Ce protocole décrit l’évaluation visant à déterminer si l’application de dioxyde de titane sur le béton améliore ses propriétés physiques, augmentant ainsi sa résistance aux effets des catastrophes naturelles causées par des événements extrêmes.
Article de méthode
Ce protocole décrit l’évaluation visant à déterminer si l’application de dioxyde de titane sur le béton améliore ses propriétés physiques, augmentant ainsi sa résistance aux effets des catastrophes naturelles causées par des événements extrêmes.
Au cours des dernières décennies, la survenue d’événements extrêmes s’est intensifiée dans diverses régions du monde, infligeant des impacts substantiels sur les économies, la sécurité et la qualité de vie des populations touchées. Cette réalité souligne le besoin urgent de solutions innovantes pour atténuer ces dommages. Dans ce cadre, la nanotechnologie est apparue comme un paradigme prometteur, les nanoadditifs se distinguant comme des agents efficaces pour améliorer la durabilité, l’imperméabilité et la résistance mécanique des matériaux de construction. Des nanoparticules telles que le dioxyde de titane (TiO2), les nanotubes de carbone (NTC), la silice, l’argile et le cuivre (Cu) ont été associées à des améliorations de la durabilité, du rapport résistance/poids, de la stabilité et de la résilience sismique. L’intégration de ces nanomatériaux favorise la densification de la matrice de béton en réduisant les vides et les capillaires, améliorant ainsi l’étanchéité et empêchant l’infiltration de substances délétères. La présente étude propose une enquête expérimentale complétée par une revue complète de la littérature, y compris des simulations d’absorption d’eau et des évaluations de l’intégrité de surface dans les matériaux traités et non traités. L’objectif est d’évaluer les contributions des nanoadditifs à la sécurité, à la durabilité et à la durabilité face aux défis posés par le changement climatique. Les résultats indiquent qu’un ajout de 1 % de nanoTiO2 donne la résistance mécanique la plus élevée, tandis que des concentrations plus élevées ont tendance à réduire les avantages dus à l’agglomération des particules. Cette constatation souligne l’importance d’optimiser le contenu en nanoparticules pour améliorer la résilience du béton face aux catastrophes naturelles, contribuant ainsi à des pratiques de construction durables. La comparaison avec des additifs à base de cuivre révèle que, malgré un certain gain de résistance relative au fil du temps, les formulations de cuivre ne sont pas à la hauteur des performances mécaniques, ce qui met en évidence le nanoTiO2 comme un agent plus prometteur pour améliorer la durabilité du béton dans les environnements sujets aux catastrophes. Compte tenu de la fréquence croissante des catastrophes environnementales, l’adaptation de la construction civile par l’incorporation durable de nanomatériaux nécessite un examen minutieux des processus de synthèse, de la stabilité à long terme et des impacts écologiques potentiels associés aux interactions des nanoparticules avec les composants environnementaux biotiques et abiotiques.
Les catastrophes sont des événements extrêmes définis par l’apparition de phénomènes naturels susceptibles de présenter des risques pour la société, comme l’illustrent les inondations, les glissements de terrain, les tremblements de terre et d’autres événements similaires, qui peuvent également être influencés par des facteurs anthropiques1. À la suite du changement climatique survenu en 2024, des pays africains comme le Kenya, ainsi que des pays asiatiques comme l’Indonésie et l’Afghanistan, ont connu de graves inondations, faisant des centaines de morts et des milliers de sans-abri2. De 1998 à 2017, les inondations ont touché plus de deux milliards de personnes dans le monde3. Selon Marengo et al., entre 2013 et 2022, plus de 2,2 millions de maisons au Brésil ont été endommagées, affectant plus de 4,2 millions de personnes dans 2 640 municipalités. Les inondations persistent en raison d’une combinaison de facteurs naturels, sociaux et climatiques, et ont généré des pertes de l’ordre de 10 milliards de dollars4.
Compte tenu de la gravité croissante et du risque généralisé de ces événements au cours des dernières années, les chercheurs et les professionnels ont recherché des stratégies de gestion et de nouvelles technologies visant à favoriser des communautés résilientes, parallèlement aux progrès de l’industrie vers une plus grande durabilité 5,6. Parmi les matériaux prometteurs pour les applications de génie civil visant à accroître la résilience aux catastrophes figurent les nanoparticules de dioxyde de titane (nanoTiO2), qui ont démontré de nombreux avantages pour les matériaux de construction essentiels, y compris le béton 7,8.
