Performance Assessment of Concrete Incorporating Nano Titanium Dioxide and Coal Bottom Ash as a Sustainable Fine Aggregate Substitute

Résumé Technique : Évaluation des Performances du Béton Incorporant du Dioxyde de Titane Nano et des Cendres de Fond de Charbon

Problématique
Le secteur de la construction est confronté à un double défi : l'empreinte environnementale élevée de la fabrication du ciment, qui génère des émissions importantes de dioxyde de carbone, et la rareté croissante ainsi que le coût élevé des granulats fins naturels (sable de rivière). La dépendance traditionnelle au ciment Portland ordinaire (CPO) et au sable naturel est insoutenable en raison de l'épuisement des ressources et des dommages écologiques causés par l'extraction et le dragage. De plus, l'élimination des sous-produits industriels tels que les cendres de fond de charbon (CFC) demeure un problème de gestion des déchets. Bien que des matériaux cimentaires supplémentaires (MCS) aient été explorés, il est nécessaire d'optimiser les formulations de mélange qui utilisent simultanément des déchets industriels comme substitut d'agrégat fin et incorporent des nanomatériaux pour améliorer les propriétés microstructurales sans compromettre l'ouvrabilité ou la durabilité à long terme.

Méthodologie
L'étude s'est concentrée sur un béton de classe M35, conçu selon les normes IS 10262:2009 et IS 456:2000. Le programme expérimental impliquait trois variables principales :

1. Substitution des Agrégats Fins : L'agrégat fin naturel a été partiellement ou totalement remplacé par des cendres de fond de charbon (CFC) par incréments de 10 % à 100 %.
2. Ajout de Nanomatériau : Du dioxyde de titane nano (NTi) a été ajouté à la matrice de ciment à des dosages variables (de 1 % à 7 % en poids) pour évaluer son effet sur l'hydratation et la microstructure.
3. Mélange Témoin : Un mélange M35 conventionnel a servi de base de comparaison.

La recherche a employé un régime de tests complet :

• Propriétés à l'état Frais : L'ouvrabilité a été évaluée via l'essai d'affaissement (cône d'Abrams), l'indice de compacité et les tests de table de flux.
• Propriétés Mécaniques : La résistance à la compression a été mesurée à 3, 7, 28, 56 et 90 jours. Les résistances à la traction par fendage et à la flexion ont été évaluées à 28, 56 et 90 jours.
• Durabilité : La résistance à l'attaque acide (immersion dans du HCl à 5 %) a été testée en mesurant la perte de masse et la réduction de résistance au fil du temps. Des tests de pénétration rapide des chlorures (RCPT) ont été effectués à 90 jours pour évaluer la perméabilité.
• Essais Non Destructifs (END) : Des tests au scléromètre (rebond) et des mesures de vitesse d'impulsion ultrasonique (VPU) ont été utilisés pour évaluer la qualité interne et la densité.
• Analyse Microstructurale : La diffraction des rayons X (DRX) et la microscopie électronique à balayage (MEB) ont été utilisées pour identifier les phases cristallines, les produits d'hydratation et l'affinement de la structure des pores.

