Thèse Développement de Bio-Géopolymères Bas Carbone à Partir de Précurseurs Secondaires et d'Activateurs Alcalins Biosourcés Formulation Performances et Analyse de Cycle de Vie H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Picardie - Jules Verne École doctorale : Sciences, Technologie, Santé Laboratoire de recherche : LTI - Laboratoire des Technologies Innovantes Direction de la thèse : Geoffrey PROMIS ORCID 0000000301450559 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-21T23:59:59 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 (NaSiO), leur empreinte carbone propre (environ 1,5 kg CO-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 SiO ), 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.
Le secteur du bâtiment représente près de 40 % de la consommation énergétique finale en France et en Europe, et contribue de façon significative aux émissions de CO. La RE2020, entrée en vigueur en 2022, impose une réduction progressive de l'empreinte carbone des bâtiments neufs sur l'ensemble de leur cycle de vie, avec des objectifs croissants de sobriété matière et d'intégration de ressources renouvelables. Ce cadre s'inscrit dans les trajectoires de la SNBC à l'horizon 2050 et du REE 2024. Mais ce contexte réglementaire ne raconte qu'une partie de l'histoire. Les projections du GIEC sont claires : les modifications du climat en Europe seront profondes et durables (hausses des températures moyennes, intensification des épisodes caniculaires, évolution des régimes hydriques, recrudescence des événements extrêmes). Les bâtiments de demain devront fonctionner dans des conditions que leurs prédécesseurs n'ont jamais connues. Cela impose d'anticiper dans l'acte de bâtir : les matériaux doivent à la fois atténuer les changements climatiques par leur faible empreinte carbone, et contribuer à l'adaptation aux changements climatiques par leurs propriétés hygrothermiques, leur inertie et leur résilience face aux nouvelles sollicitations environnementales. C'est précisément ce double enjeu qui donne toute sa pertinence au développement de bio-géopolymères performants et circulaires. Objectif général :
Développer un géopolymère bas-carbone exclusivement constitué de ressources secondaires minérales et d'activateurs alcalins biosourcés, présentant des performances multiphysiques (mécaniques, thermiques, hygriques) compatibles avec les exigences de la RE2020, et dont la durabilité environnementale est validée par une ACV complète et multicritère.

Objectifs spécifiques :
- Établir un état de l'art structuré sur les précurseurs secondaires, les activateurs bio-alcalins et les stratégies de substitution des silicates industriels dans les systèmes géopolymériques.
- Formuler et optimiser des géopolymères à partir de terres excavatées, déchets de briques et cendres de bois, activés par des solutions issues de cendres de paille et de verre non recyclable.
- Caractériser les mécanismes réactionnels (dissolution, polycondensation, formation des gels N-A-S-H et C-(A)-S-H) propres aux systèmes bio-alcalins complexes.
- Déterminer les propriétés multiphysiques des formulations optimisées : résistance mécanique, conductivité thermique, comportement hygrique, durabilité.
- Réaliser une Analyse de Cycle de Vie complète intégrant le recyclage en boucle fermée.
- Développer des blocs biosourcés renforcés par des fibres végétales locales (miscanthus, chanvre, paille) et évaluer leurs performances en conditions représentatives d'usage.
Le programme est organisé en cinq étapes sur trois ans, du fondamental vers l'appliqué. La première étape est une revue bibliographique structurée, destinée à cadrer les paramètres déterminants et à définir l'espace expérimental. La deuxième porte sur la préparation et la caractérisation chimique et minéralogique des matières premières, puis sur l'optimisation des ratios précurseurs/bio-activateurs par plan d'expériences. La validation chimique de la réaction géopolymérique est assurée par DRX, FTIR et RMN. La troisième étape est consacrée à la caractérisation expérimentale complète des matériaux : propriétés mécaniques, thermiques, hygriques et durabilité (résistance aux acides, gel-dégel, lixiviation). La quatrième réalise l'ACV multicritère sous openLCA avec la base Ecoinvent. La cinquième développe et caractérise les blocs composites biosourcés. Chaque étape est associée à un livrable scientifique identifié. Les périodes en cotutelle Tunisie/France sont planifiées pour tirer parti des compétences et des équipements des deux plateformes.

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

• Rigueur et méthode
• Chimie