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Des astronautes tentent de mélanger du béton dans l'espace

NASA : Des astronautes tentent de mélanger du béton dans l'espace

Ce qui ressemble à une comédie slap-stick shtick est en réalité une science solide. Étant donné que l’avenir spatial de l’humanité implique des habitats, d’autres structures et une présence permanente sur la Lune et sur Mars, mélanger le béton dans l’espace est une affaire sérieuse. La NASA a un programme d’étude appelé MICS (Enquête en microgravité sur la solidification du ciment) qui examine la manière dont nous pourrions créer des habitats ou d’autres structures en microgravité.

Le béton est le matériau le plus largement utilisé sur Terre, sans compter l'eau. Il est plus largement utilisé que le bois. Il existe également depuis longtemps.

Outre sa qualité isolante, le béton peut également offrir une protection contre les radiations, et sa résistance structurelle offre une protection contre les impacts de météorites. Bien que ce ne soit pas la seule option pour la construction de structures, cela aura probablement un rôle à jouer. Cela pourrait devenir un matériau important, car seul le ciment lui-même, et non l’agrégat ou l’eau, doit être transporté.

Dans le cadre du MICS et d'une étude connexe intitulée MVP Cell-05, la NASA et la Pennsylvania State University ont collaboré avec des astronautes sur l'ISS pour mélanger le béton. Les propriétés du béton sur Terre sont bien comprises, mais la microgravité présente un autre ensemble de circonstances. Les résultats, publiés dans Frontiers in Materials, sont intitulés «Effet de microgravité sur le développement microstructural de la pâte de silicate tricalcique (C 3 S)».

"Nos expériences sont axées sur la pâte de ciment qui maintient le béton ensemble."

Aleksandra Radlinska, chercheuse principale pour MICS.

Le béton lui-même est un mélange composé de sable, de gravier et de roches, liés par du ciment, qui existe en deux types: le ciment Portland et le ciment géopolymère. Combinez le tout avec de l'eau, dans les bonnes proportions, mélangez-le et mettez-le en forme, et lorsqu'il durcit ou durcit correctement, il s'agit d'une substance extrêmement résistante. C'est pourquoi certaines anciennes structures, telles que les aqueducs romains, construits en partie avec du béton, sont toujours debout.

Illustration d'artiste des ingrédients qui composent le ciment. Crédit d'image: NASA
Illustration d'artiste des ingrédients qui composent le ciment. Crédit d'image: NASA

Malgré son omniprésence dans notre monde moderne, il y a encore beaucoup de scientifiques qui ne savent pas comment cela fonctionne. Mais ils savent que lorsqu’il durcit, il forme des cristaux qui s’emboîtent les uns dans les autres, avec le sable et le gravier, donnant ainsi au béton sa résistance. Les scientifiques voulaient en savoir plus sur la façon dont cela se passe en microgravité.

Illustration artistique des microcristaux qui se forment dans le béton au fur et à mesure de son durcissement. Crédit d'image: NASA.
Illustration artistique des microcristaux qui se forment dans le béton au fur et à mesure de son durcissement. Crédit d'image: NASA.

«Nos expériences portent sur la pâte de ciment qui maintient le béton ensemble. Nous voulons savoir ce qui pousse dans le béton à base de ciment en l'absence de tout phénomène lié à la gravité, tel que la sédimentation », a déclaré Aleksandra Radlinska, chercheuse principale pour MICS et MVP Cell-05.

Un balayage au microscope électronique d'un mélange de béton. Crédit d'image: NASA / J. Neves / P. Collins
Un balayage au microscope électronique d'un mélange de béton. Crédit d'image: NASA / J. Neves / P. Collins

En ce qui concerne la microgravité, a déclaré Radlinska, "cela pourrait modifier la distribution de la microstructure cristalline et, à terme, les propriétés du matériau".

"Ce que nous découvrons pourrait conduire à des améliorations du béton, tant dans l'espace que sur la Terre", a ajouté Rudlinska. «Étant donné que le ciment est largement utilisé dans le monde, même une petite amélioration pourrait avoir un impact considérable.»

Les rapports eau / agrégat / béton nécessaires à la production de béton aux propriétés spécifiques sont bien compris ici sur Terre. Mais qu'en est-il de la lune? Il a seulement 1 / 6e gravité terrestre. Ou Mars, qui a un peu plus du tiers de la gravité terrestre. Les expériences ont été conçues pour faire la lumière sur cette question.

