Construction digitale par activation écologique de liants renouvelables pour des éléments thermiquement efficaces – BREATHE

Contrôler la pénétration de l'eau dans la poudre est la clé pour améliorer la qualité d'impression. Pour confiner l'eau dans la zone désirée et permettre une hydratation optimale du liant, nous avons modifié les propriétés physiques de la poudre (compacité, perméabilité) ou celles du fluide injecté (tension superficielle, viscosité, limite d'écoulement) pour étudier leur impact sur la cinétique de propagation de l’eau en surface et dans la poudre.

Nous avons donc étudié la cinétique de propagation verticale d’eau dans des échantillons de poudres cimentaires compactées. Pour mieux s’approcher des phénomènes advenant dans l’imprimante, l’imbibition verticale dans les deux sens de pénétration est suivie par analyse d’image et par IRM, bénéficiant ainsi d’informations complémentaires sur la quantité et la répartition de l’eau dans les échantillons.

Après avoir développé un dispositif ambivalent, nous avons étudié des poudres pures (ciment, calcite, métakaolin, sable) et d’autres contenant des agrégats poreux (pâte de ciment recyclée ou chanvre micronisé) pour mieux comprendre leur impact sur la pénétration de l'eau dans une poudre imprimable biosourcée. En effet, cette technique apporte de nouvelles pistes de compréhension sur la saturation et, combinée à la RMN, les transferts d'eau entre la matrice et les agrégats poreux. Le suivi par analyse d’images reste une méthode classique pour ce genre d’expériences, mais l’utilisation de techniques d’imageries IRM ont permis d’apporter de nouvelles pistes pour la compréhension des phénomènes advenant dans l’imprimante. Les agrégats poreux naturels comme le chanvre sont en effet bien connus pour interférer sur la répartition de l'eau car ils absorbent et gonflent au contact de l'eau.

Nous avons dans un premier temps développés une imprimante 3D afin de produire des éléments par activation sélective. Conçue pour être compatible avec la plupart des matériaux cimentaires tels que les ciments, les granulats naturels comme le sable, et les matériaux organiques tels que le chanvre, cette imprimante offre une flexibilité. La modulation de l'application du fluide permet d'intégrer différents systèmes d'injection. Les imprimantes actuellement disponibles sur le marché sont souvent restreintes à l'impression de matériaux et d'additifs commerciaux, dont les formulations peuvent ne pas être connues ou être difficiles à modifier pour optimiser la durabilité et les performances des pièces imprimées.

la précision des pièces imprimées par liaison sélective de poudre est directement reliée à notre capacité à contrôler la présence d’eau dans la poudre. Cependant, le phénomène d’imbibition d’une poudre cimentaire est complexe et dépend d’un nombre important de paramètres, directement reliés aux propriétés physico-chimiques de la poudre et du liquide injecté.

Pour s’assurer du régime de pénétration de l’eau dans les poudres imprimables par liaison sélective, des matériaux modèles sont choisis pour simplifier l’étude. Les essais sont menés dans le but de mieux comprendre le phénomène de pénétration en une dimension et pour permettre de définir les paramètres d’influence qui permettront par la suite de contrôler la présence d’eau dans la poudre. Ces essais ont été réalisés par le bas pour s’assurer de la correspondance au modèle de Washburn, puis par le haut pour simuler ce qui se passe dans l’imprimante. Le suivi de la pénétration est d’abord effectué par analyse d’images, ce qui correspond à la manière usuelle choisie pour suivre la hauteur du front d’imbibition au cours du temps. Ensuite, nous avons choisi de croiser ces résultats avec un suivi par Imagerie par Résonnance Magnétique (IRM) qui permet notamment de s’affranchir des effets de bords de manière non invasive, auxquels est particulièrement sensible la méthode par analyse d’images, car l’IRM mesure la présence d’eau dans l’échantillon découpé en couches et permet de suivre la hauteur d’eau dans tout l’échantillon.

Nous avons ainsi pu constater que le sens d’imbibition joue un rôle non négligeable dans le comportement du matériau. Tout d’abord, en termes de propagation du front, les essais imbibés par le bas sont en bonne adéquation avec le modèle largement utilisé aujourd’hui d’une propagation en racine du temps. Cependant, les essais menés par le haut ont révélé la formation d’une fissure en début d’imbibition pour un nombre non négligeable d’essais. La formation de la fissure est naturellement fortement impactée par la qualité du processus de compaction, car les poudres restent des matériaux déformables et les interactions entre les grains sont faibles.

Les perspectives d’amélioration de l’imprimante sont nécessaires pour poursuivre vers un projet de plus grande envergue et permettre l’impression de pièces plus complexes. En effet, l’imprimante bénéficierait à l’avenir d’une interface commune à l’ensemble des éléments qui la compose pour permettre plus d’autonomie et de liberté pendant le design des pièces et leur impression.

Pour conclure, le chanvre est définitivement un matériau complexe et sa présence dans le lit de poudre impacte la cinétique de propagation du front, qui tend à ralentir. Il semblerait qu’un ajout même faible (dans la gamme de valeurs testées) permet d’obtenir un front qui reste plat du début à la fin de l’imbibition, ce qui laisse penser que l’eau diffuse de manière homogène dans tout l’échantillon. Dans le cadre de l’impression 3D, d’autres aspects sont à prendre en compte également, mais que nous n’avons en aucun cas considéré jusqu’à présent. Le retard de l’hydratation du ciment induite par les sucres introduits par le chanvre restent problématiques. Actuellement, des méthodes existent qui permettent de limiter les relargages des fibres naturelles, telles qu’une trempe préalable ou des traitements de surface basiques. Cependant, nous ne souhaitons pas appliquer de tels traitement et la trempe effectuée en amont de l’impression reste compliqué étant donné que nous utilisons des poudres.

Le secteur de la construction a un impact crucial sur la consommation d'énergie et les émissions de carbone. Au cours des 20 dernières années, plus de béton a été produit que tout autre matériau synthétique: environ 35 milliards de tonnes. Cependant, le béton est pointé du doigt pour une variété de problèmes environnementaux. À ce jour, dans un avenir proche, il n’existe pas d’alternative viable au béton pour répondre aux besoins de notre société et atténuer les changements climatiques en cours. Ainsi, l'industrie de la construction doit bénéficier d'un niveau technologique accru pour réduire son empreinte carbone.

Puisqu'une transformation du secteur de la construction est essentielle pour garantir la réalisation de ces ambitions environnementales, repenser l'utilisation du béton par l'impression 3D ou la fabrication additive - directement sur site ou préfabriqué - est crucial. Pour la fabrication additive de matériaux de construction, deux techniques peuvent être utilisées: l'extrusion de béton / mortier frais et la liaison sélective d'un lit de particules sèche par un fluide.

L'objectif est de se concentrer sur la méthode d'activation sélective du ciment (SCA), qui consiste à activer une poudre composée d’un liant minéral mélangé à des granulat (sable avec ou sans gravier, selon la résolution souhaitée) par injection ou pulvérisation une solution composée d'eau et d'additifs.

Ce projet aborde ce processus d'impression 3D innovant avec plusieurs objectifs : réduire l'utilisation de matières premières, utiliser des matériaux biosourcés et réduire l'impact environnemental de la construction en béton en produisant des blocs innovants nommés BREATHE (Brick Renewable Ecological Activated Thermally Hygroscopic Efficient).

Le projet BREATHE vise à réunir les avantages mécaniques des mortiers avec le ciment Calcium-Sulfo-Aluminate, les avantages thermiques des matériaux de construction biosourcés (béton de chanvre), et l'avantage technologique de la technique d'impression par activation.