Contributions Clés et Résultats

• Ouvrabilité : L'incorporation de 60 % de CFC et de 40 % d'agrégat fin naturel a généralement maintenu une ouvrabilité moyenne. L'ajout de NTi a amélioré l'ouvrabilité, un dosage de 5 % offrant l'affaissement (128 mm) et le flux (93 %) les plus élevés, classés comme une ouvrabilité « Élevée ». Cependant, les dosages dépassant 5 % ont montré des rendements décroissants ou une réduction des performances.
• Résistance Mécanique :
  • Substitution par les CFC : Un mélange comprenant 60 % de CFC et 40 % d'agrégat fin naturel a surpassé le mélange témoin. À 90 jours, ce mélange a atteint une résistance à la compression de 47,1 N/mm² (contre 46,3 N/mm² pour le témoin), ainsi qu'une résistance à la traction par fendage (3,04 N/mm²) et à la flexion (3,54 N/mm²) améliorées. Le remplacement complet de l'agrégat fin par les CFC a entraîné une réduction de la résistance.
  • Optimisation du NTi : L'ajout de 5 % de NTi au mélange à 60 % de CFC a produit la performance mécanique optimale. Cette combinaison a atteint une résistance à la compression de pointe de 47,9 N/mm² à 90 jours, surpassant à la fois le témoin et les mélanges modifiés avec seulement des CFC. Les dosages plus faibles (1-2 %) de NTi ont initialement entraîné une résistance inférieure par rapport au mélange contenant uniquement des CFC.
• Durabilité :
  • Résistance à l'Acide : Le mélange à 5 % de NTi a démontré une résistance supérieure à l'exposition au HCl à 5 %. À 28 jours, il n'a présenté qu'une réduction de résistance de 12,07 %, nettement inférieure au témoin (27,01 %) et au mélange à 60 % de CFC (23,50 %). Bien que la perte de résistance ait augmenté avec le temps, le mélange modifié au NTi est resté plus résistant que les autres variantes à 90 jours.
  • Perméabilité aux Chlorures : Les résultats du RCPT ont indiqué que le mélange à 5 % de NTi présentait la plus faible perméabilité aux chlorures (379 Coulombs), classée comme « Très Faible », contre 756 Coulombs pour le mélange à 60 % de CFC et 886 Coulombs pour le témoin.
  • Résultats des END : Le test VPU a confirmé la qualité améliorée du mélange modifié au NTi, enregistrant une vitesse d'impulsion de 5,36 km/sec (« Excellente »), contre 3,85 km/sec pour le mélange CFC et 3,66 km/sec pour le témoin.
• Aperçus Microstructuraux :
  • Analyse DRX : La présence de NTi (phase Anatase) a été confirmée. Le mélange à 5 % de NTi a montré une réduction des pics d'hydroxyde de calcium (Portlandite) et une intensification de la région de silicate de calcium hydraté (C-S-H), suggérant que le NTi a agi comme un site de nucléation, favorisant une hydratation plus dense.
  • Analyse MEB : Les micrographies ont révélé que le mélange modifié au NTi possédait une structure de pores affinée avec moins de vides. Les particules de CFC ont agi comme des micro-agrégats, remplissant les vides, tandis que le NTi a amélioré la zone de transition interfaciale, conduisant à une matrice plus dense.

Signification et Revendications
L'article conclut que l'utilisation synergique de cendres de fond de charbon comme substitut durable d'agrégat fin et de dioxyde de titane nano comme additif améliorant la performance offre une voie viable pour le développement d'un béton durable. L'étude affirme que le mélange spécifique de 60 % de CFC et 5 % de NTi représente un compromis optimal, offrant :

1. Performance Mécanique Accrue : Des résistances à la compression, à la traction et à la flexion plus élevées que celles du béton conventionnel.
2. Durabilité Améliorée : Une perméabilité aux chlorures considérablement réduite et une meilleure résistance à l'attaque acide, suggérant une durée de vie plus longue, particulièrement dans des environnements agressifs.
3. Affinement Microstructural : Une matrice plus dense avec une porosité réduite et des produits d'hydratation optimisés.
4. Faisabilité Pratique : Les mélanges ont maintenu ou amélioré l'ouvrabilité, indiquant que ces modifications durables ne nécessitent pas de procédures de manipulation complexes sur site.

Les auteurs positionnent cette approche non pas comme une « solution miracle », mais comme un candidat sérieux pour des applications où l'intégrité structurelle à long terme et la durabilité environnementale sont prioritaires. La recherche valide que les déchets industriels peuvent être valorisés efficacement lorsqu'ils sont associés à des nanomatériaux avancés pour pallier les limites du béton traditionnel.