Comment les volcans pourraient être utilisés pour construire les villes du futur écoénergétiques


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Les villes du futur peuvent être construites avec des cendres volcaniques disponibles localement
Une étude révèle que l'ajout de cendres volcaniques réduit l'énergie globale nécessaire à la fabrication du béton.
Écrit par Jennifer Chu
Nouvelles du MIT

Les ingénieurs du MIT travaillant avec des scientifiques au Koweït ont découvert que les roches volcaniques, lorsqu'elles sont pulvérisées en une fine cendre, peuvent être utilisées comme additif durable dans les structures en béton.


Dans un article publié en ligne dans leJournal d'une production plus propre, les chercheurs rapportent qu’en remplaçant un certain pourcentage de ciment traditionnel par de la cendre volcanique, ils peuvent réduire «l’énergie intrinsèque» d’une structure en béton, ou l’énergie totale nécessaire à la fabrication du béton. Selon leurs calculs, il faut 16% d'énergie en moins pour construire un quartier pilote avec 26 bâtiments en béton fabriqués avec 50% de cendres volcaniques, par rapport à l'énergie nécessaire pour fabriquer les mêmes structures entièrement en ciment Portland traditionnel.



Lorsqu'ils réduisaient les cendres volcaniques à des particules de plus en plus petites, les chercheurs ont découvert qu'un mélange de poudre plus fine et de ciment Portland produisait des structures en béton plus solides, par rapport à celles faites de ciment seul. Cependant, le processus de broyage des cendres volcaniques en ces fines particules nécessite de l’énergie, qui à son tour augmente l’énergie incarnée de la structure résultante. Il y a donc un compromis entre la résistance d’une structure en béton et son énergie intrinsèque, lorsque la cendre volcanique est utilisée.


Sur la base d’expériences avec divers mélanges de béton et de cendres volcaniques et de calculs de l’énergie intrinsèque de la structure résultante, les chercheurs ont cartographié la relation entre la résistance et l’énergie intrinsèque. Ils disent que les ingénieurs peuvent utiliser cette relation comme une sorte de modèle pour les aider à choisir, par exemple, le pourcentage de ciment qu'ils voudraient remplacer par de la cendre volcanique pour produire une structure donnée.

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«Vous pouvez personnaliser cela», déclare Oral Buyukozturk, professeur au Département de génie civil et environnemental (CEE) du MIT. «Si c'est pour un blocage de la circulation, par exemple, où vous n'aurez peut-être pas besoin d'autant de force que, par exemple, pour un immeuble de grande hauteur. Vous pourriez donc produire ces choses avec beaucoup moins d'énergie. C'est énorme si vous pensez à la quantité de béton utilisée dans le monde. '

Le béton est le matériau le plus utilisé au monde, juste derrière l'eau. La fabrication du béton consiste d'abord à décaper des roches telles que le calcaire hors des carrières, puis à les transporter vers des usines, où elles sont ensuite concassées et traitées à haute température par divers processus aboutissant à la production de ciment.


Ces processus à forte intensité énergétique créent une empreinte environnementale importante; la production de ciment Portland traditionnel représente environ 5 pour cent des émissions mondiales de dioxyde de carbone. Pour réduire ces émissions, Buyukozturk et d'autres recherchent des additifs durables et des alternatives au ciment.

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Les cendres volcaniques présentent plusieurs avantages durables en tant qu'additif dans la fabrication du béton: le matériau rocheux, qui se trouve en abondance autour des volcans actifs et inactifs du monde entier, est naturellement disponible; il est généralement considéré comme un déchet, car les gens ne l'utilisent généralement pas à des fins généralisées; certaines cendres volcaniques ont des propriétés intrinsèques «pouzzoloniques», ce qui signifie que, sous forme de poudre, les cendres contenant une quantité réduite de ciment peuvent se lier naturellement à l'eau et à d'autres matériaux pour former des pâtes de type ciment.

