Effet de la teneur en CaO de la cendre volante de classe C sur les propriétés de déformation du béton tout-venant

Transformer les déchets des centrales en barrages plus résistants

Les barrages modernes et autres ouvrages massifs en béton consomment d’énormes quantités de matériaux. Parallèlement, les centrales à charbon produisent des montagnes de cendres volantes, une fine poudre grise généralement considérée comme un déchet. Cette étude examine si une forme de cendre volante riche en calcium peut remplacer en toute sécurité une partie du ciment dans le béton des grands barrages, permettant de réduire les coûts et l’impact environnemental tout en conservant une résistance aux fissures sur des décennies d’utilisation.

Pourquoi cette cendre compte pour les grandes structures en béton

La cendre volante se forme lors de la combustion du charbon : des particules minérales se fusionnent en de minuscules sphères vitreuses. Les ingénieurs utilisent déjà un type courant, la cendre volante de classe F, pour améliorer le béton et réduire la consommation de ciment. Dans des régions de Chine comme le Xinjiang, cependant, la plupart des cendres disponibles sont riches en calcium. Cette cendre de classe C se comporte différemment : son excès de calcium peut renforcer sa réactivité avec le ciment, mais il peut aussi masquer des formes instables de chaux susceptibles de provoquer un gonflement ou des fissures du béton au fil du temps. Pour tirer parti de cette ressource locale dans de vastes projets de barrage, il faut comprendre en détail son effet sur l’allongement, le retrait et la stabilité du béton.

Comment l’équipe a testé le béton

Les chercheurs ont recueilli des cendres volantes provenant de plusieurs centrales avec des teneurs en oxyde de calcium (CaO) variant de très faibles à environ 16,5 %, et ont aussi évalué la fraction de ce calcium présente sous une forme particulièrement réactive « libre ». Ils ont incorporé ces cendres dans deux types de bétons pour barrages : l’un comportant quatre granulométries de pierres et de gravier, l’autre trois. Ces bétons tout-venant sont conçus pour empiler les particules d’agrégats de façon compacte, ce qui réduit les vides internes et limite les fissures. L’équipe a ensuite mené une série d’essais en laboratoire pour suivre la stabilité dimensionnelle (soundness), la déformation ultime en traction avant fissuration (ultimate tensile strain), la rigidité (module d’élasticité), la variation de volume auto-induite sans dessiccation (déformation autogène) et le retrait lié au séchage (drying shrinkage).

Ce qu’ils ont appris sur la stabilité et la fissuration

Une préoccupation clé était de savoir si une teneur en calcium plus élevée entraînerait une expansion instable. L’étude a montré que lorsque la cendre volante de classe C contient entre approximativement 5,1 et 16,5 % de CaO, et même lorsqu’elle remplace jusqu’à 70 % du ciment, le béton respecte toujours les limites standard de soundness. Lors des essais mécaniques, les bétons contenant des cendres avec plus de CaO ont présenté une capacité en déformation de traction légèrement supérieure et un module d’élasticité plus élevé, ce qui signifie qu’ils résistent un peu mieux à la fissuration tout en étant légèrement plus rigides. Parallèlement, la variation de volume auto-induite résultant des réactions internes entre ciment et cendre a eu tendance à favoriser davantage le retrait lorsque le CaO augmentait, en particulier dans le béton à quatre granulométries. Malgré ces tendances, l’influence globale du niveau de CaO sur la déformation est restée modérée.

Pourquoi le calibrage des agrégats fait une différence

La comparaison entre les bétons à quatre et à trois granulométries a révélé que la façon dont les pierres sont dimensionnées et mélangées peut avoir autant d’importance que la composition de la cendre. Les mélanges à quatre granulométries, avec une répartition plus large des tailles de particules, supportaient une plus grande déformation en traction avant fissuration et présentaient un retrait lié au séchage légèrement moindre que les mélanges à trois granulométries. Leur rigidité évoluait de façon plus régulière dans le temps, suggérant une structure interne plus stable. En revanche, pour la déformation autogène, le béton à quatre granulométries a légèrement plus rétréci que celui à trois granulométries, particulièrement lorsque la teneur en CaO de la cendre était plus élevée. Des images microscopiques ont confirmé que les cendres à plus forte teneur en calcium peuvent produire des produits de réaction plus denses mais peuvent aussi engendrer de minuscules défauts autour de particules non réagies si la teneur en calcium est trop élevée.

Ce que cela signifie pour les barrages futurs

Pour les non-spécialistes, le message principal est rassurant : dans une plage de calcium bien définie, la cendre volante locale de classe C étudiée ici peut remplacer en toute sécurité une large part du ciment dans le béton des barrages sans provoquer d’expansions dangereuses ni de fissurations excessives. Des niveaux de CaO soigneusement choisis, associés à un calibrage d’agrégats bien conçu, permettent aux ingénieurs de construire des ouvrages massifs et stables tout en valorisant des sous-produits industriels et en réduisant la demande en ciment neuf. Ce travail souligne également la nécessité d’essais complémentaires dans des conditions plus réalistes de température, d’humidité et de sollicitation, mais il ouvre la voie à un avenir où ce qui était autrefois un déchet du charbon devient un ingrédient fiable des infrastructures hydrauliques durables.

Citation: Qin, L., Gong, M., Zhang, H. et al. Effect of CaO content in Class C fly ash on the deformation properties of fully-graded concrete. Sci Rep 16, 8122 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38630-4

Mots-clés: béton à la cendre volante, construction de barrages, retrait et fissuration, remplacement du ciment, déchet industriel riche en calcium