Chantier du futur : L'impression 3D en béton redéfinit la construction

L’impression 3D en béton représente l’avenir de l’habitat pour l’humanité. Vous pensez que c’est une exagération? Pas du tout, car d’ici 2060, ce sont 230 milliards de mètres carrés qui devront être construits pour abriter nos nouveaux concitoyens, soit la taille de la ville de Paris chaque semaine pendant 40 ans. 

Si vous cherchez un exemple plus parlant, sachez qu’entre 2011 et 2013, la Chine a consommé plus de béton que les États-Unis n’en ont utilisé durant tout le XXème siècle. 

Pour parvenir à loger tout le monde sans compromettre définitivement la planète, le secteur de la construction compte sur le développement de matières nouvelles, mais aussi sur un matériau à la pointe de la technologie : le béton 3D.  

L'impression 3D béton (ou 3DCP) : qu'est-ce que c'est?

L’impression 3D du béton est une technique nouvelle qui formule au moins 3 promesses : 

• La personnalisation; 

• La productivité; 

• La performance environnementale. 

Pour y parvenir, un bras articulé coule des couches de béton les unes sur les autres, en suivant les instructions intégrées à un logiciel au travers d’une maquette numérique. Bien que le procédé ait été inventé dans les années 1980, la construction d’une maison n’a longtemps pas été à l’ordre du jour, encore moins celle d’un bâtiment. 

Pourquoi? Parce que des équipes de chercheurs devaient préalablement tester la performance des matériaux, notamment dans la production d’un béton suffisamment résistant pour : 

• Assurer la liaison intercouche; 

• Être extrudé; 

• Être stable, solide et rigide; 

• Ne pas ségréguer. 

Autrement dit, pour y parvenir, il fallait d’abord trouver la recette d’un béton adapté aux contraintes de l’impression 3D. 

Fonctionnement d'une imprimante 3D pour béton

Il existe de très nombreux types d’imprimantes 3D. Toutefois, de manière générale, ces dernières fonctionnent selon les principes suivants : 

• Un portique supporte l’imprimante 3D; 

• Celle-ci comprend le logiciel possédant le modèle numérique;

• Une tête d’impression est reliée à la bétonnière; 

• L’imprimante et la tête d’impression se déplacent en axes x, y et z pour réaliser la forme attendue. 

Préparation du modèle numérique

Il s’agit d’un processus itératif appelé « prototype virtuel », qui utilise des outils permettant de calculer : 

• La structure thermomécanique; 

• La mécanique des fluides; 

• L’électromagnétique; 

• La rhéologie. 

Le modèle numérique sert ainsi à déterminer les défauts du béton en conditions réelles et à les corriger pour obtenir le matériau le plus résistant possible. Pour cela, le modèle doit être : 

• Prédictif; 

• Modifiable. 

Prédictif, dans le sens où il est indispensable qu’il évalue le comportement du béton en « condition de vie » et modifiable, car le changement des valeurs va ouvrir la voie à des solutions pratiques. 

Une fois le modèle numérique arrêté, il est associé à l’imprimante 3D et traduit en G-code, pour que la buse (la tête d’impression) puisse effectuer les mouvements adéquats. 

Impression couche par couche

Le bras robotisé qui déplace la tête d’impression va pomper le béton et le projeter, une couche après l’autre, pour créer la forme désirée. Pour parvenir à créer des murs directement sur un chantier, l’unité de production est directement accrochée à un portique.

Ce portique permet à l’imprimante de se déplacer sur un axe x (horizontal), tandis que la tête d’impression se déplace sur les axes y (horizontal) et z (vertical). Dès lors, vous imaginez bien que ces imprimantes ont une certaine taille. Par exemple, l’imprimante 3D Vulcan II d’Icon, mesure : 

• Hauteur : 2.5 m; 

• Largeur 8.5 m; 

• Poids : 1.7 tonne.   

Nous sommes donc loin des mensurations de l’imprimante du salon. 

Faut-il un moule pour maintenir la pièce pendant l'extrusion?

Pas nécessairement. 

Nous y reviendrons plus tard, mais il existe de nombreuses techniques pour faire de l’impression 3D en béton. L’une d’entre elles consiste à maintenir la pièce à extruder à l’aide d’un gel occupant une matrice. 

Le béton s’y maintient par suspension et la matrice remplit le rôle de coffrage jusqu’à son durcissement. 

D’autres méthodes ont vu le jour, comme celles, plus conventionnelles, reposant sur un coffrage, quand d’autres sont parvenues à en faire l’économie. Nous y reviendrons dans la partie consacrée aux projets réalisés à travers le monde avec une imprimante 3D.

Les matériaux utilisés dans l'impression 3D en béton

Le matériau utilisé dans l'impression 3D en béton joue un rôle crucial dans l'évolution de cette technologie révolutionnaire. Voici ce qu'il faut savoir sur sa composition.

