Biopolymères bio-inspirés pour le contrôle de la rhéologie et de l'hydratation des ciments à faible teneur en carbone

La réduction de l'empreinte carbone de l'industrie cimentière nécessite une double stratégie combinant le remplacement du clinker par des matériaux cimentaires supplémentaires (SCM) et le développement de nouveaux adjuvants compatibles avec ces liants alternatifs [1]. Cependant, les adjuvants chimiques actuels sont optimisés pour le ciment Portland et ne permettent souvent pas de contrôler la rhéologie, la structuration et l'hydratation des systèmes mélangés contenant du laitier (LF), du métakaolin (MK) ou des cendres volantes (FA).

Ce projet de doctorat propose une approche disruptive et bio-inspirée utilisant des biopolymères marins tels que le carraghénane, l'alginate et l'ulvan, extraits d'algues rouges, brunes et vertes, comme modificateurs multifonctionnels pour les ciments à faible teneur en carbone [2]. Ces polysaccharides naturels sont capables de former des réseaux ioniques tridimensionnels et d'interagir avec les espèces Ca2+, Al3+ et Si dans les solutions poreuses cimentaires [3]. Leur structure moléculaire suggère une capacité unique à moduler l'hydratation précoce, à favoriser la formation d'une structure réversible et à stabiliser les suspensions sans polymères synthétiques [4].

Les objectifs scientifiques sont (1) d'élucider les mécanismes physico-chimiques qui régissent l'interaction entre les biopolymères algaux et les liants multicomposants (OPC-LF-MK-FA), (2) d'évaluer leur impact sur la rhéologie, la cinétique d'hydratation et la formation de microstructures à l'aide de techniques combinées (rhéométrie, calorimétrie isotherme, ICP, XRD, SEM), et (3) d'établir des relations structure-propriété-performance conduisant à des règles de formulation prédictives.

La méthodologie consistera en l'extraction et la caractérisation systématiques des biopolymères algaux, suivies de leur incorporation à des dosages variables dans des ciments mélangés. Les analyses physico-chimiques et microstructurales seront complétées par des approches de modélisation afin de quantifier les phénomènes d'adsorption et de complexation. Des tests comparatifs permettront d'évaluer la compatibilité avec les ajouts minéraux et la reproductibilité des performances entre différents lots de biomasse.

Les résultats attendus comprennent la conception de nouveaux adjuvants écologiques dérivés de la biomasse marine renouvelable, améliorant à la fois les performances et la durabilité des ciments mélangés. En remplaçant ou en réduisant les polymères synthétiques, ces biopolymères permettront de réduire le carbone incorporé dans les formulations d'adjuvants et de mieux contrôler le comportement des matériaux cimentaires à un stade précoce.

La thèse débouchera sur (i) la formulation de nouvelles pâtes de ciment à faible teneur en carbone incorporant des adjuvants biopolymères optimisés, (ii) un modèle mécanistique reliant la structure moléculaire au comportement rhéologique et d'hydratation, (iii) au moins deux publications évaluées par des pairs dans des revues à fort impact (par exemple, Cement and Concrete Research, Construction and Building Materials), (iv) une présentation lors d'une conférence internationale, et (v) un brevet potentiel ou un prototype de transfert de matériaux pour les adjuvants biosourcés.

À long terme, le projet vise à contribuer à l'émergence d'une nouvelle classe de modificateurs rhéologiques biosourcés adaptés à la construction à faible teneur en carbone. Les applications potentielles comprennent le béton autoplaçant, imprimable en 3D et marin, avec une durabilité améliorée et un impact environnemental réduit. Ce travail exploratoire servira de base à de futurs projets de type ANR ou ERC sur les matériaux dérivés d'algues, les stratégies d'économie circulaire et l'ingénierie bio-inspirée des systèmes cimentaires.