La recherche de nouveaux matériaux et l’amélioration de ceux existants sont l’une des disciplines scientifiques qui a le plus évolué ces dernières années et qui peut être plus facilement convertie en applications pratiques. La l’industrie de la construction est très consciente de chaque avancéeen mettant en œuvre en un temps record des technologies comme celle qui permet de construire des maisons moins chères qu’une voiture en moins de 48 heures ou celle qui donne au béton la capacité de détecter s’il présente des défaillances en temps réel.
Aujourd’hui, des chercheurs du Royal Melbourne Institute of Technology (RMIT) et de l’Université de Melbourne, en Australie, ont présenté une étude qui soutient l’utilisation de l’oxyde de graphène pour fabriquer du béton imprimé en 3D. Celui-ci sera plus résistant et plus facile à imprimer que le classique, en plus d’avoir la capacité de conduire l’électricité, ce qui permettra la création de « murs intelligents » capables de détecter et de surveiller l’apparition de toute fissure, aussi petite soit-elle.
C’est ce qu’indique un article publié dans la revue spécialisée Additive Manufacturing Letters, qui détaille le procédé d’ajout d’oxyde de graphène (GO) au mélange de ciment pour obtenir ce béton spécialement conçu pour l’impression en 3D. Ainsi, grâce à ce nanomatériau, très répandu dans les batteries et les appareils électroniques, atteint une conductivité électrique et une augmentation de la résistance du béton jusqu’à 10 %.
Processus de fabrication
Le GO est la forme de graphène la plus utilisée commercialement, principalement en raison de sa facilité de manipulation et de production, en plus de sa solubilité dans l’eau. Il contient des molécules d’oxygène et d’hydrogène à sa surface, également appelées groupes fonctionnels, qui maintiennent les feuilles de graphène ensemble et facilitent leur interaction avec d’autres molécules.
Ce nanomatériau est déjà utilisé comme additif pour améliorer de nombreuses caractéristiques du béton, comme son imperméabilité, sa résistance mécanique ou encore pour accélérer le temps de prise. Cependant, jusqu’à présent, il n’avait pas été utilisé ni testé sur du béton spécifiquement destiné à être utilisé par des imprimantes 3D capables de construire des maisons ou des ponts.
L’équipe de recherche avec un échantillon de béton imprimé en 3D Université RMIT Omicrono
Dans le cas des recherches menées par l’ingénieur et professeur associé au RMIT Jonathan Tran, GO a une double fonction : améliorer la résistance du béton imprimé en 3D et donner aux murs la capacité d’agir comme des capteurs pour détecter et contrôler les petites fissures.
Pour atteindre le premier objectif, la composition de l’additif lui-même est essentielle. « L’oxyde de graphène possède des groupes fonctionnels à sa surface, qui ressemblent à des » points collants « qui peuvent s’accrocher à d’autres choses », explique Tran. « Ces « points collants » sont principalement constitués de divers groupes fonctionnels contenant de l’oxygène, qui jouent un rôle crucial dans faciliter des liaisons plus fortes avec d’autres matériaux tels que le ciment. « Cette forte liaison peut améliorer la résistance globale du béton. »
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Pour tester ces nouvelles propriétés, l’équipe dirigée par Tran a testé deux mélanges différents avec différentes doses d’oxyde de graphène. La surprise est venue quand ils ont découvert que une dose plus faible de GO, plus précisément 0,015 % du poids du ciment, a permis d’obtenir de meilleurs résultats qu’une dose plus élevée, dans ce cas 0,03%.
Ainsi, il est devenu clair qu’un excès d’oxyde de graphène pourrait nuire non seulement à la résistance et à la durabilité du béton, mais également à sa capacité à être extrudé par les imprimantes 3D. « Le béton est un mélange soigneusement équilibré. Ajouter trop d’oxyde de graphène peut perturber cet équilibre, en particulier le processus d’hydratation, qui est crucial pour la résistance du béton », a déclaré Tran.
Maisons imprimées en 3D Serendix Omicrono
L’excès pourrait également affecter la création d’une structure avec plus d’espaces entre les couches de béton, ou faciliter l’agglomération au lieu d’une répartition uniforme, ce qui pourrait créer des points faibles qui seraient dangereux pour la stabilité structurelle à long terme.
Le béton imprimé en 3D utilisé dans la construction, que ce soit à l’aide d’un bras robotique ou d’une structure à portique (ou en combinant les deux techniques), s’ajoute couche après couche pour façonner la structure conçue par les architectes. Cela peut conduire à des liaisons faibles entre chaque couche, ce qui pourrait s’améliore considérablement avec la bonne quantité d’oxyde de graphèneselon les conclusions de l’étude.
Détecter les fissures
L’autre axe de recherche des techniciens du RMIT concerne le potentiel de ce béton pour créer des bâtiments intelligents, avec des murs capables de faire office de capteurs et contrôler ainsi l’apparition de tout défaut ou casse.
Actuellement, des capteurs ultrasoniques ou acoustiques sont utilisés pour détecter les grandes fissures dans les structures en béton, ce qui est essentiel dans les gratte-ciel ou les infrastructures telles que les ponts. Cependant, Ce sont généralement des équipements très encombrants et pas assez sensibles pour identifier les petites fissures.
Couches de béton avec oxyde de graphène Université RMIT Omicrono
« L’ajout d’oxyde de graphène crée la possibilité d’un circuit électrique dans les structures en béton, ce qui pourrait aider détecter les problèmes structurels, les changements de température et d’autres facteurs environnementaux » dit Tran.
La recherche en est de toute façon à sa phase initiale, mais les chercheurs considèrent cette méthode comme un grand pas en avant possible pour la construction avec du béton imprimé en 3D, qui peut à terme offrir des bâtiments moins chers et plus durables.
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« Avec le béton imprimé en 3D », notent les chercheurs, « non seulement permet d’économiser du temps, de l’argent et du travailmais on peut aussi créer des structures plus complexes et réutiliser certains déchets de construction dans des matériaux à base de ciment. »
C’est pourquoi toute tentative visant à améliorer ses propriétés est cruciale, pour laquelle Tran et son équipe préparent déjà la prochaine étape : étudier la conductivité électrique de l’oxyde de graphène dans le béton et tester sa viabilité en tant que matériau intelligent possible.
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