Tour d'horizon des activités du laboratoire GeM

Cinq enseignants-chercheurs du département Génie Civil de Polytech Nantes sont rattachés au GeM. Ils travaillent actuellement au sein de l’équipe Interaction Eau Géomatériaux IEG autour de 3 grands Axes de recherche.

• La durabilité des ouvrages en terre
• La durabilité des ouvrages en béton
• L’écoconstruction

Depuis de janvier 2022 le laboratoire GeM s’est réorganisé en 9 unités thématiques de recherche (UTRS) et les activités mentionnées ci-dessus vont se retrouver dans les 4 unités suivantes :

• Approche de l’ingénierie verte
• Procédés et durabilité des matériaux et des structures
• Géomécanique environnementale
• Mécanique et physique multiéchelle des matériaux

Avec Ouali Amiri, directeur adjoint du GeM, nous avons fait un tour d’horizon de ces différents projets.
 

Durabilité des ouvrages en terre (digues et barrages)

Les ouvrages hydrauliques tels que les digues et les barrages subissent des sollicitations hydrauliques et mécaniques qui accélèrent leur vieillissement par érosion interne et de surface.

Les phénomènes d’érosion restent mal connus et on recense régulièrement des incidents dans les barrages ou des ruptures de digues. Ceci engendre des risques de perte humaine et financière. L’intensification des phénomènes de houle et de crue avec le réchauffement climatique rend ces ouvrages plus vulnérables et augmentera les risques d’accidents et d’inondation des villes.

Fateh Bendahmane s’intéresse aux propriétés mécaniques de ces ouvrages, avec les effets d’échelles sur les matériaux qui les constituent, et la caractérisation des phénomènes d’érosion, pour mieux maitriser les risques de rupture et mieux cibler les réparations et la consolidation des ouvrages hydrauliques. L’originalité de ses travaux réside dans le couplage de la mécanique et l’érosion due à l’écoulement de l’eau dans les ouvrages. Ses recherches permettront de mieux estimer la résistance et de prédire le vieillissement de ce type d’ouvrage.
La figure ci-dessous montre un instrument original qui permet d’appliquer des sollicitations mécaniques et hydrauliques complexes à des échantillons de sol constituant les ouvrages, en étudiant les effets d‘échelles. 

Deux prototypes expérimentaux pour des essais hydro-mécaniques complexes
(à gauche pour un diamètre d’échantillon de 100mm ; à droite pour 300 mm de diamètre)

Une des perspectives de cette thématique est d’étudier la possibilité de renforcer les structures de protection du littoral (notamment les digues) par la valorisation des sédiments de dragage qui sont considérés comme un déchet.
Ces travaux s'intègrent dans plusieurs collaborations avec des entreprises et laboratoires nationaux et internationaux. On peut citer EDF, VERBUND (Autriche) et l'Université de Laval (Quebec).

Doctorants et post doctorants associés :

• Nadine Ali Hassan : Etude expérimentale et numérique de l’effet de l’écrêtage sur le comportement mécanique des sols grossiers. Collaboration scientifique avec Verbund (encadrement : Didier Marot - Fateh Bendahmane - Ngoc Son Nguyen).
• Bikram Oli : Suffusion et comportement mécanique sous sollicitations hydromécanique complexes ; Partenariat avec EDF et Verbund (encadrement : Didier Marot - Fateh Bendahmane - Rachel Gelet).

Durabilité des ouvrages en béton

Les projets de recherche sur cette thématique se concentrent sur l’étude de la corrosion des ouvrages en béton dans l’environnement marin dû à la fois au C02 de l’atmosphère et au sel de l’eau de mer. Le sel peut pénétrer dans le béton et provoquer des fissures de l’enrobage, entraînant un vieillissement prématuré des ouvrages.

C’est par exemple ce qui est arrivé au pont de Saint-Nazaire, construit en 1975 et qui a dû être consolidé en 2013 pour un coût total de 10 millions d’euros.

