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Offre de thèse en Génie Civil, Science des Matériaux (Céramiques) et Chimie des Ciments

Titre: Durabilité de matrices cimentaires pour le conditionnement de déchets organiques liquides soumises à séchage et carbonatation

Supervision : Prof. Catherine Davy (Centrale Lille Institut), Prof. V. Baroghel-Bouny (Université Gustave Eiffel), Dr. D. Lambertin (CEA Marcoule)

Contexte scientifique

Cette thèse est financée par le programme européen de recherche Horizon 2020, dans le cadre du projet PREDIS : https://predis-h2020.eu/. Ce contexte très porteur favorise les échanges internationaux, la formation inter-laboratoires et la recherche collaborative dans le domaine du stockage et la gestion des déchets de l’industrie nucléaire. Ce projet concerne particulièrement l’encapsulation par cimentation des déchets organiques liquides issus de cette industrie, qui est l’une des principales pourvoyeuses d’électricité actuelles en France et en Europe.

Le travail de la thèse concerne des déchets liquides organiques de référence (LOR), analogues non radioactifs aux déchets industriels à encapsuler. Ceux-ci peuvent provenir de diverses activités au sein des centrales nucléaires, telles que les huiles de pompes ou pour la lubrification de boites de vitesse. Ils sont actuellement stockés dans des conteneurs temporaires, qui pourraient présenter des fuites à long terme. Cette problématique explique le besoin d’une solution de conditionnement sûre, fiable et durable.

Contrairement aux ciments Portland classiques, les ciments alcali-activés, et en particulier les géopolymères, ont prouvé leur efficacité pour l’encapsulation de grandes quantités de liquides organiques (LO) [Cantarel et al 2018 ; Davy et al. 2019].

En l’absence de LO, la durabilité de ces ciments a été largement étudiée [Shi et al. 2019], afin de déterminer leurs performances sous l’effet de sollicitations hydriques, chimiques, mécaniques et thermiques dues à leur environnement (air ambiant chargé en CO2, fluides chargés de minéraux dissous, humidité, température, etc.). La durabilité des ciments alcali-activés dépend largement de leur composition physico-chimique (réseau poreux, phases solides et arrangement spatial des deux). Par contre, la durabilité des LO encapsulés dans des ciments alcali-activés est encore peu abordée dans la littérature. Ces limitations justifient ce sujet de thèse, et permettent d’anticiper des contributions significatives et innovantes au domaine.

 Pourquoi cette thèse est-elle faite pour vous ?

Ce projet contribue au domaine de la Science pour une Planète en Mutation (Science for a Changing Planet), en apportant des solutions concrètes et appliquées à la gestion de déchets critiques pour nos générations et pour les générations futures. Il va apporter des connaissances et des compétences nouvelles au (à la) doctorant(e) dans le domaine des ciments à bas carbone, de la formulation de matériaux cimentaires, de la caractérisation de ces matériaux (majoritairement amorphes) et de la durabilité des matériaux. En particulier, les ciments à bas carbone sont des matériaux de construction clés pour diminuer l’impact des activités humaines sur la Terre. Ils sont aussi utiles pour contribuer à une économie locale et circulaire.

Cette thèse est aussi une opportunité unique pour être guidé par trois superviseurs aux compétences complémentaires, avec une approche bienveillante et apportant un encadrement de proximité, issus de trois établissements distincts : Prof. Catherine A. Davy (Centrale Lille Institut, précédemment Ecole Centrale de Lille), Prof. V. Baroghel-Bouny (Université Gustave Eiffel, Paris Est, précédemment IFSSTAR) et Dr. HDR David Lambertin (CEA Marcoule).

Cette thèse est enfin une opportunité de développer des compétences spécifiques, via les activités de formation doctorale disponibles à l’échelle européenne (Finlande, Royaume Uni, Italie, Espagne, Bulgarie, Ukraine, etc.) dans le cadre du financement alloué par le projet Predis.

Bénéfices :

- Opportunité de développer des recherches dans le contexte d’une équipe de supervision conjointe, en au contact de 47 partenaires européens.

- Centrale Lille Institut est localisé à un carrefour de l’Europe, dans la métropole européenne de Lille, ville dynamique pour la vie étudiante, à 30 min de train de Bruxelles, et 1h de TGV de Paris.

Objectifs et approche proposée :

Le but de cette thèse est de progresser dans la caractérisation et la compréhension de matrices cimentaires de conditionnement de déchets LO. Dans ce but, deux approaches complémentaires seront développées. La comparaison systématique avec des matrices au ciment Portland classique sera effectuée tout au long du projet (matériau de référence).

