Béton sur mesure issu d'une imprimante 3D

Avec un minimum de masse, sans armature en acier coûteuse et sans ciment, les chercheurs de l'Empa, de l’EPFZ et d'autres partenaires européens veulent révolutionner la construction en béton. Dans le cadre du projet européen « Carbcomn », les éléments en béton sont également conçus de manière à pouvoir être facilement démontés après utilisation et réutilisés ailleurs. « D'une part, nous utilisons des méthodes de fabrication numériques pour construire de manière à préserver les ressources. D'autre part, nous remplaçons le ciment traditionnel par des liants à faible empreinte carbone », explique Moslem Shahverdi, chercheur à l'Empa. Au lieu du ciment, on utilise par exemple des scories d'acier, un sous-produit de l'industrie sidérurgique.

Le béton utilisé dans le projet « Carbcomn », qui présente une empreinte carbone réduite, est composé exclusivement de déchets industriels. Il est moulé par impression 3D en éléments individuels, qui sont ensuite assemblés pour former des structures porteuses. Au lieu d'utiliser des armatures en acier conventionnelles, le consortium mise sur des structures dites « à compression dominante ». « Le béton résiste très bien à la pression, mais peu à la traction », relève Moslem Shahverdi. C'est pourquoi les chercheurs développent des structures qui sont principalement soumises à la pression, à l'instar des ponts historiques en pierre avec leurs arches.

La fabrication numérique leur permet de planifier avec précision ces formes géométriquement optimisées et de réduire considérablement l'utilisation de matériaux. Le béton étant imprimé couche par couche, il est possible d'économiser des matériaux de coffrage coûteux. Des cavités sont laissées à des endroits précis où aucun renfort n'est nécessaire. « Nous planifions ces ouvertures directement dans le modèle numérique, de sorte que le robot les laisse automatiquement lors de l'impression », développe Moslem Shahverdi.

Des éléments plus légers réduisent non seulement la consommation de matériaux, mais aussi la charge sismique proportionnellement à la perte de poids, ce qui constitue un avantage décisif dans les régions sujettes aux tremblements de terre. « Même une réduction de poids de 10% est significative », considère-t-il.

Le concept ne peut toutefois pas se passer complètement d’armatures en acier. Celles-ci ne sont toutefois utilisées que là où elles sont vraiment nécessaires. C’est là que l’Empa apporte au projet l’une de ses spécialités : les alliages à mémoire de forme à base de fer (Fe-SMA). Ces métaux pré-étirés se contractent lorsqu’ils sont chauffés – au lieu de se dilater – et soumettent ainsi les composants à une contrainte a posteriori. « Nous travaillons avec ces alliages spéciaux depuis environ 20 ans », souligne le chercheur. La spin-off de l’Empa, re-fer, apporte donc également son expertise dans le domaine des alliages à mémoire de forme au consortium « Carbcomn ».

Les armatures classiques en acier de précontrainte doivent être mises en tension de manière complexe ; les alliages à mémoire de forme, en revanche, sont simplement insérés dans le béton après le coulage. Cela présente plusieurs avantages : le processus de coulage reste ainsi automatisé et ininterrompu, et les barres d’armature en Fe-SMA peuvent être placées de manière ciblée là où elles sont réellement nécessaires. De plus, elles peuvent être retirées du béton ultérieurement – ce qui est essentiel pour pouvoir démonter les éléments de construction par la suite. À long terme, selon le chercheur de l’Empa, ces étapes de travail devraient également être automatisées. « À l’avenir, un deuxième robot pourrait insérer les barres d’armature en Fe-SMA directement après l’impression », envisage Moslem Shahverdi

Une fois l'impression 3D terminée, les éléments en béton sont placés dans une chambre où du CO₂ est injecté. Celui-ci réagit chimiquement avec le mélange de béton à base de laitier d'acier. « Ce procédé durcit le béton tout en fixant le CO₂ », explique Moslem Shahverdi. L'objectif est d'augmenter encore la résistance grâce à un mélange de béton optimisé. Si cela ne suffit pas, une petite quantité de ciment pourrait être ajoutée. « Pour les applications normales dans le génie civil, ce serait déjà un bon point de départ », estime Moslem Shahverdi.

Parallèlement au matériau, les équipes développent de nouveaux outils numériques : une plateforme commune doit couvrir l'ensemble du processus, de la conception à la fabrication, y compris les analyses de durabilité et du cycle de vie. Des cabinets d'architectes tels que « Zaha Hadid Architects » travaillent en étroite collaboration avec les ingénieurs et les scientifiques spécialisés dans les matériaux qui participent au projet. Tandis que les architectes conçoivent des structures de forme libre, l'équipe de l'Empa étudie la faisabilité technique, teste les matériaux et développe des technologies d'assemblage qui permettent un démontage ultérieur.

« Nous combinons ici des compétences uniques : l'impression 3D, la performance structurelle et notre spécialité, les alliages à mémoire de forme à base de fer », résume Moslem Shahverdi. Un prototype devrait voir le jour d'ici 2028 : un module de bâtiment imprimé en 3D qui démontrera la faisabilité de cette nouvelle approche.

Le projet « Carbcomn »
Dans le cadre du projet européen « Carbcomn » (« Carbon-negative compression dominant structures for decarbonized and de-constructable concrete buildings »), les chercheurs de l'Empa souhaitent développer, en collaboration avec des partenaires européens, un mode de construction en béton respectueux du climat et recyclable. Ce nouveau matériau de construction fixe le CO₂, est composé exclusivement de matériaux recyclés et minimise le besoin d'armatures en acier conventionnelles. La fabrication numérique et l'impression 3D permettent de créer des structures filigranes, mais néanmoins stables. Il s'agit moins de formes spectaculaires que de composants robustes pour la construction de logements, qui peuvent être assemblés de manière antisismique et réutilisés ultérieurement. Lancé en 2024, ce projet de quatre ans est financé dans le cadre d'« Horizon Europe » et réunit onze instituts de recherche et cabinets d'architecture de premier plan de toute l'Europe, dont l'université de Gand, l'université technique de Darmstadt, l'université de Patras, l’EPFZ et l'Empa, ainsi que « Zaha Hadid Architects », « Mario Cucinella Architects » et les entreprises Tesis, orbix, incremental 3D et re-fer. Le budget total s'élève à environ six millions d'euros, dont plus d'un million est alloué à l'Empa et à sa spin-off.