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Equipe Durabilité des éco-matériaux et structures

Depuis le 1er janvier 2020, l’équipe de Recherche sur la Durabilité des éco-Matériaux et des Structures (DMS), est associée en tant que partenaire à l’unité de recherche « Laboratoire de Mécanique et Génie Civil » -LMGC (UMR 5508 CNRS, Université de Montpellier). Cette association répond à l’objectif de proposer au LMGC une approche matériau globale et systémique.

Le LMGC IMT Mines Alès

 

Présentation générale

L’activité de recherche de l’équipe Durabilité des éco-Matériaux et des Structures (DMS) consiste à proposer une vision globale du développement des éco-matériaux et de leur interaction avec leur milieu d’usage.

La photo identitaire de l'équipe DMS

Le développement de ces matériaux et de ces structures doit combiner les notions de résistance mécanique, de durabilité, qu’il s’agisse de structures du génie civil ou de composites performants pour l’industrie. Ces travaux doivent contribuer au développement d’éco-matériaux, qu’ils soient biosourcés ou recyclables, ce pour une construction plus durable et une écologisation des filières industrielles.

L’approche transdisciplinaire intègre la formulation et la mise en œuvre de ces matériaux, leur caractérisation physico-chimique et mécanique et de la modélisation prédictive et multiphysique pour un usage de ces matériaux en condition de service.

Au-delà des fonctionnalités et des performances attendues, des exigences de service et de durabilité, ces développements scientifiques sont menés avec une vision de développement durable.

Thèmes de recherche

Les objectifs visés à travers l’axe Matériaux et Structures du GC sont d’une part le recyclage et l’optimisation de l’utilisation des matériaux traditionnels et d’autre part, la réduction du bilan carbone et l’utilisation “raisonnée” de tensio-actifs. S’agissant de l’axe Eco-composites à Matrice Polymère, l’équipe s’intéresse à l’utilisation de matériaux aisément recyclables ou de moindre impact pour l’environnement. 

Dans cette approche matériaux, les thèmes abordés couvrent des activités relatives à la mécanique des matériaux et vient accompagner la filière matériau du stade des ressources matières au produit fini. Les travaux sont basés sur des approches numériques et expérimentales visant l’impact de la microstructure sur les propriétés mécaniques et la durabilité des composites à matrice polymère.

Les objets d’études sont les suspensions et les matériaux granulaires utilisés en construction. La démarche multi/échelle relevant de la science des matériaux vise à expliciter les relations pouvant exister entre la composition, la micro/méso structure et la propriété finale souhaitée. La méthodologie combine des compétences pluridisciplinaires en génie-civil/mécanique et physico-chimie. 

  • Matériaux granulaires pour la construction : la substitution de matériaux naturels peu poreux par des matériaux alternatifs poreux (bétons de démolition, agro-ressources, granulats légers artificiel) permet un allègement des bétons de structure et une augmentation du caractère isolant des bétons pour l’enveloppe. Toutefois compte tenu de leur forte porosité ces matériaux alternatifs sont susceptibles en fonction de leur état de saturation d’absorber ou de restituer des quantités d’eau importantes vis-à-vis de la pâte et donc d’impacter le comportement du béton à l’état frais et durcis. Ces inclusions sont susceptibles d’être moins rigides et plus déformables que la pâte d’enrobage et peuvent conduire à la fissuration de cette dernière en lui imposant un trop haut niveau de déformation. 
  • Dispersion, réactivité et stabilité des suspension : la substitution d’une partie du ciment Portland par des ajouts minéraux, l’utilisation seul ou en mélange de ciments complémentaires au ciment Portland (ciments alumineux, sulfo-alumineux) permettent de réduire l’impact environnemental de la production de ciment Portland et d’améliorer certaines propriétés dont la durabilité. La multiplication de ces constituants associés à l’emploi d’une large gamme d’adjuvants en vue de moduler les propriétés du béton et d’activer les ajouts minéraux, nécessite la compréhension et la maitrise de la dynamique et de la réactivité de ces systèmes. 

Les activités scientifiques de l’axe contribuent à l’optimisation de la mise en œuvre et de la durabilité des matériaux composites à matrice polymères. Les travaux menés sont généralement associés à l’étude de la formulation des matériaux, du procédé de mise en œuvre du composite, de l’identification des comportements endommageables et/ou évolutifs sous sollicitations de service. 

