Liste des projets de recherche
Chercheur en caractérisation d'un béton pour construction 3D F/H 3DB
Description
Type de financement :
Financement ANR
Nom responsable :
Dashnor Hoxha Laboratoire Gabriel Lamé
Laboratoire du responsable :
néant
Entreprise(s) partenaire(s) :
3D BETONS - Groupe Minier
Résumé :
1. Contexte
La fabrication additive, ou impression 3D, s’est développée très rapidement dans de nombreux secteurs industriels comme l’aéronautique, l’automobile, la médecine … Des polymères, des métaux, des céramiques … peuvent être imprimés en 3D pour réaliser de façon très rapide des prototypes de forme complexe, adaptés à un usage spécifique à l’utilisateur. Depuis plusieurs années, des expérimentations ont été engagées pour appliquer la fabrication additive au domaine de la construction, notamment en développant l’impression 3D des matériaux cimentaires, essentiellement des mortiers ou des pâtes. Plusieurs projets ou réalisations ont déjà vu le jour, mais la transposition du procédé à une échelle industrielle nécessite encore des progrès scientifiques et technologiques significatifs. Pour pouvoir être imprimé, le mortier doit notamment satisfaire à un cahier des charges très exigeant. Il doit tout d’abord être suffisamment fluide pour pouvoir être pompé puis extrudé sans subir de blocage ni de filtration. Une fois déposé, le matériau doit être constructible, c’est-à-dire qu’il doit raidir suffisamment rapidement pour pouvoir conserver sa forme sous son propre poids puis sous celui des couches supérieures. Après durcissement, il doit posséder des propriétés mécaniques compatibles avec les exigences de la construction.
Dans la plupart des procédés développés à l’heure actuelle, la constructibilité du mortier est assurée soit en accélérant fortement la prise du liant en sortie de la buse d’impression soit en imprimant un matériau fortement thixotrope qui raidit rapidement après dépôt. Dans les deux cas, les propriétés du matériau à l’état frais et durcissant doivent être contrôlées de manière très précise. La formulation des mortiers imprimables nécessite ainsi des quantités très élevées de ciment et des dosages très importants en adjuvants. De plus la maîtrise de leur comportement est très pointue et rend délicate l’utilisation de matériaux de substitution. L’impact environnemental des mortiers imprimables n’est donc, à l’heure actuelle, pas meilleur (voire moins bon) que celui des bétons mis en œuvre de manière traditionnelle.
Le travail proposé dans le cadre de cette thèse fait partie des travaux de développements entrepris par MiNiER dans le domaine de la construction avec l’objectif de mettre en place un système d’impression 3D à la fois économique, écologique et de haute performance, accessible et utilisable en pratique. Le système constructif est basé sur l’idée d’intégrer dans le mur imprimé un support de filet (synthétique à ce stade) qui assurerait la tenue du mur au moment de l’impression et contribuerait à son renforcement après la prise. Le filet est mis en œuvre en gainage externe en forme de boudin. La stabilité en cours d’impression n’est donc pas assurée dans ce cas par une prise rapide ou par la simple thixotropie du béton, mais par une action conjointe de la gaine et des propriétés du matériau. Dans ce nouveau procédé, le mode de dépôt, le fonctionnement du matériau à l’état frais (stabilité assurée par la gaine) et à l’état durci (renforts exercés par la gaine) et les caractéristiques du matériau (granulométrie, dosage et nature des constituants), diffèrent complètement des procédés d’impression 3D bétons de la littérature.
Pour cette raison, la société MiNiER et le laboratoire Gabriel Lamé proposent une thèse visant à formuler et caractériser le nouveau composite cimentaire gainé en vue de développer un nouveau procédé de construction par impression 3D.
2. Objectifs et contenu de la thèse
Le nouveau procédé devra être caractérisé sous plusieurs angles de vues. Tout d’abord, la faisabilité industrielle à faible cout du système devra être démontrée. A cette fin, une formule optimale de béton et un procédé simple et sûr de construction seront recherchés. Ensuite, la tenue du système ainsi mis en place vis-à-vis des exigences ELS et ELU d’un bâtiment pendant la phase de construction et au cours de la vie de la structure devra être prouvée. Dans cet objectif, des caractérisations sont nécessaires pour pouvoir alimenter les codes de dimensionnement de structures couramment utilisés dans les bureaux d’études. Entre autres, le rôle du filet/gaine vis-à-vis de la ductilité du mur paroi reste à être caractérisé et quantifié. Enfin, l’interaction de différents constituants du système imprimé (béton, filet, éléments accessoires) entre eux et avec l’environnement à long terme (variation de température, hygrométrie, confort thermiques et hydriques, durabilité à long terme, résistance au feu etc.) reste à être étudiée afin d’assurer la conformité du produit final avec l’ensemble des exigences de sécurité, de confort et sanitaires.
La thèse consistera donc en un travail de recherche appliqué, faisant appel à la fois à des techniques expérimentales, des travaux théoriques et de modélisation.
Travail expérimental :
- Formulation d’un béton “bas carbone” adapté à l’impression 3D, en tenant compte des contraintes spécifiques au procédé industriel
- Caractérisation du béton (comportement rhéologique à l’état frais, temps de prise, comportement mécanique et microstructure à l’état durci…)
- Choix d’une gaine appropriée (matériau, maille, …) en lien avec les caractéristiques du béton
- Caractérisation du système béton/gaine (maintien du béton à l’état frais, qualité de la liaison béton/gaine, interface entre les boudins, renfort mécanique de la gaine après durcissement, …)
- Mise en œuvre du procédé à taille réelle et caractérisation d’un élément de mur
Travail théorique et numérique :
- Le travail expérimental précédent sera guidé par les simulations numériques (homogénéisations numériques sur des cellules périodiques, calcul/dimensionnement des structures)
- Développement de l’élément numérique « mur imprimé gainé » pour l’utilisation dans les plateformes
3. Informations pratiques
La thèse aura une durée de trois ans et sera réalisée conjointement au sein de la société MiNiER et du laboratoire Gabriel Lamé (au moins pour la moitié du temps).
Le travail sera particulièrement adapté pour un doctorant possédant une formation d’ingénieur ou un Master en matériaux, avec des bases solides dans la formulation des bétons, la production additive, la caractérisation des matériaux et/ou le dimensionnement des structures en bétons et les méthodes numériques.
Les candidatures (CV et lettre de motivation) sont à envoyer à :
Prof Dashnor HOXHA, directeur de thèse : dashnor.hoxha@univ-orleans.fr
Prof. Sébastien REMOND, codirecteur de thèse : sebastien.remond@univ-orleans.fr
Dr. Laurent JOSSERAND, encadrant : laurent.josserand@univ-orleans.fr
Mot(s)-clé(s)
- Béton
- Comportement physique et mécanique
- Construction
- Éco-Construction
- Matériaux
- Modélisation
- Rhéologie
- Structures