Développement de bio-géopolymères bas carbone à partir de précurseurs secondaires et d'activateurs alcalins biosourcés : formulation, performances et analyse de cycle de vie // Development of low-carbon bio-geopolymers from secondary precursors and bio-ba

Les géopolymères sont souvent présentés comme une alternative sérieuse au ciment Portland : leurs émissions de GES sont, selon les formulations, de 30 à 70 % inférieures. Mais ce bilan reste fragile. Les précurseurs usuels (cendres volantes, laitier de haut fourneau, métakaolin) sont en déclin structurel en Europe, directement lié à la sortie du charbon et à la transformation de la sidérurgie. Quant aux activateurs alcalins industriels, et en particulier au silicate de sodium (Na₂SiO₃), leur empreinte carbone propre (environ 1,5 kg CO₂-éq par kilogramme produit) peut annuler une part substantielle des gains escomptés. Ce double problème, sur les précurseurs et sur les activateurs, est la limite fondamentale que les approches hybrides actuelles ne résolvent pas.

Le projet GEOpolymères à BIO-alcalins vise alors à développer un nouveau liant
géopolymère bas-carbone, élaboré exclusivement à partir de ressources secondaires
et biosourcées. Il s'inscrit dans une trajectoire d'économie circulaire alignée avec les
exigences de la RE2020, du Rapport sur l'État de l'Environnement et de la Stratégie
Nationale Bas-Carbone. Son originalité réside dans l'utilisation conjointe de
précurseurs minéraux locaux (terres excavées, déchets de briques) et d'activateurs
alcalins issus de la biomasse (cendres de paille, de bois-énergie), associés à la
valorisation de verres hors filières de recyclage. L'objectif du projet porte sur la
substitution totale des silicates industriels conventionnels (NaOH, Na ₂ SiO ₃ ), tout
en assurant les performances techniques attendues.

Ce projet s'inscrit dans démarche de rétro-innovation, qui réinterroge ces savoir-faire vernaculaires pour les transposer dans un cadre scientifique rigoureux. Les verrous à lever sont précis :
• aucune formulation géopolymérique ne repose aujourd'hui exclusivement sur des ressources secondaires localement disponibles ;
• les mécanismes de dissolution et de structuration des gels dans les systèmes bio-alcalins complexes restent mal connus ;
• la stabilité chimique et la reproductibilité des activateurs végétaux ne sont pas garanties ;
• aucune ACV publiée n'intègre la circularité en boucle fermée pour ce type de matériau.

Le projet vise ainsi plusieurs objectifs spécifiques :
• Formuler un liant géopolymérique sans recours à des ressources primaires ni à des produits industriels ;
• Comprendre les mécanismes de structuration chimique dans des systèmes bio-alcalins complexes ;
• Optimiser les propriétés multiphysiques (performances mécaniques et hygrothermiques) du matériau ;
• Modéliser son impact environnemental à l'aide d'une analyse de cycle de vie complète ;
• Intégrer ce liant dans des blocs isolants biosourcés, renforcés par des fibres végétales locales (miscanthus, chanvre, alfa…).

Ce projet structurant permettra de lever plusieurs verrous scientifiques et technologiques liés à la réactivité des précurseurs secondaires, à la stabilité des activateurs biosourcés, à l'interface fibre/matrice et à la recyclabilité du matériau. Il s'appuiera sur la complémentarité des expertises du LTI-UPJV, et du LGC de l'ENIT (Tunisie), et contribuera à structurer une nouvelle filière territoriale de géopolymères biosourcés durables.
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Geopolymers are often presented as a credible alternative to Portland cement: depending on the mix design, their GHG emissions are 30 to 70% lower. But this balance remains fragile. The conventional precursors (fly ash, ground granulated blast-furnace slag, metakaolin) are in structural decline in Europe, a direct consequence of the phase-out of coal and the transformation of the steel industry. As for industrial alkali activators, and sodium silicate (Na₂SiO₃) in particular, their own carbon footprint (around 1.5 kg CO₂-eq per kilogram produced) can cancel out a substantial share of the expected gains. This two-sided problem ( on precursors and on activators alike) is the fundamental limitation that current hybrid approaches fail to address.

The GEO-BIO Alkalis project aims to develop a new low-carbon geopolymer binder, formulated exclusively from secondary and bio-based resources. It follows a circular economy trajectory aligned with the requirements of the RE2020 regulation, the French State of the Environment Report, and the National Low-Carbon Strategy. Its originality lies in the combined use of local mineral precursors (excavated soils, brick waste) and biomass-derived alkali activators (straw ash, wood-energy ash), together with the valorisation of non-recyclable waste glass. The project targets the complete substitution of conventional industrial silicates (NaOH, Na₂SiO₃), while maintaining the expected technical performance.