L’utilisation des nanomatériaux dans l’industrie de la construction est aujourd’hui répandue dans un large éventail d’applications. Ils sont utilisés dans les peintures et les revêtements pour améliorer la résistance à la dégradation par les UV et à l’attaque par des substances agressives. Ces matériaux contribuent à une plus grande durabilité, à une perméabilité réduite, à une meilleure isolation thermique et à une meilleure résistance au feu. Par exemple, lorsqu’il est incorporé dans l’asphalte, le TiO2 interagit avec les gaz polluants, les convertissant en composés moins nocifs. Appliqué sur le verre, le TiO2 peut rendre la surface autonettoyante, car la couche d’oxyde dégrade les molécules organiques et facilite l’élimination des poussières inorganiques. Le rayonnement ultraviolet interagit avec la couche de verre autonettoyante, décomposant davantage les molécules et éliminant la poussière organique. Le développement de nouveaux matériaux de construction est essentiel pour rendre les structures plus résistantes aux stress environnementaux, réduisant ainsi les impacts des catastrophes et améliorant la sécurité.
Le dioxyde de titane, réputé pour sa blancheur et sa stabilité, a d’abord acquis une grande visibilité auprès du public dans les années 1970, principalement en tant que pigment dans le béton et d’autres matériaux de construction9. Au cours de cette période, TiO2 a été utilisé pour créer des finitions durables et de haute qualité sur les surfaces extérieures. À partir des années 1990, une nouvelle direction a émergé avec la découverte de ses propriétés photocatalytiques, qui ont considérablement élargi les applications du TiO2 dans le secteur de la construction10.
Afin de bien comprendre la pertinence et l’applicabilité du TiO2 dans la construction civile, il est essentiel de décrire ses propriétés et de les relier à des avantages pratiques, tels que la résistance à la flexion, à la traction et à la compression, ainsi qu’à des indicateurs de durabilité tels que la résistivité électrique, la perméabilité et la résistance à l’attaque des sulfates, à la carbonatation et aux cycles de gel-dégel. Les résultats expérimentaux rapportés par Ali Nazari et al. indiquent que la résistance à la flexion du béton augmente avec l’ajout de nanoparticules de TiO2 jusqu’à une concentration de 3,0 %. Bien qu’il s’agisse d’avantages directs, les propriétés photocatalytiques et bactéricides du TiO2 doivent également être considérées comme des avantages économiques significatifs à long terme11.
La capacité des matériaux avancés à maintenir la stabilité en présence de facteurs environnementaux externes, y compris des scénarios catastrophiques tels que les intempéries, le changement climatique (par exemple, l’augmentation des niveaux deCO2) et les inondations, est très pertinente aujourd’hui. Néanmoins, l’adoption généralisée n’est viable que si la production et l’application sont écologiquement durables 12,13,14. Cette préoccupation est particulièrement importante étant donné que la fabrication du ciment représente environ 5 à 8 % des émissions mondiales deCO2, soit une part importante de l’empreinte du secteur de la construction civile, tandis que le ciment reste son pilier et que la consommation mondiale par habitant s’élève à environ 20 milliards de tonnes métriques..
Dans ce contexte, le présent manuscrit rend compte du développement et de l’application d’une procédure expérimentale pour évaluer les propriétés distinctives du nanoTiO2, en mettant l’accent sur des paramètres tels que la résistance mécanique du béton traité. L’étude s’appuie sur une revue de la littérature ciblée qui examine les avantages potentiels de ces nanoparticules, les considérations réglementaires, la production durable et leur pertinence dans le contexte de scénarios catastrophiques.
Aspects du dioxyde de titane dans le béton
Les nanoparticules de dioxyde de titane (nanoTiO2) englobent des tailles de 1 à 100 nanomètres et prennent généralement des morphologies sphériques ou ellipsoïdales. Leurs dimensions à l’échelle nanométrique leur confèrent une surface nettement accrue, ce qui améliore considérablement leur réactivité23. Ces nanoparticules ont pris de l’importance dans le domaine des composites à base de ciment en raison de leurs caractéristiques distinctives et de leurs diverses applications 24,25,26. NanoTiO2 est devenu un composant polyvalent dans les formulations de ciment, présentant des propriétés qui le rendent adapté à un large éventail d’utilisations industrielles 11,16,18,20.
