Thèse Formulation d'Enduit Innovant à Base de Tuffeau Recyclé Diversification des Fonctions et Étude de Durabilité H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université d'Orléans École doctorale : Energie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers - EMSTU Laboratoire de recherche : LaMé - Laboratoire de Mécanique Gabriel Lamé Direction de la thèse : Xavier BRUNETAUD Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-07-11T23:59:59 Le tuffeau est une pierre calcaire siliceuse tendre, très poreuse, utilisée dans le val de Loire comme matériau de construction, notamment dans les châteaux de la Loire. Si sa valorisation traditionnelle est bien connue, sa reconversion en matériaux innovants de construction (mortiers, enduits, mobilier) constitue un levier majeur de transition environnementale et de valorisation territoriale.
Le projet MATRIMOINE est un projet de recherche financé par la région Centre-Val de Loire. Il prend la suite du projet RESPECT, et des travaux précédents autour du patrimoine Bâti qui ont permis de formuler un enduit de finition innovant à base de déchets de pierre et de chaux aérienne, capable de reproduire l'aspect du tuffeau, tout en minimisant son empreinte environnementale. Par sa capacité à restituer un aspect patrimonial, cet enduit est capable de rendre plus acceptable toute intervention sur le bâti traditionnel, notamment une isolation par l'extérieur. Grâce à la teinte très claire du tuffeau, cet enduit permet également de contribuer à lutter contre l'inconfort d'été.
Le projet MATRIMOINE vise à poursuivre les travaux de recherche par les actions suivantes : une diversification des gisements pour développer le potentiel d'industrialisation ; une diversification des formulations pour étendre les champs d'application ; une étude de la résilience incluant des tests de durabilité et de réparabilité ; une étude du potentiel d'adoption du produit. Ce projet donnera naissance à une première série d'enduits techniques haut-de-gamme et écologiquement vertueux, capables de porter l'identité patrimoniale de leur territoire, aussi bien dans les projets de réhabilitation que de construction neuve.Objectif de la thèse :
Cette thèse s'inscrit dans une stratégie globale de recyclage du tuffeau, en lien avec le projet MATRIMOINE. Elle a pour objectif d'étudier le potentiel de ce matériau en tant que ressource pour la formulation de produits de construction innovants.

Le programme de recherche comprend :
- La diversification des formulations et des applications, incluant le développement de
variantes d'enduit aux fonctions spécifiques, selon leur utilisation en intérieur (capacité de
régula on hygro-thermique accrue) ou en extérieur (durabilité accrue).
- L'étude de la résilience, visant à étudier la capacité de l'enduit à base de tuffeau à supporter durablement les cycles de variation d'humidité, avec notamment une variante du test impliquant des sels pathogènes. Les tests de vieillissement accéléré seront réalisés sur les enduits seuls et différents systèmes enduit-support. De plus, des tests de réparation seront menés pour évaluer la capacité de l'enduit à convenir à cette fonction, quitte à développer une formule dédiée aux réparations. La proposition de projet MATRIMOINE fait suite au projet RESPECT, qui s'inscrivait dans une démarche d'économie de ressources naturelles et d'aide au passage à l'acte pour les travaux de rénovation du bâti ancien en tuffeau. En effet, le projet RESPECT s'est attaqué à la tâche ambitieuse de valoriser la poudre de tuffeau, un déchet de carrière locale, dans un enduit de finition esthétique, un produit technique haut-de-gamme, capable de reproduire le cachet du bâti traditionnel en tuffeau. Ainsi, l'enduit développé permet de rendre plus acceptable une rénovation incluant une isolation par l'extérieur tout en économisant des ressources naturelles. L'enduit développé revient à déposer un film de tuffeau de quelques millimètres d'épaisseur sur n'importe quelle surface. L'enduit a été testé sur un chantier réel, en extérieur, ce qui représente la configuration la plus sévère pour un enduit mince, et il a donné entière satisfaction. En valorisant un déchet en circuit court, il réussi l'exploit de diviser par deux son empreinte carbone par rapport à un enduit standard au ciment, ce qui le rend en plus particulièrement vertueux pour l'environnement. De plus, sa teinte très claire, caractéristique du tuffeau, lui permet de contribuer à lutter contre l'inconfort d'été.

Le contexte du projet MATRIMOINE est cependant un peu différent de celui de RESPECT. Le succès de la formulation développée permet d'envisager de nouvelles applications qui dépassent ainsi le strict bâti traditionnel en tuffeau, pour toucher a priori tout type de bâti : le bâti existant plus récent aussi bien que l'immobilier neuf. Le rôle de l'enduit sera de contribuer à favoriser l'émergence d'une nouvelle tendance architecturale s'appuyant sur les codes esthétiques patrimoniaux et en les réinterprétant pour les intégrer à l'architecture contemporaine. Les enjeux d'une telle démarche sont multiples. Premièrement, il faut développer un enduit extérieur capable de résister à des conditions environnementales plus agressives car le bâti en tuffeau inclut des dispositifs de protection de ses façades contre les intempéries (ex. Châteaux de la Loire) spécifiques, que l'on ne retrouve pas dans un bâti utilisant des matériaux moins fragiles. Deuxièmement, il faut développer un enduit intérieur capable de répondre aux nouvelles normes de confort en termes de régulation de la température et de l'humidité, notion acquise dans le bâti traditionnel grâce à la forte épaisseur des parois.

