Des coquillages au ciment, la nature inspire des matériaux de construction plus résistants

Inspirés par le matériau qui compose les coquilles d'huîtres et d'ormeaux, les ingénieurs de Princeton ont créé un nouveau ciment composite 17 fois plus résistant aux fissures que le ciment standard et 19 fois plus capable de s'étirer et de se déformer sans se briser. Les résultats pourraient éventuellement contribuer à augmenter la résistance aux fissures d’un large éventail de matériaux céramiques fragiles, du béton à la porcelaine.

“Si nous pouvons concevoir du béton pour résister à la propagation des fissures, nous pouvons le rendre plus résistant, plus sûr et plus durable”, a déclaré le chercheur Shashank Gupta, étudiant diplômé du laboratoire de Reza Moini au Département de génie civil et environnemental.

Dans un article publié dans Matériaux fonctionnels avancésl'équipe de recherche dirigée par Moini, professeur adjoint de génie civil et environnemental, a rapporté que la création de couches alternées de pâte de ciment tabulée et de polymère mince peut augmenter considérablement la résistance aux fissures et la capacité de se déformer sans se briser complètement (ductilité).

Le laboratoire de Moini s'inspire souvent de la biologie pour ses travaux sur les matériaux de construction. Dans ce cas, l’équipe a développé un composite inspiré d’un matériau naturel appelé nacre, ou nacre, que l’on retrouve à l’intérieur de certains coquillages. Gupta a déclaré qu'au niveau microscopique, la nacre est constituée de comprimés hexagonaux d'aragonite minérale dure collés ensemble par un biopolymère mou.

Les comprimés d'aragonite contribuent de manière significative à la résistance de la nacre, tandis que le biopolymère ajoute de la flexibilité et de la résistance aux fissures. Le mécanisme de durcissement implique que les comprimés d'aragonite glissent sous l'effet d'une contrainte, ce qui, avec d'autres mécanismes, permet à la nacre de dissiper son énergie. Cette action de glissement, combinée à la déviation des fissures et à la déformation du biopolymère, permet à la nacre de supporter des contraintes mécaniques importantes tout en conservant son intégrité structurelle, la rendant à la fois solide et résiliente.

“Cette synergie entre les composants durs et mous est cruciale pour les propriétés mécaniques remarquables de la nacre”, a déclaré Gupta.

L'équipe de Princeton a développé des composites innovants inspirés de la nacre, utilisant des matériaux de construction conventionnels comme la pâte de ciment Portland combinés à une quantité limitée de polymère. Ils ont alterné des couches de feuilles de pâte de ciment avec un polymère hautement extensible, le polyvinylsiloxane. Les chercheurs ont créé de petites poutres multicouches en alternant des feuilles de pâte de ciment avec de fines couches de polymère. Ces poutres ont ensuite été soumises à un essai de flexion en trois points crantés, où chaque poutre a été testée en flexion pour évaluer la résistance à la fissuration (ou la ténacité à la rupture).

Dans l’expérience, les chercheurs ont produit trois types de faisceaux. Le premier type consistait en une alternance de couches de feuilles de pâte de ciment et de fines polymères. Pour le deuxième type, ils ont utilisé un laser pour graver des rainures hexagonales dans les feuilles de pâte de ciment. Ces feuilles rainurées ont ensuite été empilées avec de fines couches de polymère entre elles.

Le troisième type était similaire au second, mais les chercheurs ont complètement coupé le ciment, créant des comprimés hexagonaux séparés reliés par la couche de polymère. Ces comprimés de pâte de ciment reposent sur la couche de polymère de la même manière que l'aragonite repose sur la couche de biopolymère de la nacre. Ces trois types ont été comparés à un homologue en pâte de ciment coulé solide (monolithique) de référence.

Les expériences ont révélé que la rupture des poutres de référence était fragile, ce qui signifie que les poutres se brisaient soudainement et complètement lorsqu'elles atteignaient leur point de rupture, sans aucune ductilité. Les poutres à couches alternées, rainurées et non rainurées, ont démontré une ductilité et une résistance à la fissuration accrues.

Les résultats les plus significatifs ont été observés dans les faisceaux comportant des comprimés hexagonaux complètement séparés, semblables à la nacre. Ces poutres présentaient une ductilité 19 fois supérieure et une résistance à la rupture 17 fois supérieure tout en conservant presque la même résistance que la poutre en pâte de ciment solide.

“Notre approche bio-inspirée ne consiste pas simplement à imiter la microstructure de la nature, mais à apprendre des principes sous-jacents et à les utiliser pour éclairer l'ingénierie des matériaux fabriqués par l'homme. L'un des mécanismes clés qui rendent une coque nacrée résistante est le glissement de la tablette. au niveau nanométrique. Ici, nous nous concentrons sur le mécanisme de glissement des comprimés en concevant la structure tabulée intégrée de la pâte de ciment en équilibre avec les propriétés du polymère et l'interface entre eux. » dit Moini. “En d'autres termes, nous concevons intentionnellement des défauts dans les matériaux fragiles afin de les rendre plus solides dès leur conception.”

Les chercheurs ont noté que les résultats sont basés sur des conditions de laboratoire et qu'il faudrait des travaux et des recherches supplémentaires pour développer les techniques à utiliser sur le terrain. Ils travaillent à déterminer si la ténacité et la ductilité des structures s'appliquent à d'autres matériaux céramiques au-delà de la pâte de ciment, comme le béton.

“Nous ne faisons qu'effleurer la surface ; il y aura de nombreuses possibilités de conception pour explorer et concevoir les propriétés constitutives des matériaux durs et mous, les interfaces et les aspects géométriques qui jouent dans les effets de taille fondamentaux dans les matériaux de construction”, a déclaré Moini.