Ingrédient essentiel du béton, deuxième ressource la plus consommée sur Terre après l’eau, le ciment représente une production mondiale annuelle de 4,1 milliards de tonnes, et libère autant de CO2 dans l’atmosphère. En conséquence, l’industrie du ciment représente 8% des émissions mondiales de CO2 d’origine humaine.
Dans une étude publiée le 21 juin 2021 dans The Royal Society publishing, Ange-Therese Akono, professeure-assistante à l’université Northwestern, teste la résistance d'un ciment renforcé avec des nanomatériaux, et développe une nouvelle forme de ciment infusé au graphène, très résistante à l'eau et aux fissures.
Renforcer le ciment avec des nanoparticules
« Un moyen important de réduire l'empreinte carbone du ciment est de développer des ciments avec une meilleure résistance à la rupture, afin de réduire le volume nécessaire à la conception des bâtiments et des structures », soutient-elle dans son article. En effet, l’une des raisons pour lesquelles les structures en béton nécessitent de fréquents remplacements et un lourd entretien est la formation de fissures. Dès que des ruptures apparaissent dans le matériau, l’eau peut s’infiltrer et les aggraver jusqu’à ce que l’ensemble soit fragilisé.
Pour trouver la bonne recette, elle a testé quatre types de renforcements à base de carbone, à savoir des nanofibres de carbone, des nanotubes de carbone multi-parois, des nanotubes de carbone hélicoïdaux et des nanoplaquettes d'oxyde de graphène. Les nanoparticules de carbone ont été dispersées dans de l’eau désionisée, puis mélangées avec du ciment Portland, qui est principalement composé de silicates de calcium hydrauliques. La pâte obtenue a ensuite durci pendant sept jours, trempée dans de l’éthanol pour stopper l’hydratation du ciment, puis stockée sous vide.
Le test de la rayure
Les ciments ont été testés à l’aide d’un nouveau protocole qu’Ange-Therese Akono a élaboré pendant sa thèse : le test de la rayure. Contrairement aux tests de rupture traditionnels, dans lesquels des faisceaux lumineux sont projetés sur le matériau et qui, selon elle, conduit rarement à des découvertes, le test de la rayure utilise une sonde conique qui applique une force verticale croissante contre la surface de microscopiques morceaux de ciment. La ténacité à la rupture est ensuite calculée à l’aide d’un modèle de mécanique.
Grâce à ces expériences, elle a pu identifier les nanoplaquettes de graphène comme l’ingrédient apportant le plus de résistance. Incorporées en petites quantité, elles abaissent la porosité du matériau – et donc la pénétration de l’eau – de 78%. Le produit fini gagne donc en résistance à la fracture. Des résultats qui viennent confirmer l’intérêt du graphène dans l’élaboration du béton, une technologie qui commence à faire son chemin. Bien que ces travaux soient principalement au stade d’études, la première dalle de béton enrichi en graphène a toutefois été coulée en Angleterre en mai 2021.
