L’argile : une alternative durable aux matériaux de construction traditionnels

L’argile, matériau respectueux de l’environnement, largement disponible et recyclable, se présente comme une alternative propre aux matériaux de construction traditionnels. Ellina Bernard, chercheuse à l’Empa, s’efforce de découvrir comment ce matériau convoité peut être utilisé de manière durable et stable pour la construction. Son projet de recherche est financé par le Fonds National Suisse de la Recherche Scientifique (FNS) grâce à une bourse Ambizione.

L’environnement construit est à la fois le fondement architectural d’une société et l’un de ses plus grands pollueurs. La production de ciment à elle seule génère environ 7 % des émissions de gaz à effet de serre dans le monde.

Les chercheurs de l’Empa travaillent donc sur différents moyens de réduire ces émissions grâce à des matériaux et des technologies de construction innovants. L’une de ces voies vers une construction propre est boueuse : Ellina Bernard du laboratoire « Béton & Asphalte » de l’Empa à Dübendorf et de la chaire de construction durable de l’ETH Zurich étudie actuellement le potentiel de l’argile en tant que matériau de construction durable. En effet, par rapport à la terre cuite, l’argile devrait dégager nettement moins de CO₂.

De plus, il est disponible presque indéfiniment, recyclable et facile à travailler – tout à fait en association avec d’autres « hipsters » de la culture moderne de la construction, comme les déchets organiques issus du traitement du chanvre.

Le potentiel de cette alternative au béton serait énorme. Certes, le béton ne pourrait pas être remplacé par l’argile pour tous les types de construction. Mais, en plus d’une multitude de constructions non porteuses, des murs porteurs de maisons d’habitation sont possibles. Et après tout, plus de la moitié de tous les permis de construire, par exemple en Suisse, sont justement attribués à des bâtiments d’habitation. Il est possible d’utiliser de la terre coulée dans un moule ou de l’argile comprimée sous forme de blocs de construction préfabriqués. Et ces briques d’argile séchées à l’air ont un bilan énergétique plus favorable que leurs congénères cuites, les briques de terre cuite.

Un véritable remède miracle ? « Pas encore », répond la chercheuse de l’Empa, Ellina Bernard. En effet, bien que l’argile soit utilisée depuis environ 10 000 ans et fasse donc partie des matériaux de construction les plus primitifs de l’histoire de l’humanité, cette pâte terreuse n’est pas encore vraiment maîtrisée à ce jour.

D’une part, la composition géologique de ce matériau naturel varie d’un pays à l’autre, ce qui rend difficile une production et une utilisation standardisées. D’autre part, du ciment traditionnel est actuellement ajouté à l’argile afin d’obtenir un matériau de construction stable et durable. Or, cet ajout fait à nouveau passer l’empreinte écologique de l’argile dans la zone rouge.

Ellina Bernard et son équipe veulent donc étudier le matériau terreux, définir des normes pour la composition et la résistance mécanique et développer ainsi un matériau de construction alternatif propre pour l’utilisation industrielle. Pour ce projet ambitieux, la chercheuse de l’Empa est soutenue par l’un des « Ambizione Grants » très convoités du FNS.

La transformation d’une pâte boueuse d’eau et de terre en un produit solide comme le roc a quelque chose de mystérieux. Pour l’élucider et finalement la contrôler, Ellina Bernard plonge au cœur de la matière. Contrairement au ciment, dont la cohésion est assurée par des liaisons chimiques, les fins minéraux composants l’argile forment des liaisons physiques lors du séchage à l’air. Une stabilité comme celle du béton ne peut pas être obtenue de cette manière. C’est pourquoi la chercheuse est à la recherche d’un liant stabilisant approprié.

Elle est aidée dans sa tâche par le géologue Raphael Kuhn, qui prépare actuellement sa thèse sur les additifs pour argile. L’oxyde de magnésium est un candidat prometteur. S’il est extrait de manière durable, il présente un excellent bilan climatique par rapport au ciment contenant du calcium, dont la réaction chimique libère de grandes quantités de CO2. De plus, l’oxyde de magnésium réduit le temps de séchage, agit contre la formation redoutée de grumeaux dans l’argile grâce à la formation de nanocristaux et n’intervient pourtant que peu dans la microstructure et la nanostructure avantageuses des particules élémentaires d’argile.

Lors des premières expériences en laboratoire, l’équipe a déjà atteint une résistance à la compression allant jusqu’à 15 mégapascals avec différentes formules d’argile – un multiple de l’argile non traitée. À titre de comparaison, l’argile additionnée de ciment atteint jusqu’à 20 mégapascals.

« Mais ce n’est que le début », explique Ellina Bernard. Comme elle souhaite évaluer la durabilité des matériaux de construction de manière globale, les expériences en laboratoire doivent également être accompagnées d’analyses de cycle de vie qui englobent la durabilité, la déconstruction et le recyclage des matériaux.

En synthèse

Si elle est produite de manière durable, l’argile a une excellente empreinte carbone par rapport au ciment contenant du calcium, dont la réaction chimique libère de grandes quantités de CO2. De plus, l’oxyde de magnésium raccourcit le temps de séchage, contrebalance la formation redoutée de grumeaux dans l’argile en formant des nanocristaux, et n’interfère que légèrement avec la micro- et nanostructure avantageuse de l’argile.

Dans les premières expériences de laboratoire, l’équipe a déjà atteint une résistance à la compression allant jusqu’à 15 mégapascals avec l’argile à l’oxyde de magnésium – bien plus que celle de l’argile non traitée. En comparaison, l’argile avec du ciment ajouté atteint jusqu’à 20 mégapascals, et un mur soumis à une charge plutôt limitée, comme à l’intérieur d’un appartement, doit pouvoir résister jusqu’à 10 mégapascals.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que l’argile et pourquoi est-elle considérée comme une alternative ?

L’argile est un matériau respectueux de l’environnement, largement disponible et recyclable. Elle libère nettement moins de CO2 que le béton, est disponible en quantités presque illimitées, est recyclable et peut être facilement traitée.

Quel est l’impact environnemental de la construction ?

Le secteur du bâtiment est à la fois le fondement structurel d’une société et l’un de ses plus grands pollueurs climatiques. La production de ciment à elle seule représente environ sept pour cent de toutes les émissions de gaz à effet de serre dans le monde.

Quels sont les défis de l’utilisation de l’argile comme matériau de construction ?

L’argile ne pourrait pas remplacer le béton pour toutes les constructions. Néanmoins, en plus d’un grand nombre de constructions non porteuses, les murs porteurs de bâtiments résidentiels sont possibles.

Quel est le potentiel de l’argile comme matériau de construction ?

Plus de la moitié de tous les permis de construire en Suisse, par exemple, sont délivrés pour des bâtiments résidentiels. L’argile coulée peut être utilisée dans un coffrage, l’argile pressée sous forme de blocs de construction préfabriqués.

Quels sont les projets de recherche en cours sur l’utilisation de l’argile ?

Ellina Bernard et son équipe souhaitent explorer ce matériau terrestre, définir des normes pour sa composition et sa résistance mécanique, et développer en même temps un matériau de construction alternatif propre pour un usage industriel.

Légende illustration principale : L’argile, un matériau de construction alternatif : Ellina Bernhard avec un échantillon de laboratoire. Credit : Empa.

Empa, Fonds National Suisse de la Recherche Scientifique (FNS), ETH Zurich