Optimisation de la taille des grains de ciment pour améliorer la résistance et réduire le CO₂ dans les mortiers légers

Pourquoi la granulométrie du ciment compte pour le climat et la construction

Des ponts aux immeubles d’habitation, la vie moderne repose largement sur le ciment. Or, la fabrication du ciment est l’une des plus grandes sources industrielles d’émissions de dioxyde de carbone. Cette étude examine un levier surprenamment simple pour construire des éléments plus solides et plus légers avec une empreinte carbone réduite : modifier la finesse des grains de ciment, non pas par un broyage intensif, mais surtout en tamisant les particules les plus grosses. Le travail montre comment l’ajustement de la granulométrie peut augmenter la résistance, modifier le comportement de fissuration et diminuer les émissions par unité de résistance dans des mortiers légers utilisés pour des éléments plus minces et plus légers.

Des grains plus petits, des mélanges plus légers et les besoins courants du bâtiment

Les auteurs se concentrent sur les « mortiers légers », où une partie du sable lourd est remplacée par de l’argile expansée. Ces mélanges contribuent à réduire le poids des murs et des dalles, ce qui est intéressant pour les bâtiments en hauteur et les rénovations. Cependant, les mélanges plus légers nécessitent souvent plus de ciment pour atteindre la même résistance, ce qui augmente coûts et émissions. Pour y répondre, l’équipe a comparé trois versions du même ciment Portland : un mélange standard, un ciment « fin » tamisé pour éliminer les particules supérieures à 50 micromètres, et un ciment « superfine » ne contenant que des particules inférieures à 25 micromètres. Il est important de noter qu’ils n’ont pas broyé le ciment davantage — un procédé énergivore — mais ont trié sélectivement les plus gros agglomérats.

Ce que la finesse du ciment change dans le mortier frais et durci

En laboratoire, les chercheurs ont préparé quatre mortiers : un mortier dense standard, une version légère et deux versions légères réalisées avec les ciments fin et superfine. Ils ont maintenu la teneur en eau et les adjuvants chimiques essentiellement constants afin que seule la taille des particules modifie le comportement. À mesure que le ciment devenait plus fin, les mélanges frais s’écoulaient plus facilement et devenaient légèrement plus denses, signe d’un meilleur compactage entre les grains. Après durcissement, la résistance en compression — la capacité à résister au serrage — augmentait fortement : les mélanges fin et superfine ont gagné jusqu’à 40–45 % de plus de résistance à trois jours et 15–21 % de plus à sept jours comparés au mortier léger non tamisé. En contrepartie, la résistance à la flexion diminuait modestement et le retrait augmentait, tous deux liés à une structure interne plus rigide et plus fragile et à une plus grande tendance aux fissures fines.

Observer l’intérieur des grains pour voir l’accélération des réactions

Pour comprendre pourquoi le ciment plus fin se comporte ainsi, l’équipe a suivi ses réactions précoces pendant les 12 premières heures. À l’aide de la diffraction des rayons X, d’analyses thermogravimétriques et de la microscopie électronique en transmission, ils ont observé la formation plus rapide et en plus grande quantité des produits de réaction clés — en particulier le gel de silicate de calcium hydrates, qui agit comme une colle. Les images microscopiques montraient l’évolution de la « colle » interne, passant de grappes en forme d’aiguilles dispersées à des masses denses, en feuillets et compactes, plus tôt lorsque les grains étaient petits. Les mesures de perte de masse au chauffage ont confirmé une plus grande quantité d’eau liée et d’hydrates dans les pâtes fines et superfines, en accord avec le bond observé de la résistance en compression. En d’autres termes, une surface spécifique plus élevée due à des grains plus fins offre plus de sites de réaction pour l’eau, de sorte que l’ossature interne du matériau se forme plus vite et plus densément.

Équilibrer consommation d’énergie, émissions et performance structurelle

Étant donné que la production du ciment consomme déjà de grandes quantités d’énergie et émet près d’une tonne de CO₂ par tonne de produit, les auteurs se sont demandé si l’utilisation d’un ciment plus fin est réellement bénéfique pour le climat une fois le traitement pris en compte. Ils ont construit une analyse du cycle de vie comparant trois voies : le ciment ordinaire, un broyage supplémentaire pour augmenter la surface spécifique, et un simple tamisage du ciment standard en fractions plus fines. Le broyage augmente bien l’émission et la consommation électrique, mais il accroît aussi suffisamment la résistance pour diminuer la quantité de ciment nécessaire pour une résistance donnée, réduisant légèrement le CO₂ par unité de résistance. Le tamisage s’est avéré encore plus attractif. Le passage du ciment à travers un tamis de 50 micromètres nécessitait seulement environ 1 % d’énergie en plus mais permettait jusqu’à 14 % d’émissions de CO₂ en moins par unité de résistance dans les mortiers légers ; aller jusqu’à 25 micromètres apportait un gain de résistance supplémentaire limité, mais à un coût de traitement plus élevé et avec un retrait accru.

Ce que cela signifie pour des bâtiments plus légers et plus verts

Pour les non-spécialistes, l’essentiel est que « la taille des grains » peut être tout aussi importante que « la quantité de ciment utilisée ». En éliminant sélectivement seulement les particules les plus grossières, les fabricants peuvent produire des mortiers plus faciles à mettre en œuvre, sensiblement plus résistants en compression et moins carbonés par unité de résistance — sans augmenter massivement la consommation d’énergie en usine. L’étude met aussi en garde contre le fait que des ciments très fins peuvent présenter davantage de retrait et de fissuration, ce qui pourrait affecter la durabilité à long terme. Globalement, le travail suggère qu’un ajustement relativement peu technologique — le tamisage industriel du ciment autour de 50 micromètres — offre une voie pratique vers des matériaux à base de béton plus légers, plus résistants et un peu plus propres.

Citation: Nieświec, M., Chajec, A., Walendzik, I. et al. Optimizing cement particle size for strength enhancement and CO₂ reduction in lightweight mortars. Sci Rep 16, 8418 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39546-9

Mots-clés: finesse du ciment, mortier léger, résistance en compression, émissions de CO2, analyse du cycle de vie