Cette faiblesse des constructions en béton dans un environnement marin encourage François Bignonnet et Ouali Amiri, enseignants-chercheurs, à travailler sur des matériaux alternatifs au ciment ordinaire qui seraient également plus écologiques (1 tonne de CO2 dégagée pour 1 tonne produite de ciment ordinaire).

Pour ce faire, ils analysent conjointement le cycle de vie et la durabilité des ouvrages grâce à des approches expérimentales et de modélisation. La modélisation des propriétés de ces matériaux complexes s’appuie sur le changement d’échelle. Cela permet de quantifier l’influence de la composition et de la microstructure, du nanomètre au centimètre, sur leurs propriétés. Ils modélisent ensuite le transport des agents agressifs (sel de mer) au sein des bétons pour anticiper le risque de corrosion des armatures. Enfin, ils testent la durabilité de certains matériaux face au sel de mer à petite échelle sur des éprouvettes ainsi qu’à grande échelle sur des éléments structurels.

Cette figure montre la transition d’échelle considérée pour l’étude des phénomènes de transfert
 

Dans ce domaine une autre pathologie du béton est également traitée. Elle concerne le gonflement des bétons due à la présence de l’ettringite secondaire ou différée, une espèce minérale composée de sulfate de calcium et d'aluminium hydraté. L’objectif étant de comprendre les mécanismes de gonflement et voir aussi la possibilité d’incorporer des matériaux recyclés (sables) pour limiter ces gonflements et l’impact carbone du domaine de la construction.
La figure ci-contre donne un exemple de présence d’ettringite secondaire sous forme de filaments entre les granulats et la pâte de ciment et donc les fissures induites.

Doctorants associés

• Mahmoud Hamdadou : Impact des fines de sables recyclés sur la durabilité des matériaux cimentaires -financement franco-algérien TASSILI- (encadrement : Nordine Leklou - François Bignonnet - Haridy Ranaivomanana).
• Jack Atallah : Modélisation multi-échelle des propriétés de transport des matériaux cimentaires avec substitution en laitiers -financement ANR DEMCOM- (encadrement : Stéphanie Bonnet - François Bignonnet - Haridy Ranaivomanana).

Ces travaux s'intègrent dans plusieurs collaborations avec des entreprises et laboratoires nationaux et internationaux tels que l'USTHB (Algérie), le laboratoire LaSIE (Université de La Rochelle) et le projet national Recybéton.
 

Activités sur la valorisation de la construction en terre

Dans la France du début du XXème siècle, les constructions en terre étaient très répandues et de nombreuses maisons des environs étaient bâties grâce à la technique de la bauge. Cette technique consiste à mélanger de la terre argileuse avec de l’eau et des fibres végétales comme la paille pour façonner les murs d’une habitation.

Nabil Issaadi, enseignant-chercheur, en collaboration avec d’autres membres du GeM, s’intéresse à la dimension écologique de cette technique réalisée avec des matériaux 100% naturels. Pour redynamiser ce type de construction, il est important de maîtriser le comportement hygrothermique et énergétique des constructions en terre crue à l’échelle du matériau, de la paroi et du bâtiment, afin de mettre en exergue l’apport réel de cette technique d’écoconstruction.
La figure ci-contre montre des essais d’hydrothermie réalisés sur un mur en terre crue d’échelle 1 dans une chambre bioclimatique.

Deux thèses, financées par l’ADEME et la région Pays de la Loire, sont actuellement en cours sur ce sujet. La première, débutée en octobre 2019, avec le doctorant Junior Tchiotsop s’intéresse à l’effet de la variabilité des  propriétés de la terre crue sur son comportement hygrothermique. La seconde, commencée en octobre 2021, est portée par le doctorant Yassine Belarbi qui s’intéresse à la résistance à l’eau de la terre crue et plus généralement à l’impact de son vieillissement sur son comportement énergétique.