Ce nanomatériau est utilisé pour plusieurs raisons, notamment des propriétés chimiques favorables, une faible toxicité, une rentabilité, des caractéristiques anticorrosion et des capacités photocatalytiques27,28. NanoTiO2 peut augmenter la résistance du béton à la manipulation, un facteur amplifié par la photocatalyse qui se produit sous la lumière ultraviolette (UV). Il possède la capacité de décomposer les substances organiques - telles que les polluants, la saleté et les micro-organismes - présentes dans le béton29. De plus, nanoTiO2 peut générer des radicaux libres très réactifs, conférant à la surface des propriétés nettoyantes, et il protège également le béton des dommages causés par les agents atmosphériques qui accélèrent l’usure, tels que les oxydes d’azote30.
Les particules de NanoTiO2 peuvent prendre plusieurs formes cristallines - rutile, anatase et brookite - chacune ayant des propriétés distinctes. L’anatase et le rutile sont les polymorphes les plus courants du TiO2, tandis que les propriétés de la brookite ne sont pas encore entièrement comprises, ce qui pose des défis pour l’application industrielle 31,32,33,34. En raison des propriétés photocatalytiques du TiO2, l’anatase est largement utilisée dans les systèmes de purification de l’eau et de l’air, où elle est très efficace pour décomposer les impuretés organiques et inorganiques. Le rutile est largement utilisé dans les industries du textile, des plastiques et de la peinture, et la forme rutile est également largement utilisée dans les écrans solaires et autres cosmétiques en raison de ses capacités de blocage des UV35,36.
Les nanoparticules de dioxyde de titane (nanoTiO2) offrent des applications polyvalentes dans les matériaux de construction, tels que le béton, en améliorant les performances et en introduisant de nouvelles fonctionnalités. Parmi leurs attributs notables figurent des propriétés antimicrobiennes et autonettoyantes, qui sont prometteuses pour atténuer la pollution de l’air urbain grâce à la transformation des gaz polluants 37,38,39. Lorsqu’il est exposé à la lumière du soleil, le nanoTiO2 peut décomposer les substances organiques en eau et en dioxyde de carbone, les sous-produits qui en résultent étant ensuite éliminés par l’eau40.
De plus, l’activité pouzzolanique du nanoTiO2 à l’interface extérieure du béton peut augmenter la durabilité, bien qu’elle puisse être associée à une absorption d’eau accrue et à des implications potentielles pour l’ouvrabilité41. Il est également important de noter que les particules de nanoTiO2 peuvent s’agglomérer dans la matrice de ciment, ce qui peut nuire aux performances 42,43,44. En ce qui concerne la dégradation des gaz, le béton incorporant du TiO2, par exemple, dans les applications de chaussée, a le potentiel de réduire les niveaux troposphériques d’O3 45.
Les capacités photocatalytiques du TiO2 permettent la formation de radicaux hydroxyles (OH) et d’ions superoxydes (O2-) en présence d’eau sous irradiation ultraviolette. Ces espèces très réactives oxydent et décomposent la saleté et les contaminants inorganiques. L’action photocatalytique du TiO2 abaisse également l’angle de contact de l’eau sur les surfaces, améliorant ainsi les performances d’autonettoyage46. Cette propriété autonettoyante contribue à réduire les impuretés en suspension dans l’air, ce qui pourrait réduire les concentrations de polluants associés aux risques climatiques liés aux gaz à effet de serre.
NanoTiO2 contribue également à l’augmentation de la résistance à la flexion et à la compression des matériaux. En termes de résistance à la compression, le nanoTiO2 réduit la porosité, affine la structure des pores, densifie la matrice et favorise l’hydratation. Cependant, l’obtention de ces avantages nécessite un contrôle minutieux de la charge de particules et une homogénéisation efficace pour éviter l’agglomération et la formation de zones faibles qui pourraient initier des fissures47. Le TiO2 agit comme une charge qui densifie le composite cimentaire, réduisant ainsi la porosité. Ce résultat est lié à (i) l’accélération de la formation de gel C-S-H, (ii) une réduction de l’espace disponible pour le développement du Ca(OH)2 , produisant des cristallites plus petits, et (iii) la création d’une microstructure plus homogène avec une porosité réduite. Des ajouts de TiO2 correctement calibrés peuvent également améliorer la résistance à la flexion des composites de ciment48.
