Un béton flexible pour l’impression 3D d’infrastructures plus solides

Le béton, matériau de prédilection de l’impression 3D dans le domaine de la construction, pourrait bénéficier d’une amélioration grâce aux travaux de recherche de l’Université du Nouveau-Mexique (UNM). Les chercheurs de cette université ont breveté un béton capable de se plier, spécialement conçu pour l’impression 3D. Ce n’est pas le seul projet de recherche mené en 2024 pour optimiser l’impression 3D de béton. En octobre, par exemple, l’université de Virginie a fait la une des journaux pour avoir mis au point un béton imprimable en 3D qui a permis de réduire les émissions de carbone de 31 %. Mais quelles sont les caractéristiques de ce béton flexible ?
Le béton est solide et supporte bien la compression. Mais lorsqu’il s’agit de tension, le matériau ne résiste pas. Fragile, il se fissure et se brise facilement. Même renforcé par de l’acier, il nécessite régulièrement des réparations, qu’il s’agisse de bâtiments, de ponts ou de trottoirs. Un béton doté de meilleures propriétés de traction, comme celui mis au point à l’UNM, pourrait permettre de construire des infrastructures plus solides qui durent plus longtemps et dont l’entretien est moins coûteux. Cela pourrait s’avérer particulièrement utile dans les régions exposées aux catastrophes naturelles telles que les tremblements de terre, qui exercent une pression latérale sur les bâtiments.

Échantillons de béton flexible imprimé en 3D (crédits photo : UNM)
Selon le communiqué de l’UNM concernant cette recherche, des scientifiques du monde entier ont tenté de mettre au point des matériaux et des procédés susceptibles de résoudre ces problèmes. Certaines structures ont été partiellement construites à l’aide d’imprimantes 3D, mais jusqu’à présent, la plupart des processus nécessitent la mise en place de matériaux tels que des poutres ou des barres d’armature, ce qui réduit l’automatisation que l’impression 3D devrait offrir. Pour imprimer quelque chose sans un tel support, le matériau d’impression doit être suffisamment solide pour se soutenir lui-même tout en étant adapté à l’extrusion.
Maryam Hojati, professeur adjoint au département Gerald May d’ingénierie civile, de la construction et de l’environnement, s’est efforcée de trouver une solution. Son assistant de recherche, Muhammad Saeed Zafar, a expliqué leur mission : « Si nous parvenons à concevoir un matériau à ductilité ultra-élevée sans utiliser de barres d’acier conventionnelles, nous résoudrons le problème de l’incompatibilité des renforts avec le processus d’impression 3D.«
Comment le mélange de béton a-t-il été créé ?
L’élément clé est la fibre. Zafar a créé des mélanges de béton avec des quantités variables de fibres et, pour tester leur viabilité, il les a mélangés, mesurés et imprimés avec précision. Le processus était complexe : une quantité insuffisante de fibres entraînait l’effondrement des impressions, et une quantité trop importante de fibres empêchait le mélange de passer facilement dans l’imprimante.
Zafar a imprimé de nombreux motifs en béton, y compris de petites structures, des prismes et des formes en os de chien. Une fois imprimés, ces dessins ont été testés pour leur résistance à la flexion et à la traction directe. Ce processus a ensuite été répété et l’équipe a réalisé différents mélanges avec des matériaux tels que l’alcool polyvinylique, les cendres volantes, la fumée de silice et les fibres de polyéthylène à très haut poids moléculaire.
La substance obtenue, appelée « matériau cimentaire ultra-ductile auto-renforcé », a été brevetée en août 2024 par UNM Rainforest Innovations au nom de Hojati, Zafar et Amir Bakhshi, qui a travaillé comme assistant de recherche au début du développement du projet. Dans le brevet, ils énumèrent quatre mélanges différents dont la capacité de déformation est jusqu’à 11,9 % plus élevée.
Grâce à l’incorporation de grandes quantités de fibres polymères courtes dans ce matériau, il peut maintenir l’ensemble du béton lorsqu’il est soumis à une charge de flexion ou de tension, a déclaré M. Hojati. Si nous utilisons ce matériau à plus grande échelle, nous pourrons minimiser les besoins de renforcement externe de la structure en béton imprimé.
Le Transportation Consortium of South-Central States (Tran-SET) et le University Transportation Center de la région 6 ont accordé des subventions pour financer la conception d’une substance pliable et imprimable semblable au béton. L’UNM a indiqué que le financement a donné lieu à trois projets de recherche : « Le développement d’un matériau cimentaire technique imprimable en 3D, l’évaluation des propriétés du matériau à l’état frais et durci, et le développement d’un éco-béton imprimable en 3D. » Une fois les deux premiers projets achevés, les chercheurs ont réussi à concevoir le matériau et à le faire breveter.
Que pourrait signifier le béton flexible pour l’impression 3D dans le secteur de la construction ?
Ce béton ultra-ductile auto-renforcé serait optimal pour l’impression 3D de bâtiments et d’autres infrastructures, offrant une plus grande résistance aux catastrophes naturelles, une maintenance moins fréquente et une plus grande automatisation de la construction. Toutefois, Mme Hojati a également des vues sur l’espace. Elle participe actuellement à plusieurs projets visant à relever les défis de la construction spatiale, dans lesquels l’impression 3D pourrait jouer un rôle.
« Cette recherche a été très fructueuse, a déclaré Maryam Hojati. Ce matériau possède des propriétés d’impression 3D et une viabilité structurelle très élevée qui pourrait être utilisée dans l’industrie de la construction. » Pour en savoir plus sur la recherche, visionnez la vidéo ci-dessus ou lisez l’article de l’UNM ici.
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*Crédits photo de couverture : capture d’écran de la vidéo UNM