En parallèle, Nabil Issaadi travaille sur un projet autour des îlots de chaleur urbain et les mesures d’adaptation de l’environnement urbain aux contraintes du réchauffement climatique. Les évolutions du climat questionnent la sureté et l’obsolescence des environnements urbains en raison de leur mode d’organisation a priori inadapté à ces évolutions et de la densité des populations qui y vivent, qui expose de ce fait un grand nombre de personnes exposées aux aléas d’origine climatique. Au niveau local, les autorités travaillent à la conception de plans d’adaptation qui se déclinent à différents niveaux (Plan National d’Adaptation au Changement Climatique, Plan Régional pour le Climat, etc.). Un projet de thèse Cifre est alors monté avec l’entreprise INGEROP en collaboration avec le CEREMA et le  CSTB. Le doctorant Merveil Muanda Lutete s’intéresse à la mise en place d’une méthodologie d’évaluation de ces solutions d’adaptation climatique pour permettre aux collectivités et aménageurs un choix éclairé entre les solutions existantes et plus de garanties sur les performances attendues.

 

Doctorants associés :

• Junior Tchiotsop, 20192022, Maitrise de la variabilité mutiéchelle des propriétés hygrothermiques des constructions en bauge en vue d’une prédiction énergétique plus fiable (encadrement : Stéphanie Bonnet - Nabil Issaadi - Philippe Poullain).
• Yassine Belarbi, 20212021, Effet du vieillissement sur la consommation énergétique de bâtiment en terre crue (encadrement : Stéphanie Bonnet - Nabil Issaadi - Philippe Poullain).
• Merveil Muanda Lutete,  2021-2024, Évaluation des mesures d’adaptation de l’environnement urbain aux contraintes du réchauffement climatique (encadrement : Marjorie Musy - Nabil Issaadi).

Cette activité a bénéficié du soutien de l’ADEME à travers 2 thèses et se développera à travers le projet national terre crue et la collaboration avec le CEREMA et l’UGE.

Recyclage des déchets du BTP et mise au point de nouveaux liants

Briques, pierres, bétons, bois, plâtre… les déchets du secteur du bâtiment et des travaux publics sont importants et ont une part significative de l’impact environnemental de la vie d’un bâtiment.

Ouali Amiri et Jérôme Claverie, enseignants-chercheurs, travaillent sur un projet de recyclage de ces déchets avec l’objectif de les incorporer aux nouvelles constructions, par le biais de granulats recyclés. Il faut cependant s’assurer que l’incorporation de ces granulats recyclés garde les mêmes propriétés que les constructions classiques et qu’elles soient notamment capable de fixer le CO₂
La photo ci-dessous donne un exemple de béton non carbonaté (couleur violette) et carbonaté (couleur grise).

Sur un plan, une stratégie de recherche est mise en œuvre dans l’objectif de développer des liants bas carbone à base de combinaison de précurseurs qui sont souvent des déchets (laitiers, argiles calcinées, cendres volantes.) et d’activateurs alcalins (NaOH, KOH…).

Plus spécifiquement, Jérôme Claverie récemment arrivé au GeM étudie les phénomènes d’hydratation à l’échelle moléculaire moyennant les simulations atomistiques (dynamique moléculaire) réalisées sur les ciments classiques. La perspective étant d’appliquer cette technique à des liants bas carbone.
 

Doctorants associés :

• Farah Kadah : Etude multi-échelle de la capacité de captage de CO2 par les granulats recyclés (encadrement : Emmanuel Rozière - Ouali Amiri - Haridy Ranaivomanana).
• Patrycja Duzy : Etude de la durabilité du béton à base de liants bas carbone » Thèse en cotutelle avec l’école Polytechnique de Cracovie (Pologne) (encadrement : Ouali Amiri - Martha Choinska - Isabella Hagger).

En plus de la collaboration avec l’école Polytechnique de Cracovie (Pologne), cette activité se développe à travers le projet PN (FASTCARB) et le projet ANR CO2NCRETE  en collaboration avec Les Universités de la Rochelle (LaSIE), l’UGE, le CERIB et l’INP de Toulouse.