Il a été démontré que NanoTiO2 améliore considérablement la durabilité des composites cimentaires en réduisant la porosité et la perméabilité à l’eau, et en offrant une protection contre les attaques chimiques et les facteurs environnementaux tels que les rayons ultraviolets. Cet avantage dépend toutefois de la dispersion adéquate des nanoparticules, car leur énergie de surface élevée et les interactions de van der Waals à l’échelle nanométrique ont tendance à favoriser l’agglomération37. Lorsqu’elle est correctement homogénéisée, l’incorporation de nanoTiO2 améliore l’imperméabilité, la résistivité électrique et la résistance aux cycles de gel-dégel et à l’attaque des sulfates, soulignant son potentiel de construction destinée à résister à des événements catastrophiques. Néanmoins, à des concentrations élevées, ces avantages peuvent être diminués ou même inversés 49,50.
Dans le contexte des applications du TiO2 dans la construction civile pour des scénarios extrêmes tels que les inondations, les tempêtes et les températures extrêmes, il est essentiel de trouver un équilibre entre les avantages du nanoTiO2 et les risques potentiels associés à son utilisation. Par exemple, les propriétés photocatalytiques qui peuvent améliorer la qualité de l’air urbain et aider au nettoyage et à l’assainissement des déchets après une catastrophe doivent être mises en balance avec les risques possibles d’inhalation et la toxicité pulmonaire 51,52,53.
Les additifs à base de cuivre améliorent l’imperméabilisation et sont peu coûteux et faciles à manipuler. Le dioxyde de titane nanométrique produit un béton hydrofuge et une résistance à la compression accrue. Actuellement utilisé à grande échelle, le TiO2 n’est pas destiné aux utilisateurs finaux mais a un potentiel pour la construction future. Les essais de résistance à la compression comparent les résultats d’échantillons avec divers mélanges afin d’analyser les avantages et les inconvénients des additifs de cuivre et du dioxyde de titane.
Le béton imprégné de nanoTiO2 présente une réflectance solaire plus élevée (albédo plus élevé), ce qui contribue à des températures ambiantes plus douces, atténue l’effet d’îlot de chaleur urbain et, pratiquement, réduit les températures des bâtiments et permet de réaliser des économies d’énergie. Cet avantage s’étend à la réduction de la consommation de produits de nettoyage54,55.
Des attributs tels que l’opacité, la durabilité, le potentiel antibactérien, la résistance aux UV et la capacité d’intégrer des matières premières alternatives dans le béton - réduisant ainsi la dépendance au ciment et aux agrégats - signalent de fortes incitations au déploiement de nanoTiO2. Ces perspectives sont complétées par le potentiel d’amélioration des toits verts et des surfaces qui favorisent un drainage plus efficace des eaux de pluie 10,56,57,58.
Sur la longévité et la durabilité du béton incorporant du nanoTiO2, des études contemporaines indiquent une résistance accrue aux rayons ultraviolets, ainsi qu’une meilleure résistance aux attaques chimiques et aux intempéries59. Ces améliorations produisent des avantages économiques directs en réduisant la fréquence des réparations et des remplacements, réduisant ainsi la consommation de matériaux et les déchets au fil du temps. Au-delà de ces avantages financiers immédiats, l’utilisation de nanoTiO2 permet également de réaliser des économies indirectes liées à la production, au transport et à l’élimination du béton, contribuant ainsi à une réduction de l’empreinte carbone associée à son cycle de vie33,60.
Compte tenu des implications environnementales des procédés au sulfate et au chlorure utilisés pour extraire l’ilménite et le rutile, le procédé au chlorure est considéré comme l’option la moins nocive. Cette voie utilise du chlore gazeux pour convertir le rutile en TiCl4, qui est ensuite oxydé en TiO2, produisant moins de sous-produits nocifs que le procédé au sulfate59. Les produits contenant du TiO2 produisent des résidus stables et non lixiviants à la fin de leur cycle de vie, ce qui présente un risque environnemental moindre. Ce profil environnemental complète la résistance et la durabilité accrues des matériaux, en particulier dans des conditions catastrophiques, soulignant la valeur des évaluations expérimentales dans l’avancement des technologies de construction.
Une étude réalisée par Mohajerani et al. démontre que les propriétés du béton varient avec les nanomatériaux appliqués61. Des nanoparticules de silice, de titane, de carbone, de fer et d’aluminium sont introduites dans le béton pour renforcer la résistance mécanique, favoriser une hydratation rapide et améliorée, induire un degré d’hydratation plus élevé, conférer des capacités d’auto-nettoyage, améliorer la durabilité mécanique, prévenir la fissuration, augmenter la résistance à la compression et augmenter la résistance à l’abrasion. Ces avantages sont hautement souhaitables dans les matériaux de construction, contribuant à une plus grande résilience des structures face aux catastrophes naturelles.
