Contrairement au verre, au bois et à l’acier, le ciment est par nature fragile et peu flexible s’il n’est pas renforcé. Cela limite considérablement ses possibilités d’utilisation dans les structures porteuses. Bien qu’il existe déjà des méthodes pour améliorer la ténacité à la rupture et la ductilité du ciment, par exemple en ajoutant des renforts en polymère, en verre ou en métal, celles-ci n’augmentent que très peu l’absorption d’énergie et la résistance à la rupture.
Un matériau composite inspiré de la nacre
L’équipe de l’université de Princeton a découvert que l’alternance de couches de polymère fin et de pâte de ciment à motifs augmentait la ductilité. Le composite mis au point imite la structure de la nacre, une substance que l’on trouve dans certains coquillages et qui est connue pour sa solidité et sa flexibilité. La nacre est composée à plus de 95 % de carbonate de calcium et jusqu’à 5 % de matière organique. Cette combinaison unique confère à la nacre sa remarquable résistance mécanique.
Mécanismes de la structure de la nacre
La nacre est un biominéral composé de plaquettes d’aragonite reliées par un biopolymère souple. Cette structure de mortier de brique 3D permet aux plaquettes de glisser et de se déformer, ce qui absorbe l’énergie et augmente la ténacité. Cette synergie entre les composants durs et souples est essentielle pour obtenir les propriétés mécaniques remarquables de la nacre.
Application des principes aux composites cimentaires
Les chercheurs de l’université de Princeton ont utilisé des matériaux de construction traditionnels comme le ciment Portland et des polymères pour développer un composite similaire. Ils ont superposé des plaques de ciment-colle avec du polyvinylsiloxane, un polymère flexible, pour créer des poutres multicouches. Celles-ci ont été soumises à un test de flexion entaillé en trois points pour vérifier leur résistance à la fissuration. Les résultats ont montré que ces matériaux composites ont atteint une ténacité à la rupture 17 fois supérieure et une ductilité 1791 pour cent supérieure à celle du ciment solide.
Perspectives d’avenir et optimisation
Les chercheurs prévoient d’explorer différents matériaux souples pour des infrastructures plus résistantes et d’optimiser les formes des rainures pour une meilleure intégration des défauts. Ils prévoient également de développer des méthodes de production par des procédés intégrés de stratification au laser ou de fabrication additive. Ces avancées pourraient révolutionner l’industrie de la construction et élargir considérablement l’utilisation du ciment dans les structures porteuses.
Le composite cimentaire récemment développé, inspiré de la structure de la nacre, offre une solution prometteuse pour améliorer les propriétés mécaniques du ciment. Avec une résistance à la fissuration et une ductilité exceptionnelles, ce composite représente une innovation majeure qui a le potentiel de transformer durablement l’industrie de la construction.