Le choix du béton pour l'impression 3D

Le béton utilisé pour l’impression 3D n’est pas tout à fait le même que le béton classique que vous faites tourner dans la toupie de votre jardin. Ce béton, bien que composé des éléments de base de tout béton (ciment, sable, gravier, etc.), doit être adapté pour respecter : 

• Les critères d’impression 3D (extrusion, fluidité, stabilité, rhéologie); 

• La maniabilité; 

• La constructibilité. 

Dès lors, il n’a pas les mêmes caractéristiques que le béton conventionnel. 

Les caractéristiques du béton utilisé

Pour réaliser la construction d’une maison ou d’un bâtiment en béton 3D, les équipes de chercheurs sont parties du ciment Portland standard, mais en ajoutant une importante quantité de ciment au béton. 

Toutefois, un problème apparaît avec cet ajout de ciment : l’impact environnemental négatif, directement lié aux émissions de gaz à effet de serre qui entourent la production de ciment. 

Dès lors, pour construire un habitat pour l’humanité qui soit durable, il est important de réduire les quantités de ciment nécessaires. Pour y parvenir, des matériaux alternatifs peuvent être utilisés : 

• Le géo-polymère; 

• Le ciment de calcaire et d’argile calciné; 

• Le torchis. 

L'impression 3D en béton dans le secteur de la construction

L'impression 3D en béton présente une percée majeure dans le secteur de la construction, redéfinissant les normes en matière de rapidité, d'efficacité et de durabilité. Cette technologie novatrice offre une panoplie d'avantages qui transcendent les méthodes traditionnelles de construction.

Les avantages de l'impression 3D pour la construction de maisons

De la réduction des coûts à la possibilité de concevoir des structures architecturales complexes, l'impression 3D apporte un vent de changement significatif dans le domaine de la construction. Dans cette exploration des avantages de l'impression 3D pour la construction de maisons, nous plongerons dans les aspects économiques, écologiques et architecturaux qui en font une force disruptive dans le paysage de la construction moderne.

1- Économie de béton 

L’économie du matériau est rendue possible par l’optimisation topologique. Il s’agit d’un sous-produit de la maquette numérique, en ce que la topologie vise à déterminer le volume idéal de béton à répartir pour réaliser une forme donnée avec des contraintes mécaniques précises. 

L’optimisation topologique permet de réaliser une économie de matière dans les taux suivants : 

• 80% pour les murs en treillis spatial (2 plans parallèles à barres croisées); 

• 70% pour les systèmes de plancher funiculaire.

2- Rapidité de mise en place

En ce qui concerne la rapidité de mise en place, celle-ci est réelle. Nous allons en donner des exemples dans les projets qui ont été réalisés, et que nous allons aborder un peu plus loin dans cet article. Mais sachez déjà que des entreprises parviennent à monter les murs d’une maison en moins de 24 heures, soit un gain de temps de 95%.

Par contre, même si le béton 3D est rapide à mettre en place,  sa préparation demande néanmoins un temps considérable. Deux grands facteurs y concourent : 

• Le manque de connaissances des professionnels; 

• L’absence de formations spécifiques.

Car la construction d’une maison en béton 3D requiert la maîtrise de 3 domaines d’expertise : 

• La partie digitale; 

• La partie machine; 

• La partie matérielle. 

À ce jour, peu d’entreprises sont capables de maîtriser parfaitement ces 3 volets. En effet, la technique est encore nouvelle, la production moyennement maîtrisée, et les méthodes pour monter des murs, encore nombreuses (par exemple avec ou sans coffrage).

3- Technique économique

C’est une conséquence logique. D’une part, les entreprises se spécialiseront de plus en plus dans le domaine de l’impression 3D, faisant leur préparation bien plus rapidement. D’autre part, en étant capable de monter les murs d’une maison en 24 heures, il y a tout simplement une incroyable économie de main-d’œuvre. 

Le chantier étant 95% plus rapide, la facture totale d’une construction baisse drastiquement. D’autant plus que les entreprises seront capables de faire baisser encore plus leurs prix, en multipliant leur nombre annuel de chantiers.  

4- Respectueux de l’environnement

Certes, ce n’est pas encore la panacée, mais ce type de béton réduirait l’impact environnemental de 32% par rapport au béton standard. Toutefois, parce que tous les bétons ne partagent ni tout à fait les mêmes ingrédients, ni les mêmes quantités, il est nécessaire d’être plus précis. 

Ainsi, si l’on compare un béton conventionnel C25/30 avec un béton haute performance (développé par ETHZ IFB), le béton haute-performance est 40% plus néfaste pour le climat que le béton conventionnel pour chaque m³.

