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Des matériaux à tout faire

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Enquête Les matériaux de construction innovent en intégrant plusieurs fonctions. Les nanotechnologies ont relancé la recherche et renouvellent les composants.

Des matériaux à tout faire

Les entreprises citées

Du béton isolant ou dépolluant, des vitrages qui contrôlent les flux de chaleur ou se nettoient tout seuls, des toitures ou des façades

L’aérogel double le pouvoir isolant du crépi

Il s’applique comme un crépi, mais est isolant comme des plaques de polystyrène expansé. Le crépi lancé cette année par le suisse Fixit, mis au point avec le centre de recherche Empa, contient un aérogel. Un matériau qui a une très faible densité (5% de silicate, le reste étant de l’air emprisonné dans des pores minuscules) et donc des qualités exceptionnelles d’isolation thermique. La composition du crépi, pompé à une pression de 7 à 8 bars, a été revue pour que l’aérogel garde ses propriétés. Il est destiné aux façades anciennes et aux architectures intérieures compliquées. 

productrices d’électricité photovoltaïque… Fini le temps où, dans un bâtiment, chaque matériau jouait son rôle, unique et inchangé depuis des siècles. Efficacité énergétique oblige, on n’exige plus seulement du béton qu’il assure la structure du bâtiment, et des vitrages qu’ils laissent passer la lumière du jour. Grâce notamment aux nanotechnologies, les matériaux du BTP évoluent à grande vitesse. Ainsi, c’est la compréhension du comportement du matériau à toutes les échelles, du nanomètre au décamètre, qui permet aux cimentiers de sortir régulièrement de nouveaux bétons à valeur ajoutée. Une valeur ajoutée pour le chantier (avec l’exemple du béton autoplaçant, à durcissement rapide, pour créer des grandes dalles sans joints), mais aussi pour l’habitant.

Thermedia, un béton isolant conçu par Lafarge, qui est déjà trois fois moins conducteur thermique qu’un béton traditionnel, va encore progresser. "On joue sur la nature des granulats (ponce, argile expansée…) et sur les propriétés du liant à l’échelle micrométrique", explique Christophe Lévy, le directeur R & D solutions constructives de Lafarge. Le cimentier français prépare également la sortie d’un béton dépolluant qui, à la différence de celui proposé depuis des années par son concurrent Italcementi, n’a pas besoin de la lumière du jour pour fonctionner. Il est destiné, entre autres, aux tunnels et aux parkings souterrains. "Après la validation en laboratoire, une première expérimentation est prévue en avril 2014 sur une cheminée d’extraction du tunnel de la Croix-Rousse à Lyon", indique Christophe Lévy.

Des bétons auto-cicatrisants

Les fissures sont un point faible du béton. C’est par elles que l’humidité pénètre dans le matériau, entraînant des risques de corrosion des armatures métalliques. C’est pourquoi de nombreux laboratoires cherchent le moyen de rendre le béton auto-cicatrisant, afin qu’il répare lui-même les fissures qui se forment au fil du temps. En Europe, l’université technologique de Delft (Pays-Bas), l’université de Gand (Belgique), plusieurs équipes britanniques (Bath, Cambridge, Cardiff), entre autres, introduisent dans le matériau des capsules chargées de produits cicatrisants et même des bactéries qui synthétisent de la calcite pour boucher les fissures en cas de besoin. 

Les fabricants de vitrages continuent d’innover en associant les cinq grandes fonctions qu’ils savent réaliser : l’isolation thermique, le

Des nanocapteurs pour surveiller les matériaux

La structure et la composition des matériaux évoluent avec le temps. D’où l’idée de placer directement des capteurs dans le matériau afin de les surveiller en permanence. À l’Ifsttar, l’équipe de Bérengère Lebental développe des micro et nano-capteurs pour mesurer la porosité, l’humidité, le pH… Des micro-capteurs à ultrasons pourraient mesurer la porosité dans un matériau cimentaire. Le laboratoire travaille aussi sur des capteurs à bas coût constitués de nanomatériaux (graphène, nanotubes de carbone…) déposés sur un substrat en plastique. Les difficultés à résoudre concernent notamment l’alimentation électrique du système et la transmission de données. 

