Au lieu d’utiliser toujours plus de béton et d’acier, une équipe de recherche européenne, à laquelle participe l’Empa, mise sur des moules intelligents, la fabrication numérique et des liants alternatifs. L’objectif est de créer un matériau de construction respectueux du climat, à la fois filigrane et stable, qui puisse être fabriqué sur mesure par impression 3D, démonté et réutilisé.
Avec un minimum de masse, sans armature en acier coûteuse et sans ciment, les chercheurs de l’Empa, de l’ETH Zurich 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 », explique 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 », explique 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 », affirme Moslem Shahverdi.
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 qu’Empa apporte l’une de ses spécialités au projet : 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 tension ultérieure. « Nous travaillons avec ces alliages spéciaux depuis environ 20 ans », explique Moslem Shahverdi. 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 précontraint doivent être précontraintes à grands frais ; les alliages à mémoire de forme, en revanche, sont facilement insérés dans le béton après le compactage. Cela présente plusieurs avantages : le processus de compactage reste ainsi automatisé et ininterrompu, et les barres d’armature 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. Selon le chercheur de l’Empa, ces étapes de travail devraient également être automatisées à long terme. « À l’avenir, un deuxième robot pourrait insérer les barres d’armature Fe-SMA directement après l’impression. »
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’ETH Zurich 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.
