Evaluation de la permanence du carbone du biochar dans les matériaux cimentaires

 :Partenaires :

• France Ciment : https://www.franceciment.fr/
• Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions (LMDC), INSA/Université de Toulouse : https://www.lablmdc.fr/
• Lithospheric Organic Carbon (LOC), Aarhus University (Danemark) : https://geo.au.dk/en/research/researchareas/department-groups/lithosphericorganiccarbon

Lieux :

Lieu d’accueil principal : LMDC à Toulouse. Inscription à l’école doctorale MEGeP : https://adum.fr/as/ed/actu.pl?site=megep

Quelques séjours ponctuels à Holcim Lyon.

Trois ou quatre séjours de 2 mois au LOC.

Contexte :

Le rapport du GIEC sur le réchauffement planétaire de 1,5°C, publié en 2018, a reconnu le potentiel du biochar en tant que méthode d’élimination du dioxyde de carbone (CDR : Carbon Dioxyde Removal) pour diminuer les gaz à effet de serre (GHG) de l’atmosphère. Le biochar, le captage et le stockage pyrogénique du carbone (PyCCS) y ont été cités comme technologies d’émission négatives prometteuses. Plus récemment, le Sixième rapport d’évaluation du GIEC de 2021 a souligné le biochar comme un élément nécessaire pour atteindre les objectifs de l’Accord de Paris de 2015.

Pour pouvoir être séquestré sur le long terme, le carbone des biochars ne doit pas être oxydé en CO/CO₂ (en présence de l’oxygène de l’air). De nombreuses études ont montré que la persistance du carbone des biochars dans les sols varie avec les conditions environnementales d’exposition.

Leng et al. (2019) ont classé l’approche de la persistance des biochars dans les sols en trois domaines :

• ultimate analysis (ratios molaires H/C et O/C) reliée à la condensation aromatique et au degré d’aromaticité du carbone du biochar : H/C<0,4 et O/C<0,6 garantissent une stabilité du carbone du biochar sur 100 ans,
• proximate analysis mettant en jeu des essais de vieillissement chimique en présence d’agents oxydants pour évaluer le comportement à l'oxydation du biochar,
• long term analysis (tests d’incubation) : les expériences d'incubation et de temps de résidence moyen dans le sol, permettent de proposer des lois de prédiction de la dégradation du carbone dans les sols.

Même s’il existe une classification EBC pour l’incorporation de biochar dans les matériaux de construction, le critère de persistance du carbone dans ces matériaux repose sur : i) les paramètres du biochar nu, à l’initial, avant incorporation dans le matériau de construction, et ii) sur des critères définis pour l’application du biochar en environnement sol. Par ailleurs, quelques études existent sur l’effet d’incorporation de biochar en matrice mortier ou béton sur la durabilité : effet d’accélération ou de ralentissement de carbonatation, modificateur du trajet migratoire des ions chlorures. Toutefois, aucune ne s’attache vraiment à démontrer l’évolution de la stabilité du carbone du biochar au sein des matériaux cimentaires, encore moins en fin de vie du matériau, lorsque celui-ci est démoli, pouvant potentiellement remettre certaines particules de biochar en contact avec l’oxygène de l’air. Et il n’existe également aucune recommandation auprès d’instances noramatives.

Programme de la thèse :

Etude bibliographique : essais de caractérisations principaux à réaliser sur les biochars et les matériaux composites, paramètres physico-chimiques des biochars influençant les propriétés des matériaux composites et la stabilité du carbone, méthode de caractérisation de la persistance de stockage du carbone par le biochar au sein d’un composite, scenarii de fin de vie des ouvrages béton, etc.

Interactions biochars/environnement cimentaire :

• Caractérisation des biochars
• Caractérisation des matériaux composites
• Stabilité du biochar en environnement cimentaire sans agression extérieure

Interactions matériaux/environnement extérieur

• Définition des procédures expérimentales de vieillissement accéléré
• Caractérisation des matériaux sous diverses sollicitations externes
• Persistance de la séquestration du carbone par les matériaux vieillis

Le Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions (LMDC – URU 3027) est une unité mixte de recherche de l'Université de Toulouse et de l'INSA Toulouse. Elle regroupe 57 EC, 18 personnels d’appui à la recherche et elle accueille une cinquantaine de doctorants et une dizaine de post-doctorants.

