Construire l'avenir : Découverte des nouveaux matériaux de construction

Le secteur de la construction voit arriver de plus en plus de nouveaux matériaux. Il ne s’agit pas simplement d’une évolution, mais d’une véritable révolution. Un tournant indispensable, pour un secteur qui compte comme l’un des plus grands émetteurs de CO2 de la planète.

Quels sont les nouveaux matériaux de construction? 

Les nouveaux matériaux sont notamment : 

• Le béton 3D; 

• Le vitrage intelligent; 

• Le CLT;

• Le chanvre; 

• Le bambou. 

Comme nous le verrons dans cet article, il y en a d’autres. Certains sont déjà utilisables dans la construction (chanvre, CLT), d’autres sont encore à l’état de projet (béton 3D), et une partie reste à l’étape des études de faisabilité (bambou). 

Ce qui est sûr, c’est que ces matériaux représentent l’avenir de la construction, et aussi la voie qui pourrait sauver notre planète de la catastrophe climatique. Et ça, de très nombreux acteurs, dans tous les pays, l’ont compris. Ils travaillent à chercher des solutions aux défis qui sont les nôtres.   

Quels sont les matériaux les plus utilisés pour construire des maisons aujourd'hui?

Le béton : un incontournable

Après l’eau, le béton est la ressource naturelle la plus utilisée au monde. À tel point que lorsque vous aurez lu cette phrase, 3 800 000 litres de béton auront été utilisés par le secteur de la construction. 

Annuellement, cela correspond à 3 tonnes de béton pour chaque habitant de la terre. Justement, parce que son empreinte carbone est extrêmement importante, l’industrie de la construction se tourne aujourd’hui vers le béton recyclé. Ce matériau permet : 

• Une économie de ressources naturelles de 30%; 

• Une réduction des coûts du transport; 

• Une mise en œuvre plus rapide. 

Parce qu’il est limité à des projets de construction dont les normes de résistance sont C30/37, il n’est certes pas l’avenir, mais contribue à réduire l’impact environnemental du secteur. 

Le bois : traditionnel et renouvelable

Savez-vous quel pays est leader dans la construction en bois? Le Canada. Cela grâce à des capacités de recherche multidisciplinaires à la pointe de la technologie. D’ailleurs, c’est Vancouver qui dispose de l’immeuble en bois hybride le plus grand au monde : le Brock Commons. Il s'agit du premier projet hybride en bois massif, acier et béton de plus de 14 étages au monde.

Le logement de ces 404 étudiants a permis d’économiser le CO2 de 511 voitures sur une année, soit 2 432 tonnes. 

Pour être sûr que cette ressource ne tarisse pas, le Canada a mis en place l’une des législations les plus contraignantes au monde. Celle-ci est appliquée directement par les provinces et les territoires selon : 

• Les principes de la gestion durable des forêts; 

• Le partenariat entre les citoyens et l’industrie forestière; 

• Les résultats des recherches scientifiques. 

Comme nous allons le voir, le bois fait partie intégrante des nouveaux matériaux de construction, avec des produits comme le CLT (bois lamellé-croisé). 

Le métal : résistant et polyvalent

Il a fait son entrée dans la construction pour 3 raisons : 

1. Le besoin de place; 

2. La recherche d’une nouvelle esthétique; 

3. La rapidité de montage. 

Le métal s’est imposé dans tous les secteurs demandant une importante surface de stockage : 

• Fermes; 

• Entrepôts; 

• Grandes surfaces. 

Mais le métal offre aussi une importante liberté esthétique. C’est la raison pour laquelle il a été utilisé par l’architecte William Van Alen pour réaliser le Chrysler Building de New-York, et avant lui par Lewis Cubitt, pour réaliser la charpente de la gare King’s Cross située à Londres.  

Presque entièrement construite en usine, une charpente métallique n’a plus qu'à être assemblée sur le chantier. Attention toutefois, le calcul des contraintes est complexe et dépend de nombreux facteurs (type de couverture, habillage de façade, conditions météorologiques, etc.).

