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Une rupture technologique attendue

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Une rupture technologique attendue

Premier enseignement, issu de la recherche, le béton possède des propriétés conditionnées par ses caractéristiques nanométriques. Second enseignement, toujours issu de la recherche, l’inclusion « d’agrégats » à l’échelle nanométrique renforce ses propriétés et le transforme radicalement.

« La nanotechnologie appliquée au béton, c’est l’idée de manipuler la structure du béton à des échelles très petites, afin d’améliorer ses propriétés macroscopiques. Je pense que nous n’avons fait qu’effleurer les possibilités qu’offre cette technologie explique Jeffrey Chen, responsable groupe de compétences microstructuration chez Lafarge Béton. »

Et d’ajouter : « Certains adjuvants ou fumées de silice qui entrent dans la composition des Bfup peuvent être considérés comme des éléments à l’échelle nano. Ce que l’on recherche : organiser la structure du béton au niveau du très petit, la changer en l’améliorant. Par exemple, avec les fumées de silice, on cherche très schématiquement à boucher “ les petits trous ” encore présents dans la matrice du béton. Le fait de les boucher confère de nouvelles propriétés de résistance et de durabilité au béton, donc de nouvelles applications possibles. La résille du MuCEM de Rudy Ricciotti en est le dernier exemple en date. »

Ralentir le fluage

Constitué de ciment, de granulats (sables et gravillons) et d’eau, le béton, matériau le plus utilisé au monde, est connu depuis plus d’un siècle, mais sa structure nanométrique complexe commence tout juste à être étudiée. Ainsi, les chercheurs du MIT (Massachusetts Institute of Technology), en observant la structure des bétons avec des microscopes dernière génération, ont mis en évidence que le béton a des propriétés qui sont conditionnées par ses caractéristiques nanométriques. La combinaison de ces nanostructures étant responsable de la résistance et de la durée de vie des bétons. Ils ont par exemple identifié les causes du fluage, imputé à la restructuration de nanoparticules au fil du temps. Pour résumer : la déformation instantanée que subit le béton au moment de l’application de la charge est suivie d’une déformation lente, ou différée, qui se stabilise après quelques années. C’est ce que l’on appelle le « fluage ». Lequel est pratiquement complet au bout de trois ans. Les chercheurs du MIT ont démontré expérimentalement que le taux de fluage est logarithmique, ce qui signifie que le ralentissement du fluage augmente la longévité du béton de manière exponentielle. Une découverte capitale qui les a incités à se pencher sur la création d’un béton à longue durée de vie. Un béton qui sera plus léger, plus stable et moins émetteur de carbone dans l’atmosphère que l’ancienne génération. À terme, les ingénieurs du MIT espèrent aboutir à un béton encore plus résistant, nécessitant moins de réparations, d’une durée de vie se comptant en milliers d’années, quinze mille ans disent-ils !

Améliorer la résistance

En attendant, c’est la microsilice qui est aujourd’hui la plus utilisée dans le béton, ce qui conduit à une plus haute résistance à la compression. Elle entre systématiquement dans les formulations de bétons à ultrahaute performance. Après la micro, de nouveaux nanomatériaux, tels que la silice nano ou les nanotubes de carbone (30 000 fois plus fins qu’un cheveu), vont probablement permettre d’aller encore plus loin avec la création de béton composite. Ainsi, une équipe de l’Institut de recherche en construction du Conseil national de recherches Canada (IRC-CNRC) travaille au développement de nouveaux ciments, bétons et adjuvants. Les chercheurs concentrent leurs recherches sur les ciments nécessitant peu d’énergies et les nanocomposites, ainsi que sur de nouvelles techniques de tassement des particules et de libération contrôlée des adjuvants. En Europe, c’est un consortium de recherche fondamentale associant 14 acteurs industriels et 23 laboratoires publics -NanoCem - qui a été créé pour accélérer la rupture technologique.
Toutes les équipes qui travaillent sur le sujet ont constaté une nette amélioration de la résistance du béton, suite à l’introduction de nanoparticules. Concrètement, le ciment hydraté est une matière parsemée de pores, « les petits trous » dont parle Jeffrey Chen, dont la taille varie du nanomètre au millimètre. Ces pores sont l’une des principales faiblesses du béton, car ils laissent passer les chlorures et autres sels à l’origine de fissures. Une approche à l’échelle du nanomètre de la matière a permis aux chercheurs de surmonter certains problèmes liés à la porosité du ciment hydraté. Ils ont constaté que l’addition de nanoparticules accroît la durabilité du matériau en obstruant les pores. Les résultats observés font état d’une porosité supérieure à celle obtenue avec les fumées de silice actuellement utilisées.

Nanotubes de carbone

Les nanotubes de carbone à paroi simple sont les plus prometteurs. Ces derniers présentent une rigidité extrêmement élevée, ainsi que des résistances en contrainte et déformation élastique jusqu’à 50 fois supérieures à celles de l’acier. Ils ont des rapports d’aspect de 500 ou plus, et des diamètres qui se rapprochent de l’épaisseur des couches du ciment hydraté. De sorte que les nanotubes uniformément dispersés dans la matrice cimentaire interrompent les fissures dès leur apparition. De récents résultats montrent qu’ils agissent comme agents de nucléation en accélérant nettement le processus d’hydratation. L’hydrate de silicate de calcium (H-S-C) se forme directement sur les nanotubes, indiquant ainsi la possibilité d’une forte liaison entre les deux matériaux.
D’autres recherches portent sur la modification nanostructurelle des silicates de calcium hydratés (notés C-S-H). Une nano-modification du ciment et de ses hydrates pourrait avoir une incidence majeure sur les propriétés du béton. Ici, il s’agit d’avoir une meilleure compréhension du type d’interaction entre les adjuvants et les silicates de calcium hydratés (C-S H) au niveau nano. Au-delà des applications traditionnelles, ces nanocomposites à base de ciment pourront aussi évoluer vers d’autres domaines comme le revêtement des barres d’armature résistant à la corrosion et les matériaux ignifuges.
Pour autant, la recherche bute encore sur certains points et non des moindres : le coût des nanotubes de carbone extrêmement élevé, la sécurité pour passer de la phase laboratoire à des essais de grande échelle, on parle là de santé publique, et la méconnaissance des conséquences environnementales des structures composites bétons lors de la déconstruction. Tous ceux qui s’intéressent à la déconstruction et au recyclage des matériaux en fin de vie savent qu’il est plus judicieux de concevoir des bâtiments avec des composants indépendants les uns des autres, afin de faciliter leur démontage et leur recyclage. Mais pourquoi déconstruire, lorsqu’on a construit avec des bétons qui ont une durée de vie de quinze mille ans !

vous lisez un article des Cahiers Techniques du Bâtiment N°323

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