Le laboratoire est implanté sur deux sites à Toulouse et à Tarbes. Son expertise se situe dans le domaine du génie civil, en particulier dans l’étude des matériaux de construction, leur comportement mécanique, leur durabilité et leur impact environnemental.

Les travaux menés au LMDC s'inscrivent dans une approche multidisciplinaire, à l’interface de la physico-chimie des matériaux, de la mécanique, de la modélisation numérique et du diagnostic. Le laboratoire a pour ambition de répondre aux enjeux scientifiques et sociétaux liés à la construction durable, à la transition écologique des infrastructures, et à la revalorisation des matériaux dans le contexte du changement climatique.

Le LMDC organise ses activités de recherche autour de trois pôles :

- Développement et caractérisation de matériaux innovants

Le laboratoire conçoit et étudie de nouveaux matériaux à faible empreinte carbone : liants bas-carbone incorporant des laitiers ou des argiles calcinées, matériaux biosourcés ou issus de l’économie circulaire. L’objectif est de proposer des solutions constructives durables, performantes et respectueuses de l’environnement.

- Étude de la durabilité des matériaux et des ouvrages

Cet axe se concentre sur les mécanismes de dégradation des matériaux (corrosion des armatures, réactions de gonflement interne, attaques biologiques, etc.), ainsi que sur les phénomènes de transfert multi-physique (eau, gaz, chaleur). Il contribue également à la généralisation des approches performancielles en particulier pour les bétons incorporant des liants bas-carbone. L’enjeu est d’améliorer la durée de vie des infrastructures et d’anticiper leur vieillissement dans des environnements agressifs.

- Diagnostic, requalification et réhabilitation des structures existantes

Le LMDC développe des outils et méthodes pour le contrôle non destructif, l’auscultation, et la modélisation du comportement des structures vieillissantes. Il conçoit des stratégies de maintenance et de prolongation de la durée de vie des ouvrages. Il développe également des solutions pour améliorer le confort dans l’habitat et pour lutter contre les conséquences des ilots urbains de chaleur.

Pour mettre en œuvre ses recherches le laboratoire dispose de plateformes expérimentales de pointe, organisées en plusieurs services spécialisés :

- Service Chimie-Microstructure : analyse des matériaux à l’échelle microscopique et nanoscopique (microscopie électronique, diffraction des rayons X, analyse thermique et spectroscopique).

- Service Physique : mesures de perméabilité, porosité, transferts d’humidité, et comportement face à différents environnements (eau, CO₂, ions chlorures), méthodes de contrôle non destructif.

- Service Mécanique : caractérisation des propriétés mécaniques des matériaux (compression, traction, fatigue), essais multi-échelles, bâtis de fluage, simulation de sollicitations complexes et couplées.

- Service Modélisation et calculs numériques : modélisation multi-échelle des phénomènes de dégradation, simulations de comportement structurel à long terme.

Le LMDC est activement impliqué dans de nombreux projets de recherche nationaux et internationaux, en partenariat avec des entreprises du secteur du BTP, des institutions publiques et d'autres laboratoires académiques. Il fait notamment partie de l’Institut Carnot MECD (Matériaux et Équipements pour la Construction Durable), qui vise à promouvoir l’innovation dans le domaine de la construction.

Le LMDC entretient un réseau de relations socio-économiques très important, en particulier avec les grands donneurs d’ordre du domaine de l’Energie Electrique (EDF, Andra, ASNR), ainsi qu’avec des majors du BTP (VINCI, Eiffage, Colas). Il accueille chaque année plusieurs doctorants en Contrat CIFRE.

Le laboratoire est également très investi dans la formation par la recherche. Il accueille chaque année de nombreux étudiants en master, doctorat et post-doctorat. Il est rattaché à l’École Doctorale MEGEP (Mécanique, Énergétique, Génie Civil et Procédés).

Formation en génie civil ou chimie des matériaux souhaitée et/ou géochimie. Connaissances et expériences professionnelles en lien avec les matériaux cimentaires appréciées.