À l’inverse, si l’on prend en compte la force de compression, le béton haute performance est 20% moins destructeur pour le climat que le béton conventionnel pour chaque MPa. 

Autrement dit, les conséquences environnementales globales serait dans l'ensemble positives, mais il convient de se méfier des chiffres, et de ne pas les prendre pour argent comptant.

5- Personnalisation de masse

En Europe, après les destructions de la Seconde Guerre mondiale, est né un mouvement architectural de construction de masse. Les architectes avaient redéfini le design pour qu’il réponde aux exigences de la production de masse. 

Le Corbusier parlait même de « maison en série », concept parfaitement mis en lumière par les maisons Phénix, des habitations standardisées et peu chères. 

Avec l’impression 3D en béton, le paradigme change complètement, passant de la construction de masse à la personnalisation de masse. Il suffit aujourd’hui à un futur propriétaire d’exprimer sa vision de sa maison, pour qu’elle soit intégrée au modèle numérique. 

Cette technique a l’avantage de ne faire ni peser la personnalisation sur les prix, ni sur le temps de réalisation du projet immobilier. C’est la réalisation de l’intuition théorique de Deleuze, dans la définition qu’il donnait de « l’objectile » dans Le pli : Leibniz et le Baroque.

C’est-à-dire que l’impression 3D en béton permet le développement d’une production en série de biens non-standardisés. 

Quel est le principal inconvénient de l'impression 3d?

Cette technologie étant entièrement nouvelle, le cycle de vie de ce béton sur le long terme est encore inconnu. Ce qui est sûr, c’est que le 3DCP connaît 2 grands risques potentiels : 

• La fissuration par retrait; 

• L’inconstance de la qualité. 

En effet, le béton 3D peine à atteindre les standards de la construction, notamment en matière de résistance mécanique. Tout cela, du fait de la grande difficulté qu’il y a à produire un béton de qualité imprimable. 

C’est aussi la raison pour laquelle les pouvoirs publics ont du mal à codifier son utilisation dans les réglementations encadrant la construction. Pour l’heure, il n’est utilisé que dans le cadre de projets expérimentaux. 

Les défis de l'impression 3D en béton

L’impression 3D impose de parvenir à marier les contraires. Pour utiliser une imprimante 3D, il faut un béton qui soit : 

• Extrudable; 

• Stable. 

Mais aussi : 

• Fluide; 

• Suffisamment visqueux. 

Autrement dit, le béton doit avoir une fluidité suffisante pour supporter son transport et sa projection au travers du bras articulé (l’extrusion). Dans le même temps, sa viscosité doit être satisfaisante pour que les couches de béton ne s’effondrent pas sous leur propre poids.

Pour y parvenir, il est important que le matériau soit maintenu en mouvement à une vitesse adéquate, afin qu’il garde sa viscosité jusqu’à la sortie de la buse. Ensuite, la thixotropie fait le travail, c’est-à-dire qu’une fois le mouvement arrêté, le béton doit se figer. 

Si la vitesse du mouvement a été optimale, alors le béton possédera les spécifications nécessaires à la construction d’une maison ou d’un bâtiment. Autrement, le moindre manque de précision peut mener à la catastrophe. 

Créer un béton robuste et une imprimante de qualité est le défi que se sont lancés le professeur Ammar Yahia et ses étudiants de l’Université de Sherbrooke. Contre eux, de grandes sociétés comme Lafarge ont déjà pris les devants.  

Exemples de projets réalisés grâce à l'impression 3D en béton

Cette technique fait partie des vitrines technologiques du BTP, à tel point qu’une véritable course est menée à travers la planète. 

Ainsi, en 2018, la France réalisait la première construction d’une maison en béton 3D au monde. Toutefois, il a fallu attendre le premier semestre 2022, et quatre ans de recherches, pour que cinq maisons individuelles soient édifiées sans coffrage. 

Aux États-Unis, la première maison individuelle a vu le jour à Houston, au mois de septembre 2022. Le tour de force américain est d’avoir su allier béton 3D et ossature en bois, pour respecter le style de nos constructions nord-américaines.   

Sur ces sites, ce sont trois mois de construction qui ont été gagnés, et 50% de matière économisée. 

Pour l’instant, les bâtiments de grande hauteur ne sont pas encore à l’ordre du jour. Les équipes de chercheurs à la pointe de l’innovation sont actuellement capables de réaliser des bâtiments de deux étages, mais peinent encore à atteindre trois et quatre étages. Il faudra donc encore patienter avant de voir s’ériger les premiers immeubles de grande hauteur. 

Dans ce domaine, ce sont les Allemands qui sont en avance, avec un bâtiment de trois étages érigé par la société Peri en 2020 (seulement six semaines de chantier), à Wallenhausen, puis un bâtiment de neuf mètres de hauteur, sur cinquante-quatre mètres de long et onze mètres de large, à Heidelberg. 

