Fabrication Additive
Polymère d'argile et de chanvre imprimé en 3D à séchage rapide pour remplacer le béton
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Les limites environnementales du béton : utilisation du sable et émissions de CO₂
Le béton est devenu le matériau central de la construction au cours des dernières décennies, notamment en milieu urbain dense. Il a progressivement remplacé la brique, la pierre et le bois grâce à son faible coût, sa facilité d'utilisation et son adaptabilité à différentes échelles.
Mais cela n’est pas sans poser de problèmes.
Tout d'abord, il est loin d'être un produit durable en termes de consommation de ressources. Il utilise d'énormes quantités de sable, à tel point que certains rapports suggèrent Le monde est « à court de sable ».
Source: Visual Capitaliste
La production de ciment est également une activité très énergivore. Elle est presque exclusivement alimentée par des combustibles fossiles, ce qui entraîne la production de ciment étant responsable de 8 % des émissions mondiales de CO₂.
Cela est comparable aux émissions des voitures et des camionnettes. qui sont responsables de 10 % des émissions mondialesPar conséquent, rendre le béton plus durable aurait un impact aussi important que de faire passer toutes les voitures du monde aux véhicules électriques et de les alimenter uniquement avec de l'énergie verte.
Comment l'impression 3D d'argile et de chanvre crée une alternative au béton à faible empreinte carbone
Parallèlement à la recherche d'alternatives plus écologiques au béton traditionnel, L'idée d'utiliser les principes de l'impression 3D pour construire des maisons a émergé..
Au lieu de méthodes exigeantes en main-d'œuvre comme la maçonnerie, une machine d'impression 3D automatisée peut assembler des murs rapidement.
Cependant, l'impression des murs n'élimine pas le long temps de séchage nécessaire au béton ; il faut toujours attendre 28 jours avant que la structure n'atteigne sa pleine résistance.
Des chercheurs de l'Université d'État de l'Oregon ont mis au point un substitut au béton nettement moins émetteur de carbone, tout en restant compatible avec la technologie d'impression 3D.
Ils ont publié leurs résultats dans la revue Advanced Composites and Hybrid Materials.1 sous le titre "Impression 3D d'infrastructures durables à l'aide de béton d'argile à prise rapide avec des additifs biosourcés. »
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| Propriétés | Béton de ciment traditionnel | Béton polymère argile-chanvre (OSU) | Ciment électrolyseur à faible teneur en carbone (Sublime) |
|---|---|---|---|
| Liant | Ciment Portland, clinker cuit au four | Liant polymère à base d'acrylamide utilisant RICFP | Ciment électrolysé fabriqué à température ambiante |
| Contenu biosourcé / in situ | Faible ; principalement des granulats de carrière | Environ 75 % d'argile, de sable, de fibres de chanvre et de biochar en poids | Cela dépend des sources locales de calcium (sous-produits industriels, roches). |
| Force immédiatement après la mise en place | Résistance effective de 0 MPa ; nécessite un coffrage | ≈3 MPa juste après l'impression 3D | Profil de puissance initiale encore en cours d'évaluation et d'essais |
| Nombre de jours nécessaires pour atteindre une résistance structurelle de 17 à 24 MPa | Généralement jusqu'à 28 jours | Il faut environ 3 jours pour dépasser 17 MPa. | Cibler des résultats similaires ou supérieurs varie selon le mélange et la plante |
| Temps de durcissement complet | ≈28 jours | ≈8–14 jours (plus de 40 MPa) | Spécifique à l'usine ; conçu pour éviter le processus de four |
| Empreinte carbone par rapport au ciment Portland ordinaire | Élevées (émissions des fours et des procédés) | Plus bas, grâce à des granulats biosourcés et à l'absence de four à ciment | Conçu pour être nettement inférieur en évitant la calcination du calcaire |
| Capacité d'impression 3D | Nécessite des supports, un durcissement plus lent et des porte-à-faux limités. | Permet d'imprimer des surplombs et des espaces libres sans supports. | Phase préliminaire ; axée sur la production par lots de ciment à faible émission de carbone |
Au cœur du polymère argile-chanvre : RICFP et agrégats biosourcés
Le ciment est généralement composé de calcium, de silicium, d'aluminium et de fer, qui sont finalement chauffés dans un four et broyés en une fine poudre.
Au lieu de cela, les chercheurs ont développé un matériau de construction à base d'argile imprimable en 3D en utilisant une méthode connue sous le nom de polymérisation frontale cationique induite par radical (RICFP).
