Formulation de matériaux bas carbone intégrant des MCP permettant d’augmenter la capacité thermique intérieure des bâtiments légers pour limiter les surchauffes estivales

Contexte

Pour s’adapter aux exigences de la RE2020, les méthodes constructives pour les bâtiments neufs doivent évoluer pour aller vers des bâtiments performants sur le plan énergétique tout au long de l’année, tout en minimisant la quantité de CO₂ contenue dans les matériaux mis en œuvre. Ces contraintes favorisent l’émergence de structures légères, par exemple des ossatures bois ou mixtes. Elles permettent par ailleurs d’inclure des quantités d’isolant significatives, ce qui les rend très performantes pour répondre aux problématiques de chauffage. Leur principal inconvénient est qu’elles sont vulnérables aux surchauffes estivales de par la faible capacité thermique intérieure, souvent limitée à la dalle si elle existe et si elle est exposée à l’air intérieur. Des études précédentes ont mis en évidence que l’application, sur les parements intérieurs, d’un enduit sable/argile du commerce d’environ 4 cm d’épaisseur permet d’améliorer de manière significative les performances thermiques à l’échelle de la pièce, comme l’ont montré à la fois les calculs réglementaires et les essais expérimentaux. Néanmoins, cette solution comporte plusieurs inconvénients : la formation de fissures, un temps de séchage prolongé après application et, surtout, une faible cohésion du matériau. Ces contraintes rendent son utilisation en intérieur peu aisée et sont susceptibles d’en limiter l’adoption.

Par ailleurs, les matériaux à changement de phase (MCP) attirent l’attention de la communauté scientifique depuis de nombreuses années en raison de la grande quantité d’énergie mise en œuvre lors du changement de phase. Cela permet d’augmenter significativement l’effet de l’inertie thermique dans une gamme de température restreinte. Si les effets thermiques sont certains, l’utilisation pratique demeure limitée par l’inflammabilité des MCP, la plupart étant des paraffines dérivées du pétrole, et les difficultés liées à l’encapsulation afin de prévenir la perte de matière lorsqu’elle est à l’état liquide.

Afin de pallier ces deux problématiques, la solution qui semble la plus prometteuse serait d’intégrer les MCP au sein d’une matrice rigide à base de liant alternatif, dit bas-carbone. Cela permettrait d’assurer la protection des matériaux à changement de phase tout en conservant l’inertie thermique et le faible impact environnemental de la matrice minérale. Pour cela, de nombreux matériaux alternatifs au ciment peuvent être utilisés. Entre autres, les géopolymères apparaissent comme prometteurs en raison de leur très bonne tenue aux températures élevées.

But de la thèse

L’objectif de ce projet de thèse est de développer un liant à faible impact environnemental intégrant des MCP (matériaux à changement de phase) afin d’améliorer l’inertie thermique des bâtiments légers. Dans une démarche de maîtrise de l’empreinte environnementale, une attention particulière sera accordée au choix du liant et des MCP, de façon à optimiser le bilan carbone de la solution proposée tout en garantissant leur compatibilité chimique et mécanique.  Une attention particulière sera notamment portée à la durabilité du matériau formulé face aux cycles de fusion/solidification des MCP, afin d’assurer la pérennité de la solution développée.  Enfin, sur le plan énergétique, les performances théoriques et expérimentales des solutions développées seront évaluées à l’échelle du mur afin de s’assurer qu’elles sont supérieures à celles d’un enduit sable/argile, pour une masse totale comparable.

Méthodologie

La thèse s’articulera autour de trois grandes étapes complémentaires, allant de l’analyse bibliographique à la validation expérimentale à l’échelle d’un élément de paroi.

Dans un premier temps, une étude bibliographique approfondie sera menée afin d’identifier les matériaux à changement de phase (MCP), les matrices et les liants déjà étudiés dans la littérature. Cette analyse permettra de recenser les systèmes présentant les meilleures compatibilités chimiques, tout en mettant en évidence leurs avantages et leurs limites sur les plans mécaniques, énergétiques et environnementaux. L’objectif sera de dégager des pistes pertinentes pour la formulation de composites performants et durables, adaptés à une intégration dans des parois de bâtiments légers.

Dans un second temps, un programme expérimental conséquent sera mis en œuvre en laboratoire afin de développer différentes formulations de liants alternatifs intégrant des MCP. Le choix des liants retenus dans ce plan d’expérience s’appuiera sur leur compatibilité chimique et mécanique avec les MCP, ainsi que sur leur impact environnemental. Cette phase expérimentale constituera une part essentielle du travail de thèse. Elle visera, d’une part, à analyser et à comprendre les interactions physico-chimiques entre le liant et les MCP et, d’autre part, à caractériser les propriétés thermiques des matériaux développés, notamment leur conductivité thermique et leur capacité calorifique. Une attention particulière sera accordée à la durabilité des composites, point crucial pour garantir la pérennité de la solution. Leur comportement sera étudié face à un grand nombre de cycles thermiques répétés autour du point de fusion des MCP.  Cette évaluation reposera sur une combinaison d’essais thermique et mécaniques, mais également de caractérisation plus fine comme des observations au microscope électronique à balayage (MEB) ou par microtomographie (à rayons X).

Dans un troisième temps, une modélisation dynamique du comportement thermique d’un mur multicouche représentatif d’une structure légère sera réalisée, en intégrant le ou les composites développés du côté intérieur de la paroi. Cette approche permettra d’évaluer l’efficacité des différentes formulations pour limiter la surchauffe estivale, et d’identifier la solution la plus performante afin d’en optimiser les paramètres (épaisseur, propriétés thermiques, …). Enfin, un élément de paroi intégrant le composite optimisé sera testé en conditions dynamiques afin de mesurer expérimentalement sa capacité à absorber la chaleur, à décaler les pics thermiques et à réduire les variations de température intérieure.

Le Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions est un laboratoire universitaire de recherche dans le domaine de la science des matériaux et des structures de Génie Civil. Ses organismes de tutelle sont l’Université Toulouse III Paul Sabatier et l’INSA de Toulouse. Plus de 50 enseignant-es chercheurs-euses réalisent leur recherche au LMDC.

Le LMDC propose des solutions scientifiques permettant un développement durable et une gestion éco responsable du patrimoine immobilier, infrastructures de génie civil et habitat. Dans ce but il développe des matériaux innovants pour le Génie Civil, il améliore la compréhension des phénomènes physico-chimiques pouvant nuire à la durabilité des matériaux de construction, il met au point des méthodologies et des techniques pour la requalification, le diagnostic, et la maintenance des ouvrages existants.

Quatre services permettent d’assurer le bon fonctionnement de la recherche au laboratoire. Le service mécanique , le service chimie-microstructure , le service physique et le service informatique et modélisation.

Le (la) candidat(e) devra être titulaire d’un diplôme de niveau M2 réalisé en Europe, avec une composante majeure en sciences de matériaux, et notamment pour ceux du Génie Civil. Une première expérience dans un laboratoire de recherche (public ou privé) est nécessaire pour pouvoir candidater. Une lettre d’appréciation des encadrants pour cette expérience constituerait un atout.

Des compétences supplémentaires en transfert de chaleur seraient appréciées, ou tout du moins de l’appétence pour les questions liées à la thermique des bâtiments.

Ce projet comportant une forte composante expérimentale, le (la) candidat(e) devra démontrer sa motivation pour les activités expérimentales en laboratoire, et être capable de travailler en autonomie. Enfin, la maitrise de l’anglais à l’écrit et nécessaire. Les candidats anglophones sont acceptés.