Depuis son invention il y a plusieurs millénaires, le béton est devenu un instrument pour l'avancement de la civilisation, trouver une utilisation dans d'innombrables applications de construction, des ponts aux bâtiments. Et encore, malgré des siècles d'innovation, sa fonction est restée essentiellement structurelle.

Un effort pluriannuel des chercheurs du MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), en collaboration avec le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), a cherché à changer cela. Leur collaboration promet de rendre le béton plus durable en ajoutant de nouvelles fonctionnalités, à savoir, conductivité électronique. La conductivité électronique permettrait l'utilisation du béton pour une variété de nouvelles applications, allant de l'auto-échauffement au stockage d'énergie.

Leur approche repose sur l'introduction contrôlée de matériaux nanocarbonés hautement conducteurs dans le mélange de ciment. Dans un article publié dans Physical Review Materials, ils valident cette approche tout en présentant les paramètres qui dictent la conductivité du matériau.

Nancy Soliman, l'auteur principal de l'article et un post-doctorant au MIT CSHub, croit que cette recherche a le potentiel d'ajouter une toute nouvelle dimension à ce qui est déjà un matériau de construction populaire.

"C'est un modèle de premier ordre du ciment conducteur, " explique-t-elle. " Et cela apportera [les connaissances] nécessaires pour encourager la mise à l'échelle de ces types de matériaux [multifonctionnels]."

De l'échelle nanométrique à l'état de l'art

Au cours des dernières décennies, les matériaux nanocarbonés ont proliféré en raison de leur combinaison unique de propriétés, principal d'entre eux la conductivité. Les scientifiques et les ingénieurs ont déjà proposé le développement de matériaux qui peuvent conférer une conductivité au ciment et au béton s'ils y sont incorporés.

Pour ce nouveau travail, Soliman voulait s'assurer que le matériau nanocarboné qu'ils avaient sélectionné était suffisamment abordable pour être produit à grande échelle. Elle et ses collègues ont opté pour le noir de nanocarbone, un matériau carboné bon marché doté d'une excellente conductivité. Ils ont constaté que leurs prédictions de conductivité étaient confirmées.

« Le béton est naturellement un matériau isolant, " dit Soliman, "Mais quand on ajoute des particules de noir de nanocarbone, il passe du statut d'isolant à celui de matériau conducteur."

En incorporant du noir de nanocarbone à seulement 4 pour cent du volume de leurs mélanges, Soliman et ses collègues ont découvert qu'ils pouvaient atteindre le seuil de percolation, le point auquel leurs échantillons pourraient transporter un courant.

Ils ont remarqué que ce courant avait également un résultat intéressant :il pouvait générer de la chaleur. Cela est dû à ce que l'on appelle l'effet Joule.

"Le chauffage Joule (ou chauffage résistif) est causé par des interactions entre les électrons en mouvement et les atomes dans le conducteur, explique Nicolas Chanut, un co-auteur de l'article et un post-doctorant au MIT CSHub. "Les électrons accélérés dans le champ électrique échangent de l'énergie cinétique chaque fois qu'ils entrent en collision avec un atome, induire la vibration des atomes dans le réseau, qui se manifeste par de la chaleur et une élévation de température dans le matériau."

Dans leurs expériences, ils ont découvert que même une petite tension, aussi faible que 5 volts, pouvait augmenter les températures de surface de leurs échantillons (environ 5 cm ³ en taille) jusqu'à 41 degrés Celsius (environ 100 degrés Fahrenheit). Alors qu'un chauffe-eau standard peut atteindre des températures comparables, il est important de considérer comment ce matériau serait mis en œuvre par rapport aux stratégies de chauffage conventionnelles.

« Cette technologie pourrait être idéale pour le chauffage radiant par le sol intérieur, " explique Chanut. " D'habitude, le chauffage radiant intérieur se fait en faisant circuler de l'eau chauffée dans des tuyaux qui passent sous le sol. Mais ce système peut être difficile à construire et à entretenir. Lorsque le ciment lui-même devient un élément chauffant, cependant, le système de chauffage devient plus simple à installer et plus fiable. En outre, le ciment offre une répartition de la chaleur plus homogène grâce à la très bonne dispersion des nanoparticules dans le matériau."

