Formation et architecture 3D du ciment de type bois. a) Illustrations schématiques sur les micromécanismes de formation du ciment de type bois pendant la congélation, décongélation, et les processus de durcissement. b) Rendus volumiques XRT du ciment gélifié produit à partir de coulis cimentaires avec des valeurs E/C de 0,4 et 1,3 avec celui d'un bois de bouleau Betula schmidtii à titre de comparaison. Les pores des matériaux sont indiqués en bleu. FD et GD représentent la direction de congélation de la glace et la direction de croissance du bois, respectivement. Crédit : science avancée, doi:10.1002/adv.202000096
La nature offre souvent une source d'inspiration prometteuse pour les matériaux biomimétiques fabriqués par l'homme. Dans un nouveau rapport maintenant publié dans Sciences avancées , Faheng Wang et une équipe de scientifiques en matériaux avancés, l'ingénierie et la science en Chine ont développé de nouveaux matériaux de ciment basés sur des architectures à porosité unidirectionnelle pour reproduire les conceptions du bois naturel. Le matériau de ciment ressemblant au bois résultant a montré une résistance plus élevée à des densités égales, aux côtés de propriétés multifonctionnelles pour une isolation thermique efficace, perméabilité à l'eau et ajustement facile pour la répulsion de l'eau. L'équipe a atteint simultanément une résistance élevée et une multifonctionnalité pour faire du ciment semblable au bois un nouveau matériau de construction prometteur pour les conceptions mimétiques du bois à haute performance. Ils ont présenté une procédure de fabrication simple pour promouvoir une meilleure efficacité lors de la production de masse avec des applications adaptées à d'autres systèmes de matériaux.
Développer des matériaux boisés bio-inspirés
Les matériaux poreux à base de ciment possèdent une faible conductivité thermique pour l'isolation thermique, haute efficacité d'absorption acoustique, excellente perméabilité à l'air et à l'eau, tout en maintenant la légèreté et la résistance au feu. Cependant, il reste toujours un défi clé pour parvenir à l'amélioration simultanée des propriétés mécaniques et multifonctionnelles, y compris le support mécanique, transport efficace et bonne isolation thermique. Il est donc hautement souhaitable de générer des matériaux aux propriétés mécaniques et multifonctionnelles améliorées pour mettre en œuvre activement les principes de conception du bois naturel. Lors des expérimentations, Wang et al. développé un ciment de type bois avec des architectures poreuses unidirectionnelles formées via une méthode de traitement par congélation bidirectionnelle. Le procédé a permis de créer des ponts entre les constituants de la structure, l'équipe a ensuite décongelé les corps entièrement gelés jusqu'à ce que la glace fonde progressivement et que le ciment durcisse. Le processus d'hydratation qui a suivi a produit de nouveaux minéraux et gels dans le ciment, y compris l'hydroxyde de calcium en forme d'hexagone, gels d'ettringite et de silicate de calcium hydraté. Les phases provenaient principalement des lamelles de ciment et se sont développées dans leur espacement pendant le processus de dégel et de durcissement pour une meilleure intégrité structurelle avec des interconnexions de lamelles améliorées pendant la formation de ciment poreux. Utilisation de la tomographie à rayons X (XRT), l'équipe a ensuite révélé la formation de micropores unidirectionnels dans le ciment glacé.
Caractéristiques microstructurales du ciment de type bois. a) Images SEM en coupe transversale du ciment glacé produit à partir de boues avec un E/C de 1,3. b–d) Images MEB des interconnexions entre lamelles de ciment. b) Ponts et intersections formés pendant le processus de congélation, comme indiqué par les flèches jaunes, ainsi que les produits minéraux des réactions d'hydratation de c) l'hydroxyde de calcium et d) l'ettringite. e) Illustration schématique des différents types d'interconnexions et de pores dans le ciment glacé. Les cercles indiquent les éléments A et L pour la formulation de la résistance en utilisant l'approche des éléments équivalents. f) Variations de la porosité totale Ptotal, Porosité ouverte Popen, et porosité interlamellaire Pinter dans le ciment avec W/C dans les coulis cimentaires initiaux. Les données du panel (f) sont obtenues à partir d'au moins trois mesures pour chaque ensemble d'échantillons et présentées sous forme de moyenne ± écart type. Crédit : sciences avancées, doi:10.1002/adv.202000096 
Wang et al. utilisé des images de microscopie électronique à balayage (MEB) pour révéler les pores unidirectionnels entre les lamelles dans le ciment glacé qui englobait une grande quantité d'interconnexions reliant les lamelles. L'équipe a classé les interconnexions en trois types :(1) les ponts et les intersections formés en raison de particules de ciment englouties dans les cristaux de glace pendant le processus de congélation, (2) hydroxyde de calcium en forme d'hexagone, et (3) ettringite en forme d'aiguille. Ces derniers minéraux résultent des réactions d'hydratation du ciment lors des processus de dégel et de durcissement. Les lamelles de ciment contenaient des pores abondants formés pendant le processus de séchage du ciment en raison de la déshydratation des gels et de l'élimination de l'eau. Les scientifiques ont classé les pores du ciment ressemblant au bois en trois types, comprenant (1) pores ouverts interlamellaires, (2) pores ouverts intramellaires et (3) pores fermés intraamellaires. La porosité interlamellaire était principalement régie par la teneur en eau, qui a joué un rôle d'agent porogène.