Deux volets principaux regroupent l’ensemble des travaux réalisés:

  • Le Développement de méthodes expérimentales de caractérisation : comportement de renforts fibres longues, suivi de propriétés mécaniques par analyse vibratoire, instrumentation photomécanique d’essais statiques et dynamiques, étude du couplage hydro(hygro)-thermo-mécanique, rhéologie en fondu, caractérisation de textures nanométriques par Microscopie à Force Atomique (AFM). 
  • Modélisation multiphysique : homogénéisation de composites à matrice polymère et de mélanges de polymères (composites particulaires, composites à fibres courtes et matériaux stratifiés à fibres longue); modélisation des procédés et de la durabilité en environnement contrôlé 

Ce schéma classique d’analyse en sciences des matériaux, par ailleurs identique à celui suivi au sein de l’axe MSGC, peut s’appliquer aussi bien à la mise en œuvre des composites à partir de la connaissance de leurs constituants qu’à la modélisation prédictive de leur vieillissement pour des conditions couplées. A ce titre, un certain nombre d’outils de caractérisation et de modélisation du comportement mécanique des matériaux sont développés communément aux deux thèmes : ils concernent la dynamique des structures par analyse vibratoire et la modélisation multi-physique des transferts et du contact. 

De même, cette méthode itérative, couplant caractérisation et modélisation prédictive pour élever les performances du matériau dans des conditions de service attendues, aborde également des aspects physicochimiques liés à la compatibilisation entre constituants, à la formulation et/ou au procédé généralement traités en collaboration avec des chercheurs de l’UPR PCH d’IMT Mines Alès.

Projets de recherche

Propriétés de transfert dans les bétons recyclés
Gaz Permeability versus Porosity at 100 microns of the coarse aggregate GARCIA-DIAZ, E. ; LE SAOUT, G. ; DJERBI, A. Chapter 9 : Microstructure of recycled concrete in: Concrete Recycling : Research and Practice, CRC Press Taylor and Francis Group, Edited by François de Larrard, Horacio Colina, (2019), 145-160, NA: natural concrete / 0S 100R: recycled concrete: 100% of substitution of coarse aggregates / 30S 30R: recycled concrete: 30% of substitution of fine and coarse aggregates.

La relation perméabilité porosité est  identique pour les bétons naturels et recyclés de classes de résistance 25, 35 et 45 MPa avec un seuil de percolation pour la porosité de l’ordre de 17 à 18%. Pour les bétons de classes C25 et C35 les valeurs plus élevées des propriétés de transferts sont à mettre en relation avec des interphases pâte-granulat plus poreuses suite à un transfert vers la pâte d’une partie de l’eau d’absorption des granulats recyclés. Ces travaux sont issues d’une collaboration avec le CERIB et l’IFSTTAR Marne la Vallée dans le cadre du projet ANR ECOREB et du projet national RECYBETON (https://www.pnrecybeton.fr/) pilotés  par l’IREX.

Comportement mécanique de bétons de granulats légers
MALACHANNE E., SASSINE R., GARCIA-DIAZ E., DUBOIS F., Numerical model for mechanical behavior of lightweight concrete and for the prediction of local stress concentration Construction and Building Materials, 2014, 59, 180-187.

Un outil numérique a été mis au point en collaboration avec le service COMPEX du LMGC UMR 5508 pour calculer la résistance à la compression de bétons légers à base de granulats d’argile et de schiste expansés. Il est basé sur l’approche phénoménologique développée par F. de Larrard (de Larrard F., Concrete mixture proportioning : a scientific approach, London and New York : E/FN SPON ; 1999)  à savoir : une rupture dans les bandes de compressions maximales  du mortier d’enrobage suite au niveau de déformation imposé par les granulats légers beaucoup moins rigide que le mortier d’enrobage. Cet outil a été confronté avec succès à des données expérimentales et pour des bétons d’argile et de schiste expansés de résistances comprises entre 20 et 80 MPa. 

Agro-bétons pour l’enveloppe des constructions
CHABANNES M., BENEZET J.C., CLERC. L., GARCIA-DIAZ E., Use of raw rice husk as natural aggregate in a lightweight insulating concrete: An innovative application, Construction and Building Materials, 2014, 70, 428-438 LRC : Bétons de balles de riz LHC : Bétons de chanvre HS bétons stabilisés à 50% HR D bétons séchées à 60°C.

Un agro-béton pour l’isolation des bâtiments à base de balle de riz de Camargue a pu être développé. Les performances obtenues sont comparables à celles des bétons de chanvre. Pour une masse volumique sèche équivalente, les bétons de balles de riz présentent des conductivités plus faibles suite à la formation d’une macroporosité inter-particulaire plus importante due à la forme en « coque de bateau » des particules de balles de riz. 

