Composites cimentaires conçus avec du carbonate de calcium nano et des fibres de masques issus des déchets de la pandémie pour des applications d'impression 3D durables

Transformer les déchets de la pandémie en bâtiments plus résistants

Et si les milliards de masques jetables utilisés pendant la pandémie de COVID-19 pouvaient aider à construire des logements meilleurs et plus écologiques ? Cette étude explore précisément cette idée. En déchiquetant le matériau des masques en fibres microscopiques et en le combinant avec des particules minérales de taille nanométrique, les chercheurs ont créé un mélange imprimable en 3D qui est plus résistant, plus dense et plus durable que le béton ordinaire. Leur travail montre comment les déchets médicaux d'hier et les matériaux avancés d'aujourd'hui pourraient ensemble façonner les bâtiments de demain.

Pourquoi le béton a besoin d'une amélioration

Le béton est l'épine dorsale de la construction moderne, mais il a une faiblesse majeure : il résiste très bien aux forces de compression, mais se fissure facilement lorsqu'il est soumis à la traction ou à la flexion. Les composites cimentaires conçus (ECC) ont été développés pour remédier à cela en incorporant une petite quantité de fibres courtes de sorte que, au lieu d'une grosse fissure, de nombreuses microfissures se forment et le matériau peut se déformer un peu sans se rompre. Parallèlement, le secteur de la construction recherche des méthodes plus propres, et l'impression 3D du béton est apparue comme un moyen de réduire les déchets, diminuer la main-d'œuvre et permettre des formes plus flexibles en extrudant des couches de mortier comme un glaçage. Le défi consiste à développer un mélange imprimable qui s'écoule à travers une buse tout en se rigidifiant rapidement pour former une structure stable et résistante aux fissures.

Des masques et des nanoparticules au mélange imprimable

L'équipe a relevé ce défi en utilisant deux ingrédients clés. D'abord, des fibres découpées à partir de masques médicaux inutilisés en polypropylène, un plastique courant. Ces fibres issues des déchets de masques ont été traitées par un procédé électrique dit « corona » pour rugosifier leur surface et les rendre plus compatibles avec la pâte cimentaire, ce qui améliore leur adhérence et leur capacité à enjamber les microfissures. Ensuite, ils ont ajouté du carbonate de calcium nano, une poudre extrêmement fine dont les grains mesurent des dizaines de nanomètres — des milliers de fois plus petits que le sable. Ces nanoparticules agissent comme micro-remplisseurs, se glissant dans les minuscules interstices entre les grains de ciment et fournissant des surfaces supplémentaires où le ciment peut durcir plus rapidement. Les chercheurs ont préparé une série de mortiers imprimables en 3D contenant une quantité constante de fibres de masques mais différentes doses de carbonate de calcium nano allant de 0 à 4 pour cent de la masse de ciment.

Obtenir le bon écoulement et la bonne forme

Pour l'impression 3D, le mélange doit se comporter comme un dentifrice épais : suffisamment fluide pour être pompé et modelé, mais assez rigide pour garder sa forme au fur et à mesure que les couches s'accumulent. L'équipe a mesuré jusqu'où de petits échantillons s'étalaient sous leur propre poids, leur facilité d'écoulement sur une table vibrante et le nombre de couches pouvant être empilées avant l'effondrement. À mesure que la quantité de carbonate de calcium nano augmentait, les mélanges devenaient moins fluides mais plus stables. Les particules les plus fines absorbaient une partie de l'eau de gâchage et augmentaient la cohésion interne, si bien que les cordons imprimés conservaient leur forme et que le nombre de couches réalisables passait d'environ 31 sans nanoparticules à 55 à la dose la plus élevée. Toutefois, si trop de carbonate de calcium nano était utilisé, les particules commençaient à s'agglomérer, rendant le matériau excessivement rigide et plus difficile à travailler.

Plus résistant, plus dense et moins absorbant au point optimal

La question clé était de savoir comment ces modifications affectaient le matériau fini. Les chercheurs ont séché et pesé des échantillons imprimés et moulés de façon conventionnelle pour déterminer la densité, les ont immergés pour mesurer l'absorption d'eau et ont testé leur résistance à la compression, à la flexion et à la traction par fendage. Ils ont identifié un point optimal clair autour de 3 pour cent de carbonate de calcium nano. À ce niveau, les spécimens imprimés étaient plus denses et absorbaient moins d'eau que ceux sans nanoparticules, signe d'un nombre réduit de pores internes. Leurs résistances en compression, en flexion et en traction par fendage atteignaient toutes un maximum, et les échantillons imprimés en 3D surpassaient leurs homologues moulés conventionnellement. Des images microscopiques étayaient ces résultats : avec 3 pour cent de nanoparticules, la structure interne apparaissait compacte, les pores étant comblés par un gel durci et les fibres bien liées à la pâte environnante. À 4 pour cent, l'agglomération des nanoparticules créait de nouvelles vides, et la densité comme la résistance diminuaient.

Ce que cela signifie pour une construction 3D plus écologique

En termes simples, l'étude montre qu'un dosage soigneux de carbonate de calcium nano, combiné à des fibres de masques recyclées, peut transformer un mélange cimentaire imprimable en un matériau de construction plus solide et plus durable. Environ 2–3 pour cent de carbonate de calcium nano par rapport à la masse de ciment offrait le meilleur compromis entre facilité d'impression, stabilité des couches, résistance et réduction de l'absorption d'eau. Les fibres de masques traitées aident à maîtriser la fissuration, tandis que les nanoparticules comblent les vides et accélèrent le durcissement, en particulier dans les couches imprimées en 3D. Au-delà des gains techniques, cette approche ouvre une voie pour donner une seconde vie aux déchets plastiques de l'ère pandémique dans une construction durable, suggérant un avenir où matériaux avancés et recyclage sont intégrés aux murs qui nous entourent.

Citation: Krishnaraja, A.R., Kulanthaivel, P., Manoharan, A. et al. Engineered cementitious composites with nano calcium carbonate and corona waste mask fibers for sustainable 3D printing applications. Sci Rep 16, 13458 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43424-9

Mots-clés: impression 3D de béton, carbonate de calcium nano, fibres de masques recyclées, composites cimentaires conçus, construction durable