Cette nouvelle barre d’armature pourrait permettre aux bâtiments de tenir plus longtemps et de moins polluer
Lorsqu’un immeuble en copropriété de 12 étages s’est soudainement effondré en juin dernier à Surfside, en Floride, l’une des raisons était cachée au plus profond de la structure. Dans les fondations, les murs et les planchers en béton se trouvait un matériau de construction essentiel mais à risque : les barres d’armature en acier. À la suite de l’effondrement, les enquêteurs ont constaté que ce matériau présentait une corrosion importante, suffisante pour provoquer l’effondrement du bâtiment massif.
Les barres d’armature en acier, ou barres de renfort, sont un élément clé de la construction de bâtiments tels que cette tour à condos, et sont essentielles à leur intégrité structurelle. Mais les barres d’armature en acier sont également sensibles à l’humidité qui peut se frayer un chemin dans le béton, provoquant une corrosion largement invisible qui peut entraîner l’effondrement des structures presque sans avertissement.
Une équipe de chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) propose une alternative. Au lieu d’utiliser l’acier pour renforcer le béton, ils ont mis au point un matériau de renforcement composite fait de fibres de chanvre étonnamment résistantes. Leur barre d’armature à base de chanvre utilise les fibres robustes de la tige de chanvre en combinaison avec une résine ou un bioplastique pour former des barres qui peuvent remplacer en toute sécurité les barres d’armature en acier dans les constructions en béton.
L’ampleur du potentiel de ce matériau est considérable. Les barres d’armature en acier sont partout, des trottoirs aux gratte-ciel. « Elles sont omniprésentes dans toutes les structures en béton. Elles sont tout simplement pleines de barres d’armature », explique Dan Walczyk, professeur d’ingénierie mécanique à la RPI. « Et cela représente des millions, voire des milliards, de dollars de matériaux de construction chaque année ».
L’élimination de l’acier dans la construction en béton pourrait éliminer le risque de corrosion qui a fait s’effondrer l’appartement en Floride. Avec moins de corrosion, le béton des bâtiments et des ponts pourrait durer des décennies de plus. « En remplaçant le matériau utilisé dans un objet par un composite de fibres au lieu de l’acier, vous pouvez réduire considérablement l’empreinte carbone de l’industrie du bâtiment, car vous prolongez la durée de vie des structures », explique M. Tsamis.
Les barres d’armature en chanvre et les machines pour les fabriquer sont développées par Tsamis et Walczyk, avec Daniel Cohen, étudiant en architecture, et Sharmad Joshi, étudiant en génie mécanique. Tsamis assimile cette technologie à l’impression 3D, qui nécessite à la fois un filament et une machine pour le former. Le filament de la barre d’armature en chanvre est une combinaison de fibres de chanvre extraites et enveloppées dans un thermoplastique qui est ensuite enroulé en une bobine semblable à une corde. La machine, que l’équipe est en train de construire pour en faire une preuve de concept, est un appareil de la taille d’une voiture qui aspire le matériau enroulé, le chauffe et le consolide en barres durcies. M. Tsamis explique que la machine est conçue pour fonctionner sur site pendant les projets de construction, ce qui permet de fabriquer des barres d’armature en chanvre en fonction des besoins. Une matrice spécialement adaptée peut former la barre d’armature en fonction des besoins du projet de construction, et même la plier dans des formes complexes qui seraient autrement réalisées sur place par des ouvriers du bâtiment.
Cela peut sembler sophistiqué, mais le matériau n’est pas particulièrement compliqué à fabriquer, selon M. Tsamis, qui précise que le projet a démarré pendant la pandémie, lorsque les laboratoires de l’université étaient fermés. « Les premières expériences que nous avons faites avec la consolidation ont eu lieu dans des fours de cuisine », explique Tsamis. « Et les premières cordes, nous les fabriquions à la main. Je demandais à mon fils de tirer l’autre côté de la corde que je fabriquais à mon bureau. Le chat de mon étudiant mâchait la corde pendant qu’il fabriquait sa propre version. Les débuts étaient donc assez modestes en termes de technologie disponible. »
Certains défis subsistent néanmoins. Selon Walczyk, les États-Unis sont en retard sur les autres pays en ce qui concerne la production de chanvre industriel, qui n’a été légalisé qu’en 2018. Les bioplastiques sont également relativement nouveaux. « Il y a beaucoup d’incertitude quant à l’origine de ces matériaux », dit Walczyk. « Si nous devions développer cette technologie dans les deux prochaines semaines, nous n’avons pas nécessairement la chaîne d’approvisionnement en matériaux pour cela. »
Mais une fois le matériau disponible, Tsamis affirme qu’il ne serait pas très compliqué pour l’industrie du bâtiment de remplacer ses barres d’armature en acier par la variété à base de chanvre. « Les gens savent déjà comment travailler avec ce matériau. Toutes les méthodes de construction et tout le savoir-faire sont là », explique M. Tsamis.
Les chercheurs affirment que les barres d’armature en chanvre n’entreront probablement pas dans un bâtiment avant quelques années, mais ils sont déjà en pourparlers avec plusieurs grandes entreprises de construction sur la façon dont le matériau pourrait être intégré dans de nouveaux projets. Selon M. Walczyk, un financement de l’État ou du gouvernement fédéral permettrait d’accélérer le développement de la technologie, et selon M. Tsamis, un partenariat avec l’industrie, comme les fabricants de cordes, pourrait aider à passer en mode production.
Avec le changement climatique qui pousse l’industrie du bâtiment à s’attaquer à son empreinte carbone élevée, la réduction de l’utilisation de matériaux très polluants comme l’acier deviendra de plus en plus importante. Selon M. Tsamis, la large applicabilité des barres d’armature en chanvre en fait le type de matériau naturel que l’industrie pourrait adopter pour réduire son impact massif. « Elle exigera un volume de production élevé, et nous pensons qu’elle obligera certains éléments de la chaîne d’approvisionnement à se mettre en place », explique-t-il.