Par conséquent, l’objectif de ce travail est de valider, par le biais de l’essai de traction par fendage sur des éprouvettes cylindriques, l’amélioration de la résistance mécanique du béton obtenue en incorporant des nanoparticules de dioxyde de titane dans le mélange. Cette recherche vise à faire progresser le développement de matériaux plus résilients, notamment dans le contexte de catastrophes naturelles où les structures en béton sont soumises à des conditions extrêmes et nécessitent une durabilité et une performance supérieures.
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La base méthodologique utilisée est l’essai brésilien, qui détermine la résistance à la traction indirecte (fendillement) via la section diamétrale d’éprouvettes cylindriques chargées verticalement. Ce procédé, mis au point par le professeur Lobo Carneiro en 1943 pour les matériaux cimentaires, consiste à appliquer deux forces de compression concentrées et diamétralement opposées à un cylindre, générant ainsi des contraintes de traction uniformes perpendiculaires au diamètre le long de la sectiond’essai 62.
Le test a utilisé cinq groupes, désignés A, B, C, D et E, correspondant respectivement à : un groupe témoin ; béton avec 1 % de NanoTiO2 ; béton avec 2 % de NanoTiO2 ; béton avec 3 % de NanoTiO2 ; et du béton avec 3 % d’additif plastifiant à base de cuivre. Chaque groupe a été subdivisé en trois sous-groupes de temps de durcissement : 7 jours (1), 14 jours (2) et 28 jours (3). Ainsi, l’étude comprend un total de quinze spécimens, étiquetés comme A1-A3, B1-B3, C1-C3, D1-D3 et E1-E3. La figure 1 illustre l’échantillon utilisé dans cette étude.
1. Préparation de l’échantillon
2. Processus de durcissement
3. Essai de résistance à la compression
REMARQUE : Effectuez l’essai de résistance à la compression à l’aide de la machine d’essai de béton (presse), avec une plage nominale et calibrée de 0 à 100 tonnes. Étalonnez l’équipement par mesure indirecte, en reliant la pression à la surface du piston, à l’aide d’un manomètre numérique et d’un pied à coulisse numérique. Mettez l’équipement à zéro et assurez-vous de l’alignement avant de tester.
4. Élimination des résidus de matériaux
REMARQUE : Tous les déchets générés pendant le processus d’essai doivent être éliminés conformément aux normes ABNT NBR 10004 et ABNT NBR 15116, ainsi qu’aux directives des autorités locales responsables des normes et standards de protection de l’environnement, y compris68, 69, 70.
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Les valeurs obtenues pour chaque échantillon dans l’essai de résistance à la compression sont présentées dans le tableau 2 et la figure 3. Le tableau 2 indique l’identification de l’échantillon, son temps de durcissement et la charge maximale supportée en MPa. Dans la figure 2, il est possible de visualiser un sous-ensemble d’échantillons après l’essai de compression. Les valeurs enregistrées so...
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Dans l’analyse des résultats, qui sont illustrés graphiquement à la figure 3, il est évident que les échantillons contenant un additif plastique à base de cuivre présentaient la résistance à la compression la plus faible. Ces valeurs sont inférieures à celles du groupe témoin, qui a été préparé sans aucun additif. La figure 3 montre en outre qu’après 28 jours de durcissement, les éprouvettes atteignent les meilleures performance...
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Les auteurs déclarent qu’ils n’ont aucun intérêt financier ou matériel lié à la recherche décrite dans cet article.
Merci à la société RAID Technology and Construction pour le temps et l’équipement fournis pour réaliser l’essai de résistance pour le modelage des échantillons de béton, accompagné du soin et du support technique spécialisé dans la région.
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| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Échantillons d’essai en béton | JCRB | Bloco 20 | Deux unités ont été utilisées pour le test |
| Échelle analytique | Shimadzu | ATX224R | |
| Équipement d’essai de résistance à la compression | SoloTest | 1504100 | |
| Additif plastifiant | NovaTintas | NovaLiga | |
| Échelle de précision | Sartorius | 3862 MP8-1 ; | |
| Dioxyde de titane R110 | FRAC Chemical | FR10ZZ2400905RT | Pigment de dioxyde de titane rutile |
| Nettoyeur à ultrasons | Crist & oacute ; foli | 2,5L |
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