Étude sur la durabilité aux cycles gel–dégel du béton recyclé à base de céramique dans une région occidentale de haute altitude

Transformer les déchets de carrelage en routes plus résistantes

Partout dans le monde, des montagnes de carreaux céramiques brisés provenant de chantiers de construction et de rénovation finissent en décharge. Parallèlement, les routes, ponts et bâtiments dans les régions froides et de haute altitude subissent des cycles répétés de gel et de dégel qui, lentement, désagrègent le béton conventionnel. Cette étude explore une solution double : broyer les carreaux céramiques usagés et les incorporer au béton afin de recycler un flux de déchets difficile tout en fabriquant des structures mieux armées pour résister aux climats hivernaux rudes.

Pourquoi le gel et le dégel fissurent le béton

Le béton paraît solide, mais il est parcouru intérieurement de minuscules pores et de fissures capillaires. Lorsque l’eau s’y infiltre puis gèle, elle se dilate comme un bouchon de glace dans une conduite obstruée. À chaque cycle gel–dégel, cette dilatation et contraction écartent les microfissures, affaiblissent la pâte de ciment et écaillent des grains à la surface. Au fil des années, cette altération interne lente peut transformer un bloc robuste en matériau friable et perméable. Dans les régions de haute altitude, où les températures oscillent longtemps autour du point de congélation, comprendre et ralentir ce phénomène est essentiel pour des infrastructures sûres et durables.

Des carreaux cassés au nouveau béton

Les chercheurs ont testé si des carreaux céramiques concassés pouvaient remplacer une partie des particules de granulats fins habituellement employées dans le béton. Ils ont moulé six séries de blocs de béton, augmentant progressivement la part de particules céramiques de 0 % (béton recyclé ordinaire) jusqu’à 100 %, où l’ensemble du granulat fin provenait des carreaux usagés. Ces blocs ont été entièrement imbibés d’eau, puis soumis à des cycles répétés de congélation à environ −18 °C et de dégel juste au‑dessus de 0 °C, chaque cycle durant quatre heures. Tous les 30 cycles, l’équipe a pesé les blocs pour mesurer la perte de matière et a évalué la transmission d’ondes sonores à travers eux, un indicateur sensible de la rigidité interne et de l’apparition de fissures.

Un point optimal à 20 pour cent

Un schéma clair est apparu. Tous les blocs perdaient en rigidité au fur et à mesure des cycles, montrant l’accumulation de dégâts internes, mais le rythme de dégradation dépendait fortement de la teneur en céramique. Le béton contenant 20 % de particules céramiques s’est révélé le plus résilient : il a supporté environ 398 cycles gel–dégel avant que ses performances ne descendent en dessous des normes acceptées. Des images microscopiques ont montré que les dommages initiaux restaient principalement confinés à une mince zone de surface, tandis que l’intérieur demeurait dense et bien lié. Les grains céramiques, qui absorbent moins d’eau et présentent moins de pores ouverts que le sable recyclé typique, ont contribué à réduire l’entrée d’eau dans le béton et l’ampleur de la dilatation lors du gel.

Au‑delà de ce remplacement à 20 %, la durabilité s’est toutefois dégradée nettement. À de fortes teneurs en céramique, les surfaces vitrées des carreaux adhéraient mal au ciment environnant, laissant des vides supplémentaires et des interfaces faibles. Ces cavités ont servi de petits réservoirs où l’eau pouvait geler, se dilater et se connecter en réseaux de fissures. À 80 % et surtout à 100 % de céramique, les blocs ont souffert d’un écaillage rapide de surface et de fissurations profondes et n’ont pas résisté à la fenêtre d’essai de 300 cycles sans dommages sérieux. Des mesures précises de la fine zone de transition autour de chaque grain ont montré qu’elle devenait plus épaisse et plus poreuse à mesure que la teneur en céramique augmentait, sapant la résistance globale du béton.

Prédire la durée de vie du béton

Savoir que 20 % de céramique donnent les meilleurs résultats n’est qu’une partie de l’histoire ; les ingénieurs doivent aussi estimer combien de temps un tel béton restera sûr en conditions réelles. Pour cela, les auteurs ont traité la perte graduelle de rigidité et de masse comme un processus aléatoire lentement évolutif. En utilisant un outil mathématique initialement développé pour suivre des particules errantes, ils ont construit une courbe de fiabilité montrant comment la probabilité que le béton respecte encore les critères de performance diminue avec le nombre de cycles gel–dégel. Pour le mélange le plus performant, l’analyse suggère qu’il peut tolérer environ 383 cycles avant que sa fiabilité ne chute sous un seuil de sécurité conservateur, et autour de 398 cycles avant d’être effectivement hors d’usage.

Ce que cela signifie pour la construction en régions froides

Concrètement, l’étude montre qu’une dose modérée de carreaux céramiques concassés — environ un cinquième du granulât fin du mélange — peut transformer un déchet en un ingrédient utile pour un béton durable dans les zones froides et de haute altitude. À ce niveau, les carreaux limitent l’absorption d’eau et les dommages internes liés à la glace ; au‑delà, ils introduisent trop de points faibles et accélèrent l’affaiblissement. En combinant essais en laboratoire et modélisation de prédiction de durée de vie, ce travail propose à la fois une recette et un outil de prévision pour les concepteurs qui veulent construire des routes et des ouvrages plus durables tout en réduisant les déchets de construction. Des recherches futures examineront la résistance de ce béton optimisé à d’autres agressions à long terme, telles que les sels pénétrants et le dioxyde de carbone, afin de préciser davantage son rôle dans une infrastructure durable.

Citation: Kuan, P., Heyuqiu, L. & Yaping, L. Study on freeze–thaw cyclic durability of reclaimed ceramic concrete in western high altitude region. Sci Rep 16, 12952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42770-y

Mots-clés: béton recyclé, déchets de carreaux céramiques, durabilité au gel–dégel, infrastructures en régions froides, durée de vie des matériaux