Synergistic effects of recycled concrete aggregate and spherical nickel slag on abrasion resistance, acoustic attenuation, and environmental efficiency of porous concrete

Les villes se remodèlent constamment, et avec chaque nouveau bâtiment et chaque nouvelle route, de vastes quantités de vieux béton sont démolies et mises au rebut. Parallèlement, l'industrie lourde produit des montagnes de déchets, tels que le laitier provenant de la fusion des métaux. Traditionnellement, ces matériaux finissent dans des décharges, occupant de l'espace et posant des risques environnementaux, tandis que l'industrie de la construction continue d'extraire de nouvelles pierres de rivière et du gravier pour fabriquer du nouveau béton. Ce cycle est insoutenable. Les ingénieurs cherchent désormais des moyens de transformer ces flux de déchets en blocs de construction précieux, créant des matériaux qui non seulement économisent les ressources, mais performent également mieux que les options traditionnelles. L'un de ces matériaux est le béton poreux, un type spécial de revêtement qui ressemble à une éponge. Au lieu d'une surface solide et imperméable, il est rempli de minuscules trous connectés qui laissent l'eau de pluie s'infiltrer directement, réduisant ainsi les inondations et rechargeant les nappes phréatiques. Grâce à ces trous, il agit également comme une barrière sonore naturelle, absorbant le bruit du trafic plutôt que de le réfléchir dans l'air. Cependant, la fabrication de ce matériau est délicate. Les trous mêmes qui le rendent efficace pour l'eau et le son le rendent souvent fragile, provoquant l'effritement de la surface sous le poids des pneus.

Des chercheurs de l'Université Hasanuddin en Indonésie ont entrepris de résoudre ce casse-tête en testant une nouvelle recette de béton poreux. Ils voulaient voir s'ils pouvaient mélanger deux types de déchets pour créer un revêtement suffisamment solide pour durer, mais assez poreux pour être fonctionnel. L'équipe a utilisé deux produits de déchets spécifiques : des granulats de béton recyclé, qui sont d'anciens bétons broyés en petites pierres, et du laitier de nickel sphérique, qui est un sous-produit de la fusion du nickel ayant été refroidi rapidement dans l'eau pour former des billes lisses et rondes. Ils ont créé six lots différents de béton. Certains utilisaient uniquement des pierres de rivière naturelles, d'autres uniquement du béton recyclé, d'autres uniquement le laitier de nickel, et les autres utilisaient diverses combinaisons de ces matériaux. Pour garantir un test équitable, ils ont gardé la quantité de ciment et d'eau exactement la même pour chaque lot, ne changeant que le type de pierre utilisé. Ils ont ensuite soumis des cylindres de béton à une série de tests rigoureux pour voir leur poids, le nombre de trous qu'ils contenaient, leur capacité à résister à l'usure par friction et leur efficacité à absorber le son. Ils ont également calculé le coût environnemental de la fabrication de chaque lot, mesurant les émissions de carbone et l'énergie requises depuis l'extraction des matières premières jusqu'à la sortie du béton de l'usine.

Les résultats ont révélé une histoire claire sur la façon dont la forme et la densité des pierres modifiaient le béton. Lorsque les chercheurs ont utilisé le laitier de nickel lisse et lourd, le béton est devenu nettement plus dense et lourd, mais il a également perdu une grande partie de sa porosité. Les billes rondes se sont compactées si étroitement qu'il y avait moins d'espace pour que l'eau puisse circuler. En revanche, le mélange combinant des pierres naturelles avec le béton recyclé rugueux et angulaire a créé la structure la plus poreuse, avec le volume le plus élevé de trous interconnectés. Cette haute porosité s'est avérée être la clé de la performance acoustique. Le mélange possédant le plus de trous absorbait mieux le son que n'importe quel autre, atteignant un niveau où il pouvait capturer la quasi-totalité de l'énergie sonore le frappant à certaines fréquences. Cela suggère que pour réduire le bruit de la circulation, une structure plus ouverte et aérée est supérieure. Cependant, cette ouverture s'accompagnait d'un compromis. Le mélange le plus poreux était aussi le plus faible en ce qui concerne la résistance à l'abrasion. Placé dans une machine simulant l'action de broyage des pneus, ce mélange a perdu le plus de masse, perdant des morceaux de pierre et de mortier.

La découverte la plus surprenante est venue du mélange combinant le béton recyclé et le laitier de nickel sphérique. Ce mélange spécifique, que les chercheurs ont appelé RS50, a atteint le meilleur équilibre de tous. Il n'était pas le plus poreux, ni le plus léger, mais il s'est avéré être le plus durable. Soumis au même test de broyage, il a perdu le moins de matériau, conservant bien mieux sa forme que les autres mélanges. Les sphères lisses et dures du laitier de nickel semblaient agir comme un squelette solide, verrouillant les pierres recyclées rugueuses en place et empêchant d'être éjectées. Cette combinaison a créé une structure assez robuste pour résister à l'usure tout en maintenant une porosité suffisante pour être fonctionnelle. Du point de vue environnemental, le remplacement des pierres de rivière naturelles par du béton recyclé et du laitier industriel a considérablement réduit l'empreinte carbone et le coût énergétique du béton. Les matériaux recyclés nécessitaient beaucoup moins d'énergie pour être produits que l'extraction et le concassage de nouvelles pierres. Cependant, l'étude a également noté que le ciment utilisé pour lier le tout demeurait la principale source d'impact environnemental, représentant la grande majorité des émissions de carbone dans chaque lot, quels que soient les granulats utilisés.

En fin de compte, l'étude a montré qu'il n'existe pas de mélange "parfait" unique pour chaque tâche. Si l'objectif est de construire un trottoir calme ou une barrière acoustique où l'absorption du son est la priorité, le mélange contenant le plus de béton recyclé et de pierres naturelles est le meilleur choix, car il crée l'éponge absorbante la plus efficace. Mais si le revêtement doit supporter un trafic intense ou une utilisation fréquente où la durabilité est critique, le mélange de béton recyclé et de laitier de nickel sphérique est l'option supérieure. Cette combinaison offre la meilleure performance environnementale lorsque la durabilité est prise en compte, prouvant que les déchets peuvent être ingénierés pour travailler ensemble. En sélectionnant et en mélangeant soigneusement ces sous-produits industriels, les ingénieurs peuvent créer un béton poreux qui est non seulement plus respectueux de la planète, mais aussi plus solide et plus efficace que les matériaux traditionnels. La recherche démontre que la voie vers une infrastructure durable ne réside pas seulement dans l'utilisation des déchets, mais dans la compréhension de la manière dont différents matériaux de déchets interagissent pour créer un tout qui est supérieur à la somme de ses parties.