Propriétés mécaniques du ciment de type bois. une, b) Courbes de contrainte-déformation représentatives du ciment de type bois fabriqué à partir de coulis avec différents E/C a) sans et b) avec des ajouts de SF. c, d) Variations de la c) déformation à la rupture, d) densité d'absorption d'énergie, représenté à l'aide de l'aire sous la courbe contrainte-déformation jusqu'au pic de contrainte, et résistance spécifique (encadré dans le panneau (d)) en fonction de la porosité totale Ptotal. Les tendances générales variables sont indiquées par les courbes en pointillés pour plus de clarté. e) Dépendance de la résistance à la compression sur la densité relative dans le ciment de type bois. f) Interprétation de la résistance selon l'approche des éléments équivalents en prenant en compte différents types de pores. Les données des panels (c) à (f) sont obtenues à partir d'au moins trois mesures pour chaque ensemble d'échantillons et présentées sous forme de moyenne ± écart type. Crédit : science avancée, doi:10.1002/adv.202000096
Caractéristiques multifonctionnelles du ciment de type bois. a) Variations du coefficient de conductivité thermique du ciment de type bois au profil transversal en fonction de la densité nominale. 0,4-C indique le ciment fabriqué à partir de coulis avec un E/C de 0,4 mais sans traitement de gélification. Les données pour les matériaux de ciment poreux à cellules ouvertes aléatoires sont également présentées à titre de comparaison.[35, 36] b) Images infrarouges de ciment fabriqué à partir de coulis avec des valeurs E/C différentes de 0,4, 0,9, 1.6, et 2.4 placé sur une plaque chauffante à 100°C. c) Dépendance du coefficient de perméabilité à l'eau le long de la direction verticale sur la porosité totale Ptotal dans le ciment de type bois. L'installation utilisée pour la mesure de la perméabilité à l'eau est illustrée dans l'encart. d) Images et illustrations schématiques montrant le caractère perméable et répulsif à l'eau du ciment avant et après traitement d'imperméabilisation, ainsi que les effets d'attraction capillaire et de répulsion des surfaces internes en raison des caractéristiques hydrophiles et hydrophobes. Les données des panels (a) et (c) sont obtenues à partir d'au moins trois mesures pour chaque ensemble d'échantillons et présentées sous forme de moyenne ± écart type. Les tendances générales variables sont indiquées par des courbes en pointillés pour plus de clarté. Crédit : science avancée, doi:10.1002/adv.202000096
Les propriétés mécaniques et multifonctionnelles du matériau
L'équipe a obtenu des courbes de contrainte-déformation représentatives du ciment de type bois avec ou sans addition de fumée de silicium à sa constitution. La résistance à la compression diminuait de façon monotone avec l'augmentation des rapports eau/ciment dans les boues utilisées pour développer le matériau, ce qui a finalement conduit à une porosité accrue dans le ciment. Étant donné que la déformation à la rupture du matériau augmente avec l'augmentation de la porosité totale, la résistance des solides poreux pourrait être déterminée par sa porosité. L'équipe a ensuite mesuré le coefficient de conductivité thermique de l'échantillon de glace, ciment semblable au bois pour montrer une conductivité thermique décroissante avec une porosité croissante du matériau. Ils ont également utilisé des images infrarouges (IR) pour observer clairement les propriétés d'isolation thermique robustes du matériau de ciment glacé. Pour réguler l'efficacité de l'isolation thermique, Wang et al. ajusté la charge solide dans les coulis cimentaires en augmentant la teneur en eau/ciment. Le matériau de ciment résultant a absorbé de l'eau en raison du caractère hydrophile (attractif pour l'eau) de ses surfaces internes. En revanche, ils pourraient empêcher l'eau de pénétrer dans les pores en imperméabilisant les surfaces avec un agent organosilicié; de tels efforts sur l'hydrophobie pourraient même faire flotter le matériau sur l'eau. Le procédé peut donc faciliter des applications commutables en tant que structures perméables ou étanches adaptées comme matériaux de construction.
Comparaison du ciment de type bois avec du bois naturel et d'autres matériaux de ciment poreux.[3-8, 31, 43, 53, 59-61] a) Résistance à la compression et densité pour une large gamme de matériaux poreux à base de ciment montrant les résistances relativement plus élevées du ciment de type bois actuel à densités égales. LAC :contenu agrégé léger; OPC :ciment Portland ordinaire; PF :fibre de polypropylène; PC :ciment Portland; CSA :agrégat de boues de béton; S/C :rapport en poids sable-ciment. b) Illustrations schématiques sur les stratégies de conception du bois naturel et du ciment semblable au bois dans l'optimisation de leurs propriétés mécaniques et multifonctionnelles associées aux architectures à porosité unidirectionnelle. Les données de résistance et de densité du ciment de type bois actuel dans le panneau (a) sont présentées sous forme de moyenne ± écart type. Crédit : sciences avancées, doi:10.1002/adv.202000096
Perspectives pour les matériaux cimentaires ressemblant au bois
De cette façon, Faheng Wang et ses collègues ont présenté une technique de modélisation de la glace comme une approche viable pour créer des micropores unidirectionnels pour des applications à travers la céramique, polymères, métaux et leurs composites. Les scientifiques ont développé un procédé de traitement par lyophilisation basé sur le comportement d'auto-durcissement du ciment au contact des réactions d'hydratation. L'architecture de ciment ressemblant au bois qui en résultait contenait une variété de pores sous des formes ouvertes ou fermées et une abondance d'interconnexions reliant leurs lamelles. Lorsque la porosité augmente, la résistance du ciment a diminué. Le ciment semblable au bois présentait également une conductivité thermique inférieure et une bonne perméabilité à l'eau. L'équipe pourrait changer le matériau de ciment pour qu'il soit hydrofuge ou attractif pour l'eau via un traitement hydrophobe ou hydrophile, respectivement. La stratégie de développement de matériaux simple et pratique, associée à la nature auto-durcissante de ses constituants, peut considérablement améliorer le temps et la rentabilité de la technique de gélification de la glace pour former un béton durable avec le potentiel de transposer la méthode à d'autres systèmes de matériaux.
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