Aujourd'hui, les ponts sont déjà renforcés par une couche supplémentaire de béton fibré à ultra-hautes performances (UHPFRC). Ce béton haute performance est appliqué directement sur les dalles de chaussée, il est particulièrement dense et résistant à l'eau. De l'acier d'armature conventionnel y est intégré afin d'augmenter la capacité de charge.

Une équipe de l'Empa, dirigée par la chercheuse Angela Sequeira Lemos et Christoph Czaderski du département « Structural Engineering », est allée encore plus loin : elle a remplacé l'armature en acier conventionnelle par de l'acier à mémoire de forme à base de fer (Fe-SMA), un matériau « intelligent » capable de retrouver sa forme d'origine. Après leur installation, les barres sont chauffées à environ 200 degrés Celsius. Comme elles ont tendance à se contracter, mais sont retenues par le béton, une tension interne se crée. Ces forces internes peuvent refermer les fissures, relever les éléments déformés et prolonger la durée de vie d'un pont, sans avoir recours à des dispositifs de tension coûteux. « La beauté de ce système de renforcement réside dans sa simplicité », explique Angela Sequeira Lemos. « Il suffit d'ancrer les barres, de les chauffer, et elles font le reste toutes seules. »

Essais à grande échelle dans le hall de construction de l'Empa

Dans un premier temps, l'équipe de l'Empa a étudié l'interaction entre l'acier à mémoire de forme et le béton fibré à ultra-haute résistance, qui étaient combinés pour la première fois. Les chercheurs ont analysé la qualité de la liaison entre les deux matériaux après chauffage de l'acier à mémoire de forme et les forces pouvant être transmises.

Des essais à grande échelle ont ensuite été réalisés dans le hall de construction de l'Empa avec cinq dalles de béton de cinq mètres de long chacune, reproduisant des tabliers de pont en porte-à-faux. Une dalle est restée non renforcée, tandis que les autres ont été recouvertes d'une couche de béton fibré à ultra-haute résistance, soit avec une armature conventionnelle, soit avec des barres Fe-SMA. Afin de simuler des conditions réelles, l'équipe a d'abord provoqué des fissures dans les dalles avant de les renforcer, comme cela serait le cas lors d'une véritable rénovation de pont.

Après l'installation, les chercheurs ont chauffé les barres Fe-SMA, qui ont alors tenté de reprendre leur forme d'origine et de précontraindre la structure en béton armé. Dès l'activation, les fissures existantes se sont visiblement refermées et les déformations restantes ont complètement disparu.

Nettement plus rigides et plus durables

À l'aide de méthodes de mesure ultramodernes, les chercheurs ont suivi en continu les déformations à l'intérieur des dalles. Des caméras numériques ont surveillé les fissures à la surface du béton, tandis que de minuscules capteurs à fibre optique étaient intégrés le long des barres. « Nous utilisons des capteurs qui fonctionnent de manière similaire aux câbles à fibre optique utilisés dans les télécommunications », explique la chercheuse de l'Empa. « Cependant, au lieu d'envoyer des données cryptées à travers les fibres, nous analysons la lumière rétrodiffusée. Cela nous permet de voir exactement comment les barres se déforment. »

Les essais ont montré que tant le renforcement conventionnel que le nouveau système à base d'acier à mémoire de forme doublaient au moins la capacité de charge d'une dalle non renforcée. Dans des conditions quotidiennes, telles que celles causées par le trafic routier normal, la combinaison du béton fibré et de l'acier à mémoire de forme s'est toutefois avérée supérieure : elle rend la dalle du pont plus rigide, retarde les déformations permanentes et peut combler les fissures existantes ou soulever légèrement les éléments affaissés. « Nous avons pu démontrer que notre système fonctionne non seulement, mais qu'il peut également redonner vie à des ponts existants », explique Angela Sequeira Lemos.

Parfait pour les ponts endommagés

Les matériaux utilisés sont encore relativement coûteux. Le système convient donc particulièrement aux ponts fortement déformés ou déjà endommagés, c'est-à-dire là où les méthodes de renforcement conventionnelles atteignent leurs limites. Selon Angela Sequeira Lemos, une utilisation dans le bâtiment serait également envisageable, par exemple pour les balcons ou les toits plats, où des solutions compactes ou de bonnes propriétés d'étanchéité sont requises.

Le projet, soutenu par Innosuisse, a été développé en étroite collaboration avec la Haute école spécialisée de Suisse orientale (OST), la spin-off de l'Empa re-fer et l'Association suisse de l'industrie du ciment cemsuisse. Après le succès des tests, l'équipe recherche désormais un pont approprié pour une première mise en pratique. « Si nous parvenons à renforcer un véritable pont avec notre système, l'intérêt de l'industrie devrait rapidement croître », déclare Angela Sequeira Lemos. « Et avec l'augmentation de la demande, les coûts des matériaux devraient également baisser, ce qui permettrait à cette technologie de transformer durablement la rénovation des ponts. »

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Encadré : Fonctionnement de l'acier à mémoire de forme

Les barres Fe-SMA (« Iron-based Shape Memory Alloys ») sont fabriquées comme des barres d'armature nervurées normales et livrées pré-étirées sur le chantier. Elles y sont positionnées et ancrées dans la structure en béton armé existante, chauffées, puis recouvertes de béton. Lorsqu'il est chauffé, l'acier « se souvient » de sa forme d'origine et cherche à la retrouver. Comme il ne peut pas bouger librement, il génère à la place des forces qui sont transmises au béton via les zones d'ancrage.

Cet effet de mémoire de forme est rendu possible par un alliage de fer spécial qui contient notamment du manganèse, du silicium et du chrome. Le premier étirement des barres modifie la structure cristalline atomique. Lorsqu'il est chauffé à environ 200 degrés Celsius, la structure atomique se transforme à nouveau. Comme l'acier est fixé, les forces qui en résultent tendent la structure existante, ce qui permet de fermer les fissures existantes et de relever les éléments déformés.