Des matériaux de construction intégrés dans l’économie circulaire
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Le domaine de la construction est un grand consommateur de matériaux et de matières premières, en plus de générer une quantité appréciable de déchets et de gaz à effet de serre. Les ressources vierges dédiées à ce secteur totalisent plus du tiers (38,8 %) de l’ensemble des ressources extraites sur notre planète. Puisque l’urbanisation dans le monde s’intensifie d’année en année, la quantité de matière première consommée par ce secteur augmente à vive allure. Des changements majeurs dans les fondements de notre économie deviennent nécessaires.
Le personnel hautement qualifié de la Chaire de recherche du Canada sur les matériaux de construction multifonctionnels durables compte intégrer le concept de limites planétaires dans sa recherche. L’une de ses visions est l’établissement d’un cadre pour planifier la circularité et la régénération des matériaux dès la phase de conception. La quantité de matériaux rejetés dans l’environnement en fin de vie serait ainsi de beaucoup diminuée de même que les ressources premières extraites. Le lab Construction du CERIEC cherche aussi à mettre en place des initiatives pour augmenter la circularité des matériaux. Une autre stratégie consiste à concevoir et à fabriquer des matériaux de construction multifonctionnels, respectueux de l’environnement. Voici quelques exemples d’approches qui sont considérées.
Matériaux durables conçus à l’aide de l’intelligence artificielle
À l’aide d’une base de données, les chercheurs de la Chaire ont entraîné un algorithme d’intelligence artificielle afin de les orienter parmi la multitude de composants pouvant se retrouver dans certains matériaux, tels que les mortiers, les bétons et les géopolymères. Les géopolymères sont des matériaux qui s’apparentent au béton, mais qui ne contiennent pas de ciment et leur empreinte carbone est diminuée. Les algorithmes déterminent ainsi les meilleurs dosages pour obtenir de bonnes propriétés mécaniques et faire de la construction robotisée. Les mélanges de départ sont ensuite optimisés en vue de l’intégration dans la construction numérique. Par la suite, la durabilité de ces matériaux est évaluée et une fonction environnementale estime leur impact sur l’environnement. La robotisation devrait permettre d’optimiser les matières premières lors de la construction des structures.
Matériaux de détection pour évaluer les structures
En ajoutant certains composants aux matériaux, comme le graphène, on augmente leur conductivité électrique. Une meilleure compréhension des phénomènes électriques dans les bétons et les géopolymères permet aussi de répondre à d’autres besoins et de concevoir de nouvelles solutions. Les liens entre les propriétés mécaniques et la conductivité électrique peuvent être utilisés comme méthode de contrôle non destructive afin de suivre l’évolution des structures et d’agir avant qu’il ne soit trop tard.
Exemple de matériaux cimentaires contenant de l’oxyde de graphène pour augmenter la conductivité (gauche), montage expérimental pour mesurer la conductivité du béton (droite).
Matériaux adaptés aux changements climatiques
Comme le rappelait Bill Gates dans son nouveau livre sur les changements climatiques, la fabrication de matériaux de construction et l’une des premières sources de production de gaz à effets de serre (GES). Beaucoup d’efforts sont faits au Québec pour limiter les sources d’énergie non renouvelables et nous avons la chance d’être alimentés par l’énergie hydroélectrique. Avec les changements climatiques, les conditions d’exposition des matériaux changent. Les cycles de gel et de dégel sont plus fréquents, les écarts entre les températures extrêmes augmentent. Une des conséquences est que les matériaux peuvent fissurer plus rapidement que prévu. Des matériaux autocicatrisants peuvent être ajoutés pour favoriser l’autoréparation. Des matériaux à changement de phase peuvent aussi stocker de la chaleur et la restituer au moyen opportun.
Matériaux pour capter les polluants et stocker le carbone
L’étude des limites planétaires montre que, après les émissions de GES, les seuils que nous excédons sont causés par le relargage des nutriments dans l’environnement, comme l’azote et le phosphore. Certains matériaux, grâce à leur forme ou leur porosité, ont la capacité d’absorber des polluants dans leur microstructure. Nous visons à créer de nouveaux matériaux poreux en valorisant les résidus industriels. Aussi, l’ajout de matériaux biosourcés, comme le chanvre dans les mélanges de béton et les constructions en bois, permettent le stockage du carbone durant la durée d’utilisation du bâtiment, et ensuite, selon les conditions de fin de vie des matériaux. Une étude de cas internationale est en cours pour évaluer les impacts d’un bâtiment multiétage construit en bois au Québec, selon les méthodes d’évaluation de 16 pays. En effet, les conclusions des études de bilan de carbone varient avec les hypothèses, les sources de données et les choix méthodologiques.
À gauche, béton de chanvre (@ Philippe Fortin)
Un passage obligé malgré les difficultés
Créer de nouveaux matériaux qui s’inscrivent davantage dans une économie circulaire pour le milieu de la construction représente un énorme défi en raison des nombreuses normes et contraintes à satisfaire pour passer du laboratoire au chantier de construction. De plus, les chercheurs de la Chaire devront s’assurer de la qualité des matériaux, de leur réactivité et du maintien de leurs propriétés tout en tenant compte de leur durabilité, des émissions de gaz à effet serre que leur production génère… Bref, un vrai casse-tête à résoudre! Il devient impératif de surmonter ces difficultés afin de respecter les limites de la Terre et d’assurer une qualité de vie aux générations à venir.
