Valorization of Wastepaper Ash and Waste Ceramic Powder as Supplementary Cementitious Materials in Cement Mortar Production

Imaginez le monde de la construction comme un monstre géant et affamé qui dévore des quantités massives de ciment pour construire nos maisons et nos routes. Ce monstre est aussi un peu perturbateur, éructant de grands nuages de dioxyde de carbone qui réchauffent notre planète. Pendant ce temps, nous avons un tas de « déchets » qui traîne par là : de vieux papiers de bureau et des carreaux de céramique cassés. Habituellement, ils finissent dans des décharges ou sont brûlés, ce qui est une mauvaise nouvelle pour l'air et le sol.

Cette étude pose une question simple et curieuse : Et si nous pouvions nourrir le monstre du ciment avec ces déchets au lieu de fabriquer du nouveau ciment ?

Les chercheurs ont pris deux types spécifiques de déchets — les cendres de déchets de papier (WPA) (les cendres laissées après la combustion du papier) et la poudre de céramique de déchets (WCP) (des carreaux broyés) — et les ont mélangés dans un ratio de 2:1. Ils ont ensuite essayé de remplacer différentes quantités de ciment dans le mortier (la colle qui maintient les briques ensemble) par ce « mélange de déchets », qu'ils ont appelé WPACP. Ils ont testé des remplacements de 0 %, 5 %, 10 %, 15 % et 20 %.

La zone « Goldilocks » : Trouver le mélange parfait

Considérez le mélange de mortier comme une pâte à gâteau. Si vous ajoutez trop de farine, elle est sèche et friable. Si vous en ajoutez trop peu, c'est un mélange détrempé. Les chercheurs ont découvert que ce mélange WPACP avait un point d'équilibre très précis.

• La chute de la maniabilité : Dès qu'ils ont commencé à ajouter le mélange de déchets, le mortier est devenu plus « assoiffé ». Il avait besoin de plus d'eau pour rester lisse et malléable. Plus ils ajoutaient de déchets, plus il était difficile de le travailler. Lorsqu'ils ont atteint 20 %, le mortier devenait rigide et léthargique.
• L'envolée de la résistance : C'est ici que cela devient passionnant. Lorsqu'ils ont remplacé 15 % du ciment par le mélange WPACP, le mortier n'a pas seulement tenu bon ; il est devenu plus fort.
  • À 28 jours de cure (durcissement), le mélange à 15 % était 25,3 % plus résistant en compression que le mélange de ciment régulier.
  • À 56 jours, il était encore 16,1 % plus fort.
  • Cependant, s'ils allaient trop loin et utilisaient 20 %, la résistance commençait à redescendre. Le document exclut explicitement l'idée que « plus de déchets est toujours meilleur ». Le mélange à 20 % a en fait moins bien performé que le témoin, prouvant qu'il existe une limite à la quantité de déchets que l'on peut substituer avant que la structure ne s'affaiblisse.

Le bouclier invisible : Durabilité et densité

Pourquoi le mélange à 15 % a-t-il gagné ? Imaginez le mortier comme une éponge. Une éponge régulière possède de grands trous où l'eau peut s'infiltrer et causer des dommages. Les particules de WPACP sont extrêmement fines et angulaires. Lorsqu'elles sont ajoutées au niveau de 15 %, elles agissent comme un puzzle microscopique, comblant tous les petits interstices et les trous entre les plus gros grains de sable.

• L'effet « remplissage » : Cela a créé une structure beaucoup plus dense et serrée. Le mélange à 15 % présentait l'absorption d'eau et la porosité (moins de trous) les plus faibles.
• Le test sonique : Ils ont utilisé des ondes sonores (vitesse d'impulsion ultrasonique) pour vérifier l'intérieur du mortier. Le son voyage plus vite à travers les objets denses et solides et plus lentement à travers les choses spongieuses et trouées. Le mélange à 15 % a laissé le son voyager plus vite, confirmant qu'il était compact. À 56 jours, ce mélange était classé comme de bonne qualité, surpassant le ciment régulier.
• Le bouclier de sulfate : Ils ont même plongé les échantillons dans une solution de sulfate salée (comme l'eau de mer agressive) pour voir s'ils s'effriteraient. Le mélange à 15 % a perdu le moins de résistance, prouvant qu'il était le meilleur pour résister aux attaques chimiques.

Le travail de détective microscopique

Pour être absolument certains de ce qui se passait à l'intérieur, les chercheurs ont utilisé des « microscopes » de haute technologie qui regardent la chaleur et la lumière :

1. Analyse thermique (TGA/DTA) : Ils ont chauffé les échantillons jusqu'à 900 °C pour voir ce qui s'évaporait. Ils ont constaté que le mélange à 15 % présentait la perte de poids la plus faible. Cela signifie qu'il possède la structure la plus stable et le moins de points faibles ou d'eau « libre ». Cela a également montré que les cendres et la poudre de déchets réagissaient avec le ciment pour créer une « colle » supplémentaire (gel C-S-H) et consommer les parties les plus faibles (hydroxyde de calcium).
2. Spectroscopie infrarouge (FT-IR) : C'est comme prendre l'empreinte digitale des produits chimiques. Les scans ont montré que le mélange à 15 % avait un signal beaucoup plus fort pour la « super colle » (gel C-S-H) et un signal plus faible pour les parties les plus fragiles (hydroxyde de calcium). Cela a confirmé que les déchets de matériaux aidaient activement à construire une matrice plus forte, au lieu de simplement servir de remplissage.

Le verdict

L'article conclut qu'on ne peut pas simplement verser des déchets illimités dans le ciment. 20 % est trop élevé, et 0 % passe à côté des bénéfices. Mais 15 % ? C'est le chiffre magique.

En remplaçant 15 % du ciment par un mélange 2:1 de cendres de déchets de papier et de poudre de céramique de déchets, on obtient un mortier qui est :

• Plus fort (jusqu'à 25,3 % de résistance à la compression supplémentaire à 28 jours).
• Plus dense (moins d'absorption d'eau et de porosité).
• Plus durable (meilleure résistance aux attaques sulfatées).
• Plus vert (moins de ciment nécessaire, moins de déchets dans les décharges).

L'étude suggère que c'est une option viable et réelle pour fabriquer des matériaux de construction plus respectueux de l'environnement et plus robustes sur le terrain. Cependant, les auteurs notent que bien que les résultats en laboratoire soient prometteurs, des recherches futures sont encore nécessaires pour optimiser cela pour une utilisation à grande échelle. Ils n'ont pas encore déclaré qu'il s'agissait d'un problème résolu pour le monde entier, mais ils ont certainement trouvé une recette très solide pour l'avenir.