Robotic additive repair of damaged rammed-earth walls using printable earthen materials: a proof-of-concept experimental study

Depuis des siècles, les murs des maisons, des granges et des forteresses dans de nombreuses parties du monde sont construits en partant du sol, littéralement. Les bâtisseurs prennent la terre locale, la mélangent avec de l'eau et la compactent fermement dans des moules en bois, couche par couche, jusqu'à ce qu'elle durcisse en une structure solide et durable connue sous le nom de terre pilonnée. Cette technique ancienne crée des bâtiments qui respirent avec le climat, stockent la chaleur et laissent une empreinte infime sur la planète. Pourtant, comme tout ce qui est fait de terre, ces murs sont vulnérables. Avec le temps, la pluie, le vent et le simple passage des années peuvent éroder leurs surfaces, en arracher les coins ou les laisser avec des fissures profondes et des creux. Réparer ces murs est une tâche délicate ; si vous les colmatez avec un type de ciment ou de béton moderne inapproprié, vous risquez de piéger l'humidité à l'intérieur ou de créer une coque dure qui fissure la terre meuble située en dessous. L'objectif d'une bonne réparation est de combler les dommages sans perturber le reste du mur, en utilisant des matériaux qui ressemblent et se comportent comme la terre d'origine.

Maintenant, imaginez essayer de remplir un trou irrégulier dans un mur avec une précision parfaite, en utilisant une machine capable de se déplacer avec la dextérité d'une main humaine mais qui ne se fatigue jamais. C'est le défi que des chercheurs se sont donné. Ils voulaient savoir si un robot pouvait être entraîné pour réparer ces murs historiques à base de terre, non pas simplement en collant une pièce par-dessus, mais en reconstruisant les sections manquantes couche par couche, en utilisant un mélange spécial qui imite le sol d'origine. La question n'était pas seulement de savoir si le robot pouvait bouger, mais si le nouveau matériau adhérerait, tiendrait sa forme et aiderait réellement le mur à rester solide, ou s'il ne ferait que reposer là comme une coque fragile.

Une équipe de chercheurs issus d'universités et de divisions d'ingénierie en Espagne, en Chine et en Australie a décidé de tester cette idée dans un cadre de laboratoire contrôlé. Ils ont construit un grand mur en utilisant les méthodes traditionnelles de la terre pilonnée, puis ont délibérément endommagé la section supérieure pour simuler des années d'érosion. Leur objectif était de voir si un robot mobile, équipé d'un bras mécanique à six axes et d'une buse, pouvait naviguer dans l'espace devant le mur et déposer un nouveau matériau de terre imprimable pour combler l'écart. Ce matériau, qu'ils appellent un mélange de réparation de terre imprimable, a été conçu sans ciment. Au lieu de cela, il utilise un mélange de terre locale, de sable et de liants naturels comme des fibres végétales et des amidons pour garantir qu'il se comportera de manière similaire au vieux mur qu'il est censé réparer.

Le robot a été programmé pour suivre un chemin spécifique, se déplaçant d'avant en arrière pour déposer le nouveau matériau en fines couches horizontales. Le processus a fonctionné. La machine a réussi à déposer environ 200 kilogrammes du mélange, reconstruisant la section endommagée jusqu'à ce qu'elle corresponde à la forme du mur d'origine. Le matériau s'écoulait de manière fluide de la buse, maintenait sa forme lorsqu'il était déposé et adhérait à la terre ancienne en dessous. Il n'y a eu aucun effondrement, et la nouvelle section est restée ferme. Cette partie de l'expérience a prouvé qu'un robot pouvait physiquement effectuer la tâche de réparation d'un mur de cette taille, créant une zone de réparation continue et stable qu'un travailleur humain ne pourrait pas facilement reproduire avec une telle constance.

Mais construire le mur n'était que la première étape. Les chercheurs avaient besoin de savoir si ce mur réparé par robot pouvait réellement supporter du poids. Ils ont pris des versions plus petites des murs réparés et les ont compressées dans une machine d'essai jusqu'à leur rupture, en les comparant à un mur neuf et intact fait de la même terre. Le mur réparé ne supportait pas autant de poids que le nouveau, atteignant une charge de pointe de 22,74 kilonewtons, soit environ 56 % de la résistance du mur frais. Ce résultat était attendu, car le mur réparé contenait un mélange de terre ancienne compactée et de nouveau matériau stratifié, et les chercheurs ne s'attendaient pas à ce qu'il soit aussi solide qu'un bloc massif et nouvellement construit. Cependant, le mur ne s'est pas simplement effondré ; il a tenu bon et a supporté une charge significative, prouvant que la réparation n'était pas seulement cosmétique mais structurelle.

