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RÉSUMÉ
Poussé par une urbanisation croissante et l’impérieuse nécessité d’un impact minimal sur nos ressources et notre environnement, le monde de la construction est le lieu d’innovations à juste titre qualifier de nanotechnologiques. Est concerné autant l’habitat individuel que le tertiaire, le milieu urbain et nos grandes infrastructures, que celles-ci soient énergétiques, environnementales ou de mobilité. L’impact des nanotechnologies sur le matériau-roi du génie civil – le béton – et sur nos grands ouvrages d’art et réseau routier, est certain. L’usage de nanomatériaux dans les câbles et haubans des ponts permettra d’en faire des composants actifs, de même l’usage des nanotechnologies dotera la route de fonctionnalités qui la rendront adaptable, résiliente et automatisée.
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Henri VAN DAMME : Directeur scientifique de l'Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux (IFSTTAR) - Professeur à l'École Supérieure de physique et chimie industrielles, ESPCI-ParisTech
INTRODUCTION
Le monde de la construction a la réputation d’être traditionnel. L’objet de ce dossier, conçu en deux parties, est de montrer qu’au-delà de ce cliché, c’est au contraire un monde qui, poussé par notre urbanisation croissante et l’impérieuse nécessité d’un impact minimal sur nos ressources et notre environnement, sera le lieu d’innovations que l’on peut à juste titre qualifier de nanotechnologiques. Ceci touchera autant l’habitat individuel que le tertiaire, le milieu urbain et nos grandes infrastructures, que celles-ci soient énergétiques, environnementales ou de mobilité. Après un premier dossier consacré en priorité aux matériaux d’enveloppe du bâtiment et à leur impact sur la qualité urbaine, ce second dossier aborde plus spécifiquement l’impact des nanotechnologies sur le matériau-roi du génie civil – le béton – et sur nos grandes infrastructures – ouvrages d’art et réseau routier. On montrera que les nanosciences et l’ingénierie moléculaire des adjuvants offrent encore de belles marges de progrès aux bétons ; que l’usage de nanomatériaux dans les câbles et haubans des ouvrages d’art permettra d’en faire des composants actifs et les rendra plus sûrs ; que, grâce à l’usage de nouveaux matériaux et dispositifs dont beaucoup relèveront des nanotechnologies et des nanomatériaux (« NT & NM »), la route elle-même sera dotée de fonctionnalités nouvelles qui la rendront adaptable, résiliente et automatisée ; enfin, que l’incorporation de capteurs massivement distribués et communicants étendra l’internet des objets à l’ensemble de nos infrastructures et permettra d’en augmenter la durabilité, la sécurité et, globalement, l’efficacité.
La France compte environ 7 000 km d’autoroutes et 12 000 km de routes nationales. Le réseau de routes départementales et communales – dit « réseau secondaire » – avoisine, pour sa part, le million de kilomètres. Le réseau ferré de lignes à grande vitesse (LGV) approche désormais les 2 000 km, tandis que le réseau ferroviaire électrifié classique avoisine les 15 000 km. Ces infrastructures linéaires s’enchevêtrent grâce à 230 000 ponts routiers et 50 000 ponts ferroviaires. Elles requièrent plus de 50 000 murs de soutènement et sont rendues plus directes grâce au percement de près de 1 000 km de tunnels, routiers ou ferroviaires.
Avec 10 % de notre électricité d’origine hydraulique et près de 80 % d’origine nucléaire, nous possédons également plus d’un millier de barrages de toute taille et une soixantaine de centrales nucléaires. Et le réseau d’assainissement de nos eaux usées, quasi-totalement enfoui, est aussi dense que la France de surface.
Ce patrimoine énorme, essentiel pour la bonne marche du pays, repose essentiellement, à l’exception de la route, sur l’utilisation du béton et de l’acier (le premier contenant d’ailleurs une bonne dose du second). La place du béton pourrait encore augmenter avec son introduction éventuelle dans la construction de lignes ferroviaires à très grande vitesse (LTGV), en substitut du ballast. Ce patrimoine demande à être surveillé, entretenu et réparé. La tendance à la prolongation de la durée de vie des ouvrages ne fait que renforcer ce besoin de durabilité. Par ailleurs, le béton est l’objet d’une quête de performances mécaniques de plus en plus élevées – évolution justifiée par les défis à relever et aussi par le gain de matière et, dans certaines circonstances, de surface utile que cette amélioration permet – et de mise en œuvre de plus en plus rapide. Compte tenu de la nature physico-chimique du béton ou, plus exactement, de son liant – le ciment Portland – la maîtrise de ces questions relève dans une large mesure des nanosciences.
