De nouvelles recherches menées au Département de génie civil et environnemental de l’Université de Princeton ouvrent une voie prometteuse vers une nouvelle génération de matériaux cimentairesqui peut être utilisé pour créer des bâtiments et des infrastructures plus résistants, sûrs et durables. A la base de cette innovation il n’y a pas un nouveau ciment ou un nouveau mélange, mais il étude de la structure de la nacre: le matériau interne des coques, étonnamment résistant bien qu’il soit composé d’éléments intrinsèquement fragiles, tout comme la matrice qui constitue le béton. Dans cet article, nous explorons les principes et les résultats de cette intéressante combinaison de recherches biomimétisme et génie civil.
L’idée derrière la recherche : béton et coques
Quel est le point commun entre le béton et les coques que l’on trouve dans la nature ? Un défaut intrinsèque : tous deux sont constitués de matériau extrêmement fragile. Comme nous le savons, le béton, composé de ciment, d’eau et de granulats dans un mélange correct de conception spécifique, il ne peut pas résister aux contraintes de tractionet doit en fait utiliser armure métallique noyé dans la coulée pour garantir les performances structurelles nécessaires pour en faire un matériau de construction.
Les coquilles, à l’intérieur, sont faites de nacre (ou nacre), matière principalement constituée de l’aragonite, un minéral très fragile. Pourtant, contrairement au béton, qui n’a pas d’armature, les coques ont une comportement macroscopique beaucoup plus résistant et tenace. Le secret réside dans le leur microstructure internec’est-à-dire une composition géométrique plutôt qu’une composition chimique. On peut donc comparer les structure de la nacre à celui d’un mur de briques microscopique: de petits éléments extrêmement rigides, en aragonite, sont maintenus ensemble par une colle douce, constituée d’une matrice organique
Si une contrainte externe affecte la résistance de ce schéma structurel, les éléments rigides ils glissent l’un entre l’autre en raison d’une déformation importante de la matrice liante. La principale conséquence de cette condition de déformation est que la structure présente en interne plus de capacité dissipative et parvient à réduire l’apport énergétique localisé qui – autrement – provoquerait la formation d’une fissurece que l’on voit généralement dans le béton actuel. Le résultat est une augmentation de la ductilité du système qui garantirait au béton une meilleure performance que celle à laquelle nous sommes habitués aujourd’hui.
Les évolutions de l’étude : 17 fois plus résistant
Pour reproduire cette conformation géométrique au sein d’un matériau cimentaire, les chercheurs ont utilisé une technique gravure au laser sur de fines feuilles de pâte de ciment. Avec le laser, ils ont créé une série de briques hexagonalessemblable à ce qui est présent au microscope dans la nacre. Ces feuilles, ainsi gravées, étaient ensuite superposées en insérant une très fine couche entre une couche et l’autre. Élastomère PVSun matériau hautement déformable qui joue le rôle de matrice organique naturelle. Ils ont ainsi créé trois prototypes :
- une version « en couches » sans gravures ;
- une version avec des hexagones gravés, toujours reliés entre eux ;
- une version avec des hexagones physiquement séparés comme éléments individuels.
Tous les échantillons ont été testé en flexion jusqu’à rupturepour évaluer la réponse sous stress. Les résultats expérimentaux confirment l’hypothèse de départ : repenser l’architecture interne du béton son comportement mécanique change complètementsans avoir à toucher à sa chimie. L’échantillon le plus prometteur, le troisième de la liste, a montré un la ténacité à la rupture a été multipliée par plus de 17 (paramètre qui mesure la capacité du matériau à empêcher la propagation des lésions). La fissure est en effet obligée de suivre des chemins tortueux et de consommer bien plus d’énergie pour avancer. De plus, le matériau est non seulement plus durable, mais aussi plus ductileet donc moins sujet aux casses brutales.
Pour un matériau typiquement fragile comme le béton ou en général une pâte de ciment, il s’agit d’un changement radical. Une résistance mécanique apparaît comparable aux pâtes de ciment traditionnelles, malgré l’ajout de couches déformables et la séparation en hexagones.
L’importance de la recherche à l’Université de Princeton
Le béton est le matériau de construction le plus utilisé au monde, mais son la fragilité intrinsèque est une limite. Depuis des décennies, nous essayons d’améliorer ses performances – pensez à béton fibré, c’est-à-dire obtenu avec l’ajout de fibres et de polymères – mais les progrès sont modestes, puisqu’un perte de résistance ou de durabilité. Le travail des scientifiques de l’Université de Princeton est important car il jette les bases du refonte du béton: non pas en intervenant sur la chimie du ciment, mais sur la mélange géométrique de la pâteinspiré de la structure interne des coquilles, qui – selon l’étude – représente une solution naturelle. Les applications sont encore en phase expérimentale et n’impliquent pas de prototypes à l’échelle réelle, où l’utilisation du matériau devient véritablement percutante. Cependant, les résultats émergeant des recherches préliminaires semblent prometteurs et nous encouragent à poursuivre dans cette voie.