  1. Caractérisation des fibres et faisceaux pour une meilleure maîtrise de ces renforts fibreux  : il est étudié la relation structure-propriétés des fibres végétales en intégrant l’évolution du comportement et de la morphologie de la fibre avec son environnement (Garat et al. 2018).
    Variations dimensionnelles et comportement mécanique de plusieurs espèces de fibres végétales en conditions hygrothermiques contrôlées
    Variations dimensionnelles et comportement mécanique de plusieurs espèces de fibres végétales en conditions hygrothermiques contrôlées.
  2. Des travaux sont également engagés sur la Biomécanique de l’arbre en partenariat l’équipe BOIS) de l’UMR LMGC et le CIRAD (Bossu et al. 2018).
    Modélisation numérique des propriétés mécaniques locales du bois (anisotropie, rigidité variable, angle du fil). Mise en évidence du rôle bénéfique du contrefil sur la rigidité macroscopique de torsion du tronc
    Modélisation numérique des propriétés mécaniques locales du bois (anisotropie, rigidité variable, angle du fil). Mise en évidence du rôle bénéfique du contrefil sur la rigidité macroscopique de torsion du tronc.
  • Composites particulaires et mélanges de polymères
  1. Le comportement mécanique de la matrice polymère ou mélanges de polymères peut présenter des aspects phénoménologiques particuliers en lien avec son arrangement moléculaire. L’impact de la microstructure du mélange sur les propriétés est étudié au travers d’essais mécaniques à l’état solide mais également d’essais rhéologiques à l’état fondu. On peut citer la réponse anisotrope de films polymères produit à base de PEBD/PEBDL ou de leurs substituts biosourcés PBS et l’analyse de leur effet mémoire (thermorétraction) (Thèse Violette Bourg). Ces essais permettent de connaître l’affinité entre ces polymères leur conférant ainsi un arrangement spécifique (morphologisation nodulaire, co-continue, fibrillaire…).
    Relation entre mise en forme, orientation et rétraction de films PEBD/PEBDL
    Relation entre mise en forme, orientation et rétraction de films PEBD/PEBDL.
  2. La modélisation numérique de la réponse rhéologique de ces mélanges ouvre la voie à l’amélioration des performances mécaniques via une compatibilisation chimique du mélange. On peut citer l’étude de la compatibilisation d’un mélange PS/PA6 à partir de nanoparticules de silice bifonctionnelles (Parpaite et al. 2016).
    Comportement rhéologique en écoulement de mélanges de polymères nanochargés
    Comportement rhéologique en écoulement de mélanges de polymères nanochargés.
  3. Pour ces mélanges ou texturation particulière, l’essai « simple » peut devenir un essai de structure pour lequel l’instrumentation photomécanique associé à un recalage de modèle par Eléments Finis permet d’identifier le comportement. On peut citer le phénomène de striction (PET recycle, iPP/nanotubes de carbone) (accueil de chercheurs E. Ivanov 2013, R. Kotsilkova 2014). La même approche est à considérer s’agissant du comportement hyperviscoélastique des tissus fibrillaires mous en lien avec leur description biologique (Caro et al.  2016).
    Modélisation mésoscopique du comportement à striction d’un polymère chargé de nono-tubes de carbone
    Modélisation mésoscopique du comportement à striction d’un polymère chargé de nono-tubes de carbone :instrumentation photomécanique à l’échelle mésoscopique.
  4. On retrouve cette démarche de modélisation prédictive dans les travaux relatifs aux composites particulaires à charges microscopiques. L’étude et la modélisation de ces matériaux par homogénéisation doit intégrer la notion d’interface partiellement cohésive ainsi qu’une confrontation modèle/expérience. On peut citer l’étude de l’endommagement cavitationnel abordé lors de l’étude de la valorisation de déchets phénoplastes au sein de matrices thermoplastiques (Thèse Fabien Bernardeau 2018) ou l’effet de la distribution de la taille et de la dispersion de particules de silice au sein d’une matrice polymère sur le comportement à rupture du composite (Siot et al. 2018). Dans ce but, des méthodes de caractérisation morphologique à l’échelle nanoscopique par AFM sont développés.
    Caractérisation morphologique par AFM d’un mélange de polymère ABS/PP.
    Caractérisation morphologique par AFM d’un mélange de polymère ABS/PP.
  • Eco-composites à fibres longues : 
  1. Dans le cadre de l’étude des Composites à fibres longues, ce thème s’intéresse aux matériaux composites de substitution aux composites à matrice d’origine pétrosourcée et renfort minéraux. L’amélioration des performances de ces matériaux passe également par une meilleure gestion de leur microstructure (Berges et al. 2016). De plus, les renforts naturels utilisés en substitution aux renforts minéraux présentent une sensibilité importante à l’environnement.
    Impact du procédé de thermocompression (effet de la pression) sur la morphologie et la tenue mécanique d’un biocomposite à renfort de fibres végétales.
    Impact du procédé de thermocompression (effet de la pression) sur la morphologie et la tenue mécanique d’un biocomposite à renfort de fibres végétales.
  2. La modélisation prédictive du comportement du composite nécessite alors d’introduire des notions additionnelles telles que le caractère naturel polyforme de ces fibres, mais également des phénomènes de mécanosorption (Regazzi et al. 2016 ; Apolinario-Testoni et al. 2015).
    Evaluation expérimentale et modélisation prédictive du vieillissement sous chargement multi-physique du composite : modélisation statistique de la micro-structure à plusieurs échelles.
    Evaluation expérimentale et modélisation prédictive du vieillissement sous chargement multi-physique du composite : modélisation statistique de la micro-structure à plusieurs échelles.
  3. Homogénéisation et modélisation prédictive des propriétés ultimes: modélisation multi-échelle du comportement mécanique statique et dynamique.
    Evaluation expérimentale et modélisation prédictive du comportement à l’impact de composites stratifiés.
    Evaluation expérimentale et modélisation prédictive du comportement à l’impact de composites stratifiés.

