Procédés innovants pour la mise en forme de matériaux terre crue et cellulose appliqués aux éléments de finition en architecture

Innovative forming processes for unfired earth and cellulose materials applied to finishing elements in architecture

• Auteur / Autrice : Emma Colombari
• Direction : Julien Bras
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : 2MGE - Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 12/12/2025
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Génie des Procédés pour la Bioraffinerie, les Matériaux Bio-sourcés et l'Impression Fonctionnelle
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MatBio - Matériaux biosourcés multi-échelles
• Jury : Président / Présidente : Naceur Belgacem
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Bras, Giovanni Dotelli, Philippe Evon, Melinda Desse, Robert Peyroux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Giovanni Dotelli, Philippe Evon

Mots clés

Mots clés libres

Cellulose

Matériaux bio-sourcés

Architecture de terre

Cellulose

Bio-based materials

Building industry

Résumé

Ce travail de thèse vise à développer de nouveaux matériaux de finition à base de cellulose et de terre crue pour le secteur du bâtiment et de l'architecture. L'objectif principal est de produire des matériaux fins et résistants pouvant constituer une alternative aux matériaux de finition conventionnels. Pour concevoir ces matériaux, de la terre crue à granulométrie fine, issue de déchets de carrières de granulats, a été combinée avec de la cellulose sous différentes formes : fibres vierges ou recyclées, microfibrilles de cellulose (MFC) et dérivés de cellulose. Les travaux ont d'abord exploré la production de MFC à faible impact environnemental, afin d'utiliser cette ressource comme renfort dans les composites terre-fibres. Le cœur du projet s'est ensuite concentré sur la fabrication de matériaux fins en terre et fibres via des procédés innovants : extrusion bi-vis, moussage et impression 3D. Le procédé d'extrusion bi-vis, qui a fait l'objet d'un brevet, a permis de produire des matériaux fins à haute teneur en fibres (≥ 30 %) présentant de bonnes propriétés mécaniques. Ces performances sont dues à l'alignement des fibres et à l'ajout d'un dérivé de cellulose qui facilite l'extrusion tout en agissant comme liant, offrant ainsi une alternative prometteuse aux plaques de plâtre. Des matériaux sous forme de mousses ont également été développés pour obtenir des produits légers, ignifuges et résistants à la compression, constituant une alternative potentielle aux dalles de faux-plafond. Enfin, une formulation à base de terre crue et de MFC a permis de réaliser par impression 3D des éléments aux structures complexes. Une collaboration avec des étudiants en design a permis de concevoir plus de 200 prototypes de matériaux terre-fibres destinés à diverses applications : séparateurs d'espace, filtres solaires, amortisseurs acoustiques, etc. L'ensemble de ces travaux démontre qu'il est possible de développer différents types de matériaux bio- et géo-sourcés à partir des mêmes matières premières en adaptant les procédés de mise en œuvre, ouvrant ainsi la voie à diverses applications dans le domaine des matériaux de finition pour le bâtiment.

This thesis aims to develop new finishing materials based on cellulose and raw earth for the building and architecture sector. The main objective is to produce fine, resistant materials that can serve as an alternative to conventional finishing materials. To design these materials, fine-granulometry raw earth from aggregate quarry waste was combined with cellulose in various forms: virgin or recycled fibres, micro-fibrillated cellulose (MFC) and cellulose derivatives. The work first explored the production of MFC with low environmental impact, with a view to using this resource as reinforcement in earth-fibre composites. The core of the project then focused on the manufacture of fine earth-fibre materials using innovative processes: twin-screw extrusion, foaming and 3D printing. The twin-screw extrusion process, which has been patented, has made it possible to produce fine materials with a high fibre content (≥ 30%) and good mechanical properties. These performances are due to the alignment of the fibres and the addition of a cellulose derivative that facilitates extrusion while acting as a binder, thus offering a promising alternative to plasterboard. Foam materials have also been developed to produce lightweight, fire-resistant and compression-resistant products, offering a potential alternative to false ceiling tiles. Finally, a formulation based on raw earth and MFC has made it possible to produce complex structural elements using 3D printing. A collaboration with design students has resulted in the design of over 200 prototypes of earth-fibre materials for various applications: space separators, solar filters, acoustic dampers, etc. All of this work demonstrates that it is possible to develop different types of bio- and geo-sourced materials from the same raw materials by adapting the manufacturing processes, thus paving the way for various applications in the field of finishing materials for buildings.