Influence of Waste Glass Powder on Rheology, Printability and Mechanical Properties of Alkali-Activated Materials for 3D Concrete Printing
Cette étude démontre que l'incorporation de 30 % de poudre de verre de récupération dans les matériaux activés par voie alcaline optimise l'équilibre entre la imprimabilité et la performance mécanique pour l'impression de béton 3D, tout en réduisant le carbone incorporé d'environ 35 % par rapport au mortier de ciment conventionnel.
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L'industrie de la construction est un moteur massif de la vie moderne, mais elle s'accompagne d'un lourd prix environnemental. Une part importante des émissions mondiales de carbone provient de la fabrication du ciment, l'agent liant qui maintient le béton ensemble. Ce processus implique de chauffer le calcaire à des températures extrêmes, une étape qui libère de vastes quantités de dioxyde de carbone. Parallèlement, le monde génère d'énormes quantités de déchets de verre provenant de bouteilles et de fenêtres. Bien que le verre soit théoriquement recyclable, la réalité est complexe ; les différentes couleurs et types de verre sont souvent mélangés, ce qui rend le tri pour un recyclage traditionnel difficile et coûteux. Cela laisse des millions de tonnes de verre finir dans des décharges.
Ces dernières années, une technologie appelée impression de béton 3D est apparue comme un moyen de construire des structures couche par couche sans avoir besoin de moules en bois. Cette méthode promet de gagner du temps et de réduire les déchets, mais elle crée un nouveau problème : le mélange de béton utilisé pour l'impression doit être très spécifique. Il doit être assez fluide pour être pompé à travers une buse, tout en étant assez rigide pour conserver sa forme immédiatement après avoir été déposé. Pour y parvenir, les mélanges traditionnels reposent souvent sur de grandes quantités de ciment, ce qui compromet les avantages environnementaux du processus d'impression. Les chercheurs cherchent désormais des moyens de remplacer ce ciment par des sous-produits industriels et des matériaux de récupération, dans l'espoir de créer un matériau d'impression qui soit à la fois solide et durable.
Une équipe de chercheurs de l'Université Griffith en Australie s'est donné pour mission de résoudre ce casse-tête en testant un type de déchet spécifique : le verre broyé. Ils voulaient voir s'ils pouvaient transformer de la poudre de verre de récupération en un ingrédient clé pour des bâtiments imprimés en 3D. Leur objectif était de trouver la quantité exacte de verre à mélanger dans un système de ciment alternatif appelé matériau activé par voie alcaline. Contrairement au ciment ordinaire, ce système utilise une réaction chimique entre des sous-produits industriels, comme les cendres volantes, et un activateur liquide pour durcir, évitant ainsi le besoin de ciment traditionnel. Les chercheurs ont testé deux types différents de poudre de verre de récupération : l'une issue de bouteilles et de bocaux broyés, et l'autre issue de verre plat comme des fenêtres. Ils ont mélangé ces poudres dans leur recette à différents niveaux, remplaçant jusqu'à la moitié des cendres volantes dans le mélange.
L'équipe était confrontée à un équilibre délicat. Si le mélange était trop liquide, les couches imprimées s'affaisseraient et perdraient leur forme. S'il était trop rigide, il boucherait la buse d'impression ou se briserait lorsqu'il serait poussé à travers celle-ci. Ils ont découvert que l'ajout d'une quantité modérée de poudre de verre, spécifiquement autour de 30 % des ingrédients solides totaux, créait le compromis idéal. À ce niveau, la poudre de verre agissait comme de minuscules roulements à billes lisses, permettant au mélange frais de circuler plus facilement dans la pompe. Cependant, une fois le matériau déposé, il regagnait rapidement sa rigidité, permettant aux couches de s'empiler sans s'effondrer. Ce rétablissement rapide de la rigidité est crucial pour l'impression de structures hautes, car il garantit que chaque nouvelle couche peut supporter le poids de celle qui la surmonte.
Cependant, le type de verre importait tout autant que la quantité. La poudre issue du verre plat, qui se compose de particules plus fines et plus irrégulières, avait tendance à rendre le mélange plus rigide et plus fort que la poudre issue du verre de contenants. Bien que les mélanges de verre plat maintiennent bien leur forme, ils étaient parfois plus difficiles à pomper. Les mélanges de verre de contenants circulaient mieux mais étaient légèrement moins résistants. Les chercheurs ont découvert qu'augmenter le taux de verre trop haut, jusqu'à 50 %, entraînait la défaillance du matériau. Même si ces mélanges à haute teneur en verre maintenaient très bien leur forme, ils devenaient si résistants à l'écoulement qu'ils ne pouvaient pas être extrudés de manière fluide, entraînant des lignes brisées et des lacunes dans la structure imprimée. Cela a prouvé que rendre un mélange simplement plus rigide ne garantit pas une meilleure impression ; le matériau doit rester assez fluide pour circuler dans la machine.
Lorsque les chercheurs ont testé la résistance des blocs durcis, ils ont constaté que l'ajout de verre rendait généralement le matériau légèrement plus faible, ce qui est attendu lorsque l'on remplace des ingrédients réactifs par des éléments moins réactifs. Les mélanges avec de la poudre de verre plat conservaient plus de résistance que ceux avec du verre de contenants, probablement parce que les particules plus fines se compactaient plus étroitement. Malgré cette légère baisse de résistance, les mélanges de remplacement à 30 % restaient suffisamment robustes pour un usage de construction. Les examens microscopiques ont révélé que ces mélanges optimaux possédaient une structure interne dense et compacte avec très peu de fissures, tandis que les mélanges contenant trop de verre présentaient plus de défauts visibles.
Au-delà des propriétés physiques, l'étude a mis en évidence une victoire environnementale significative. En remplaçant le ciment traditionnel et en utilisant du verre de récupération, les chercheurs ont calculé que leur nouveau matériau imprimable réduisait l'empreinte carbone d'environ 35 % par rapport à un mortier de ciment standard. Cette réduction est substantielle, surtout si l'on considère que le matériau élimine complètement l'usage du ciment ordinaire. L'étude suggère qu'à mesure que l'approvisionnement en sous-produits industriels traditionnels comme les cendres volantes devient incertain en raison de l'abandon de l'énergie charbonnière, le verre de récupération offre une alternative fiable et abondante. La recherche démontre qu'il est possible de transformer un problème de déchets courant en un matériau de construction de haute performance, à condition que la recette soit ajustée avec précision. La conclusion clé est qu'un remplacement de 30 % par de la poudre de verre de récupération offre le meilleur compromis, offrant un matériau qui s'imprime de manière fluide, maintient sa forme et reste solide, tout en réduisant considérablement le coût environnemental de la construction.
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