Assessing Engineering Properties of Concrete Produced with Broken Earthenware as a Partial Replacement of Coarse Aggregate

Résumé Technique : Évaluation des propriétés d'ingénierie du béton avec remplacement partiel de l'agrégat grossier par de la terre cuite brisée

Énoncé du problème
L'industrie de la construction est confrontée à des défis importants concernant l'épuisement rapide des ressources naturelles et l'augmentation des coûts associés à l'extraction des agrégats. Le béton, le deuxième matériau le plus consommé au monde après l'eau, repose lourdement sur les agrégats, qui constituent 75 à 80 % de son volume. Dans les pays en développement comme le Ghana, l'extraction excessive entraîne une dégradation environnementale et une pollution des écosystèmes. Parallèlement, les industries de la céramique et de la terre cuite génèrent des déchets substantiels ; environ 30 % des matières premières dans la production céramique et 2 % des produits finis sont rejetés sous forme de rebuts. Ces déchets finissent souvent dans des décharges, où ils peuvent interagir négativement avec les eaux souterraines. L'étude répond au double besoin de réduire les coûts de construction et d'atténuer l'impact environnemental en étudiant la viabilité de l'utilisation de bols en terre cuite brisés comme remplacement partiel des agrégats grossiers traditionnels (granite concassé) dans la production de béton.

Méthodologie
La recherche a employé une approche expérimentale pour évaluer les propriétés mécaniques, physiques et de durabilité du béton.

• Matériaux : L'étude a utilisé du ciment de type Portland ordinaire (GHACEM Super Strong 42.5R), du sable de carrière, du granite concassé et des bols en terre cuite brisés. L'eau répondait aux normes BS EN 1008:2002.
• Conception du mélange : Une résistance cible de 25 N/mm² a été fixée en utilisant un ratio de mélange 1:2:4 avec un rapport eau-ciment de 0,55.
• Préparation des éprouvettes : Les spécimens de béton ont été coulés dans des cubes en acier (100 mm³) et des cylindres (100 mm de diamètre × 200 mm de hauteur). Le granite concassé a été partiellement remplacé par des agrégats de terre cuite brisée à 0 % (témoin), 10 %, 20 %, 30 % et 40 % en poids.
• Cure et essais : Les spécimens ont été curés pendant 7, 14, 21 et 28 jours. Les tests comprenaient :
  • Densité : Mesurée selon BS EN 12390-7:2019.
  • Résistance à la compression : Testée à l'aide d'une machine d'essai universelle (UTM) selon BS EN 12390-3:2019.
  • Résistance à la traction par fendage : Réalisée selon BS EN 12390-6:2009.
  • Absorption d'eau : Déterminée après 28 jours selon BS EN 1881-122:2011.
  • Attaque au sulfate de magnésium (MgSO₄) : Les spécimens ont été curés dans une solution de MgSO₄ pendant 28 jours, puis testés pour leur résistance à la compression selon BS EN 206-1:2000.
• Analyse des données : Les résultats ont été analysés à l'aide de Microsoft Excel et de l'ANOVA à un facteur pour déterminer la signification statistique (P < 0,05).

Résultats clés

• Densité : La densité a diminué à mesure que le pourcentage de remplacement par la terre cuite augmentait. L'échantillon témoin (0 %) a atteint la densité la plus élevée (2486,67 kg/m³ à 28 jours), tandis que le remplacement à 40 % a enregistré la plus faible (2276,67 kg/m³). Le remplacement à 10 % a produit une densité de 2432,00 kg/m³, soit 2,2 % de moins que le témoin, mais reste dans la plage du béton de poids normal (1842–2483 kg/m³ selon l'ASTM C138).
• Résistance à la compression : La résistance a augmenté avec l'âge de cure mais a diminué avec des pourcentages de remplacement plus élevés. À 28 jours, le témoin a enregistré 27,13 N/mm². Le remplacement à 10 % a enregistré 26,39 N/mm² (2,7 % de moins que le témoin), tandis que le remplacement à 40 % a enregistré 24,76 N/mm². Malgré la réduction, tous les spécimens, sauf celui à 40 % de remplacement, ont atteint la résistance cible de 25 N/mm², et tous se situaient dans la norme acceptable pour les unités de maçonnerie porteuses (minimum 13,8 MPa selon l'ASTM C90-22).
• Résistance à la traction par fendage : Les tendances ont suivi la résistance à la compression, diminuant à mesure que les pourcentages de remplacement augmentaient. À 28 jours, les valeurs allaient de 2,769 N/mm² (témoin) à 2,487 N/mm² (remplacement à 40 %). La résistance à la traction par fendage est restée entre 8 % et 15 % de la résistance à la compression, ce qui est cohérent avec le comportement standard du béton.
• Absorption d'eau : L'absorption d'eau a augmenté avec les pourcentages de remplacement plus élevés. Le témoin présentait une absorption de 2,44 %, tandis que le remplacement à 10 % montrait 2,52 % (3,2 % de plus que le témoin). Le remplacement à 40 % a atteint 3,19 %. Toutes les valeurs sont restées inférieures au seuil de 5 % souvent cité pour le béton de haute qualité et dans la plage optimale de 4 à 6 %.
• Attaque au sulfate de magnésium (MgSO₄) : L'exposition au MgSO₄ a provoqué des pertes de résistance dans tous les spécimens. Curieusement, le remplacement à 40 % a démontré la plus grande résistance, avec seulement 0,3 % de perte de résistance, contre 2,5 % pour le témoin. Le remplacement à 10 % a montré une perte de 1,6 %.

Conclusions et importance
L'étude conclut que les agrégats de terre cuite brisée sont un remplacement partiel viable pour les agrégats grossiers dans le béton.

• Conformité aux normes : Le béton produit avec jusqu'à 40 % de remplacement respecte les normes d'ingénierie établies par BS EN 12390:2019 et BS 1881-122:2011 concernant la densité, la résistance et l'absorption d'eau.
• Applications recommandées : Les auteurs recommandent un remplacement de 10 % pour les travaux de béton standard, car il offre un équilibre entre résistance et durabilité avec une déviation minimale par rapport aux propriétés du témoin. Un remplacement de 40 % est recommandé spécifiquement pour les environnements présentant une forte exposition au sulfate de magnésium, car le mélange à 40 % a démontré une résistance supérieure à l'attaque chimique.
• Impact économique et environnemental : L'utilisation d'agrégats de terre cuite brisée réduit les coûts de construction en substituant les agrégats naturels coûteux par des déchets industriels à bas prix. De plus, cela favorise la durabilité environnementale en détournant les déchets céramiques des décharges et en réduant l'empreinte écologique associée à l'extraction des agrégats.

La recherche affirme que la réutilisation des déchets céramiques améliore à la fois l'efficacité des coûts et la durabilité environnementale dans l'industrie de la construction sans compromettre l'intégrité structurelle requise pour les applications porteuses.