Mechanical Strength Assessment of Eco-Friendly Bricks Produced Using Waste Marble Dust and Crushed Stone Dust as Partial Cement Replacements

Résumé technique : Évaluation de la résistance mécanique de briques écologiques produites à partir de poussière de marbre et de poussière de pierre concassée

Énoncé du problème
L'industrie de la construction est confrontée à un double défi : la génération de quantités massives de déchets industriels, spécifiquement la poussière de marbre (MD) et la poussière de pierre concassée (CSD), et l'empreinte environnementale élevée de la production de ciment. Le traitement du marbre en Inde génère environ 12 millions de tonnes de déchets annuellement, posant des risques significatifs pour la contamination des sols et de l'eau. Simultanément, la fabrication du ciment contribue à environ 5 % des émissions mondiales de CO₂ anthropiques. Bien que des études antérieures aient exploré l'utilisation individuelle de la MD ou de la CSD comme substituts partiels au ciment, l'effet synergique de la combinaison de ces deux matériaux de déchets dans la fabrication de briques demeure une lacune de recherche importante. Cette étude répond à la nécessité d'utiliser ces matériaux de déchets disponibles localement pour réduire la consommation de ciment, atténuer les risques environnementaux et produire des matériaux de construction durables sans compromettre la performance mécanique.

Méthodologie
La recherche a employé un plan expérimental pour évaluer l'aptitude de la MD et de la CSD en tant que substituts partiels du ciment Portland de type pouzzolane (PPC) dans la production de briques.

• Matériaux : L'étude a utilisé du PPC (3_5 % de cendres volantes), du sable naturel (Zone I), de la poussière de marbre et de la poussière de pierre concassée.
• Composition du mélange : Les briques ont été coulées selon un ratio 1:4 (Ciment:Sable) avec un rapport eau-ciment de 0,45. Le mélange de contrôle (M0) contenait 100 % de ciment. Les mélanges expérimentaux ont remplacé le ciment par des proportions égales de MD et de CSD à trois niveaux :
  • M10 : 10 % MD + 10 % CSD (Remplacement total de 20 %).
  • M20 : 20 % MD + 20 % CSD (Remplacement total de 40 %).
  • M30 : 30 % MD + 30 % CSD (Remplacement total de 60 %).
• Préparation des spécimens : Des briques mesurant 230 mm x 90 mm x 80 mm ont été coulées dans des moules en bois, compactées à l'aide d'une table vibrante et curées dans l'eau pendant 7, 14 et 28 jours.
• Protocoles de test : L'étude a réalisé des analyses granulométriques, des tests de densité (masse volumique), des tests de teneur en limon, des tests d'absorption d'eau et des mesures de densité. La résistance à la compression a été évaluée à l'aide d'une machine d'essai de compression (CTM) à 7, 14 et 28 jours.
• Analyse statistique : Les données ont été analysées à l'aide de statistiques descriptives (moyenne, écart type, coefficient de variation) et d'une analyse de variance à un facteur (ANOVA) pour déterminer l'influence significative de l'âge de cure et des niveaux de remplacement sur la résistance (p < 0,05).

Résultats clés

• Résistance à la compression : Le mélange de contrôle (M0) a atteint la résistance à la compression à 28 jours la plus élevée de 24,56 MPa. Le mélange M10 (remplacement total de 20 %) a enregistré 20,62 MPa, représentant une alternative viable. Cependant, des niveaux de remplacement plus élevés ont entraîné une réduction significative de la résistance : M20 (remplacement de 40 %) est tombé à 8,61 MPa, et M30 (remplacement de 60 %) à 6,37 MPa.
• Signification statistique : L'ANOVA a confirmé que l'âge de la cure et le niveau de remplacement avaient tous deux un effet statistiquement significatif sur la résistance à la compression (p < 0,001). Le développement de la résistance au fil du temps (de 7 à 2 8 jours) était significatif pour tous les mélanges.
• Absorption d'eau : Une relation inverse a été observée entre la résistance et l'absorption d'eau. À mesure que le niveau de remplacement augmentait, l'absorption d'eau passait de 5,66 % (M0) à 9,81 % (M30), indiquant une porosité accrue et une liaison réduite à des niveaux de remplacement plus élevés.
• Densité : La densité des briques a diminué progressivement avec l'augmentation du remplacement, allant de 2698,87 kg/m³ (M0) à 2491,14 kg/m³ (M30). Le mélange M10 maintenait une densité cohérente avec les matériaux de construction standards.
• Propriétés des matériaux : La poussière de marbre présentait une masse volumique de 2,63 et la poussière de pierre 2,57, toutes deux inférieures à celle du ciment (3,1), contribuant à la réduction de densité observée.

Principales contributions et affirmations
L'article affirme que le remplacement partiel du ciment par une combinaison de poussière de marbre et de poussière de pierre concassée est une stratégie viable pour la construction durable, à condition que le niveau de remplacement soit optimisé.

• Niveau de remplacement optimal : L'étude identifie le niveau de remplacement total de 20 % (10 % MD + 10 % CSD) comme le candidat optimal. Ce mélange a atteint une résistance à la compression moyenne de 20,62 MPa, ce que les auteurs considèrent comme suffisant pour rivaliser avec le mélange de contrôle pour des applications de construction spécifiques, tout en offrant des avantages environnementaux.
• Utilisation synergique : La recherche souligne le potentiel de l'utilisation simultanée de deux flux de déchets industriels distincts, comblant ainsi une lacune dans la littérature concernant la valorisation combinée des déchets.
• Impact environnemental et économique : En substituant le ciment, l'étude affirme une réduction des émissions de CO₂ et de la consommation d'énergie associées à la fabrication du ciment. De plus, l'utilisation de déchets sourcés localement réduit les coûts de transport et les responsabilités liées à l'élimination des déchets des industries de transformation du marbre et de la pierre.

Signification
Les auteurs positionnent ce travail comme une contribution aux Objectifs de Développement Durable (ODD) 9 (Industrie, Innovation et Infrastructure) et 11 (Villes et communautés durables). L'étude démontre que les sous-produits industriels peuvent être transformés en matériaux de construction fonctionnels, réduisant ainsi l'empreinte carbone de l'environnement bâti et gérant les déchets solides. L'article conclut que si un remplacement excessif compromet la durabilité et la résistance, une substitution contrôlée et de faible niveau (spécifiquement le remplacement total de 20 %) offre une approche équilibrée pour atteindre des économies de coûts, une durabilité environnementale et une performance mécanique acceptable. Des travaux futurs sont suggérés pour se concentrer sur les performances à long terme et la normalisation des propriétés des matériaux de déchets.