Du béton léger imprimé en 3D pour une meilleure isolation des bâtiments
Comme l’a souligné un rapport du Forum économique mondial de 2016, le secteur de la construction n’a pas encore pleinement adopté les dernières technologies, alors que la croissance démographique, notamment urbaine, nécessite des infrastructures rénovées et de nouveaux logements abordables. Les nouvelles technologies pourraient non seulement réduire les coûts de construction, mais aussi profiter à l’environnement grâce à des pratiques plus éco-efficaces. En effet, les bâtiments représentent environ 40 % de la consommation énergétique mondiale et sont responsables d’environ un tiers des émissions mondiales de carbone. Le projet Ultra-LightCon-3D, soutenu par le programme Actions Marie Skłodowska-Curie, s’est penché sur les possibilités offertes par l’impression 3D dans le domaine de la construction, notamment en ce qui concerne l’isolation en béton imprimable. Grâce au travail continu de l’imprimante, l’impression 3D peut diminuer les coûts de main-d’œuvre et de coffrage et réduire les déchets, tout en étant capable d’imprimer des formes complexes. «On a coutume de dire que le secteur actuel de la construction essaye de résoudre des problèmes modernes avec des technologies anciennes. Les possibilités révolutionnaires de l’impression 3D pourraient transformer l’architecture, la conception et la construction des bâtiments, ouvrant ainsi la voie à de nouveaux projets et redéfinissant les normes de construction», explique Paweł Sikora, chercheur à l’université technique de Berlin, hôte du projet. Ultra-LightCon-3D a développé une «enveloppe» d’isolation thermique imprimée en 3D destinée aux murs des bâtiments, qui est conforme aux réglementations européennes. «Nous pouvons concevoir et modéliser des systèmes de murs présentant des performances optimales en matière d’isolation et de résistance mécanique, puis facilement les imprimer», explique Paweł Sikora.
Expérimentation et modélisation pour obtenir le bon mélange
La première tâche a consisté à mettre au point un mélange de béton imprimable. Il s’agissait d’un véritable défi car, après son passage dans la pompe du système, le béton imprimé en 3D doit prendre rapidement après avoir été déposé, en produisant les couches stables qui forment la structure requise. À l’inverse, le béton conventionnel doit rester suffisamment visqueux pour s’écouler dans le coffrage de la structure. Dans un premier temps, les propriétés du mélange ont été évaluées en termes de consistance, de constructibilité, d’extrudabilité et de taux de retrait. Le béton durci a ensuite été soumis à des tests mécaniques et de durabilité. L’étape suivante a consisté à évaluer les caractéristiques solides et poreuses des éléments imprimés et à améliorer la modélisation des performances grâce à l’imagerie 3D par tomographie. «Il s’agit d’une étape essentielle car le processus d’impression 3D donne une structure poreuse sensiblement différente de celle du béton conventionnel», ajoute Paweł Sikora. Les données expérimentales obtenues à l’issue de cette étape ont été intégrées dans diverses simulations mécaniques et thermiques afin de concevoir et d’optimiser la topologie recherchée, ce qui a permis d’obtenir des propriétés permettant de résister à diverses contraintes. L’obtention de cette topologie garantit que le béton soit d’une qualité suffisante pour rester autoportant et être imprimé à grande échelle, une condition indispensable pour permettre aux constructions d’atteindre les hauteurs nécessaires. Cette méthodologie a abouti à la mise au point d’un outil multi-échelle permettant d’optimiser et de prévoir les performances mécaniques et d’isolation des systèmes de murs, sans avoir à entreprendre au préalable de longs travaux de laboratoire. L’outil évalue les caractéristiques particulières des mélanges de béton, en modélisant leur influence sur les interactions entre les composants solides et poreux, l’épaisseur des murs, la stabilité des pores et la constructibilité.
Pour un avenir plus durable
Ultra-LightCon-3D a contribué à acquérir les connaissances nécessaires pour produire du béton léger imprimable, et à développer une nouvelle méthodologie d’évaluation de ses performances. Les enveloppes de bâtiment isolantes du projet contribuent directement au programme de l’UE concernant les bâtiments à consommation énergétique quasi nulle, qui renforce les réglementations en matière d’isolation des bâtiments et réduit la consommation d’énergie nécessaire pour les isoler correctement, tout en diminuant les émissions de carbone. Le projet a également mis au point des bétons écologiques, proposant notamment un mélange où le sable est remplacé par des déchets de verre recyclés. «Cette solution permet non seulement de répondre à une pénurie mondiale de matières premières, mais aussi de réduire les déchets, un aspect important pour les États membres où le recyclage du verre est limité», explique-t-il. Paweł Sikora fait désormais partie d’un consortium qui a demandé un nouveau financement européen en vue de créer du béton imprimé en 3D à partir de déchets.
Mots‑clés
LightCon-3D, impression 3D, béton, bâtiments, isolation, énergie, émissions de carbone, logement, coffrage