Experimental and Machine Learning-Based Performance Evaluation of Ambient-Cured Geopolymer Mortar Using Microstructural Characterisation and ABAQUS Numerical Analysis

La révolution du béton vert : une histoire de cendres, d'alchimie et d'IA

Imaginez l'industrie de la construction comme une bête géante et affamée qui dévore les ressources de la planète. Depuis plus d'un siècle, cette bête se repaît de ciment Portland, un matériau incroyablement solide mais aussi un pollueur massif, rejetant d'énormes nuages de dioxyde de carbone à chaque fois qu'il est fabriqué. Les scientifiques cherchent un substitut « vert » depuis des années, et ils ont trouvé un candidat fascinant : le mortier géopolymère. Ne le voyez pas comme une nouvelle invention, mais plutôt comme une transformation magique. Au lieu de cuire de l'argile pour faire du ciment, ce nouveau matériau prend des déchets industriels — comme les cendres issues de la combustion du charbon ou le laitier de fabrication de l'acier — et les « réveille » à l'aide d'une soupe chimique spéciale appelée activateur alcalin. C'est comme prendre les miettes de la journée d'une usine pour les transformer en une brique super solide et durable, sans l'empreinte carbone pesante.

Mais voici la partie délicate : faire fonctionner cette « poussière magique » parfaitement, c'est comme essayer de réussir le gâteau parfait sans recette. Vous devez mélanger différents types de déchets (la « farine »), choisir la bonne soupe chimique (la « levure ») et décider de la durée de repos (le « temps de cuisson »). Si vous vous trompez dans le mélange, le résultat est faible et friable. Si vous réussissez, vous obtenez un matériau plus résistant que le béton traditionnel et plus respectueux de la planète. C'est le casse-tête que les chercheurs tentent de résoudre : comment mélanger ces restes industriels pour créer le matériau de construction le plus solide et le plus fiable possible, tout en le faisant durcir à température ambiante normale au lieu d'un four surchauffé ?

L'expérience : Mélanger la recette « verte » parfaite

Dans cette étude, les chercheurs Rushikesh Khartode et Subhash Patankar ont décidé de jouer le rôle de maîtres alchimistes. Leur objectif était de trouver la recette ultime du mortier géopolymère qui pourrait être fabriqué et durci directement dans un atelier normal, sans avoir besoin d'une chaleur coûteuse. Ils ont rassemblé quatre types différents de « farine » (matériaux précurseurs) : la cendre volante (issue des centrales à charbon), le laitier de haut fourneau granulé (GGBFS, issu des aciéries), la métakaolin (un dérivé d'argile) et le laitier d'acier. Ils ont également testé différentes « levures » (activateurs alcalins), en se concentrant principalement sur des solutions chimiques à base de sodium et de potassium.

Ils n'ont pas fait que deviner ; ils ont mené une série massive d'expériences. Ils ont créé des dizaines de mélanges différents, en changeant les ratios d'ingrédients. Certains mélanges étaient composés à 100 % de cendres volantes, d'autres à 100 % de GGBFS, et beaucoup étaient des hybrides, comme un partage 50-50. Ils ont versé ces mélanges dans des moules et les ont laissés reposer à température ambiante, vérifiant leur résistance après 7, 14 et 28 jours. Ils ont également mesuré la « fluidité » du mortier humide, car s'il est trop épais, il est difficile de le verser dans les fissures pour des réparations.

La grande découverte :
Les résultats étaient clairs. Le mélange composé entièrement de 100 % de GGBFS était le champion incontesté. Après 28 jours, il a atteint une résistance à la compression de 68,51 MPa, ce qui est incroyablement élevé pour un matériau durci à température ambiante. Le dauphin était un mélange hybride de 50 % de cendres volantes et 50 % de GGBFS, qui a atteint 61,44 MPa. Cet hybride était le point d'équilibre idéal, offrant un excellent compromis entre résistance et maniabilité.

En revanche, les mélanges reposant fortement sur la métakaolin ou le laitier d'acier n'ont pas été aussi performants dans ces conditions spécifiques de température ambiante. Ils étaient plus faibles, suggérant que sans la quantité appropriée de calcium (dont le GGBFS est abondamment doté) et le bon « appel au réveil » chimique, ces matériaux ne durcissaient pas aussi efficacement. Les chercheurs ont également constaté qu'une soupe chimique à base de sodium (NaOH + Na2SiO3) fonctionnait bien mieux que celles à base de potassium ou de calcium pour cette tâche spécifique.

