Un béton plus résistant, inspiré des os

Les chercheurs Reza Moini et Shashank Gupta créent des matériaux de construction plus résistants et plus durables. Photos de Sameer A. Khan/Fotobuddy

Inspirés par l'architecture de la couche externe dure des os humains, les ingénieurs de Princeton ont développé un matériau à base de ciment 5,6 fois plus résistant aux dommages que ses homologues standard. La conception bio-inspirée permet au matériau de résister aux fissures et d'éviter une défaillance soudaine, contrairement à ses homologues à base de ciment conventionnels et cassants.

Dans un article du 10 septembre paru dans la revue Advanced Materials, l'équipe de recherche dirigée par Reza Moini , professeur adjoint de génie civil et environnemental , et Shashank Gupta, candidat au doctorat en troisième année, démontre que la pâte de ciment déployée avec une architecture tubulaire peut augmenter considérablement la résistance à la propagation des fissures et améliorer la capacité à se déformer sans défaillance soudaine.

« L’un des défis de l’ingénierie des matériaux de construction fragiles est qu’ils se brisent de manière brutale et catastrophique », a déclaré Shashank Gupta.

Des briques traversées de tubes creux sont posées sur une table de laboratoire. L'architecture résiste à la propagation des fissures et durcit le matériau.

Dans les matériaux de construction fragiles utilisés dans les bâtiments et les infrastructures civiles, la résistance garantit la capacité à supporter les charges, tandis que la ténacité soutient la résistance à la fissuration et à la propagation des dommages dans la structure. La technique proposée s'attaque à ces problèmes en créant un matériau plus résistant que ses homologues conventionnels tout en conservant sa résistance.

Reza Moini a déclaré que la clé de l’amélioration réside dans la conception ciblée de l’architecture interne, en équilibrant les contraintes au niveau du front de fissure avec la réponse mécanique globale.

« Nous utilisons les principes théoriques de la mécanique de la rupture et de la mécanique statistique pour améliorer les propriétés fondamentales des matériaux « par conception » », a-t-il déclaré.

L'équipe s'est inspirée de l'os cortical humain, la coque externe dense des fémurs humains qui fournit la force et résiste à la fracture. L'os cortical est constitué de composants tubulaires elliptiques appelés ostéons, intégrés faiblement dans une matrice organique. Cette architecture unique dévie les fissures autour des ostéons. Cela évite une rupture brutale et augmente la résistance globale à la propagation des fissures, précise Shashank Gupta.

La conception bio-inspirée de l’équipe intègre des tubes cylindriques et elliptiques dans la pâte de ciment qui interagissent avec les fissures qui se propagent.

« On s’attend à ce que le matériau devienne moins résistant à la fissuration lorsque des tubes creux sont incorporés », assure Rez Moini. « Nous avons appris qu’en tirant parti de la géométrie, de la taille, de la forme et de l’orientation du tube, nous pouvons favoriser l’interaction fissure-tube pour améliorer une propriété sans en sacrifier une autre. »

L'équipe a découvert qu'une telle interaction améliorée entre la fissure et le tube déclenche un mécanisme de durcissement par étapes, dans lequel la fissure est d'abord piégée par le tube, puis retardée dans sa propagation, ce qui entraîne une dissipation d'énergie supplémentaire à chaque interaction et étape.

« Ce mécanisme par étapes est unique car chaque extension de fissure est contrôlée, ce qui évite une défaillance soudaine et catastrophique », souligne Shashank Gupta. « Au lieu de se briser d'un seul coup, le matériau résiste aux dommages progressifs, ce qui le rend beaucoup plus résistant. »

Contrairement aux méthodes traditionnelles qui renforcent les matériaux à base de ciment en ajoutant des fibres ou des plastiques, l'approche de l'équipe de Princeton repose sur la conception géométrique. En manipulant la structure du matériau lui-même, ils obtiennent des améliorations significatives de la résistance sans avoir besoin de matériau supplémentaire.

En plus d’améliorer la résistance à la fracture, les chercheurs ont introduit une nouvelle méthode pour quantifier le degré de désordre, une quantité importante pour la conception. En s’appuyant sur la mécanique statistique, l’équipe a introduit des paramètres pour quantifier le degré de désordre dans les matériaux architecturés. Cela a permis aux chercheurs de créer un cadre numérique reflétant le degré de désordre de l’architecture.

Les chercheurs ont déclaré que le nouveau cadre offre une représentation plus précise des arrangements de matériaux, s'orientant vers un spectre allant de l'ordonné au aléatoire, au-delà des simples classifications binaires périodiques et non périodiques. Reza Moini a déclaré que l'étude fait une distinction avec les approches qui confondent l'irrégularité et la perturbation avec le désordre statistique comme la tessellation de Voronoi et les méthodes de perturbation.

« Cette approche nous donne un outil puissant pour décrire et concevoir des matériaux avec un degré de désordre personnalisé », a déclaré Reza Moini. « L’utilisation de méthodes de fabrication avancées telles que la fabrication additive peut favoriser davantage la conception de structures plus désordonnées et mécaniquement favorables et permettre la mise à l’échelle de ces conceptions tubulaires pour les composants d’infrastructures civiles avec du béton. »

L’équipe de recherche a également récemment développé des techniques permettant une grande précision grâce à la robotique et à la fabrication additive. En les appliquant à de nouvelles architectures et à des combinaisons de matériaux durs ou mous au sein des tubes, ils espèrent élargir encore les possibilités d’applications dans les matériaux de construction.

« Nous n’avons fait que commencer à explorer les possibilités », lance Shashank Gupta. « Il existe de nombreuses variables à étudier, comme l’application du degré de désordre à la taille, à la forme et à l’orientation des tubes dans le matériau. Ces principes pourraient être appliqués à d’autres matériaux cassants pour concevoir des structures plus résistantes aux dommages. »

https://engineering.princeton.edu/news/2024/09/16/toughen-cement-fill-it-full-holes