Le béton imprimé en 3D peut-il sauver l’environnement ?

Le béton est omniprésent autour de nous. Des maisons, bureaux et bâtiments scolaires aux magasins, barrages, ponts, trottoirs et routes, le béton aide à construire les structures que nous utilisons chaque jour. 

Ce n’est pas un matériau nouveau en aucune façon. En fait, les premières traces de structures en béton remontent à 6500 av. J.-C. dans les régions de la Syrie et de la Jordanie. Puis, bien sûr, les Romains qui ont largement utilisé le béton dans leurs constructions. Et aujourd’hui, des éons plus tard, bon nombre de ces structures se tiennent toujours debout.

Au fil des ans, l’utilisation du béton n’a fait que croître, le marché mondial du béton s’élevant à 687,2 milliards de dollars en 2021. Il est prévu d’atteindre 821,6 milliards de dollars d’ici 2026, démontrant le rôle que le béton joue dans nos vies. 

Cette expansion est stimulée par la croissance du secteur de la construction ainsi que par l’augmentation des investissements dans de nouveaux projets de construction à travers le monde. La croissance économique et l’urbanisation rapide contribuent également à la demande croissante de complexes résidentiels et commerciaux à l’échelle mondiale. À mesure que les villes grandissent, le besoin d’infrastructures augmente, tout comme le besoin de béton.

Alors que nous savons qu’il y a une demande continue pour le ciment, et que cela dure depuis des siècles, pourquoi est-il si populaire au départ ? Et est‑ce que tout est bon ? Eh bien, découvrons‑le !

Béton : le besoin dangereux du monde

Avant de comprendre ce qui rend le béton si précieux, voyons exactement ce que c’est. C’est un mélange de ciment (ou de chaux), d’eau et d’agrégats, qui sont un ensemble de particules naturelles ou artificielles comme le sable, le gravier ou la roche concassée. 

Ici, le ciment, qui est un mélange manufacturé de calcium, fer, silicium et aluminium, entre autres ingrédients, est le liant qui confère au béton ses propriétés de durcissement, tandis que l’eau active le ciment pour former un matériau dense. 

Ce qui rend ce matériau composite si précieux, ce sont ses propriétés, notamment la malléabilité — la capacité du béton fraîchement mélangé à être moulé dans presque n’importe quelle forme — et la durabilité — c’est‑à‑dire qu’il peut durer de nombreuses années. Ce matériau abordable peut également être adapté pour répondre à différents besoins de construction.

D’autres propriétés attrayantes du béton incluent sa facilité d’utilisation, sa résistance et sa capacité à supporter non seulement des charges lourdes et des contraintes de compression, mais aussi des conditions météorologiques sévères et des catastrophes naturelles telles que les tremblements de terre et les ouragans.

Ensuite, il y a la capacité du béton à retenir la chaleur, sa résistance au feu et sa facilité de réparation en cas de dommage. Toutes ces propriétés font du ciment un produit très précieux, entraînant une explosion de son utilisation.

En ce qui concerne les cas d’utilisation du béton, il possède diverses applications dans le secteur de la construction. Le béton est en fait le matériau de construction le plus utilisé au monde après l’eau. Il est utilisé pour construire des barrages, des ponts, des autoroutes, des aéroports, des routes, des canaux, des réservoirs et des revêtements, ainsi que des bâtiments résidentiels, des complexes commerciaux et d’autres structures porteuses.

En termes simples, le béton est un matériau fondamental dans la construction, jouant un rôle crucial dans la formation de l’infrastructure qui nous entoure.

Mais cela ne signifie pas que le béton n’offre que des avantages. En fait, il est extrêmement dangereux.

Pour commencer, le ciment est responsable de 1,6 milliard de tonnes de dioxyde de carbone (CO2), ce qui représente environ 8 % des émissions mondiales de CO2. Et la dépendance importante du secteur de la construction au ciment aggrave son empreinte carbone immense.

Par ailleurs, la fabrication du ciment Portland ordinaire (CPO) est responsable de 5 % à 8 % des émissions mondiales de CO2 d’origine anthropique. Lorsqu’on extrapole à toutes les activités liées à la construction, les dernières recherches montrent un tableau alarmant, avec près de 40 % des émissions de CO2 liées à l’énergie provenant de ce secteur, qui consomme 36 % de l’énergie finale mondiale.

Cela est extrêmement préoccupant car les émissions de CO2 devraient atteindre un record de 37.41 GtCO2. Les émissions de CO2 sont également la cause principale du réchauffement climatique, et selon le GIEC, le réchauffement à son rythme actuel devrait atteindre 1.5 °C au-dessus des niveaux préindustriels entre 2030 et 2052.

