Propriétés mécaniques et durabilité du béton avec zéolite et poudre de céramique recyclée : investigation expérimentale et analyse par apprentissage automatique

Transformer les carreaux jetés en béton plus résistant

Le béton est partout : dans nos maisons, nos ponts et nos rues. Mais produire du ciment, la colle qui lie le béton, consomme beaucoup d’énergie et constitue une source majeure de dioxyde de carbone. Parallèlement, des montagnes de carreaux de céramique cassés issus de la construction et de la démolition finissent dans des décharges. Cette étude explore une manière d’aborder ces deux problèmes simultanément — en remplaçant une partie du ciment par des minéraux volcaniques naturels et par de la poudre fine de céramique de rebut, puis en utilisant l’apprentissage automatique pour prédire les performances de ce béton plus écologique.

Pourquoi repenser la composition du béton ?

Le ciment est la partie la plus coûteuse et la plus nuisible pour l’environnement du béton. Sa production consume de grandes quantités de combustibles et libère du CO₂. Par ailleurs, l’industrie des carreaux génère chaque année des millions de tonnes de déchets difficiles à recycler par des procédés classiques. Les chercheurs ont examiné deux substituts prometteurs pouvant partiellement remplacer le ciment : la zéolite naturelle, un minéral volcanique réactif, et la poudre de céramique issue de carreaux mis au rebut. Les deux sont riches en silice et en alumine, qui peuvent réagir avec les sous‑produits de l’hydratation du ciment pour former un gel liant supplémentaire, renforçant potentiellement le béton et le rendant moins perméable à l’eau et aux sels.

Conception et essais des nouveaux mélanges

L’équipe a préparé treize recettes de béton différentes. Ils ont maintenu constants la teneur en eau, le sable et le gravier, mais ont remplacé de façon systématique une partie du ciment par de la zéolite (5 %, 10 % ou 15 %) et par de la poudre de céramique (0 %, 10 %, 20 % ou 30 %). Pour chaque mélange, ils ont coulé des éprouvettes standard et les ont conservées en cure humide jusqu’à 91 jours. Ils ont ensuite mesuré des propriétés clés pour les structures réelles : la résistance à la compression (la charge que le béton peut supporter en écrasement), la résistance en traction et en flexion (sa capacité à résister aux fissures et au flambement), l’absorption d’eau et la facilité de pénétration des ions chlorure — comme ceux du sel routier ou de l’eau de mer. La résistance aux chlorures a été évaluée par un essai rapide standard mesurant la charge électrique traversant une tranche de béton sur six heures.

Un béton plus résistant, moins perméable et plus durable

Les expériences ont montré que des mélanges de zéolite et de poudre de céramique peuvent dépasser le béton ordinaire lorsque les proportions sont choisies avec soin. Un mélange contenant 15 % de zéolite et 10 % de poudre de céramique a offert le meilleur comportement mécanique global, augmentant la résistance à la compression, en traction et en flexion à tous les âges d’essai par rapport au mélange conventionnel. Parallèlement, ce béton hybride a absorbé beaucoup moins d’eau — jusqu’à environ trois quarts de moins après 91 jours — ce qui indique un réseau de pores interne nettement plus fin. Pour la protection contre les sels corrosifs, un remplacement encore plus important (15 % de zéolite et 30 % de poudre de céramique) a donné le résultat le plus impressionnant : la charge électrique mesurée liée à la pénétration des chlorures est passée d’environ 3200 coulombs pour le béton témoin à près de 425 coulombs, faisant basculer le matériau dans la catégorie de « très faible » perméabilité utilisée par les ingénieurs.

Ce qui se passe à l’intérieur du béton

La chimie microscopique explique ces améliorations. La zéolite et la poudre de céramique contiennent toutes deux de la silice et de l’alumine amorphes finement divisées. À l’intérieur du béton humide, elles réagissent avec l’hydroxyde de calcium, un sous‑produit relativement soluble de l’hydratation du ciment. Cette réaction forme des gels supplémentaires de calcium‑silicate‑hydrate et apparentés — le même liant qui confère sa résistance au béton. Ces gels comblent et affinant le système de pores, épaississent la zone de transition entre la pâte et le gravier, et réduisent le nombre de chemins par lesquels l’eau et les ions chlorure peuvent circuler. En pratique, les particules de céramique de rebut agissent à la fois comme micro‑charges et comme ingrédients réactifs, tandis que la zéolite fournit des surfaces très actives qui favorisent l’avancement des réactions chimiques.

Utiliser l’ordinateur pour prédire les performances du béton

Pour aller au‑delà de l’essai‑erreur en laboratoire, les chercheurs ont entraîné plusieurs modèles d’apprentissage automatique sur leurs données expérimentales. Les modèles prenaient en entrées le temps de cure et les pourcentages de zéolite et de poudre de céramique, et apprenaient à prédire la résistance à la compression. Parmi les approches testées, un algorithme appelé XGBoost — un type de méthode d’arbres de décision « boosting » — a fourni les prévisions les plus précises, avec un fort accord entre les résistances prédites et mesurées. Cela suggère que, une fois entraînés sur un jeu de données expérimentales modeste, de tels modèles peuvent aider les ingénieurs à explorer rapidement de nombreuses combinaisons possibles d’additifs naturels et issus de déchets, en identifiant les mélanges les plus prometteurs avant tout coulage de béton.

Ce que cela signifie pour les structures du quotidien

Pour un public non spécialiste, l’essentiel est que cette étude montre une recette pratique pour un béton plus vert et plus durable. En substituant une part significative du ciment par de la zéolite naturelle et par des carreaux mis au rebut finement broyés, il est possible de réduire l’usage du ciment, de recycler un sous‑produit industriel et, en même temps, d’obtenir un béton qui se fissure moins facilement, absorbe beaucoup moins d’eau et résiste bien mieux à l’attaque saline. Associée à des outils d’apprentissage automatique capables d’orienter les futurs dosages, cette approche ouvre la voie à des routes, des ponts et des ouvrages côtiers plus durables et plus résistants au fil de leur service.

Citation: Nasr, D., Babagoli, R. & Bidabadi, P.S. Mechanical properties and durability of concrete with zeolite and waste ceramic powder through experimental investigation and machine learning analysis. Sci Rep 16, 7413 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38184-5

Mots-clés: béton durable, céramique recyclée, zéolite, durabilité, apprentissage automatique