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1 ENSAPM – Département Transitions – Séminaire de recherche – Année 2014-2015

Techniques de Mises en Œuvre du Béton

Phosphorescent.

LECESNE Chloé *

*Etudiante Master 1 à l’ENSA Paris-Malaquais, 14 rue Bonaparte 75006 Paris

RÉSUMÉ. Il existe déjà dans notre quotidien des applications du phénomène de

phosphorescence dans le domaine du bâtiment, concernant notamment la sécurité, le

balisage et la signalétique. Ces solutions rapportées bien qu’éphémères sont intéressantes

car elles ne nécessitent, mis à part la lumière, aucune autre source d’énergie. C’est cette

même énergie dont il est question dans ce sujet de recherche. L’enjeu de ce travail est de

réussir à capter cette lumière, tantôt naturelle le jour, ou artificielle la nuit, et de la diffuser

ensuite de manières sublimes. Pour cela vous trouverez entre autre dans cette étude, un guide

à l’intention du concepteur sur les différentes techniques de mises en œuvre du béton

phosphorescent, un matériau innovant pour l’écoconception . . .

ABSTRACT. It already exists in our everyday phenomenon of phosphorescence of

applications in the building sector, in particular concerning safety, marking and

signage. These well- reported ephemeral solutions are interesting because they do

not require, apart from light, no other source of energy. It is this same energy

referred to in this research topic. The aim of this work is to successfully capture this

light, sometimes natural by day or artificial overnight, and then disseminate sublime

ways. For that you will find among others in this study, a guide for the designer on

the different techniques implemented phosphorescent concrete, a new innovative

material for eco design.

MOTS CLÉS : BETON, PHOSPHORESCENT, LUMINESCENCE,

KEY WORDS: CONCRETE, PHOSPHORESCENT, LIGHT


1. Introduction

A l’initiative de cette recherche, il y a eu une première idée forte qui a initié mon

sujet de travail. La réflexion de la lumière urbaine la nuit. En effet c’est dans une

démarche écologique, celle d’inventer des solutions passives et esthétiques

appliquées aux bâtiments, qui a motivé le début de mes recherches. Des dispositifs

capables de renvoyer l’énergie lumineuse émise pour éclairer dans un cycle continu

les bâtiments, la nuit. C’est au fil de mes recherches que mon sujet s’est porté sur le

phénomène de phosphorescence appliqué au béton.

Les applications potentielles de ce phénomène sont très nombreuses, car il permet

d’améliorer la sécurité et d’économiser de l’énergie : signalisation routière (peinture

au sol et panneaux) signalisation d’urgence, enseignes publicitaires, jouets,

maquillage, etc. Mais avant il a fallu comprendre la phosphorescence encore

méconnu.

Ce mémoire pose la question de la vie d’un bâtiment la nuit, sous l’aspect esthétique,

économique et écologique. De plus, j’ai choisis d’étudier le phénomène de

phosphorescence car l’idée d’un bâtiment capable de changer d’aspect de nuit en

plus de faire rêver pourrait être dans certains cas une solution durable…

Chaque chapitre donne ainsi une définition un peu différente de la phosphorescence,

telle qu’elle se précisait et m’apparaissait au fil de cette recherche. D’abord d’un

point de vue Historique mais aussi Physique. La seconde partie de ma recherche, la

plus importante, a été d’essayer de comprendre ce phénomène par la Fabrication de

différents prototypes. Les différentes mises en œuvre présentées dans cette recherche

ont toutes un intérêt esthétique et donc se complètent.

Ce sujet peut être traité sous différents angles, tant ce phénomène reste encore

méconnu et innovant dans le domaine de la construction. C’est mon attrait pour

l’esthétique et l’étude des matériaux en tant que futur architecte qui a motivé mon

angle de recherche. En effet ce mémoire s’attache donc à vous présenter les

différentes mises en œuvre possibles du béton phosphorescent, et sa performance

lumineuse. La dimension économique et écologique de ces techniques sont

brièvement abordées mais pourraient elles aussi à leur tour faire l’objet d’une

recherche approfondie tant le sujet est passionnant et encore trop peu présent en

architecture. Avant tout s’intéresser au béton phosphorescent, c’est aussi avant tout

s’intéresser au sujet de la lumière. Une dernière partie, en guise de conclusion fera

un retour sur l’importance de l’utilisation de cette solution qui de manière innovante

permettrait d’apporter une dimension écologique à cette matérialité.

La lumière lorsqu’elle est artificielle, elle peut être fonctionnelle, ludique,

médiatique et devient un objet qui se travaille dans sa forme. La lumière naturelle est


quant à elle liée à des conditions climatiques et s'inscrit dans un cycle immuable. La

variété infinie d'expériences que les architectes offrent à travers leurs bâtiments est

donc en lien étroit avec la lumière. Lumière et esthétique sont intimement liés. Ce

séminaire est donc l’occasion d’associer ces deux notions, en s’intéressant plus

particulièrement à un matériau innovant, le béton phosphorescent.

Suite aux accords signés à la COP 21, des solutions alternatives doivent être mises

en place afin de respecter nos engagements. Par exemple, les objectifs du plan climat

de la ville de Paris ont pour ambition une diminution de 30% des consommations

énergétiques du parc municipal et de l’éclairage public, pour l’année 2020. De plus

le secteur du bâtiment est le second plus gros producteur de CO2 dans le Monde. Les

solutions pour faire baisser cet impact ne pourraient-elles pas se trouver dans son

fonctionnement intrinsèque, son entretien, son utilisation ?

2. Histoire du phénomène de phosphorescence

PHOSPHORESCENCE : « n.f 1.OPT. Luminescence dans laquelle l’émission de

lumière persiste un temps appréciable (de 10-8 seconde à plusieurs jours) après qu’a

cessé l’excitation (par oppos. à fluorescense). 2. Emission de lumière par certains

être vivants. La phosphorescence du lampyre.

