Valorisation durable des déchets des mines de cuivre en matériaux de construction par activation alcaline

Transformer les déchets miniers en éléments de construction

Les mines de cuivre laissent d'immenses amas de roches et de boues résiduelles qui peuvent polluer les eaux et défigurer les paysages pendant des décennies. Cette étude explore une méthode pour transformer ces déchets problématiques en un matériau de construction utile, réduisant potentiellement les émissions de gaz à effet de serre liées au ciment et rendant les sites miniers plus sûrs. En utilisant des solutions alcalines courantes pour « activer » les déchets de mines de cuivre, les chercheurs montrent qu'ils peuvent durcir en un liant solide et durable, adapté aux travaux de terrassement et autres infrastructures.

Pourquoi les déchets de cuivre sont un problème et une opportunité

La production moderne de cuivre génère d'énormes quantités de déchets : pour chaque tonne de cuivre, bien plus d'une centaine de tonnes de résidus sont laissées en arrière. Ces résidus sont généralement stockés dans de grands barrages ou bassins qui peuvent fuir des métaux dans les rivières et les nappes phréatiques, créer des poussières, ou même céder de façon catastrophique. Pourtant, sur le plan chimique, ces déchets sont riches en silice, alumine et fer — des ingrédients pouvant former des réseaux solides et semblables à de la pierre lorsqu'ils sont traités correctement. Parallèlement, le ciment Portland ordinaire, liant de construction standard à l'échelle mondiale, est responsable d'environ 7–8 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone d'origine humaine. Trouver des moyens de remplacer une partie de ce ciment par des matériaux fabriqués à partir de déchets miniers pourrait à la fois réduire les émissions et assainir d'anciens sites industriels.

Une recette simple : déchets, solution alcaline et temps

Les chercheurs ont collecté des déchets fins de la mine de Sarcheshmeh en Iran, les ont séchés et tamisés jusqu'à obtenir une poudre de type sable, puis les ont mélangés avec de petites quantités d'eau et de solutions alcalines. Ils ont testé l'hydroxyde de sodium (une base forte), le silicate de sodium (un « verre liquide ») et des mélanges des deux à différentes doses. Les mélanges ont été compactés en petits cylindres et curés à température ambiante pendant 7 ou 28 jours, reproduisant le comportement d'un sol stabilisé ou d'un remblai in situ. L'équipe a ensuite mesuré la charge que les échantillons pouvaient supporter avant écrasement, leur raideur, leur réponse aux cycles de gel-dégel répétés, la quantité de métaux libérés dans l'eau et leur structure interne observée au microscope électronique.

Résistance, durabilité et lixiviat propre

Les performances dépendaient fortement du type de solution alcaline. Les spécimens activés uniquement au silicate de sodium sont devenus les plus résistants, atteignant environ 16,5 mégapascals en compression après 28 jours — plus du double des échantillons traités uniquement à l'hydroxyde de sodium, et bien au‑dessus de nombreux liants à base de résidus miniers déjà publiés. Les activateurs mixtes donnent des résultats intermédiaires. Tous les mélanges sont devenus plus raides et plus résistants avec le temps à mesure qu'un réseau dense et « collant » se formait entre les particules. Lorsqu'un des meilleurs mélanges a été soumis à jusqu'à douze cycles de gel-dégel, il n'a perdu qu'environ 23 % de sa résistance, a montré presque aucune perte de masse et n'a présenté que de petites fissures de surface, indiquant une bonne résistance aux variations de température sévères.

Enfermer les métaux dans une microstructure dense

Étant donné que les déchets de mines de cuivre contiennent des traces de métaux tels que le cuivre, le zinc, le plomb et l'arsenic, l'équipe a également examiné la quantité de ces éléments pouvant se lixivier lorsque le matériau durci était immergé dans l'eau. Le lixiviat est resté proche de la neutralité en pH et présentait une faible conductivité électrique et de faibles solides dissous — bien dans les limites des normes internationales pour l'eau potable et l'irrigation. Comparés aux déchets non traités, les matériaux activés ont libéré 50–85 % moins des métaux mesurés, les mélanges au silicate de sodium affichant les concentrations les plus faibles. La microscopie et l'analyse élémentaire ont révélé des gels denses, majoritairement vitreux, liant les particules entre elles, avec du fer et du cuivre incorporés directement dans ce réseau. En d'autres termes, la même réaction qui a créé la résistance a également contribué à piéger les éléments potentiellement nocifs à l'intérieur de la matrice solide.

Des échantillons de laboratoire à des barrières opérationnelles

Dans l'ensemble, l'étude démontre que les déchets de mines de cuivre riches en fer peuvent être transformés en un liant mécaniquement robuste et chimiquement stable en utilisant seulement des solutions alcalines et un curage à température ambiante, sans ajout de ciment ni d'autres précurseurs. Le matériau obtenu est suffisamment résistant pour de nombreuses applications géo‑environnementales, telles que remblais, remblayage de mines et barrières techniques, et il résiste tant aux dommages liés au gel-dégel qu'à la lixiviation des métaux dans les conditions testées. Bien que des travaux supplémentaires soient nécessaires pour évaluer la performance à long terme et la variabilité de la composition des déchets à grande échelle, l'approche offre une voie prometteuse pour transformer un flux de déchets large et dangereux en matériaux de construction bas carbone dans une logique d'économie circulaire.

Citation: Fattahi, S.M., Nastooh, M.Y., Heydari, A. et al. Sustainable valorization of copper mine waste into construction materials by alkali activation. Sci Rep 16, 7043 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38224-0

Mots-clés: déchets de mines de cuivre, liant activé alcalinement, construction bas carbone, réutilisation des résidus miniers, immobilisation des métaux lourds