Analysis of the hydration heat evolution in cements incorporating construction waste powders by examining phase changes

Le béton est le matériau de construction le plus largement utilisé sur Terre, un mélange de sable, d'eau et d'une poudre liante appelée ciment. Lorsque l'eau rencontre le ciment, une réaction chimique commence, transformant le mélange mou en un solide dur, semblable à de la pierre. Ce processus, connu sous le nom d'hydratation, libère de la chaleur. Dans les structures massives comme les barrages ou les fondations de gratte-ciel, cette chaleur peut s'accumuler à des niveaux dangereux, provoquant des fissures dans le béton lors de son refroidissement. Pour gérer cela, les ingénieurs cherchent souvent des moyens de ralentir la réaction ou de réduire la chaleur totale générée. Parallèlement, l'industrie de la construction produit de vastes quantités de déchets, notamment des briques concassées, de vieux carreaux et des débris de béton démoli. Si les gros morceaux de ces débris sont souvent recyclés en nouveau gravier, la fine poussière qui résulte du concassage est fréquemment mise au rebut. Des chercheurs étudient actuellement si cette fine poudre de déchets peut remplacer une partie du ciment dans le nouveau béton, transformant ainsi un problème d'élimination en une ressource utile qui refroidit également la réaction chimique.

Une équipe de scientifiques en Algérie s'est lancée dans l'essai de cette idée en utilisant trois types spécifiques de déchets de construction : de la poudre issue de carreaux de céramique recyclés, de la poudre de briques recyclées et de la poudre de béton recyclé. Ils ont créé une série de mélanges de mortier, qui sont similaires au béton mais n'utilisent que du sable fin. Dans leurs expériences, ils ont remplacé 10 %, 20 % et 30 % du ciment standard de chaque mélange par l'une de ces poudres de déchets. Ils ont ensuite placé ces mélanges dans un récipient spécial isolé, conçu pour mesurer les changements de température à mesure que les matériaux durcissent. En suivant la quantité de chaleur libérée et la vitesse à laquelle elle sortait, les chercheurs ont pu cartographier l'intégralité du cycle de vie de la réaction chimique, depuis le moment où l'eau a été ajoutée.

Les résultats ont montré que l'ajout de ces poudres de déchets modifiait considérablement le comportement du ciment. Dans chaque cas où le ciment était remplacé, la quantité totale de chaleur libérée sur cinq jours a chuté. Plus la poudre ajoutée était importante, moins la chaleur produite était élevée. Lorsqu'ils ont remplacé 30 % du ciment par de la poudre de béton recyclé, la chaleur totale libérée n'était que d'environ 70 % de ce qu'un mélange standard produirait. Cette réduction est particulièrement précieuse pour la construction dans les climats chauds, où une chaleur excessive peut endommager la structure avant qu'elle ne soit complètement prise. Au-delà de la simple réduction de la chaleur totale, les poudres de déchets ont également ralenti la vitesse de la réaction. Le moment où le flux de chaleur a atteint son maximum — le point d'activité chimique la plus intense — a été retardé de deux à trois heures par rapport au ciment ordinaire. Ce délai donne plus de temps aux ouvriers pour couler et façonner le béton avant qu'il ne commence à durcir.

Les chercheurs ont également examiné de près les différentes étapes de la réaction chimique pour comprendre pourquoi ces changements se produisaient. Ils ont découvert que le type de poudre de déchets importait. La poudre de céramique recyclée, qui est très fine, a raccourci la phase initiale de nucléation et de croissance de la réaction, tandis que les poudres de brique et de béton ont prolongé cette phase. Cependant, quel que soit le type de poudre, le pic de flux thermique a été retardé de 2 à 3 heures pour tous les mélanges. L'étude a révélé que la réaction implique une séquence d'événements : d'abord, de nouveaux cristaux se forment et croissent ; ensuite, ces cristaux interagissent avec les grains de ciment restants ; et enfin, la réaction ralentit à mesure que les ions doivent traverser le matériau en cours de solidification pour trouver de nouveaux endroits où réagir. Les poudres de déchets ont modifié le calendrier de ces étapes. Par exemple, les poudres de brique et de béton ont prolongé la phase initiale de croissance cristalline, tandis que la poudre de céramique a rendu la phase finale de diffusion lente beaucoup plus dominante.

Enfin, l'étude confirme que ces fractions fines de déchets de construction ne sont pas seulement des charges inertes, mais des ingrédients actifs qui modifient le comportement du ciment. Les poudres de déchets possèdent des propriétés qui leur permettent de participer au processus de durcissement, créant un matériau qui est chimiquement actif tout en produisant moins de chaleur. Les conclusions suggèrent que l'utilisation de jusqu'à 30 % de ces poudres recyclées est une stratégie viable pour créer des matériaux de construction plus durables. En réduisant la chaleur générée pendant la construction, ces mélanges pourraient aider à prévenir les fissures dans les grandes structures, tout en détournant simultanément des tonnes de déchets des décharges. La recherche offre une image claire du fonctionnement de ces matériaux, proposant une voie pratique pour rendre l'industrie de la construction plus efficace et moins dommageable pour l'environnement.