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Rentabilité et économie de matériel

Le béton se réinvente

15 juil. 2020 | STEPHAN KÄLIN

Le béton est de loin le matériau de construction le plus utilisé au monde – et sa consommation ne cesse de croître. Une équipe de l’Empa a mis au point une nouvelle recette de béton autoprécontraint permettant de construire des structures minces à meilleur compte et d’économiser de la matière.

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Un élément porteur en béton autoprécontraint par des tiges de polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC). Image: Empa

Plus de dix milliards de tonnes de béton sont mises en œuvre chaque année. C’est plus que l’ensemble de tous les autres matériaux de construction. A titre de comparaison: la production annuelle d’acier et d’asphalte, également très utilisés, est d’environ 1,5 milliard de tonnes chacun. Les émissions provoquées par la fabrication d’une tonne de béton et l’énergie que cela nécessite sont inférieures à celles des autres matériaux de construction mais n’en ont pas moins un gigantesque impact sur l’environnement. Principale cause: le liant du béton, le ciment. La production des quatre milliards de tonnes de ciment nécessaires chaque année représente quelque trois pour-cent de l’énergie primaire mondiale. Par ailleurs, cette production représente environ huit pour-cent des émissions mondiales de CO2. Vu la demande croissante de béton et de ciment, on estime que leur consommation pourrait encore croître de 50 pour-cent d’ici à 2050. On ne voit pas pour le moment ce qui pourrait remplacer le béton, vu ses nombreux avantages. Il ressort de tous ces chiffres que l’adoption de pratiques durables dans son usage – lors de sa production, de son emploi mesuré, de sa démolition et de son recyclage – a un énorme impact sur notre environnement et notre société.

Breveté en Europe et aux États-Unis

L’Empa étudie les moyens d’affiner les éléments de béton tout en leur conservant une longue durée de vie et une bonne résistance afin d’en réduire la consommation. Un groupe de chercheurs animé par Giovanni Terrasi, Pietro Lura et Mateusz Wyrzykowski a récemment obtenu un brevet européen et un brevet étatsunien couvrant une technologie de béton auto-précontraint allant dans ce sens. On recourt en général à la précontrainte pour les éléments soumis à de très fortes charges: poutres, ponts et autres éléments porteurs. L’armature ou les câbles de précontrainte – généralement en acier – sont mis en tension sur un banc de précontrainte, on coule le béton de l’élément à fabriquer puis, lorsqu’il s’est durci, on relâche la tension aux deux extrémités de l’armature. En cherchant à retrouver son état original, l’armature – qui est ancrée aux extrémités de l’élément – va soumettre le béton à une forte compression. Ainsi comprimé, l’élément présente une résistance bien supérieure. Un problème, toutefois: l’acier peut s’oxyder. Il faut donc que le béton le protège en lui assurant une couverture suffisante.

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Mateusz Wyrzykowski et Volha Semianiuk aidés du technicien de laboratoire Sebastiano Valvo étudient de nouvelles techniques d’autocontrainte d’éléments en béton armé au PRFC. Image: Empa

Remplacer l'acier par des fibres de carbone

Les premiers essais de béton armé aux polymères renforcés de fibres de carbone (PRFC) plutôt que par acier remontent déjà aux années 1990. Le PRFC n’étant pas sensible à la corrosion, il permet de réaliser des éléments de construction en béton beaucoup plus sveltes tout en maintenant leurs propriétés statiques. «Lorsqu’on veut également précontraindre ces armatures de PRFC afin d’encore amincir et renforcer les éléments, on se heurte à certaines limites», précise Wyrzykowski. Les bancs de mise en précontrainte nécessaires sont très coûteux et l’ancrage des barres de PRFC est beaucoup plus délicat que celui des barres d’acier, raisons pour lesquelles ce béton à hautes performances précontraint aux PRFC n’est pas très répandu.

Un béton expansif

L’équipe de l’Empa a réussi à se passer de l’ancrage de l’élément de précontrainte aux deux extrémités de l’élément. C’est le béton qui, réalisé selon une recette originale, s’étend en durcissant. L’expansion met la barre de PRFC logée dans l’élément sous tension, ce qui, réciproquement, comprime le béton. Les chercheurs ont pu démontrer en laboratoire que les éléments de béton auto-précontraints au PRFC supportaient des charges comparables à celles des éléments classiques précontraints à grands frais, charges en gros trois fois supérieures à celles supportées par les éléments de béton au PRFC non précontraints. «Notre technologie ouvre de toutes nouvelles perspectives en construction légère», remarque Wyrzykowski. «Nous pouvons construire des ouvrages plus résistants tout en utilisant beaucoup moins de matière». Le chercheur de l’Empa entrevoit déjà de nouveaux champs d’application: «Avec cette technique, il est très simple d’assurer simultanément la précontrainte dans différentes directions, par exemple pour des couvertures fines en béton ou des coques en béton filigranées». L’étude de ces nouvelles applications va être poursuivie avec le soutien de notre partenaire industriel BASF.


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