Scruter l’infiniment petit pour créer des infrastructures plus durables

L’état des infrastructures routières est un sujet de préoccupation grandissant. Plusieurs ponts et viaducs doivent être rénovés. Dans certains cas, il faut carrément les remplacer par de nouveaux ouvrages qui devront être plus durables. L’une des solutions se trouve dans l’usage de matériaux de polymère renforcé de fibres (PRF). Ces composites combinent une résine polymère à laquelle on a ajouté des fibres de renfort servant à soutenir les charges mécaniques. Ces matériaux, dont certains sont déjà en usage, ont des propriétés spécifiques très élevées par rapport aux matériaux conventionnels. Le professeur de génie civil Mathieu Robert mène des recherches pour améliorer encore davantage ces matériaux de nouvelle génération. Il vise aussi à en réduire l’empreinte écologique.

Pour y parvenir, il étudie notamment l’ajout de certaines fibres naturelles ainsi que de nanoparticules d’argile ou de mica à ces matériaux. Ces derniers mois, le chercheur a d’ailleurs obtenu un financement de la Fondation canadienne pour l’innovation, pour acquérir une machine de traction qui permet, par exemple, de mesurer la résistance de monofilaments de quelques microns de diamètre et leur comportement lorsqu’ils sont soumis à un poids de moins d’un dixième de gramme. En scrutant les propriétés mécaniques de l’infiniment petit, les matériaux de demain pourraient présenter des qualités jamais vues!

Résines nanorenforcées

Les matériaux de PRF typiquement utilisés en génie civil sont les composites à base de fibres de verre ou de carbone. Ils servent essentiellement au renforcement interne du béton – par exemple par des barres d'armature – ou encore à former l’enveloppe externe des structures. Les PRF servent aussi dans la fabrication de pièces structurales préfabriquées, dont des poutres ou même des tabliers de ponts.

Un volet des recherches de Mathieu Robert vise à développer de nouvelles techniques de renforcement des résines polymères à l'aide «de nouveaux types de renforts» à l’échelle nanoscopique. Par exemple, en ajoutant des organosilicates naturelles – comme des nanoparticules de mica ou d’argile – à une résine, il serait possible d’optimiser les propriétés barrières face à l’humidité, aux ultraviolets et au feu des PRF et d’améliorer leur durabilité.

«L'introduction de ces nouveaux types de renforts nécessite une étude approfondie des phénomènes d'interface entre les renforts et le polymère pour assurer une certaine intégrité du matériau au point de vue mécanique et de sa durabilité à long terme», explique le professeur. Autrement dit, des analyses doivent confirmer l’«affinité» entre les renforts et les polymères.

«Les interfaces doivent aussi être caractérisées mécaniquement et physiquement, et les matériaux doivent subir des vieillissements accélérés en laboratoire afin de confirmer leur durabilité à long terme face aux environnements d'application et de comprendre les phénomènes de dégradation en cause», dit Mathieu Robert.

À l’échelle du matériau

Le laboratoire du professeur Robert disposera bientôt d’une machine de traction universelle électromécanique, qui permettra de réaliser des essais mécaniques à de très faibles niveaux de chargement (de moins de 0,1 N, soit une charge de moins d’un dixième de gramme). «Cet appareil nous permettra de tester efficacement les propriétés mécaniques de certains matériaux développés, comme des monofilaments de renforts, des polymères nanorenforcés et des interfaces fibres/résine», dit le chercheur.

Toutefois, précise-t-il, il ne s'agit pas ici de tester des applications ou d'extrapoler des résultats obtenus à petite échelle sur des applications grandeur nature, mais bien de faire des tests à l'échelle du matériau. «Par exemple, il est relativement difficile de pouvoir faire un essai de traction sur une seule fibre de 6 microns de diamètre [à titre de comparaison, un cheveu a un diamètre de 50 à 100 microns] ou de mesurer la force nécessaire pour arracher une fibre de la résine, dit le chercheur. Cet équipement le permettra, et ce avec haute précision. Les résultats obtenus nous donneront d'importantes données quant au comportement à l'interface fibres/résine et nous permettront d'optimiser leur fonctionnalité tout en comprenant mieux la dynamique de rupture.»

Ce travail à petite échelle permettra de proposer ensuite des matériaux améliorés ayant un potentiel d’applications très étendu.

Développement durable

Les autres volets du programme de recherche du professeur Robert visent à développer des composites polymères à durabilité environnementale accrue, en diminuant l'impact environnemental lié à l'utilisation des fibres synthétiques ou des résines polymères pétro-sourcées. «En particulier, nos travaux portent sur le développement de nouveaux composites à base de fibres naturelles minérales (dont le basalte) ou cellulosiques (comme le lin ou le chanvre), ou encore de résine bio-sourcée», souligne-t-il.

Ce besoin de matériaux tenant compte du développement durable répond à des enjeux très actuels, ajoute Mathieu Robert. «La détérioration actuelle des structures mène à la mise au rebut d'une quantité significative de matériaux de construction difficilement recyclables. Aussi, le développement de nouvelles solutions de rechange aux polymères pétro-sourcés et de fibres naturelles mènera à des matériaux plus écologiques tout en stimulant l'agroéconomie du Canada par la culture de plantes à fibres», évoque-t-il.

De plus, l’équipe de recherche développe des techniques pour valoriser des déchets de production de composites polymères thermodurcissables. Une avenue serait de recycler ces matières dans des produits employés pour les parements extérieurs.

C’est donc une vision intégrée du développement durable qui guide les recherches du professeur Robert dans sa quête de matériaux novateurs.