Évaluation expérimentale et numérique du comportement mécanique du béton activé alcalinement à la laitier avec poudre de verre recyclée et métakaolin désaluminé

Un béton plus écologique pour un monde en croissance

Les villes modernes sont construites en béton, mais le béton traditionnel à base de ciment porte une lourde empreinte carbone et consomme d’importantes quantités de matières premières. Cette étude explore un nouveau type de béton « vert » qui remplace une grande partie du ciment et des granulats habituels par des sous-produits industriels et des déchets, notamment le laitier de la sidérurgie et du verre usagé finement broyé. En montrant que ces mélanges peuvent égaler voire dépasser les performances du béton conventionnel, la recherche ouvre la voie à des ponts et des bâtiments plus résistants tout en étant plus respectueux de la planète.

Transformer les déchets industriels en matériaux de construction

Le béton étudié repose sur du laitier activé alcalinement, un liant obtenu en activant chimiquement du laitier de haut fourneau granulé moulu plutôt qu’en utilisant du ciment Portland. Les chercheurs ont remplacé partiellement le sable naturel et le laitier par deux sous-produits industriels : une poudre de verre recyclable et du métakaolin désaluminé, un résidu riche en silice et en alumine issu de l’extraction d’aluminium. Ils ont également testé deux types d’enrochement grossier — dolomie et basalte — et ajouté des fibres courtes en acier dans certains mélanges. Au total, ils ont conçu plusieurs formulations contrôlées pour évaluer l’effet de chaque ingrédient sur la résistance, la rigidité, la fissuration et le comportement global sous charge.

Des moules de laboratoire à la résistance mesurée

Pour évaluer les performances, l’équipe a moulé et durci des cubes, des cylindres et des poutres à température ambiante, évitant des cures thermiques énergivores. Ils ont mesuré la résistance en compression (la capacité du béton à supporter un écrasement), la résistance à la traction par fendage (son comportement en traction indirecte), la résistance en flexion et la rigidité. Dans l’ensemble, les mélanges contenant des granulats plus durs, le basalte, ont surpassé ceux à base de dolomie. L’ajout de poudre de verre recyclée ou de métakaolin désaluminé a rendu le béton plus dense et plus résistant. Le mélange le plus remarquable combinait du basalte, 10 % de métakaolin désaluminé (remplaçant une partie du laitier) et 1 % de fibres d’acier : il présentait les plus hautes résistances en compression, traction et flexion, ainsi que la plus grande rigidité.

Observer l’armature intérieure du béton

Pour comprendre pourquoi certains mélanges fonctionnaient mieux, les chercheurs ont examiné de fines coupes de béton au microscope électronique à balayage et utilisé des sondes chimiques pour cartographier la distribution des éléments clés. Les mélanges moins performants présentaient une structure interne poreuse et hétérogène avec des zones de contact faibles entre les granulats et la pâte. En revanche, les meilleurs mélanges montraient un réseau uniforme et densément emballé de produits de réaction liant l’ensemble, en particulier autour des granulats de basalte et des fibres d’acier. Le métakaolin désaluminé a favorisé la formation d’un gel dense et interconnecté remplissant les micro‑vides, tandis que les fibres d’acier ont fait le pont sur les fissures naissantes, empêchant leur ouverture brutale. Cette microstructure affinée explique l’accroissement de la résistance, de la ténacité et de la résistance à la fissuration.

Simuler des poutres avant leur construction

Au‑delà des petits éprouvettes, l’étude a utilisé des simulations avancées par éléments finis pour prédire le comportement en flexion de poutres en béton armé de pleine taille réalisées avec les différents mélanges. Les chercheurs ont calibré un modèle de dommage dans le logiciel ABAQUS pour que ses courbes contrainte‑déformation correspondent à celles mesurées en laboratoire. Une fois ajusté, le modèle a reproduit avec précision les charges de rupture et les motifs de fissuration pour les cubes, cylindres et prismes. Ils ont ensuite mené une étude paramétrique virtuelle sur des poutres armées. Les poutres en basalte et les mélanges optimisés à base de déchets ont supporté des charges beaucoup plus élevées, fléchi moins à la charge maximale et présenté une fissuration plus progressive et plus ductile. Le mélange contenant 10 % de métakaolin désaluminé et 1 % de fibres d’acier a augmenté la capacité portante d’environ 46 % et réduit la flèche au milieu de la portée d’environ un cinquième par rapport à un mélange de référence, sans modifier l’armature en acier.

Ce que cela signifie pour les structures de demain

Pour les non‑spécialistes, la conclusion est nette : il est possible de concevoir un béton à la fois plus résistant et plus durable en transformant des sous‑produits industriels — laitier, verre usagé et argiles désaluminées — en ingrédients de haute performance, notamment en les associant à des fibres d’acier et à des granulats robustes. L’étude montre que ces bétons verts peuvent être testés de manière fiable, compris au niveau microscopique et modélisés avec confiance sur ordinateur, fournissant aux ingénieurs des outils pratiques pour concevoir des poutres et d’autres éléments plus sûrs et plus efficaces. À long terme, cette approche pourrait contribuer à réduire l’empreinte environnementale de la construction tout en livrant des routes, des ponts et des bâtiments durables.

Citation: Nader, M.A., El-Hariri, M.O.R., Kamar, A. et al. Experimental and numerical evaluation of the mechanical behavior of alkali-activated slag concrete with recycled waste glass and dealuminated metakaolin powders. Sci Rep 16, 6343 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36359-8

Mots-clés: béton durable, verre recyclé, géopolymère, renfort en fibres d’acier, modélisation numérique