Waste valorization of coconut shell char as a partial cement replacement in sustainable mortar: fresh-state, setting, and mechanical performance
Cette étude démontre que l'incorporation de 5 à 10 % de charbon de coque de noix de coco, produit par pyrolyse, en tant que remplacement partiel du ciment, optimise l'équilibre entre les propriétés à l'état frais et la performance mécanique dans le mortier durable, le dosage de 5 % offrant des résistances à la compression et à la flexion supérieures par rapport au témoin.
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Le béton est le matériau de construction le plus largement utilisé sur Terre, formant le squelette de nos villes, de nos ponts et de nos maisons. Pourtant, l'ingrédient principal du béton, le ciment Portland, entraîne un coût environnemental lourd. Le processus de fabrication de ce dernier libère de vastes quantités de dioxyde de carbone et consomme des ressources minérales importantes, incitant les ingénieurs à chercher des moyens de réduire son utilisation sans compromettre la résistance de la structure finale. Une voie prometteuse consiste à remplacer une partie du ciment par des déchets qui ont été transformés en une poudre fine et riche en carbone. Cette approche vise à transformer des restes agricoles en composants de construction utiles, permettant potentiellement de réduire l'empreinte carbone de la construction tout en gérant les déchets. Le défi réside dans la détermination de la quantité exacte à ajouter ; trop peu pourrait ne pas faire de différence, tandis que trop pourrait fragiliser le matériau ou rendre impossible le coulage et le façonnage avant qu'il ne durcisse.
Dans une étude récente, des chercheurs ont examiné si les coques de noix de coco, un déchet courant dans les régions tropicales, pourraient servir de tel remplacement. Ils ont pris des coques de noix de coco rejetées et les ont chauffées dans un environnement pauvre en oxygène à une température élevée de 750 degrés Celsius pendant deux heures. Ce processus, appelé pyrolyse, a transformé les coques dures en une poudre noire et légère appelée charbon de coque de noix de coco. Le matériau résultant est une substance fine et poreuse à haute teneur en carbone, distincte du ciment minéral lourd qu'il était censé remplacer. L'équipe a mélangé ce charbon au mortier standard — un mélange de ciment, de sable et d'eau — à différents niveaux, allant d'une petite quantité jusqu'à près d'un tiers de la matière solide du mélange. Leur objectif était de voir comment cet ajout affectait le comportement du mélange lorsqu'il est humide, combien de temps il mettait à prendre et quelle force il acquérait après un mois de cure.
Les résultats ont montré que l'ajout de charbon de coque de noix de coco modifiait le mortier de manières prévisibles. Comme le charbon est plus léger et rempli de minuscules trous, le mélange frais devenait moins dense à mesure que l'on en ajoutait. Cependant, cette porosité rendait également le mélange plus difficile à travailler. La surface rugueuse et semblable à une éponge des particules de charbon absorbait une partie de l'eau de mélange et créait plus de friction entre les particules, provoquant une diminution significative de la fluidité du mortier à mesure que la quantité de charbon augmentait. Le mélange mettait également plus de temps à durcir ; le temps nécessaire pour que le mortier commence à prendre et à durcir complètement augmentait également avec l'ajout de charbon, probablement parce qu'il y avait moins de ciment disponible pour déclencher les réactions chimiques qui lient le matériau.
Malgré ces changements à l'état frais, la résistance mécanique du mortier durci suivait un schéma surprenant. Lorsque les chercheurs ont testé la résistance des échantillons après 28 jours, ils ont constaté que l'ajout d'une petite quantité de charbon rendait en fait le mortier plus résistant. Le mélange contenant 5 % de charbon de coque de noix de coco par volume a atteint une résistance à la compression de 38,1 mégapascals, ce qui est notablement plus élevé que les 31,6 mégapascals enregistrés pour le mélange témoin sans charbon. Ce même mélange à 5 % a également montré une meilleure flexibilité, résistant mieux aux forces de flexion que le mortier standard. Cependant, ce bénéfice ne se poursuivait pas indéfiniment. À mesure que les chercheurs augmentaient la quantité de charbon au-delà de 10 %, la résistance commençait à chuter. À des niveaux plus élevés, la réduction de la teneur en ciment et l'introduction de trop de particules poreuses et non réactives l'emportaient sur les avantages, conduisant à une structure plus faible.
L'étude conclut qu'il existe une fenêtre spécifique où le charbon de coque de noix de coco est le plus efficace. Un taux de remplacement compris entre 5 et 10 % offrait le meilleur équilibre, permettant une réduction de l'utilisation de ciment tout en maintenant ou en améliorant la performance structurelle du mortier. Cette plage a réduit la quantité de ciment nécessaire d'environ 3,6 à 7,2 % en masse sans sacrifier la capacité du matériau à supporter des charges ou à résister aux fissures. Bien que le charbon n'ait pas agi comme un réactif chimique pour renforcer le ciment de la même manière que certains autres additifs, ses propriétés physiques ont aidé à combler les lacunes et à améliorer le compactage du mélange à faibles doses. Les chercheurs soulignent que, bien que cette approche soit prometteuse pour transformer les déchets en une ressource utile, elle ne constitue pas une solution complète en soi. Les bénéfices environnementaux dépendent de l'énergie utilisée pour créer le charbon et de la durabilité à long terme du matériau, des domaines qui nécessitent des études plus approfondies. Pour l'instant, ce travail démontre qu'une quantité modeste de coque de noix de coco transformée peut être un ingrédient viable pour un mortier durable, offrant une étape pratique vers la réduction de la dépendance au ciment traditionnel.
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