Caractéristiques mécaniques, microstructurales et de vibration libre du béton renforcé par des fibres PVC recyclées issues de déchets électroniques

Transformer de vieux câbles en béton plus résistant et plus silencieux

Chaque année, des montagnes de câbles électriques jetés s'accumulent, posant un problème de déchets croissant. Cette étude explore une manière inattendue de donner une seconde vie à une partie de ces déchets : hacher les fils cuivrés gainés de plastique et les incorporer dans le béton. Les chercheurs voulaient savoir si ces fibres recyclées pouvaient non seulement renforcer le béton, mais aussi aider les bâtiments et les infrastructures à vibrer moins sous l'effet du trafic, du vent ou des machines.

Du tas de déchets électroniques au matériau de construction

L'équipe a commencé avec des câbles électriques destinés à l'élimination. Ils ont retiré la gaine extérieure et coupé les conducteurs isolés en courts morceaux de 30 ou 50 millimètres de long. Dans le mélange de béton, ces morceaux jouent le rôle de minuscules fils de renfort, la gaine en plastique (PVC) étant en contact avec le ciment tandis que le cœur en cuivre reste enfoui à l'intérieur. Les chercheurs ont préparé un béton standard de haute qualité puis réalisé plusieurs variantes contenant différentes quantités de ces fibres, ainsi qu'un mélange « témoin » sans fibres pour comparaison. Ils ont coulé des cubes pour des essais de compression, des poutres pour des essais de flexion, et des poutres plus longues pour étudier le comportement du matériau en vibration libre après avoir été sollicité puis relâché.

Équilibrer la résistance : compression et flexion

Lorsque les cubes de béton ont été comprimés, une teneur modérée en fibres de 0,8 pour cent en poids a donné la plus grande résistance en compression, environ 8 % de plus que le béton ordinaire. Ajouter davantage de fibres au-delà de ce seuil affaiblissait légèrement le matériau en compression pure, probablement parce que les fibres excédentaires commençaient à s'agglomérer et à créer de petits points faibles ou des pores supplémentaires. En revanche, dans les essais de flexion, la tendance s'est inversée. À mesure que la teneur en fibres augmentait jusqu'à 1,2 pour cent, les poutres résistaient de façon continue mieux aux fissures, gagnant plus de 22 % de résistance en flexion par rapport au témoin. Les fibres plus longues (50 millimètres) offraient un avantage supplémentaire en flexion par rapport aux plus courtes, leur plus grande « ancrage » dans le béton les aidant à franchir des fissures plus larges et à absorber plus d'énergie avant de se détacher.

Réduire les vibrations dans les structures courantes

Beaucoup de structures en béton — dalles industrielles, fondations sous machines lourdes, chaussées surélevées — sont constamment soumises à des secousses par des charges en mouvement. La capacité d'un matériau à dissiper ce mouvement est donnée par son rapport d'amortissement : une valeur plus élevée signifie que les vibrations s'atténuent plus rapidement. Les chercheurs ont calé une extrémité de chaque poutre comme un tremplin, ont tiré vers le bas l'extrémité libre avec une force connue, puis l'ont relâchée. À l'aide d'un petit capteur de mouvement relié à un microcontrôleur peu coûteux, ils ont enregistré la manière dont la poutre vibrante revenait progressivement au repos. En ajustant le mouvement mesuré sur un modèle simple d'« onde décroissante », ils ont extrait la vitesse de perte d'énergie. Les poutres avec la plus forte teneur en fibres (1,2 pour cent) ont montré des rapports d'amortissement jusqu'à environ 7,5 % supérieurs à ceux du béton ordinaire, surtout à des amplitudes de vibration plus élevées. La longueur des fibres aidait légèrement — les fibres plus longues augmentaient l'amortissement de quelques pourcents — mais la quantité de fibres avait un effet plus marqué.

Ce qui se passe à l'intérieur du béton

Pour observer le comportement au niveau microscopique, l'équipe a examiné des fragments des éprouvettes cassées au microscope électronique à balayage. Ils ont trouvé une pâte de ciment dense et bien formée entourant les fibres, avec des structures cristallines typiques se développant lors de la prise du béton. Aux interfaces où les fibres rencontraient le ciment, ils ont observé de la pâte durcie adhérant aux surfaces des fibres et des signes de séparation contrôlée et d'arrachement progressif. Dans certains cas, la gaine plastique avait été partiellement arrachée du noyau de cuivre lors de la fissuration. Ces caractéristiques indiquent une interface rugueuse et frictionnelle : lorsque des fissures tentent de s'ouvrir, les fibres s'étirent, glissent et se retirent progressivement, convertissant l'énergie mécanique en chaleur inoffensive et en dommages microscopiques au lieu de permettre une rupture brutale et cassante ou des vibrations prolongées.

Pourquoi c'est important pour une construction plus verte et plus intelligente

En termes simples, cette recherche montre que des fils isolés finement hachés issus de déchets électroniques peuvent aider le béton à faire deux choses utiles à la fois : mieux résister aux fissures en flexion et atténuer légèrement les vibrations, tout en valorisant un flux de déchets problématique. Il existe un point optimal pour la quantité de fibres à ajouter : autour de 0,8 % pour préserver la résistance en compression, et jusqu'à environ 1,2 % si le contrôle des vibrations et la résistance aux fissures sont des priorités. Bien que des essais plus détaillés soient encore nécessaires pour séparer complètement le comportement du matériau des conditions d'essai, les résultats suggèrent que transformer de vieux câbles en renforts microscopiques pourrait être une étape pratique vers des structures en béton plus solides, plus silencieuses et plus durables.

Citation: Admasu, M.B., Gissila, B., Aklilu, A. et al. Mechanical, microstructural, and free-vibration characteristics of concrete reinforced with recycled E-waste PVC fibers. Sci Rep 16, 14325 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44699-8

Mots-clés: béton recyclé, fibres de déchets électroniques, renforcement par fibres PVC, amortissement des vibrations, construction durable