Définitions extraites de Le Petit Larousse Illustré, Editions 2009.

Frédéric Clabeau dans sa thèse sur les mécanismes de la phosphorescence, publiée

en 2005, explique les causes de la méconnaissance de la phosphorescence. Ce

phénomène reste encore marginal en raison des piètres performances des seuls

matériaux phosphorescents connus jusqu’en 1995, le ZNS : CU+, le Sulfure de Zinc

dopé au Cuivre.

« Elle resta même surtout considérée comme étant un processus parasite des

principales applications de la luminescence : lampes, écrans, lasers, scintillateurs…

Ceci explique pourquoi peu d’ouvrages s’intéressent au phénomène, par conséquent

encore très mal compris » (extrait de la thèse de Frédéric Clabeau :

Phosphorescence et nouveaux matériaux, à l’université de nantes facultés des

sciences et des techniques dans la discipline science des matériaux, spécialité

chimiedu solide, Directeur de thèse, Stéphane Jobic, présentée en 2005)

En effet la phosphorescence est un phénomène méconnu, peut présent dans la

littérature, encore aujourd’hui, bien qu’il soit connu depuis le Xème siècle en Chine

et au Japon (S. Shionoya, W. Yen, Phosphor handbook, CRC Press, New York,

1999). Les écrits d’un moine de la dynastie Song faisait référence à un tableau

montrant, selon qu’on l’observe au jour ou dans l’obscurité, une vache paître à

l’extérieur ou à l’intérieur d’un enclos. L’encre visible de nuit aurait été de la poudre

de coquillage (contenant du zinc et du cuivre) mêlée à de la roche volcanique écrasée


(contenant du soufre). En Europe, V. Casciarolo observa au début du XVIIe siècle

une lumière rouge dans l’obscurité après avoir chauffé une roche volcanique. En

1669, l'alchimiste allemand H. Brand obtint en faisant chauffer de l’urine un

composé luisant dans l'obscurité. Croyant que c’était là une propriété intrinsèque de

l’atome qu’il venait de mettre en évidence, il lui donna donc le nom phosphorus, du

grec « phôs » (lumière) et « phoros » (porteur). On sait aujourd’hui que c’est en fait

l’entretien de la réaction chimiluminescente d’oxydation du phosphore (P4 + 6 O 2

⎯→ 4 PO3) qui induisait une luminescence prolongée, mais les noms de l’élément et

du phénomène sont restés. On peut noter ici que c’est ce phénomène d’excitation

continue qui est à l’origine de la luminescence des lucioles. En 1768, J. Canton

obtint un matériau phosphorescent à partir de coquille d’huître et de soufre. En 1866,

le chimiste français T. Sidot observa la phosphorescence d’un cristal de ZnS préparé

par sublimation et contenant une faible quantité de cuivre en impureté. Le sulfure de

zinc ZnS: Cu+ est resté jusqu’à la fin du XXe siècle le seul matériau phosphorescent

connu émettant pendant plus de quelques minutes. La faible durée de sa

luminescence (inférieure à 1 h) conduit tout d’abord à ajouter des éléments

radioactifs (3H, 147Pm), car les émissions β- de ces éléments permettent l’excitation

et le piégeage de nouvelles charges.

Depuis 1995 et la découverte du luminophore SrAl2O4: Eu2+, Dy3+, B3+ par la

société japonaise Nemoto 3, l’intérêt porté à la phosphorescence s’est très largement

accru. On dispose en effet aujourd’hui de matrices émettant pendant plusieurs

heures, résistantes chimiquement et offrant une large gamme de couleurs.

C’est un dérivé très similaire à ce composant qui sera par la suite utilisé dans la mise

en œuvre des échantillons. En effet, les applications extérieures perdurant toute une

nuit deviennent donc envisageables. De plus en plus conscients de ces nouvelles

possibilités, de nombreux secteurs industriels sont demandeurs de matériaux

performants et innovants, justifiant ainsi cette recherche.

"The Discovery of Phosphorus", Joseph Wright (1771)


3. Physique du phénomène de phosphorescence

La phosphorescence peut se décrire comme une émission lumineuse qui va perdurer

malgré l’arrêt de l’excitation (rayonnement solaire par exemple), permettant de

distinguer des objets dans l’obscurité sans apport continu d’énergie.

La longue émission de phosphorescence, au contraire de l’émission de fluorescence,

est due à un phénomène de piégeage des porteurs de charges (électrons et/ou trous)

formés durant l’excitation, suivi de leur dé-piégeage progressif. Les pièges sont des

défauts de la matrice, comme des lacunes par exemple.

La plupart des matrices phosphorescentes connues sont des aluminates, silicates ou

aluminosilicates. Ceci est très probablement dû à une focalisation des recherches,

liée à la découverte de l’aluminate SrAl2O4:Eu2+,Dy3+,B3+ et au manque de

compréhension du phénomène. L’ajout de co-dopants permet généralement

d’améliorer grandement les propriétés de phosphorescence. La concentration de ces

dopants est de l’ordre de 1% atomique.

Fluorescence et phosphorescence sont deux formes de photoluminescence, c’est-à-

dire une émission de lumière consécutive à une absorption de lumière.

Ce qui est intéressant dans ce phénomène écologique c’est d’être capable de restituer

la lumière reçue le jour, la nuit.

Echantillons des pigments phosphorescents utilisés lors des expérimentations

La phosphorescence a une longueur d’onde de 525 nm (325 nm<domaine visible>720 nm)


4. Etude de Cas, la structure skatable OTRO

En prélude aux expérimentations du mémoire, je choisis de m’intéresser de manière

approfondie, au seul ouvrage en béton phosphorescent construit à ce jour. Comme

énoncé au préalable, le phénomène de phosphorescence reste encore marginal, voir

inexistant, de nos jours, dans le domaine de la construction. En introduction à la

partie expérimentale de ce mémoire, ce retour sur expérience a conforté mon idée sur

la nécessité d’approfondir la recherche sur ce sujet innovant mais encore méconnu.

