Influence de la longueur des fibres de coco et de lin sur la ténacité à la fracture du béton géopolymère à base de cendres volantes, de laitier et de fumée de silice

Un béton plus vert capable d’encaiss‌er les chocs

Le béton est omniprésent—des ponts et bâtiments aux trottoirs—mais sa fabrication actuelle émet d’importantes quantités de dioxyde de carbone. Les ingénieurs recherchent des variantes plus écologiques qui restent toutefois capables de supporter des sollicitations, des impacts et des fissures. Cette étude examine une alternative prometteuse, le béton géopolymère, fabriqué à partir de sous‑produits industriels plutôt que de ciment Portland, et pose une question simple et pratique : l’ajout de courtes fibres végétales de coco (coir) et de lin peut‑il rendre ce béton plus vert plus résistant aux fissures et plus tenace ?

Des déchets industriels aux éléments de construction

Le ciment traditionnel est responsable d’environ 8 % des émissions mondiales de CO₂. Le béton géopolymère s’attaque à ce problème en remplaçant une grande partie du ciment par des poudres de déchets telles que les cendres volantes des centrales, le laitier de la sidérurgie et la fumée de silice issue de la production métallique. Lorsque ces poudres sont mélangées à une solution alcaline, elles forment un liant dense et pierreux qui peut rivaliser ou même dépasser la durabilité du béton ordinaire. Cependant, comme le verre, ce matériau a tendance à être fragile : une fois qu’une fissure démarre, elle peut se propager rapidement dans la structure, menaçant la sécurité et réduisant la durée de vie. Améliorer sa « ténacité à la fracture »—sa capacité à résister à la croissance des fissures—est donc essentiel pour que le béton géopolymère soit largement utilisé dans des ouvrages réels.

Intégrer des fibres naturelles au mélange

Les chercheurs se sont concentrés sur deux fibres végétales abondantes et peu coûteuses : la coir, extraite de l’enveloppe des noix de coco, et le lin, utilisé en textile. Les deux sont renouvelables et légères, et des travaux antérieurs laissaient penser qu’elles pouvaient aider le béton à absorber davantage d’énergie lors de la fissuration. Dans cette étude, l’équipe a maintenu une faible teneur en fibres (seulement 0,5 % du volume de béton) mais a ajusté la longueur des fibres à 20, 40 ou 60 millimètres. Ils ont moulé des éprouvettes géopolymères en forme de disque et pratiqué une encoche dans chacune, puis les ont rompues sous des chargements contrôlés reproduisant l’ouverture de fissures (mode I), le glissement sous torsion (mode III) ou une combinaison des deux. En comparant la force maximale supportée avant propagation rapide de la fissure, ils ont quantifié la ténacité de chaque mélange.

Détecter le bon compromis pour résister aux fissures

Les résultats ont révélé un « point optimal » net. Les fibres de 40 millimètres ont apporté les plus gros gains de ténacité dans toutes les conditions de chargement. En simple ouverture de fissure, la coir à cette longueur a augmenté la ténacité à la fracture d’environ 19 %, tandis que le lin l’a améliorée d’environ 15 %. Lorsque traction et torsion étaient combinées—plus proches des contraintes complexes rencontrées dans les structures réelles—le mélange avec coir de 40 mm a augmenté la ténacité de plus de 20 %, le lin étant légèrement derrière. Des fibres plus courtes de 20 mm ont aidé, mais moins, car elles ne peuvent pas enjamber la fissure aussi efficacement. De manière surprenante, allonger encore les fibres à 60 mm a parfois rendu le béton pire que le témoin sans fibre. Ces longues fibres avaient tendance à s’agglomérer, créer des vides et perturber le transfert de charge, se comportant davantage comme des points faibles que comme des renforts.

Ce qui se passe à l’intérieur du béton

Des analyses microscopiques et chimiques éclairent pourquoi les fibres de 40 mm fonctionnent le mieux. Le liant géopolymère forme lui‑même un gel dense et continu qui remplit l’espace entre les grains de sable et d’agrégats, avec quelques cristaux résiduels comme le quartz et la mullite agissant en charges rigides. Les fibres de coir, avec leurs surfaces rugueuses et leur capacité d’allongement, adhèrent bien à cette matrice puis se débondent progressivement sous contrainte, s’extraient lentement et pontent la fissure au fur et à mesure de sa croissance. Ce processus contrôlé d’extraction absorbe de l’énergie et ralentit la fracture. Les fibres de lin, bien que plus résistantes en traction pure, sont plus raides et plus lisses ; elles perdent généralement leur adhérence plus abruptement et sont entourées de davantage de produits de réaction, rendant l’interface moins stable. Des mesures thermiques et infrarouges ont en outre montré que la matrice est relativement dense et stable, avec une porosité limitée et une carbonation bénéfique qui resserre la microstructure—mais le contrôle de la fissuration dominée par cisaillement reste difficile.

Ce que cela signifie pour les structures futures

Pour les non‑spécialistes, la conclusion est simple : une faible dose de fibres végétales de longueur moyenne peut rendre le béton géopolymère plus vert sensiblement plus tenace sans modifier sa recette de base. La coir, en particulier, agit comme de petites « sutures » naturelles qui maintiennent les fissures une fois formées, permettant au matériau d’absorber davantage d’agressions avant de se désagréger. Mais rendre les fibres trop longues se retourne contre le résultat, car elles s’agglomèrent et créent des zones faibles. Ce travail propose des lignes directrices pratiques pour concevoir des bétons de nouvelle génération à plus faible empreinte carbone, qui sont non seulement plus respectueux du climat mais aussi mieux aptes à résister à la fissuration dans des ponts, chaussées et bâtiments du monde réel.

Citation: Bazarkhankyzy, A., Aibuldinovńska, Y., Iskakova, Z. et al. ​​Influence of coir and flax fiber lengths on fracture toughness of fly ash, slag, and silica fume-based geopolymer concrete. Sci Rep 16, 5596 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35731-y

Mots-clés: béton géopolymère, renfort par fibres naturelles, fibres de coco et de lin, ténacité à la fracture, matériaux de construction durables