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Le béton : plus que jamais un matériau d’avenir !

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Edito : Le béton : plus que jamais un matériau d’avenir !

Jeudi, 13/10/2016 - 23:00 0 commentaire
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Le principe du mortier et du ciment est connu depuis la plus haute l'Antiquité et les Égyptiens utilisaient déjà, il y a plus de 4 500 ans, un mélange de chaux, d’argile, de sable et d’eau pour sceller les pierres. Dès le début de notre ère, les Romains ont mis au point un ciment particulièrement performant en chauffant du calcaire et en le transformant en chaux vive.

Si ce ciment romain possède une telle résistance et une telle longévité, bien supérieures à celles du ciment Parker, inventeur du ciment à prise rapide vingt siècles plus tard, en 1796, c’est parce qu’il contient de la chaux et du sable fin constitué de "pouzzolanes", un granulat de scories volcaniques basaltiques, abondantes autour du Vésuve. Ce mélange permet d’obtenir un ciment d'une solidité à toute épreuve, grâce à la teneur élevée en aluminium des roches volcaniques employées, ainsi que l'a montré une étude réalisée en 2013 par des chercheurs de l’Université américaine de Berkeley. C'est en utilisant de manière particulièrement ingénieuse ce béton exceptionnel que les Romains ont pu réaliser des ouvrages qui nous étonnent encore aujourd'hui et dont certains ont traversé les siècles presque sans dommages !

Quelques années après l’invention du ciment à prise rapide par l’anglais James Parker, un jeune ingénieur polytechnicien français, Louis Vicat est chargé, en 1812, de réaliser un pont résistant aux crues dévastatrices de la Dordogne, à Souillac. S’investissant corps et âme dans cette entreprise et soucieux de construire un ouvrage novateur, à la fois particulièrement robuste et bon marché, Louis Vicat découvre en 1817 le principe de la fabrication des chaux et ciments artificiels. Le Pont de Souillac, inauguré en 1824 et long de 180 mètres, devient ainsi le premier pont routier au monde bâti avec une chaux hydraulique artificielle. A seulement 32 ans, cet ingénieur et inventeur hors-pair présente ses travaux devant l’Académie des Sciences qui reconnaît officiellement en 1818 sa découverte du ciment artificiel. En 1855, Louis Vicat, assisté par son fils Joseph, fondateur en 1853 des Cimenteries Vicat, construira également à Grenoble, au Jardin des plantes, le premier pont en béton coulé au monde.

Mais Louis Vicat, grand philanthrope et homme désintéressé, préférait « La gloire d’être utile à celle d’être riche » et ne voulut jamais breveter son invention majeure. S’inspirant de ses travaux, c’est l’anglais Joseph Apsdin qui déposa en 1824 un brevet pour la production du fameux ciment à prise rapide « Portland », du nom des carrières de calcaire de l’île de Portland, dans le Dorset, en Grande Bretagne. Ce brevet était volontairement imprécis et ne contenait aucune précision sur les quantités relatives de chaux et d'argile à utiliser et sur les conditions de cuisson à une température nettement supérieure à celle d'un four à chaux ordinaire.

Au cours de la seconde moitié du 19ème siècle, une nouvelle évolution technologique majeure eut lieu avec l’invention du béton armé, qui fut l’œuvre conjointe de deux Français, Joseph Monier, qui déposa en 1867, un brevet sur des caisses en ciment armé pour l'horticulture et François Hennebique, père du procédé du même nom, qui déposa son brevet en 1898 et réalisa en 1893 le premier immeuble en béton armé à Paris et en 1899, le premier pont en béton armé à Châtellerault.

Au cours de la première moitié du XXème siècle, une nouvelle révolution technique fut provoquée par l’invention et l’essor du béton précontraint par l’ingénieur Eugène Freyssinet (1879-1962). Dès 1908, celui-ci à l’idée de de pré-comprimer le béton pour augmenter sa résistance mais il faudra attendre 1933 pour qu’apparaisse le terme de « précontrainte ». En 1928, Freyssinet et son ami Séailles déposent un brevet en nom commun qui définit le principe de la précontrainte et en 1939 Freyssinet innove à nouveau en inventant la précontrainte par post-tension.

A la fin du siècle dernier, une nouvelle rupture de taille a eu lieu, avec l’avènement du Béton à Hautes et très hautes performances (BHP), d'une résistance à la compression pouvant aller de 50 à 150 MPa (Le MPA ou Méga-Pascal est l’unité de contrainte qui correspond à une force d'intensité d’un Newton (N) sur une surface d'1 mm²). La combinaison de ces nouveaux bétons haute performance et des techniques toujours plus sophistiquées de précontrainte a débouché, dans les années 90, sur la mise sur le marché du Béton Fibré à Ultra-hautes Performances (BEFUP), dont la légèreté et la résistance à la compression et la traction ont permis de réaliser des bâtiments et ouvrages d’art qui auraient été encore impossible à construire il y a seulement 30 ans, comme le fameux et magnifique viaduc de Millau, dont le béton possède des propriétés tout à fait hors-normes (200 MPa en compression et de 45MPa en flexion) ou encore le tunnel du Saint-Gothard, en Suisse, inauguré le 2 Juin dernier et qui est, avec ses 57 km de long, le plus long et le plus profond tunnel ferroviaire du monde. Cet ouvrage pharaonique, qui a nécessité plus de 20 ans de travaux, n'aurait pas été possible sans l'emploi d'un béton à très haute performance, recouvert d'une membrane imperméable pour prévenir toute infiltration d'eau.

