Déverrouiller la réactivité des mâchefers d’incinération des déchets municipaux par co-activation physico-chimique pour améliorer les performances cimentaires

Transformer les déchets en bâtiments plus solides

Les villes modernes brûlent d’importantes quantités d’ordures ménagères pour récupérer de l’énergie, mais ce processus laisse un résidu granuleux appelé mâchefer. Une grande partie de ce mâchefer est mise en décharge, gaspillant de l’espace et des matières. L’étude décrite ici explore comment ce mâchefer pourrait plutôt être valorisé en ingrédient utile pour le béton, contribuant à réduire à la fois les déchets et l’empreinte carbone du secteur de la construction.

Le potentiel caché des déchets incinérés

Lorsque les ordures ménagères sont incinérées, les résidus les plus lourds s’accumulent au fond du four sous forme de mâchefer. Ce matériau est un mélange chaotique de grains et de fragments qui contiennent de nombreux éléments de base présents dans le ciment, tels que le calcium, le silicium et l’aluminium. Sur le papier, cela en fait un candidat prometteur pour remplacer une part du ciment dans le béton. En pratique, toutefois, le mâchefer non traité est volumineux, chimiquement instable et parsemé d’éléments problématiques comme l’aluminium métallique et des sels. Ceux-ci peuvent générer des bulles de gaz, des pores supplémentaires et même des fissures dans le béton, affaiblissant les structures et posant des problèmes de sécurité et de pollution à long terme.

Pourquoi des solutions simples ne suffisent pas

Les chercheurs ont testé deux principaux types de remèdes. L’un est purement physique : broyer le mâchefer en une poudre plus fine afin qu’il se compacte mieux et expose plus de surface réactive. L’autre est purement chimique : le tremper ou le traiter avec des solutions alcalines pour éliminer les substances nocives et modifier la chimie de surface. Chaque méthode apporte des améliorations, mais aucune ne rend à elle seule le mâchefer suffisamment réactif et stable pour être un substitut fiable au ciment. Les grains vitreux et grossiers restent peu réactifs, tandis que les métaux et sels résiduels peuvent encore dégager des gaz et laisser une structure poreuse et fragile.

Une remise en forme en deux étapes des particules de mâchefer

L’équipe de cette étude propose une voie combinée qu’elle appelle co-activation physico-chimique. D’abord, le mâchefer est broyé dans un tambour rotatif, ce qui défait les agglomérats, réduit la taille des particules et crée un réseau de microfissures. Cela expose des surfaces fraîches riches en composants réactifs auparavant protégés. Ensuite, le mâchefer broyé est trempé pendant une journée dans une solution faiblement concentrée d’hydroxyde de calcium, un produit alcalin courant et peu coûteux. Au cours de ce bain, certaines couches superficielles se dissolvent, des espèces de silicium et d’aluminium piégées sont libérées dans le liquide et des ions calcium supplémentaires se fixent sur les surfaces nouvellement ouvertes. Après rinçage et séchage, ce mâchefer prétraité remplace 30 % du ciment dans des mortiers standards.

Observer les changements de chaleur, de résistance et de porosité

Pour vérifier si le traitement en deux étapes est réellement efficace, les chercheurs ont suivi la quantité de chaleur dégagée lors de la prise, l’évolution de la résistance au fil du temps et la structure interne des échantillons. Les mesures thermiques ont montré que le simple broyage accélère les réactions précoces, tandis que le trempage chimique seul déplace la chronologie des réactions mais ne restaure pas complètement l’activité. Lorsque les deux étapes sont combinées et que la concentration de la solution de trempage est modérée, le mélange présente une poussée de réaction forte et bien synchronisée. Au bout de 28 jours, les mortiers contenant le mâchefer co-activé affichent une résistance en compression supérieure à celle des mortiers avec seulement du mâchefer broyé, et se rapprochent des performances des mortiers à base de ciment pur tout en utilisant sensiblement moins de ciment.

À l’intérieur du béton : des vides à un squelette dense

Les observations au microscope et aux rayons X expliquent l’amélioration des performances. Dans les mélanges contenant uniquement du mâchefer broyé ou uniquement du mâchefer trempé, le matériau durci présentait encore des vides dispersés, des microfissures et des interfaces mal liées entre les grains de mâchefer et la pâte de ciment. En revanche, le mâchefer co-activé a donné lieu à une trame étroitement liée, en nid d’abeille, où de fins produits de réaction comblent les interstices et enveloppent les particules de mâchefer dans un gel continu. Les mesures de porosité à différentes échelles montrent que ce traitement réduit la porosité globale et déplace le système poreux vers des pores beaucoup plus fins et plus uniformément répartis. Les chercheurs ont aussi constaté que si la solution de trempage est trop concentrée, des cristaux en excès se forment à la surface des particules, bloquant la réaction ultérieure et laissant des pores plus grands qui nuisent à la résistance.

Ce que cela signifie pour une construction plus verte

En termes simples, l’étude montre qu’un « double traitement » soigneusement réglé peut transformer le mâchefer d’un déchet problématique en un additif fiable pour le béton. En combinant un broyage mécanique court avec un trempage alcalin doux, et en évitant des solutions trop concentrées, le mâchefer se métamorphose en une poudre fine et réactive qui contribue à construire une matrice cimentaire dense et durable. Cette approche utilise des équipements industriels existants et des produits chimiques bon marché, ce qui suggère qu’elle pourrait être montée en échelle dans les usines de valorisation énergétique et les centrales à béton. Si elle était largement adoptée, cette méthode pourrait réduire le besoin de ciment neuf, diminuer les émissions de gaz à effet de serre et détourner d’importants volumes de mâchefers des décharges vers des bâtiments et infrastructures durables.

Citation: Zhu, Z., Zhang, Y., Yang, J. et al. Unlocking the reactivity of municipal solid waste incineration bottom ash through physicochemical co-activation toward improved cementitious performance. Sci Rep 16, 9692 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43059-w

Mots-clés: dechet-en-ressource, béton à base de mâchefers, matériaux cimentaires complémentaires, construction bas-carbone, microstructure du ciment