Using Cellulose Nanofibers as the Sole Binder for Cement-Free Construction Materials
Cette étude démontre la faisabilité de l'utilisation de nanofibres de cellulose comme liant unique pour des composites de sable sans ciment, qui présentent des résistances à la compression de niveau terre pisé entièrement réversibles lors des cycles d'humidification et de séchage, offrant ainsi une voie prometteuse pour des matériaux de construction non structurels légers, à faible empreinte carbone et recyclables.
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Le béton est le matériau de construction le plus largement utilisé sur Terre, formant le squelette de nos villes, de nos routes et de nos ponts. Pourtant, sa fabrication coûte cher à la planète. Le processus de création de la pâte collante qui maintient le béton ensemble, appelée ciment, libère des quantités massives de dioxyde de carbone. Cela se produit parce que les ingrédients bruts doivent être chauffés à des températures extrêmes, et que la réaction chimique elle-même libère du gaz. Alors que le monde construit davantage, la demande pour ce matériau est appelée à augmenter brusquement, creusant l'écart entre les besoins de la construction et l'objectif d'une atmosphère plus propre. Pendant des décennies, les scientifiques ont cherché des moyens de remplacer le ciment par quelque chose qui pousse de la terre plutôt que d'être extrait et brûlé, mais trouver un substitut assez solide pour maintenir un bâtiment ensemble est resté une quête insaisissable.
Dans une nouvelle étude, des chercheurs ont franchi une étape audacieuse vers la résolution de ce problème en prouvant que les fibres de bois peuvent remplacer entièrement le ciment dans un mélange avec du sable. Ils n'ont pas seulement ajouté un peu de bois au béton ; ils ont complètement supprimé le ciment et utilisé uniquement des nanofibres de cellulose pour lier le sable. Ces fibres sont de minuscules brins extraits du bois, si petits qu'ils sont invisibles à l'œil nu, mais ils possèdent une capacité naturelle à s'agglutiner étroitement. Les chercheurs ont mélangé ces fibres avec du sable dans diverses proportions, ont séché le mélange et ont testé la capacité des blocs résultants à supporter du poids. Leur travail démontre qu'il est possible de créer des matériaux solides sans aucun ciment, ouvrant la voie à des matériaux légers, à faible émission de carbone et potentiellement recyclables pour des usages non structurels.
L'équipe a commencé par préparer douze mélanges différents, changeant la quantité de fibre de bois et le type de sable pour voir quelle combinaison fonctionnerait le mieux. Ils ont constaté qu'une quantité minimale de fibre était nécessaire pour maintenir les grains de sable ensemble ; s'il y en avait trop peu, le mélange s'effritait lors du séchage. Une fois ce seuil franchi, les mélanges formaient des blocs solides qui pouvaient être manipulés et testés. Les blocs les plus solides, qui contenaient la plus grande quantité de fibres, pouvaient résister à une pression de près de 3,73 mégapascals. Bien que cela ne soit pas assez robuste pour supporter le poids énorme d'un gratte-ciel, c'est comparable à la terre damée ou à l'adobe, des matériaux utilisés depuis des millénaires pour construire des murs et des maisons. Cela suggère que le nouveau matériau est bien adapté aux applications non structurelles, telles que les bordures de jardin, les dalles de sentier ou les cloisons intérieures.
Une découverte clé de l'étude a été de comprendre comment ces blocs tiennent ensemble. Contrairement au ciment, qui durcit par une réaction chimique irréversible créant une structure permanente semblable à de la pierre, les fibres de bois se lient par des forces physiques appelées liaisons hydrogène. Ce sont des attractions faibles entre les parties de molécules de la fibre qui aiment l'eau. Parce que ces liaisons dépendent de la proximité des fibres et de leur état sec, les blocs perdent presque toute leur force lorsqu'ils sont mouillés. Lorsque les chercheurs ont trempé les blocs dans l'eau, ils sont devenus mous et faibles, perdant environ 95 % de leur capacité à supporter du poids. Cependant, le matériau a montré une remarquable capacité à s'auto-guérir. Lorsque les blocs mouillés ont été séchés à nouveau, ils ont non seulement retrouvé leur force d'origine, mais sont devenus légèrement plus forts qu'auparavant. Ce cycle de mouillage et de séchage permet aux fibres de se réorganiser en un réseau plus serré et plus efficace, prouvant que le processus de liaison est réversible et physique plutôt que chimique.
Les chercheurs ont également observé que la manière dont les blocs étaient fabriqués affectait leur résistance. Lorsque le mélange était pressé pour former un bloc, les minuscules fibres s'alignaient dans une direction spécifique, un peu comme une pile de crayons posés à plat sur une table. Cela créait un matériau plus résistant lorsqu'il était poussé dans une direction plutôt qu'une autre. De plus, ils ont découvert que la densité du bloc ne prédisait pas sa résistance de la même manière que pour le béton traditionnel. Dans ce nouveau matériau, avoir plus de fibres rendait le bloc plus léger mais aussi plus fort, car les fibres supplémentaires créaient plus de liaisons entre les grains de sable. L'étude a également montré que le traitement de la surface des blocs avec un revêtement hydrofuge pouvait réduire considérablement leur absorption d'eau, offrant une solution potentielle à leur faiblesse en conditions humides.
En observant la structure microscopique des blocs, les chercheurs ont vu que les fibres agissaient comme un filet. Dans les mélanges contenant moins de fibres, les brins créaient simplement des ponts entre les grains de sable individuels. Dans les mélages avec plus de fibres, les brins formaient un film continu et dense qui enveloppait complètement le sable, créant une matrice solide. Cette transition de quelques ponts de connexion à un revêtement complet expliquait pourquoi le matériau devenait beaucoup plus fort à mesure que la teneur en fibres augmentait. L'étude a conclu que, bien que ce matériau ne puisse pas encore remplacer le béton dans la construction de gratte-ciel, il offre une alternative viable et à faible émission de carbone pour de nombreux besoins de construction quotidiens. Il représente un changement de paradigme, montrant que l'avenir de la construction pourrait ne pas nécessiter la chimie lourde et riche en carbone du passé, mais pourrait plutôt compter sur le pouvoir simple et renouvelable des fibres de bois pour maintenir le monde ensemble.
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