Topic description
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 (Na₂SiO₃), leur empreinte carbone propre (environ 1,5 kg CO₂-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 RE, 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 ₂ SiO ₃ ), 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.
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Geopolymers are often presented as a credible alternative to Portland cement: depending on the mix design, their GHG emissions are 30 to 70% lower. But this balance remains fragile. The conventional precursors (fly ash, ground granulated blast-furnace slag, metakaolin) are in structural decline in Europe, a direct consequence of the phase-out of coal and the transformation of the steel industry. As for industrial alkali activators, and sodium silicate (Na₂SiO₃) in particular, their own carbon footprint (around 1.5 kg CO₂-eq per kilogram produced) can cancel out a substantial share of the expected gains. This two-sided problem ( on precursors and on activators alike) is the fundamental limitation that current hybrid approaches fail to address.
The GEO-BIO Alkalis project aims to develop a new low-carbon geopolymer binder, formulated exclusively from secondary and bio-based resources. It follows a circular economy trajectory aligned with the requirements of the RE regulation, the French State of the Environment Report, and the National Low-Carbon Strategy. Its originality lies in the combined use of local mineral precursors (excavated soils, brick waste) and biomass-derived alkali activators (straw ash, wood-energy ash), together with the valorisation of non-recyclable waste glass. The project targets the complete substitution of conventional industrial silicates (NaOH, Na₂SiO₃), while maintaining the expected technical performance.
This project follows a retro-innovation approach, revisiting vernacular knowledge of mineral activation to transpose it into a rigorous scientific framework. The scientific and technical barriers to overcome are clearly identified:
• no geopolymer formulation currently relies exclusively on locally available secondary resources;
• the dissolution and gel structuring mechanisms in complex bio-alkali systems remain poorly understood;
• the chemical stability and reproducibility of plant-derived activators are not yet guaranteed;
• no published LCA incorporates closed-loop circularity for this type of material.
The project therefore pursues several specific objectives:
• Formulate a geopolymer binder with no reliance on primary resources or industrial chemicals;
• Understand the chemical structuring mechanisms in complex bio-alkali systems;
• Optimise the multiphysical properties (mechanical and hygrothermal performance) of the material;
• Model its environmental impact through a comprehensive life cycle assessment;
• Integrate this binder into bio-based insulating blocks reinforced with local plant fibres (miscanthus, hemp, alfa grass…).
This structuring project will address several scientific and technological barriers related to the reactivity of secondary precursors, the stability of bio-based activators, the fibre/matrix interface, and the recyclability of the material. It builds on the complementary expertise of LTI-UPJV and the LGC at ENIT (Tunisia), and will contribute to establishing a new territorial supply chain for sustainable bio-based geopolymers.
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Début de la thèse : 01/10/
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Financement d'un établissement public Français
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