Optimisation de mortiers d’impression 3D à faible impact environnemental

Jin, Willy (2025). Optimisation de mortiers d’impression 3D à faible impact environnemental. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La crise climatique impose à toute la chaîne de valeur du secteur de la construction d’entamer une transition vers des pratiques plus vertueuses. Ce projet de recherche doctoral s’inscrit dans un mouvement nécessaire d’industrialisation du domaine de la construction, qui doit s’accompagner d’une baisse de son impact environnemental. L’impression 3D de mortier par extrusion se développe de manière spectaculaire dans les milieux académiques et industriels, dévoilant des avancées remarquables au niveau du procédé. En parallèle, peu de stratégies existent pour la formulation de matériaux adaptés à ces systèmes exigeants du point de vue rhéologique, notamment concernant des liants alternatifs. Pourtant, une des pistes les plus accessibles pour une décarbonation significative (> 30%) de l’impression 3D est l’optimisation des constituants et dosages de mortiers, maximisant ainsi la résistance par unité de volume de ciment, principale contributeur des émissions de gaz à effet de serre dans les mortiers. Dans ce contexte, des méthodologies de formulation spécifiques à l’impression 3D doivent être explorées sous le prisme de la performance environnementale. Ainsi, cette thèse propose deux solutions d’optimisation de mortiers à très faible teneur en ciment, pour la réduction des impacts environnementaux. La première approche permet d’associer un calcul d’analyse de cycle de vie contextualisé et la capacité de prédiction des réseaux de neurones artificiels pour l’optimisation multi‑objectifs d’un mortier contenant trois types d’ajouts cimentaires. La deuxième approche exploite un modèle physique d’empilement granulaire pour faciliter la formulation de mortiers de type LC3 destinés à être accélérés. Une analyse critique sur la contribution pouzzolanique de l’argile calcinée à la microstructure, par rapport à son effet délétère sur la compacité globale est émise pour plusieurs gammes d’application. Finalement, ce travail contribue à confirmer le potentiel encore peu exploré des liants ternaires et quaternaires pour l’impression 3D bas‑carbone.

Résumé traduit

Climate change is compelling the entire construction industry to adopt more sustainable practices. This thesis contributes to the ongoing industrialization of the sector, which must be concurrent with a reduction in its environmental footprint. Extrusion‑based 3D printing is rapidly advancing in both academic and industrial fields, showcasing significant technical progress throughout the process. However, mix design strategies for materials that meet the rheological requirements of these systems are still lacking, particularly when it comes to alternative binders. Yet, one of the most promising avenues for achieving substantial decarbonization (over 30%) in 3D printing lies in optimizing mortar constituents and proportions, thus maximizing strength per unit volume of cement, known to be the primary contributor to greenhouse gas emissions in mortars. In this context, mix design procedures tailored specifically to 3D printing must be explored, with a strong emphasis on environmental performance. This thesis introduces two optimization strategies for mortars with very low cement content. The first approach associates a contextualized life cycle assessment model with the prediction abilities of artificial neural networks for the multi‑objective optimization of a mortar containing three types of supplementary cementitious materials. The second approach utilizes a granular packing model to guide the design of LC3‑type mortars, destined for acceleration with aluminium sulfates. This provides a critical analysis of the pozzolanic contribution of calcined clay in regard to its negative effect on overall packing density across various application ranges. Finally, this research highlights the largely unexplored potential of ternary and quaternary binders for sustainable 3D printing.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse préparée au sein du laboratoire Navier (UMR 8205) et du département de génie de la construction de l’ÉTS". Comprend des références bibliographiques (pages 212-248).
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Ouellet-Plamondon, Claudiane
Codirecteur:	Codirecteur Caron, Jean-François
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	03 oct. 2025 16:55
Dernière modification:	03 oct. 2025 16:55
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3707

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