Etude d'un mur en maçonnerie autorégulant intégrant des matériaux biosourcés et nanostructures de carbone: approche expérimentale et numérique basée sur l'ia // investigation of a self-regulating masonry wall incorporating bio-based materials and carbon

Topic description

Dans le cadre de cette thèse, la recherche porte sur le développement de matériaux composites innovants à base de matériaux biosourcés et bicomposites, en intégrant une matrice cimentaire modifiée afin de répondre aux exigences croissantes en matière de performance énergétique et de durabilité dans le secteur du bâtiment. Le béton, en tant que matrice de base, est enrichi par l'introduction de polystyrène expansé (EPS), un matériau polymère léger et isolant, dont l'incorporation vise à améliorer les propriétés thermiques du composite tout en réduisant sa masse volumique, un paramètre essentiel pour les structures allégées. Cette phase expérimentale implique une étude approfondie du comportement mécanique et thermophysique du béton modifié à l'EPS, réalisée en laboratoire à travers des essais normés.
Dans une deuxième étape, des renforts à base de carbone sont ajoutés afin de compenser la perte de résistance mécanique liée à l'introduction du polystyrène et d'accroître la longévité du matériau. Deux types de charges carbonées sont explorés : le carbone recyclé (CR), qui constitue une solution écoresponsable en valorisant des déchets carbonés tout en améliorant la durabilité du composite, et le carbone structuré ou orienté (SOUT), choisi pour ses propriétés mécaniques et thermiques supérieures, notamment en termes de rigidité et de résistance à la traction.
Ces formulations sont ensuite mises en œuvre sous forme de blocs de maçonnerie, éléments de base des parois de façade, afin d'évaluer leur comportement global en conditions proches de l'application réelle.
La troisième phase du travail vise l'optimisation avancée du matériau par l'intégration de nanostructures fonctionnelles, notamment les nanotubes de carbone (CNTs). Les CNTs, en raison de leur structure cylindrique à l'échelle nanométrique, permettent une amélioration significative de la conductivité thermique, de la résistance mécanique et de l'intégrité structurelle du composite.
La performance globale des matériaux développés est évaluée à travers une série de caractérisations thermophysiques et mécaniques, ciblant notamment le comportement thermomécanique (résistance à la chaleur, rigidité, dilatation thermique), les propriétés massiques (allègement, densité), la structure interne (homogénéité, distribution des renforts), ainsi que la durabilité et la recyclabilité. Ce travail est soutenu par des programmes de recherche basés sur l'intelligence artificielle.
L'objectif final est de concevoir un matériau composite multifonctionnel, à haute efficacité énergétique, capable d'être intégré dans des constructions neuves ou en rénovation, en particulier pour des bâtiments à basse ou très basse consommation, dans une logique de construction durable, de réduction des émissions de CO₂ et de valorisation des déchets.
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This research investigates the development of innovative composite materials derived from biosourced and bicomposite constituents, incorporating a modified cementitious matrix to address the increasing demands for energy efficiency and sustainability in the construction industry. Concrete, serving as the base matrix, is enhanced by the integration of expanded polystyrene (EPS)—a lightweight and insulating polymer—introduced to improve the material's thermal performance while reducing its density, a key parameter for lightweight structural applications.
The experimental phase involves an in-depth evaluation of the mechanical and thermophysical behavior of EPS-modified concrete through standardized laboratory testing.
Subsequently, carbon-based reinforcements are added to counteract the reduction in mechanical strength associated with EPS incorporation and to enhance the composite's overall durability. Two types of carbon fillers are explored: recycled carbon (CR), offering an eco-conscious solution by repurposing carbon waste while improving the longevity of the composite, and structured or oriented carbon (SOUT), selected for its superior mechanical and thermal properties, particularly in stiffness and tensile strength.
These formulations are then applied in the form of masonry blocks, fundamental components of building façade systems, to assess their performance under conditions representative of real-world applications.
In the final phase, the study focuses on the advanced optimization of the composite by integrating functional nanostructures, particularly carbon nanotubes (CNTs). Due to their nanoscale cylindrical structure, CNTs contribute significantly to the enhancement of thermal conductivity, mechanical strength, and structural integrity.
A comprehensive series of thermophysical and mechanical characterizations is conducted to evaluate key performance indicators, including thermomechanical behavior (resistance to heat, rigidity, thermal expansion), mass properties (density, lightness), internal structure (homogeneity, distribution of reinforcements), along with durability and recyclability. The research is further supported by artificial intelligence-based tools for modeling and optimization.
The ultimate goal is to develop a multifunctional, high-performance composite material suitable for both new construction and retrofitting, especially for low- and ultra-low-energy buildings, in alignment with the principles of sustainable construction, carbon footprint reduction, and waste recovery.
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Début de la thèse : 26/08/

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Financement d'un établissement public Français