Par contre, s’il ne fait plus partie des matériaux innovants, son usage depuis le XIXème siècle fait du métal un matériau sûr et parfaitement maîtrisé par les constructeurs.  

Le verre : pour la lumière et l'esthétique

Est-ce que vous connaissez les briques de verre ? Et bien sachez que ce matériau, comme le métal et le bois, ne fait pas non plus partie des nouveaux matériaux de construction. Cela peut paraître surprenant, mais le verre, et plus particulièrement les briques de verre, a fait son apparition en 1893 durant l’Exposition universelle de Chicago. 

Depuis, les briques de verre ont connu un franc succès, puisqu’elles permettent : 

• D’isoler; 

• D’éclaircir l’intérieur; 

• De résister aux incendies. 

Lorsque son inventeur, Gustave Falconnier, disait d’elles qu’elles isolent « contre le froid, contre la chaleur, contre le bruit et contre l’humidité », il avait raison. Car, les briques de verre possèdent un coefficient thermique de 1.10 W/m².K. C’est presque 2 fois mieux que le béton haute densité (2 W/m²K).  

En matière d’esthétique, il n’y a peut être que le béton armé translucide (BAT), qu’elles ont d’ailleurs préfiguré, qui peut entrer en compétition avec ces briques. 

L'émergence des nouveaux matériaux de construction 

Les constructions à base de ciment, de métal, de bois ou de briques de verre ont dû se réinventer pour faire face aux contraintes environnementales. Par exemple, pour le béton, les chercheurs de l’Université d’Exeter ont développé le GraphCrete, un mélange de béton et de graphène, moins émetteur de gaz à effet de serre.  

De l’autre côté de l’Atlantique, les chercheurs de l’Université de Sherbrooke proposent de remplacer une partie du ciment, présent dans le béton, par du verre provenant de nos 200 millions de bouteilles de vin qui partent au recyclage chaque année. 

Toujours au Québec, les chercheurs de l’Université du Québec à Chicoutimi proposent un cursus dans la conception des structures multiétages en bois (résidentiel, non-résidentiel, ouvrage d’art). Tout cela montre que le secteur de la construction est en pleine ébullition.

Toutefois, s’il y a des avantages à développer des matériaux innovants, il y a aussi de nombreux défis à relever avant de pouvoir les utiliser. 

Avantages et défis des nouveaux matériaux

Dans le monde des matériaux de construction innovants, les avantages et les défis se croisent sur les chantiers. Prêts à découvrir comment ces nouveaux matériaux transforment le visage de la construction?

Réduire l'empreinte carbone grâce aux nouveaux matériaux

L’empreinte carbone ne se réduit pas aux matériaux qui composent la structure du bâtiment. Elle concerne aussi les matériaux isolants ou encore les sources de production d’énergie comme les panneaux solaires. 

Cette recherche de performance environnementale n’est pas nouvelle. À la fin du XIXème siècle, l’architecte anglais Ebenezer Howard imagine la cité-jardin. En 1932, Frank Lloyd Wright théorise la nature en ville. Dans les années 1930 encore, Richard Buckminster Fuller dépeint les « Dymaxion Houses », des maisons dont le chauffage et la ventilation se font naturellement. 

Dès les années 1940, les recherches se développent dans le domaine de l’architecture bioclimatique et solaire, dont naîtront des concepts comme ceux de : 

• Ventilation naturelle; 

• Dimensionnement des vitrages; 

• Mur trombe. 

Elles préfigurent les nouveaux matériaux de construction que nous allons évoquer plus loin. 

Gérer les coûts des nouveaux matériaux de construction

Ce qui a freiné les avancées architecturales repose surtout sur le coût de ces bâtiments d’un nouveau genre. Aux États-Unis, lorsque Tesla lance ses bardeaux solaires photovoltaïques, c’est une révolution, mais à quel coût? 100 000$. Le prix d’une toiture Tesla. 