«La production de ciment nécessite beaucoup d'énergie car il y a des températures élevées, et c'est un processus en plusieurs étapes», explique Chin, qui, avec Kupwade-Patil, a dirigé une grande partie du travail expérimental du groupe en tant qu'étudiant dans le programme d'opportunités de recherche de premier cycle (UROP) avec Buyukozturk. «C’est la principale motivation pour essayer de trouver une alternative. Les cendres volcaniques se forment sous une chaleur et une pression élevées, et la nature fait en quelque sorte toutes ces réactions chimiques à notre place. »


L'équipe a d'abord examiné la quantité d'énergie qu'il faudrait pour fabriquer du béton à partir d'un mélange de ciment et de cendres volcaniques, par rapport au ciment seul. Pour ce faire, les chercheurs ont consulté plusieurs bases de données dans lesquelles d'autres avaient calculé l'énergie intrinsèque associée à divers procédés industriels, comme l'énergie qui entre dans le concassage de la roche ou le durcissement du ciment. Les chercheurs ont parcouru les bases de données pour assembler les processus individuels associés à la production de ciment traditionnel et de ciment contenant 10 à 50% de cendres volcaniques.

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Ils sont ensuite allés au laboratoire, où ils ont fabriqué de petits échantillons de béton avec différents pourcentages de cendres volcaniques, ainsi que des échantillons constitués uniquement de ciment Portland. Chin et ses collègues ont soumis chaque échantillon à des tests standard de résistance, tels que la compression des structures jusqu'à ce qu'elles commencent à se fissurer. Ensuite, ils ont cartographié la force de chaque échantillon par rapport à son énergie intrinsèque calculée.

Selon leurs résultats, le remplacement de 50% du ciment traditionnel par de la cendre volcanique d’une taille moyenne de particules de 17 micromètres peut réduire l’énergie intrinsèque du béton de 16%. Cependant, à cette taille de particule, les cendres volcaniques peuvent compromettre la résistance globale du béton. Le broyage des cendres jusqu'à une taille de particule d'environ 6 micromètres augmente considérablement la résistance du béton, car les particules plus petites fournissent une plus grande surface avec laquelle l'eau et le ciment peuvent se lier chimiquement.


L’équipe a extrapolé ses résultats pour voir comment des structures constituées en partie de cendres volcaniques affecteraient l’énergie incarnée du béton à l’échelle de bâtiments et de quartiers entiers.

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Les chercheurs se sont concentrés sur un quartier du Koweït avec 13 bâtiments résidentiels et 13 bâtiments commerciaux, tous fabriqués avec du ciment Portland traditionnel, principalement importé d'Europe. Avec l'aide de leurs collaborateurs au Koweït, ils ont fait voler un drone au-dessus du quartier pour collecter des images et des mesures. Ils ont également consulté les autorités locales, qui leur ont fourni des informations complémentaires sur chaque système de construction.

En utilisant toutes ces informations, l'équipe a calculé l'énergie intrinsèque existante du quartier, puis a calculé comment cette énergie intrinsèque changerait si les bâtiments étaient construits avec du béton composé de divers pourcentages de cendres volcaniques, qui est largement disponible au Moyen-Orient.


Comme pour leurs expériences en laboratoire, ils ont découvert que les infrastructures d’un quartier peuvent être construites avec beaucoup moins d’énergie si les mêmes bâtiments sont construits avec du béton fabriqué à partir d’un mélange de ciment composé à 30% de cendres volcaniques.

«Ce que nous avons découvert, c'est que le béton peut être fabriqué avec des additifs naturels ayant les propriétés souhaitées et une énergie intrinsèque réduite, ce qui peut se traduire par des économies d'énergie significatives lorsque vous créez un quartier ou une ville», déclare Buyukozturk.

Cette recherche a été financée en partie par la Fondation koweïtienne pour l'avancement des sciences. Le projet a été mené dans le cadre du projet phare du Koweït-MIT sur la durabilité de l'environnement bâti du Koweït pour lequel Buyukozturk était le principal chercheur.

Réimprimé avec la permission de Nouvelles du MIT

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