Mechanical and abrasion behaviour of cement and alkali-activated material mixes based on oil refinery waste catalyst: investigation and semi-empirical predictive models

Les sols en béton des usines, des entrepôts et des espaces publics très fréquentés sont engagés dans une lutte constante contre l'usure. Chaque pas, chaque chariot roulant et chaque pneu de véhicule frottent contre la surface, arrachant lentement de la matière et affaiblissant la structure au fil du temps. Pour construire des sols durables, les ingénieurs s'appuient sur le ciment, l'agent liant qui maintient le béton ensemble. Cependant, la production de ce ciment a un coût élevé : pour chaque tonne de ciment produite, près de 0,85 tonne de dioxyde de carbone est rejetée dans l'atmosphère, contribuant de manière significative au changement climatique. Cette réalité a poussé les chercheurs à chercher des moyens de remplacer une partie du ciment par des déchets industriels, transformant un problème de pollution en une solution de construction. L'un de ces produits de déchets provient des raffineries de pétrole, où de minuscules particules appelées catalyseurs sont utilisées pour aider à transformer le pétrole brut en carburant. Une fois que ces particules ont fait leur travail, elles sont jetées en tant que « catalyseur usé ». Ces particules sont riches en aluminium et en silice, les mêmes ingrédients que l'on trouve dans les roches et les sables qui composent le béton, ce qui suggère qu'elles pourraient être utiles dans une nouvelle vie.

Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission de tester si ces particules de catalyseur de raffinerie de pétrole rejetées pouvaient être mélangées au béton pour créer des sols plus solides et plus durables qui aident également l'environnement. Ils se sont concentrés sur deux types différents de mélanges de béton. Le premier était un mélange de ciment standard, où les particules de déchets serviraient de charge pour remplacer une partie du ciment. Le second était un mélange « activé par l'alcali », un type de béton plus avancé qui utilise une solution chimique pour lier les particules de déchets sans utiliser de ciment traditionnel du tout. Les chercheurs voulaient voir comment la taille des particules de déchets et le type de mélange affectaient la capacité du béton à résister à l'écrasement, à la flexion et au frottement constant de l'abrasion. Ils visaient également à créer un ensemble de règles que les ingénieurs pourraient utiliser pour prédire la solidité d'un sol avant même de couler le béton, en se basant simplement sur la quantité de déchets ajoutés et sur la finesse des particules.

L'équipe a commencé par rassembler ses matériaux : du ciment Portland standard, du sable de rivière, de l'eau et les particules de catalyseur usé provenant d'une raffinerie en Pologne. Ils ont soigneusement trié les particules de catalyseur en deux tailles, une plus fine et une plus grossière, pour voir si la taille importait. Ils ont ensuite créé une série de lots d'essai. Certains lots remplaçaient jusqu'à 20 % du ciment par les particules de déchets, tandis que d'autres utilisaient les particules comme ingrédient principal dans le mélange activé par l'alcali. Pour garantir la maniabilité des mélanges, ils ont ajouté un plastifiant liquide pour aider le béton humide à s'écouler facilement dans les moules. Après le durcissement du béton, les chercheurs ont soumis les échantillons à une série de tests rigoureux. Ils ont écrasé des cubes de matériau pour mesurer la résistance à la compression, plié de longues poutres pour tester la résistance à la flexion, et utilisé une machine spécialisée qui frottait une roue abrasive lourde contre la surface pour mesurer la perte de poids du matériau au fil du temps. Ce test d'abrasion est crucial car il simule des années de passage de piétons et d'usure de véhicules en quelques heures seulement.

Les résultats ont révélé une séparation nette de performance selon le type de béton utilisé. Dans les mélanges de ciment standard, l'ajout des particules de déchets a très bien fonctionné. Lorsque les chercheurs ont remplacé 20 % du ciment par le catalyseur usé, le béton résultant est devenu plus solide et plus résistant à l'usure. Le mélange avec les particules les plus fines a atteint une résistance à la compression de 52 mégapascals et une résistance à la flexion de 8 mégapascals, tout en montrant une amélioration de 18 % de la résistance à l'abrasion par rapport au ciment pur. Les particules de déchets ont agi comme une éponge, absorbant l'eau et réagissant avec le ciment pour combler les minuscules interstices, créant ainsi un matériau plus dense et plus robuste. Cependant, l'histoire est différente pour les mélanges activés par l'alcali. Dans ces mélanges, les particules de déchets ne réagissent pas aussi pleinement avec le liant chimique. Le matériau résultant était nettement plus faible et présentait une usure beaucoup plus élevée, perdant du poids à un taux neuf fois supérieur à celui des mélanges de ciment après 28 jours. Les chercheurs ont constaté que le processus d'activation chimique était incomplet, laissant de nombreuses particules de déchets non réagies et tenues lâchement dans la structure, ce qui faisait que la surface s'effritait facilement sous la friction.

Pour donner un sens à ces résultats complexes, les chercheurs ont développé un ensemble de modèles mathématiques capables de prédire la performance du béton sans avoir besoin de réaliser chaque test. Ces modèles n'étaient pas de simples suppositions ; ils étaient construits sur des principes physiques reliant la quantité de déchets ajoutés, la taille des particules, le type de liant utilisé et l'âge du béton à sa résistance finale et sa durabilité. Les modèles se sont révélés très précis, prédisant la résistance à la compression, la résistance à la flexion et la perte d'abrasion avec une marge d'erreur de moins de 7 %. Cela signifie que si un ingénieur connaît le mélange spécifique qu'il prévoit, il peut utiliser ces formules pour prédire avec confiance la performance du sol sous un trafic intense. Les modèles ont confirmé que pour le ciment standard, l'ajout de déchets était une situation gagnante-gagnante, renforçant la résistance et la durabilité. Pour les mélanges activés par l'alcali, les modèles ont souligné que les recettes chimiques actuelles ne sont pas encore prêtes à exploiter pleinement ces déchets, car les particules restent trop inertes pour fournir la force de liaison nécessaire.

L'étude conclut que l'utilisation de déchets de raffinerie de pétrole dans le béton est une voie d'avenir viable, mais qu'elle nécessite la bonne approche. Remplacer une partie du ciment par ces particules crée un matériau de haute performance qui est plus résistant à l'usure et réduit l'empreinte carbone de la construction. Les chercheurs estiment que le remplacement de 20 % du ciment pourrait réduire les émissions de carbone d'environ 170 kilogrammes pour chaque tonne de liant utilisé. Cependant, ce bénéfice n'est réalisé que lorsque les déchets sont utilisés dans les mélanges de ciment traditionnels, où ils agissent comme une charge réactive. Dans les systèmes activés par l'alcali plus expérimentaux, la technologie n'est pas encore assez mature pour gérer efficacement ce type de déchets spécifique. Ce travail fournit une feuille de route claire pour l'industrie de la construction : en sélectionnant soigneusement le type de béton et la taille des particules de déchets, les constructeurs peuvent créer des sols qui sont non seulement plus durables, mais aussi plus résistants, transformant un sous-produit industriel en un fondement pour l'avenir.