Béton bas carbone : deux personnes doctorantes à la croisée de la chimie et de la construction durable

Porté par les P^rs Jérôme Claverie (Faculté des sciences, UdeS) et Jean-Baptiste d’Espinose (SIMM ESPCI - UMR 7615, CNRS), le projet « Adjuvants biosourcés DMSP pour la décarbonatation des matériaux de construction » (DMSPdecarb) réunit deux doctorants, Mathilde Robert et Pierre-Luc Vallières, autour d’un objectif commun : réduire l’empreinte carbone des matériaux de construction. Leurs projets de thèses, cofinancées par l’UdeS et le CNRS dans le cadre de l’IRC « Innovations pour une planète durable », portent sur le développement d’adjuvants innovants pour les bétons à base d’argiles ou les matériaux de construction en terres crues.

Le partenariat entre le CNRS et l’UdeS, renforcé par la création en 2026 d’un Pôle d’excellence sur les bétons bas carbone (dirigé par le Pr Arezki Tagnit-Hamou de la Faculté de génie à l’UdeS), témoigne de l’engagement des deux institutions à soutenir des projets scientifiques ambitieux. À la croisée de la chimie et de la construction durable, leurs travaux visent à rendre ces matériaux alternatifs plus performants et mieux adaptés aux exigences de la construction.

Le béton est omniprésent dans nos villes, nos routes et nos bâtiments. Pourtant, sa fabrication repose sur le ciment, un matériau dont la production génère des quantités considérables de CO₂. Pour produire une tonne de ciment, il faut décarbonater du calcaire (CaCO₃ → CaO + CO₂), ce qui libère entre 800 kg et une tonne de dioxyde de carbone. À l'échelle mondiale, l'industrie cimentière représente ainsi à elle seule près de 8 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre, ce qui en fait l'un des secteurs les plus difficiles à décarboner.

Des solutions existent, mais elles se heurtent à un défi technique de taille : substituer le ciment par des matériaux alternatifs — comme les argiles calcinées ou les terres crues — sans compromettre les propriétés indispensables à la construction. C'est précisément ce défi que s'attache à relever le projet DMSPdecarb, en réunissant des équipes interdisciplinaires mêlant chimie fondamentale, modélisation moléculaire et ingénierie des matériaux.

Les projets de thèses de Mathilde Robert, inscrite à l'ESPCI Paris, et Pierre-Luc Vallières, inscrit à l'Université de Sherbrooke, portent sur le développement d'adjuvants chimiques capables d'améliorer la dispersion de particules d'argile calcinée dans les matrices cimentaires — une condition essentielle pour que ces matériaux alternatifs puissent rivaliser, en termes de performance, avec les bétons conventionnels. Leurs parcours, leurs travaux et leurs expériences de mobilité entre Paris et Sherbrooke illustrent la dynamique scientifique et humaine qui anime ce projet de recherche internationale.

Mathilde Robert : de la biologie à la chimie des matériaux

Le parcours de Mathilde Robert s’est construit sous l’influence d’un environnement familial ancré dans la science. Son grand-père médecin et sa mère, chercheuse à Sorbonne Université spécialisée dans les batteries, lui ont très tôt transmis le goût de la recherche. Dès le collège, elle s’oriente vers les sciences de la vie et participe au programme Apprentis chercheurs, qui lui permet de travailler, un mercredi par mois, sur un projet de recherche en biologie portant sur la maladie de Duchenne: « C’est un programme qui consiste à travailler une fois par mois, tous les mercredis après-midi, sur un projet de recherche. Moi, c’était sur de la biologie, sur la myopathie, une maladie qui s’appelle la maladie de Duchenne. Ça m’a vraiment passionnée. »

À l’université, elle entame une licence en chimie-sciences de la vie à l’Université Paris-Est-Créteil (UPEC), avant de se spécialiser progressivement en chimie des polymères, sous l’impulsion d’une professeure particulièrement inspirante. Un stage en Master 1 à Nancy, consacré à la modification chimique du bois pour produire des films thermoplastiques recyclables, marque un tournant décisif. Elle y obtient ses premiers résultats en quelques jours seulement, là où les synthèses requièrent habituellement plusieurs mois. Elle poursuit en Master 2 à Sorbonne Université, puis intègre l’ESPCI Paris pour son doctorat, en partenariat avec l’Université de Sherbrooke, une institution qu’elle avait découverte deux ans et demi plus tôt dans le cadre d’un programme de double diplôme.