Le ciment nanocarboné pourrait avoir diverses applications à l'extérieur, également. Chanut et Soliman pensent que s'ils sont mis en œuvre dans des chaussées en béton, le ciment nanocarboné pourrait atténuer la durabilité, durabilité, et les problèmes de sécurité. Une grande partie de ces préoccupations découlent de l'utilisation de sel pour le dégivrage.

"En Amérique du Nord, nous voyons beaucoup de neige. Déneiger nos routes nécessite l'utilisation de sels de déglaçage, qui peut endommager le béton, et contaminer les eaux souterraines, " note Soliman. Les camions lourds utilisés pour les routes salées sont également à la fois de gros émetteurs et coûteux à conduire.

En permettant le chauffage radiant dans les chaussées, le ciment nanocarboné pourrait être utilisé pour déglacer les chaussées sans sel de voirie, économiser potentiellement des millions de dollars en coûts de réparation et d'exploitation tout en remédiant aux problèmes de sécurité et d'environnement. Dans certaines applications où le maintien de conditions de chaussées exceptionnelles est primordiale, comme les pistes d'aéroport, cette technologie pourrait s'avérer particulièrement avantageuse.

Fils emmêlés

Bien que ce ciment de pointe offre des solutions élégantes à un éventail de problèmes, atteindre la multifonctionnalité a posé divers défis techniques. Par exemple, sans moyen d'aligner les nanoparticules dans un circuit fonctionnel - connu sous le nom de câblage volumétrique - à l'intérieur du ciment, leur conductivité serait impossible à exploiter. Pour assurer un câblage volumétrique idéal, les chercheurs ont étudié une propriété connue sous le nom de tortuosité.

"La tortuosité est un concept que nous avons introduit par analogie dans le domaine de la diffusion, " explique Franz-Josef Ulm, un leader et co-auteur sur le papier, professeur au département de génie civil et environnemental du MIT, et le conseiller pédagogique au CSHub. "Autrefois, il a décrit comment les ions circulent. Dans ce travail, nous l'utilisons pour décrire le flux d'électrons à travers le fil volumétrique."

Ulm explique la tortuosité avec l'exemple d'une voiture circulant entre deux points d'une ville. Alors que la distance entre ces deux points à vol d'oiseau peut être de deux milles, la distance réelle parcourue pourrait être plus grande en raison du circuit des rues.

Il en est de même pour les électrons qui traversent le ciment. Le chemin qu'ils doivent emprunter à l'intérieur de l'échantillon est toujours plus long que la longueur de l'échantillon lui-même. Le degré auquel ce chemin est plus long est la tortuosité.

Atteindre la tortuosité optimale signifie équilibrer la quantité et la dispersion du carbone. Si le carbone est trop fortement dispersé, le câblage volumétrique deviendra clairsemé, conduisant à une tortuosité élevée. De la même manière, sans assez de carbone dans l'échantillon, la tortuosité sera trop grande pour former un direct, câblage efficace avec une conductivité élevée.

Même l'ajout de grandes quantités de carbone pourrait s'avérer contre-productif. À un certain point, la conductivité cessera de s'améliorer et, en théorie, n'augmenterait les coûts que s'il était mis en œuvre à grande échelle. En raison de ces complexités, ils ont cherché à optimiser leurs mélanges.

"Nous avons découvert qu'en ajustant le volume de carbone, nous pouvons atteindre une valeur de tortuosité de 2, " dit Ulm. " Cela signifie que le chemin emprunté par les électrons n'est que le double de la longueur de l'échantillon. "

Quantifier ces propriétés était vital pour Ulm et ses collègues. L'objectif de leur récent article n'était pas seulement de prouver que le ciment multifonctionnel était possible, mais qu'il était également viable pour la production de masse.

"Le point clé est que pour qu'un ingénieur puisse ramasser des choses, ils ont besoin d'un modèle quantitatif, " explique Ulm. " Avant de mélanger les matériaux, vous voulez pouvoir vous attendre à certaines propriétés reproductibles. C'est exactement ce que ce document décrit; il sépare ce qui est dû aux conditions aux limites - les conditions environnementales [externes] - de ce qui est réellement dû aux mécanismes fondamentaux au sein du matériau."

En isolant et en quantifiant ces mécanismes, Soliman, Chanut, et Ulm espèrent fournir aux ingénieurs exactement ce dont ils ont besoin pour mettre en œuvre le ciment multifonctionnel à plus grande échelle. La voie qu'ils ont tracée est prometteuse et, grâce à leur travail, ne devrait pas s'avérer trop tortueux.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.