Des chercheurs de l’Université du Nouveau-Mexique (UNM) ont mis au point un béton flexible conçu pour l’impression 3D. La construction traditionnelle repose sur l’utilisation de machines lourdes pour installer des poutres en acier ou en bois et créer une structure, un processus souvent dangereux et coûteux. Ce problème, parmi d’autres liés aux matériaux et aux méthodes de fabrication, est l’un de ceux que Maryam Hojati, professeure adjointe au Département Gerald-May, cherche à résoudre.
Un autre problème majeur concerne l’entretien des infrastructures. Même le béton renforcé avec de l’acier nécessite des réparations fréquentes, ce qui entraîne des coûts de maintenance réguliers pour des infrastructures telles que les bâtiments, les ponts ou les trottoirs. Un matériau plus résilient pourrait permettre de prolonger la durée de vie des infrastructures publiques et de réduire les coûts de maintenance.
« Le béton, à lui seul, n’a pas de propriétés de résistance à la traction, ce qui signifie qu’un morceau de béton peut se briser facilement lorsqu’il est soumis à une force de traction. C’est un matériau très fragile », explique Hojati. Cette fragilité face aux contraintes est particulièrement problématique dans les cas de catastrophes naturelles ou de conditions climatiques extrêmes, comme les séismes ou les vents violents, qui exercent une pression latérale ou une tension sur les bâtiments. « Le matériau doit être capable de résister à la fois à la compression et à la traction. Si le béton est excellent pour la compression, il reste faible en traction ».
Des chercheurs du monde entier explorent des matériaux et des procédés susceptibles de résoudre ces défis. Certaines structures ont été partiellement construites avec des imprimantes 3D, mais la plupart des procédés nécessitent encore l’ajout d’éléments essentiels, comme des poutres ou des armatures, ce qui limite l’automatisation que l’impression 3D devrait offrir. Pour imprimer une structure sans ces supports, le matériau doit être suffisamment résistant pour se maintenir seul.
Muhammad Saeed Zafar, qui a obtenu son doctorat à l’été 2024 et travaillé comme assistant de recherche pour Hojati, a mis au point une substance qui pourrait relever ce défi. « Si l’on parle de l’impression 3D ou de la FA dans les domaines des métaux et des plastiques, ces technologies sont très avancées, mais l’impression du béton en est encore à ses débuts », a-t-il déclaré. « Si nous parvenons à concevoir un matériau ultra-flexible sans utiliser d’armatures en acier classiques, cela résoudra le problème d’incompatibilité entre l’armature et le processus d’impression 3D ».
Le matériau breveté, appelé matériau à base de ciment ultra-flexible auto-renforcé, a été déposé en août dernier par UNM Rainforest Innovations au nom de Hojati, Zafar et Amir Bakhshi, qui a contribué au projet en tant qu’assistant de recherche et étudiant en maîtrise. Zafar a publié l’an dernier ses recherches sur les matériaux de construction et d’ingénierie. « L’objectif principal de ce travail était de résoudre le problème de l’armature dans l’impression 3D du béton » a expliqué Zafar. « Nous affirmons que l’impression 3D du béton est un processus automatisé. Or, les méthodes de renforcement traditionnelles compromettent cette automatisation. »
Pour être imprimé, le matériau ultra-flexible doit contenir suffisamment de fibres pour se maintenir tout en ayant une viscosité adaptée à son passage dans la buse d’impression sans obstruction. Trouver cet équilibre est un défi complexe : un mélange avec trop peu de fibres risque de s’effondrer sur lui-même, tandis qu’un mélange trop riche en fibres pourrait bloquer le processus d’impression. Chaque matériau est donc méticuleusement mélangé, mesuré et testé.
Après avoir imprimé des structures de différentes formes, y compris des petits bâtiments, des prismes et des modèles en forme d’os de chien, les chercheurs ont testé leur résistance à la flexion et à la traction directe. Ils ont également exploré des mélanges composés de fibres et matériaux variés, tels que l’alcool polyvinylique, les cendres volantes, la fumée de silice et des fibres de polyéthylène de masse moléculaire ultra-élevée. Le brevet obtenu propose quatre mélanges distincts offrant une capacité de déformation jusqu’à 11,9 % supérieure. « Grâce à l’incorporation d’une grande quantité de fibres polymères courtes dans ce matériau, celui-ci peut maintenir la cohésion du béton lorsqu’il est soumis à une charge de flexion ou de traction », a expliqué Hojati. « Si nous utilisons ce matériau à grande échelle, nous pourrions réduire considérablement le besoin d’armatures externes pour les structures en béton imprimé ».
UNM : https://news.unm.edu/news/unm-engineers-build-the-future-of-3d-printing-with-bendable-concrete
