Le béton «parlant» pourrait aider à prévenir les embouteillages et à réduire les émissions de carbone

Un nombre croissant d’autoroutes américaines sont sur le point d’essayer une invention de l’Université Purdue qui pourrait faire économiser des millions de dollars aux contribuables et réduire considérablement les retards de circulation.

L’invention, un capteur qui permet au béton de « parler », réduit le temps de construction et la fréquence à laquelle la chaussée en béton a besoin de réparations tout en améliorant la durabilité de la route et en réduisant son empreinte carbone.

Intégré directement dans une coulée de béton, le capteur envoie aux ingénieurs des données plus précises et cohérentes sur la résistance du béton et le besoin de réparation que ce qui est possible avec les outils et méthodes actuellement utilisés.

“Les embouteillages causés par les réparations des infrastructures ont gaspillé 4 milliards d’heures et 3 milliards de gallons d’essence par an. Cela est principalement dû à une connaissance et une compréhension insuffisantes des niveaux de résistance du béton”, a déclaré Luna Lu, professeur Reilly et chef par intérim de Purdue’s. Lyles School of Civil Engineering, qui dirige le développement des capteurs depuis 2017. “Par exemple, nous ne savons pas quand le béton atteindra la bonne résistance nécessaire pour supporter les charges de trafic juste après la construction. Le béton peut subir une défaillance prématurée, conduisant à des réparations fréquentes.”

Selon les données de la Federal Highway Administration, la chaussée en béton représente moins de 2 % des routes américaines, mais environ 20 % du système inter-États américain. La recherche de Lu s’est d’abord concentrée sur l’amélioration des conditions de la chaussée en béton, car c’est le matériau routier le plus difficile à réparer. La chaussée inter-États en béton doit également supporter de manière fiable une grande partie du trafic national.

Plus de la moitié des États américains dotés de chaussées interétatiques en béton se sont inscrits pour participer à une étude de fonds communs de la Federal Highway Administration visant à mettre en œuvre les capteurs. Les États participants sont l’Indiana, le Missouri, le Dakota du Nord, le Kansas, la Californie, le Texas, le Tennessee, le Colorado et l’Utah.

D’autres États devraient se joindre au lancement de l’étude dans les mois à venir. Deux États, l’Indiana et le Texas, ont déjà commencé à tester les capteurs dans des projets de pavage d’autoroutes.

La technologie est également sur la bonne voie pour arriver sur le marché plus tard cette année sous le nom de REBEL Concrete Strength Sensing System, un produit de WaveLogix. Lu a fondé WaveLogix en 2021 pour fabriquer la technologie à plus grande échelle. La société octroie une licence à la technologie auprès du bureau de commercialisation de la technologie de la Purdue Research Foundation, qui a déposé une demande de protection par brevet sur la propriété intellectuelle.

Le magazine Fast Company a désigné cette invention comme l’une de ses Next Big Things in Tech pour 2022, qui reconnaît les projets ayant déjà un impact sur un problème du monde réel tout en promettant d’avoir un impact plus important dans les années à venir. L’American Society of Civil Engineers’ 2021 Report Card for America’s Infrastructure a également sélectionné la technologie comme l’un de ses “Gamechangers” pour l’année. D’autres organisations, telles que l’American Association of State Highway and Transportation Officials, ont suivi les développements de la technologie depuis son introduction initiale en 2019.

Remplacer les normes industrielles centenaires pour prolonger la durée de vie des routes

L’invention de Purdue s’impose progressivement comme une meilleure alternative aux tests qui sont la norme de l’industrie depuis le début des années 1900.

Lu et son laboratoire ont commencé à développer la technologie en 2017, lorsque le ministère des Transports de l’Indiana a demandé de l’aide pour éliminer les défaillances prématurées de la chaussée en béton nouvellement réparée en déterminant plus précisément quand la chaussée est prête à être ouverte à la circulation.

Après avoir intégré un premier prototype du capteur dans des sections de diverses autoroutes de l’Indiana, INDOT a ajouté la technologie du capteur à son Indiana Test Methods Index. Cet index répertorie les tests que les entrepreneurs et les ouvriers du bâtiment doivent utiliser pour garantir la qualité de la chaussée.