Avec 6 milliards de tonnes produites en 2015 (une production qui a doublé en 15 ans), le béton est devenu l'un des matériaux de construction les plus utilisés au monde (deux tiers des habitations dans le monde). C'est aussi le deuxième matériau minéral le plus utilisé par l'homme après l'eau potable, avec près d’un m3 par an et par terrien !

Mais depuis quelques années, ce matériau a connu plusieurs révolutions et n'en finit pas d'évoluer, pour la plus grande joie des architectes et des constructeurs. Il existe par exemple à présent des bétons transparents et translucides, comme le Litracon (Light-transmitting concrete), inventé en 2001 par l'architecte hongrois Aron Losonczi.

Autre saut technologique : en 2013, le Cerib (Centre d’études et de recherches de l’industrie du béton) a mis au point une nouvelle famille de béton innovant ultra-léger, spécialement conçu pour la construction des bâtiments à haute efficacité énergétique. Baptisé Thermolitys, ce nouveau type de béton répond à une multitude d’applications dans la fabrication des éléments et composants (parois, planchers, cloisons) à haute performance énergétique du bâtiment.

De son côté, l’école d’ingénieurs ESTIC de Caen a mis au point un «  béton-coquillage » qui remplace une partie des granulats par des éclats de coquillages. Ce béton permet la fabrication de pavés absorbants et permet l’évacuation des eaux pluviales. Ce matériau, qui pourrait permettre d’utiliser et de valoriser une grande partie des 250 000 tonnes de coquillages produites chaque année en France, possède en outre la capacité d’absorber deux litres par m2 et par seconde, ce qui en fait un excellent revêtement potentiel, notamment dans certaines zones inondables.

Outre-Atlantique, des chercheurs américains de l'Université de Wisconsin-Milwaukee (UWM) ont mis au point en 2014 un étonnant type de béton qui résiste à l'eau et aux fissures. Baptisé SECC (Superhydrophobic Engineered Cementitious Composite), ce béton hi-Tech possède un exceptionnel niveau de résistance aux fissures, grâce à une structure moléculaire particulière obtenue notamment par l’incorporation de fibres d'alcool polyvinylique. Ce « super-béton », quatre fois plus résistant à la compression que le béton armé, aurait en outre une durée de vie bien plus longue…

Enfin, il y a quelques semaines, la jeune société XtreeE a dévoilé ce qui sera peut-être l’avenir du béton et plus largement de la construction : un « pavillon » imprimé en 3D conçu à partir de la plate-forme 3DExperience de Dassault Systèmes. Selon XtreeE, l’impression 3D augmente « la créativité et la flexibilité, réduit les déchets de chantier et crée des structures plus légères et plus robustes ». Fusionnant les processus de conception et de construction, XtreeE est parvenue à concevoir une chaîne numérique cohérente qui permet l’automatisation dans la construction des éléments de bâtiments qui n’ont plus qu’à être assemblés, comme un gros jeu de lego, sur le site de construction.

Résultat : il devient possible de fabriquer « à la chaîne » des immeubles d’habitations ou de bureaux à moindre coût et bien plus rapidement, en utilisant juste les quantités de matériaux nécessaires. Les premiers bureaux réalisés à l’aide de cette technologie ont été récemment inaugurés dans l’Emirat de Dubaï. Ils ont été réalisés en moins de trois semaines à l’aide d’une imprimante 3D géante de 6 mètres de haut par 36 mètres de long, équipée d’un bras robotique conçu pour déposer les couches successives de béton.

Selon un récent rapport publié par la firme Markets and Markets, les procédés d’impression 3D à base de béton devraient connaître une forte demande dans les années à venir, surtout dans le domaine de la construction résidentielle, et permettraient de réduire de 30 à 60 % les déchets de construction et de raccourcir les délais de production de 50 à 70 %.