Le patrimoine routier repose pour sa part, du moins dans notre pays, sur un béton particulier dans lequel le liant n’est autre que du bitume. Ce béton particulier, qualifié d’« enrobé bitumineux », peut prendre des formes variées, plus ou moins compactes, comme son homologue cimentaire. Le bitume est lui-même, et de plus en plus, un produit formulé. Sa mise en œuvre et ses propriétés dépendent de la maîtrise de la matière à l’échelle moléculaire et supramoléculaire.
Ce dossier est consacré aux évolutions que les nanosciences et les nanotechnologies (« NS & NT ») peuvent apporter, non seulement aux deux liants – ciment Portland et bitume – qui viennent d’être mentionnés – et à leurs bétons, mais aussi, plus généralement, à la conception, à l’auscultation et au suivi des ouvrages, y compris de la route.
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Câbles, haubans et tirants, passifs ou actifs
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1. Un matériau roi : le béton de ciment Portland
Avec environ 1 m3 par habitant et par an, le béton est le matériau industriel le plus utilisé au monde. Avec le pétrole pour l’énergie et le silicium pour les technologies de l’information et de la communication, le béton – pour la construction – est l’un des trois piliers matériels de notre société actuelle. De manière générale, un béton est un matériau composite constitué de granulats et d’une colle, ou liant, destinée à assurer la cohésion des granulats (figure 1). La terre crue, compactée, peut être considérée comme un béton naturel, la fraction fine - l’argile - jouant le rôle de liant des fractions plus grossières, limon, sable, cailloux. Mais le béton le plus connu est incontestablement celui que nous appelons « le » béton, dans lequel la colle n’est autre que le ciment Portland, dont la base a été mise au point il y a plus d’un siècle et demi par Vicat et Smeaton. Le béton bitumineux des « enrobés » qui couvrent nos routes dispute au précédent la place de matériau roi dans nos infrastructures. À eux deux et de manière complémentaire ils constituent l’ossature du territoire. Sans eux, pas de routes, rues, ponts, viaducs, tunnels, réseau d’assainissement, pas d’infrastructures portuaires ou aéroportuaires, pas de centrale de production d’électricité.
Quasi-entièrement minéral (la partie organique, ultra-minoritaire, n’en est pas moins essentielle et source de progrès, comme nous le verrons), le béton de ciment Portland peut être considéré comme une roche artificielle. La magie du béton est que, pendant un certain temps, il s’agit d'une roche liquide, sans qu’il soit besoin de le chauffer. Cela lui donne une aptitude exceptionnelle à être transporté, pompé et coulé dans des coffrages de forme quelconque. Avec une formulation granulaire optimisée, sa résistance en compression peut approcher celle de l’acier, ce qui signifie qu’un pilier de béton haut de quatre kilomètres, qui ne s’écroulerait pas sous son propre poids, est une chose parfaitement concevable.
Le ciment Portland est obtenu par chauffage d’argile et de calcaire à 1 450 °C. La réaction, partiellement en phase solide et partiellement en phase liquide, produit après refroidissement un matériau appelé clinker qui est une masse frittée, partiellement...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - LE CHATELIER (H.) - Recherches Expérimentales sur la Constitution des Mortiers Hydrauliques - Dunod, Paris (1904).
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(2) - GARRAULT-GAUFFINET (S.), NONAT (A.) - Experimental investigation of calcium silicate hydrate (C-S-H) nucleation - J. of Crystal Growth, vol. 200, 565-574 (1999).
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(3) - GAUFFINET-GARRAULT (S.), NONAT (A.) - Hydrated layer formation on tricalcium and dicalcium nsilicate surfaces : Experimental study and numerical simulations - Langmuir, vol. 17, 8131-8139 (2001).
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(4) - ROUSSEL (N.) - Steady and transient flow behaviour of fresh cement pastes - Cement and Concrete Research, vol. 35, 1656-1664 (2005).
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(5) - ROUSSEL (N.) - A thixotropy model for fresh fluid concretes : theory, validation and applications - Cement and Concrete Research, vol. 36, 1797-1806 (2006).
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(6) - LOOTENS (D.), HEBRAUD (P.), LECOLIER (E.), VAN DAMME (H.) - Gelation,...
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