Les secrets pour cimenter la durabilité de notre future infrastructure peuvent provenir de la nature, comme les protéines qui empêchent les plantes et les animaux de geler dans des conditions extrêmement froides. Les chercheurs de CU Boulder ont découvert qu'une molécule synthétique à base de protéines antigel naturelles minimise les dommages causés par le gel et le dégel et augmente la résistance et la durabilité du béton, améliorer la longévité des nouvelles infrastructures et réduire les émissions de carbone tout au long de leur durée de vie.

Ils ont découvert que l'ajout d'une molécule biomimétique - une molécule qui imite les composés antigel trouvés dans les organismes arctiques et antarctiques - au béton empêche efficacement la croissance des cristaux de glace et les dommages ultérieurs. Cette nouvelle méthode, publié aujourd'hui dans Rapports cellulaires Sciences physiques , défie plus de 70 ans d'approches conventionnelles pour atténuer les dommages causés par le gel dans les infrastructures en béton.

"Personne ne considère le béton comme un matériau de haute technologie, " dit Wil Srubar III, auteur de la nouvelle étude et professeur adjoint de civil, génie de l'environnement et de l'architecture. "Mais c'est beaucoup plus high-tech qu'on ne le pense. Face au changement climatique, il est essentiel de prêter attention non seulement à la façon dont nous fabriquons le béton et d'autres matériaux de construction qui émettent beaucoup de dioxyde de carbone dans leur production, mais aussi comment nous assurons la résilience à long terme de ces matériaux."

Le béton est formé en mélangeant de l'eau, poudre de ciment et agrégats divers, comme du sable ou du gravier.

Depuis les années 30, de petites bulles d'air ont été mises dans le béton pour le protéger des dommages causés par l'eau et les cristaux de glace. Cela permet à toute eau qui s'infiltre dans le béton d'avoir de l'espace pour se dilater lorsqu'elle gèle. Sans ça, la surface du béton endommagé s'écaillera.

Mais ce processus délicat peut avoir un coût, diminution de la résistance et augmentation de la perméabilité. Cela permet aux sels de voirie et autres produits chimiques de s'infiltrer dans le béton, qui peut alors dégrader l'acier incrusté à l'intérieur.

"Pendant que vous résolvez un problème, vous aggravez en fait un autre problème, " dit Srubar.

Alors que les États-Unis sont confrontés à une quantité importante d'infrastructures vieillissantes à travers le pays, des milliards de dollars sont dépensés chaque année pour atténuer et prévenir les dommages. Cette nouvelle molécule biomimétique, cependant, pourrait réduire considérablement les coûts.

Dans les essais, le béton fabriqué avec cette molécule - au lieu de bulles d'air - s'est avéré avoir des performances équivalentes, une force plus élevée, une perméabilité plus faible et une durée de vie plus longue.

Avec un brevet en instance, Srubar espère que cette nouvelle méthode entrera sur le marché commercial dans les 5 à 10 prochaines années.

La nature trouve un moyen

Des eaux glaciales de l'Antarctique aux toundras glacées de l'Arctique, beaucoup de plantes, poisson, les insectes et les bactéries contiennent des protéines qui les empêchent de geler. Ces protéines antigel se lient à la surface des cristaux de glace dans un organisme au moment où ils se forment, les gardant vraiment, vraiment petit, et incapable de faire des dégâts.

"Nous avons pensé que c'était assez intelligent, " a déclaré Srubar. "La nature avait déjà trouvé un moyen de résoudre ce problème."

Le béton souffre du même problème de formation de cristaux de glace, que les ingénieurs précédents avaient essayé d'atténuer en ajoutant des bulles d'air. Alors Srubar et son équipe ont pensé : Pourquoi ne pas rassembler un tas de cette protéine, et le concrétiser ?

Malheureusement, ces protéines présentes dans la nature n'aiment pas être retirées de leur environnement naturel. Ils s'effilochent ou se désagrègent, comme des spaghettis trop cuits.

Le béton est aussi extrêmement basique, avec un pH généralement supérieur à 12 ou 12,5. Ce n'est pas un environnement favorable pour la plupart des molécules, et ces protéines ne faisaient pas exception.

Alors Srubar et ses étudiants diplômés ont utilisé une molécule synthétique, l'alcool polyvinylique, ou PVA - qui se comporte exactement comme ces protéines antigel mais est beaucoup plus stable à un pH élevé, et combiné avec un autre non toxique, molécule robuste, le polyéthylène glycol, souvent utilisée dans l'industrie pharmaceutique pour prolonger le temps de circulation des médicaments dans l'organisme. Cette combinaison moléculaire de deux polymères est restée stable à un pH élevé et a inhibé la croissance des cristaux de glace.

Augmentation des facteurs de stress

Après l'eau, le béton est le deuxième matériau le plus consommé sur Terre :deux tonnes par personne sont fabriquées chaque année. C'est une nouvelle ville de New York en construction tous les 35 jours pendant au moins les 32 prochaines années, selon Srubar.

« Sa fabrication, l'utilisation et l'élimination ont des conséquences environnementales importantes. La production de ciment seule, la poudre que nous utilisons pour faire du béton, est responsable d'environ 8 pour cent de notre CO mondial 2 émissions."

Afin d'atteindre les objectifs de l'Accord de Paris et de maintenir l'augmentation de la température mondiale bien en dessous de 3,6 degrés Fahrenheit, l'industrie de la construction doit réduire ses émissions de 40 % d'ici 2030 et les éliminer complètement d'ici 2050. Le changement climatique lui-même ne fera qu'exacerber les facteurs de stress sur le béton et les infrastructures vieillissantes, avec une augmentation des températures extrêmes et des cycles de gel et de dégel se produisant plus souvent dans certaines zones géographiques.

« L'infrastructure qui est conçue aujourd'hui sera confrontée à des conditions climatiques différentes à l'avenir. Dans les décennies à venir, les matériaux seront testés comme ils ne l'ont jamais été auparavant, ", a déclaré Srubar. "Donc, le béton que nous fabriquons doit durer."