Comparaison d’un échantillon de béton recouvert d’un scellant nano-modifié (à gauche) et d’un béton non traité (à droite). Crédit : WSU
Un scellant pénétrant conçu à l’aide de nanomatériaux et mis au point par des chercheurs de l’Université de l’État de Washington est capable de mieux protéger le béton contre l’humidité et le sel – les deux facteurs les plus nuisibles à l’effritement des infrastructures en béton dans les États du Nord.
Le nouveau scellant a montré une amélioration de 75% dans la répulsion de l’eau et une amélioration de 44% dans la réduction des dommages causés par le sel dans les études de laboratoire par rapport à un scellant commercial. Ces travaux pourraient constituer un moyen supplémentaire de relever le défi du vieillissement des ponts et chaussées aux États-Unis.
“Nous nous sommes concentrés sur l’un des principaux coupables qui compromettent l’intégrité et la durabilité du béton, à savoir l’humidité”, a déclaré Xianming Shi, professeur au département de génie civil et environnemental qui a dirigé les travaux. “Si vous pouvez maintenir le béton au sec, la grande majorité des problèmes de durabilité disparaîtraient.”
Shi et l’étudiant diplômé Zhipeng Li ont récemment publié leurs travaux dans le Journal of Materials in Civil Engineering et ont déposé une demande de brevet provisoire.
Une grande partie des infrastructures essentielles du pays, comme le réseau routier américain, a été construite entre les années 1950 et 1970 et arrive aujourd’hui à la fin de la durée de vie pour laquelle elle a été conçue. Tous les quatre ans depuis la fin des années 1990, l’American Society of Civil Engineers a fourni un rapport sur les infrastructures américaines qui montre que les notes sont constamment mauvaises ou insuffisantes. Environ 8 % des quelque 600 000 ponts américains sont considérés comme structurellement déficients, et un kilomètre sur cinq de chaussée d’autoroute est en mauvais état. Le problème est exacerbé dans les climats froids par les multiples cycles de gel et de dégel et par l’utilisation accrue de sels de déglaçage au cours des dernières décennies, qui peuvent dégrader le béton.
“Le béton, même s’il semble être une roche solide, est en fait une éponge lorsque vous l’observez au microscope”, a déclaré Shi. “C’est un matériau composite très poreux et non homogène”.
Les produits d’étanchéité topiques sont apparus comme un outil de protection du béton, et de nombreux ministères des transports les utilisent pour protéger les tabliers de pont en particulier, qui semblent souffrir le plus des dommages causés par le sel. Les produits d’étanchéité disponibles sur le marché offrent un certain niveau de protection, mais l’humidité parvient souvent à s’infiltrer dans le béton, a déclaré M. Shi.
Dans leur étude, les chercheurs ont ajouté deux nanomatériaux, graphene oxide and montmorillonite nanoclay, to a commercial siliconate-based sealer. The nanomaterials densified the microstructure of the concrete, making it more difficult for liquid water to penetrate. They also formed a barrier against the intrusion of water vapor and other gasses that tend to make their way into the concrete. The nanomaterial also protected the concrete from the physical and chemical attacks of deicing salts. The penetrating sealer is designed to be multi-functional, as it can also serve as a curing aid for fresh concrete.
The WSU sealer is water-based instead of using any organic solvent, which means it’s more environmentally friendly and safer for workers, Shi added.
“Traditionally, when you switch from an organic solvent to water, you sacrifice the sealer’s performance,” he said. “We demonstrated that the use of nanomaterials mitigates that reduction in performance.”
The researchers have done preliminary market analysis with industry stakeholders and are studying ways to further optimize the sealers. They are investigating how the nanomaterials-based sealers might help protect concrete from microbial damage or abrasion, the daily wear and tear that damages the material in high-traffic areas. They plan to conduct pilot-scale demonstrations in the next two years, deploying an experiment of concrete infrastructure on the WSU campus or in the city of Pullman.
Reference: “Effects of Nanomaterials on Engineering Performance of a Potassium Methyl Siliconate–Based Sealer for Cementitious Composite” by Zhipeng Li, S.M.ASCE and Xianming Shi, F.ASCE, 16 February 2022, Journal of Materials in Civil Engineering.
DOI: 10.1061/MT.1943-5533.0004148
The work was supported by the WSU-led National Center for Transportation Infrastructure Durability and Life-Extension and the WSU Office of Commercialization.
