre-matrice minérale » doit être sensiblement améliorée par l’identification et la sélection de techniques de pré-imprégnation des filaments (ensimage)
permettant la pénétration à coeur du liant au sein des mèches de filaments et une meilleure adhérence/adhésion et transfert de charge textile-géo polymère
La tenue thermomécanique, la durabilité et la fiabilité (alcali-réaction, mécanisme de fissuration, tenue cycle thermique) des composites T.R.C. doit être validée pour des conditions d’environnement proches de celles du génie civil. Pour analyser finement les mécanismes d’interaction, d’endommagement qui se développent à différentes échelles (nano-micro-macro), le recours à des techniques d’analyses avancées (microscope électronique, tomodensitométrie, émission acoustique, corrélation d’images…) sont prévues
Au niveau technique de transformation (fabrication additive, robotisation) : l’efficacité et la fiabilité des procédés de dépose (extrusion par dépôt de couches successives) de la matrice minérale décartonnée et/ou à faible impact carbone doivent être optimisés vis-à-vis du liant, de son temps de prise (pot-life), des mécanismes d’abrasion, de corrosion…etc.
Le contrôle de la dépose simultanée des renforts textiles, de leur imprégnation, de leur positionnement devra être pris en considération pour valider le procédé de fabrication. Il convient de souligner plus particulièrement qu’un des verrous à considérer au niveau de la fabrication additive est la conception d’une tête de mélange et de dépose compatible, d’une part avec les formulations de géo polymères (Ph, rhéologie, cinétique) et, d’autre part, avec les techniques de préimprégnation étudiées précédemment pour les renforts textiles.
Une attention particulière devra être portée à la faculté des capteurs sélectionnés et insérés de restituer des informations à la fois fidèles et fiables dans le temps.

Starting date

2022-11-01

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Presentation of host institution and host laboratory

Ecole Centrale de Lyon / site de Saint Etienne

Le/la doctorant (e) conduira ses travaux au sein du laboratoire LTDS dans l’équipe « Géomateriaux et Constructions Durables » sur le site de Saint-Etienne. L’équipe « Géomateriaux et Constructions Durables » mène des recherches sur les géomateriaux et les ouvrages de Génie Civil. Elle s’investit dans plusieurs enjeux sociétaux forts, s’inscrivant dans un cadre de développement durable : la sécurité des biens et des personnes, l’amélioration des systèmes d’infrastructure de transport, l’optimisation de l’utilisation des ressources non renouvelables ou encore, l’amélioration et la conservation du patrimoine bâti.

Candidate's profile

Le/la candidat (e) devra être diplômé (école d'ingénieur/master) en génie civil ou science des matériaux. Avoir travaillé de manière effective et significative sur des problématiques d'impression 3D du génie civil constituera un plus. Le/la candidat (e) devra montrer de très grandes dispositions à assumer des campagnes expérimentales d'ampleur.

2022-08-31
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