Le nano secret du béton

Le béton est le matériau synthétique le plus largement utilisé, et la fabrication du ciment - le principal ingrédient du béton - représente 5 à 10 pour cent de toutes les émissions anthropiques de dioxyde de carbone, l'un des principaux gaz à effet de serre impliqués dans le réchauffement climatique. Mais maintenant, des chercheurs du MIT qui étudient la nanostructure du béton ont fait une découverte qui pourrait conduire à une réduction des émissions de dioxyde de carbone lors de la production de ciment.

Sonder un matériau à base de ciment avec une aiguille en diamant ultrafine fait une empreinte de l'ordre du nanomètre. Des chercheurs du MIT ont utilisé cette technique pour étudier la nanostructure du ciment, qui régit les propriétés du béton fabriqué avec le ciment. Grâce à l'ingénierie du ciment à l'échelle nanométrique, ils espèrent réduire les émissions de dioxyde de carbone provenant de la production de ciment.

Les chercheurs ont découvert que les éléments constitutifs du béton sont des particules de quelques nanomètres seulement et que ces nanoparticules sont disposées de deux manières distinctes. Ils ont également découvert que l'arrangement d'emballage des nanoparticules détermine les propriétés du béton, telles que la résistance, la rigidité et la durabilité. Le minéral [qui fabrique la nanoparticule] n'est pas la clé pour atteindre ces propriétés… c'est plutôt l'emballage [des particules], dit Franz-Josef Ulm , professeur de génie civil et environnemental au MIT qui a dirigé les travaux. Ne peut-on donc pas remplacer le minéral d'origine par autre chose ? L'objectif est de formuler un ciment de remplacement qui maintient l'arrangement de l'emballage des nanoparticules mais peut être fabriqué avec des émissions de dioxyde de carbone plus faibles.

La fabrication du ciment donne lieu à des émissions de dioxyde de carbone car elle consiste à brûler du combustible pour chauffer un mélange en poudre de calcaire et d'argile à des températures de 1 500 ºC. Lorsque le ciment est mélangé avec de l'eau, une pâte se forme; du sable et du gravier sont ajoutés à la pâte pour faire du béton. Mais les scientifiques ne comprennent pas pleinement la structure du ciment, dit Ulm.

Le plus grand mystère est la structure et les propriétés du bloc de construction élémentaire de la pâte ciment-eau, l'hydrate de silicate de calcium, qui agit comme la colle maintenant tous les ingrédients du béton. Toutes les propriétés macroscopiques du béton sont liées d'une manière ou d'une autre à ce à quoi ressemble cette phase au niveau du nanomètre, dit Jeffrey Thomas , professeur de génie civil et environnemental à la Northwestern University.

Si cette structure était mieux comprise, les chercheurs pourraient alors fabriquer du ciment à l'échelle nanométrique pour adapter les propriétés du béton, selon Hamlin Jennings , professeur de génie civil et environnemental et de science des matériaux à Northwestern. Parce que les chercheurs ne connaissent pas le comportement du ciment à l'échelle nanométrique, jusqu'à présent, les progrès dans la recherche sur le béton et le ciment ont été largement aléatoires, dit Jennings.

Jennings avait prédit que l'hydrate de silicate de calcium est une particule d'une taille d'environ cinq nanomètres. Ulm et son chercheur postdoctoral Georgios Constantinides ont confirmé cette structure en utilisant une technique appelée nanoindentation, qui consiste à sonder les pâtes de ciment avec une aiguille en diamant ultrafine.

Les chercheurs ont découvert que les nanoparticules de calcium-silicate-hydrate étaient disposées soit d'une manière similaire aux oranges emballées au hasard dans une boîte, soit comme la disposition pyramidale des oranges dans une épicerie. Avec ces deux dispositions, les particules remplissent respectivement 63 et 74 pour cent du volume de la pâte de ciment, le reste étant de l'eau et de l'air. Les volumes relatifs que les nanoparticules occupent dans la pâte contrôlent les propriétés mécaniques de la pâte de ciment, ont découvert les chercheurs.

Ulm et Constantinides envisagent maintenant de modifier les composants du ciment - une idée est de remplacer le calcium par du magnésium - afin qu'il faille moins de chaleur pour fabriquer du ciment, mais les nanoparticules résultantes ont toujours le même arrangement de conditionnement que les nanoparticules de calcium-silicate-hydrate.

Ils prévoient également d'étudier la nanoparticule jusqu'à ce qu'ils la comprennent jusqu'au niveau atomique. Cela leur donnera encore plus de liberté pour le ciment nano-ingénieur, dit Ulm. Nous pourrions y ajouter des produits chimiques afin d'améliorer les performances [du béton] avec peut-être moins de ciment, ou le même ciment qui donne une résistance plus élevée.

Avec deux milliards de tonnes de ciment produites dans le monde chaque année et une demande de béton qui augmente avec la croissance en Chine et en Inde, Ulm dit qu'il est impératif de réduire les émissions de dioxyde de carbone liées au béton dans le cadre de l'effort de lutte contre la mondialisation échauffement.

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