Optimisation des proportions de mélange et étude de l’hydratation du béton à haute résistance incorporant des cendres de tiges de maïs et de la fumée de silice comme matériaux cimentaires complémentaires

Transformer les déchets agricoles en villes plus solides

Tous les ans, des montagnes de résidus de récolte sont brûlées ou mises en décharge, tandis que la fabrication du ciment qui maintient nos bâtiments libère d’importantes quantités de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Cette étude explore une voie pour s’attaquer simultanément aux deux problèmes : moudre les cendres issues des tiges de maïs et les mélanger à une poudre industrielle très fine appelée fumée de silice pour créer un béton à haute résistance, à la fois durable et nettement moins polluant à produire.

Pourquoi le béton traditionnel a besoin d’un relooking

Le béton est la colonne vertébrale de la construction moderne, des ponts et gratte‑ciel aux trottoirs et barrages. Mais son ingrédient principal, le ciment, est l’une des principales sources industrielles d’émissions de carbone : sa production exige la cuisson à très haute température du calcaire. Parallèlement, l’agriculture génère d’énormes quantités de déchets — comme les tiges de maïs — souvent brûlées en plein air, ce qui augmente la pollution et gaspille des matières potentiellement utiles. Les chercheurs soupçonnent depuis longtemps que certaines cendres de culture pourraient remplacer une partie du ciment, mais il restait à établir jusqu’où cette substitution peut aller tout en fournissant un béton très résistant adapté aux structures exigeantes.

Construire du béton à partir de tiges de maïs

Dans ce travail, l’équipe a brûlé des tiges de maïs à des températures soigneusement contrôlées pour obtenir une cendre fine, riche en silice, et l’a combinée à la fumée de silice, un autre sous‑produit industriel très fin. Ensemble, ces poudres ont remplacé 20 % du ciment habituel dans un béton à haute résistance. Les chercheurs ont fait varier de manière systématique trois paramètres : quelle part des 20 % était constituée de cendres de tiges de maïs, la quantité d’eau ajoutée par rapport aux liants, et la proportion de sable utilisée. À l’aide d’un plan d’essai structuré, ils ont produit seize recettes de béton différentes, coulé de petits cubes et mesuré la pression que chaque cube pouvait supporter après 7 jours et après 28 jours de cure.

Trouver le point optimal pour la résistance

Les expériences ont montré que toutes les combinaisons ne se valent pas. Le mélange le plus résistant a atteint une résistance à la compression à 28 jours d’environ 110 mégapascals — plusieurs fois plus élevée que le béton structurel typique. Cette recette la plus performante utilisait 15 % de cendres de tiges de maïs sur les 20 % de remplacement, une teneur en eau relativement faible et une proportion de sable assez élevée. Lorsque la part de cendres de tiges de maïs a été portée à 20 % sans fumée de silice, le béton est devenu sensiblement plus faible, montrant que la cendre est plus efficace en association avec la fumée de silice que seule. Une analyse attentive a montré qu’aux âges précoces, la quantité d’eau avait l’effet le plus important sur la résistance, tandis qu’aux âges plus avancés la teneur en sable et le niveau de remplacement par la cendre prenaient davantage d’importance.

Observer l’intérieur du béton

Pour comprendre pourquoi certains mélanges étaient plus résistants, l’équipe a examiné la structure interne du béton au moyen de microscopes électroniques et de techniques par rayons X. Au début, le matériau présentait de nombreux pores et relativement peu de produits liants. Au fur et à mesure de la cure, la silice réactive des cendres de tiges de maïs et de la fumée de silice a déclenché des réactions « secondaires » avec les composés calciques libérés par le ciment. Ces réactions ont produit des minéraux gélifiés supplémentaires qui se sont compactés dans les pores, liant plus fermement le sable, les granulats et les particules de ciment. Sur 28 jours, l’espace poreux a fortement diminué, la structure interne est devenue plus dense et plus lisse, et la résistance mesurée a augmenté en conséquence. Des fibres d’acier incorporées dans le béton ont en outre rendu la rupture plus progressive et ductile au lieu d’un fissurage soudain et catastrophique.

Un béton plus propre pour un avenir bas carbone

En remplaçant un cinquième du ciment par des cendres de tiges de maïs et de la fumée de silice, le mélange de béton optimisé a réduit les émissions de carbone liées au liant d’à près d’un cinquième par rapport au ciment ordinaire, tout en conservant une très haute résistance. En termes simples, l’étude montre que des déchets agricoles autrefois traités comme des rebuts peuvent devenir un ingrédient précieux dans un béton robuste et durable, allégeant le fardeau environnemental de l’agriculture et de la construction. Si ces mélanges étaient largement adoptés, ils pourraient aider les villes à croître en hauteur et en superficie tout en limitant leur impact sur la planète.

Citation: Wang, R., Chen, Y., Wei, G. et al. Optimization of mix proportions and hydration study of high-strength concrete incorporating corn stalk ash and silica fume as supplementary cementitious materials. Sci Rep 16, 8318 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39419-1

Mots-clés: béton durable, cendres de tiges de maïs, béton à haute résistance, matériaux cimentaires complémentaires, construction bas carbone