Sujet de thèse sur "Stabilisation naturelle par action microbienne en mobilisant le fer dans les matériaux en terre crue "

1. Contexte de l’étude

Les matériaux en terre crue sont constitués d’éléments naturels issus soit des couches de sol formées par la pédogénèse, soit de dépôts sédimentaires relativement récents voire anthropiques. La fraction argileuse constituée principalement de minéraux argileux (mais pas que), représente un constituant essentiel des matériaux en terre crue, qui s’avère déterminant quant au comportement hygrothermique et mécanique du matériau car elle assure la cohésion du matériau. Or, le comportement des minéraux argileux peut varier de façon importante en fonction de la nature des cations (Na, Ca, Mg, K, Li…) compensant les défauts de charge de leur structure cristalline. Notamment, l’adsorption d’eau dans l’espace interfoliaire des minéraux argileux gonflants dépend fortement de la taille et de la valence des cations en présence¹. De même, des études récentes montrent une relation entre la capacité d’adsorption d’eau de la terre crue (mesurée de manière indirecte par la mesure de la valeur au bleu), la densité sèche et le comportement mécanique², la mesure de la valeur au bleu étant également influencée par les cations compensateurs des minéraux argileux.

Outre les argiles et les cations qui les accompagnent et qui ont fait l’objet de nombreuses études (calcul des constantes d’échange, impact sur le retrait/gonflement, modélisation moléculaire du nombre de couches d’eau adsorbée…), les phases secondaires dans la fraction argileuse des sols sont souvent ignorées dans le domaine de la construction terre crue. Or certaines études notamment en géochimie ont montré l’importance des oxydes métalliques notamment les oxydes de fer très répandus dans le sol. Ces oxydes métalliques peuvent influencer également de façon significative la résistance en compression mesurée sur des mortiers de terre d’origine tropicale avec une prédominance des argiles kaolinitique^3,4. Cette étude a également démontré l’importance du pH (KCl) du sol sur la résistance à la compression de ce type de sol. Certains sols ayant subi une latéritisation importante en milieu tropical montrent également des particules cimentées par la précipitation d’oxydes métalliques. Toutes ces études montrent une importance non négligeable des cations adsorbés ou dans l’eau de pore du sol y compris le fer ou l’aluminium) car ils peuvent non seulement modifier l’équilibre électrostatique entre particules fines du sol contrôlant la floculation/dispersion des feuillets d’argiles mais aussi précipiter pour former des composés carbonatés (en présence de CO₂ et si le pH le permet) ou des oxydes notamment de fer.

Dans le domaine de la terre crue, certaines pratiques traditionnelles lorsque des fibres végétales sont ajoutées impliquent une maturation du matériau après gâchage. Or l’activité microbienne qui se développe en présence d’oxygène et de matière carbonée (les fibres) induit une réduction du Fe³⁺ combinée à une augmentation du pH via des réactions enzymatiques. Ce mécanisme induit une mise en mouvement du fer dans le sol et sa précipitation puis sa possible interaction avec les minéraux argileux. On peut s’attendre alors à une augmentation de la résistance du matériau à la fois via une augmentation de la densité sèche du matériau (facteur impactant les performances de la terre crue comme démontré par de nombreuses études) et via la formation de liaison de cimentation entre particules.

La compréhension du rôle des éléments secondaires présents dans le sol et leur interaction avec les feuillets d’argiles en incluant les processus microbiennes, de même que les processus de latéritisation observée dans des sols fortement lessivés, peut permettre d’améliorer les performances du matériau terre crue en termes de propriétés mécaniques mais aussi en termes de durabilité (principalement la résistance à l’eau).

2. Objectifs de l’étude

Cette étude a pour objectif principal de mieux comprendre le comportement des matériaux en terre pour en favoriser son usage dans la construction moderne. En s’inspirant des techniques traditionnelles, qui pratiquent une maturation microbienne et donc potentiellement une activation du rôle du fer sur la stabilité des assemblages argileux, l’étude permettra d’apporter une meilleure compréhension sur ces méthodes qui permettent d’améliorer les propriétés des matériaux. Cette amélioration fait appel à des processus totalement naturels puisqu’il s’agit de l’interaction entre feuillets d’argiles et éléments ferreux en solution lors de la fabrication des matériaux.

