Matériaux du futur : graphène et béton

L'industrie de la construction est en croissance en raison de l'augmentation de la population et de l'urbanisation rapide. Cependant, elle fait également face à des obstacles importants pour réduire son empreinte carbone, en particulier celle liée aux produits à base de ciment. Lors de la fabrication du ciment, qui est utilisé pour lier le béton et le mortier traditionnels, le calcaire et d'autres matériaux sont chauffés à environ 1 480 degrés Celsius. Ce processus entraîne la libération de grandes quantités de dioxyde de carbone dans l'atmosphère. Si l'industrie de la construction était un pays, elle se classerait au troisième rang pour les émissions, après les États-Unis et la Chine.

En intégrant du graphène dans le béton, les ingénieurs et les architectes peuvent créer des structures nécessitant moins de matériau, tout en obtenant les mêmes performances structurelles que le béton traditionnel. Le béton renforcé au graphène est 2,5 fois plus résistant et 4 fois moins perméable à l'eau que le béton standard. Il utilise beaucoup moins de ciment pour fournir la résistance souhaitée. En conséquence, il devrait réduire les émissions de CO2 de 30 %.

En mars 2022, Versarien, partenaire phare de Graphene, a dévoilé la première construction imprimée en 3D au monde avec un mélange amélioré au graphène, sous la marque Cementene™. Puis en septembre 2022, l'entreprise a présenté une œuvre à faible émission de carbone, Island Steps, créée en collaboration avec le designer Steuart Padwick et présentée à Design London.

Les marches de l'île ont été construites sans l'utilisation de ciment. Au lieu de cela, Cementene™ a été utilisé pour améliorer la résistance et la durabilité du mortier utilisé dans la construction. Cela a abouti à une structure robuste et creuse qui peut être facilement construite sur site ou hors site, puis transportée à son emplacement prévu.

Au-delà de la force, les chercheurs tentent de profiter de la conductivité du graphène pour créer des murs, des papiers peints et des sols chauffés sans câbles. En 2019, le producteur de ciment Italcementi a présenté une maquette de sol multicouche au Mobile World Congress 2019 à Barcelone, en Espagne. Il comprenait une couche de composite graphène-ciment ainsi qu'un sous-plancher, une isolation en polystyrène, une dalle de béton, un mortier d'assise et des carreaux de céramique.

Le béton intelligent pourrait inaugurer une nouvelle génération de bâtiments intelligents. Grâce à la conductivité et aux propriétés thermiques du graphène, il est possible de déployer des capteurs intelligents sur des surfaces entières pour la surveillance en temps réel des contraintes, des déformations, de la température et de l'humidité dans les infrastructures civiles, fournissant des signaux d'avertissement si l'intégrité structurelle est proche de la défaillance.

La chaleur et la conductivité électrique du béton de graphène inspirent d'autres applications potentielles. Cela peut aider à dégivrer les pistes, les toits et les routes des aéroports, conduire à une recharge sans fil plus rentable des véhicules électriques, à un revêtement de sol antistatique et à un blindage contre les interférences électromagnétiques (EMI).

Les additifs de graphène sont des charges importantes qui augmentent la résistance à l'usure, la qualité thermique, la capacité à résister à la fissuration et la conductivité des matrices céramiques.

Le projet de partenariat phare sur le graphène CERANEA, financé par l'appel transnational conjoint FLAG-ERA 2017, a exploré les propriétés des matériaux constitués d'empilements contenant du graphène, du nitrure de bore hexagonal (hBN) ou d'autres matériaux en couches, ainsi que des céramiques, telles que le nitrure de silicium, le silicium carbure et zircone. Ces matériaux sont plus résistants que les céramiques actuelles contre les dommages causés par les arcs électriques, ils peuvent donc être utilisés comme revêtements durables pour les contacts et les interrupteurs.

Par ailleurs, des composites avec du graphène, du nitrure de silicium ou du nitrure de silicium-zircone sont étudiés comme de nouveaux implants biomédicaux en orthopédie. Des quantités variables de graphène dans le composite céramique-graphène entraînent une porosité différente qui imite la morphologie naturelle de l'os naturel.

Les références:

Roller disco vs changement climatique : comment le graphène transforme l'industrie de la construction https://www.manchester.ac.uk/discover/news/roller-disco-vs-climate-change--how-graphene-is-transforming-the- industrie de construction/

Livre blanc Versarien "Le graphène pour le secteur de la construction" 2021 https://www.versarien.com/files/5716/3050/8952/White_Paper_-_Graphene_for_the_construction_sector_-_final_version.pdf

Détail des marches de l'île imprimées en 3D, construites avec le produit de marque Versarien, Cementene.

Maquette de sol multicouche Mobile World Congress d'Italcementi présentant son graphène électriquement conducteur.

Rédactrice scientifique et coordinatrice de l'initiative 'Diversity in Graphene'.

Détail des marches de l'île imprimées en 3D, construites avec le produit de marque Versarien, Cementene.

Maquette de sol multicouche Mobile World Congress d'Italcementi présentant son graphène électriquement conducteur.

Rédactrice scientifique et coordinatrice de l'initiative 'Diversity in Graphene'.