Comportement en flexion et développement des fissures des dalles géopolymères armées à vides longitudinaux : une étude expérimentale

Pourquoi des planchers plus légers et plus verts comptent

Les bâtiments modernes reposent sur de vastes surfaces de dalles en béton, qui représentent une part importante à la fois du coût de construction et de l’impact climatique. Cette étude explore une nouvelle manière de construire ces dalles en utilisant du béton géopolymère à base de cendres volantes et de caoutchouc recyclé, et en creusant de longs tubes creux à travers la dalle pour réduire le poids. Le travail pose une question simple aux conséquences pratiques importantes : peut‑on fabriquer des dalles plus légères et à moindre empreinte carbone qui supportent néanmoins les charges en toute sécurité et résistent à la fissuration comme les dalles en béton ordinaires ?

Un autre type de béton

Le béton traditionnel lie sable et gravier avec du ciment Portland, dont la production libère de grandes quantités de dioxyde de carbone. Le béton géopolymère remplace le ciment par des sous‑produits industriels riches en silice et en alumine, comme les cendres volantes issues des centrales. Dans cette recherche, les auteurs ont utilisé un géopolymère à base de cendres volantes activé par des solutions alcalines, et ont ajouté une faible quantité de fibres de caoutchouc traitées découpées dans de vieux pneumatiques. Les cendres volantes transforment un déchet en ingrédient utile, tandis que le caoutchouc vise à rendre le géopolymère autrement fragile un peu plus tolérant lors de la fissuration. Des essais antérieurs sur petits cubes, cylindres et poutres ont montré que ce mélange atteignait des résistances en compression, traction et flexion supérieures à un mélange cimentaire standard de classe similaire, avec une raideur seulement légèrement moindre.

Transformer des dalles pleines en noyaux creux

Pour évaluer le comportement de ce nouveau béton dans des éléments structuraux réels, l’équipe a moulé sept dalles armées. Deux étaient pleines : une en béton cimentaire ordinaire et une en géopolymère. Les cinq autres étaient des dalles alvéolaires plus longues en géopolymère, où des tubes plastiques longitudinaux formaient des vides circulaires. En modifiant le diamètre des tubes, les chercheurs ont créé trois niveaux de vides différents, supprimant entre environ 12 et 24 pour cent du volume de béton. Ils ont aussi varié une mesure géométrique clé, le rapport entre la portée et la hauteur de la dalle, qui influence fortement la façon dont une dalle fléchit et où elle est la plus vulnérable.

Soumettre les dalles jusqu’à la rupture

Toutes les dalles ont été testées en laboratoire en utilisant un dispositif de chargement en quatre points, où deux charges égales pressent entre les appuis, créant une région de flexion constante au milieu. Pendant les essais, les chercheurs ont soigneusement suivi l’apparition des premières fissures visibles, la propagation du réseau de fissures, l’entraxe de flèche au milieu de la portée et la charge à la rupture. Ils ont également comparé ces observations aux valeurs calculées à partir des règles de conception standard utilisées dans le monde pour le béton armé. Cela leur a permis d’évaluer non seulement le comportement des nouveaux matériaux et géométries, mais aussi si les formules d’ingénierie de routine restent fiables lorsque le ciment est remplacé par des liants géopolymères.

Que se passe‑t‑il quand on introduit des vides

La dalle géopolymère pleine a légèrement mieux résisté que la dalle cimentaire pleine, supportant un peu plus de charge au premier craquement et à la rupture, et développant un plus grand nombre de fissures plus fines. Les fibres de caoutchouc ont aidé à répartir les dommages de façon plus homogène, conférant à la dalle géopolymère une rupture plus ductile et moins brutale. Pour les dalles alvéolaires, le bilan est plus contrasté. Creuser des vides a allégé les dalles mais a aussi réduit leur raideur et leur résistance. À mesure que la surface totale des vides passait d’environ un huitième à près d’un quart de la section, les charges provoquant le premier craquement et la rupture ont toutes deux diminué. Des portées effectives plus longues ont eu un effet similaire : augmenter le rapport portée/épaisseur a presque divisé par deux la charge ultime tout en augmentant la flèche. Malgré cela, les largeurs de fissure mesurées sont restées dans des limites de service courantes, et les dalles creuses ont conservé une grande partie de la résistance de la dalle pleine témoin.

Des règles de conception toujours valables

Lorsque l’équipe a comparé les données expérimentales avec les calculs issus des codes américains et européens du béton, elle a trouvé une bonne concordance, généralement de l’ordre de dix pour cent. Pour les dalles pleines, la théorie prédisait à la fois la résistance et la déformation de manière assez précise. Pour les dalles à noyau creux, les formules simplifiées avaient tendance à surestimer la flèche, en partie parce que les gaines plastiques permanentes à l’intérieur des vides apportent une certaine raideur que les équations n’intègrent pas. Les prédictions des largeurs de fissure basées sur l’Eurocode ont également bien correspondu aux valeurs mesurées ; dans la plupart des cas, les fissures réelles étaient légèrement plus étroites que la borne supérieure calculée. Ces résultats suggèrent que les ingénieurs peuvent adapter les méthodes de calcul familières aux dalles géopolymères à noyau creux avec une confiance raisonnable, tout en reconnaissant un certain conservatisme dans le comportement en service.

Ce que cela signifie pour les bâtiments de demain

Pour le grand public, la conclusion est que les systèmes de plancher peuvent devenir à la fois plus légers et plus propres sans sacrifier la sécurité, en associant une géométrie à noyau creux et un béton géopolymère qui valorise les cendres volantes et le caoutchouc usagé. L’étude montre qu’un mélange géopolymère bien conçu peut égaler ou légèrement dépasser les performances en flexion du béton standard, et que les noyaux creux peuvent réduire significativement l’usage de matière à condition que la taille des vides et la portée restent dans des limites raisonnables. Parce que les outils de calcul standard restent applicables à ces dalles, la voie vers une adoption pratique dans les bâtiments à faible émission de carbone devient plus directe, offrant aux concepteurs une option réaliste pour réduire l’empreinte environnementale des planchers en béton tout en maintenant un comportement structural fiable.

Citation: Aziz, Y.H.A., Malky, A.E. & El-Sayed, T.A. Flexural behavior and crack development of reinforced geopolymer slabs with longitudinal voids: an experimental study. Sci Rep 16, 16026 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-53647-5

Mots-clés: béton géopolymère, dalle à noyau creux, comportement en flexion, développement des fissures, structures durables