La méthodologie appliquée consiste à évaluer précisément la physico-chimie et la minéralogie des matériaux étudiés en premier lieu, notamment pour identifier les oxydes de fer naturellement présents. Une activation microbienne via un procédé à mettre au point sera réalisée par une maturation du matériau en ambiance contrôlée. Lors de cette phase, l’ajout de souches bactériennes peut être envisagée et une analyse du microbiome initial de la terre crue sera nécessaire afin d’identifier les souches déjà présentes. Ces essais pourront être réalisés via la plateforme CARMICE de l’université de Pau et des Pays de l’Adour. Un suivi de la mise en solution des éléments ferreux sera mis en place en réalisant des mesures de concentrations des éléments en solution à plusieurs étapes de la maturation du matériau de même que des mesures électrochimiques pour suivre les degrés d’oxydation du fer. L’observation de la microstructure (microscopie optique/pétrographique, microscopie électronique voire Raman, mesure de surface spécifique et porosimétrie mercure pour suivre le remplissage de pore…) de même que les analyses minéralogiques par diffraction de rayons X apporteront des éléments pour mieux comprendre les modifications du matériau argileux post maturation. Des essais mécaniques et de durabilité à l’échelle d’éprouvettes macroscopique avant et après traitement par maturation permettront au final de confirmer l’amélioration des propriétés des matériaux. Les résultats contribueront à promouvoir le matériau terre et le proposer sur un plus grand nombre de projets de construction en mettant en avant la réduction de son caractère versatile via l’augmentation de sa résistance à l’eau qui à l’heure actuelle un point de blocage.

3. Verrous scientifiques

-Impact de la maturation microbienne sur la mobilisation du fer et rôle dans les processus de latéritisation.

-Proposer une voie d’amélioration de la résistance à l’eau des matériaux en terre crue avec un poids carbone très faible via une utilisation optimisée de la maturation microbienne

Références

1.         Ferrage, E., Lanson, B., Sakharov, B. A. & Drits, V. A. Investigation of smectite hydration properties by modeling experimental X-ray diffraction patterns: Part I. Montmorillonite hydration properties. American Mineralogist 90, 1358–1374 (2005).

2.         Ardant, D., Brumaud, C., Perrot, A. & Habert, G. Robust clay binder for earth-based concrete. Cement and Concrete Research 172, 107207 (2023).

3.         Walter, L. et al. Design of poured earth construction materials from the elementary characteristics of tropical soils. Case Studies in Construction Materials 20, e02709 (2024).

4.         Walter, L. et al. Influence of eco-friendly dispersants on the properties of a lateritic soil-based mortar. Construction and Building Materials 411, 134307 (2024).

L'Université Gustave Eiffel, née de la fusion de l'Université Paris-Marne le Vallée et de l'Ifsttar, est un acteur majeur de la recherche européenne sur les villes et territoires, les transports et le génie civil. Elle mène des recherches et des expertises finalisées dans les domaines des transports, des infrastructures, des risques naturels et de la ville pour améliorer les conditions de vie et, plus largement, promouvoir le développement durable de nos sociétés.

La thèse proposé sera réalisée dans le départemant MAST (laboratoire GPEM à Bouguennais) en partenariat avec le département GERS (Laboratoire SRO à Champs sur Marne) appartenant tous à l’Université Gustave Eiffel. Une collaboration ponctuelle avec l’Université de Poitiers sera organisée sur la caractérisation des minéraux argileux et le projet fera appel à la plateforme CARMICE de l’Université de Pau et des Pays de l’Adour spécialisé dans la caractérisation de la microbiologie environnementale. Le doctorant intéragira également avec les partenaires du projet National Terre Crue et du Technical Committee MAE de la RILEM dans un workpackage sur la durabilité des matériaux en terre crue. Ainsi il bénéficiera non seulement d’une visibilité nationale mais aussi internationale.

L’étudiant doit avoir de bonnes bases scientifiques, avec un master recherche (matériaux, génie civil, géosciences,…) ou un diplôme d’ingénieur (scientifique et technique). Il/elle devra :

•   être capable de lire en anglais des articles scientifiques et de les restituer de façon synthétique

•   être capable de s’approprier de nouvelles méthodes dans des domaines variés (interdisciplinarité) et être autonome sur des protocoles expérimentaux complexes

•   faire preuve de rigueur

•   être capable de travailler en équipe (entre plusieurs sites idéalement avoir des bases en sciences des sols et la caractérisation physico-chimique des sols.