Les méthodes utilisées par l’industrie depuis plus d’un siècle nécessitent de tester de grands échantillons de béton dans un laboratoire ou une installation sur site. À l’aide de ces données, les ingénieurs estiment le niveau de résistance qu’un mélange de béton particulier atteindra après avoir été coulé et laissé mûrir sur un chantier de construction. Même si ces tests sont bien compris par l’industrie, les écarts entre les conditions de laboratoire et extérieures peuvent conduire à des estimations inexactes de la résistance du béton en raison des différentes compositions de ciment et des températures de la zone environnante.

Grâce à la technologie que Lu et son équipe ont inventée, les ingénieurs n’ont plus besoin de s’appuyer sur des échantillons de béton pour estimer quand le béton frais est suffisamment mûr. Au lieu de cela, ils peuvent surveiller directement le béton frais et mesurer avec précision plusieurs de ses propriétés à la fois.

Le capteur communique aux ingénieurs via une application pour smartphone exactement quand la chaussée est suffisamment solide pour supporter un trafic intense. Plus la chaussée est solide avant d’être utilisée par les véhicules, moins elle aura besoin d’être réparée. La capacité de recevoir instantanément des informations sur les niveaux de résistance du béton permet également aux routes d’ouvrir à la circulation à temps ou plus tôt après une nouvelle coulée.

Les ouvriers du bâtiment peuvent installer les capteurs simplement en les jetant sur le sol du coffrage en béton et en les recouvrant de béton. Ensuite, ils branchent le câble du capteur dans un appareil portable réutilisable qui démarre automatiquement l’enregistrement des données. À l’aide de l’application, les travailleurs peuvent recevoir des informations sur les changements en temps réel de la résistance du béton aussi longtemps que les données de résistance sont nécessaires.

Réduire les émissions de carbone en réduisant le trafic et le ciment

En réduisant les réparations routières et les délais de construction, cette technologie pourrait réduire le dioxyde de carbone que les véhicules auraient émis en attendant dans la circulation pour contourner un chantier de construction.

La startup de Lu, WaveLogix, développe également un moyen de réduire les émissions de carbone en réduisant la quantité de ciment nécessaire dans les mélanges de béton. La fabrication du ciment est responsable de 8 % de l’empreinte carbone mondiale. WaveLogix a fait des progrès sur une solution qui utilise l’intelligence artificielle pour optimiser la conception des mélanges de béton en fonction des données que les capteurs recueilleraient sur les autoroutes à travers le pays.

Les codes de construction exigent une teneur plus élevée en ciment dans les mélanges de béton pour garantir que les tests d’échantillons de béton respectent les seuils de résistance requis. Un excès de ciment peut entraîner des fissures prématurées dans la chaussée. Sur la base de ces exigences du code et des données de la Global Cement and Concrete Association, Lu estime que la surconception du mélange de béton provoque plus d’un milliard de tonnes d’émissions de carbone par an.

“Le plus gros problème avec les mélanges de béton est que nous utilisons plus de ciment pour augmenter la résistance du béton. Cela n’aidera pas à ouvrir la route à la circulation plus tôt”, a déclaré Lu.

Ces codes sont basés sur la façon dont les mélanges de béton étaient fabriqués au début des années 1900, c’est-à-dire avant que l’équipement capable de broyer le ciment en poudre plus fine ne soit développé dans les années 1950. Étant donné que les mélanges de béton utilisent cette poudre plus fine aujourd’hui, ils devraient avoir des rapports eau-ciment différents de ceux d’il y a cent ans. Les codes ne tiennent pas non plus compte de l’impact des conditions météorologiques dans différents États sur un mélange de béton. Un coulage de béton au milieu de l’hiver de l’Indiana, par exemple, nécessite des mélanges de béton différents pour atteindre le bon niveau de résistance que si le béton était coulé pendant l’hiver californien.

Lu pense que cette nouvelle méthode utilisant l’intelligence artificielle pourrait potentiellement réduire de 20 à 25 % la quantité de ciment utilisée dans les mélanges de béton et rendre simultanément la chaussée plus durable et moins coûteuse.

“Je ressens un fort sentiment de responsabilité pour avoir un impact sur notre infrastructure en développant de nouveaux types de technologies. Dans le domaine du génie civil, si nous n’avons pas d’impact sur le monde, il n’y aura pas de monde à s’inquiéter environ », a déclaré Lu.