Dès lors que j’ai pris contact avec l’architecte, François Lichtle de l’agence

l’ESCAUT, ayant assuré la coordination générale et la conception technique du

projet, j’étais dans la phase d’élaboration du protocole de mes échantillons. Je me

posais alors les questions suivantes : Quel est le mode fabrication utilisé ? La

composition du béton entre t’elle en jeu dans le résultat du phénomène de

phosphorescence ? Est-ce que les résultats obtenus en termes de luminescence sont-

ils satisfaisants ?

Structure skatable, OTRO, Lac de Vassivière, 2012

Etude de cas

Cette sculpture a été imaginée et conçue du point de vue artistique par l’artiste

coréenne Koo Jeong A. Avant tout il s’agit plus d’une sculpture skatable, intitulée

Otro, que d’un skatepark. L’Escaut a assuré la coordination, la conception technique,

la production du dossier de consultation des entreprises (il s’agit d’une commande

publique) et le suivi de chantier. La sculpture est construite au Lac de Vassivière,

dans le Massif Central en France. Le projet est livré en 2012.


Mise en œuvre du béton

Le béton a été mis en œuvre avec la technique du béton projeté, en voie humide. Le

fond de coffrage est une couche mince de béton de propreté, appliqué sur le terrain

excavé et mis en forme. L’épaisseur des « coques » est de 15cm environ. Un treillis

d’armature 150x150x10 mm tressé « à la main » pour former les doubles courbures

est placé à mi- épaisseur. Il est aussi important de noter que : le béton encore frais est

lissé à la main après projection, à l’aide de taloches spéciales. Ceci fait remonter la

laitance et permet d’avoir une surface très lisse, ce qui est impératif pour le skate.

« Ceci est des facteurs qui nous a fait abandonner l’idée d’incorporer des pigments

phosphorescents dans le béton (le problème se pose moins dans le cas du béton

poli , d’autant plus qu’il existe des agrégats phosphorescents) »1

Les caractéristiques du béton

Classe de consistance : catégorie S3

Classe de résistance: C40/50

Classe d’exposition: XF3 ou XF4 suivant Eurocode EN 206-1 : 2001.

Granulats de calibre 8/16, ronds

Teneur en ciment : 350 Kg

Ciment Portland

Rapport E/C : 0.45

Les additifs suivants sont incorporés dans le béton : un hydrofuge de masse et un

super-plastifiant pour augmenter son ouvrabilité.

La phosphorescence

La luminescence est obtenue grâce à un revêtement appliqué sur le béton.

La photoluminescence, notamment la perte de puissance de celle-ci au cours du

temps, a été analysée par le laboratoire PHLAM. 3

« Nous souhaitions initialement incorporer le matériau phosphorescent dans le

béton. Les facteurs qui nous ont poussés à abandonner cette solution sont

multiples : Les tests que nous avions fait nous-mêmes n’étaient pas convaincants :

très peu luminescents et pas suffisamment homogènes : il y a peu de pigment en

surface. Il faillait aussi beaucoup de pigment, même si ce dernier n’est qu’en

surface. Le pigment phosphorescent étant très cher, cette solution n’était pas viable

économiquement. Il demeure néanmoins possible d’intégrer des pigments à la

surface du béton. Personnellement, je regrette que la solution d’incorporation du

pigment n’ai pas été possible pour Otro. Mais le résultat de nuit est tout de même

très impressionnant. » 2


Conclusion

L’étude de cas dévoile une technique de mise en œuvre totalement différente que

celle expérimentée dans cette recherche. En effet après plusieurs test les architectes

ont finalement choisis d’utiliser un revêtement directement sur la structure skatable

en béton. De plus l’étude de cas met en corrélation la technique mise en œuvre avec

l’usage. En effet la technique du revêtement phosphorescent rapportée à la structure

initiale en béton, forme un grain à sa surface qui rend l’utilisation du skate difficile.

De plus le problème majeur avec la solution de l’ESCAUT c’est que c’est un

matériau rapporté en surface, et donc sa tenue dans le temps n’est pas bonne, surtout

sur des surfaces très utilisées car cet enduit n’est pas pérenne. C’est donc une

technique à améliorer.

Les protocoles d’expérimentions qui vont suivre, visent à intégrer le produit

phosphorescent directement à la matière béton de manière à obtenir un résultat

pérenne en fonction de l’utilisation que l’on souhaite en faire.

Pour conclure, l’étude de cas révèle trois facteurs importants à cerner pour faire

avancer la recherche : l’empreinte écologique, comment le produit à été fabriqué,

quel est l’impact économique que cela engendre dans le projet et enfin trouver la

bonne technique de mise en œuvre en fonction de l’usage.

5. Composition du Luminophore, SrAI2O4 : Eu Dy

Aujourd’hui plusieurs sites internet commerciaux, dédiés aux professionnels de

l’industrie ou des sites d’arts et de loisirs créatifs pour le grand public permettent de

se procurer, moyennant paiement, une grande variété de pigments phosphorescents

dits luminophores. Il faut savoir que de nos jours il existe une grande variété de

recettes possibles pour fabriquer un produit phosphorescent. (Tableau en annexe)

Les propriétés luminescentes de l’aluminate de strontium dopé à l’europium sont

connues depuis le début du XXème siècle. Un développement a été relancé par la

nécessité de trouver un substitut au sulfure de zinc dopé au cuivre précédemment

utilisé comme pigment phosphorescent (horlogerie, marquage de sécurité, routes,

etc..). Des impératifs de brillance et de durée de vie ont en effet nécessité le dopage

de celui-ci par des éléments radioactifs tels que le tritium ou le prométhium,

entrainant des problèmes environnementaux. De plus son utilisation à l’extérieur

était impossible. Il a été remplacé en autre par l’aluminate de strontium dopé à

l’europium et au dysprosium, qui se trouve être un excellent candidat à la

succession du sulfure de zinc dopé au cuivre. 3

Ce luminophore pigment phosphorescent se comporte en fait comme une pile,

stockant sous la lumière du jour, de l’énergie sous forme d’électrons/trous dissociés.

