EcoMatériaux et économie circulaire

L’axe « EcoMatériaux et Économie circulaire » du CERI MP  regroupe deux thèmes de recherche  : 

• Recyclage des polymères, composites et matériaux de génie civil
• Valorisation des déchets et matériaux biosourcés

Recyclage des polymères, composites et matériaux de génie civil

Dans cette logique de développement durable, ce thème a choisi de s’intéresser aux « matériaux issus des déchets (matériaux alternatifs) issus du génie civil ou polymères et composites à propriétés d’usage spécifiques » qui peuvent constituer une nouvelle alternative aux exigences précitées. Le point d’ancrage dans la réflexion scientifique est la microstructure que le matériau doit posséder pour conduire aux propriétés d’usage souhaitées (logique du material by design). L’originalité de ce thème concerne l’application de cette dernière à une grande diversité de matériaux multiphasés, couvrant la palette des matériaux organo- minéraux et provenant de gisements nobles ou recyclés.  Cette diversité de culture aussi bien dans la nature des constituants que dans les procédés de mise en œuvre devrait permettre une ouverture scientifique riche d’innovations.

Missions :

La mission principale des chercheurs de ce thème est de s’intéresser(conception, formulation ,études mécanique et environnementale ) aux grandes familles de matériaux issus de déchets ci-dessous :

• Les mélanges intimes de polymères (polymères non miscibles conduisant à des phases distinctes),

• Les polymères alvéolaires (polymère comportant des cellules ouvertes et/ou fermées),

• Les polymères fonctionnalisés par ajout de particules (nanométriques et micrométriques), de fibres (courtes, longues ou continues),

• Les associations de matériaux (multicouches),

• Les matériaux granulaires hétérophasés cohésifs utilisés en génie-civil (bétons, bétons armés, bétons fibrés, mortiers, etc…),

• Les matériaux granulaires hétérophasés plus ou moins cohésifs utilisés en génie-civil (sols, assises routières, etc…).

Les Travaux :

Le CERI MP développe depuis plusieurs années des compétences reconnues dans différents domaines en lien avec la valorisation matière. Ci-dessous quelques exemples de travaux :

• Incorporation des matériaux alternatifs dans des matrices polymères : la substitution de certaines charges minérales dans la fabrication de polymères composite par des déchets est une des pistes développées au sein du CERI MP. Cette incorporation dans les polymères et composites nécessite la maitrise d’autres paramètre lors de la formulation tel que la température de mise en œuvre et l’ouvrabilité des mélanges.

• Réintégration des plastiques et composites recyclés dans les unités de production

• Amélioration de la recyclabilité des plastiques et des composites en fin de vie

• Valorisation matière des plastiques/composites

• Etude de la durabilité des matériaux de construction. Pour ce faire la démarche adoptée pour la réalisation d’une étude performancielle pour une classe d’exposition donnée :

-1. Composition du béton, composition du liant et qualité des granulats => Optimisation, en amont, de la composition des bétons et le choix de liants (liants recomposés, ecoliants).

-2. Justification par essais de durabilité sur béton ou mortier selon la norme NF EN 206/CN (article 5.3.3) (essais performanciels et/ou indicateurs de durabilité) et également d’essais spécifiques à des environnements non pris en compte par cette norme  => identification des essais les plus pertinents à réaliser en fonction de la classe d’exposition (attaque sulfatique, attaque acide, attaque par des microorganismes, alcali granulat, carbonations, gel-dégel, porosité accessible à l’eau, porosité à l’air, etc.)

-3. Propriétés microstructurales (minéralogie, micro-indentation sous MEB, etc.) => une caractérisation fine des matériaux entrants dans la composition des bétons permet de bien choisir/sélectionner ces derniers afin d’avoir des matériaux durables (réactions internes ou externes comme par exemple la formation d’ettringite secondaire).

Axes de Recherche :

Les axes principaux de recherche de ce thème sont trois et ont pour objectif d’étudier :

1. D’une part les nouvelles façons de concevoir les matériaux actuels en utilisant les matériaux de génie civil ,composites et polymères issus des recyclages, et d’autres part Comment maximiser les propriétés recherchées par rapport au coût et à la quantité de matière et d’énergie utilisée pour les créer et les mettre en œuvre,

2. Le potentiel de réutilisation de la matière en fin de cycle de vie, sous différentes formes et dans différentes applications pour générer de nouveaux matériaux.

3. Les possibilités d’adapter, et si c’est nécessaire modifier, les procédés et des équipements de mise en œuvre traditionnels de la plasturgie en adaptant les règles de conception des pièces, des outillages et des machines pour pouvoir utiliser les plastiques ou autres issus des déchets ou de fin de vie.

Devant la complexité et la transversalité en termes de compétences de ces domaines, la mission principale de l’équipe consiste à comprendre les couplages complexes qui régissent les interactions entre les matériaux et leur environnement à travers une approche multi-échelle expérimentale complétée par des simulations numériques.  Ainsi, l’élément important pour le fonctionnement de ce thème est la division en plusieurs sous-thèmes afin à la fois de faciliter l‘orientation global de l’équipe, de favoriser les interactions entre les chercheurs pour faire ressortir les compétences transversales et de créer de l’autonomie et de la souplesse de fonctionnement au sein de chaque projet industriel.

Valorisation des déchets et matériaux biosourcés

Depuis plusieurs années, la consommation mondiale des matériaux utilisés dans les domaines de la construction, est en très forte croissance. L’exploration et l’exploitation des gisements actuels et futurs sont de plus en plus réglementées et difficiles d’accès pour des raisons économiques, sociétales et environnementales. Dans un contexte accru de préservation de l’environnement, la gestion et la valorisation des déchets, sous ou coproduits industriels demeurent des enjeux incontournables, tant financiers qu’environnementaux et positionnés au cœur des politiques de développement durable.

