Modélisation et optimisation d’un béton ternaire durable incorporant des cendres de balle de riz et de la microsilice extraite

Transformer les déchets agricoles en béton plus solide et plus écologique

Le béton maintient nos bâtiments, ponts et routes debout, mais la production du ciment qu’il contient émet d’importantes quantités de dioxyde de carbone. Cette étude examine comment un déchet agricole — la balle de riz — peut être transformé en ingrédients haute performance pour le béton, réduisant les émissions tout en améliorant la résistance et la durabilité. Pour quiconque s’intéresse à la construction à faible empreinte carbone ou à la réinvention des matériaux du quotidien, elle offre un aperçu de la façon dont la chimie intelligente et l’intelligence artificielle peuvent remodeler l’un des matériaux les plus utilisés au monde.

Pourquoi l’empreinte carbone du ciment importe

La production de ciment est responsable d’environ 7 % des émissions mondiales de CO₂ d’origine humaine ; ainsi, même des modifications modestes des recettes de béton peuvent avoir un impact climatique important. Une stratégie prometteuse consiste à remplacer une partie du ciment par des matériaux « supplémentaires » issus de flux de déchets plutôt que de fours énergivores. Les cendres de balle de riz, produites par la combustion des balles de riz, sont riches en silice, un ingrédient clé de la chimie du ciment. Lorsque ces cendres sont affinées en une poudre ultra‑fine, appelée ici microsilice extraite, elles peuvent réagir fortement avec la pâte de ciment et combler de minuscules pores, rendant potentiellement le béton à la fois plus résistant et moins perméable tout en réduisant la quantité de ciment nécessaire.

Conception d’un mélange ternaire

Les chercheurs ont conçu un béton « ternaire » — dont le liant est un mélange de ciment Portland ordinaire, de cendres de balle de riz et de microsilice extraite. Ils ont préparé 13 bétons différents, faisant varier les quantités de cendres de balle de riz (de 5 % à 40 % du ciment en masse) et de microsilice (5 %, 10 % ou 15 %). Tous les autres ingrédients et la maniabilité ont été maintenus constants afin que toute variation de performance puisse être attribuée à ces deux matériaux. L’équipe a ensuite conservé les éprouvettes de béton pendant 14, 28 et 56 jours et mesuré leur résistance en compression, un indicateur clé des performances structurelles. Plusieurs dosages ont également été sélectionnés pour des essais de pénétration d’eau afin d’évaluer la facilité avec laquelle les fluides traversent le béton durci — un facteur crucial pour la durabilité à long terme en environnements agressifs.

Ce qui se passe à l’intérieur du béton

Pour comprendre pourquoi certains mélanges ont mieux performé que d’autres, l’équipe a examiné la pâte durcie au microscope électronique à balayage. Dans les meilleurs mélanges, des doses modérées de microsilice (environ 5–10 %) combinées à des cendres de balle de riz (environ 15–25 %) ont produit un réseau interne dense et étroitement lié avec moins de pores et de fissures. Cela s’explique par le fait que la microsilice ultra‑fine agit tôt, fournissant des surfaces supplémentaires où le ciment peut hydrater et formant un gel compact, tandis que les cendres de balle de riz continuent de réagir au fil du temps, comblant davantage les vides. En revanche, lorsque les taux de substitution sont trop élevés — en particulier avec 15 % de microsilice combinés à 35–40 % de cendres de balle de riz — les images révèlent des agglomérats de particules fines, des grains de ciment non réagis et des vides interconnectés. Cette surcharge de silice réactive ralentit en réalité les réactions normales du ciment et laisse une structure plus fragile et plus poreuse.

Comment la modélisation intelligente trouve le point optimal

Plutôt que de s’en remettre uniquement à des essais‑erreurs, l’étude a utilisé deux outils de modélisation avancés pour identifier les meilleures formulations. La méthodologie des surfaces de réponse, une technique statistique, a construit des équations liant les quantités de microsilice et de cendres de balle de riz à la résistance mesurée à différents âges. Un réseau de neurones artificiels, inspiré de la manière dont les neurones biologiques apprennent des motifs, a également été entraîné sur les données expérimentales. Les deux modèles ont pu prédire la résistance en compression avec une grande précision, mais le réseau de neurones a montré une performance légèrement supérieure, captant des effets non linéaires subtils. Grâce à ces outils, les chercheurs ont déterminé que des mélanges contenant environ 10–15 % de microsilice et 15–25 % de cendres de balle de riz pouvaient dépasser la résistance du béton conventionnel, un dosage atteignant environ 18 % de résistance en plus à 56 jours par rapport au témoin. Les essais de perméabilité à l’eau corroborent ces résultats : les mélanges optimisés laissent beaucoup moins d’eau pénétrer que le béton standard, ce qui indique une durabilité améliorée.

Ce que cela signifie pour les bâtiments de demain

Pour un non‑spécialiste, le message principal est simple : en équilibrant soigneusement la quantité de cendres issues du riz et de silice ultra‑fine ajoutée, il est possible d’obtenir un béton à la fois plus vert et plus performant que les formulations traditionnelles. Des niveaux de substitution faibles à modérés réduisent la consommation de ciment, valorisent les déchets agricoles dans des structures durables et produisent un matériau plus dense et plus résistant à l’eau. Toutefois, plus n’est pas toujours mieux : pousser trop loin les substitutions peut affaiblir le béton. Les auteurs suggèrent que leurs mélanges optimisés, guidés par des essais en laboratoire et l’intelligence artificielle, offrent une voie pragmatique vers des bâtiments et infrastructures plus durables, et ils appellent à des travaux futurs pour suivre la durabilité à long terme et les impacts environnementaux globaux dans des projets réels.

Citation: Ullah, M.F., Tang, H., Ullah, A. et al. Modeling and optimization of sustainable ternary concrete incorporating rice husk ash and extracted micro silica. Sci Rep 16, 5063 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35983-8

Mots-clés: béton durable, cendres de balle de riz, microsilice, remplacement du ciment, modèles d’apprentissage automatique