Compte tenu des répercussions environnementales du béton, alors que son taux de consommation annuel s’élève à 30 milliards de tonnes et devrait augmenter de façon continue, il est important que chacun, des innovateurs aux organisations et aux gouvernements, s’attaque directement à ce problème.

Faire progresser la construction grâce à l’impression 3D 

Le béton, comme nous l’avons souligné précédemment, est un mal nécessaire car bien qu’il offre de grands avantages et soit crucial pour la civilisation, il est réellement nocif pour la planète, qui fait déjà face à la déforestation, au changement climatique, à la perte de biodiversité et bien d’autres problèmes. 

Ajoutez du béton au mélange, et les choses ne feront qu’empirer. Mais s’il existait un moyen de remédier aux effets néfastes de ce matériau de construction populaire ?

Eh bien, d’une part, le béton évolue pour répondre aux besoins complexes et avancés du monde. Comme nous l’avons précédemment indiqué, des matériaux avancés comme le graphène et le chanvre sont de plus en plus utilisés dans les matériaux de construction. Même le ciment sans carbone est produit en remplaçant le calcaire ou en utilisant du calcaire issu de combustibles fossiles.

Il existe une autre solution, et c’est l’impression 3D. Exactement ! La même méthode qui est utilisée pour créer de l’art, des meubles et d’autres produits de consommation, ainsi que pour la criminalistique, les prothèses et la chirurgie, change également la donne pour la construction. 

L’impression 3D ou fabrication additive, qui consiste à créer des objets tridimensionnels à partir d’un fichier numérique en déposant des couches de matériau, gagne beaucoup d’adhérence grâce à ses avantages de prototypage rapide, de personnalisation, d’économies de coûts, de réduction des déchets de matériau, de promotion de l’innovation et de durabilité. 

Cette technologie est désormais utilisée dans la construction, ce qui n’est pas nouveau en soi, car l’impression 3D a été utilisée pour la première fois dans la construction il y a plusieurs décennies. Cependant, l’utilisation de l’impression 3D a considérablement augmenté ces dernières années pour accélérer le processus, optimiser l’utilisation des matériaux, explorer des conceptions complexes et des structures sur mesure, faciliter la construction à distance et améliorer la sécurité.

Les avantages multiformes de l’impression 3D incluent en outre des chaînes d’approvisionnement plus courtes grâce à la construction sur site et une diminution substantielle des risques professionnels grâce à la réduction du besoin de main‑d’œuvre manuelle dans les opérations à haut risque.

Cette année, nous avons effectivement vu le plus grand quartier imprimé en 3D du monde au Texas près de near its completion après deux ans de construction. La société de construction imprimée en 3D ICON est à l’origine de ce projet.

Entreprise privée, ICON ne se contente pas d’imprimer des maisons résidentielles, elle est également impliquée dans la défense et la construction hors Terre. Il y a moins d’une décennie, ICON a levé un total de 451 millions de dollars, ce qui a porté sa valorisation à environ 2 milliards de dollars. La société est en fait sous contrat avec la NASA pour construire des plateformes d’atterrissage, des abris et d’autres structures sur la Lune dans le cadre du programme d’exploration Artemis de l’agence.

En 2018, elle a construit la première maison imprimée en 3D autorisée de 350 pieds carrés aux États-Unis, qui n’a pris que deux jours. La maison a été construite en utilisant du béton parce que, comme l’a déclaré le PDG d’ICO Jason Ballard :

“C’est l’un des matériaux les plus résilients sur Terre.”

Pour sa communauté texane, l’entreprise utilise son imprimante Vulcan, qui ressemble beaucoup à une imprimante 3D de bureau ordinaire, et dépose couche par couche. La différence avec cette imprimante Vulcan est qu’elle mesure 45 pieds de large et pèse 4,75 tonnes. 

Quant à son processus, la poudre de béton est mélangée avec du sable, de l’eau et d’autres additifs, puis pompée dans l’imprimante. Le mélange de béton est ensuite extrudé par une buse sur un pinceau, qui construit couche par couche en suivant un chemin préprogrammé.

L’imprimante robotique a construit 100 maisons imprimées en 3D dans ce qu’elle décrit comme la plus grande communauté imprimée en 3D du monde. Avec l’impression 3D plus rapide, moins coûteuse, minimisant les déchets de matériaux de construction et nécessitant moins de travailleurs, elle apporte « beaucoup d’efficacité au marché du commerce », selon l’entreprise.

Ce n’est cependant que le début, comme le montre la croissance que le marché de la construction par impression 3D devrait connaître. Valorisé à 5,5 milliards de dollars l’année dernière, le marché mondial de la construction par impression 3D devrait croître à un TCAC de 105,8 % pour atteindre un impressionnant 3 300 milliards de dollars d’ici 2032.

