Des ingénieurs, des spécialistes des matériaux et des concepteurs de la Pennsylvanie ont mis au point une solution de béton imprimée en 3D à base de terre de diatomée qui permet d’améliorer la capture du carbone, est plus résistante et utilise moins de matériaux que le ciment.
Des mélanges de boue, de paille et de gypse utilisés dans la construction des pyramides monumentales de l’Égypte antique aux matériaux sous-marins sophistiqués employés par les ingénieurs romains dans des structures emblématiques telles que le Panthéon, le béton symbolise depuis longtemps la résilience et l’ingéniosité de la civilisation.
Pourtant, aujourd’hui, le béton se trouve dans une situation paradoxale : le matériau qui a permis aux sociétés de prospérer est également responsable de près de 9 % des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Le changement climatique, lui-même profondément lié à l’utilisation des combustibles fossiles, représente un défi existentiel pour l’humanité si l’on souhaite construire de manière durable les structures qui soutiennent la vie moderne, à savoir de nouvelles maisons, des autoroutes, des ponts, etc.
Aujourd’hui, des designers, des scientifiques spécialisés dans les matériaux et des ingénieurs de l’université de Pennsylvanie se sont associés pour créer un béton enrichi en biominéraux en combinant l’impression 3D avec l’architecture fossile d’algues microscopiques. Ce béton est remarquablement léger, tout en étant solide sur le plan structurel, et capture jusqu’à 142 % de CO₂ en plus que les mélanges conventionnels, tout en utilisant moins de ciment et en respectant les objectifs standard de résistance à la compression.
L’ingrédient clé est la terre de diatomées (DE), un matériau de remplissage populaire fabriqué à partir de micro-organismes fossilisés. Les chercheurs ont découvert que la texture fine, poreuse et spongieuse de la DE améliore non seulement la stabilité du béton lorsqu’il est poussé à travers la buse d’une imprimante 3D, mais fournit également de nombreux sites pour piéger le dioxyde de carbone. Ces résultats, publiés dans Advanced Functional Materials, ouvrent la voie à des matériaux de construction qui permettent à la fois de soutenir des ponts et des gratte-ciel et de contribuer à la restauration des écosystèmes marins et à la capture du carbone présent dans l’air.
« En général, lorsque vous augmentez la surface ou la porosité, vous perdez en résistance », précise Shu Yang, co-auteur principal, professeur Joseph Bordogna d’ingénierie et de sciences appliquées et directeur du département des sciences des matériaux à la faculté d’ingénierie et de sciences appliquées. « Mais ici, c’était le contraire : la structure est devenue plus résistante avec le temps. »
Elle note que l’équipe a non seulement obtenu « une conversion supplémentaire de 30 % de CO₂ » lorsque la géométrie du matériau a été optimisée, mais qu’elle l’a fait tout en conservant une résistance à la compression comparable à celle du béton ordinaire. « C’était l’un de ces rares moments où tout fonctionnait mieux et était plus esthétique », dit-elle.
« Mais il ne s’agissait pas seulement d’esthétique ou de réduction de la masse », ajoute le coauteur principal Masoud Akbarzadeh, professeur associé d’architecture à la Weitzman School of Design. « Il s’agissait de découvrir une nouvelle logique structurelle. Nous avons pu réduire la quantité de matériau de près de 60 % tout en conservant la même capacité de charge, ce qui montre qu’il est possible de faire beaucoup plus avec beaucoup moins. »
Pourquoi le béton et la terre de diatomées ?
Yang a vu le potentiel d’appliquer son expertise en science des matériaux pour conférer des propriétés de capture du carbone au mélange de gravier, de ciment et d’eau qui compose le béton.
« Je ne savais pas grand-chose lorsque nous avons commencé », dit-elle, « mais j’ai compris que la rhéologie, c’est-à-dire la façon dont les particules s’écoulent et interagissent, était cruciale pour le comportement du béton pendant le mélange et l’impression. »
Pour traduire cette compréhension en une formulation viable pour l’impression 3D, elle s’est appuyée sur l’expérience de son ancien chercheur postdoctoral et premier auteur de l’article, Kun-Hao Yu, qui avait déjà travaillé avec le béton dans le domaine du génie civil et de la fabrication additive.
« Le béton n’est pas comme les matériaux d’impression conventionnels, explique Yu. Il doit s’écouler facilement sous pression, se stabiliser rapidement après l’extrusion, puis se renforcer continuellement pendant son durcissement. » Selon lui, cette complexité en faisait un défi idéal pour appliquer un mélange de chimie, de physique et de réflexion conceptuelle.
Dans le même temps, Yang s’était penchée à nouveau sur la terre de diatomées, qu’elle avait déjà rencontrée dans le cadre d’études sur les cristaux photoniques naturels et les puits de carbone dans l’océan Austral, où les diatomées contribuent à réduire les gaz à effet de serre en transportant le CO₂ vers les fonds marins lorsqu’elles meurent. Les diatomées, une sorte d’algues microscopiques anciennes, construisent des coquilles de silice poreuses et complexes qui, au fil des millions d’années, se sont accumulées pour former la terre de diatomées aujourd’hui utilisée dans tout, des filtres de piscine aux additifs pour sols.