Parfois, cela va même plus loin. Ainsi, lorsque Ebenezer Howard couche sur le papier sa « Social City », ce n’est même pas que l’architecture qu’il repense, mais toute l’organisation sociale du Royaume-Uni. 

Quand ces coûts de production ne sont pas directement répercutés sur l’acheteur, ils s’imposent aux entrepreneurs. L’exemple du béton 3D parle de lui-même. Une imprimante 3D demande 250 000$ d’investissement.

Le problème majeur, pour les petites entreprises, repose sur le fait que ces nouveaux matériaux sont très souvent des nouvelles technologies, c’est-à-dire sans encadrement normatif. Par conséquent, elles ne peuvent être réalisées qu’à titre de projet. La pérennité du matériau n’est donc pas assurée.  

Assurer la durabilité et la résistance des nouveaux matériaux

Ce défi de l’introduction de nouveaux matériaux de construction repose donc sur les contraintes suivantes : 

• Le coût; 

• La résistance;

• La durabilité; 

• Les normes. 

Dans le secteur de la construction, un matériau ne peut être utilisé que s’il est sécuritaire. Autrement, les conséquences peuvent être catastrophiques. En France, l’effondrement d’un immeuble vétuste a coûté la vie à huit personnes en 2018. À Montréal-Nord, au mois de septembre 2023, un homme a perdu la vie dans l’effondrement de son rez-de-chaussée. 

Pour prévenir ces tragédies, il faut non seulement pouvoir déterminer avec précision la durée de vie d’un nouveau matériau, mais aussi encadrer son utilisation : 

• Conditions d’emploi; 

• Règles de calcul des contraintes; 

• Bonnes pratiques;

• Limites d’utilisation; 

• Etc. 

Tous ces éléments représentent autant de défis à la mise sur le marché de matériaux innovants. Voici pourquoi le béton au graphène, ou le béton au verre recyclé, n’est pas encore utilisé par les entrepreneurs. 

Comment les matériaux de construction ont-ils évolué ces dernières années ?

Au cours des dernières années, les matériaux de construction ont connu une évolution notable, marquée par l'émergence de technologies innovantes. Cette évolution reflète non seulement un souci accru de l'environnement, mais également une quête constante d'efficacité et de durabilité dans le secteur de la construction.

Une révolution en cours dans le monde du béton

L’industrie du béton, pointée du doigt pour ses émissions de gaz à effet de serre, fait feu de tout bois pour réinventer son produit. En une décennie, de nouveaux produits ont vu le jour :

Le béton fibré : léger et résistant

Le béton classique possède un point faible : son manque de résistance à la traction. Pour y remédier, le béton fibré a été développé. Avec lui, des records sont tombés : 

• 2 300 MPa de résistance à la traction | 500 MPa pour le béton classique;

• 150 à 250 MPa de résistance à la compression | 30 MPa pour le béton classique. 

Le béton fibré se compose de fibres métalliques et de fibres polymères, qui améliorent de nombreux facteurs : 

• Cohésion; 

• Ductilité; 

• Résistance au cisaillement; 

• Écaillage. 

Enfin, un béton fibré structurel allégé peut peser seulement 600 kg/m³, là où un béton classique ne pèse pas moins de 2 300 kg/m³. 

Le béton imprimable en 3D

Il apparaît comme une véritable révolution dans le monde de la construction, une promesse d’avenir pour un secteur en tension. Avec lui, les murs d’une maison peuvent être montés en 24 heures. Vous avez fait le calcul ? Le gain de temps est de 95%.

Cette prouesse s’appelle le 3DCP, pour 3D Concrete Printing. Il s’agit d’un nouveau béton, développé spécialement pour pouvoir être imprimé en 3D. Ce dernier doit non seulement être extrudable et stable, mais aussi fluide et visqueux. 

C’est là que ses limites apparaissent, car pour fonctionner en impression 3D, ce béton doit trouver un juste équilibre pour marier les contraires. Cette technique n’est pour l’instant que maîtrisée par de très grandes entreprises, comme Lafarge en France, ou Peri en Allemagne. Et seuls des bâtiments de moins de quatre étages peuvent pour l’instant être construits avec du béton imprimé en 3D. 

