Performance mécanique du béton léger structurel avec des granulats provenant de charbon métallurgique

Transformer les déchets de charbon en éléments de construction

Les villes modernes reposent sur le béton, mais produire et transporter ces volumes pèse lourd sur les budgets et sur la planète. Cette étude explore une idée peu commune : utiliser les résidus des mines de charbon destinées à la sidérurgie — non pas comme combustible, mais comme ingrédient léger dans le béton. En transformant ces refus métallurgiques en particules proches du gravier, les chercheurs s’interrogent sur la possibilité de construire des structures plus sûres et plus légères tout en réduisant les coûts et en valorisant un déchet industriel qui s’accumule autrement en d’énormes buttes noires.

Pourquoi un béton plus léger importe

Le béton est plus roche que liant ; 60–80 % de son volume est constitué d’agrégats tels que sable et gravier. Remplacer ces pierres par des matériaux plus légers peut réduire fortement la « charge morte » que les bâtiments doivent supporter, ce qui permet des colonnes plus fines, des fondations plus petites et moins d’acier d’armature. Le béton léger structurel est utilisé depuis l’Antiquité romaine et est courant dans les ponts, les bâtiments hauts et les toitures à longue portée. Ces dernières années, les ingénieurs ont essayé de nombreux rejets industriels — laitier d’acier, copeaux plastiques, cendres agricoles — comme substituts du gravier naturel. Les déchets de charbon métallurgique, produits lors de l’extraction et du traitement du charbon pour la sidérurgie, sont abondants, poreux et beaucoup plus légers que la roche ordinaire, ce qui en fait un candidat prometteur.

Du rebut de charbon aux formulations de béton

L’équipe de recherche a collecté des déchets de charbon métallurgique dans des carrières égyptiennes et les a concassés pour obtenir un granulat grossier. Ils ont ensuite conçu cinq formulations de béton dans lesquelles ce granulat à base de charbon remplaçait le gravier normal à hauteur de 0 %, 25 %, 50 %, 75 % ou 100 % en masse. Tous les autres ingrédients — ciment, sable, eau, ainsi que les conditions de malaxage et de cure — ont été maintenus constants afin que seul le type d’agrégat varie. Avant de fabriquer le béton, ils ont mesuré la densité du granulat de charbon, son absorption d’eau et sa composition minérale. Il s’est avéré extrêmement léger, avec environ un tiers de la masse volumique du gravier normal et une porosité beaucoup plus élevée, ce qui signifie qu’il absorbe davantage d’eau et contient une large fraction de matière riche en carbone.

Comment le nouveau béton s’est comporté

Les bétons frais ont d’abord été contrôlés pour l’ouvrabilité, une mesure pragmatique de la facilité de mise en place et de compactage sur le chantier. À mesure que la teneur en charbon augmentait, l’affaissement — un test simple en cône pour évaluer l’écoulement — a fortement diminué, montrant que les éléments poreux de charbon absorbaient l’eau et raffermissaient le mélange. Après cure, le béton durci a été testé pour plusieurs propriétés clés : masse volumique, résistance en compression, résistance en flexion et raideur (module d’élasticité). Comme prévu, plus la proportion de granulat de charbon était élevée, plus le béton devenait léger : la masse volumique unitaire est passée d’environ 2168 à 1642 kilogrammes par mètre cube, qualifiant aisément les formulations comme bétons légers structurels. Mais cette réduction de poids avait un prix. La résistance en compression des cubes est passée de 37,6 mégapascals (MPa) à 0 % de charbon à 20,7 MPa à 100 % de charbon, tandis que la résistance en flexion a également diminué. La structure interne des particules de charbon et la liaison faible entre celles-ci et la pâte de ciment ont introduit davantage de vides et de microfissures, réduisant la capacité portante et la rigidité du béton.

Chaleur, incendie et économie réelle

Parce que les bâtiments doivent résister aux incendies, les chercheurs ont également chauffé des échantillons à 0 %, 25 % et 50 % de charbon à 200 °C, 400 °C et 600 °C pendant deux heures, puis ont mesuré la résistance résiduelle. Tous les mélanges ont perdu de la résistance avec l’élévation de la température — jusqu’à environ 40–43 % à 600 °C — mais sont restés dans des limites de sécurité structurelle. Cela suggère que, malgré sa nature poreuse, le béton léger à base de charbon peut survivre à des scénarios incendie réalistes. L’équipe a ensuite analysé les coûts à l’aide d’un petit exemple de bâtiment comportant dalles, poutres et poteaux conçus selon les normes nationales. Comme les formulations plus légères réduisent la charge morte, elles nécessitent moins d’acier d’armature. Une formulation avec 75 % de charbon a réduit l’usage d’acier d’environ 12 % et a légèrement diminué le coût global du béton (environ 23 livres égyptiennes par mètre cube) par rapport au béton normal, tout en respectant les exigences de résistance.

Ce que cela signifie pour les bâtiments futurs

Pour les non-spécialistes, l’essentiel est que les déchets des mines de charbon — longtemps considérés comme une nuisance environnementale — peuvent être transformés en un matériau de construction utile. Lorsque le granulat de charbon remplace 25–75 % du gravier naturel, le béton devient sensiblement plus léger tout en restant suffisamment résistant pour de nombreux éléments structurels dans des bâtiments à étages, et il supporte de façon acceptable des températures élevées. À un remplacement total de 100 %, le béton est très léger mais n’est plus suffisamment résistant pour les éléments porteurs principaux, le rendant mieux adapté à des usages non structurels comme des cloisons ou des blocs isolants. Globalement, l’étude montre que des formulations soigneusement conçues utilisant des déchets de charbon métallurgique peuvent aider à conserver les ressources de pierre naturelle, réduire les besoins en acier et en transport, et donner une nouvelle utilité à un sous-produit industriel — sans compromettre la sécurité lorsqu’elles sont employées dans les parties appropriées d’une structure.

Citation: Waleed, T., Rady, M., Mashhour, I.M. et al. Mechanical performance of structural lightweight concrete with metallurgical coal aggregates. Sci Rep 16, 7484 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37929-6

Mots-clés: béton léger, recyclage des déchets de charbon, construction durable, performance structurelle, sous-produits industriels