Un ciment auto-cicatrisant développé par le Pacific Northwest National Laboratory peut surpasser le béton conventionnel, offrant une technologie potentiellement antipollution pour l'industrie géothermique en pleine croissance.

Cette combinaison révolutionnaire utilise un ingrédient flexible, un polymère, pour réparer les surfaces fracturées et combler les fissures, minimiser les risques de pannes mécaniques et offrir une source d'énergie durable.

Le chimiste Carlos Fernandez et son équipe en collaboration avec Simerjeet Gill du Brookhaven National Laboratory, détailler les propriétés cicatrisantes du polymère et comment il peut améliorer les performances mécaniques du ciment dans un papier, "Un aperçu des propriétés physiques et chimiques d'un composite ciment-polymère développé pour les applications de puits de forage géothermique, " dans Ciment et Béton Composites .

Le financement de la recherche a été fourni par le Bureau des technologies géothermiques du ministère de l'Énergie.

Polymères sous pression

Le ciment utilisé dans les puits géothermiques est connu pour se fissurer sous pression et dans des environnements à haute température associés au forage pour l'énergie géothermique. L'objectif de l'article de l'équipe était de voir comment son ciment auto-cicatrisant résisterait lorsqu'il serait testé contre du ciment conventionnel dans ces conditions de chaleur extrême. Grâce à divers tests, réalisée au PNNL et à la National Synchroton Light Source II du BNL, l'équipe a découvert que la technologie du ciment auto-cicatrisant pouvait éliminer le besoin d'enlever, réparer et remplacer les puits de ciment fissurés.

Les chercheurs du PNNL ont testé la résistance et les réactions de leur ciment auto-cicatrisant aux contraintes mécaniques et ont effectué des analyses de surface, composition chimique, et la topographie de surface. Les tests ont confirmé que le ciment autocicatrisant est une alternative significative au ciment conventionnel car il est flexible et cicatrise de manière autonome les fissures.

La flexibilité est attribuée à une liaison chimiquement "douce" ou flexible entre les atomes du polymère et du ciment. Cette liaison douce permet des déformations importantes qui peuvent être contenues dans le ciment sans rompre les liaisons. Cela a été prédit grâce à la modélisation informatique effectuée par Vanda Glezakou du PNNL. Le polymère ajoute 60 à 70 pour cent d'élasticité en plus au ciment lorsqu'il est ajouté, réduire les fractures dans le ciment, Fernandez rapporte dans le journal.

Par eux-même, les polymères sont gros, molécules en forme de chaîne qui fonctionnent pour maintenir les substances ensemble et se trouvent naturellement dans le corps humain. Lorsqu'il est ajouté au ciment, les polymères ajoutent de la flexibilité aux matériaux fragiles et empêchent les fissures de se propager rapidement. Le polymère se détache, migre vers la fissure, et se fixe pour combler la fissure. Il y a eu une réduction de 87 pour cent de la taille des fissures lorsque le polymère a été ajouté au béton.

Cimenter l'avenir

Le ciment est le deuxième plus grand consommable au monde derrière l'eau. Ainsi, trouver un moyen de rendre le ciment encore plus efficace pourrait changer la donne non seulement pour l'industrie géothermique, mais aussi pour l'industrie de la construction dans son ensemble.

"L'idée dans quelques années serait de l'étendre à tout, " Fernandez a déclaré. "Le ciel est la limite."

L'industrie du ciment gagne plus de 37 milliards de dollars par an. Cependant, le craquage du ciment coûte en moyenne 12 milliards de dollars par an pour la seule réparation des infrastructures. La combinaison polymère-ciment pourrait représenter 3,4 milliards de dollars par an d'économies pour des infrastructures comme les barrages, installations de déchets nucléaires, et gratte-ciel, Fernandez prédit. Cela pourrait signifier moins de fermetures de routes et de réparations d'entretien qui obstruent les routes et créent des inconvénients pour les déplacements quotidiens.

Comme un luminaire LED, le polymère-ciment pourrait générer des économies à long terme. Le ciment conventionnel coûte 5 cents la livre. Le coût estimé pour le polymère-ciment est de 30 à 35 cents la livre. Cependant, il pourrait potentiellement prolonger la durée de vie des structures à base de béton de 30 à 50 ans, dit Fernandez.

Pour l'industrie pétrolière, Plus précisément, où les températures élevées sont constantes, enlever et remplacer le béton fissuré prend du temps, entreprise coûteuse, dit Fernandez. Le remplacement du ciment conventionnel par du ciment auto-cicatrisant peut représenter des millions de dollars d'économies.

Le ciment auto-cicatrisant pourrait également être utilisé dans les installations de déchets nucléaires et les barrages hydroélectriques où des fissures dans les structures et des défaillances mécaniques pourraient entraîner des inondations ou une contamination. Les inspections et réparations annuelles et semestrielles coûteuses pourraient diminuer en nombre, dit Fernandez. La nature flexible du ciment auto-cicatrisant lui permet également de résister à des contraintes mécaniques plus importantes dues aux catastrophes naturelles et aux conditions météorologiques extrêmes telles que les tremblements de terre ou les vents violents.

Une alternative concrète pour l'environnement

Le ciment auto-cicatrisant pourrait résoudre les problèmes majeurs concernant l'étanchéité des puits de forage pour le pétrole, gaz, et la production de chaleur géothermique. Les fuites dans les puits de forage provoquent une contamination et limitent la capacité de fournir des alternatives énergétiques propres. Ces fuites contaminent les aquifères et les eaux de surface.

D'autres mélanges ciment-polymère auto-cicatrisants développés pour l'industrie pétrolière et gazière ont souvent des propriétés mécaniques médiocres et ne peuvent pas résister aux environnements à haute température trouvés dans les puits géothermiques.

"Le développement d'une combinaison polymère-ciment auto-cicatrisante qui est fonctionnelle dans les environnements géothermiques pourrait représenter une technologie révolutionnaire vers la croissance de l'industrie de l'énergie géothermique, " a rapporté l'équipe dans le journal.

Il existe d'importantes réserves d'énergie géothermique à travers le pays et dans le monde qui ne sont pas utilisées parce que le ciment des puits de forage échoue dans des conditions de température élevée et dans des environnements chimiquement corrosifs. L'énergie géothermique est l'énergie thermique que la Terre génère et stocke. Avec des améliorations comme le ciment auto-cicatrisant, l'énergie géothermique a le potentiel d'être applicable, source d'énergie durable. Le ciment auto-cicatrisant peut fournir une énergie importante avec une libération minimale de carbone dans l'atmosphère.

En outre, des dizaines de milliers de tonnes de ciment conventionnel finissent dans les décharges, dit Fernandez. Avec l'extension de plus de 30 ans d'utilisation supplémentaire du composite, moins de ciment irait aux décharges.