Imaginez si les matériaux de construction pouvaient être assemblés et démontés aussi facilement que des briques LEGO. Une telle maçonnerie reconfigurable pourrait être démontée à la fin de la durée de vie d’un bâtiment et réassemblée en une nouvelle structure, créant ainsi un cycle durable capable de fournir des générations de bâtiments en utilisant les mêmes éléments de base physiques.
C’est l’idée derrière la construction circulaire, qui vise à réutiliser et recycler les matériaux d’un bâtiment autant que possible, à minimiser la fabrication de nouveaux matériaux et à réduire le « carbone incorporé » de l’industrie de la construction, c’est-à-dire les émissions de gaz à effet de serre associées à chaque processus tout au long de la vie d’un bâtiment, de la fabrication à la démolition.
Motivés par le potentiel écologique de la construction circulaire, des ingénieurs du MIT développent actuellement une nouvelle forme de maçonnerie reconfigurable à base de verre recyclé imprimé en 3D. Utilisant une technologie d’impression de verre 3D personnalisée fournie par Evenline, une spin-off du MIT, l’équipe a fabriqué des briques de verre multicouches solides, chacune en forme de huit, conçues pour s’emboîter comme des briques LEGO.
Lors des essais mécaniques, une seule brique de verre a résisté à des pressions similaires à celles d’un bloc de béton. À titre de démonstration structurelle, les chercheurs ont construit un mur de briques de verre imbriquées. Ils envisagent que la maçonnerie de verre imprimable en 3D pourrait être réutilisée plusieurs fois comme briques recyclables pour les façades et les murs intérieurs des bâtiments.
« Le verre est un matériau hautement recyclable », explique Kaitlyn Becker, professeur adjoint de génie mécanique au MIT. « Nous prenons le verre et le transformons en maçonnerie qui, à la fin de la durée de vie d’une structure, peut être démontée et réassemblée pour former une nouvelle structure, ou peut être refondue dans l’imprimante et transformée en une forme complètement différente. Tout cela s’inscrit dans notre idée d’un matériau de construction durable et circulaire.
« Le verre, en tant que matériau structurel, brise un peu le cerveau des gens », déclare Michael Stern, ancien étudiant diplômé du MIT et chercheur au Media Lab du MIT et au Lincoln Laboratory, ainsi que fondateur et directeur d’Evenline. « Nous montrons qu’il s’agit d’une opportunité de repousser les limites de ce qui a été fait en architecture. »
Becker et Stern, avec leurs collègues, détaillent leur conception en briques de verre dans une étude publiée aujourd’hui dans la revue Structures et ingénierie du verre. Leurs co-auteurs au MIT incluent les auteurs principaux Daniel Massimino et Charlotte Folinus, ainsi qu’Ethan Townsend chez Evenline.
Étape de verrouillage
L’inspiration pour la nouvelle conception de maçonnerie circulaire est née en partie au Glass Lab du MIT, où Becker et Stern, alors étudiants de premier cycle, ont appris pour la première fois l’art et la science du soufflage du verre.
« J’ai trouvé ce matériau fascinant », explique Stern, qui a ensuite conçu une imprimante 3D capable d’imprimer du verre recyclé fondu – un projet qu’il a entrepris alors qu’il étudiait au département de génie mécanique. « J’ai commencé à réfléchir à la façon dont l’impression sur verre pouvait trouver sa place et réaliser des choses intéressantes, la construction étant une voie possible. »
Pendant ce temps, Becker, qui a accepté un poste de professeur au MIT, a commencé à explorer l’intersection de la fabrication et de la conception, ainsi que les moyens de développer de nouveaux processus permettant des conceptions innovantes.
« Je suis enthousiasmé par l’expansion des espaces de conception et de fabrication pour des matériaux complexes dotés de caractéristiques intéressantes, comme le verre, ses propriétés optiques et sa recyclabilité », déclare Becker. « Tant qu’il n’est pas contaminé, on peut recycler le verre presque à l’infini. »
Elle et Stern ont fait équipe pour voir si et comment le verre imprimable en 3D pouvait être transformé en une unité de maçonnerie structurelle aussi robuste et empilable que les briques traditionnelles. Pour leur nouvelle étude, l’équipe a utilisé la Glass 3D Printer 3 (G3DP3), la dernière version de l’imprimante en verre d’Evenline, qui s’associe à un four pour faire fondre des bouteilles en verre broyées en une forme fondue et imprimable que l’imprimante dépose ensuite en motifs en couches.
L’équipe a imprimé des prototypes de briques de verre en utilisant du verre sodocalcique généralement utilisé dans un atelier de soufflage de verre. Ils ont incorporé deux chevilles rondes sur chaque brique imprimée, semblables aux goujons d’une brique LEGO. Comme les blocs jouets, les chevilles permettent aux briques de s’emboîter et de s’assembler en structures plus grandes. Un autre matériau placé entre les briques évite les rayures ou les fissures entre les surfaces en verre, mais peut être retiré si une structure en brique devait être démontée et recyclée, permettant également aux briques d’être refondues dans l’imprimante et de leur donner de nouvelles formes. L’équipe a décidé de donner aux blocs la forme d’un huit.
« Avec la forme en huit, nous pouvons contraindre les briques tout en les assemblant dans des murs présentant une certaine courbure », explique Massimino.
Tremplins
L’équipe a imprimé des briques de verre et testé leur résistance mécanique dans une presse hydraulique industrielle qui a pressé les briques jusqu’à ce qu’elles commencent à se briser. Les chercheurs ont découvert que les briques les plus solides étaient capables de résister à des pressions comparables à celles que peuvent supporter des blocs de béton. Ces briques les plus résistantes étaient principalement fabriquées à partir de verre imprimé, avec un élément de verrouillage fabriqué séparément et fixé au bas de la brique. Ces résultats suggèrent que la majeure partie d’une brique de maçonnerie pourrait être fabriquée à partir de verre imprimé, avec un élément d’emboîtement qui pourrait être imprimé, coulé ou fabriqué séparément à partir d’un matériau différent.
« Le verre est un matériau complexe à travailler », explique Becker. « Les éléments imbriqués, fabriqués à partir d’un matériau différent, se sont montrés les plus prometteurs à ce stade. »
Le groupe étudie la possibilité de fabriquer davantage de fonctions d’emboîtement d’une brique à partir de verre imprimé, mais ne considère pas cela comme un obstacle à l’évolution de la conception. Pour démontrer le potentiel de la maçonnerie de verre, ils ont construit un mur incurvé de briques de verre imbriquées. Ensuite, ils visent à construire des structures en verre autoportantes de plus en plus grandes.
« Nous comprenons mieux quelles sont les limites du matériau et comment le mettre à l’échelle », explique Stern. « Nous envisageons de créer des tremplins vers les bâtiments et souhaitons commencer par quelque chose comme un pavillon – une structure temporaire avec laquelle les humains peuvent interagir et que vous pourriez ensuite reconfigurer dans une seconde conception. Et on peut imaginer que ces blocages pourraient traverser de nombreuses vies. »
Cette recherche a été financée en partie par le programme de subventions de recherche Bose et le comité de soutien à la recherche du MIT.