Ces travaux sont menés en collaboration avec l’équipe MéTICE de l’UMR LMGC, le réseau IMT (Albi (ICA) et Saint Etienne), l’Institut Pascal de SIGMA Clermont, le FEMTO de Besançon et la région Occitanie (AD’OCC).

Thèses

Ci-dessous la liste des thèses soutenues en 2019 par des doctorants placés sous l’encadrement d’un enseignant-chercheur d’IMT Mines Alès dans l’unité de recherche LMGC (Laboratoire de mécanique et génie civil) : 

  • Dr Damien RASSELET, étude de nanocomposites basés sur des alliages PLA/PA11 ; encadrement de thèse : José-Marie LOPEZ-CUESTA/ Aurélie TAGUET / Anne-Sophie CARO-BRETELLE, soutenue le 10 janvier. Accéder à la thèse : https://www.theses.fr/2019EMAL0001
  • Dr Yannick Igor FOGUE DJOMBOU, caractérisation de l’endommagement des lauzes calcaires du Massif central ; encadrement de thèse : Éric GARCIA-DIAZ / Philippe DEVILLERS / Stéphane CORN / Laurent CLERC, soutenue le 29 mai. Accéder à la thèse : https://www.theses.fr/2019EMAL0003
  • Dr Charles SIGNORET, valorisation de matières premières secondaires (MPS) thermoplastiques en mélange issues de tri spectroscopique en ligne ; Projet Mélanie ; encadrement de thèse : Didier PERRIN / Patrick IENNY / José-Marie LOPEZ-CUESTA / Anne-Sophie CARO-BRETELLE, soutenue le 3 octobre. Accéder à la thèse : https://www.theses.fr/2019EMAL0005

 

  • HAKIM EBRAHIMI, Mohammadullah. Une méthodologie moderne pour la construction en terre en Afghanistan. Encadrement de thèse : GARCIA-DIAZ Eric, DEVILLERS Philippe
  • MOSSER, Lucas. Béton à faible impact environnemental - Nouveaux liants et Nouveaux procédés. Encadrement de thèse : GARCIA-DIAZ Eric         
  • SALAH, Nesrine. Modélisation du comportement mécanique des bétons avec prise en compte des propriétés interfaciales : influence du durcissement et de la lixiviation. Encadrement de thèse : CARO-BRETELLE  Anne-Sophie, EL YOUSSOUFI Moulay Saïd
  • BEL HAJ FREJ, Haithem. Comportement mécanique et tenue en service de composites recyclables pour application nautique. Encadrement de thèse : IENNY Patrick, PERRIN Didier 
  • MARCHI, THIBAUT. Influence de la qualité de la pâte du béton parent sur le phénomène de cure interne dans des bétons haute performance à base de granulats recyclés. Encadrement de thèse : GARCIA-DIAZ Eric, DEVILLERS Philippe
  • BOUKAR, Ahmed. Etude du comportement à l’impact de composites stratifiés : influence de la séquence d’empilement sur les propriétés résiduelles post-impact. Encadrement de thèse : IENNY Patrick    
  • GONZALEZ, Adrien. Développement de composites 2.0 performants de nouvelle génération à base de fibres de carbones recyclées pour application nautique. Encadrement de thèse : IENNY Patrick        
  • JEANTET, Louis. Fonctionnalisation plasma de composites Nylon/fibres de carbone recyclées mis en forme par dépôt de filament fondu. Encadrement de thèse : IENNY Patrick, REGAZZI Arnaud
  • BARNEOUD CHAPELIER, Angélique. Etude de l’influence combinée de différents adjuvants sur l’état de dispersion et la réactivité de pâtes de ciment sulfoalumineux bélitiques. Encadrement de thèse : LE SAOUT Gwenn, AZEMA Nathalie
  • USANASE, Gisèle. Étude des principaux facteurs de mobilisation de la pollution organique dans le contexte du dragage de sédiments portuaires. Encadrement de thèse :         AZEMA Nathalie, GONZALEZ Catherine 
  • REIVER, Rachel. Étude des principaux modes d’action de systèmes accélérateurs des ciments Portland aux ajouts. Encadrement de thèse : AZEMA Nathalie, LE SAOUT Gwenn.