This project follows a retro-innovation approach, revisiting vernacular knowledge of mineral activation to transpose it into a rigorous scientific framework. The scientific and technical barriers to overcome are clearly identified:
• no geopolymer formulation currently relies exclusively on locally available secondary resources;
• the dissolution and gel structuring mechanisms in complex bio-alkali systems remain poorly understood;
• the chemical stability and reproducibility of plant-derived activators are not yet guaranteed;
• no published LCA incorporates closed-loop circularity for this type of material.

The project therefore pursues several specific objectives:
• Formulate a geopolymer binder with no reliance on primary resources or industrial chemicals;
• Understand the chemical structuring mechanisms in complex bio-alkali systems;
• Optimise the multiphysical properties (mechanical and hygrothermal performance) of the material;
• Model its environmental impact through a comprehensive life cycle assessment;
• Integrate this binder into bio-based insulating blocks reinforced with local plant fibres (miscanthus, hemp, alfa grass…).

This structuring project will address several scientific and technological barriers related to the reactivity of secondary precursors, the stability of bio-based activators, the fibre/matrix interface, and the recyclability of the material. It builds on the complementary expertise of LTI-UPJV and the LGC at ENIT (Tunisia), and will contribute to establishing a new territorial supply chain for sustainable bio-based geopolymers.
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Début de la thèse : 01/10/2026
WEB : https://www.u-picardie.fr/lti/laboratoire-eco-materiaux-habitat-soutenable/

Financement d'un établissement public Français

Université de Picardie - Jules Verne

585 Sciences, Technologie, Santé

Formation requise : • Master 2 (ou équivalent ingénieur) en génie civil, science des matériaux, chimie des matériaux ou physique du bâtiment. • Solides bases en chimie minérale et en matériaux cimentaires ou alcali-activés ; une première expérience en géopolymères est un atout. • Maîtrise des techniques de caractérisation physico-chimique courantes (DRX, FTIR, MEB). • Connaissance ou intérêt avéré pour l'ACV et les outils associés (openLCA, SimaPro, Ecoinvent). Compétences et qualités attendues : • Rigueur méthodologique, autonomie et capacité à travailler dans un contexte de cotutelle internationale. • Bonne maîtrise du français (langue principale de travail) et niveau opérationnel en anglais scientifique (rédaction d'articles). • Goût pour le travail expérimental en laboratoire et pour la modélisation environnementale. • Capacité à communiquer ses travaux à l'écrit comme à l'oral (conférences, rapports d'avancement). • Capacité à travailler en équipe pluridisciplinaire et interculturelle, dans le cadre d'une cotutelle franco-tunisienne • Écoute active et aptitude au dialogue scientifique avec des interlocuteurs de formations différentes (chimistes, physiciens, ingénieurs civil) • Curiosité intellectuelle et ouverture aux approches expérimentales non balisées, inhérentes à un sujet encore peu documenté • Capacité à accepter l'incertitude, à reformuler ses hypothèses et à tirer parti de résultats inattendus, qualité particulièrement utile sur un sujet à fort contenu exploratoire
Required qualifications: • Master's degree (or equivalent engineering degree) in civil engineering, materials science, materials chemistry, or building physics. • Strong background in inorganic chemistry and cementitious or alkali-activated materials; prior experience with geopolymers is an asset. • Proficiency in standard physicochemical characterisation techniques (XRD, FTIR, SEM). • Knowledge of, or demonstrated interest in, life cycle assessment and associated tools (openLCA, SimaPro, Ecoinvent). Expected skills and personal qualities: • Methodological rigour, autonomy, and ability to work within an international co-supervision framework. • Good command of French (primary working language) and operational level of scientific English (article writing). • Enthusiasm for experimental laboratory work and environmental modelling. • Ability to communicate research findings both in writing and orally (conferences, progress reports). • Ability to work within a multidisciplinary and intercultural team, in the context of a Franco- Tunisian joint PhD. • Active listening skills and aptitude for scientific dialogue with colleagues from different disciplinary backgrounds (chemists, physicists, civil engineers). • Intellectual curiosity and openness to uncharted experimental approaches, inherent to a topic that remains largely undocumented in the literature. • Ability to embrace uncertainty, revise working hypotheses, and draw constructive insight from unexpected results, a quality that is particularly valuable on a subject with a strong exploratory dimension.