Effets de la teneur en laitier d'acier sur les performances du mortier activé alcalinement à base de gangue de charbon et de laitier

Transformer les déchets en bâtiments plus solides et plus verts

Les villes modernes reposent sur le béton et le mortier, mais la fabrication du ciment traditionnel émet d'importantes quantités de dioxyde de carbone et les matériaux obtenus peuvent se fissurer et se contracter avec le temps. Cette étude explore une façon d'aborder ces deux problèmes simultanément : recycler des déchets industriels issus de la production de charbon et d'acier pour obtenir un nouveau type de mortier qui réduit non seulement les émissions, mais devient aussi plus résistant et moins sujet au retrait et aux fissures.

Pourquoi la fissuration est un danger caché

De nombreuses alternatives écologiques au ciment, regroupées sous le terme général de matériaux activés alcalinement, affichent une bonne résistance et durabilité. Elles présentent cependant souvent un inconvénient majeur : elles se contractent davantage que le ciment Portland ordinaire lors du séchage. Ce retrait peut ouvrir un réseau de microfissures. Avec le temps, ces fissures laissent pénétrer l'eau et des produits chimiques corrosifs dans les murs et les fondations, compromettant la sécurité et la durée de vie des ouvrages. Remédier à ce problème nécessite généralement des additifs spécialisés ou des conditions de cure strictes, ce qui augmente les coûts et freine une adoption généralisée.

Donner une seconde vie aux déchets d'acier et de charbon

Les chercheurs se sont concentrés sur trois sous-produits pulvérulents de l'industrie lourde : le laitier d'acier issu de la sidérurgie, la gangue de charbon provenant de l'extraction et le laitier granulé de haut fourneau issu de la production de fer. Ces matériaux sont souvent entassés en vastes piles, occupent des terres et présentent des risques environnementaux. Dans ce travail, le laitier de haut fourneau a été maintenu à la moitié du liant total pour assurer une résistance de base, tandis que la gangue de charbon a été progressivement remplacée par du laitier d'acier à différents dosages. Avec un liquide alcalin déclenchant la prise, ces poudres ont été mélangées en un mortier, moulées en petits blocs et testées pour l'écoulement, la résistance et le retrait au séchage, puis analysées au moyen d'une série de microscopes et de sondes chimiques.

Trouver le juste équilibre pour le laitier d'acier

Les expériences ont montré que l'ajout d'un certain pourcentage de laitier d'acier améliore l'ouvrabilité du mortier frais, facilitant sa mise en place, et augmente significativement sa résistance au fil du temps. Lorsque 40 % de la gangue de charbon a été remplacée par du laitier d'acier, la résistance en compression à 28 jours a augmenté d'environ 42 %, dépassant 70 mégapascals, tandis que le retrait au séchage a diminué de près de 29 % par rapport aux mélanges sans laitier d'acier. En dessous de ce seuil, les gains sont moindres ; au-delà, les performances commencent à se dégrader. Avec 50 % de laitier d'acier, le mortier perd de la résistance et ne présente plus de réduction du retrait. Les auteurs attribuent ce recul à un déficit en silicium et en aluminium réactifs, éléments essentiels à la formation des gels liants qui structurent le matériau.

Ce qui se passe à l'intérieur du mortier durci

Pour comprendre pourquoi 40 % de laitier d'acier est si efficace, l'équipe a observé le mortier durci au niveau microscopique. Ils ont constaté que le laitier d'acier modifie le développement de la structure interne au fil du temps. Au départ, il ralentit légèrement la réaction, ce qui aide le matériau à retenir l'eau et réduit le dessèchement rapide. Plus tard, en revanche, il réagit plus fortement en apportant du calcium au système. Cela conduit à la formation de phases liantes gélifiées supplémentaires et d'abondants cristaux en aiguilles appelés éttringite. Ensemble, ces produits s'entrelacent dans le matériau, remplissant les pores, reliant les particules et résistant à la déformation. Les mesures de la distribution des pores ont confirmé que le mélange optimal contenait moins de pores de taille intermédiaire, responsables du retrait, aboutissant à un réseau plus dense et plus stable.

Du mortier de laboratoire à l'utilisation sur le terrain

Concrètement, l'étude montre qu'un dosage soigné du laitier d'acier dans ce mortier à base de déchets peut transformer un matériau écologique prédisposé à la fissuration en un matériau plus résistant et fiable. Un remplacement d'environ 40 % par du laitier d'acier offre un compromis entre haute résistance, risque de fissuration réduit et meilleure maniabilité, tout en consommant de grandes quantités de déchets industriels et en évitant l'empreinte carbone élevée du ciment conventionnel. Bien que le travail se soit focalisé sur une fenêtre de 28 jours, il ouvre la voie à des recettes pratiques pour des matériaux de construction plus verts qui valorisent mieux les déchets actuels de l'industrie.

Citation: Huang, T., Xie, Q., Deng, J. et al. Effects of steel slag content on the performance of alkali-activated coal gangue-slag mortar. Sci Rep 16, 7993 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38962-1

Mots-clés: laitier d'acier, béton écologique, recyclage des déchets industriels, retrait au séchage, mortier activé alcalinement