La boule de cristal : Utiliser l'IA pour prédire l'avenir

Fabriquer du béton est coûteux et chronophage. Il faut mélanger, verser, attendre des semaines, puis broyer pour voir si cela a fonctionné. Pour accélérer ce processus, les chercheurs se sont tournés vers une boule de cristal numérique : l'apprentissage automatique (Machine Learning). Ils ont injecté leurs données expérimentales dans quatre modèles de cerveaux informatiques différents : les réseaux de neurones artificiels (ANN), la régression par processus gaussien (GPR), les forêts aléatoires (RF) et les machines à vecteurs de support (SVM).

Considérez ces modèles comme quatre étudiants essayant de deviner la note de l'examen final en fonction de la quantité de devoirs qu'ils ont faits. Le réseau de neurones artificiels (ANN) a été l'élève brillant. Il a mieux appris les règles chimiques complexes et non linéaires que les autres. Il a prédit la résistance du mortier avec une précision étonnante, correspondant presque parfaitement aux résultats du monde réel. Les autres modèles étaient bons, mais l'ANN était le plus fiable.

Pour s'assurer que l'ordinateur ne faisait pas que deviner, les chercheurs ont utilisé un outil appelé analyse SHAP. C'est comme demander à l'ordinateur : « Pourquoi pensais-tu que ce mélange serait solide ? ». L'ordinateur a désigné les ingrédients les plus importants : la quantité de GGBFS, la concentration d'hydroxyde de sodium et la dose de silicate de sodium. Il a confirmé ce que les expériences montraient : ce sont les clés du royaume.

Le microscope et le test de chaleur : Regarder à l'intérieur de la brique

Pour comprendre pourquoi le mélange GGBFS était si solide, les chercheurs l'ont observé au microscope et l'ont soumis à la chaleur.

• Le microscope (SEM & XRD) : En examinant le mélange 100 % GGBFS, ils ont vu une ville de gel dense et étroitement compactée. Elle était remplie d'une colle spéciale appelée gel C-(A)-S-H, qui se forme rapidement grâce à la haute teneur en calcium du laitier. Il y avait très peu de trous (pores) et les particules étaient collées étroitement les unes aux autres. En revanche, les mélanges plus faibles présentaient plus de vides et moins de cette colle forte.
• Le test de chaleur (TGA-DTG) : Ils ont chauffé les échantillons jusqu'à 1000 °C pour voir comment ils résistaient. Le mélange GGBFS était un dur à cuire. Il a perdu très peu de poids en chauffant, prouvant que sa structure interne était stable et ne se désintégrait pas facilement. Cela suggère que ces briques ne seraient pas seulement solides, mais aussi résistantes au feu et durables dans le temps.

Le test structurel : Sauver une poutre qui s'effondre

Enfin, les chercheurs se sont demandé : « Ce truc peut-il réellement sauver un bâtiment ? ». Ils ont utilisé une puissante simulation informatique appelée ABAQUS pour modéliser une poutre en béton déjà fissurée et affaiblie. Ils ont ensuite enveloppé cette poutre dans une « chemise » faite de leur nouveau mortier géopolymère et l'ont renforcée avec des couches de treillis métallique hexagonal (comme du grillage à poule).

Ils ont testé des chemises avec 1, 2 et 3 couches de treillis :

• La poutre d'origine, faible, ne pouvait supporter que 48 kN de force avant de céder.
• La poutre avec la chemise géopolymère à 3 couches pouvait supporter 74 kN.
• Cela représente une augmentation de la résistance de 54,2 % !

La simulation a montré que la chemise géopolymère agissait comme un bouclier de super-héros. Elle empêchait la propagation des fissures, maintenait la poutre ensemble et la rendait beaucoup plus rigide. Plus ils ajoutaient de couches de treillis, plus la poutre performait, la version à 3 couches montrant le moins de dommages et la moins grande flexion.

Le verdict

Cette recherche dessine un avenir très prometteur pour la construction. Elle proule que nous pouvons prendre des déchets industriels et les transformer en un matériau de construction haute performance, plus solide que de nombreux ciments traditionnels, le tout sans avoir besoin d'un four. Le mélange 100 % GGBFS est le plus fort, mais le mélange hybride 50-50 Cendres volantes/GGBFS est une alternative équilibrée fantastique.

L'étude a également montré que nous n'avons plus besoin de deviner la recette ; des modèles informatiques intelligents (particulièrement l'ANN) peuvent prédire les résultats avec une grande précision, économisant ainsi du temps et de l'argent. Et surtout, ce nouveau matériau n'est pas qu'une curiosité de laboratoire ; il constitue un outil puissant pour réparer et renforcer les vieux bâtiments endommagés, rendant nos infrastructures plus sûres et plus durables. Bien que les chercheurs notent que des tests supplémentaires sont nécessaires pour voir comment ces matériaux réagissent aux conditions météorologiques extrêmes sur de nombreuses années, les preuves actuelles suggèrent que le mortier géopolymère est un bond de géant pour la construction verte.