La maitrise des contraintes, géotechniques, mécaniques, environnementales et de durabilités, de ces nouveaux matériaux dans le contexte économique et social actuelle ne suffit plus à elle seule au développement de filières de valorisations durables et de boucles d’économie circulaire viables. La prise en compte de couplages et interactions complexes et multi-objectifs liés à ces contraintes est une réelle nécessité. En plus La nouvelle réglementation environnementale (RE 2020) pour les bâtiments neufs incite à utiliser des modes constructifs qui émettent peu de gaz à effet de serre, voire qui permettent de stocker temporairement du dioxyde de carbone, comme c’est le cas des matériaux biosourcés.

Missions :

La mission principale est la conception de matériaux et d’éco-matériaux (biosourcés ou non) de performance .  Cette dernière repose sur la forte pluridisciplinarité de l’équipe. Ce domaine est très vaste et en conséquence l’équipe s’est focalisée sur certains sujets selon une double logique : d’une part, une logique de continuité sur certains thèmes où l’équipe possède une bonne visibilité comme pour les aspects de valorisation des déchets et d’autre part,  sur des sujets émergents à travers l’étude des interactions entre matériaux de construction classique ou biosourcés et micro-organismes.

Les principaux travaux sont :

1.  Conception et réalisation des matériaux à base des sédiments. Au sujet  des travaux , au niveau bilan des projets sur la valorisation des sédiments, des avancées scientifiques significatives ont été réalisées notamment vis-à-vis de l’impact des hétérogénéités sur les lois de comportement mécanique des sédiments et sur l’influence des méthodes de traitements sur le comportement des matériaux formulés à base de sédiments par la réalisation d’essais en laboratoire et par la réalisation de pilotes (route à base des sédiments)instrumentés qui sont suivis sur plusieurs années. Ces études ont été menées à travers de nombreux contrats associant les gestionnaires de sédiments (GPMD, MEL, VNF, …) et des partenaires industriels (Colas, Italcementi, Lhoist, Baudelet, Envisan, …), l’objectif ultime étant de créer des filières de valorisation. Un des projets structurants de cette thématique a été la mise en place de la chaire Industrielle EcoSed. Digital 4.0 voir Site web : https://ecoseddigital.wp.imt.fr
2. Incorporation des fibres recyclées ou biosourcées dans les matrices cimentaires ou polymères : Le renforcement des matrices par des fibres végétales ou à base minérale issus de déchets est un vrai défi. Le traitement de ces fibres est souvent indispensable pour améliorer leurs propriétés d’adhérence et de renfort. Différents procédés de traitements sont ainsi développés.
3. Fabrication de liants hydrauliques/alcali-activés/géopolymères. Certains déchets, sous ou co-produits industriels peuvent avoir un fort potentiel de valorisation, souvent après activation, en tant que liant ou addition minérale. Les équipes de recherche ont ainsi su développer de nouveaux liants hydrauliques, alcalis activés ou à base géopolymère. Ce développement passe souvent par la mise en place de nouveaux procès de fabrication tel que la calcination flash ou par la maitrise d’équilibres chimiques complexes dans le cas de l’activation alcaline et la géo polymérisation
4. Valorisations des granulats de démolition produits localement dans le nord de la France et la Belgique,  dans le cadre du projet Interreg Valdem

Axes de recherches :

La stratégie de recherche de ce thème est basée sur le principe de l’économie circulaire pour élaborer des matériaux durables en respectant l’environnement et la biodiversité

Deux axes de recherche :

Le premier porte sur la substitution de matériaux d’origine fossile par des produits tout ou en partie biosourcés issus des déchets ou coproduits . Les matériaux considérés peuvent être des polymères thermoplastiques (à base d’amidon, de PLA) ou thermodurcissables (précurseurs à base d’huiles végétales) utilisés seuls ou en mélanges, des charges (nanocharges) et/ou des renforts (fibres naturelles). Il convient alors de les mélanger / modifier / formuler / traiter (notamment par des procédés réactifs (extrusion ou rotomoulage réactifs, polymérisation in-situ), des traitements mécaniques (étirage) ou physiques (irradiation), l’ajout d’additifs (plastifiants, agents d’expansion) eux-mêmes biosourcés, de façon à combler leur déficit de propriétés par rapport à leurs homologues d’origine fossile, à renforcer les interfaces, à faciliter leur mise en œuvre, accéder à des fonctionnalités particulières. Il convient par ailleurs, sur la base d’une analyse fine des relations process / structure / propriétés (mécaniques instantanées et à long terme, fonctionnelles), d’adapter les conditions de transformation ainsi que les procédures de conception des produits et des outillages à cette classe particulière de matériaux (sensibilité à la dégradation thermomécanique, hétérogénéité et anisotropie particulières induites par la transformation). L’objectif est de conserver des performances et fonctionnalités au moins équivalentes à celles des polymères ou composites substitués, et ceci en adaptant, et si c’est nécessaire modifier, les procédés et des équipements de mise en œuvre traditionnels de la plasturgie en adaptant les règles de conception des pièces, des outillages et des machines

Le deuxième est la substitution de granulats conventionnels (fillers, sables, graviers) dans la formulation des matériaux de construction par des produits issus des déchets ou coproduits. Ce domaine de recherche combine à la fois des connaissances sur la maitrise des arrangements et compacités granulaires et sur l’évaluation des performances de ces nouveaux matériaux après substitution tout en vérifiant l’impact environnementale et de durabilité de cette substitution au regard des normes en vigueur.