Ces chiffres peuvent sembler ahurissants au premier abord, mais comme nous l’avons partagé dans notre article précédent, l’impression 3D pourrait émerger comme une solution potentielle au grave problème de la pénurie de logements, ce qui rend l’objectif de plusieurs billions de dollars une réelle possibilité.

Compte tenu de l’intérêt immense pour la construction par impression 3D, il est également logique d’utiliser cette technologie pour améliorer le marché de la construction. Et c’est exactement ce que font les scientifiques de l’Université technologique de Nanyang (NTU) de Singapour.

Les chercheurs ont franchi une étape supplémentaire en imprimant en 3D le béton lui-même. Pour cela, ils ont développé une méthode d’impression 3D du béton qui capture le carbone, montrant une nouvelle façon de réduire l’impact environnemental de l’industrie de la construction.

Cliquez ici pour savoir si l’impression 3D peut nous aider à résoudre la pénurie de logements.

Impression 3D du béton qui capture le CO2

Plus tôt ce mois-ci, des scientifiques de la NTU ont publié leurs recherches sur « Capture et séquestration du carbone avec impression 3D du béton intégrant du CO2 in situ et de la vapeur ». 

La recherche détaille la méthode innovante qui vise à réduire significativement l’empreinte carbone du ciment en diminuant l’utilisation de matériaux, les besoins en main‑d’œuvre et le temps de construction. 

Il est également suggéré que le développement durable grâce à l’impression 3D du béton pourrait entraîner jusqu’à 5 % de réduction de la consommation énergétique mondiale. Ces avantages environnementaux sont potentiellement équivalents à sa capacité à rationaliser les processus de construction.

Cependant, le mélange de CO2 dans le béton, comme le fait la dernière étude, a déjà été réalisé dans le but d’améliorer la qualité du matériau et d’aider à réduire l’impact environnemental négatif du ciment. 

Des études précoces ont déjà montré des améliorations des propriétés mécaniques du béton grâce à un mélange direct en lot avec du CO2 et à l’exposition du béton au CO2 pendant la production dans des chambres de carbonatation, formant ainsi une « coquille de carbonatation ». 

Des études antérieures ont rapporté une augmentation d’environ 15 fois de la résistance à la pénétration et jusqu’à 1,16 % d’absorption de carbone en seulement une demi‑heure de mélange du mortier avec du CO2. L’ajustement du durcissement par carbonatation accélérée (ACC) a montré une absorption de carbone de 1,98 à 25,5 %.

Alors que la recherche sur l’impression 3D du béton s’est principalement concentrée sur la conception de mélanges cimentaires verts pour réduire son empreinte carbone, la dernière étude a noté que quelques‑uns ont envisagé d’améliorer les technologies de traitement, notamment pour augmenter sa capacité de capture et de stockage du carbone en vrac (CCS). 

Les études sur la carbonatation des matériaux cimentaires, en particulier le faible accent mis sur les profondeurs, comme le soulignent les chercheurs, expliquent pourquoi leur mise en œuvre à grande échelle soulève des problèmes de validité. Sans parler des solutions CCS confinées dans des chambres qui rencontrent des limites en termes de matériel et de consommation d’énergie lorsqu’elles sont appliquées à l’impression 3D du béton (3DCP). En conséquence, les avantages d’une construction évolutive, automatisée et sur site sont compromis.

Cela crée le besoin de développer un processus de carbonatation artificielle pour l’impression 3D du béton qui dépasse les techniques de durcissement traditionnelles.

En conséquence, les chercheurs de la NTU ont développé un nouveau processus pour étudier son efficacité à séquestrer le dioxyde de carbone.

La technologie nouvellement développée implique un système à deux étapes basé sur l’extrusion. La première étape consiste à injecter du CO2 et de la vapeur dans le béton en cours de mélange. Le mélange incorpore ensuite directement et stocke le CO2 dans la structure du béton. Le CO2 et la vapeur en question sont capturés comme sous‑produits de processus industriels. 

Cette nouvelle approche a démontré une augmentation de 38,2 % de la capture de carbone en vrac, offrant une autre voie pour parvenir à une construction décarbonée grâce à l’impression 3D du béton.

La conception de l’attachement propriétaire de la tête d’impression, qui facilite l’injection régulée d’additifs gazeux et liquides, vise à résoudre le problème crucial des préoccupations de durabilité environnementale liées à la construction automatisée. Elle répond également aux exigences de mise en forme à la demande mais, surtout, au manque de solutions CCS facilement disponibles compatibles avec l’impression 3D du béton.

Non seulement cette nouvelle méthode réduit l’empreinte carbone du ciment, mais elle a également démontré une amélioration des propriétés mécaniques du béton. Cela, à son tour, offre une grande résistance à la structure comparée au béton imprimé en 3D traditionnel.

