Recherche sur le ciment - la base d'un béton plus vert
Une équipe internationale de chercheurs a créé une nouvelle base de données de modèles de dynamique moléculaire qui simulent les propriétés du ciment sous toutes ses formes. L'objectif de cette base de données est d'aider les scientifiques et les fabricants à affiner le réglage de ce composant du béton, ce qui permet notamment de réduire les émissions lors du processus de fabrication.
Le ciment est utilisé pour lier le béton - le matériau de construction le plus utilisé au monde et une source importante de dioxyde de carbone atmosphérique. La production de béton est responsable de plus de 8 % des gaz à effet de serre rejetés dans l'atmosphère.
?tudier les interactions atomiques
La nouvelle base de données porte le nom de page externecemff, qui signifie "Cement Force Fields" (champs de force du ciment). Dans ce cas, le champ de force n'est pas une barrière invisible sortie tout droit d'une histoire de science-fiction. Il s'agit plut?t d'un ensemble de paramètres que les chercheurs utilisent pour créer des modèles informatiques d'interactions atomiques. L'un de ces paramètres est l'énergie interne des atomes dans un système de simulation. Dans le cadre de leurs recherches, les scientifiques calculent comment les atomes interagissent individuellement et collectivement avec leurs voisins pour créer les propriétés respectives d'un matériau.
L'utilisation de modèles atomistiques précis de champs de force permet d'effectuer des simulations informatiques avec différents types de minéraux inorganiques présents dans le ciment. La base de données permet aux chercheurs scientifiques et industriels de s'appuyer sur des types de champs de force très différents et de réaliser des simulations fiables pour des formules de ciment spécialement développées. Le Cemff pourrait ainsi aider l'industrie à développer des matériaux de construction plus solides et plus durables, qui génèrent en outre moins d'émissions de dioxyde de carbone lors de leur production. Des émissions qui s'élèvent à plus de 3 milliards de tonnes par an dans la production de béton.
Développer des types de ciment respectueux de l'environnement
"La publication de cette base de données commune représente une étape importante pour ce domaine de recherche, qui augmentera considérablement l'influence de la modélisation moléculaire dans le développement de nouveaux types de ciment respectueux de l'environnement", déclare Robert Flatt, professeur d'ingénierie civile, environnementale et géomatique à l'ETH Zurich et l'un des conseillers scientifiques du projet de base de données du cemff.
Au total, 15 scientifiques de 11 instituts ont travaillé sur le projet sous la direction de Ratan Mishra de l'ETH Zurich, Rouzbeh Shahsavari de la Rice University et Paul Bowen de l'EPFL Lausanne. Dans le cadre de leurs recherches, ils ont étudié comment, dans la simulation de modèles de champs de force, les molécules de composants interagissent entre elles dans le ciment. Ces interactions microscopiques déterminent la performance du ciment dans la pratique et permettent d'affiner le matériau afin qu'il puisse être utilisé pendant des décennies de la manière la plus performante et la plus respectueuse de l'environnement possible.
"La modélisation moléculaire nécessite encore de nombreux compromis", sait Mishra, premier auteur de la publication sur cette base de données et spécialiste des matériaux dans le groupe de recherche du professeur Flatt. L'exemple typique est le rapport entre le temps et la précision. Mais il est encore plus important de reconna?tre à quoi des modèles spécifiques se prêtent et quels sont les défis à relever dans chaque cas. La base de données du cemff permettra aux chercheurs d'avoir une vision plus complète de cette question et de choisir la meilleure approche du problème qu'ils étudient.
CO2-Améliorer le bilan carbone
Le principal composant du ciment est le silicate de calcium, qui réagit avec l'eau pour former le matériau durci qui confère au béton ses propriétés mécaniques et sa durabilité. Environ 60 pour cent des émissions de dioxyde de carbone provenant de la production de ciment proviennent de la dégradation du calcaire, la source de calcium du ciment. Pour réduire les émissions de CO2-Pour améliorer le bilan carbone du béton, les fabricants ajoutent souvent de l'argile, des déchets comme les cendres volantes et des matériaux recyclés.
C'est la raison pour laquelle il existe un besoin de simulations à l'échelle nanométrique, qui permettent aux fabricants de tester la résistance et la durabilité des mélanges, avant même la fabrication de ciment. "Cette base de données consolidée s'inscrit dans la tendance actuelle au big data et à la science prédictive des matériaux assistée par ordinateur", explique Rouzbeh Shahsavari, professeur assistant en génie civil et géomatique et en science des matériaux à l'université de Rice.
Paul Bowen, professeur au Laboratoire de technologie des poudres de l'EPFL et initiateur du projet, espère que l'accès ouvert et la base internationale de la base de données du cemff encourageront à la fois la communauté des chercheurs modélisateurs et celle des expérimentateurs à créer des points de référence solides. "La base de données devrait aider à comprendre et à prédire avec plus de précision les propriétés du matériau le plus utilisé sur cette planète - et contribuer ainsi à un avenir plus durable", dit-il.