L'utilisation de l'impression 3D béton au Canada

Au Canada, l’Université de Sherbrooke s’est portée à la tête de cette révolution industrielle. Menée par Ammar Yahia, directeur de la chaire de recherche industrielle du CRSNG sur le développement des bétons fluides à rhéologie adaptée, l’Université de Sherbrooke tente de rattraper le retard pris par le pays.

Pour y parvenir, les départements génie civil tentent de développer un bâtiment entièrement fabriqué en béton 3D. Il est non seulement fort possible qu’ils y parviennent, mais qu’en plus, nous dépassions notre voisin américain et nos cousins français. 

Pourquoi? Parce que le secteur de l’impression 3D en béton repose sur une technique dont la méthode de réalisation optimale n’a pas encore été découverte. La preuve est qu’il existe des dizaines de méthodes d’impression 3D, dont les plus courantes sont : 

• Le Contour Crafting  (Université de Californie du Sud);

• Les systèmes Loughborough (Université de Loughborough, UK); 

• Le système  D-Shape (société Monolite UK Limited).

Le professeur Ammar Yahia et son équipe ne veulent d’ailleurs pas s’arrêter là. Ils aspirent à utiliser cette méthode pour réparer des ponts et des barrages dans tous les endroits difficilement accessibles. 

L’Université de Sherbrooke, qui a déjà développé sa propre imprimante 3D pourrait donc, elle aussi, avoir un jour sa méthode de fabrication. 

La concurrence locale est elle-même rude, puisque le Regroupement innovant pour l’impression d'immeubles durables (RI³D-FRQNT), créé par un enseignant du Cégep de l’Abitibi-Témiscamingue, et dotée de 900 000$ par le Fonds de recherche du Québec, aspire également à créer le premier bâtiment modulaire du pays en 3DCP. 

Le futur de la construction prend forme avec l'impression 3D en béton

L'impression 3D en béton se profile comme une révolution majeure dans le secteur de la construction. Les avantages évoqués, tels que la rapidité d'exécution, la personnalisation des designs, la réduction des déchets et la durabilité, dessinent un avenir où cette technologie pourrait jouer un rôle central dans la manière dont nous construisons des maisons. Bien que des défis subsistent, les progrès constants et les projets réussis indiquent que l'impression 3D est une piste à explorer sérieusement. 

FAQ sur l'impression en béton 3D

Quel est le prix d'une telle impression 3D?

Il faut distinguer deux situations : 

• L’achat de la maison; 

• L’investissement d’une entreprise. 

Dans le premier cas, les coûts de construction diminueraient de l’ordre de 10% à 20%, ce qui est très intéressant. 

Dans le deuxième cas, si vous êtes une entreprise et que vous voulez investir dans une imprimante 3D grande échelle, il vous en coûtera environ 250 000$. Vous pourrez limiter les coûts en vous orientant vers des machines plus petites, qui coûtent aux alentours de 50 000$.

À cela s’ajoutent encore le coût des accessoires pour le pompage et le malaxage du béton ainsi que les salaires des spécialistes nécessaires pour un tel projet.

Comment rendre une impression 3D plus solide?

Tout est dans la recette du béton. En fonction des ingrédients utilisés, de leur dosage, de la vitesse de rotation du béton durant son transport et jusqu’à son application, il sera plus ou moins solide. 

Rendre une impression 3D plus solide implique donc de posséder l’ensemble des compétences nécessaires pour maîtriser cet outil de production. 

Nous avons parlé précédemment des caractéristiques du béton pour impression 3D. Ce sont elles qui font la résistance du béton. 

Quelle épaisseur pour une impression 3D?

Dans le domaine de l’impression 3D en béton, l’épaisseur minimale d’une paroi dépend de : 

• La résistance thermique à atteindre; 

• La résistance mécanique à respecter; 

• Les charges à supporter.

Autrement dit, l’épaisseur dépend directement du projet immobilier et de la réglementation qui l’encadre.

L'avenir prometteur de l'impression 3D en béton dans la construction

L'impression 3D en béton suscite un intérêt grandissant en tant que potentiel avenir de la construction. Les perspectives évoquées, incluant la rapidité d'exécution, la réduction des coûts et déchets, ainsi que la diversité des applications, pointent vers un horizon où cette technologie pourrait redéfinir la manière dont nous bâtissons. Bien que certains défis techniques et réglementaires subsistent, les avancées et les projets pilotes démontrent un potentiel réel pour cette méthode de construction. En explorant davantage cette technologie, nous pourrions voir émerger une ère où l'impression 3D en béton devient un pilier de la construction, offrant des solutions innovantes et durables pour les projets architecturaux et urbains à venir.