contrôle du rayonnement solaire, l’isolation acoustique, la sécurité (bris, effraction) et la transparence. "Un vitrage multifonctions peut comporter jusqu’à 30 couches. Pour chaque nouvelle couche développée en R & D, nous veillons à ce qu’il soit possible de la combiner avec toutes les autres fonctions des vitrages : acoustique, sécurité, autonettoyage…", explique Sébastien Raynal, le directeur du marketing et du développement de Saint-Gobain Glass Solutions. Chez AGC Glass, la combinaison de deux couches, l’une par pulvérisation cathodique, l’autre par pyrolyse, permet de créer un double vitrage isolant avec un coefficient de transfert thermique minimal (U = 0,9 W/m2.K). La fonction décorative des matériaux n’est pas oubliée, comme le montrent, par exemple, le Tex Glass de Saint-Gobain – des verres feuilletés qui intègrent des tissus –, ou encore les menuiseries laquées à la peinture thermochromique de Technal, qui changent de couleur selon la température…

Des étiquettes RFID pour tracer le béton

Les puces sont coulées avec le béton et renferment des informations sur la centrale d’origine, le nom du béton, la date et l’heure de sa fabrication. Vinci utilise cette innovation de Lafarge sur le chantier de la Tour D2, à la Défense (Paris). Les étiquettes sont encapsulées pour résister au milieu basique, à une température de 170°C et au malaxage.

La lecture des données peut se faire à la réception sur le béton frais (pour éviter les erreurs), après durcissement, six mois plus tard ou dans vingt ans. "Cette première en France ouvre la voie à des applications de surveillance du béton, dès sa coulée et pendant toute sa durée de vie", affirme Christophe Lévy, le directeur R & D solutions constructives chez Lafarge. 

Les matériaux électrochromes rendent le vitrage actif

En 2014, Saint-Gobain introduira en Europe ses vitrages SageGlass, qui se teintent en quelques minutes sous l’action d’une tension électrique, afin de moduler à volonté l’apport de la lumière solaire. Ces vitrages électrochromes seront produits aux États-Unis, dans la nouvelle usine établie avec Sage, l’entreprise américaine dont il a racheté 100% du capital en 2012. La technologie, qui vise maintenant des marchés de grands volumes (dans le tertiaire d’abord), est le résultat de vingt-cinq ans de R & D. Elle repose sur la migration d’ions au sein de couches insérées dans le verre.

Avec les nanocouches, les vitrages contrôlent la chaleur

Les verriers empilent un nombre croissant de couches ultra-minces sur leurs vitrages pour garder la chaleur intérieure (l’hiver) et filtrer la chaleur solaire (l’été). "Nous développons des produits qui sont adaptés à l’orientation des façades et à la localisation du bâtiment", précise Sébastien Raynal, le directeur du marketing et du développement de Saint-Gobain Glass Solutions.

Le double vitrage ClimaPlus dual du verrier français minimise le transfert thermique en utilisant pour la première fois deux couches isolantes (à basse émissivité) au lieu d’une, en préservant la transmission lumineuse et les apports de chaleur solaire.
"Cela permet d’améliorer la performance sans passer en triple vitrage, qui demande souvent une adaptation des fenêtres du bâtiment ou rend la pose plus délicate", souligne Sébastien Raynal.

"Les nanotechnologies ont relancé la recherche"

Henri Van Damme, directeur scientifique de l’Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux (Ifsttar)

Quel est l’impact des nanotechnologies sur le BTP ?

La démarche qui consiste à vouloir maîtriser la structure d’un béton ou d’un autre matériau à l’échelle micro, voire nanométrique, a vraiment changé la manière de faire de la recherche. Les exigences croissantes en termes d’efficacité énergétique, de durabilité, de réduction des émissions de gaz à effet de serre ont stimulé l’innovation dans le secteur de la construction.

Quels produits sont nés de cette approche ?

Un additif de BASF pour le ciment est strictement issu de cette démarche : il s’agit d’une suspension de nanoparticules qui accélère le durcissement du béton et donne un matériau dont la porosité est plus fine et plus homogène, ce qui améliore sa performance mécanique et sa durabilité. On peut aussi citer les superplastifiants, des molécules qui créent des forces répulsives entre grains de ciment, et donc qui empêchent la formation de grumeaux. Par ailleurs, des matériaux comme les aérogels super-isolants ou les bétons fibrés, s’ils n’ont pas été conçus avec une approche nano, ont des propriétés qui s’expliquent par les nanotechnologies.

Qu’entend-on par "matériau intelligent" ?

Une grande voie de la recherche est de créer des ouvrages et bâtiments qui s’autodiagnostiquent. Cela suppose que des capteurs mesureront en continu des paramètres tels que les contraintes ou le pH. On peut rendre un béton "sensible" en y ajoutant des nanofibres de carbone. D’autres pistes consistent à noyer des microcapteurs dans le matériau. Mais il faut leur assurer une durée de vie d’au moins 50 ans. 

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