Chaque partie piégée dans les défauts du luminophore est libérée par activation


thermique à température ambiante. Elles se recombinent ensuite, libérant le surplus

d’énergie sous forme d’une émission lumineuse verte (525nm)

D’après le fabricant (Créatifpro.com), voici les caractéristiques du pigment

phosphorescent utilisé dans le cadre de cette recherche :

Composition : Aluminate de Strontium dopé à l'Europium SrAI2O4 :

Eu Dy. Mais la proximité du strontium avec le calcium dans la table de

Mendeleiev oblige à prendre certaines précautions.

Pigment photoluminescent haute efficacité, du type "waterproof", il

doit être utilisé avec des médiums à l'eau, ou encore des résines et colles

sans solvant.

Ce pigment se charge à la lumière, idéalement la lumière du jour,

pendant au moins 30 minutes. Il restitue ensuite, pendant un certain

nombre d'heures, une lueur teintée.

Ce pigment n'est pas radioactif, sa toxicité n'est d'ailleurs pas avérée.

Température d'utilisation : jusqu'à 500°C

Le plus performant de ces pigments est sans conteste celui de teinte

jaune/vert. Il peut restituer de la lumière pendant une nuit entière. Le

bleu donne également de très bons résultats. Le pigment blanc est le plus

limité en termes de luminosité restituée et de temps d'émission.

Il est difficile de vérifier cette information avec les outils à notre portée. Cependant

dans le cas d’une recherche plus avancée il serait intéressant de soumettre ce

pigment à un laboratoire d’analyse afin de révéler l’exactitude de ces informations.

En effet les résultats en termes de luminescence se sont montrés décevant dans la

suite des tests par rapport à ceux annoncé dans la fiche produit du fabricant.

(Chapitre 8. Test des échantillons). Le même pigment vert/jaune a été sélectionné

pour toute la durée des tests, en raison de sa plus forte intensité dans le noir.

6. Protocoles expérimentaux et mise en œuvre des échantillons

L’enjeu de cette recherche était dans un premier temps de tester différentes techniques de mises en œuvre qui incorpore des pigments phosphorescents à la matrice en béton. Cette démarche permettrait de déterminer la meilleure mise en œuvre, la plus optimale. C’est-à-dire celle avec le dosage le plus économique pour


un effet maximum. Dans les expériences qui suivent le dosage du pigment phosphorescent est identique. 5.1. Protocole de l’échantillon N° 1 : « La barbotine en fond de coffrage » Matériel :

Un moule de coffrage de 30 x 30 x 2 cm 15g de pigments phosphorescents verts/jaune Ciment blanc Effix Design Sable fins Un Tamis De l’Eau Deux sceaux Une truelle Un grand bac Un gobelet Une balance Une paire de gants et un masque de protection

Pour la réalisation du mortier : 1/3 de ciment blanc fibré de la marque Effix

Design + 1/2 sable et d’eau Pour la réalisation de la barbotine : 15g de ciment + 15g de pigments

phosphorescents verts/jaunes + Eau. Température : 21°C Temps de séchage : 24 heures Mise en œuvre : Après avoir réalisé le moule du coffrage, je procède au mélange du mortier (cette appellation semble plus justifiée que celle de béton qui utilise plutôt des gros grains


Mode de fabrication N°1



dans sa composition). Au préalable j’ai tamisé le sable afin d’enlever les impuretés et

je décide de tamiser aussi le ciment qui contient des fibres dont je n’ai pas besoin

dans de telles quantités pour cette expérience qui s’intéresse plus à l’esthétique

qu’aux propriétés de résistance du béton. Ensuite je réalise la barbotine. Pour cela je

mélange dans le gobelet le ciment, les pigments et l’eau. Au préalable j’ai vérifié la

solvabilité du pigment phosphorescent dans l’eau. Les deux ne se mélangent pas. En

effet la poudre de pigments phosphorescents résulte de terres rares dopées au

strontium, famille des aluminiums. Sa densité est plus forte. Alors afin de lier le tout

j’utilise de la même sorte, le même volume de ciment que de poudre

phosphorescente. Je badigeonne à l’aide d’un pinceau la barbotine dans le fond de mon moule. Ensuite, je coule le mortier jusqu’au bord du moule de coffrage. Avec l’aide de la truelle je lisse le mélange et je laisse sécher. Résultats :

Très vite pendant la réalisation de l’échantillon on peut s’apercevoir que l’eau

contenant les pigments et le liant ciment remonte par capillarité en surface. Ceci

s’explique par la pression du béton qui a repoussé la barbotine, la masse béton s’est

positionnée au milieu ce qui a poussé le liquide contenant le pigment phosphorescent

qui a migré sur les côtés. Le résultat est clairement visible sur la photographie de

l’échantillon. A la lumière du jour le carreau ciment est blanc, le pigment est

invisible. La photographie est réalisée au laboratoire photo de l’ENSAPM,

l’échantillon est soumis à une puissance lumineuse forte (1000watts) pendant

quelques secondes, la photo est prise tout de suite après extinction de la lumière.

Interprétation :

La technique de la barbotine en fond de moule fait apparaitre un cadre

phosphorescent autour de l’échantillon. Les bordures de ce cadre sont

phosphorescentes sur toutes la hauteur du moule soit 2 cm. Le résultat n’était pas

celui que j’escomptais dans le sens où je n’avais pas envisagé la migration de la

barbotine en bordure du moule. Cependant le résultat est très impressionnant car il

est très concentré et homogène sur toute l’épaisseur de périphérie de l’échantillon.