« J’étais intrigué par la façon dont ce matériau naturel pouvait absorber le CO₂ », explique Yang. « Et je me suis demandé : et si nous pouvions l’intégrer directement dans les matériaux de construction ? »
L’équipe a découvert que le réseau de pores internes du DE non seulement fournissait des voies de diffusion du dioxyde de carbone dans la structure, mais permettait également la formation de carbonate de calcium pendant le durcissement, améliorant ainsi à la fois l’absorption du CO₂ et la résistance mécanique.
Yu a dirigé le développement de l’encre de béton imprimable, en calibrant les variables de l’imprimante 3D telles que les rapports eau/liant, la taille des buses et la vitesse d’extrusion.
« Nous avons effectué de nombreux essais », indique-t-il. « Ce qui nous a le plus surpris, c’est que malgré sa porosité élevée, qui constitue normalement un obstacle à la résistance, le matériau est en fait devenu plus solide à mesure qu’il absorbait le CO₂. »
La géométrie cachée du captage du carbone
Si DE a optimisé le matériau lui-même, la géométrie a joué un rôle tout aussi déterminant. Masoud Akbarzadeh et son équipe se sont tournés vers les surfaces minimales triplement périodiques (TPMS), des structures mathématiquement complexes mais présentes dans la nature, que l’on trouve dans les os, les récifs coralliens et les étoiles de mer. Ces formes « continues », dépourvues d’arêtes vives ou de cassures, sont appréciées pour leur capacité à maximiser la surface tout en minimisant la masse.
« Les formes sont complexes, mais naturellement efficaces dans la mesure où elles maximisent la surface et la rigidité géométrique tout en minimisant la quantité de matériau », ajoute Masoud Akbarzadeh. « Dans la nature, la forme et la fonction sont indissociables, nous avons donc voulu intégrer ce principe dans l’agencement de ces matériaux. »
À l’aide de la statique graphique polyédrique, une méthode qui cartographie la répartition des forces à travers la géométrie, son équipe a conçu une structure en béton capable de se soutenir elle-même, même avec des surplombs abrupts, tout en restant suffisamment ouverte et poreuse pour une exposition maximale au CO₂.
En statique graphique, commente encore M. Akbarzadeh, chaque ligne du diagramme de forme représente le flux de force, ce qui permet à l’équipe d’ajuster la répartition des forces de compression et de traction à travers la structure. Ils ont ensuite associé cela à des câbles de post-tension afin d’améliorer la stabilité interne du béton.
Conclusions et travaux futurs
Une fois modélisées, les formes ont été découpées numériquement en couches imprimables et optimisées pour s’extruder en douceur sans s’effondrer, s’affaisser ou obstruer la buse de l’imprimante. Les composants imprimés obtenus ont été testés sous charge et soumis à des environnements carbonatés, ce qui a abouti à des structures utilisant 68 % de matériaux en moins que les blocs de béton traditionnels, tout en augmentant leur rapport surface/volume de plus de 500 %. De plus, le cube TPMS a conservé 90 % de la résistance à la compression de la version solide et a atteint une absorption de CO₂ par unité de ciment supérieure de 32 %.
Pour l’avenir, l’équipe poursuit ses travaux sur plusieurs fronts, notamment en passant à des éléments structurels de taille réelle tels que des planchers, des façades et des panneaux porteurs.
« Nous testons des composants plus grands avec des schémas de renforcement plus complexes », détaille M. Akbarzadeh, en référence aux câbles de post-tension intégrés et aux géométries d’équilibrage des forces dans lesquels son laboratoire est spécialisé. « Nous voulons que ces composants soient non seulement solides et efficaces, mais aussi constructibles à l’échelle architecturale. »
Une autre piste se concentre sur les infrastructures maritimes. En raison de sa porosité et de sa compatibilité écologique, le béton DE-TPMS pourrait être bien adapté à des structures telles que les récifs artificiels, les parcs à huîtres ou les plateformes coralliennes. « Nous sommes particulièrement enthousiastes à l’idée de l’utiliser dans le cadre de projets de restauration », ajoute Shu Yang. « Sa grande surface aide les organismes marins à s’attacher et à se développer, tandis que le matériau absorbe passivement le CO₂ de l’eau environnante. »
L’équipe de Yang explore également la manière dont le DE pourrait fonctionner avec d’autres liants chimiques que les ciments standard, tels que les systèmes à base de magnésium ou activés par des alcalis. « Nous voulons pousser cette idée plus loin », explique-t-elle. « Et si nous pouvions supprimer complètement le ciment ? Ou utiliser des flux de déchets comme composant réactif ? »
« Dès que nous avons cessé de considérer le béton comme un matériau statique et que nous avons commencé à le voir comme un matériau dynamique, capable de réagir à son environnement, nous avons ouvert un tout nouveau monde de possibilités », ajoute-t-elle.
Article : « 3D Concrete Printing of Triply Periodic Minimum Surfaces for Enhanced Carbon Capture and Storage » – DOI : 10.1002/adfm.202509259
Crédits – photo : Eric Sucar , Scott Spitzer | vidéo : Denise Henhoeffer , David Lowe-Bianco
