Conception et caractérisation de mortiers durables incorporant des matériaux dérivés de déchets industriels

Construire avec des déchets plutôt qu’avec de la roche vierge

Le béton et le mortier façonnent discrètement nos villes, mais la fabrication du ciment qui les unit est une source majeure de dioxyde de carbone responsable du réchauffement climatique. Cette étude explore une voie différente : des mortiers composés en grande partie de déchets industriels, comme les cendres volantes des centrales électriques et le laitier de la sidérurgie. En activant soigneusement ces poudres avec des solutions alcalines, les auteurs montrent qu’il est possible d’obtenir des matériaux de construction solides et durables tout en réduisant l’empreinte climatique et le besoin de nouvelles matières premières.

Pourquoi repenser le ciment est important

Le ciment Portland traditionnel est produit dans d’immenses fours qui chauffent le calcaire et l’argile à environ 1450 °C, un procédé consommateur d’énergie et émetteur de CO₂ d’origine à la fois des combustibles et du calcaire lui‑même. Alors que la demande mondiale en bâtiments et infrastructures augmente, le ciment représente à lui seul environ 7 % des émissions mondiales de CO₂. De nombreux pays cherchent donc des matériaux de construction plus propres qui conservent la résistance et la durabilité attendues par les ingénieurs, mais avec des émissions réduites et une meilleure valorisation des sous‑produits industriels qui finiraient autrement en décharge.

Transformer cendres et laitier en nouveau mortier

Les chercheurs ont conçu trois recettes de mortier qui remplacent le ciment Portland par des mélanges de cendres volantes (une poudre fine issue de la combustion du charbon), de laitier de haut fourneau broyé provenant de la sidérurgie, et de fumée de silice, tous combinés avec du sable. Ces poudres ont été « activées » non pas par cuisson à haute température, mais en les mélangeant avec une solution d’hydroxyde de potassium et du silicate de sodium liquide, puis en laissant durcir les mortiers à température ambiante et humidité modérée. Un mélange utilisait des cendres volantes d’une centrale roumaine, un autre des cendres volantes du Canada, et un troisième combinait les cendres canadiennes avec du laitier. À titre de comparaison, l’équipe a également préparé un mortier standard à base de ciment Portland comme témoin.

Quelle est la résistance de ces mortiers à base de déchets ?

Sur 28 jours, les mortiers ont été testés en compression (charge supportée avant écrasement) et en flexion (résistance au pliement). Le type de cendres volantes et les proportions exactes d’activateur liquide se sont révélés déterminants. Le mortier fabriqué avec les cendres roumaines n’a atteint qu’environ 8 MPa en compression, tandis que les cendres canadiennes ont presque triplé cette performance pour atteindre environ 26 MPa. L’ajustement du rapport liquide/poudre a montré qu’un excès d’activateur rend le matériau poreux et faible, alors qu’une quantité équilibrée crée une matrice plus dense et plus résistante. L’augmentation de la concentration de la solution d’hydroxyde de potassium de 3,8 à 5,1 molaires a encore amélioré la résistance, vraisemblablement parce qu’elle a dissous et réorganisé les particules de cendre de manière plus efficace.

Améliorer les performances avec le laitier sidérurgique

Le résultat le plus remarquable provient du mélange qui associait les cendres canadiennes au laitier de haut fourneau et à une petite quantité de fumée de silice. Cette recette a atteint une résistance en compression d’environ 44 MPa et une résistance en flexion de 7,4 MPa après 28 jours — des valeurs comparables voire supérieures au mortier témoin à base de ciment Portland. L’imagerie microscopique a montré que le mélange le plus performant formait un réseau dense et continu de gel entourant les particules restantes et le sable, avec moins de fissures et de vides. Des essais thermiques ont indiqué que ces mortiers perdent très peu de masse lorsqu’ils sont chauffés à haute température, ce qui suggère une bonne stabilité en cas d’exposition au feu ou à la chaleur.

Impact climatique et promesse pratique

Au‑delà des performances mécaniques, l’équipe a estimé l’empreinte carbone de ses mortiers à base de déchets. Comme les cendres volantes, le laitier et la fumée de silice sont des sous‑produits d’autres industries, ils ne nécessitent pas de nouveau traitement à haute température pour être utilisés en mortier. Lorsqu’on inclut la production des activateurs mais qu’on exclut le transport, les mortiers obtenus émettent environ 220 kilogrammes de CO₂ par mètre cube. Cela représente environ 30 % de moins que les bétons typiques fabriqués uniquement avec du ciment Portland et environ 45 % de moins que certains mortiers ciment‑laitier rapportés dans la littérature. Autrement dit, ces mélanges peuvent offrir une haute résistance tout en réduisant significativement les émissions.

Ce que cela signifie pour les bâtiments de demain

En bref, l’étude montre que des mortiers correctement conçus à partir de poudres de déchets industriels, activés à température ambiante avec des solutions alcalines modestes, peuvent rivaliser ou dépasser les mortiers au ciment conventionnels en termes de résistance tout en réduisant sensiblement les émissions de CO₂. Si ces procédés sont déployés à grande échelle, de tels matériaux pourraient permettre aux constructeurs de transformer cendres et laitier en ingrédients précieux plutôt qu’en déchets coûteux, allégeant la pression sur les carrières et les fours. Si la durabilité à long terme et la production à grande échelle restent à vérifier, ce travail ouvre la voie à un avenir où les bâtiments reposent littéralement sur des fondations recyclées.

Citation: Caftanachi, M., Vrabie, M., Harja, M. et al. Design and characterization of sustainable mortars incorporating industrial waste–derived materials. Sci Rep 16, 12145 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41743-5

Mots-clés: mortier durable, matériaux activés alcalins, cendres volantes, laitier de haut fourneau, construction à faible émission de carbone