Et si les matériaux de construction pouvaient être assemblés et démontés aussi facilement que des briques LEGO ? Une telle maçonnerie reconfigurable serait démontée à la fin de la durée de vie d’un bâtiment et réassemblée pour former une nouvelle structure, dans un cycle durable qui pourrait fournir des générations de bâtiments utilisant les mêmes éléments de construction physiques.
C’est l’idée derrière la construction circulaire, qui vise à réutiliser et à réaffecter les matériaux d’un bâtiment chaque fois que possible, afin de minimiser la fabrication de nouveaux matériaux et de réduire le « carbone incorporé » de l’industrie de la construction, qui fait référence aux émissions de gaz à effet de serre associées à chaque processus de construction d’un bâtiment, de la fabrication à la démolition.
Motivés par le potentiel écologique de la construction circulaire, les ingénieurs du MIT développent aujourd’hui un nouveau type de maçonnerie reconfigurable à base de verre recyclé imprimé en 3D. Grâce à une technologie d’impression 3D sur verre personnalisée fournie par Evenline, une filiale du MIT, l’équipe a fabriqué des briques de verre multicouches résistantes, chacune en forme de huit, conçues pour s’imbriquer, à la manière des briques LEGO.
Lors des essais mécaniques, une seule brique de verre a résisté à des pressions similaires à celles d’un bloc de béton. Pour démontrer la structure, les chercheurs ont construit un mur de briques de verre imbriquées. Ils envisagent que la maçonnerie en verre imprimable en 3D pourrait être réutilisée plusieurs fois comme briques recyclables pour les façades et les murs intérieurs des bâtiments.
« Le verre est un matériau hautement recyclable », explique Kaitlyn Becker, professeure adjointe de génie mécanique au MIT. « Nous prenons du verre et le transformons en maçonnerie qui, à la fin de sa vie utile, peut être démontée et remontée pour former une nouvelle structure, ou peut être réinsérée dans l’imprimante et transformée en une forme complètement différente. Tout cela s’inscrit dans notre idée d’un matériau de construction durable et circulaire. »
« Le verre en tant que matériau structurel casse un peu les idées », explique Michael Stern, ancien étudiant diplômé du MIT et chercheur au Media Lab et au Lincoln Laboratory du MIT, qui est également fondateur et directeur d’Evenline. « Nous démontrons qu’il s’agit d’une opportunité de repousser les limites de ce qui a été fait en architecture. »
Becker et Stern, avec leurs collègues, détaillent leur conception en briques de verre dans un étude parue aujourd’hui dans la revue Structures et ingénierie en verre. Parmi leurs co-auteurs du MIT figurent l’auteur principal Daniel Massimino et Charlotte Folinus, ainsi qu’Ethan Townsend d’Evenline.
Étape de verrouillage
L’inspiration pour la nouvelle conception de maçonnerie circulaire est venue en partie du laboratoire de verre du MIT, où Becker et Stern, alors étudiants de premier cycle, ont appris pour la première fois l’art et la science du soufflage du verre.
« J’ai trouvé ce matériau fascinant », explique Stern, qui a ensuite conçu une imprimante 3D capable d’imprimer du verre recyclé en fusion, un projet qu’il a entrepris alors qu’il étudiait en génie mécanique. « J’ai commencé à réfléchir à la manière dont l’impression sur verre pouvait trouver sa place et permettre des choses intéressantes, la construction étant une voie possible. »
Entre-temps, Becker, qui a accepté un poste de professeur au MIT, a commencé à explorer l’intersection entre la fabrication et la conception, ainsi que les moyens de développer de nouveaux processus permettant des conceptions innovantes.
« Je suis enthousiaste à l’idée d’élargir les possibilités de conception et de fabrication de matériaux complexes dotés de caractéristiques intéressantes, comme le verre, ses propriétés optiques et sa recyclabilité », explique Becker. « Tant qu’il n’est pas contaminé, le verre peut être recyclé presque à l’infini. »
Elle et Stern ont fait équipe pour voir si et comment le verre imprimable en 3D pouvait être transformé en une unité de maçonnerie structurelle aussi solide et empilable que des briques traditionnelles. Pour leur nouvelle étude, l’équipe a utilisé l’imprimante Glass 3D Printer 3 (G3DP3), la dernière version de l’imprimante à verre d’Evenline, qui s’associe à un four pour faire fondre des bouteilles de verre broyées en une forme fondue imprimable que l’imprimante dépose ensuite en motifs superposés.
L’équipe a imprimé des prototypes de briques de verre en utilisant du verre sodocalcique, généralement utilisé dans un atelier de soufflage de verre. Ils ont incorporé deux chevilles rondes sur chaque brique imprimée, similaires aux goujons d’une brique LEGO. Comme les blocs de jeu, les chevilles permettent aux briques de s’emboîter et de s’assembler pour former des structures plus grandes. Un autre matériau placé entre les briques empêche les rayures ou les fissures entre les surfaces en verre, mais peut être retiré si une structure en briques doit être démontée et recyclée, ce qui permet également de refondre les briques dans l’imprimante et de les façonner en de nouvelles formes. L’équipe a décidé de donner aux blocs une forme en huit.
« Avec la forme en huit, nous pouvons contraindre les briques tout en les assemblant dans des murs qui présentent une certaine courbure », explique Massimino.
Pierres de gué
L’équipe a imprimé des briques de verre et testé leur résistance mécanique dans une presse hydraulique industrielle qui a comprimé les briques jusqu’à ce qu’elles commencent à se fracturer. Les chercheurs ont découvert que les briques les plus résistantes étaient capables de supporter des pressions comparables à celles que peuvent supporter les blocs de béton. Ces briques les plus résistantes étaient principalement constituées de verre imprimé, avec un élément d’emboîtement fabriqué séparément qui se fixait au bas de la brique. Ces résultats suggèrent que la majeure partie d’une brique de maçonnerie pourrait être constituée de verre imprimé, avec un élément d’emboîtement qui pourrait être imprimé, moulé ou fabriqué séparément à partir d’un matériau différent.
« Le verre est un matériau compliqué à travailler », explique Becker. « Les éléments emboîtables, fabriqués à partir d’un matériau différent, se sont révélés les plus prometteurs à ce stade. »
Le groupe cherche à savoir si une partie plus importante de la structure imbriquée d’une brique pourrait être réalisée à partir de verre imprimé, mais il ne considère pas que cela constitue un obstacle à l’élargissement de la conception. Pour démontrer le potentiel de la maçonnerie en verre, ils ont construit un mur incurvé de briques de verre imbriquées. Ensuite, ils envisagent de construire des structures en verre autoportantes de plus en plus grandes.
« Nous comprenons mieux les limites du matériau et comment l’adapter », explique Stern. « Nous envisageons de construire des gradins pour les bâtiments et souhaitons commencer par un pavillon, une structure temporaire avec laquelle les humains peuvent interagir et que l’on peut ensuite reconfigurer pour en faire un deuxième modèle. Et on peut imaginer que ces blocs puissent traverser de nombreuses vies. »
Cette recherche a été financée en partie par le programme de subventions de recherche Bose et le comité de soutien à la recherche du MIT.
2024-09-20 07:00:50
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