Le verre recyclé améliore la résistance et la durabilité du béton imprimé en 3D

Des chercheurs de la Technische Universität Berlin (TU Berlin) et de l’Université Brunel ont trouvé un moyen de transformer le béton d’impression 3D en un matériau de construction plus robuste et respectueux de l’environnement.

En remplaçant partiellement le sable du ciment Portland utilisé pour fabriquer le béton par du verre recyclé, du calcaire et des charges plastiques, l’équipe a réussi à améliorer considérablement sa résistance et sa conductivité thermique. Ayant déjà déployé leur nouveau matériau pour imprimer en 3D des morceaux de mur, les ingénieurs affirment qu’avec davantage de R&D, il pourrait éventuellement être utilisé pour ériger les bâtiments mieux isolés du futur.

“De grandes quantités de sable naturel sont actuellement utilisées pour répondre à l’appétit insatiable du monde pour le béton, à un coût élevé pour l’environnement”, ont déclaré les chercheurs à The Conversation. « Notre nouvelle recherche suggère un moyen de limiter cet impact. Nos recherches montrent qu’un bâtiment 3D ultra-léger et bien isolé est possible – quelque chose qui pourrait être une étape vitale dans notre mission vers le net zéro.

Une section de mur imprimée en 3D fabriquée partiellement à partir de granulats recyclés.  Photo via Mehdi Chougan.
Une section de mur imprimée en 3D fabriquée partiellement à partir de granulats de verre recyclé. Photo via Mehdi Chougan, TU Berlin/Université Brunel.

Améliorer la durabilité du béton

Généralement, le béton est fabriqué à partir d’un mélange de ciment, d’eau et d’agrégats tels que le sable, mais ce dernier provient souvent de manière non durable des lits des rivières et des plages. De plus, selon les chercheurs, des volumes élevés d’adjuvants coûteux sont souvent ajoutés pour garantir que ce ciment a une fluidité et une capacité de construction suffisantes pour l’impression 3D, augmentant ainsi le coût de toutes les structures qu’il est utilisé pour construire.

Pour lutter contre ces inconvénients, de nombreuses recherches ont été consacrées au remplacement du liant du ciment par différentes charges ou granulats naturels. En 2020, par exemple, une équipe de l’Université de Tongji a prouvé qu’il était possible d’ajouter du sable récupéré des démolitions à la place du ciment, sans impacter ses propriétés d’impression, mais au prix de modifications qui ont affecté sa maniabilité.

De même, les ingénieurs de NTU Singapour ont précédemment démontré l’efficacité de l’incorporation de déchets de verre dans le béton, constatant que cela améliorait la fluidité du matériau, mais le mélange présentait toujours une faible aptitude à la construction lors d’essais pratiques.

S’inspirant de ces démarches, l’équipe anglo-allemande a désormais récupéré des bouteilles en verre recyclées, les a broyées, les a lavées, séchées, broyées et tamisées, avant de les mélanger au béton. Les ingénieurs ont également ajouté du calcaire et de minuscules sphères de plastique à leur mélange en quantités mesurées, qui sont conçues pour agir comme des liants durables qui donnent des structures aux propriétés thermiques améliorées.

Images SEM des agrégats de verre et des microsphères en plastique des chercheurs.  Image via TU Berlin/Université Brunel.
Images SEM des agrégats de verre et des microsphères en plastique des chercheurs. Image via TU Berlin/Université Brunel.

De futurs bâtiments mieux isolés

Au départ, les chercheurs ont formulé six mélanges de béton différents, chacun composé de 50 à 100 % d’agrégats de déchets de verre, avant de les imprimer en 3D en un ensemble d’échantillons de 40 x 40 x 160 mm. Fait intéressant, ce faisant, l’équipe a découvert que tous leurs mélanges avaient la fluidité nécessaire pour conserver leur forme après l’impression, mais ceux contenant des microsphères prenaient beaucoup plus de temps à se mettre en forme.

Cela étant dit, les ingénieurs ont également découvert que l’intégration de ces charges légères dans leur matériau permettait de le déposer dans des échantillons avec une conductivité thermique inférieure de 40 % à celle du béton d’impression 3D traditionnel, tandis que les tests de résistance à la compression ont révélé que leurs propriétés de résistance augmentaient en fait avec plus de déchets. le verre a été introduit.

Compte tenu des avantages de l’isolation comme moyen de réduire le besoin de chauffer et de refroidir constamment les bâtiments, l’équipe considère donc leur matériau comme idéal pour aider à construire de futures infrastructures à faible émission de carbone. Les chercheurs pensent également que leur béton pourrait libérer le potentiel de l’impression 3D de construction, une technologie qu’ils considèrent comme ayant des avantages inhérents en matière de durabilité.

“En utilisant la technologie d’impression 3D, nous pouvons développer une structure murale sur un ordinateur, la convertir en code simple et l’envoyer à une imprimante 3D pour qu’elle soit construite”, ont conclu les chercheurs. “Les imprimantes 3D peuvent fonctionner 24 heures sur 24, réduire la quantité de déchets produits et augmenter la sécurité des travailleurs de la construction.”

La buse de la nouvelle imprimante 3D Vulcan d'ICON déposant des couches de Lavacrete.
La technologie d’impression 3D Vulcan d’ICON en action. Image via ICÔNE.

Alors que l’impression 3D en béton continue de progresser vers la construction grand public, l’attention des premiers leaders du marché et des chercheurs a commencé à se tourner vers le perfectionnement des matériaux à la base de la technologie. À l’instar des chercheurs anglo-allemands, une équipe de l’Université RMIT a également tenté d’ajouter du verre recyclé au béton l’année dernière, découvrant que les matériaux résultants avaient de fortes références circulaires.

En collaboration avec COBOD, le spécialiste des matériaux de construction CEMEX a également développé un moyen de rendre le béton ordinaire imprimable en 3D et d’améliorer potentiellement l’accessibilité de la technologie. En intégrant son adjuvant D.fab dans le béton de tous les jours, l’entreprise a mis au point un matériau dont on dit qu’il « prend forme instantanément », ce qui lui confère des délais de livraison importants et des capacités de réduction des coûts de construction.

Les découvertes des chercheurs sont détaillées dans leur article intitulé “Composites cimentaires légers imprimables en 3D avec agrégats de déchets de verre incorporés et microsphères expansées – Propriétés rhéologiques, thermiques et mécaniques.” L’étude a été co-écrite par Karla Cuevas, Mehdi Chougan, Falk Martin, Seyed Hamidreza Ghaffar, Dietmar Stephan et Pawel Sikora.

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L’image en vedette montre une section de mur imprimé en 3D en partie à partir d’agrégats recyclés. Photo via Mehdi Chougan, TU Berlin/Université Brunel.