Ce que les ingénieurs de l'armée américaine ont découvert en ajoutant du graphène au ciment

Grille moléculaire en graphène (Image : koya979 via AdobeStock - stock.adobe.com)

L'armée américaine explore le potentiel du graphène, un matériau miracle, pour fabriquer du mortier et du béton plus résistants destinés à des applications militaires et civiles.

Le graphène, découvert en 2004, est une simple couche d'atomes de carbone, liés dans un réseau hexagonal en nid d'abeille. Extrait du graphite, il est très conducteur, pèse très peu et possède une résistance remarquable.

Son introduction dans le béton pourrait, en théorie, résoudre les problèmes de faible résistance à la traction et de perméabilité. Son potentiel à augmenter la résistance du béton pourrait également réduire le besoin de renforcement en acier, ouvrant ainsi la voie à une réduction des émissions de CO2.

Nouvelle étude sur le graphène

Avant l'application de la charge à 0,02 % (p/p) de pâte de ciment à base de graphène généré en laboratoire (LGG) (Image : Graphène dans les matériaux cimentaires/ERDC)

Mais l’utilisation du graphène dans le ciment et le béton en est encore à ses balbutiements et il reste des obstacles à surmonter, notamment lorsqu’il s’agit de trouver le dosage correct de graphène, la taille des particules, la vitesse de mélange et la manière de disperser ce matériau miracle dans le béton pour obtenir une résistance optimale.

C'est l'objectif d'un rapport du Centre de recherche et développement des ingénieurs de l'armée américaine (ERDC) publié le mois dernier (décembre 2023) intitulé « Graphene in Cementitious Materials » .

Les chercheurs ont testé à la fois du graphène de qualité commerciale (CGG) et du graphène généré en laboratoire (LGG) pour créer de petites quantités de mélanges graphène-ciment.

Après avoir mélangé le graphène à du ciment Portland standard à l'aide d'un dispersant, les chercheurs ont fait durcir le mélange dans une chambre à brouillard pendant sept, 14 et 28 jours avant de procéder à des tests de résistance à la compression et à des analyses chimiques et microstructurales. Les mélanges graphène-ciment ont été comparés à un mélange de ciment de référence qui ne contenait pas de graphène.

Un ciment plus résistant... si les ingrédients sont bons

Les chercheurs ont découvert qu’il est possible d’obtenir des pâtes de graphène-ciment avec des résistances à la compression supérieures à celles du ciment standard.

Mais cela dépendait de la recherche du dosage correct de graphène et de l’obtention d’une dispersion optimale du matériau à travers le ciment (l’étude a révélé que l’adjuvant pour béton MasterGlenium 7920 était le tensioactif le plus efficace pour cela).

Par exemple, un dosage de 0,3 % de graphène de qualité commerciale a donné les meilleurs résultats, montrant une augmentation constante de sa résistance moyenne à la compression, d'un peu plus de 100 % du ciment Portland normal après 7 jours de durcissement, à un peu moins de 110 % après 14 jours, avant de remonter à plus de 120 % après 28 jours.

Une dose de 0,6 % de pâte de ciment graphite à base de CGG a également montré une amélioration marginale au fil du temps, mais une dose de 0,9 % a obtenu de moins bons résultats aux tests de résistance que le ciment Portland standard après 7 et 28 jours.

En ce qui concerne les mélanges de ciment LGG, tous les mélanges graphite-ciment ont obtenu de meilleurs résultats aux tests de résistance après 14 jours de durcissement. Mais leurs performances ont diminué après 28 jours de durcissement.

Source : Graphène dans les matériaux cimentaires/ERDC

Les résultats ont montré l’importance d’une bonne dispersion du graphène dans le ciment, ainsi que d’un dosage correct de graphène. Si ces variables sont erronées, plusieurs couches de graphène risquent de s’agglomérer. Et lorsque les couches de graphène s’agglomèrent, les forces qui les maintiennent en place sont faibles et peuvent finir par compromettre la résistance des mélanges de ciment.

Le rapport note : « Ces résultats soulignent l'importance d'obtenir une dispersion optimale du graphène dans les milieux cimentaires, qui est déterminée par le type de dispersant, le taux de mélange à taux de cisaillement élevé, ainsi que le type de graphène, la taille et le taux de dosage. »

Prochaines étapes

Néanmoins, les chercheurs ont indiqué qu’ils voyaient un avenir prometteur pour le béton amélioré au graphène.

Le rapport indique : « On peut s'attendre à voir des améliorations significatives du béton au graphène par rapport au béton conventionnel dans les applications de traction et de flexion où la résistance à la traction et le module de Young du graphène seront mieux utilisés. »

Source : Graphène dans les matériaux cimentaires/ERDC

Les ingénieurs de l'armée américaine espèrent désormais poursuivre leurs recherches en examinant l'impact des granulats fins et grossiers sur le comportement des matériaux graphite-béton.

« L’exploration des possibilités d’utilisation du graphène permettra de concevoir des structures plus performantes dans le domaine de l’ingénierie militaire en cas d’explosion et de pénétration. Des recherches plus poussées sur le graphène dans les matrices cimentaires faciliteront l’adoption du GRM pour la construction militaire, le soutien aux combattants, la lutte contre le changement climatique et son utilisation dans les vastes infrastructures de travaux publics de notre pays », conclut le rapport.

Lisez le rapport complet de l'ERDC, Graphine dans les matériaux cimentaires .