Pierre-Luc Vallières : de la curiosité scientifique à la recherche appliquée

Pierre-Luc Vallières attribue sa passion pour les sciences au magazine Les Débrouillards, qu’il lisait assidûment dans son enfance. « J’étais abonné, chaque semaine j’avais ma revue qui arrivait, que je lisais avec grande attention. » Au secondaire, il hésite entre plusieurs voies, dont le journalisme sportif, avant de découvrir la technique de chimie analytique lors d’une journée portes ouvertes au Cégep de Lévis. Un professeur passionné l’y convainc en lui montrant comment analyser la composition nutritionnelle des aliments à l’aide d’instruments de laboratoire.

Après trois ans de formation technique, il effectue un stage de dix semaines à Strasbourg, expérience qui l’incite à poursuivre à l’université plutôt que d’entrer directement sur le marché du travail. Il s’inscrit à l’Université de Sherbrooke, attirée par son programme coopératif, et enchaîne les stages : d’abord en modélisation moléculaire dans le laboratoire d’Armand Soldera, puis en science des matériaux dans celui de Jérôme Claverie, où il travaille pour la première fois avec des bétons. À la fin de son baccalauréat, il entame une maîtrise avec Jérôme Claverie, puis un doctorat dans le cadre du projet DMSPdecarb, après un séjour de trois à quatre mois à l’ESPCI Paris pour finaliser son mémoire.

Travaux de recherche au sein du projet IRC

Le projet global : réduire l’empreinte carbone du béton

Le projet DMSPdecarb s’attaque à l’un des défis environnementaux les plus concrets de notre époque : réduire les émissions de CO₂ liées à la production de ciment. Ce matériau omniprésent dans la construction repose sur le ciment, dont la fabrication exige de chauffer du calcaire et de l’argile à environ 1 450 °C. Au préalable, une réaction chimique a eu lieu (CaCO₃ → CaO + CO₂), ce qui libère, selon les estimations, entre 800 kg et une tonne de CO₂ par tonne de ciment produite.

Pour réduire cette empreinte, le projet explore deux voies complémentaires : substituer partiellement le ciment par des argiles calcinées dans les matrices cimentaires, et utiliser la terre crue — matériau naturellement bas carbone, disponible localement et utilisé dans la construction depuis des millénaires — comme alternative au ciment. Dans les deux cas, un défi technique majeur se pose : ces matériaux, une fois incorporés dans un mélange, ont tendance à former des agrégats qui nuisent à la fluidité et aux propriétés mécaniques.

Si tes particules d’argile ou de ciment ne sont pas dispersées, elles seront agrégées. Il y a de l’eau qui se retrouve piégée à l’intérieur, donc il y a moins d’eau disponible pour hydrater le ciment et l’argile, et pour assurer le malaxage du béton. Donc, on aura des bétons avec des propriétés mécaniques plus faibles et qui seront moins fluides, donc plus difficilement travaillables.

Pierre-Luc Vallières.

La réponse à ce problème passe par le développement d’adjuvants — des additifs chimiques qui améliorent la dispersion des particules et, par extension, les performances du matériau. Le projet DMSPdecarb réunit à cette fin des équipes de l’Université de Sherbrooke et de l’ESPCI Paris dans un cadre interdisciplinaire mêlant chimie fondamentale, modélisation moléculaire et ingénierie des matériaux.

Les projets de doctorat : deux approches, un même objectif

Les thèses de Mathilde Robert et Pierre-Luc Vallières s’inscrivent dans cette problématique commune, mais abordent chacune un matériau distinct.

Pierre-Luc Vallières travaille sur l’incorporation d’argiles calcinées dans les matrices cimentaires. Ses travaux de maîtrise ont déjà permis de substituer jusqu’à 60 % du ciment par de l’argile calcinée, tout en maintenant des propriétés mécaniques et une ouvrabilité comparables à celles d’un béton conventionnel. Son doctorat vise à aller plus loin, en développant des dispersants de type latex — de petites particules polymères qui se déposent à la surface des argiles pour défaire les agrégats et libérer l’eau piégée. Il prévoit également d’utiliser des appareils spécialisés à l’ESPCI, notamment pour suivre l’hydratation des ciments par RMN (résonance magnétique nucléaire, une technique d’analyse permettant d’étudier la structure et l’évolution des matériaux) à l’état solide et mesurer les vitesses de sédimentation des particules à l'aide d'un appareil de type Turbiscan.