Ce qui est très intéressant d’observer est que la mise en œuvre horizontale, avec un

raisonnement « à plat » donne au final un résultat sur une surface verticale. On peut

alors retenir cette technique qui pourrait s’appliquer pour la réalisation d’éléments

verticaux. Cette mise en œuvre horizontale induirait alors la mise en place d’un

processus de préfabrication technique dans le cas où cette technique soit un jour

appliquée sur le marché de la construction.

6.2. Protocole de l’échantillon N° 2 : « Saupoudrage en fond de moule » Matériel :


Un moule de coffrage de 30 x 30 x 2 cm 15g de pigments phosphorescents verts/jaune Ciment blanc Effix Design Sable fins Un Tamis De l’Eau Deux sceaux Une truelle Un grand bac Une paire de gants et un masque de protection Une bombe Laque fixatrice Une salière propre. Pour la réalisation du mortier : 1/3 de ciment blanc fibré de la marque

Effix Design + 1/2 sable et d’eau Température : 21°C Temps de séchage : 24 heures Mise en œuvre : Suite aux résultats de la première expérience et à la migration en périphérie des pigments, je décide de ne plus utiliser la barbotine et l’eau pour éviter la capillarité. A la place j’utilise une laque fixatrice que je pulvérise dans le fond du moule. A l’aide d’une salière au préalablement nettoyée et séchée je saupoudre de manière homogène le produit phosphorescent en fond de coffrage. J’attends quelques secondes que la laque sèche totalement et je coule le mortier. Faire vibrer le moule afin d’enlever les bulles d’air en surface et laisser sécher ! Résultats : Contrairement à l’échantillon N°1, il faudra attendre d’être au laboratoire photo, dans l’obscurité pour observer un résultat. A l’issue de cette technique on remarque un résultat hétérogène dans la répartition du pigment phosphorescent. La laque n’est pas assez efficace pour retenir le produit phosphorescent qui s’éparpille sous le poids du mortier. Cependant la surface horizontale en fond de moule est presque entièrement recouverte. D’un point de vue esthétique on obtient un résultat totalement opposé à la précédente technique. La luminescence produite est beaucoup plus forte. C’est pour le moment l’échantillon N°2 qui est sélectionné pour l’étape suivante.

Interprétation : L’avantage de cette technique et qu’elle permet d’obtenir une surface totalement lisse lorsqu’on retourne l’échantillon puisque le produit phosphorescent est appliqué en fond de moule. D’un point de vue esthétique on a une impression de cratère de


Lune qui est assez intéressant avec cet échantillon. Le manque d’homogénéité invite à réaliser le troisième protocole en inversant le saupoudrage afin d’obtenir un résultat aussi puissant mais plus homogène. 6.3. Protocole de l’échantillon N° 3 : « Saupoudrage en surface » Matériel :

Un moule de coffrage de 30 x 30 x 2 cm 15g de pigments phosphorescents verts/jaune Ciment blanc Effix Design Sable fins Un Tamis De l’Eau Deux sceaux Une truelle Un grand bac Une paire de gants et un masque de protection Une salière propre. Pour la réalisation du mortier : 1/3 de ciment blanc fibré de la marque

Effix Design + 1/2 sable et d’eau Température : 21°C Temps de séchage : 24 heures Mise en œuvre : La mise en œuvre de cette technique est similaire aux précédentes dans la préparation du mortier. Il faut tout d’abord coulé le mortier dans le moule de coffrage. Ensuite je saupoudre avec une salière dotée de petits trous, et de la manière la plus homogène qu’il soit les 15g de pigments phosphorescents sur le mortier qui commence à prendre. Avec cette technique, il y a assez de pigments pour saupoudrer deux fois l’aire supérieure du moule La poudre fond alors dans le mélange encore humide (phénomène appréciable à l’œil nu) et se fige ensuite à sa surface. Laisser sécher pendant 24 heures. Résultats : En plein jour, on observe une légère modification de la teinte blanche du béton lorsqu’il est sec. En effet le saupoudrage seulement sur la surface fraîche du béton est très dense ce qui altère légèrement la couleur de l’échantillon. Pour cela, c’est le seul prototype que l’on peut reconnaître à l’œil nu et à la lumière du jour. De plus le fait de seulement venir saupoudrer les pigments sans lisser à la truelle par exemple, l’échantillon, fait apparaitre des aspérités à sa surface. L’échantillon d’un point de vue esthétique n’est pas totalement lisse, cependant il présente des caractéristiques



Mode de fabrication N°3 (utilisation du pigment bleuté)


performantes en termes de luminescence.

Interprétation : L’échantillon exposé à la lumière seulement quelques secondes et ensuite dans le noir, présente une forte luminescence, très homogène. C’est pour l’instant le mode de fabrication optimal recherché. Car avec seulement 15g, on obtient un résultat spectaculaire. C’est au final cet échantillon que l’on retiendra, pour l’instant malgré les aspérités présentes à sa surface. 6.4. Protocole de l’échantillon N° 4 : « Dans la masse » Matériel :

Un moule de coffrage de 30 x 30 x 2 cm 15g de pigments phosphorescents verts/jaune Ciment blanc Effix Design Sable fins Un Tamis De l’Eau Deux sceaux Une truelle Un grand bac Une paire de gants et un masque de protection Pour la réalisation du mortier : 1/3 de ciment blanc fibré de la marque

Effix Design + 1/2 sable et d’eau Un fouet

Température : 21°C Temps de séchage : 24 heures Mise en œuvre : Cette mise en œuvre est celle qui reflète le mieux les ambitions de cette recherche. En effet l’idée est d’aller plus loin aujourd’hui en intégrant le pigment directement à la masse du béton. Les solutions rapportées comme nous l’avons vu dans l’étude de cas ne sont pas pérennes, tout comme l’utilisation de peintures phosphorescentes. L’innovation résiderait dans le fait de réussir le subtil mélange de pigments et de matière première afin que le phénomène perdure le plus longtemps possible. Pour cela je réalise comme au préalable le mortier nécessaire pour un échantillon. Je coule la matière en prenant soin de m’arrêter 1 cm avant le bord du moule. Dans la mixture qu’il me reste je mélange vivement la totalité des pigments phosphorescents.