Le principal secret de l'enduit développé réside dans l'interaction chimique entre la chaux aérienne et les composants naturellement présents dans la poudre de tuffeau, la silice amorphe et les fractions argileuses, qui agissent comme une pouzzolane naturelle, à la manière des mortiers romains. Cependant, ce sont également ses composants qui rendent la formulation difficile en raison de leur conséquence sur le comportement de l'enduit à l'état frais : une forte demande en eau à l'origine d'un fort retrait de dessiccation, ainsi qu'une consistance collante provoquant une adhérence insuffisante au support. L'enjeu a donc été d'élaborer un remède : une combinaison finement dosée de quatre adjuvants. Les effets conjugués de ces adjuvants, dont la proportion cumulée représente moins de 1% de la fraction sèche de l'enduit, permettent de corriger les défauts initiaux pour atteindre tous les objectifs fixés. Fort de cette base validée, l'équipe du LaMé développera durant le projet MATRIMOINE plusieurs variantes de l'enduit afin d'améliorer ses performances dans des applications plus diverses et ainsi renforcer son acceptation.
La première variante ciblée correspond à un enduit extérieur capable de résister à des conditions environnementales plus agressives, notamment vis-à-vis de l'apport d'eau liquide potentiellement chargée en polluants tels que des sels solubles. En effet, le bâti traditionnel en tuffeau inclut naturellement des dispositifs de protection de ses façades contre les intempéries (ex. Châteaux de la Loire) spécifiques, que l'on ne retrouve pas dans un bâti utilisant des matériaux moins fragiles. Il est donc nécessaire de renforcer la durabilité de l'enduit s'il on souhaite le voir utilisé dans un cadre élargi. Pour cela, plusieurs pistes peuvent être envisagées telles que la modification du liant, l'adjonction d'un hydrofuge, et la prescription de techniques spécifiques de mise en oeuvre favorisant le transport de l'eau dans la paroi pour éviter les accumulations nocives.
La deuxième variante consiste à développer un enduit intérieur capable de répondre aux nouvelles normes de confort en termes de régulation de la température et de l'humidité. Cette notion, complémentaire aux problématiques d'isolation mais cependant distincte, consiste à limiter l'amplitude des variations de température et d'humidité au cours de la journée ou sur une saison, aussi bien en situation hivernale qu'estivale. Dans le bâti traditionnel en tuffeau, cet effet est naturellement acquis grâce à la forte épaisseur des parois induisant une masse suffisante pour réguler la température en combinaison avec la forte capacité de rétention d'eau du tuffeau favorisant la régulation hydrique. Cette variante d'enduit devra donc être appliquée sur une épaisseur plus importante (quelques centimètres au lieu de 5 mm), et inclure des nouveaux éléments favorisant la régulation.
La thèse vise à traiter deux étapes scientifiquement structurelles du projet MATRIMOINE : le développement de variantes de formulations d'enduits et l'optimisation de leur durabilité. La première variante ciblée correspond à un enduit extérieur capable de résister à des conditions environnementales plus agressives, notamment vis-à-vis de l'apport d'eau liquide potentiellement chargée en polluants tels que des sels solubles. Les enjeux scientifiques concernent l'atteinte d'une plus forte imperméabilité à l'eau liquide, sans pour autant limiter la respirabilité. Il faut donc réduire la capillarité, source des mouvements d'eau liquide, sans trop diminuer la perméabilité à la vapeur d'eau, afin de rendre toujours possible un séchage de l'enduit et de son support. Pour cela, plusieurs pistes peuvent être envisagées telles que la modification du liant, l'adjonction d'un hydrofuge, et la prescription de techniques spécifiques de mise en oeuvre favorisant le transport de l'eau sous forme vapeur dans la paroi pour éviter les accumulations d'eau nocives. Ce travail de recherche de formulation sera réalisé par le doctorant financé sur le projet.