Mathilde Robert, quant à elle, se concentre sur la terre crue comme substitut au ciment. Ce matériau, composé d’argile, de limon et de sable, présente l’avantage d’être disponible localement et de ne nécessiter aucun transport sur de longues distances. Son principal inconvénient réside dans sa sensibilité à l’humidité : selon les conditions, il peut gonfler, se fissurer ou se ramollir. Pour y remédier, elle développe des tensioactifs — de petites molécules qui s’intercalent entre les feuillets des argiles pour limiter leur gonflement et améliorer leur dispersion.

Les argiles font des floculations, des coagulations. En fonction des argiles, elles vont plus ou moins gonfler selon la teneur en cations à l’intérieur. On peut ajouter des adjuvants pour limiter ce gonflement et avoir une argile plus adéquate.

Mathilde Robert

Les deux doctorants partagent une même molécule de départ, issue de phytoplanctons, qu’ils modifient chimiquement selon des voies de synthèse distinctes pour obtenir leurs adjuvants respectifs. L’un des défis actuels est de rendre ces molécules biosourcées, afin de limiter le recours à la pétrochimie et de renforcer la cohérence environnementale de l’ensemble de la démarche.

Le duo souligne enfin la valeur des échanges directs que permettent ces séjours communs. Travaillant en parallèle sur des voies de synthèse différentes pour une même molécule de départ, ils peuvent comparer leurs résultats, identifier rapidement ce qui fonctionne ou non, et ajuster leur approche en temps réel — une dynamique difficile à reproduire à distance, avec le décalage horaire et les contraintes de disponibilité que cela implique.

Vie universitaire, mobilité internationale et expériences croisées

La collaboration entre l’ESPCI Paris et l’UdeS ne se limite pas qu’aux échanges scientifiques : elle implique des séjours de recherche qui enrichissent autant les parcours professionnels que personnels des deux doctorants.

Mathilde Robert en est à son deuxième séjour à Sherbrooke dans le cadre de l’IRC. Ces visites lui permettent d’accéder à des équipements de caractérisation — notamment des appareils de RMN — qui ne sont pas disponibles dans son laboratoire parisien, le laboratoire Sciences et Ingénierie de la Matière Molle (SIMM) de l’ESPCI: « À Paris, pour avoir une RMN carbone, il faut parfois attendre cinq jours. Ici, l’appareil est disponible, ça prend deux minutes. » Elle a également pu se former directement à l’utilisation de ces instruments, ce qui accélère considérablement le rythme de ses travaux.

Pierre-Luc Vallières, de son côté, prévoit un séjour à Paris en novembre. Il y utilisera un appareil de RMN à l’état solide particulièrement performant pour suivre l’hydratation des ciments, ainsi qu’un instrument de mesure des vitesses de sédimentation, deux équipements dont l’Université de Sherbrooke ne dispose pas à un niveau équivalent. Il bénéficiera également de l’expertise de Jean-Baptiste d’Espinose, co-directeur de Mathilde et spécialiste reconnu de l’analyse des ciments par RMN.

Au-delà des aspects techniques, ces séjours offrent une expérience de vie contrastée que les deux chercheurs apprécient à leur manière. Mathilde, habituée au rythme intense de Paris, apprécie l’environnement plus détendu de Sherbrooke, ses espaces verts et son cadre de vie différent: « À Paris, c’est une vie très stressante. Ici, l’environnement est complètement différent. Savoir qu’il y a du vert autour, un environnement où on peut respirer, ça fait du bien. » Pierre-Luc, passionné de sport — basket, spikeball, volleyball —, profite pleinement des espaces extérieurs de Sherbrooke, tout en anticipant avec intérêt la richesse historique et culturelle de Paris. Il est par ailleurs coordonnateur d’une ligue de basketball universitaire, une implication qui témoigne de son engagement au-delà du laboratoire.

Un enjeu stratégique pour la construction durable

Dans les sociétés post-industrielles, la construction demeure un aspect majeur du développement économique, qu’il s’agisse de nouveaux développements ou de l’entretien des infrastructures existantes. Dans ce contexte, les enjeux liés au réchauffement climatique préoccupent de plus en plus les grands acteurs des secteurs énergétique et industriel.

Les projets doctoraux de Mathilde Robert et de Pierre-Luc Vallières s’inscrivent ainsi dans une tendance de fond, où la demande pour des solutions bas carbone en construction est appelée à progresser. Leurs travaux répondent à un besoin croissant : développer des matériaux plus sobres en carbone, sans compromettre les exigences de performance propres au secteur de la construction.