Influence des cendres de boues de papeterie sur les propriétés mécaniques, microstructurales et de durabilité d’un géocrete à base de métakaolin

Transformer les déchets de papier en béton plus résistant

Les villes modernes reposent sur le béton, mais le ciment traditionnel a un coût environnemental élevé, libérant de grandes quantités de dioxyde de carbone lors de sa fabrication. Parallèlement, les papeteries génèrent des montagnes de déchets qui finissent souvent en décharge. Cette étude explore une manière d’aborder ces deux problèmes simultanément : utiliser les cendres issues des boues de papeterie pour contribuer à la fabrication d’un nouveau type de béton à faible émission de carbone, appelé « géocrete », qui pourrait un jour remplacer le ciment courant dans les bâtiments et les infrastructures.

Un nouveau type de matériau de construction

Plutôt que de s’appuyer sur le ciment, le géocrete est obtenu en activant des minéraux riches en silice et en alumine avec une solution fortement alcaline, formant un matériau dur et proche de la pierre. Dans ce travail, les chercheurs ont utilisé du métakaolin, une argile calcinée raffinée, comme ingrédient principal et l’ont partiellement remplacé par des cendres de boues de papeterie. Ces cendres proviennent de la combustion des boues de l’industrie papetière à haute température et contiennent beaucoup de calcium, ainsi que de la silice et de l’alumine. Huit mélanges différents ont été préparés, avec des remplacements de métakaolin par les cendres allant de 5 % à 20 % et deux niveaux différents de liquide alcalin, afin d’évaluer comment ces variations affectaient la résistance et la durabilité lors d’un durcissement à température ambiante.

Performances du béton testé

L’équipe a évalué trois types clés de résistance mécanique : la capacité à supporter une charge en compression, en traction et en flexion. Elles ont mesuré ces propriétés après 7, 28 et 90 jours de cure. De façon générale, les mélanges contenant 10 % de cendres de papeterie ont surpassé les autres. Pour les deux niveaux de liquide alcalin, ce mélange à 10 % a donné des résistances en compression, en traction et en flexion supérieures à celles des dosages sans cendres ou avec des teneurs plus élevées. Lorsque la teneur en cendres a été portée à 15 % ou 20 %, la résistance a chuté fortement, montrant qu’il existe un point optimal plutôt qu’une relation « plus c’est mieux ».

Regarder à l’intérieur du matériau

Pour comprendre pourquoi 10 % de cendres donnait les meilleurs résultats, les chercheurs ont examiné le géocrete durci au microscope électronique à balayage. Dans les mélanges les plus performants, les images montraient une structure interne dense et fortement compacte, avec peu de pores visibles. Les minéraux avaient réagi pour former des phases gélifiées interconnectées qui lient les particules et comblent les vides. Dans les formulations contenant trop de cendres, la structure interne paraissait plus poreuse, avec moins de ces gels liants. Cela suggère que la chimie n’était plus bien équilibrée : l’excès de cendres a modifié le rapport des éléments clés de sorte qu’une partie du matériau ne pouvait pas réagir et s’intégrer au réseau, laissant des points faibles.

Résistance à l’eau et aux sels

La résistance mécanique ne suffit pas pour un matériau de construction durable. Les ouvrages doivent aussi résister à l’eau et aux sels chlorés, qui peuvent pénétrer le béton et corroder l’armature métallique. L’équipe a utilisé des essais standard pour mesurer la perméabilité aux ions chlorure, ainsi que l’absorption d’eau et la porosité. Là encore, les mélanges à 10 % de cendres se sont démarqués. Ils ont laissé passer moins de charge électrique lors du test chlorure, absorbé moins d’eau et affiché une porosité globale plus faible que les autres mélanges. Les formulations avec des teneurs plus élevées en cendres étaient plus ouvertes et plus absorbantes, ce qui les rend moins adaptées à des constructions durables en milieux agressifs.

Implications pour la construction future

En résumé, l’étude montre que remplacer 10 % du métakaolin par des cendres de boues de papeterie dans le géocrete peut produire des blocs de type béton plus résistants et plus durables que des mélanges sans ces cendres, tout en réduisant la dépendance au ciment traditionnel. Un bon équilibre des ingrédients crée un réseau interne dense qui résiste aux fissures, à l’eau et à l’attaque saline. Parce que le matériau peut être durci à température ambiante et utilise un déchet industriel, il offre une voie prometteuse vers une construction plus sobre en carbone et en ressources, à condition que la production et la gestion puissent être mises à l’échelle de manière sûre et économiquement viable.

Citation: Yuvaraj, K., Arunvivek, G.K., Kumar, P. et al. Influence of paper mill sludge ash on mechanical, microstructural and durability properties of metakaolin based geocrete. Sci Rep 16, 6109 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37581-0

Mots-clés: béton géopolymère, cendres de boues de papeterie, construction bas carbone, métakaolin, durabilité du béton