Les chercheurs de l'Université Purdue sont prêts à tester s'ils peuvent fabriquer un pont plus solide en utilisant du béton infusé de nanocristaux microscopiques. Crédit :Université Purdue
Des chercheurs de l'Université Purdue qui étudient si le béton est renforcé en l'infusant avec des nanocristaux microscopiques de bois passent du laboratoire au monde réel avec un pont qui sera construit en Californie ce printemps.
Les chercheurs ont travaillé avec des nanocristaux de cellulose, sous-produits générés par le papier, bioénergie, l'agriculture et les industries de la pâte à papier, pour trouver le meilleur mélange pour renforcer le béton, le matériau synthétique le plus répandu au monde.
"Il suffit de sortir là où les gens peuvent réellement conduire, Je pense, est un grand pas parce que vous ne pouvez pas simplement dire que c'est une curiosité de laboratoire à ce stade. Il a des implications dans le monde réel, " a déclaré Jeffrey Youngblood, un professeur Purdue de génie des matériaux.
Le renforcement du béton pourrait avoir d'autres implications, comme la fabrication d'articles en béton plus fins et plus légers tout en conservant la même résistance avec un avantage secondaire potentiel de diminution du dioxyde de carbone libéré dans l'atmosphère. Les cimenteries représentent environ 8 pour cent des émissions mondiales de dioxyde de carbone, une cause principale du changement climatique.
Le catalyseur de ce changement potentiellement transformateur est un nanocristal de cellulose d'environ 100 nanomètres de long et 5 nanomètres de large, trop petit pour être vu à l'aide d'un microscope ordinaire. Elle n'est visible qu'à l'aide d'un microscope électronique. Pour le point de vue, un cheveu humain vaut environ 100, 000 nanomètres de large. Pourtant, la cellulose est le polymère le plus répandu dans le monde car il peut être obtenu à partir de produits du bois, les plantes, bactéries et algues.
Les nanocristaux de cellulose renforcent le béton grâce à une réaction chimique qui augmente l'hydratation des particules de ciment, rendre le béton plus solide, disent les chercheurs. "La résistance du béton dépend du degré d'hydratation. Donc plus il est hydraté, plus c'est fort, " Dit Youngblood. " Donc, vous penseriez que si vous ajoutiez plus d'eau, ce serait plus fort. Le problème est, l'eau ajoute des pores qui la rendent plus faible. Mais les nanocristaux de cellulose améliorent l'hydratation avec moins d'eau, rendre le béton plus solide."
Pablo Zavattieri, professeur à la Lyles School of Civil Engineering, a déclaré que les nanocristaux de cellulose permettent à l'eau d'aller là où elle est nécessaire. Toutes les particules de ciment ne sont pas hydratées lorsque le béton est mélangé, ce qui nuit à la résistance et à la durabilité du béton.
Ce microscope électronique à transmission montre des nanocristaux de cellulose, de minuscules structures dérivées de sources renouvelables qui pourraient être utilisées pour créer une nouvelle classe de biomatériaux avec de nombreuses applications potentielles. Il a été démontré que les structures augmentent la résistance du béton. Crédit :Centre de microscopie des sciences de la vie Purdue
"Ce qui est bien avec les nanocristaux de cellulose, c'est qu'ils créent en quelque sorte un rail pour que l'eau entre dans une particule, dit Zavattieri.
Jason Weiss, la chaire d'ingénierie Miles Lowell et Margaret Watt Edwards à l'Oregon State University, qui était auparavant professeur à Purdue, a déclaré que les nanocristaux de cellulose rendent le béton plus efficace parce qu'il faut moins de masse pour fabriquer quelque chose d'aussi solide.
« Donc, il peut être plus durable et plus efficace, " il a dit.
Youngblood a déclaré qu'un autre avantage est que le béton infusé de cellulose durcit plus rapidement, ce qui signifie moins d'attente pour que le béton durcisse lors de l'utilisation de coffrages pour faire des ponts ou pour le forage pétrolier.
« Parce que chaque jour où une équipe n'est pas en train de pomper du pétrole, c'est une journée de perte d'argent, " a déclaré Youngblood. Échantillons de ciment
Les chercheurs affirment que le coût d'utilisation des nanocristaux de cellulose peut être compensé par la possibilité d'utiliser moins de ciment, mais le coût exact n'a pas été déterminé. Ils disent que la fréquence d'utilisation des nanocristaux de cellulose sera un facteur. Mais même si seul un faible pourcentage de tout le béton produit utilisait les nanocristaux de cellulose, cela aurait un grand impact simplement parce que l'utilisation du béton est si omniprésente.
Les chercheurs disent que le travail de mise à l'échelle en béton et de préparation du pont en Californie est un partenariat entre Purdue, Université d'État de l'Oregon, P3Nano et autres. P3Nano est un partenariat public-privé conçu pour soutenir la commercialisation de nanomatériaux cellulosiques. P3Nano a participé activement aux essais à grande échelle et est le sponsor du projet de l'Oregon State University visant à démontrer les applications à grande échelle des nanocristaux de cellulose dans les ponts et les dalles plates. Le pont exact en Californie où le béton infusé de cellulose sera utilisé n'a pas encore été déterminé.
Cette photo montre des échantillons de ciment noyés dans de l'époxy prêts pour l'analyse microscopique. Les chercheurs de l'Université Purdue ont travaillé pour trouver le meilleur rapport de mélange de nanocristaux de cellulose dans du ciment pour le rendre plus fort. Crédit :Université Purdue
Les chercheurs de Purdue ont commencé à étudier la cellulose il y a une décennie en collaboration avec Robert Moon, un chercheur du laboratoire des produits forestiers du Service forestier des États-Unis, qui était basé à Purdue à l'époque. Le Service forestier recherchait des utilisations pour les malades, grumes endommagées et de petit diamètre, qui abondent dans les forêts.
Jeune sang, qui travaille principalement avec des plastiques, a déclaré que le défi consistait initialement à déterminer où les nanocristaux de cellulose solubles dans l'eau pourraient être utilisés. L'idée de l'utiliser dans le béton lui est venue en creusant un trou de poteau et en préparant le béton. C'est là que la recherche a commencé.
Youngblood a déclaré que les chercheurs ont rapidement découvert que les nanocristaux de cellulose renforçaient le béton, mais ils ne savaient pas pourquoi.
"Je me suis rendu au bureau de Jason Weiss et lui ai montré les données et il a dit que cela ne devrait pas fonctionner car les nanocristaux de cellulose sont trop petits. C'est à ce moment-là que nous avons réalisé que nous avions quelque chose, parce que si quelque chose est basé sur la façon dont les choses fonctionnent normalement, basé sur des théories ou quoi que ce soit, ne devrait pas fonctionner et c'est le cas, c'est à ce moment-là que vous avez généralement trouvé quelque chose d'important, " a déclaré Youngblood. " C'est comme ça que tout a commencé. "
La recherche a été financée en partie par la National Science Foundation. Weiss a déclaré que les travaux de la NSF ont conduit à des pâtes testées qui ont aidé les chercheurs à comprendre que les nanocristaux de cellulose n'agissent pas comme des fibres conventionnelles, mais modifient plutôt la microstructure.
Blaine Kunkel, PDG de Nano-Green Bioraffineries Inc., qui a un accord de licence avec le Purdue Research Foundation Office of Technology Commercialization pour commercialiser la technologie, a déclaré que la société était enthousiasmée par le potentiel des nanocristaux de cellulose.
"Nous considérons cela comme une technologie transformationnelle, " il a dit.
