Béton métamatériau : réinventer le matériau de construction le plus utilisé

Par University of Pittsburgh6 mai 2023

Illustration conceptuelle représentant un nouveau béton métamatériel utilisé sur une autoroute. Crédit : Amir Alavi via Midjourney

Les ingénieurs de l'Université de Pittsburgh font entrer le béton dans le 21e siècle en réinventant sa conception. Le béton, dont les racines remontent à l'Empire romain, reste le matériau le plus largement utilisé dans l'industrie de la construction.

Une nouvelle étude présente un concept pour le développement de systèmes d'infrastructures civiles intelligents avec l'introduction de béton métamatériel. La recherche présente un concept de systèmes de béton légers et mécaniquement réglables avec des capacités intégrées de récupération d'énergie et de détection.

"La société moderne utilise le béton dans la construction depuis des centaines d'années, après sa création originale par les anciens Romains", a déclaré Amir Alavi, professeur adjoint de génie civil et environnemental à Pitt, qui est l'auteur correspondant de l'étude. "L'utilisation massive du béton dans nos projets d'infrastructure implique la nécessité de développer une nouvelle génération de matériaux en béton plus économiques et plus durables sur le plan environnemental, tout en offrant des fonctionnalités avancées. Nous pensons que nous pouvons atteindre tous ces objectifs en introduisant un paradigme de métamatériau dans le développement de matériaux de construction."

Alavi and his team have previously developed self-aware metamaterialsMetamaterials are engineered materials that have properties not usually found in nature." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> métamatériaux et exploré leur utilisation dans des applications telles que les implants intelligents. Cette étude introduit l'utilisation de métamatériaux dans la création de béton, permettant au matériau d'être spécifiquement conçu pour son usage. Des attributs tels que la fragilité, la flexibilité et la capacité de mise en forme peuvent être affinés lors de la création du matériau, permettant aux constructeurs d'utiliser moins de matériau sans sacrifier la résistance ou la longévité.

"Ce projet présente le premier béton métamatériau composite avec une super compressibilité et une capacité de récupération d'énergie", a déclaré Alavi. "De tels systèmes de béton légers et mécaniquement réglables peuvent ouvrir la porte à l'utilisation du béton dans diverses applications telles que les matériaux d'ingénierie absorbant les chocs dans les aéroports pour aider à ralentir les avions en fuite ou les systèmes d'isolation de base sismique."

Non seulement cela, mais le matériau est capable de générer de l'électricité. Bien qu'il ne puisse pas produire suffisamment d'électricité pour alimenter le réseau électrique, le signal généré sera plus que suffisant pour alimenter les capteurs en bordure de route. Les signaux électriques auto-générés par le béton métamatériau sous excitations mécaniques peuvent également être utilisés pour surveiller les dommages à l'intérieur de la structure en béton ou pour surveiller les tremblements de terre tout en réduisant leur impact sur les bâtiments.

Eventually, these smart structures may even power chips embedded inside roads to help self-driving cars navigate on highways when GPSGPS, or Global Positioning System, is a satellite-based navigation system that provides location and time information anywhere on or near the Earth's surface. It consists of a network of satellites, ground control stations, and GPS receivers, which are found in a variety of devices such as smartphones, cars, and aircraft. GPS is used for a wide range of applications including navigation, mapping, tracking, and timing, and has an accuracy of about 3 meters (10 feet) in most conditions." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Les signaux GPS sont trop faibles ou le LIDAR ne fonctionne pas.

Le matériau est composé de réseaux de polymères auxétiques renforcés intégrés dans une matrice de ciment conducteur. La structure composite induit une électrification de contact entre les couches lorsqu'elle est déclenchée mécaniquement. Le ciment conducteur, qui est renforcé avec de la poudre de graphite, sert d'électrode dans le système. Des études expérimentales montrent que le matériau peut se comprimer jusqu'à 15 % sous une charge cyclique et produire 330 μW de puissance.

Référence : "Systèmes de béton métamatériel intégrés à un nanogénérateur multifonctionnel pour une infrastructure civile intelligente" par Kaveh Barri, Qianyun Zhang, Jake Kline, Wenyun Lu, Jianzhe Luo, Zhe Sun, Brandon E. Taylor, Steven G. Sachs, Lev Khazanovich, Zhong Lin Wang et Amir H. Alavi, 4 février 2023, Advanced Materials.DOI : 10.1002/adma.202211027

L'équipe de recherche s'associe au ministère des Transports de Pennsylvanie (PennDOT) par l'intermédiaire du consortium IRISE à Pitt pour développer ce béton métamatériel à utiliser sur les routes de Pennsylvanie.

Le projet comprenait des chercheurs de l'Université Johns Hopkins, de l'Université d'État du Nouveau-Mexique, de l'Institut de technologie de Géorgie, de l'Institut de nanoénergie et de nanosystèmes de Pékin et de la Pitt's Swanson School of Engineering.