Le béton imprimé 3D est déjà une réalité : que sait-on de ses performances ?

Introduction

L’impression 3D du béton, ou 3D Printed Concrete (3DPC), est souvent présentée comme l’une des technologies susceptibles de transformer le secteur de la construction. La réduction du recours au coffrage, l’automatisation du processus constructif, la liberté géométrique et l’optimisation de l’utilisation des matériaux figurent parmi ses principaux avantages potentiels. Toutefois, à mesure que cette technologie quitte les laboratoires et les démonstrateurs pour intégrer de véritables projets de bâtiments, une question devient incontournable : quelles sont les performances d’une structure imprimée en 3D par rapport à celles d’une structure conventionnelle en béton ?

Pendant longtemps, les recherches sur le 3DPC ont surtout porté sur la composition du béton, sa circulation dans le système d’impression et ses propriétés mécaniques. Cependant, l’étude du matériau seul ne suffit pas à déterminer comment un bâtiment imprimé se comportera sous des sollicitations réelles. Une nouvelle étape est donc en cours : des chercheurs construisent désormais des murs imprimés à grande échelle et les soumettent à des chargements cycliques reproduisant certaines sollicitations caractéristiques d’un séisme. Plusieurs études comparent leur résistance, leur rigidité, leur ductilité et leur capacité de dissipation d’énergie à celles de murs conventionnels. Ces essais permettent ainsi de passer de l’étude de l’imprimabilité du matériau à l’évaluation du comportement d’éléments structuraux, notamment dans la perspective de leur utilisation en génie civil et en génie parasismique.

Du béton conventionnel au béton imprimé : quelles performances structurales ?

Le béton conventionnel est généralement coulé de manière continue dans un coffrage. Mais en impression 3D, le matériau est au contraire déposé successivement sous forme de couches. Cette différence est fondamentale et fait l’objet de nombreuses analyses dans les travaux de recherche. Şahin et Mardani (2023) soulignent que le 3DPC présente un comportement anisotrope : ses propriétés mécaniques peuvent dépendre de la direction de chargement. Ils indiquent également que les vides ont tendance à se concentrer au voisinage des interfaces entre les couches, ce qui peut affecter notamment l’adhérence intercouche et la résistance en flexion.

Ces caractéristiques propres au matériau et au procédé d’impression soulèvent plusieurs questions quant aux performances du béton imprimé en 3D. D’une part, il est nécessaire d’évaluer ses propriétés mécaniques, notamment sa résistance en compression, et de déterminer dans quelle mesure celles-ci diffèrent de celles du béton conventionnel. D’autre part, à l’échelle de la structure, une question tout aussi importante concerne son comportement sous des sollicitations extrêmes telles que les séismes. Ces aspects ont fait l’objet de travaux expérimentaux visant à mieux comprendre les performances du 3DPC et à les comparer à celles de bétons conventionnels.

Résistance en compression : comment le béton imprimé se compare-t-il au béton conventionnel ?

La résistance en compression du béton imprimé en 3D ne dépend pas seulement de sa composition, mais aussi de la façon dont les couches sont déposées. Şahin et Mardani (2023) montrent ainsi que la direction du chargement peut influencer les résultats, une conséquence du caractère anisotrope du matériau. Par exemple, avec une même formulation, Ma et al. obtiennent une résistance de 39,5 MPa pour le béton conventionnel, contre 29,8 à 39,6 MPa pour le béton imprimé, selon la direction du chargement.

Ces résultats ne signifient toutefois pas que le béton imprimé est systématiquement moins résistant. Ils montrent que le béton imprimé peut atteindre une résistance en compression comparable à celle du béton conventionnel dans certaines directions de chargement. Toutefois, cette performance n’est pas nécessairement maintenue dans les autres directions, ce qui souligne l’importance du procédé d’impression et de l’orientation des couches dans l’évaluation de ses propriétés mécaniques.

Résistance sismique : que montrent les essais sur les murs imprimés ?

Au-delà de la résistance du matériau, une question essentielle est de savoir comment un élément structural imprimé en 3D se comporte lorsqu’il est soumis à des sollicitations sismiques. Aghajani Delavar et al. ont testé deux murs en béton imprimé en 3D conçus avec des configurations internes différentes. Les essais montrent que les deux systèmes atteignent des résistances latérales maximales très proches. Leur comportement sous chargement cyclique n’est toutefois pas identique : le mur doté d’un remplissage également imprimé présente une rigidité plus élevée ainsi qu’un amortissement visqueux équivalent supérieur.

Faute de références suffisantes sur les bâtiments 3DPC en zones fortement sismiques, les chercheurs ont choisi de comparer leurs murs imprimés à un mur de référence en maçonnerie de blocs de béton armé, représentatif d’un système conventionnel utilisé dans les régions sismiques. Ce choix repose également sur certaines similitudes entre les deux systèmes constructifs, notamment la présence d’interfaces horizontales potentiellement faibles.

L’un des deux murs imprimés, celui comprenant un remplissage intérieur également imprimé, a été comparé à un mur conventionnel de référence en maçonnerie de blocs de béton armé. Le mur imprimé avait été conçu pour atteindre une résistance latérale et un mécanisme de rupture similaires à ceux du mur conventionnel. Les essais ont montré que les deux murs présentaient des comportements très proches en matière de rigidité, de résistance, de réponse aux chargements cycliques, de dégradation progressive et de déformations résiduelles. La résistance maximale du mur imprimé était même légèrement supérieure, d’environ 3 %, à celle du mur conventionnel.

D’autres chercheurs se sont également intéressés au comportement sismique des structures en béton imprimé en 3D. Zhang et al. (2023), par exemple, ont testé trois murs en béton imprimé en 3D et les ont comparés à un mur conventionnel coulé sous chargements cycliques quasi-statiques. Les murs imprimés étaient renforcés selon une méthode proposée par les auteurs, combinant notamment un textile flexible et un matériau cimentaire. À l’issue des essais, les auteurs concluent que ces murs imprimés renforcés présentent une meilleure efficacité d’utilisation des matériaux ainsi que de meilleures propriétés mécaniques que le mur conventionnel de référence. Warsi et al. (2026) ont également étudié le comportement de différentes configurations de murs imprimés sous chargements cycliques, en examinant notamment l’effet du matériau et du renforcement. Ces différentes études montrent que la recherche commence à dépasser l’échelle du matériau pour examiner directement la réponse d’éléments structuraux imprimés soumis à des sollicitations représentatives d’un séisme.

De l’expérimentation aux chantiers : l’impression 3D est déjà une réalité

Longtemps associée aux laboratoires et aux projets expérimentaux, l’impression 3D du béton est aujourd’hui utilisée dans des projets de construction bien réels. Aux États-Unis, Wolf Ranch, au Texas, a déployé cette technologie à l’échelle d’une communauté d’une centaine de maisons, tandis qu’en Arizona, Habitat for Humanity l’a expérimentée pour la construction résidentielle. En Europe, elle a également franchi de nouvelles étapes avec un immeuble résidentiel de plusieurs étages à Lünen, le bâtiment Wavehouse à Heidelberg et la tour Tor Alva en Suisse.

À Houston, le projet résidentiel Zuri Gardens illustre concrètement cette évolution avec la construction de logements intégrant des murs en béton imprimé en 3D. Le chantier permet d’observer de près le système robotisé, le dépôt successif des couches et les matériaux utilisés. Zuri Gardens témoigne ainsi d’une transformation plus large du secteur : l’impression 3D du béton entre progressivement dans une nouvelle ère, celle de la construction résidentielle à grande échelle.

Bibliographie