Le béton est le matériau de construction le plus utilisé dans le monde - sa fabrication contribue jusqu'à 8 % de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Crédits :eugenesergeev, iStock
Une équipe internationale de scientifiques a créé une nouvelle base de données de modèles de dynamique moléculaire qui simulent les propriétés du ciment dans toutes ses variétés. Il est destiné à aider à affiner cette composante du béton et à réduire les émissions dans son processus de fabrication.
Le ciment est utilisé pour lier le béton, le matériau de construction le plus utilisé au monde et une source importante de dioxyde de carbone atmosphérique. Sa fabrication contribue jusqu'à 8 pour cent des gaz à effet de serre dans l'atmosphère.
Enquêter sur les interactions atomiques
Une nouvelle base de données, appelé cemff, pour les champs de force du ciment. Dans ce cas, le champ de force n'est pas une barrière invisible d'une histoire de science-fiction. C'est la collection de paramètres que les scientifiques utilisent pour construire des modèles informatiques d'interactions atomiques. Ces paramètres incluent l'énergie intrinsèque des atomes dans un système de simulation. Ils sont utilisés pour calculer comment les atomes interagissent individuellement et collectivement avec leurs voisins pour donner au matériau ses propriétés.
L'application de modèles précis de champ de force atomistique permet de faire une simulation informatique de divers types de minéraux inorganiques présents dans le ciment. Très important, il aide les chercheurs universitaires et industriels à s'appuyer sur de nombreux types de champs de force pour effectuer des simulations et des prédictions fiables de formulations de ciment spécialement conçues. Cemff pourrait aider l'industrie à concevoir plus fort, des matériaux de construction plus durables qui réduisent également les émissions de dioxyde de carbone provenant de la fabrication de plus de 3 milliards de tonnes de ciment et de béton par an.
Image de microscopie électronique à transmission du ciment et de la structure atomique du ciment modèle. Crédit :ETH Zurich/EPFL/Université du riz
Développer des ciments écologiques
« La publication de cette base de données commune représente une étape importante pour le domaine qui augmentera considérablement l'impact de la modélisation moléculaire dans le développement de ciments nouveaux et respectueux de l'environnement », dit Robert Flatt, Professeur de Civil, Ingénierie environnementale et géomatique à l'ETH Zurich et l'un des conseillers scientifiques du projet de base de données cemff.
Quinze scientifiques de 11 institutions ont travaillé sur le projet dirigé par Ratan Mishra de l'ETH Zurich, Rouzbeh Shahsavari de Rice University et Paul Bowen de l'EPFL Lausanne. Dans leurs recherches, la simulation de modèles de champ de force montre comment les molécules constitutives du ciment interagissent les unes avec les autres. Ces interactions microscopiques déterminent les performances du béton dans les applications du monde réel et permettent d'affiner le matériau pour qu'il fonctionne au mieux pendant des décennies et de la manière la plus respectueuse de l'environnement.
"La modélisation moléculaire nécessite encore de multiples compromis, " dit Mishra, auteur principal de l'article et scientifique des matériaux dans le groupe du professeur Flatt. « L'exemple type est le temps par rapport à la précision, mais plus important, il est essentiel de reconnaître à quoi les modèles spécifiques sont bons et avec quoi ils peuvent être mis au défi. » Le Cemff permettra aux chercheurs d'avoir une vue plus complète sur cette question et de sélectionner la meilleure approche pour le problème auquel ils s'attaquent.
Une construction simulée de ciment produite par un modèle dans la base de données cemff. Le modèle contient de l'hydrogène (blanc), oxygène (rouge), silicate (jaune) et calcium (vert). Crédit :ETH Zurich
Réduire l'empreinte carbone
Le ciment se compose principalement de silicates de calcium qui réagissent avec l'eau pour produire le matériau durci qui confère des propriétés mécaniques et une durabilité au béton. Près de 60 % des émissions de dioxyde de carbone de la production de ciment proviennent de la décomposition du calcaire, la source de calcium dans le ciment. Pour réduire l'empreinte carbone, les fabricants complètent souvent le mélange avec des argiles, déchets comme les cendres volantes et les matériaux recyclés.
Tous ces éléments influencent les caractéristiques mécaniques et la résilience du produit; c'est pourquoi il existe un besoin de simulations à l'échelle nanométrique qui permettent aux fabricants de tester la résistance et la durabilité des mélanges avant même de fabriquer du vrai ciment.
"J'espère que le format ouvert et la base internationale de la base de données cemff encourageront à la fois la communauté de modélisation et d'expérimentation à créer des références solides pour aider à comprendre et à prédire avec plus de précision les propriétés du matériau le plus utilisé sur Terre et nous aider à construire un avenir plus durable , " dit Paul Bowen, professeur au Laboratoire de technologie des poudres de l'EPFL, et initiateur du projet.
