Scruter l'infiniment petit pour créer des infrastructures plus durables
Publié par Adrien le 14/04/2014 à 12:00
Source: Université de Sherbrooke
Spécialiste des polymères renforcés de fibres, le professeur Mathieu Robert travaille à créer des matériaux ayant des propriétés inégalées, notamment en y intégrant des nanoparticules.

L'état des infrastructures routières est un sujet de préoccupation grandissant. Plusieurs ponts et viaducs doivent être rénovés. Dans certains cas, il faut carrément les remplacer par de nouveaux ouvrages qui devront être plus durables. L'une des solutions se trouve dans l'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) de polymère renforcé de fibres (PRF). Ces composites combinent une résine polymère à laquelle on a ajouté des fibres de renfort servant à soutenir les charges mécaniques. Ces matériaux, dont certains sont déjà en usage, ont des propriétés spécifiques très élevées par rapport aux matériaux conventionnels. Le professeur de génie civil (Le Génie civil représente l'ensemble des techniques concernant les constructions civiles. Les ingénieurs civils s’occupent de la conception, de la réalisation, de...) Mathieu Robert mène des recherches pour améliorer encore davantage ces matériaux de nouvelle génération. Il vise aussi à en réduire l'empreinte écologique (L’empreinte écologique vise à traduire de manière facilement compréhensible l’impact d’activités humaines sur les écosystèmes et la...).

Pour y parvenir, il étudie notamment l'ajout de certaines fibres naturelles ainsi que de nanoparticules d'argile (L'argile (nom féminin) est une roche sédimentaire, composée pour une large part de minéraux spécifiques, silicates en général d'aluminium plus ou moins hydratés, qui présentent une...) ou de mica à ces matériaux. Ces derniers mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps arbitraire.), le chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et impliquent d'importantes...) a d'ailleurs obtenu un financement de la Fondation canadienne pour l'innovation, pour acquérir une machine de traction qui permet, par exemple, de mesurer la résistance de monofilaments de quelques microns de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le...) et leur comportement lorsqu'ils sont soumis à un poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage de la Terre. Elle est égale à...) de moins d'un dixième de gramme (Le gramme est une unité de masse du Système international (l'unité de base est le kilogramme) et du système CGS. L'abréviation du gramme est g.). En scrutant les propriétés mécaniques de l'infiniment petit, les matériaux de demain pourraient présenter des qualités jamais vues !


Le chercheur recourt à des équipements de haute précision, dont ce microscope, pour mener ses travaux.
Photo: Michel Caron

Résines nanorenforcées

Les matériaux de PRF typiquement utilisés en génie civil sont les composites à base de fibres de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus...) ou de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.). Ils servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) essentiellement au renforcement interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le "Diplôme...) du béton (Le béton est un matériau de construction composite fabriqué à partir de granulats naturels (sable, gravillons) ou artificiels (granulats...) – par exemple par des barres d'armature – ou encore à former l'enveloppe externe des structures. Les PRF servent aussi dans la fabrication de pièces structurales préfabriquées, dont des poutres ou même des tabliers de ponts.

Un volet des recherches de Mathieu Robert vise à développer de nouvelles techniques de renforcement des résines polymères à l'aide "de nouveaux types de renforts" à l'échelle nanoscopique. Par exemple, en ajoutant des organosilicates naturelles – comme des nanoparticules de mica ou d'argile – à une résine, il serait possible d'optimiser les propriétés barrières face à l'humidité (L'humidité est la présence d'eau ou de vapeur d'eau dans l'air ou dans une substance (linge, pain, produit chimique, etc.).), aux ultraviolets et au feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.) des PRF et d'améliorer leur durabilité.

"L'introduction de ces nouveaux types de renforts nécessite une étude approfondie des phénomènes d'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner correctement.) entre les renforts et le polymère pour assurer une certaine intégrité du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) au point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un...) et de sa durabilité à long terme", explique le professeur. Autrement dit, des analyses doivent confirmer l'"affinité" entre les renforts et les polymères.