La deuxième variante consiste à développer un enduit intérieur capable de répondre aux nouvelles normes de confort en termes de régulation de la température et de l'humidité. Cette notion, complémentaire aux problématiques d'isolation mais cependant distincte, consiste à limiter l'amplitude des variations de température et d'humidité au cours de la journée, aussi bien en situation hivernale qu'estivale. Afin de générer une masse suffisante pour réguler la température ainsi qu'une quantité suffisante de pores pour réguler l'humidité, cette variante d'enduit devra être appliquée sur une épaisseur plus importante : quelques centimètres au lieu de 5 mm pour l'enduit initial. Cette première contrainte du cahier des charges s'oppose aux limites actuelles de l'enduit, de 7 mm d'épaisseur max. Pour repousser cette limite, la formulation devra être retravaillée en modifiant la granulométrie de la poudre de tuffeau, en modifiant le liant, en ajoutant des fibres, ainsi que des matériaux à changement de phase pour la régulation thermique. Des fibres végétales de miscanthus avec un taux de lignine important seront utilisées pour limiter le problème de gonflement. La comparaison d'une solution avec fibres végétales avec un potentiel de gonflement modéré, et une autre avec un compensateur de retrait permettra de mettre en avant l'avantage des fibres pour stabiliser le problème de retrait du mélange poudre de pierre et chaux. L'utilisation d'un taux de fibres entre 6% et 15%, permettra également d'améliorer l'adhérence de l'enduit sur les différents supports (isolants biosourcés, pierre brute de tuffeau). Cette meilleure adhérence devrait permettre d'utiliser le matériau comme un enduit de réparation (en lien avec la tâche 3). Des matériaux à changement de phase d'origine végétales seront testés afin d'évaluer la solution la plus acceptable pour maximiser la régulation d'humidité à l'intérieur d'un bâtiment. Ce travail de recherche de formulation sera également réalisé en parallèle de l'action précédente par le doctorant financé sur le projet.

Pour ces deux premières variantes, à chaque itération de formulation, les principales caractéristiques ciblées par les cahiers des charges seront mesurées, telles que l'ouvrabilité, le comportement au jeune âge (vitesse de prise et retrait), l'amplitude des dilatations thermo-hydriques, et la couleur et rugosité. Pour l'enduit intérieur, sera ajoutée la mesure de capacité de régulation thermo-hydrique. Une fois ces formulations validées sur murets, des mesures de propriétés de transfert hydrique (perméabilité, capillarité) et de résistance thermique viendront compléter la caractérisation de manière à bénéficier de tous les éléments nécessaires au dimensionnement et à la justification de l'application pilote en tâche 5. Les formulations optimales seront sélectionnées selon le cadre normatif des enduits durcis (Norme NF EN 1015) avec les critères de résistance à la compression, d'adhérence, de capillarité, de perméabilité à la vapeur d'eau, de conductivité thermique. Pour l'enduit extérieur le critère de l'adhérence et la perméabilité à l'eau sera examiné, notamment après les cycles de vieillissement.

Pour l'étude de la durabilité, l'équipe du LaMé pourra tirer profit de ses compétences acquises durant les projets précédents liés à la conservation des matériaux du patrimoine (SACRE, VOLUBILIS, DIANE, DETRESSE, ALTIOR...) où de nombreux tests de vieillissement artificiels ont été conçus et appliqués en laboratoire, sur une large variété de pierres calcaires et principalement du tuffeau. Ces tests prennent pour base des cycles en environnement contrôlé dont l'objectif est de reproduire un stress environnemental bien identifié. La durabilité est généralement étudiée de manière comparative. Ici, les variantes de l'enduit seront étudiée comparativement entre elles, à la formule initiale issue du projet RESPECT, à la pierre de tuffeau, mais aussi en prenant comme référence des enduits de finition commerciaux reconnus. La définition même d'un enduit est de recouvrir un matériau que l'on souhaite protéger ou cacher. Ainsi, il est nécessaire de tester les enduits non seulement pris séparément, mais également en fonction, c'est-à-dire en définissant un échantillon composite incluant à la fois le support en son enduit. Cela représente un challenge majeur car un échantillon composite est par définition hétérogène, ce qui rend inopérant un grand nombre de techniques de caractérisations reposant sur l'hypothèse d'un échantillon globalement homogène. Notre connaissance du tuffeau et de l'enduit à base de poudre de tuffeau nous permet de cibler avec confiance les environnements agressifs les plus discriminants : cycles d'humidification/séchage et cycles d'imbibition/séchage. La principale problématique provient du gonflement des grains de tuffeau en présence d'humidité/d'eau qui va tendre à séparer l'enduit de son support par cisaillement. Au-delà de la simple résistance à ces cycles, il est prévu de réaliser une version plus agressive en y ajoutant un polluant tel que des sels solubles, connus pour leur potentiel destructeur sur les matériaux tendres comme le tuffeau. Les modifications apportées sur la formulation de l'enduit extérieure première étape devraient apporter un effet bénéfique significatif qui sera ainsi quantifié durant cette seconde étape.

Profil :
Etudiant(e) ingénieur(e) ou Master 2 avec une sensibilité avérée pour les enjeux suivants :
- préservation des ressources naturelles
- préservation du patrimoine
- durabilité des matériaux

Les principales compétence recherchées sont :
- l'analyse critique (critique, autocritique, remise en question, argumentation...)
- la capacité à innover dans un cadre règlementaire et technique ambitieux
- la capacité à collaborer dans un programme de recherche interdisciplinaire et appliqué