Selon le document de recherche, l’intégration du CO2 et de la vapeur a entraîné une augmentation allant jusqu’à 50 % de l’imprimabilité 3D, 45,3 % de la résistance à la flexion et 36,8 % de la résistance à la compression. 

Les chercheurs ont conclu que les échantillons exposés à l’impression intégrant CO2‑vapeur et au durcissement à l’air libre ont obtenu la plus forte absorption de carbone. Selon les chercheurs :

“La solution présentée offre une voie prometteuse vers une construction décarbonée tout en élargissant les options viables pour le CCS au‑delà des méthodes de durcissement traditionnelles confinées.”

L’équipe a également souligné l’optimisation des configurations d’impression, des formulations de mélanges et de l’injection de gaz de combustion afin de réduire le gaspillage de matière première de dioxyde de carbone pur comme pistes de recherche futures.

Entreprise investissable dans le secteur de l’impression 3D

Examinons maintenant une société cotée en bourse impliquée dans le marché de l’impression 3D, estimé à 17,5 milliards de dollars en 2024 et prévu de croître à un TCAC de 16,4 % pour atteindre 37,4 milliards de dollars au cours des cinq prochaines années, qui réalise des avancées dans le secteur et contribue à améliorer le monde.

1. Stratasys Ltd.

Stratasys est un nom populaire dans le domaine de l’impression 3D, et elle fournit des solutions à travers de multiples secteurs. Les technologies de l’entreprise ont contribué aux avancées dans le domaine de l’impression 3D. 

Avec une capitalisation boursière de 689,5 millions de dollars, Stratasys voit actuellement ses actions se négocier à 9,66 $, en baisse de 32,35 % cette année. L’entreprise affiche un BPA (TTM) de -1,32 et un PER (TTM) de -7,30.

Pour le troisième trimestre 2024, Stratasys a déclaré un chiffre d’affaires de 140,0 millions de dollars, en hausse par rapport aux 162,1 millions de dollars enregistrés au même trimestre l’année précédente. Avec ces chiffres, les revenus récurrents des consommables de l’entreprise connaissent une croissance d’une année sur l’autre depuis huit trimestres consécutifs, ce qui, selon elle, « reflète une utilisation soutenue des imprimantes ». 

La marge brute GAAP de Stratasys a progressé à 44,8 %, tandis que sa perte nette GAAP s’est élevée à 26,6 millions de dollars, et le résultat net non‑GAAP a commencé à atteindre la rentabilité. 4,5 millions de dollars de liquidités ont été signalés comme étant utilisés dans les opérations, et le flux de trésorerie opérationnel depuis le début de l’année reste positif.

Avec ces chiffres solides, Stratasys a relevé ses prévisions pour l’ensemble de l’année 2024. Selon cela ; elle a déclaré un chiffre d’affaires de 580 millions de dollars contre 570 millions de dollars, un résultat net non‑GAAP de 5 millions de dollars et des dépenses d’investissement de 20 millions de dollars.

“Nous avons commencé avec succès à transformer l’entreprise grâce à l’optimisation des coûts et en nous concentrant sur des opportunités à forte croissance.”

– Le PDG Dr Yoav Zeif a déclaré à l’époque

Il a ajouté que la principale plateforme F3300 de l’entreprise attire beaucoup d’attention tandis qu’elle continue de s’étendre dans ses principaux secteurs cibles, notamment la santé, l’automobile et l’aérospatiale.

Selon le Dr Zeif, le plan de restructuration de l’entreprise permettra de réaliser 40 millions de dollars d’économies de coûts annuelles à partir de l’année prochaine.

“Nous sommes bien positionnés pour offrir une croissance accrue du chiffre d’affaires, de la rentabilité et du flux de trésorerie en 2025, afin de répondre à la demande refoulée une fois les conditions du marché améliorées.”

– Dr Zeif

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Conclusion

Le béton a été une pierre angulaire du développement humain pendant des siècles, mais il n’est pas sans dangers. L’impact environnemental du béton devient une préoccupation grave, créant un besoin urgent de trouver de meilleures solutions. La technologie la plus récente des chercheurs de la NTU est un tel développement qui va dans la bonne direction. En utilisant les principes de la fabrication additive, l’impression 3D du béton a redéfini les opérations traditionnelles et favorisé la durabilité. 

Alors que le monde lutte contre l’expansion urbaine et le changement climatique, des innovations comme l’impression 3D du béton peuvent aider à répondre aux besoins croissants et complexes de la construction tout en atténuant ses effets néfastes. Et bien que des défis subsistent en matière d’échelle et de normalisation, avec le temps, à mesure que la technologie s’améliore et est largement adoptée, l’impression 3D pourra jouer un rôle clé dans la formation des infrastructures de demain.

Cliquez ici pour une liste des meilleures actions de fabrication additive et d’impression 3D.