Elle repose sur trois composants chimiques clés :
- Un monomère qui polymérise en présence d'un radical libre.
- Un agent de réticulation qui relie les brins de polymères entre eux.
- Un initiateur qui, sous haute température, libère les radicaux libres nécessaires au démarrage de la polymérisation.
Les chercheurs ont obtenu ce résultat en combinant le liant RICFP avec des granulats d'argile, du sable, du biochar et des fibres de chanvre afin d'améliorer la résistance à la compression, l'isolation et la durabilité. À ce mélange, ils ont ajouté un liant composé de monomère d'acrylamide (ACR), d'agent de réticulation méthylènebisacrylamide (MBA) et de persulfate d'ammonium (APS).
Au total, ce procédé a permis d'utiliser 70 à 80 % de matériaux biosourcés en poids.
Résistance supérieure et durcissement plus rapide que le béton traditionnel
Le principal avantage de ce matériau par rapport au béton est sa résistance supérieure, notamment immédiatement après l'impression 3D.
Avec une résistance admissible de 3 mégapascals (MPa), il permet la construction de murs multicouches et de débords autoportants comme des toits.
Cette solidité augmente avec le temps, créant ainsi un bâtiment final très robuste.
« Il dépasse les 17 mégapascals, la résistance requise pour le béton structurel résidentiel, en seulement trois jours, contre jusqu'à 28 jours pour le béton traditionnel à base de ciment. »
Devin Roach – Professeur adjoint de génie mécanique, Faculté d'ingénierie de l'OSU
Un autre avantage réside dans le temps de prise : le matériau atteint la résistance de 17 MPa requise pour le béton structurel résidentiel en seulement trois jours. Son durcissement complet s’effectue en moins de deux semaines, contre environ 28 jours pour le béton traditionnel à base de ciment.
Les chercheurs ont également testé différentes méthodes de construction par impression 3D. Ils ont démontré qu'une résistance accrue et une polymérisation rapide permettent d'imprimer le nouveau mélange sans structure sous-jacente.
Cette nouvelle méthode pourrait également être utilisée pour imprimer des portes et des fenêtres de formes régulières, des éléments qui nécessitent habituellement des matériaux supplémentaires ou des méthodes spéciales avec l'impression 3D de béton.
« La capacité du matériau à imprimer des structures autoportantes sans l'utilisation de supports, y compris diverses et uniques possibilités d'impression avec du béton à polymérisation frontale. »
L'impression 3D à base d'argile et de chanvre : quelles perspectives pour la construction du futur ?
Alors que les maisons imprimées en 3D et les matériaux de construction utilisaient initialement du béton, il est probable que cette nouvelle méthode de construction bénéficiera de nouveaux matériaux.
Pour l'instant, étant donné qu'il est encore au stade expérimental, ce matériau à base d'argile, de chanvre et de biochar est plus cher que le béton.
Mais des améliorations supplémentaires et une réduction des coûts de construction, grâce aux gains d'efficacité de l'impression 3D, devraient à terme permettre de l'amener au même niveau que les matériaux traditionnels.
De plus, l'empreinte carbone plus faible pourrait être un facteur décisif si les taxes sur le carbone commencent à impacter fortement les coûts du ciment.
Investir dans la production de ciment
Points clés pour les investisseurs – Impression 3D Clay-Hemp et CRH
Le béton polymère à base d'argile et de chanvre est encore au stade de prototypes et de laboratoires, mais il bénéficie de trois forces majeures : la décarbonation de la construction, la fabrication de bâtiments par impression 3D automatisée et les matériaux à prise rapide qui raccourcissent les délais de réalisation. Le mélange développé par l'Université d'État de l'Oregon démontre comment les granulats biosourcés et la chimie des polymères peuvent offrir une résistance structurelle en quelques jours au lieu de plusieurs semaines, avec une empreinte carbone bien inférieure à celle du ciment traditionnel. Pour les investisseurs cotés en bourse, CRH représente l'un des moyens les plus sûrs de participer à cette transition. L'entreprise, premier recycleur d'Amérique du Nord, a déjà commencé à réduire les émissions de ciment grâce à des carburants alternatifs et investit dans des entreprises innovantes du secteur du ciment bas carbone, comme Sublime Systems, dans les technologies de captage du carbone et dans l'optimisation des mélanges par intelligence artificielle. Si le ciment à base d'électrolyseurs et les mélanges avancés imprimés en 3D se développent à l'échelle industrielle, les acteurs établis disposant d'un réseau de distribution mondial, de capitaux importants et de relations privilégiées avec les organismes de réglementation – comme CRH – seront les mieux placés pour maîtriser cette transition plutôt que d'en subir les conséquences.