Le béton translucide 

Le béton translucide a fait son apparition au tournant des années 2000, en Hongrie. La recette : 

• Des fibres de verre;  

• Une matrice cimentaire. 

Avec seulement 4% de fibres de verre, le béton devient translucide. Seul problème : le coût. Pour le rendre plus économique, son inventeur, Aron Losonczi, remplace la fibre de verre par du plastique. 

Les usages de ce béton sont les suivantes : 

• Pièces en 3D, 

• Intégration de logos, 

• Ajout d’éléments graphiques, 

• Pièces de grandes dimensions. 

L’industrie du béton a bien sûr tenté d’améliorer la recette pour en faire un béton aux propriétés structurelles, mais sans y parvenir. Aujourd’hui, on trouve du béton translucide composé de résine ou de morceaux de verre. 

Un vitrage de plus en plus isolant

Depuis les années 1940, l’épaisseur des vitrages est montée sur le devant de la scène. La volonté de limiter les pertes de chaleur en hiver, et l’entrée de la chaleur en été a fait gonfler l’épaisseur du carreau. 

On parle aujourd’hui de « vitrage isolant » pour définir un double ou triple vitrage, mais aussi de « verre intelligent ».

Le verre intelligent : pour une meilleure isolation

Un verre intelligent n’est pas un verre qui réfléchit la lumière, mais qui dispose de propriétés atypiques. En plus de posséder une constitution anti-effraction, feuilleté ou isolant, il peut aussi être : 

• À couleur variable;

• Thermochrome; 

• Éectrochrome; 

• Photochrome; 

• Thermique; 

• Autonettoyant; 

• Photovoltaïque;

• Etc. 

Les buts recherchés sont au nombre de trois :  

• Améliorer le confort; 

• Économiser l’énergie; 

• Produire de l’énergie.

Le vitrage isolant sous-vide

ll fonctionne comme un double ou triple vitrage classique. C’est-à-dire qu’il possède aussi une unité scellée comprenant deux feuilles de verre entre lesquelles se trouve un gaz ou une lame d’air. 

Par contre, du vide est généré dans la constitution du verre lui-même. Bien qu’il soit performant sur le plan thermique (0.4 à 0.7 W/m2.K), il n’est pas suffisamment solide pour intéresser l’industrie de la construction. Ses soudures sont fragiles et sa qualité est affaiblie par le fait que ce verre ne soit pas trempé. 

Des nouveaux matériaux écologiques

Les nouveaux matériaux écologiques, comme les composites recyclés et les isolants naturels, répondent à une demande croissante pour des options respectueuses de l'environnement. En privilégiant des ressources renouvelables et en réduisant les émissions de carbone, ces solutions offrent une approche moderne et durable pour les projets de construction.

Le bois lamellé-croisé (CLT) : une faible empreinte écologique

Les caractéristiques du CLT font que l’on pourrait dire de lui qu’il n’a aucune empreinte écologique. Sauf à considérer une empreinte écologique positive. Pourquoi? Parce que chaque mètre cube de panneaux en CLT peut stocker une tonne de carbone. 

À cela s’ajoute le fait que chaque construction qui emploie du CLT le fait à la place de matériaux bien plus polluants, comme l’acier ou, pire, le béton. 

Par conséquent, chaque grand bâtiment composé de CLT voit son impact environnemental diminuer de 40%.

La fibre de cellulose : un isolant naturel

La fibre de cellulose provient de la fibre de papier recyclé. Comme pour le béton 3D, ce nouveau matériau n’a pas encore assez de retour d’expérience quant à son utilisation et ses propriétés. Il reste donc moins utilisé que des isolants plus communs. 

Toutefois, d’autres caractéristiques ralentissent son utilisation. Bien que la fibre de cellulose possède un coefficient de conductivité thermique de 0.040 W/mK, le papier a de nombreux désavantages : 

• Une forte hygroscopie (la propension à faire de la rétention d'eau et autres liquides); 

• Une inflammabilité importante; 

• Un environnement favorable au développement des moisissures. 

