Renforcer les ciments par l’incorporation de nanomatériaux

La fabrication d’une tonne de ciment dégage environ une tonne de CO2 et l’industrie du ciment représente à elle seule 8 % des émissions de CO2 anthropiques. Avec une production mondiale qui dépasse les 16 milliards de tonnes par an, le béton est actuellement la deuxième ressource la plus consommée sur Terre après l’eau. Le ciment, composant essentiel du béton, représente à lui seul 4,1 milliards de tonnes par an.

Incorporer des nanomatériaux carbonés, une solution de renforcement prometteuse

Avec une résistance à la traction allant de 5 à 100 GPa et un module de Young de 1 TPa, les nanotubes de carbone sont de bons candidats au renforcement des bétons, tout comme le graphène (130 GPa en résistance à la traction pour un module de Young de 1 TPa).

Si plusieurs études ont déjà mis en avant des gains significatifs en termes de rigidité et de résistance pour des bétons intégrant de tels matériaux, des critères extrêmement importants restent à évaluer, en particulier la présence de défauts et le comportement des ciments à la rupture.

Actuellement, l’influence de ces nanomatériaux sur le comportement du ciment Portland n’est pas connue et nécessite d’être étudiée. Les travaux des chercheurs de la Northwestern University ont ainsi pour objectif d’employer de nouvelles méthodes de caractérisation de la rupture et de développer des protocoles de synthèse alternatifs afin d’étudier l’impact de ces nanomatériaux carbonés sur la résistance à la rupture.

Ces travaux sont développés en détails dans une étude publiée en open access dans le journal Philosophical Transactions of the Royal Society A.

Le scratch test, une méthode qui permet d’accélérer la caractérisation de ces matériaux

Les méthodes de caractérisation traditionnelles ont l’inconvénient de nécessiter un grand nombre d’essais et la mise en forme d’une grande quantité de ciment. Ange-Therese Akono, auteure principale de cette étude, propose une méthode alternative : elle utilise une machine de scratch test équipée d’une sonde conique pour étudier la fissuration du ciment sur des échantillons de petite taille.

Dans un communiqué de presse, la chercheuse explique : « Ma méthode s’applique directement à l’échelle du micromètre et du nanomètre, ce qui permet un gain de temps considérable. Sur cette base, nous pouvons comprendre comment les matériaux se comportent, comment ils se fissurent et finalement prédire leur résistance à la rupture. »

Puis elle ajoute : « Le rôle des nanoparticules pour cette application n’était jusqu’à présent pas encore compris, il s’agit donc d’une avancée majeure. »

Le champ de cette étude couvre de nombreux domaines comme la construction de bâtiments, l’entretien des routes, l’optimisation des capteurs et des générateurs, mais aussi la surveillance de la santé de structures.

Les méthodes développées dans cette étude sont également en lien avec d’autres sujets tout aussi importants sur lesquels travaille Ange-Therese Akono : l’incorporation de déchets de construction dans la fabrication de béton et l’étude de la compréhension des performances à long terme, sur 10, 20 ou 40 ans.