CRH : Un leader du ciment durable et un acteur de la décarbonation
(CRH )
Figurant parmi les leaders mondiaux de la production de ciment, CRH jouera un rôle déterminant dans la transition vers une industrie de la construction en ciment plus durable. L'entreprise occupe la première place en termes de volume total de matériaux de construction fournis sur les marchés américain et européen.
L'entreprise est active dans 28 pays et 3,390 78,500 sites, employant 65 2023 personnes, CRH Americas réalisant XNUMX % de ses ventes mondiales en XNUMX.
CRH anticipe une forte croissance de son activité grâce aux investissements massifs des gouvernements occidentaux dans les infrastructures. La réindustrialisation et la relocalisation de la production de haute technologie devraient également y contribuer.
Source: CRH
CRH a réalisé de sérieux progrès en matière de durabilité grâce à une série d’initiatives :
- Il s'agit du plus grand recycleur d'Amérique du Nord, avec 43.9 millions de tonnes de déchets et de sous-produits d'autres industries recyclés en 2023.
- Elle a réduit ses émissions de CO₂ de 8 % en 2023, grâce à l'utilisation de 36 % de combustibles alternatifs dans ses cimenteries.
- Son objectif est une réduction des émissions de 30 % d’ici 2030 (par rapport aux émissions de 2021).
C’est louable en soi, mais cela peut être considéré comme insuffisant et trop tardif, compte tenu des émissions de carbone de l’industrie du béton.
Heureusement, CRH est également un moteur de changements plus fondamentaux pour le secteur. Notamment, elle a investi 75 millions de dollars dans la société de ciment à faible émission de carbone Sublime, en collaboration avec le géant européen du béton Holcim.
Systèmes sublimes Cette technologie, issue du MIT en 2020, utilise un électrolyseur pour produire du ciment à température ambiante, remplaçant ainsi les fours énergivores et consommateurs de combustibles fossiles. Elle permet également l'utilisation de sources de calcium comme matière première, évitant ainsi les émissions de CO₂ liées à l'apport de calcaire.
La première usine commerciale de Sublime à Holyoke devrait ouvrir ses portes dès 2026. Si elle s'avère concluante, elle pourrait véritablement révolutionner l'industrie du ciment et ouvrir la voie à une production à grande échelle de béton à faibles émissions.
CRH a également investi dans d’autres startups de décarbonation et de développement durable :
- 23.7 millions d'euros en Cool Planet Technologies, développant des solutions de capture du carbone pour les industries traditionnellement difficiles à décarboner.
- 34.7 M$ par CRH et d'autres investisseurs dans Technologies de valorisation du carbone, en utilisant une solution de minéralisation entièrement électrique pour stocker de façon permanente le CO₂ dans des sous-produits industriels et des minéraux, comme le ciment, les plastiques, les produits de consommation, les engrais et les produits pharmaceutiques.
- AICrete, une plateforme de « recette en tant que service » qui travaille avec des producteurs de béton locaux, optimisant les matériaux locaux et minimisant la quantité de ciment utilisée grâce à des analyses d'IA, réduisant ainsi l'empreinte CO₂ et le coût de production du béton.
- Le financement de série B de FIDO AI est une startup utilisant l'IA pour réduire la consommation d'eau et augmenter les économies d'eau.
Enfin, le CRH investit également dans Impression 3D du béton (3DCP) à travers sa filiale Amerimix.
Globalement, CRH est un leader rentable dans l'industrie du béton et de la construction et se prépare très activement à la décarbonation du secteur, à la fois directement dans ses installations existantes et en étant un fournisseur de capitaux de premier plan pour les jeunes entreprises innovantes qui créent la prochaine génération de technologies de production de ciment et de béton, y compris la décarbonation et l'impression 3D.
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Étude référencée
1. Nicolas A. Gonsalves et al., Impression 3D d'infrastructures durables à l'aide de béton d'argile à prise rapide avec des additifs biosourcés. Advanced Composites and Hybrid Materials. Volume 8. 01er octobre 2025. https://link.springer.com/article/10.1007/s42114-025-01456-1