Par conséquent, pour l’utiliser de manière optimale et durable, l’entrepreneur doit avoir une compréhension approfondie de ses limitations. 

Le chanvre : un matériau biosourcé en plein essor

Le chanvre est une plante dont la culture est autorisée au Canada depuis 1988. Ses fibres sont utilisées pour composer ce qui s’appelle de la « laine de chanvre ». En réalité, ce matériau biosourcé se compose d’un mélange de fibres de chanvres (15%) thermoliées avec l’une des fibres suivantes : 

• Du polyester; 

• De l’amidon de maïs;

• De la fécule de pomme de terre. 

Comparée à d’autres matériaux isolants, la laine de chanvre est presque 4 fois moins gourmande en énergie que le polystyrène extrudé (HFC), soit 50 kWh/UF pour la production de la première et 190 kWh/UF pour la production de la seconde. 

Le meilleur vient maintenant : la laine de chanvre possède un bilan carbone négatif : -0.78 kg CO2 eq/UF. 

Autrement dit, la laine de chanvre est un puits de carbone, là où d’autres laines, comme la laine de roche, atteignent 45 kg CO2 eq/UF. 

Pour finir, le chanvre possède également des fibres courtes, appelées « chènevottes ». Ces dernières sont utilisées pour produire du béton de chanvre. 

Le bambou : une ressource renouvelable 

Si l’on vous dit « bambou » et « béton », à quoi pensez-vous ? Probablement à deux antagonistes. L’un est vertueux, léger, extrêmement résistant à la compression et à la traction, l’autre est un polluant de premier plan, lourd et moins résistant aux contraintes. 

Pourtant, le secteur de la construction est parvenu à marier ces deux matériaux dans des produits où on ne les attendait pas forcément : 

• Le béton fibré; 

• Le béton armé. 

Si son utilisation semble plus conventionnelle dans le béton fibré, l’usage du bambou dans le béton armé est à l’étude. Il y prendrait la place de l’armature d’acier. Il semble notamment être une solution intéressante dans les pays d'Asie où le coût de l’acier amène les constructeurs à n’utiliser que du béton simple ou de la brique.  

Surtout que le bambou présente des caractéristiques très intéressantes. Sa masse volumique est égale à celle du bois (600 kg/m³), l’énergie nécessaire à sa production est six fois moins importante que celle du béton et 780 fois moins que l’acier. 

Toutefois, de nombreux problèmes doivent encore être surmontés, notamment : 

• Les défauts d’imperméabilisation; 

• Le gonflement du bambou à l’humidité; 

• La fissuration. 

Des points positifs sont toutefois à noter : 

• Une structure 40% plus légère; 

• Une construction plus rapide (2 à 3 semaines).

Les matériaux recyclés : pour une construction plus durable

Le recyclage oui, mais pas pour tous les matériaux. Si le bois, les bardeaux d’asphalte et le gypse sont parfaitement recyclables, ce n’est pas la même histoire pour le béton. 

D’ailleurs, au Canada et aux États-Unis, le béton recyclé n’est utilisé que dans deux situations : 

• Le remblai; 

• Le pavement. 

Pourquoi pas dans le bâtiment? Parce qu’un béton recyclé emprunte les faiblesses du béton d’origine. Par conséquent, un béton dégradé ne pourra produire qu’un béton avec une structure faible. Au Canada, un béton de ce genre réagira malheureusement très mal aux cycles gel-dégel ou encore aux variations du taux d’humidité. 

À l’inverse, le bois recyclé qui se retrouve dans les magasins est d’une qualité irréprochable. Pourquoi? Parce que tout bois contenant des objets métalliques (vis, clous, agrafes), de la peinture, ou qui provient de fermes, de charpentes et de planchers, n’est utilisé que comme combustible. 

