Étude des modifications microstructurales induites par la carbonatation dans du béton à faible teneur en ciment utilisant des liants durables : GGBS et carbonate de calcium

Béton plus résistant avec une empreinte carbone réduite

Le béton soutient discrètement presque tous les bâtiments, routes et ponts modernes, mais la fabrication de son ingrédient principal, le ciment, dégage d’importantes quantités de dioxyde de carbone. Cette étude explore comment un minéral courant, le carbonate de calcium, associé à un sous-produit industriel appelé laitier granulé de haut fourneau moulu, peut remplacer une part significative du ciment tout en produisant un béton solide et durable. Les travaux montrent comment de simples modifications à l’échelle des poudres dans le mélange peuvent réduire les émissions et même améliorer les performances.

Pourquoi repenser la composition du béton

La production de ciment est responsable d’une part non négligeable des émissions de carbone d’origine humaine, car elle nécessite de chauffer le calcaire à très haute température. Parallèlement, la demande mondiale en béton continue de croître. Les chercheurs ont cherché à savoir s’ils pouvaient remplacer une grande partie du ciment par des matériaux plus durables sans sacrifier la résistance ni la durabilité. Ils se sont concentrés sur deux ingrédients : le laitier issu de la production d’acier, déjà connu pour bien fonctionner dans le béton, et une poudre de carbonate de calcium finement broyée, un minéral largement disponible souvent utilisé comme charge dans d’autres produits.

Comment les nouveaux mélanges de béton ont été fabriqués et testés

L’équipe a conçu des bétons où seulement la moitié du liant était du ciment ordinaire, l’autre moitié étant du laitier. Ils ont ensuite remplacé une partie du laitier par du carbonate de calcium à des niveaux de 5 à 20 %, tout en conservant la même teneur en eau. Ils ont également préparé des mortiers plus simples pour étudier l’écoulement et le comportement initial. Les mélanges frais ont été contrôlés pour leur maniabilité à l’aide d’essais standard d’affaissement et d’écoulement. Les échantillons durcis ont été testés sur trois mois pour la résistance en compression, la résistance au fendage et à la flexion, et la profondeur de pénétration du dioxyde de carbone, liée à la protection de l’acier dans le béton. Des outils non destructifs comme la vitesse d’impulsion ultrasonore et le marteau de rebond ont évalué la qualité interne et la dureté de surface, tandis que des microscopes et des essais électriques ont révélé ce qui se produisait à l’intérieur des pores du matériau.

Ce qui se passe dans la structure microscopique

Les images au microscope ont montré que les petites particules de carbonate de calcium se logent dans les interstices entre les grains de ciment et de laitier, agissant comme de micro-cailloux qui compactent davantage le mélange. Ce compactage réduit les vides et rend plus difficile le passage de l’eau et des gaz dans le béton. Sous exposition contrôlée au dioxyde de carbone, certains produits de réaction dans le béton se transforment progressivement en cristaux supplémentaires de carbonate de calcium. Ces nouveaux cristaux contribuent à sceller les pores et les fissures capillaires, densifiant encore le matériau. Les essais d’impédance électrique, qui suivent la facilité de déplacement des ions à travers le béton, ont confirmé que les mélanges contenant du carbonate de calcium développaient au fil du temps un réseau poreux plus fin et moins connecté.

Comment la résistance et la durabilité ont été améliorées

Les résultats ont montré un optimum clair. Lorsque 15 % de la portion de laitier ont été remplacés par du carbonate de calcium, le béton a atteint la meilleure performance globale. Après 90 jours, ce mélange a obtenu une résistance en compression supérieure à 70 mégapascals, ainsi qu’une meilleure résistance au fendage et à la flexion que le mélange standard sans carbonate de calcium. Il a également présenté une profondeur de carbonatation plus faible, une vitesse d’impulsion plus élevée et des valeurs de rebond supérieures, autant d’indications d’une structure interne plus dense et mieux liée. À des niveaux de substitution plus élevés, la maniabilité diminuait et les particules très fines commençaient à agglomérer, réduisant légèrement la résistance et compensant les gains dus au compactage plus dense.

Ce que cela signifie pour la construction future

Pour un non-spécialiste, la conclusion est qu’un ajout modeste de carbonate de calcium finement broyé, combiné au laitier, peut rendre le béton à la fois plus écologique et plus résistant. En remplaçant une partie du ciment par ces matériaux, les constructeurs peuvent réduire le coût carbone de la construction tout en obtenant des structures plus solides et durables. L’étude suggère qu’environ 15 % de carbonate de calcium dans cette recette à faible teneur en ciment offre un compromis pratique entre résistance, durabilité et durabilité environnementale, ouvrant la voie à un béton courant plus respectueux de la planète sans compromettre les performances.

Citation: Kumar, B.N., Neelamegam, P., Sai, A.P.D. et al. Investigation of carbonation-induced microstructural changes in low-cement concrete using sustainable binders: GGBS and calcium carbonate. Sci Rep 16, 14847 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45725-5

Mots-clés: béton bas carbone, carbonate de calcium, GGBS, microstructure, carbonatation