Il est également un autre domaine tout à fait stratégique dans lequel le béton a fait une entrée remarquée, celui de la production et du stockage de l’énergie. Début 2015, des chercheurs de l'Université de Kassel (Hesse) ont développé un prototype de béton capable de convertir le rayonnement solaire en courant électrique. Pour parvenir à ce résultat, les chercheurs ont créé un nouveau type de cellules photovoltaïques, les cellules à colorant, ou cellules Gratzel du nom de leur inventeur. Celles-ci possèdent la capacité remarquable de reproduire le phénomène de photosynthèse végétale grâce à des pigments photosensibles artificiels dérivés de la chlorophylle. Ce « béton solaire », appelé "DysCrete", se compose d’un sandwich qui intègre une couche d'oxyde de titane capturant l'énergie solaire, un colorant, en guise d’électrolyte et enfin d’une couche de graphite, faisant office d’électrode. Le tout est protégé par une couche protectrice transparente. Selon ces travaux, en atteignant seulement un rendement de conversion photovoltaïque de 2 %, l’emploi à grande échelle d’un tel béton pourrait tout simplement bouleverser le paysage énergétique mondial, compte tenu des énormes surfaces de béton qui pourraient être utilisables (y compris sur les façades Nord) sur les innombrables bâtiments pour produire gratuitement de l’électricité.

Mais le béton s’avère également un matériau très adapté au stockage de l’énergie. Grâce à sa résistance et à sa légèreté, le béton, deux fois et demi moins dense que l’acier, peut par exemple servir à construire des volants d’inertie très performants, comme le montre le prototype présenté en juin dernier par la société française Energiestro. Baptisé « Voss », ce volant d’inertie à bas coût et grande longévité pourrait concurrencer sérieusement les batteries dans le domaine du stockage massif d’électricité.

Reste que, s’il est évidemment important de parvenir à améliorer sans cesse les propriétés du béton et d’élargir toujours plus ses champs d’application, il est également crucial, pour des raisons environnementales évidentes, de réduire drastiquement les émissions de CO2 liées à la production en quantité énorme de ce matériau de construction. Dans cette perspective, le groupe Lafarge a présenté, début 2013, un clinker nouvelle génération, baptisé Aether, permettant la production de ciments à faible empreinte carbone, grâce à un taux de calcaire réduit et à une température de cuisson plus faible. Cette innovation majeure devrait permettre de réduire les émissions de CO2 de 30 %. Parallèlement, Lafarge, en collaboration avec la société Solidia, travaille depuis plusieurs années sur un nouveau procédé qui remplace l'eau par du CO2 pour le durcissement du béton, ce qui pourrait permettre de réduire jusqu'à 70 % l'empreinte environnementale du béton préfabriqué, tout en recyclant et en valorisant le CO2 issu de la production de ciment.

Autre innovation tout à fait majeure : en avril dernier, une entreprise vendéenne a présenté le HP2A, une préparation à base d'argile aussi solide que du béton. Baptisé HP2A, ce matériau véritablement révolutionnaire, qui devrait arriver sur le marché en 2017, est composée essentiellement d’argile, à laquelle sont est incorporés, selon une recette soigneusement tenue secrète, toute une série d’ingrédients naturels divers.

Ce béton d’argile ne coûte pas plus cher à produire que les bétons classiques et comme il ne nécessite pas de cuisson, son empreinte-carbone (50 kg par tonne) est vingt fois moins importante que celle de son cousin issu du calcaire (une tonne de CO2 pour une tonne de béton fabriqué). Enfin, dernier avantage décisif de ce nouveau matériau, pour le produire, il suffit de le mélanger avec de l'eau et n’importe quel type de sable ou même de matières végétales. On mesure mieux l’impact environnemental tout à fait considérable que pourrait avoir l’utilisation à grande échelle de ce béton écologique quand on sait qu’il faut extraire plus de 25 milliards de tonnes de graviers et de sable chaque année dans le monde pour produire les 6 milliards de tonnes de béton que la planète engloutit tous les ans…

La généralisation et la combinaison de ces progrès remarquables en matière de production propre devraient permettre de réduire à terme d’au moins 700 millions de tonnes par an, les émissions mondiales de CO2 liées à la production de ciment, ce qui représente plus de deux fois les émissions annuelles de la France…

Demain, l’arrivée de nouvelles familles de béton, aux performances encore plus remarquables de résistance et de longévité, combinée à l’utilisation d’imprimantes 3D géantes, nous permettra de réaliser par fabrication additive des immeubles et ouvrages d’arts toujours plus audacieux et esthétiques, comme la future tour « Kingdom Power », actuellement en construction à Djedda et qui sera, grâce à l’utilisation d’un béton ultra-haute performance, le premier édifice à dépasser un kilomètre de haut à l'horizon 2018 ! Mais le plus extraordinaire est que ce béton du futur, loin d’être seulement un matériau de construction polyvalent et irremplaçable, deviendra également capable de recycler le CO2 nécessaire à sa fabrication, de produire de l’énergie, de s’auto-réparer et d’éclairer nos villes et nos habitations !

Il n’est cependant pas certain que les orgueilleuses constructions actuelles dont nous sommes si fiers parviennent à défier le temps, comme ont su le faire depuis des millénaires, certaines merveilles du monde antique, comme le Panthéon, le Colisée, le Parthénon ou la grande pyramide de Khéops, dont la perfection demeure à bien des égards un mystère, et qui ne cessent de nous émerveiller par leur ingéniosité et leur beauté.

René TRÉGOUËT

Sénateur honoraire

Fondateur du Groupe de Prospective du Sénat

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