Partenariats

Par son activité axée sur le développement des éco-matériaux et des structures, l’équipe DMS présente un réseau institutionnel et industriel fort en région occitane. Qu’il s’agisse des structures de Génie Civil pour le maritime ou de composites dédiés à l’industrie nautique, DMS joue un rôle clé dans l’animation du SRI Economie du littoral pour de l’AD’OCC et participe au Comité de pilotage du Pôle Mer Méditerranée. 

Dans le cadre de sa participation à la stratégie de recherche développé par l’IMT à travers ses thématiques phare, l’équipe DMS est acteur de la thématique phare "Matériaux à haute performance et éco-matériaux" et plus spécialement du sous-groupe "Matériaux composites".

Dans le cadre de la création de la plateforme EDMOS, Évaluation des Dispositifs Médicaux en Odontologie et Stomatologie en 2018, un partenariat est effectif avec le LBN et le CHU Montpellier.

La collaboration avec l’UPR PCH a conduit à la création de la plateforme MOCABIO sur la mise en œuvre et la caractérisation des biocomposites, financée par la région Occitanie.

Sur le plan national de nombreuses collaborations

  • Thème EMP: IXBLUE, SEGULA, ARKEMA, PELLENC, SUEZ, SKYTECH, EXTRACTHIVE, DECATHLON, WINDELO, ORANGE MARINE, ERDF
  • Thème MSGC : CERIB, ARTELIA, SEGULA, CRYSO

En savoir plus sur la recherche partenariale à IMT Mines Alès

Les ancrages institutionnels régionaux concernent l’UMR LMGC dont l’équipe est membre, l’IES de Montpellier, l’ENI de Tarbes, l’ICA de l’IMT Mines Albi et le LMDC de Toulouse. Hors région les collaborations institutionnelles concernent l’I2M de Bordeaux, le DRIVE de Nevers, le FEMTO de Besançon, le CIMAP de Caen, l’IMT Saint Etienne, le département PIMM de l’ENSAM.

La création de l’IGC Institut du Génie Civil de l’IMT créé en2016 traduit une collaboration entre les IMT Mines Alès, IMT Lille Douai avec un pilotage commun de l’enseignement et de la recherche dans le domaine du Génie Civil

L’équipe DMS est membre actif des regroupements scientifiques suivants :

  • GDR CNRS n°3661 Polynano « Polymères nanochargés »
  • GDR CNRS n° 3542 MECAFIB « Mécanique Multi-échelles des Milieux Fibreux »
  • Consortium BIOLAM : DRIVE (Nevers), FEMTO (Besançon), IMT Saint Etienne, CIMAP (Caen), ENIT (Tarbes) 
  • Animation du GT EcoMatériaux (MECAMAT).

L’équipe DMS a développé des partenariats académiques et industriels dans le cadre de différents programmes Européens H2020 (HERMES, POLIFRIL, projet RCN) : laboratoires de recherche des universités de Sciences et Technologies de Norvège (NTNU), de Chalmers, Sheffield, Melbourne et l’entreprise norvégienne Borregaard (phénomènes de dispersion/ agglomération lors du mélange ciment- lignosulfonates) ; Tampere University of Applied Sciences (instrumentation d’essais dynamiques).

En savoir plus sur l’action internationale à IMT Mines Alès

Contact

Patrick Ienny

Responsable d'équipe de recherche

patrick.ienny@mines-ales.fr
DMS label - Figaro - Génie civil
DMS label - ODD9 Industrie innovation
DMS label - ODD12 Production responsable
DMS label - ODD14 Ecosystèmes aquatiques