Les lasers ouvrent la voie à une meilleure utilisation du ciment

Sep 02, 2023

Par Adam Hadhazy

5 juin 2023

Des ingénieurs de l'Université de Princeton déploient des lasers pour évaluer avec précision un inconvénient majeur du ciment imprimé en 3D : la résistance du matériau à la fracture. Les chercheurs espèrent que les progrès dans ce domaine pourraient conduire à une utilisation plus large de la fabrication additive dans les structures à base de ciment. L'objectif à long terme est de développer de meilleurs matériaux en utilisant des techniques additives qui conduisent à des conceptions et des fonctions innovantes.

Le ciment est l'ingrédient principal du béton qui compose une grande partie de la construction moderne - y compris les bâtiments, les routes, les pistes, les ponts et les barrages. Ces dernières années, alors que l'impression 3D a démontré des avantages en termes d'efficacité et de polyvalence, il y a eu un intérêt croissant pour l'application de la technologie à la construction.

Mais par rapport au béton coulé de manière conventionnelle, les alternatives imprimées en 3D peuvent être sujettes à la fissuration, en particulier dans les zones situées entre différentes couches de béton. Les chercheurs attribuent cela aux microstructures non uniformes introduites par le processus de stratification utilisé dans l'impression 3D. Les chercheurs de Princeton ont utilisé un nouveau test pour mieux comprendre cette fissuration au niveau microscopique. Leurs résultats suggèrent qu'en caractérisant correctement les propriétés de fracturation, le béton imprimé en 3D pourrait être tout aussi résistant, voire plus résistant, que le béton coulé.

Dans une étude publiée dans la revue Cement and Concrete Composites, des chercheurs de Princeton démontrent une nouvelle méthode de test qui utilise des lasers pour découper des rainures localisées avec précision dans des ciments imprimés en 3D. En contrôlant la puissance et la vitesse du laser, les chercheurs peuvent contrôler des caractéristiques critiques telles que la profondeur et la forme des rainures. Ce contrôle permet des tests beaucoup plus précis que les méthodes conventionnelles.

"Nous pouvons maintenant acquérir une compréhension plus approfondie des propriétés de rupture des matériaux à base de ciment imprimés en 3D sous divers modes de défaillance, ce qui est important pour éventuellement développer cette technologie", a déclaré Reza Moini, professeur adjoint au Département de génie civil. et génie de l'environnement à Princeton et auteur principal de l'étude. "Il existe de nouvelles opportunités pour fabriquer des matériaux plus solides et plus résistants en tirant parti de la conception de l'architecture des matériaux et de la liberté de fabrication qui accompagnent les technologies additives."

Les autres auteurs de l'étude de Princeton, tous membres du laboratoire de Moini, sont Shashank Gupta et Arjun Prihar, tous deux titulaires d'un doctorat. étudiants et Hadi Esmaeeli, un ancien chercheur associé.

Contrairement au béton coulé, qui est coulé dans un coffrage et durci, le béton imprimé en 3D implique une buse qui extrude une pâte de ciment un brin à la fois. La buse se déplace d'avant en arrière, construisant le béton brin par brin et éventuellement couche par couche.

Un défi est que pendant l'extrusion, un film mince et riche en eau a tendance à se former autour de chaque brin imprimé pour faciliter l'écoulement. Ces films riches en eau peuvent entraîner des défauts internes importants et des hétérogénéités entre les brins du matériau imprimé en 3D, contribuant à la faiblesse structurelle.

Les chercheurs de Princeton ont examiné ces interfaces plus en détail pour comprendre leur relation avec les propriétés de fracture. L'équipe de recherche a d'abord fabriqué et durci des échantillons pour les tester à l'aide d'une imprimante 3D personnalisée qui extrudait de la pâte de ciment. Les tests traditionnels impliquent généralement de couper des encoches dans le matériau, souvent avec des scies circulaires. Pour étudier les microstructures, cependant, ces scies peuvent agir comme des instruments émoussés conduisant souvent à des encoches non tranchantes. Cela peut rendre les tests difficiles et imprécis.

Au lieu d'utiliser un outil physique tel qu'une scie pour couper des encoches, Moini et ses collègues ont opté pour un laser de laboratoire. Leur approche coupe les entailles de test là où c'est nécessaire, par exemple à l'interface entre les couches imprimées.

"L'avantage de ce test pour les matériaux fragiles imprimés en 3D est qu'en utilisant la même géométrie d'échantillon, on peut capturer la résistance à la fissuration sous tension, cisaillement ou toute combinaison des deux", a déclaré Moini.

Shashank Gupta, le premier auteur de l'article, a souligné que "cette approche peut aider à informer les propriétés des matériaux alors que les chercheurs travaillent avec l'industrie pour intensifier les processus de fabrication additive du béton pour des applications structurelles et non structurelles".

Les étudiants diplômés du laboratoire de Moini poursuivent ces objectifs en étudiant les matériaux architecturés et les caractéristiques de fracture. Récemment, lors de la convention de printemps de l'American Concrete Institute à San Francisco en avril, le coauteur de l'article, Arjun Prihar, a remporté un troisième prix d'affiche et l'étudiante diplômée Krystal Delnoce a remporté la première place. Les recherches de Prihar se sont concentrées sur la compréhension de la mécanique de rupture des conceptions architecturales sinusoïdales de matériaux en béton à l'aide d'expériences et de simulations. La recherche de Delnoce s'est concentrée sur l'adaptation d'une nouvelle méthode de test de rupture pour les matériaux imprimés en 3D en développant une encoche dans le parcours d'outil.

"Notre travail aide à résoudre des questions fondamentales sur le comportement à la rupture du béton imprimé en 3D", a déclaré Moini.

L'article "Fracture and transport analysis of heterogeneous 3D-printed lamellar cementitious materials" a été publié dans la revue Cement and Concrete Composites. En plus des auteurs affiliés à Princeton, Rita Ghantous et Jason Weiss, tous deux de l'Oregon State University, ont contribué à l'étude. Les travaux ont été financés en partie par le programme d'infrastructure civile d'ingénierie de la National Science Foundation.