Et je verse la préparation sur le béton déjà coulé. Il est important de réaliser la seconde couche tout de suite après avoir coulé la première. En effet, on risque sinon d’être plutôt sur une technique dit de « ragréage », qui dissocierait à long terme les deux couches. Résultats : La surface obtenue est relativement lisse. Le résultat de nuit est assez impressionnant car très homogène. Chaque pigment semble dissocier pour former une série de petits points phosphorescents à la surface de l’échantillon. Cependant l’effet est très peu perceptible. Il faut vraiment réussir à recréer le noir complet, pour observer sa luminescence.

Interprétation : Ce mode de fabrication est prometteur d’un point de vue esthétique mais il sera très cher d’un point de vue économique. En effet avec la même dose de pigments que pour les autres échantillons, le résultat en terme de rémanence est le plus faible. Je mets donc cette technique de côté pour la poursuite des expérimentations et je conserve le mode de fabrication N°3. 6.5. Protocole de l’échantillon N° 5 : « Le Surfaçage » Matériel :

Un moule de coffrage de 30 x 30 x 2 cm 15g de pigments phosphorescents verts/jaune Ciment blanc Effix Design Sable fins Un Tamis De l’Eau Deux sceaux Une truelle Un grand bac Un gobelet Une paire de gants et un masque de protection Pour la réalisation du mortier : 1/3 de ciment blanc fibré de la marque

Effix Design + 1/2 sable et d’eau Température : 21°C Temps de séchage : 24 heures


Mise en œuvre : Cette ultime mise en œuvre m’a été inspirée par Stéphane Flandrin, architecte, agence d’architecture CONSTRUCTO. C’est en discutant des résultats précédents qu’est naît cette technique. En fait elle n’a rien d’innovant dans le sens où elle s’inspire d’une technique connue, celle de surfaçage comme lorsqu’on fait des dallages en construction. L’idée est toujours d’additionner directement le pigment phosphorescent au béton. Pour cela on coule du béton jusqu’en haut du moule de coffrage. En attendant que le béton prenne (pour ma part il a fallu attendre 2h), je mélange à sec dans le gobelet le même volume de ciment et de poudre phosphorescente. Une fois que le béton commence à prendre, je saupoudre uniformément le mélange à sa surface. A l’aide de la truelle, je viens l’écraser, et rentrer dans le liant du mortier, l’humidité qui reste va remonter en surface. Le ciment présent dans le second mélange va s’humidifier au contact du mortier et devenir homogène. On obtient alors une crème blanche, c’est la laitance du béton, que l’on surface à l’aide de la truelle. « C’est exactement comme avec un hélicoptère quand on fait des sols et des dallages, c’est comme ça que l’on fait aussi pour obtenir des bétons colorés. » Stéphane Flandrin.

Résultats : Tout d’abord on observe un échantillon particulièrement lisse, voir brillant. L’aspect est très beau à l’œil et très homogène dans son aspect et sa couleur en plein rouge. Dans le noir, on remarque que le ciment a noyé une partie des pigments phosphorescents. On aperçoit aussi une migration des pigments vers la périphérie du moule. Certaines régions sont très concentrés en pigments, d’autres sont regroupés de manière plus éparses. Esthétiquement on peut faire référence à une voie lactée. Interprétation : L’idée de se rapprocher des techniques de dallage industriel et des techniques d’entreprises est un raisonnement qui a permis d’améliorer la qualité de l’échantillon béton phosphorescent. Dans ce protocole il y avait la même quantité de ciment que de pigments dans le mélange à sec. En réduisant la quantité de ciment, on peut faire l’hypothèse d’obtenir une plus grande visibilité de la phosphorescence. Plus je mets de ciment moins j’ai de phosphorescence et inversement. Cette hypothèse serait à vérifier. La technique de surfaçage, en remplaçant ici la truelle par l’hélicoptère à permis de lisser l’échantillon et d’entrevoir une technique de mise en œuvre à une échelle plus grande.

6.6. Conclusions


L’échantillon N°3 est retenu pour la suite des expériences. Car il présente la plus grande rémanence pour une quantité de pigments égale à celle des autres échantillons.

Cependant la dernière mise en œuvre (N°5) me semble la plus approprié à

une application architecturale pérenne. En effet avec la technique de saupoudrage le pigment n’est pas totalement intégré à la matrice en béton.

L’application dépend de la consistance du produit in fine, en fonction il va y

avoir des techniques de fabrication plus ou moins efficace.

La phosphorescence s’applique sur une seule surface des échantillons ou sur

ces bords, la mise en œuvre dépend donc de l’usage et de l’esthétique que

l’on veut produire.

Le surfaçage est une technique très important qui peut s’appliquer à toute

les mises en œuvres pour un résultat impeccable.

Certains échantillons comme le N°4, sont visibles dans l’obscurité totale.

Mais le noir absolu n’existe pas, il y a toujours de la lumière urbaine. Est-ce

que le pigments phosphorescents réagit à une lumière faible ou a-t-il besoin

d’une lumière puissante ?