Dans l'expérience MICS, les astronautes disposaient d'un certain nombre de paquets de poudre de ciment auxquels ils ajoutaient de l'eau. Ensuite, ils ont ajouté de l'alcool à certains des paquets à des moments différents, pour arrêter l'hydratation.

L'astronaute de l'ESA Alexander Gerst ajoutant de l'eau à des paquets de ciment sur l'ISS. Crédit d'image: NASA
L'astronaute de l'ESA Alexander Gerst ajoutant de l'eau à des paquets de ciment sur l'ISS. Crédit d'image: NASA

Dans la deuxième expérience, MVP Cell-05, les astronautes ont également ajouté de l'eau aux paquets de ciment, mais ils ont utilisé une centrifugeuse sur l'ISS pour simuler différentes gravités, notamment les gravités martiennes et lunaires. Les échantillons des deux expériences ont été renvoyés sur Terre pour être analysés.

Le co-chercheur principal du MVP Cell-05 est Richard Grugel. «Nous sommes déjà en train de voir et de documenter des résultats inattendus», a-t-il déclaré.

L'expérimentation a montré que le béton mélangé à une microgravité avait une microporosité accrue. Il y avait des bulles d'air dans les échantillons de microgravité qui ne sont pas présentes dans les échantillons de gravité de la Terre. C'est à cause de la flottabilité. Sur Terre, les bulles d'air montent au sommet et, en fait, le béton est parfois soumis à une vibration mécanique avant le mûrissement afin d'aider à éliminer les bulles d'air, ce qui peut affaiblir le béton.

À gauche se trouve la pâte C3S, un type de ciment mélangé en 1G, et à droite, la même pâte mélangée en microgravité. Les deux ont 56 jours. Les grandes structures rondes à droite sont des bulles d'air piégées. L'échantillon de microgravité de droite présente également une microporosité supérieure. Crédit d'image: Neves et. al., 2019.
À gauche se trouve la pâte C3S, un type de ciment mélangé en 1G, et à droite, la même pâte mélangée en microgravité. Les deux ont 56 jours. Les grandes structures rondes à droite sont des bulles d'air piégées. L'échantillon de microgravité de droite présente également une microporosité supérieure. Crédit d'image: Neves et. al., 2019.

Les échantillons MICS et MVP Cell-05 ont montré une cristallisation supérieure à celle des échantillons broyés. La microporosité supérieure de 20% dans les échantillons de microgravité laissait plus de place pour la cristallisation et de plus gros cristaux, ce qui devrait créer plus de résistance. Mais la microporosité plus grande dans les échantillons de microgravité crée également un béton moins dense, ce qui pourrait signifier un béton plus faible. La taille des micropores dans les échantillons de microgravité était également supérieure d'un ordre de grandeur à celle des échantillons au sol.

Le béton microgravité présentait moins de sédimentation, ce qui signifie que de petites particules d'agrégat ne se déposaient pas au fond pendant le durcissement, mais se répandaient de manière plus uniforme dans le béton. Cela signifie que le béton est plus uniforme, ce qui pourrait affecter la résistance.

Il s'agit d'une étude initiale sur le béton en microgravité. Aucun test de résistance n'a été effectué sur les très petits échantillons, de sorte que toute conclusion sur la résistance est prématurée. Toutefois, il indique des propriétés très différentes entre le béton 1G et le béton en microgravité, qui seront sans doute explorées à l'avenir.

«L’augmentation de la porosité a une incidence directe sur la résistance du matériau, mais nous n’avons pas encore mesuré la résistance du matériau formé dans l’espace», a déclaré Radlinska dans un entretien avec Designboom.

Plus:

  • Étude: Effet de la microgravité sur le développement microstructural de la pâte de silicate tricalcique (C 3 S)
  • NASA Sciencecast: Cimenter notre place dans l'espace
  • Étude: Produits d’hydratation de ciment C 3 A, C 3 S et de Portland en présence de CaCO 3
  • designboom: les astronautes de la NASA explorent ce qui arrive au béton lorsqu'il est mélangé dans l'espace
  • Portland Cement Association: Ciment et béton
  • National Space Society: Concret: Matériau potentiel pour la station spatiale
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