L'impact des cendres volantes et des laitier sur l'interface microscopique du béton recyclé et son évolution de rupture

Transformer les déchets du bâtiment en nouvelles structures

À mesure que les villes s'étendent et que les anciens bâtiments sont démolis, des montagnes de béton brisé et de déchets industriels, comme les cendres volantes et les laitier, s'accumulent. Dans le même temps, la production de béton neuf est l'une des principales sources d'émissions de carbone dans le secteur de la construction. Cette étude pose une question simple mais urgente : peut-on réutiliser ces déchets pour fabriquer un béton solide et durable, et que se passe-t-il à l'intérieur du matériau lorsque l'on le fait ? En observant en profondeur les minuscules zones de contact entre l'ancien et le nouveau béton et en simulant la propagation des fissures, les auteurs montrent comment combiner des ingrédients recyclés sans sacrifier les performances.

Pourquoi la frontière cachée est importante

Le béton n'est pas un bloc uniforme ; il ressemble davantage à un gâteau dense de roches, avec des graviers et du sable liés par une pâte durcie. Les points les plus faibles sont souvent les fines couches où l'agrégat et la pâte se rencontrent, appelées zones d'interface. Dans le béton recyclé, ces zones deviennent plus complexes parce que les fragments d'ancien béton conservent leurs propres couches de pâte vieillie. Quand de la nouvelle pâte entoure ces fragments, apparaissent plusieurs frontières. L'étude s'intéresse au comportement de ces couches limites lorsque des graviers naturels sont partiellement remplacés par des fragments de béton ancien, et lorsque des cendres volantes et du laitier — des poudres résiduelles de la combustion du charbon et de la production d'acier — sont incorporés dans la pâte.

Tester différentes recettes pour la résistance

Les chercheurs ont conçu 24 mélanges de béton différents en modifiant trois ingrédients : la proportion de fragments recyclés, la quantité de cendres volantes et la quantité de laitier. Tous les mélanges utilisaient la même quantité d'eau et de sable afin que toute variation de performance puisse être attribuée à ces substitutions. Ils ont mesuré la pression que les cubes de béton pouvaient supporter avant l'écrasement, et la facilité avec laquelle les cylindres se fendillaient en traction. Globalement, une plus grande proportion de fragments recyclés tendait à diminuer la résistance par rapport au béton ordinaire. L'ajout de cendres volantes ou de laitier réduisait aussi la résistance dans de nombreux cas, surtout à fortes doses, car ces ajouts ralentissaient la maturation complète de la pâte. Cependant il existait des compromis favorables : avec 40 % d'agrégat recyclé et 10 % de laitier, la perte de résistance n'était qu'environ 5 %, rapprochant le matériau des performances du béton standard.

Observer l'intérieur du béton

Pour comprendre pourquoi certains mélanges fonctionnaient mieux, l'équipe a poli de fines tranches de béton et les a examinées au microscope. Les images ont révélé que le béton recyclé présente plus de pores et une interface plus rugueuse entre l'agrégat et la pâte que le béton ordinaire. Autour des fragments recyclés, les fines zones d'interface étaient plus lâches et plus poreuses, avec des particules non réagies de ciment, de cendres volantes et de laitier. Cette structure ouverte affaiblit la colle qui lie l'ensemble. Le béton ordinaire fabriqué avec des granulats neufs montrait une interface plus dense et continue et des pores plus petits, ce qui explique sa meilleure résistance. L'étude a également constaté que cendres volantes et laitier augmentaient la porosité de ces zones, la cendre volante ayant un effet plus marqué que le laitier.

Observer la formation et la croissance des fissures

Au-delà d'images fixes, les auteurs ont voulu voir comment le béton recyclé se fissure réellement. Ils ont construit un modèle numérique qui traite les fines zones d'interface comme des couches fragiles susceptibles de s'ouvrir et de se séparer sous charge. Lorsqu'ils ont simulé la compression d'un bloc de béton, de minuscules fissures sont apparues d'abord dans les zones périphériques d'interface où les pores étaient les plus grands. À mesure que la charge augmentait, ces fissures se propageaient vers l'intérieur et se rejoignaient, finissant par traverser l'éprouvette et provoquer la rupture. Les photographies d'échantillons réellement écrasés correspondaient au modèle : les mélanges riches en fragments recyclés et en cendres volantes développaient des fissures larges et sinueuses, tandis que les mélanges à teneur modérée en recyclé et contenant du laitier présentaient des fissures plus étroites et plus droites, signe d'une structure interne plus serrée.

Ce que cela signifie pour des bâtiments plus verts

Pour un public non spécialiste, le message principal est rassurant : avec un choix soigné des ingrédients, le béton fabriqué à partir de gravats de démolition et de sous-produits industriels peut approcher très près de la résistance du matériau conventionnel. Le travail montre que le maillon le plus faible est la fine couche d'interface autour des fragments recyclés, en particulier quand on ajoute trop de cendres volantes ou de laitier. En maintenant des proportions modérées de granulats recyclés et un apport mesuré de laitier, les ingénieurs peuvent limiter les dommages dans ces zones et ralentir la propagation des fissures. Cela ouvre la voie à des recettes pratiques de béton à plus faible empreinte carbone qui « digèrent » les déchets sans devenir friables, offrant un chemin vers des bâtiments et des routes plus robustes et durables.

Citation: Chen, C., Wei, Z., Zhang, J. et al. The impact of fly ash and slag on the microscopic interface of recycled concrete and its destruction evolution. Sci Rep 16, 9565 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-17035-9

Mots-clés: béton recyclé, cendre volante, laitier, zone de transition interfaciale, construction durable