Ce qui s'est passé à l'intérieur du mur pendant qu'il était compressé a offert un aperçu surprenant. Les chercheurs ont placé de minuscules capteurs sur l'ancienne partie inférieure du mur et sur la nouvelle partie supérieure construite par le robot. À mesure que le poids augmentait, les capteurs montraient que la nouvelle couche imprimée s'étirait et se déformait beaucoup plus que l'ancienne couche située en dessous. Près du point de pression maximale, le nouveau matériau absorbait presque cinq fois plus de déformation que la terre originale. Cela suggère que la couche imprimée par le robot a agi comme un coussin protecteur. Au lieu que le stress ne fissure le mur historique original, le nouveau matériau a encaissé le choc, s'étirant et se pliant pour absorber l'énergie. Lorsque le mur a finalement montré des signes de dommages, les fissures sont apparues principalement dans la section supérieure, remplaçable, tandis que la terre originale en dessous est restée largement intacte.

L'interface entre les anciens et les nouveaux matériaux a également bien résisté. Les chercheurs avaient placé un maillage de renforcement dans la zone de transition pour aider les deux parties à adhérer ensemble. Après le test, ils ont inspecté la connexion et ont constaté que les deux matériaux étaient restés liés, sans séparation à grande échelle. Les dommages étaient concentrés dans la région supérieure imprimée, qui pourrait théoriquement être réparée à nouveau à l'avenir sans toucher au précieux mur d'origine en dessous. Ce comportement suggère que la méthode de réparation fait plus que simplement combler un trou ; elle crée une zone qui peut se sacrifier pour protéger le reste de la structure.

L'étude a également examiné l'aspect pratique du travail, enregistrant exactement la quantité de matériau utilisée et son coût. L'équipe a utilisé 200 kilogrammes du mélange pour remplir un espace d'environ la taille d'une section de mur d'une petite pièce. Les matières premières pour cette quantité coûtaient environ 180 yuans chinois, soit environ 360 yuans par mètre carré de la surface réparée. Bien que cela n'inclue pas le coût du robot ou de la main-d'œuvre pour le faire fonctionner, cela fournit une base pour comprendre l'efficacité matérielle du processus. Le robot a déposé le matériau exactement là où il était nécessaire, avec très peu de gaspillage, créant un enregistrement précis de la quantité utilisée et de son emplacement.

Ce travail ne prétend pas avoir résolu tous les problèmes de la réparation des bâtiments anciens. Les tests ont été effectués en laboratoire sur des murs construits spécifiquement pour l'expérience, et non sur des structures séculaires confrontées aux intempéries réelles et à des dommages complexes. Le robot a suivi un chemin pré-planifié plutôt que de scanner le mur en temps réel pour trouver chaque fissure, et la durabilité à long terme du nouveau matériau face à la pluie et au gel n'a pas encore été pleinement testée. Cependant, l'étude a démontré avec succès qu'un système robotique peut être utilisé pour réparer des murs en terre pilonnée de manière contrôlée, mesurable et structurellement saine. Elle a montré que le nouveau matériau peut adhérer à l'ancien, que la réparation peut supporter du poids, et que la couche imprimée peut agir comme un bouclier sacrificiel pour protéger le mur original.

Le travail suggère un avenir où l'entretien des bâtiments historiques en terre pourrait être plus précis et moins invasif. Au lieu de compter uniquement sur la compétence d'un seul artisan pour juger de la quantité à combler ou de la force de compactage, un robot pourrait suivre un plan numérique pour reconstruire les sections endommagées avec une constance exacte. Cela offre un moyen de préserver ces structures à faible empreinte carbone et anciennes en réparant uniquement ce qui est brisé, en utilisant des matériaux qui appartiennent à la terre, et en laissant un enregistrement clair du travail effectué. Le robot n'a pas remplacé le besoin de jugement humain en matière de conservation, mais il a fourni un nouvel outil qui pourrait rendre la tâche délicate de la réparation du passé un peu plus fiable et un peu moins risquée.