Analyse de la résistance et du coût du béton géopolymère utilisant des cendres de balle de riz et du GGBS comme alternatives durables au ciment

Transformer les déchets en bâtiments plus résistants

Le béton est l’épine dorsale des villes modernes, mais la fabrication de son ingrédient principal — le ciment Portland ordinaire — émet d’importantes quantités de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Cette étude explore une façon de construire plus propre : remplacer une grande partie de ce ciment par des déchets industriels et agricoles, en particulier le laitier de haut fourneau moulu (GGBS), un sous-produit de la sidérurgie, et la cendre de balle de riz (RHA), résidu de la combustion des balles de riz pour produire de l’énergie. Les chercheurs posent une question simple mais cruciale : ces déchets peuvent‑ils produire un béton qui soit solide, durable, économique et plus respectueux de la planète ?

Pourquoi les balles de riz et le laitier d’acier comptent

Le riz est cultivé en très grande quantité dans le monde, notamment dans des pays comme l’Inde, laissant derrière lui des montagnes de balles souvent brûlées, produisant une cendre qui finit généralement en décharge. Parallèlement, la production d’acier génère une poudre de laitier fine qui peut réagir dans le béton. La RHA et le GGBS sont tous deux riches en les mêmes composants de base qui favorisent la liaison du béton, ce qui en fait des candidats prometteurs pour remplacer le ciment. L’utilisation de ces matériaux recycle non seulement des déchets, mais réduit aussi la demande en ciment neuf, ce qui peut diminuer fortement les émissions de carbone tout en allégeant la pression sur les sites d’enfouissement.

Concevoir un nouveau type de béton écologique

L’équipe a produit un type de liant connu sous le nom de béton géopolymère, qui utilise des solutions alcalines au lieu du ciment pour activer des poudres comme le GGBS et la RHA. Ils ont conçu des formulations pour trois classes de résistance courantes, appelées M40, M50 et M60, correspondant approximativement à du béton structurel de résistance normale à élevée. Pour chaque classe, ils ont remplacé le GGBS par la cendre de balle de riz à quatre niveaux : 0 %, 10 %, 20 % et 30 %. Ils ont ensuite fait varier la concentration de la solution d’hydroxyde de sodium qui active les poudres et ont conservé les éprouvettes à température ambiante. En mesurant soigneusement la résistance des cubes après 1, 3, 7 et 28 jours, ils ont pu déterminer quelles combinaisons offraient la meilleure performance.

Trouver le point optimal pour la résistance

Les résultats ont montré un schéma clair. Le béton constitué uniquement de GGBS gagnait déjà rapidement en résistance avec le temps, mais l’ajout d’une quantité modeste de 10 % de RHA l’améliorait encore. Pour les trois classes, les mélanges contenant 90 % de GGBS et 10 % de RHA ont atteint les plus hautes résistances à la compression à 28 jours, surpassant légèrement les mélanges sans cendre de balle de riz. La cendre fine, riche en silice, aide à combler les vides microscopiques et réagit avec le laitier pour former un gel liant supplémentaire, conduisant à un matériau plus dense et plus résistant. Cependant, lorsque la teneur en RHA augmentait à 20 % et 30 %, la résistance diminuait fortement — jusqu’à 30–60 % de perte par rapport au mélange à 10 % — parce qu’une trop grande part de GGBS, qui fournit le calcium clé pour la résistance précoce, avait été retirée.

Résister à des conditions sévères

La résistance seule ne suffit pas ; le béton doit aussi survivre à des environnements agressifs. Pour tester la durabilité, les chercheurs ont immergé les cubes dans une solution d’acide sulfurique concentrée pendant jusqu’à 60 jours et ont suivi la perte de résistance et la perte de masse. Tous les mélanges ont perdu de la résistance au fil du temps en milieu acide, mais ceux contenant 10 % de RHA ont constamment donné les meilleurs résultats, avec seulement environ 2 % de perte de résistance et environ 1,9 % de perte de masse après 60 jours. Les mélanges à 20 % et 30 % de RHA ont subi des dommages bien plus importants, confirmant qu’un excès de cendre rend le matériau plus vulnérable à l’attaque chimique. L’étude a également examiné l’effet de la concentration de l’activateur alcalin sur la performance et a constaté que des solutions de plus forte molarité entraînaient généralement des résistances plus élevées, en particulier pour les classes supérieures.

Construire plus vert et moins cher

Parallèlement aux performances, l’équipe a comparé les coûts des matériaux pour le béton géopolymère et le béton cimentaire conventionnel pour les mêmes classes de résistance. Bien que les mélanges géopolymères nécessitent des solutions alcalines et légèrement plus d’agrégats, ils utilisent beaucoup moins de ciment, qui est le composant le plus coûteux et le plus émetteur de carbone. Optimisés avec 10 % de remplacement par RHA, les mélanges de béton vert ont réduit les coûts de production d’environ 13 %, 16 % et 30 % pour les classes M40, M50 et M60, respectivement, par rapport au béton au ciment ordinaire. Autrement dit, l’option plus écologique est aussi moins chère, surtout pour les applications à haute résistance.

Ce que cela signifie pour la construction courante

Pour un non-spécialiste, le message est simple : en mélangeant soigneusement le laitier sidérurgique et les déchets de la riziculture dans du béton géopolymère, les ingénieurs peuvent produire des matériaux structuraux qui sont résistants, raisonnablement résistants à l’attaque acide et nettement plus économiques que le béton au ciment conventionnel. L’étude identifie un « point optimal » pratique autour de 10 % de remplacement par la cendre de balle de riz, où la performance et la durabilité sont maximisées tandis que les coûts et l’impact environnemental sont minimisés. Adoptée à grande échelle, cette approche pourrait transformer deux importants flux de déchets en ressources de construction précieuses, aidant les villes à se développer tout en réduisant la pollution et les dépenses de construction.

Citation: Reddy, N.G., Karikatti, V.B., Pratap, B. et al. Strength and cost analysis of geopolymer concrete using rice husk ash and GGBS as sustainable cement alternatives. Sci Rep 16, 12922 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43705-3

Mots-clés: béton géopolymère, cendre de balle de riz, GGBS, construction durable, alternatives au ciment