Les bardeaux, quant à eux, recouvrent les routes, les toitures et servent aussi de combustible. Pour que les toitures restent de qualité, le département américain de l’énergie a déterminé qu’elles ne devaient pas être recouvertes avec plus de 20% d’asphalte recyclé.

C’est exactement la même chose pour le gypse. Ce matériau, qui se recycle très bien, ne se retrouve qu’à hauteur de 10% ou 20% dans de nouveaux panneaux. 

Les panneaux solaires intégrés : pour une énergie propre

L’efficacité énergétique passe par les panneaux solaires intégrés. Nous avons déjà parlé de la toiture développée par Tesla. Malheureusement, son prix ne la rend pas encore accessible à tous les budgets. 

Il faut donc se diriger vers des matériaux plus traditionnels, comme les panneaux photovoltaïques ou les vitrages photovoltaïques. Par contre, il est important de choisir les panneaux les plus performants.

L’idée est donc d’installer les panneaux les plus puissants pour limiter la surface de production. Pour les fenêtres, le filtre est intéressant, mais attention, il devient plus foncé lorsqu’il y a beaucoup de soleil, faisant ainsi baisser la clarté dans la pièce.  

Construction de futurs bâtiments : se former à l'utilisation des nouveaux matériaux 

Acquérir une excellente isolation thermique en profitant de fibres naturelles, faire en sorte que sa maison ait un impact environnemental moindre, le tout en utilisant des matériaux de construction écologiques demande de solides formations. 

Les matériaux de construction écologique sont, pour la plupart, nouveaux. Faire l’économie du plastique et des polymères n’est pas simple, mais les universités sont sur les rangs. 

Au sein de l’Université Laval, il est possible de suivre un programme sur les matériaux de fibres cellulosiques. 

À Sherbrooke, le laboratoire universitaire planche sur l’impression 3D du béton. 

À Chicoutimi, l’Université du Québec à Chicoutimi offre un cours d’écoconception des bâtiments à base de bois. 

La révolution de la construction écoresponsable n’a donc pas encore atteint l’échelle industrielle. Par contre, il est déjà possible, même pour une start-up, de former ses employés. 

Certes, il leur faudra retourner sur les bancs d’école, mais l’avantage concurrentiel peut être déterminant. En effet, il est dorénavant certain que les matériaux traditionnels vont céder le pas aux nouveaux matériaux de construction. Il est encore difficile de dire lesquels deviendront incontournables, mais il ne sera bientôt plus possible de les ignorer. 

Quels seront les matériaux du futur? 

Il est impossible de le dire. Nous savons que de nombreux matériaux sont en cours de développement, et nous les avons présentés dans cet article, mais il est impossible de déterminer lesquels seront utilisés à l’avenir.

De nombreuses améliorations sont encore nécessaires, sur des produits relativement courants, comme la fibre de cellulose et son manque de résistance à l’humidité. Que dire du béton 3D, dont la qualité dépend si fortement de la précision avec laquelle ses composantes sont mélangées (quantité, vitesse, etc.). 

Les matériaux du futur sont déjà là, c’est une certitude. Par contre, personne ne peut prédire le succès de chacun d’entre eux. 

Vers une nouvelle ère pour la construction ?

L’ère du plastique, des polymères, du béton traditionnel semble toucher à sa fin. Les matériaux biosourcés dans la construction font leur entrée dans les projets immobiliers. Le béton au graphène, les maisons à base de bois en CLT, ou encore le bambou, ont tous l’avantage de limiter les émissions de gaz à effet de serre. 

Toutefois, les défis sont nombreux : 

• Maîtriser les coûts; 

• Calculer la résistance aux contraintes; 

• Apprécier la durabilité. 

Voilà autant d’éléments qui compliquent fortement la progression de nombreux matériaux innovants. 

Néanmoins, les universités de tous les pays sont sur les rangs pour résoudre ces défis. Toutes ces institutions ont compris que les matériaux écoresponsables sont la voie de l’avenir. Par conséquent, ce sont eux qui seront vendus dans les prochaines décennies. Un argument de taille pour toutes les entreprises en construction.