La question de l’échelle est importante dans l’emploie de ce matériau, du

type de surface, de sa mise en œuvre (horizontale, verticale ?), son usage,

son rendu esthétique…

En annexe je présente un tableau récapitulatif et comparatif de toutes ces

techniques de mise en œuvre. Un outil d’arbitrage, à l’intention du

constructeur.

7. Test de la luminescence de l’échantillon N°3

Dans le dernière partie expérimental je choisis de tester la rémanence de

l’échantillon optimum sélectionné au précèdent chapitre. On peut déjà supposer que

dans la réalité il y a un éclairage donné. Le soir la lumière décroit progressivement,

le béton va se charger de moins en moins et déjà avant même que la nuit soit tombé

il va commencer à perdre son effet phosphorescent. L’expérience suivante vise à

estimer pour un temps d’éclairage donné la rémanence de l’échantillon. C’est-à-dire

sa propriété (notamment visuelle) de persister après la disparition du stimulus.

C’est à l’atelier photo de l’ENSAPM que je décide de poursuivre mes expériences.


Tout d’abord je remarque que l’atelier photo ou je compte réaliser ce test, ne possède pas d’occultations suffisantes pour réaliser ce test dans de bonnes conditions. Je décide donc de fabriquer une boîte noire. 7.1. Protocole de la boîte noire Pour cela je mesure d’abord la distance nécessaire entre l’objectif de l’appareil photo et mon échantillon, pour que celui-ci ne soit pas hors champs. Ce recul déterminera la hauteur de ma boîte, soit 80 cm. De base carrée, le parallépipède mesure 40 cm x 40 cm x 80 cm. Afin que cette boîte soit la plus hermétique possible, je peins tout l’intérieur avec une peinture noire. De cette façon aucune lumière ne peut pénétrer. Je prévois que le couvercle du haut soit amovible afin de pouvoir venir placer un échantillon. Au centre du couvercle, je perce à l’aide d’une cloche, un cercle de 6 cm de diamètre, afin d’y placer l’objectif de mon appareil photo. Enfin je perce sur le côté gauche un cercle du même diamètre afin de pouvoir mettre ma main à l’intérieur pour venir tourner l’objectif pour faire la mise au point. Je conserve le cercle ainsi découpé afin de le replacer une fois l’opération terminée, pour éviter toute entrée de lumière. L’expérience peut commencer. 7.1. Protocole de la photographie

Je choisis tout d’abord de soumettre mon échantillon à une période d’exposition

longue, soit 30 minutes. Pour cela je l’éclaire à une puissance de 1000 Watts, à

l’aide d’un projecteur halogène présent dans l’atelier.

Une fois l’échantillon chargé, le placer dans la boîte. L’appareil photo, doit d’abord

être en mode programme, pour noter les données indiquées par la cellule

photovoltaïque. Une fois cette opération effectuée je retourne au mode manuel et je

répertorie l’ouverture f ici f = 4/5. Cette donnée ne changera pas. Je prends des

photos toutes les minutes. Ainsi seul N la vitesse changera. Ces paramètres me

permettent ainsi d’obtenir une courbe de la décroissance en fonction du temps.

Résultat : L’axe des abscisses désigne la vitesse N, et l’axe des ordonnées le temps

écoulé en minutes. Ainsi, plus les minutes passe et plus l’objectif de l’appareil photo

augmente son temps de pose. La courbe augmente. Ceci se traduit en réalité par une

décroissance rapide de la luminescence de l’échantillon. Après un éclairement de 30

minutes on peut observer encore de la lumière pendant deux heures même si celle-ci

à la fin devient très peu perceptible. Les photos suivantes expriment cette perte

d’énergie.


T = 5 min T = 10 min

T = 15 min T = 17 min

T = 20 min T = 25 min

T = 32 min T = 45 min

T = 50 min T = 60 min

T = 115 min T = 120min

Observation de la décroissance de la lumière sur l’échantillon N°3


Cependant des questions restent en suspens.

Est-ce qu’en augmentant le pigment phosphorescent on augmenterait le

temps de rémanence de l’échantillon ?

Est-ce que le temps d’éclairement influe-t-il le temps d’éclairement de

l’échantillon ?

Est-ce que d’autres facteurs influence la rémanence des pigments

phosphorescent, comme la température par exemple ?

J’ai rencontré quelques difficultés lors de ces tests. En effet l’appareil photo avait

des fois des difficultés à prendre la photo notamment lorsque la luminosité était trop

faible. La phosphorescence se mesure de manière professionnelle grâce à des

appareils très puissants disponibles dans des laboratoires de Physique. La luminance

se mesure en mcd/m2. J’ai pu me procurer une fiche technique (en annexe) de mesure

de luminescence réalisé par le laboratoire PHLAM faite sur un échantillon de béton

phosphorescent fourni par l’agence l’ESCAUT (voir l’étude de cas) ; La courbe de

décroissance lumineuse présente l’allure de celle obtenue d’après mes tests.

Courbe représentant l’augmentation du temps de pose, dû à une décroissance de la

luminescence de l’échantillon dans la réalité.


8. Economie et Ecologie du béton phosphorescent

Aujourd’hui 15g de béton phosphorescent coute 9,95 € soit environ 45 € / m2.

L’aspect économique et le manque de maîtrise du phénomène de phosphorescence et

de ses techniques de mises en œuvre rendent son utilisation marginale. Il faudrait

continuer ces recherches car les résultats sont convaincants. Dans le cadre de

chantiers ou de projet expérimentaux ce processus pourrait se développer. Cependant

et comme c’est souvent le cas en marchés publics, il y a des mises en œuvre à

respecter, et prendre des risques n’est pas vraiment encouragés. Il faudrait avant

pouvoir le tester, afin de donner des conseils aux entreprises sur le produit et sa mise

en œuvre, et donner une idée au client du rendu possible avec un échantillon.

C’est dans cet optique que j’ai souhaité mener cette recherche, qui j’ai bien

conscience présente encore beaucoup de « blancs » tant le sujet est vaste et

passionnant.

