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Renforcement du béton
Pour les professionnels dont le travail consiste à évaluer les infrastructures, il est clair que le vaste réseau de routes et de ponts du pays a un besoin urgent de réparation. En 2007, les fonctionnaires de la Administration fédérale des routes évalué 25 pour cent des ponts américains structurellement déficients ou fonctionnellement obsolètes. Et juste cette année, le Société américaine des ingénieurs civils a publié son rapport annuel sur l'infrastructure, donnant à l'état général des ponts un C et des routes un D-.
Ciment du béton : Une nouvelle technique rend le béton moins sensible aux agents corrosifs tels que le sel de voirie. En haut de cette radiographie, la zone bleu-vert à peine visible montre que très peu d'ions chlorure (en vert) ont pénétré le béton traité (en bleu). Les particules rouges indiquent des grains de sable mélangés à du ciment.
La majorité de ces structures sont en béton, dont beaucoup ont été érigées dans les années 40 et 50. Aujourd'hui, ces ponts et routes tombent en ruine, en partie à cause de l'âge et en partie à cause du déglaçage hivernal. Alors que le sel de voirie fait fondre la glace des surfaces, il peut également pénétrer dans les nombreux micropores du béton, dégelant les molécules d'eau à l'intérieur. Ce dégel rapide peut provoquer l'expansion et la fissuration du béton de l'intérieur, ce qui réduit sa durée de vie de plusieurs années.
Aujourd'hui ingénieur à l'Institut national des normes et de la technologie ( NIST ) ont développé et breveté une nouvelle technique, appelée VERDiCT (Viscosity Enhancers Reducing Diffusion in Concrete Technology), qui pourrait potentiellement doubler la durée de vie d'un morceau de béton. En mélangeant un additif de taille nanométrique avec du ciment, ils ont mis au point une méthode qui ralentit l'infiltration du sel de voirie. Ils ont estimé que plus il faut de temps pour que les agents de détérioration pénètrent, plus le béton durera longtemps sans se fissurer.
Dans la fabrication conventionnelle du béton, le ciment sec, généralement composé de calcaire, d'argile et d'autres minéraux, est mélangé à de l'eau pour former une pâte et combiné à des agrégats, tels que des roches ou du sable. En séchant, la pâte colle les agrégats ensemble dans une dalle de béton. Récemment, des efforts ont été déployés pour créer un béton plus résistant et à hautes performances, principalement en augmentant la densité du matériau. Pour ce faire, les chercheurs ajoutent divers produits chimiques de renforcement ou broient les matériaux secs utilisés pour fabriquer le ciment afin qu'ils soient encore plus fins que ceux que l'on trouve dans les mélanges conventionnels. Une fois combinées avec de l'eau, la pâte et la dalle résultante sont beaucoup plus denses et plus résistantes que le béton traditionnel.
Cependant, les scientifiques ont découvert un inconvénient majeur à ces alternatives hautes performances. Dans la construction accélérée, tout le monde opte pour du béton à résistance précoce parce qu'il veut rétablir le trafic, explique Dale bentz , ingénieur chimiste au NIST et chercheur principal du projet. Pour obtenir cette résistance, vous pouvez broyer le béton plus finement [pour le rendre] plus réactif, mais cela génère également plus de chaleur, et lorsqu'il refroidit et se contracte, il peut provoquer des fissures. Vous obtenez donc du béton à hautes performances entre les fissures, ce qui n'est pas ce que vous souhaitez.
Bentz et ses collègues ont plutôt adopté une approche à l'échelle nanométrique pour améliorer le béton. Ils ont reconnu que le béton contient des millions de minuscules micropores remplis de molécules d'eau. Il est connu que les ions chlorure et sulfate du sel de voirie pénètrent dans le béton en se diffusant dans cette solution aqueuse. Ils ont donc émis l'hypothèse que l'augmentation de la viscosité de la solution dans ces micropores pourrait ralentir la pénétration du sel de voirie et d'autres agents de détérioration et prolonger la durée de vie du béton.
Si ces ions flottent, s'ils se déplacent dans le miel au lieu de l'eau, ils seront considérablement ralentis, explique Bentz. L'astuce consiste à trouver le bon produit chimique qui modifiera la viscosité de la solution.
Les chercheurs se sont inspirés de l'industrie alimentaire, qui utilise des additifs comme épaississants dans tout, des vinaigrettes aux boissons gazeuses. Bentz a recherché des additifs similaires qui augmenteraient à la fois la viscosité de la solution aqueuse trouvée dans le béton et la diffusion lente des ions ; il a même essayé d'utiliser des épaississants alimentaires, notamment de la gomme xanthique, qui est utilisée dans les sauces et les glaces.
Après avoir examiné plusieurs additifs dans une solution aqueuse afin de modéliser le comportement des ions dans le béton, l'équipe a découvert que ceux dont la taille moléculaire était plus petite réussissaient mieux à ralentir la vitesse de diffusion des ions. Les additifs présents dans de petites chaînes moléculaires, avec des branches d'hydrogène et d'oxygène, étaient particulièrement efficaces pour augmenter la viscosité d'une solution. Bentz dit que cela pourrait être dû au fait que ces branches d'hydrogène et d'oxygène peuvent interagir avec les molécules d'eau pour former une barrière contre l'infiltration d'ions, ce qui rend leur pénétration plus difficile.
L'équipe a également testé divers additifs dans de petits cylindres de mortiers de ciment, essentiellement du béton sans agrégats. Bentz a mélangé les additifs avec du ciment, a laissé les mortiers sécher et a placé chaque mortier dans une solution de chlorure pendant jusqu'à un an. Après avoir retiré les mortiers de la solution, lui et son équipe ont séparé chaque mortier et analysé jusqu'où les ions chlorure étaient capables de pénétrer. Par rapport aux mortiers sans additifs, ceux avec additifs ont montré une réduction significative de la diffusion des chlorures.
Cependant, la technique peut ne pas être tout à fait prête pour une application à l'échelle industrielle, principalement en raison des coûts potentiels. Bentz dit que pour obtenir de tels résultats, il a dû fabriquer l'additif jusqu'à 10 pour cent de la solution de ciment. L'industrie est à l'aise avec un pour cent, il y a donc un facteur de coût, en ce sens que cela coûtera 10 pour cent de plus, dit Bentz. Nous avons démontré une preuve de concept, et maintenant nous aimerions trouver un additif qui fonctionne à une concentration de 3 à 5 %.
Jason Weiss , professeur de génie civil à l'Université Purdue, travaille à l'amélioration des mélanges de béton et à l'augmentation des performances à long terme du matériau. Il dit qu'une telle technique pourrait un jour rendre les ponts et les routes moins sensibles à la corrosion. Cela a un énorme potentiel, dit Weiss. Cela impliquerait qu'un pont qui pourrait durer 30 ans durerait désormais 40 à 45 ans sous le même type d'attaque chimique.