La première approche consiste à recourir à des essais techniques normalisés, bien définis, permettant de vérifier la durabilité des composites ciment/LO sous l’effet de conditions expérimentales standard ou plus spécifiques, pour différentes formulations de ciment (différentes matières premières locales) et différents LO de référence. Cette approche nécessite une analyse approfondie des paramètres de mélange des composites ciment/LO, à la fois à l’état frais (étalement, rhéologie, seuil d’écoulement), au jeune âge (temps de prise), ou à l’état durci (ségrégation et ressuage, stabilité dimensionnelle i.e. retrait/gonflement, performances mécaniques à court et moyen terme, propriétés de transfert). Les matières premières seront sélectionnées en accord avec le consortium international du projet, afin de permettre une analyse comparative. L’approche performantielle développée par V. Baroghel-Bouny [Baroghel-Bouny, 2004] et les travaux de la RILEM (https://www.rilem.net) permettront de se focaliser sur les indicateurs de durabilité pertinents pour les ciments alcali-activés.

La 2e approche est complémentaire et plus fondamentale, puisqu’elle vise la compréhension des phénomènes, et en particulier les interactions entre le ciment et le LO dans un environnement particulier (carbonatation, lixiviation, etc.), reproduisant les conditions pratiques auxquelles les colis de déchets encapsulés seront soumis à l’échelle industrielle, lors du stockage. Un ensemble de méthodes expérimentales, disponibles auprès des partenaires du projet, seront employées pour caractériser l’émulsion de LO piégée dans le ciment durci (micro-tomographie de rayons X, spectroscopie Raman, etc.), la structure des pores du ciment (sorption-désorption d’azote) et les phases solides (principalement amorphes : DRX, RMN du solide, spectroscopie Raman ou infrarouge, etc.) à l’état de référence (à maturation), puis après une sollicitation externe (CO2, lixiviation sous eau).

Conditions pratiques :

Salaire mensuel : 1700€ net pendant 3 ans (36 mois), ne comprenant pas le matériel informatique (PC portable), les frais de mission, de formation ou d’échanges collaboratifs. Le (la) doctorant(e) bénéficiera d’un bureau dédié, d’un ordinateur personnel, et d’un accès complet aux moyens expérimentaux et numériques de Centrale Lille Institut. Des séjours au CEA et à l’Université Gustave Eiffel seront effectués à plusieurs reprises pendant les trois ans de thèse. Des réunions régulières seront mises en place avec l’équipe d’encadrement (au moins une fois par semaine), des opportunités de présenter le travail lors de réunions d’avancement du projet ou auprès d’industriels du domaine, lors de conférences nationales et internationales seront organisées. Le (la) doctorant(e) sera formé(e) à la rédaction d’articles scientifiques à destination de revues internationales à comité de lecture (ex : Journal of the American Ceramic Society, Cement and Concrete Research, Materials Letters).

Date de démarrage : 1er septembre 2021

Qui peut déposer sa candidature ?

Tout(e) candidat(e) intéressé(e) diplômé ou prochainement diplômé (en 2021) d’un Master Recherche (M2) ou équivalent (diplôme d’ingénieur) dans les Sciences pour l’Ingénieur, en particulier en Chimie du Solide, Génie Chimique, Génie Civil et/ou Science des Matériaux. Une bonne maîtrise de l’anglais sera appréciée. Une bonne curiosité pour la recherche, une envie de sortir des sentiers battus, et beaucoup de persévérance sont des qualités requises pour ce projet.

Comment déposer sa candidature ?

Tout(e) candidat(e) intéressé(e) est invité à envoyer son curriculum vitae, accompagné d’une lettre de motivation pour le sujet proposé à : catherine.davy@centralelille.fr

Le processus de sélection se fera au moyen de visio-conférences avec les trois partenaires. Une visite de Centrale Lille Institut pourra être organisée, si les conditions sanitaires le permettent. Le (la) candidat(e) fournira des exemples de rapports écrits par lui (elle) en français, voire en anglais.

Références bibliographiques :

Baroghel-Bouny, Scientific and technical documents of AFGC (AFGC), Paris, France, 240 p., 2004

Bernal and Provis, J Am Ceram Soc ,97(4) 997-1008, 2014

Cantarel et al. Ceram Int (44) 10558-10568, 2018

Davy et al. J Am Ceram Soc (102) 949-954, 2019

Marchon et al. Soft Matter (9) 10719-10728, 2013

Medpelli et al. J Am Ceram Soc (97)1 70-73, 2014

Seo et al. U.S. Patent No. US20130055924 A1, 2013

Shi et al. Cem Con Res. (122) 227-250, 2019