"Les interfaces doivent aussi être caractérisées mécaniquement et physiquement, et les matériaux doivent subir des vieillissements accélérés en laboratoire afin de confirmer leur durabilité à long terme face aux environnements d'application et de comprendre les phénomènes de dégradation en cause", dit Mathieu Robert.

À l'échelle du matériau

Le laboratoire du professeur Robert disposera bientôt d'une machine de traction universelle électromécanique (L'électromécanique est l'association des technologies de l'électricité et de la mécanique.), qui permettra de réaliser des essais mécaniques à de très faibles niveaux de chargement (Le mot chargement peut désigner l'action de charger ou son résultat :) (de moins de 0,1 N, soit une charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) de moins d'un dixième de gramme). "Cet appareil nous permettra de tester efficacement les propriétés mécaniques de certains matériaux développés, comme des monofilaments de renforts, des polymères nanorenforcés et des interfaces fibres/résine", dit le chercheur.

Toutefois, précise-t-il, il ne s'agit pas ici de tester des applications ou d'extrapoler des résultats obtenus à petite échelle sur des applications grandeur nature, mais bien de faire des tests à l'échelle du matériau. "Par exemple, il est relativement difficile de pouvoir faire un essai de traction sur une seule fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) de 6 microns de diamètre [à titre de comparaison, un cheveu a un diamètre de 50 à 100 microns] ou de mesurer la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage...) nécessaire pour arracher une fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) de la résine, dit le chercheur. Cet équipement le permettra, et ce avec haute précision. Les résultats obtenus nous donneront d'importantes données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) quant au comportement à l'interface fibres/résine et nous permettront d'optimiser leur fonctionnalité tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en comprenant mieux la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de rupture."

Ce travail à petite échelle permettra de proposer ensuite des matériaux améliorés ayant un potentiel d'applications très étendu.

Développement durable

Les autres volets du programme de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le...) du professeur Robert visent à développer des composites polymères à durabilité environnementale accrue, en diminuant l'impact environnemental (L'impact environnemental est l'ensemble des modifications de l'environnement, qu'elles soient négatives ou positives, dues à un organisme ou à un produit.) lié à l'utilisation des fibres synthétiques ou des résines polymères pétro-sourcées. "En particulier, nos travaux portent sur le développement de nouveaux composites à base de fibres naturelles minérales (dont le basalte) ou cellulosiques (comme le lin ou le chanvre), ou encore de résine bio-sourcée", souligne-t-il.

Ce besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les besoins...) de matériaux tenant compte du développement durable répond à des enjeux très actuels, ajoute Mathieu Robert. "La détérioration actuelle des structures mène à la mise au rebut d'une quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) significative de matériaux de construction difficilement recyclables. Aussi, le développement de nouvelles solutions de rechange aux polymères pétro-sourcés et de fibres naturelles mènera à des matériaux plus écologiques tout en stimulant (Un stimulant est une substance qui augmente l'activité du système nerveux sympathique facilitant ou améliorant certaines fonctions de l'organisme. Parmi les stimulants fréquemment consommés, on trouve la caféine...) l'agroéconomie du Canada par la culture (La Culture est une civilisation pan-galactique inventée par Iain M. Banks au travers de ses romans et nouvelles de science-fiction. Décrite avec beaucoup de précision et de détail, La Culture peut être...) de plantes à fibres", évoque-t-il.

De plus, l'équipe de recherche développe des techniques pour valoriser des déchets de production de composites polymères thermodurcissables. Une avenue (Une avenue est une grande voie urbaine. Elle est en principe plantée d'arbres, et conduit à un monument.) serait de recycler ces matières dans des produits employés pour les parements extérieurs.

C'est donc une vision intégrée du développement durable qui guide les recherches du professeur Robert dans sa quête de matériaux novateurs.
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