Par ses propriétés intrinsèques le béton phosphorescent est un matériau écologique et

innovant par le simple fait qu’il est capable de continuer à émettre de la lumière

même si on arrête de l’éclairer. De plus très sensible, et possédant un indice de

réflexion élevé (0.40) il est capable de capter des rayons de faible intensité et

pourrait donc trouver une application en milieu urbain.

A l’instar des animaux des fonds marins ou bien des lucioles et autres être vivants

qui peuplent notre planète, nous pourrions à notre tour développer des systèmes

énergétiquement autonome. En parallèle des recherches en bioluminescence

(bactéries) se développent aujourd’hui. Même si le phénomène est différent de celui

de la phosphorescence (atomes) les enjeux sont similaires pour lutter contre la

pollution lumineuse dans les villes. Publiée dans la revue Biological

Conservation, une étude internationale dénonce la désorientation menant à

l’extinction des tortues de mer venant pondre la nuit sur les plages

israéliennes. Elles sont désorientées par la lumière excessive émanant des

installations humaines. Les signaux lumineux artificiels nocturnes entraînent

parfois les bébés tortues vers la route plutôt que vers la mer ! Contre ces

phénomènes, un mode d’éclairage plus doux, prenant exemple sur les lumières

naturelles, en rythme avec les cycles biologiques.

10. Bibliographie

DUBET, Archibooks, qu’est-ce que la lumière pour les architectes?, Paris 2013 ?

BENYUS, Janine M et William, Morrow and Company Inc. Biomimicry, Innovation Inspired

By Nature, New York,1998.


AWP, Marc Armengaud, Paris la nuit, chroniques nocturnes, Pavillon de l’Arsenal, Paris

2013.

CLABEAU FREDERIC, Phosphorescence et nouveaux matériaux, à l’université de nantes

facultés des sciences et des techniques dans la discipline science des matériaux, spécialité

chimiedu solide, Directeur de thèse, Stéphane Jobic, présentée en 2005)

BONFAIT, Olivier, L’art de la façade : architecture et arts visuels, Somogy éditions d’art,

Paris 2014.

BOUDET, Dominique, AMC hors-série, Lumière = Lighting, Le moniteur, Paris 2009.

BOUDET, Dominique, AMC hors-série, AMC Lumière , Le moniteur, Paris 2009.

MÜLLER, Ralf, AG4 : media façades, Daab, Cologne 2006.

ANTWERP, Light in architecture, Tectum, Belgique 2007.

Lumière et architecture publié par Places des Victoires, Paris 2009.

BRANDI, Ulrike, Light for cities : lighting design forurban spaces: a handbook, Basel 2007.

WEIBEL et JANSEN, Light art from artificial light = lichtkunst aus kunstlicht, Hatje Cantz,

2006.

Wigginton, Michael, Intelligent Skins, Oxford Architectural Press, 2002.

NARBONI et BORRAS, By night : lumière et architecture, Loft, Barcelone, 2008

LES ANIMAUX PHOSPHORESCENTs

DUBET, la façade média, AMC, Le Moniteur, Paris Octobre 2014.

Sites internet

http://www.phlam.com/

JERIELLSWORTH, fabriquer un écran electroluminescent avec une feuille d’aluminium.

Disponible sur: http://www.semageek.com

Biomimétisme examples d’application architecturales :

http://www.biomimetic-architecture.com/

Exemple de phosphorescence, disponible sur :

http://www.wherecoolthingshappen.com/when-the-lights-go-out-these-white-rooms-turn-into-

avatar-like-worlds/

TERESA VAN DOGEN, Ambio : lampe bactérie bioluminescente, disponible

sur :http://teresavandongen.com/Ambio

http://www.phlam.com/

http://www.semageek.com/

http://www.biomimetic-architecture.com/

http://www.wherecoolthingshappen.com/when-the-lights-go-out-these-white-rooms-turn-into-avatar-like-worlds/

http://www.wherecoolthingshappen.com/when-the-lights-go-out-these-white-rooms-turn-into-avatar-like-worlds/


GLOSSAIRE

Photoluminescence* La photoluminescence est un processus par lequel une substance

absorbe des photons puis ré-émet des photons.

Luminophore* : Le luminophore est une substance qui, lorsqu'elle subit une

excitation, émet de la lumière. Une telle substance est utilisée notamment dans les

tubes cathodiques des écrans.

La luminance* L est une unité photométrique rendant compte de l’intensité lumineuse

réellement perçue par l’œil. Elle s’exprime comme une densité surfacique d’intensité

lumineuse émise par une source étendue dans une direction donnée, soit en candelas par

mètre carré (cd/m2), équivalents à des Watts par stéradian×mètre carr

Luminescence* : On désigne par luminescence toute émission lumineuse, visible (380-770

nm) ou non (UV, IR…), qui résulte de la relaxation radiative d’états excités et dont

l’excitation n’est pas d’origine thermique.

11. Annexes

Protocole d’éclairage de l’échantillon à l’Atelier photo de l’ENSAPM

https://fr.wikipedia.org/wiki/Tube_cathodique


Fabrication de l’échantillon N°1 , Observation du phénomène de capillarité


Dessin schématique de la boite noire

Tableau des indices de luminance


Les quatre premiers échantillons conçus pendant le R8, au jour

Les quatre premiers échantillons conçus pendant le R8, dans le noir.


Pise cyclable Van Gogh, utilisation de galets phosphorescents

Bioluminescence - Vers luisant


Mesures de photoluminescence de l’échantillon de l’agence l’ESCAUT


Fiche produite du revêtement phosphorescent, étude de cas OTRO


Guide des techniques de mise en œuvre du béton phosphorescent

techniques de mises en u vre du béton phosphorescent.défauts de la matrice, comme des lacunes par...

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