Incorporation d’un sol de nano-silice catalysé par alcalis pour améliorer la durabilité du mortier activé au carbonate de sodium en environnements agressifs

Pourquoi un béton plus résistant et plus écologique compte

Les villes modernes, les ponts et les ports dépendent du béton, mais le ciment traditionnel a un lourd coût climatique et peut se dégrader rapidement dans des environnements hostiles comme les littoraux ou les régions froides. Cette étude explore une alternative prometteuse au liant du béton qui émet moins de dioxyde de carbone tout en résistant au milieu salin, au gel et aux produits chimiques corrosifs. En ajoutant un ingrédient spécial de silice nanométrique à un nouveau type de mortier à base de laitier, les chercheurs montrent comment on pourrait construire des ouvrages marins et des infrastructures plus durables tout en allégeant la charge sur la planète.

Un nouveau type d’élément de construction bas carbone

Le béton ordinaire repose sur le ciment Portland, dont la production représente une part importante des émissions mondiales de carbone. Une voie plus verte utilise des sous-produits industriels tels que le laitier granulé de haut fourneau, « activé » par des produits alcalins pour former un liant dur, semblable à de la pierre. Dans ce travail, l’équipe s’est concentrée sur un mortier de laitier activé au carbonate de sodium, un produit chimique relativement favorable au climat et peu coûteux, qui réduit aussi le retrait et le risque de fissuration. Le compromis est que ce mortier activé au carbonate de sodium tend à présenter une structure interne plus poreuse, le rendant vulnérable aux attaques par les sels, l’eau et aux cycles de gel–dégel — conditions courantes en milieu marin et routier.

Comment de minuscules gouttelettes de silice aident

Pour remédier à cette faiblesse, les chercheurs ont ajouté des quantités variables de sol de nano-silice catalysé par alcalis, un fluide contenant des particules de silice ultra-fines bien dispersées. Contrairement à la poudre de nano-silice sèche, ce sol se répartit uniformément dans le mortier frais. Lors de la prise, la nano-silice réagit avec le calcium libéré par le laitier pour former un gel liant supplémentaire, tandis que les particules résiduelles comblent les vides. L’équipe a préparé des mortiers avec différents contenus en nano-silice puis a mesuré l’alcalinité de surface, l’absorption d’eau, la résistance au gel et la facilité d’entrée des ions sulfates et chlorures. L’imagerie microscopique, la diffraction des rayons X et les mesures de distribution des pores ont servi à observer ce qui se passait à l’intérieur du matériau.

Résister à l’eau, au sel et à la glace

Dans tous les essais, les mortiers contenant du sol de nano-silice ont clairement surperformé le matériau témoin. La nano-silice ajoutée a abaissé l’alcalinité de surface, réduit la porosité globale et limité l’absorption capillaire d’eau, ce qui signifie que moins d’eau pouvait pénétrer. Sous des cycles répétés de gel–dégel, les mélanges à plus forte teneur en nano-silice ont perdu moins de masse et conservé davantage de résistance, et leurs surfaces ont montré bien moins d’écailles et de fissures. Lors d’expositions de plusieurs mois à des solutions de sulfate de sodium et de sulfate de magnésium — produits chimiques attaquant couramment le béton dans les sols et l’eau de mer — les mortiers contenant environ 8 % de nano-silice ont subi des pertes de résistance beaucoup plus faibles, les dommages causés par le sulfate de magnésium, plus agressif, étant notablement réduits. Dans des essais simulant des cycles de mouillage–sécheresse en eau salée et une pénétration directe de chlorures, les mortiers riches en nano-silice ont encore mieux résisté à l’entrée d’ions, montrant des profondeurs de pénétration et des vitesses de migration réduites de plus de moitié par rapport à la version non traitée.

Ce qui change à l’intérieur du matériau

Les analyses d’imagerie et de structure ont révélé pourquoi ces gains de performance apparaissent. Le sol de nano-silice a conduit à un réseau interne plus dense, avec de nombreux pores grands et moyens convertis en pores de gel beaucoup plus fins et moins nombreux formant des voies continues. Cette microstructure affinée rendait physiquement plus difficile le passage de l’eau et des ions agressifs à travers le mortier. Parallèlement, la silice ajoutée a favorisé la formation de gels liants plus étendus et plus stables qui soudent les grains de laitier en un squelette tridimensionnel. La quantité de cristaux expansifs provoquant des fissures, tels que l’ettringite, le gypse, la brucite et les sels contenant des chlorures, était plus faible dans les mélanges à la nano-silice, car moins d’ions pouvaient pénétrer et davantage étaient retenus sans effet nocif à la surface des gels et des nanoparticules.

Ce que cela signifie pour la construction future

Pour le non-spécialiste, la conclusion est que de minuscules gouttelettes de silice bien dispersées peuvent transformer un mortier bas carbone relativement fragile et poreux en un matériau plus résistant et plus compact qui supporte mieux les environnements agressifs. En raffinant le réseau de pores et en stabilisant le gel interne, le sol de nano-silice catalysé par alcalis améliore fortement la résistance à l’eau, au sel et aux dégâts dus au gel, 8 % d’ajout offrant les meilleurs résultats globaux dans cette étude. Cette approche offre une voie pratique et peu coûteuse vers des mortiers et bétons plus durables et plus respectueux de l’environnement pour les ouvrages marins, les routes et autres infrastructures exposées à des conditions agressives.

Citation: Zheng, X., Hu, Z., Liu, H. et al. Incorporating alkali-catalyzed nano-silica sol to enhance the durability of sodium carbonate-activated slag mortar in aggressive environments. npj Mater Degrad 10, 52 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00763-2

Mots-clés: laitier activé alcalinement, sol de nano-silice, durabilité du béton, attaque par sulfates et chlorures, construction bas carbone