Des ingénieurs explorent les nanofibrilles de cellulose pour améliorer le béton imprimé en 3D

Une équipe de recherche dirigée par des ingénieurs de l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Virginie est la première à explorer comment un matériau émergent à base de plantes, les nanofibrilles de cellulose, pourrait amplifier les avantages de la technologie du béton imprimé en 3D.

« Les améliorations que nous avons constatées au niveau de l’imprimabilité et des mesures mécaniques suggèrent que l’incorporation de nanofibrilles de cellulose dans des matériaux imprimables commerciaux pourrait conduire à des pratiques de construction plus résilientes et plus respectueuses de l’environnement le plus tôt possible », a déclaré Osman E. Ozbulut, professeur au Département de génie civil et environnemental.

Les conclusions de son équipe seront publiées dans le numéro de septembre 2024 de Composites de ciment et de béton.

Les bâtiments en béton imprimé en 3D sont une tendance passionnante dans le domaine du logement et offrent de nombreux avantages : une construction rapide et précise, éventuellement à partir de matériaux recyclés, des coûts de main-d’œuvre réduits et moins de déchets, tout en permettant des conceptions complexes que les constructeurs traditionnels auraient du mal à réaliser.

Le procédé utilise une imprimante spécialisée qui distribue un mélange semblable à du ciment en couches pour construire la structure à l’aide d’un logiciel de conception assistée par ordinateur. Mais jusqu’à présent, les options de matériaux imprimables sont limitées et des questions subsistent quant à leur durabilité et leur résistance.

« Nous avons affaire à des objectifs contradictoires », a déclaré Ozbulut. « Le mélange doit être fluide pour une fabrication fluide, mais doit durcir pour former un matériau stable avec des propriétés critiques, telles qu’une bonne résistance mécanique, une liaison intercouche et une faible conductivité thermique. »

Les nanofibrilles de cellulose sont fabriquées à partir de pulpe de bois, créant ainsi un matériau renouvelable et à faible impact environnemental. Comme d’autres dérivés de fibres végétales, le CNF, comme le matériau est connu dans l’industrie, présente un fort potentiel en tant qu’additif pour améliorer la rhéologie (terme scientifique pour les propriétés d’écoulement) et la résistance mécanique de ces composites.

Cependant, jusqu’à l’étude méticuleuse menée par l’équipe dirigée par l’UVA dans le laboratoire d’infrastructures résilientes et avancées d’Ozbulut, l’influence du CNF sur les composites imprimés en 3D conventionnels n’était pas claire, a déclaré Ozbulut.

« Aujourd’hui, la conception des mélanges est le fruit de nombreux essais et erreurs », a-t-il déclaré. « Nous répondons au besoin de recherches scientifiques plus approfondies pour mieux comprendre les effets des différents additifs afin d’améliorer les performances des structures imprimées en 3D. »

En expérimentant avec différentes quantités d’additif CNF, l’équipe, dirigée par Ozbulut et Ugur Kilic, aujourd’hui titulaire d’un doctorat de l’UVA, a découvert que l’ajout d’au moins 0,3 % de CNF améliorait considérablement les performances d’écoulement. L’analyse microscopique des échantillons durcis a révélé une meilleure adhérence du matériau et une meilleure intégrité structurelle.

Lors de tests supplémentaires dans le laboratoire d’Ozbulut, les composants imprimés en 3D améliorés par CNF ont également résisté à la traction, à la flexion et à la compression.