Mechanical Performance and High-Energy Photon Attenuation of a Slag-Based Geopolymer Concrete Incorporating Calcined Brezina Dam Sediments

Les matériaux de construction ont un coût environnemental lourd, non seulement en ce qui concerne l'énergie nécessaire à leur fabrication, mais aussi pour les déchets qu'ils génèrent. Pour y remédier, les scientifiques se sont tournés vers le béton géopolymère, un type de matériau de construction qui remplace le liant de ciment traditionnel par des sous-produits industriels et des minéraux locaux. Au lieu de cuire le calcaire pour créer du ciment, ce qui libère de vastes quantités de dioxyde de carbone, les mélanges géopolymères utilisent des matériaux tels que le laitier de haut fourneau granulé — un résidu de la production d'acier — et les activent avec une solution chimique pour tout lier ensemble. Cette approche offre un moyen de construire des structures solides tout en réutilisant des déchets. Au-delà du simple fait de soutenir des bâtiments, il existe un besoin croissant de matériaux capables de bloquer en toute sécurité les rayonnements de haute énergie dans les installations médicales et techniques. Trouver un matériau qui soit à la fois robuste et efficace pour arrêter les radiations, tout en étant fabriqué à partir de déchets locaux, est un objectif important pour l'ingénierie durable.

Des chercheurs en Algérie ont entrepris de tester si un produit de déchets local spécifique pourrait servir ce double usage. Ils se sont concentrés sur les sédiments qui se sont déposés au fond du barrage de Brezina. Au fil du temps, les barrages accumulent des couches de limon et de sable, ce qui peut devenir un problème de gestion. L'équipe a collecté ce sédiment, l'a séché, l'a broyé en une poudre fine et l'a chauffé à une température élevée pour modifier ses propriétés chimiques. Ils ont ensuite mélangé ce sédiment calciné avec du laitier de haut fourneau granulé, de la poudre de silice, du sable et du gravier, en utilisant un mélange liquide de silicate de sodium et d'hydroxyde de sodium pour déclencher le processus de durcissement. L'objectif était de voir quelle quantité de sédiment de barrage pouvait remplacer d'autres ingrédients sans fragiliser le béton, et si le matériau résultant pouvait bloquer efficacement les photons de haute énergie, les particules qui constituent les faisceaux de rayonnement utilisés dans le traitement du cancer.

L'équipe a créé quatre versions différentes du mélange de béton. Une version ne contenait aucun sédiment de barrage, servant de base de référence. Les trois autres versions remplaçaient des quantités variables de poudre de silice par le sédiment calciné, en utilisant spécifiquement 10 %, 20 % ou 30 % de sédiment dans la partie liante. Pour s'assurer que le matériau durcissait correctement, les chercheurs ont placé le béton frais dans un four et l'ont chauffé à différentes températures et pendant différentes durées. Ils ont testé la résistance des blocs durcis en les pressant jusqu'à ce qu'ils se brisent et en mesurant la force qu'ils pouvaient supporter. Ils ont également examiné la densité du matériau, car la densité joue souvent un rôle dans la capacité d'un matériau à bloquer les radiations.

Les résultats ont montré que la quantité de sédiment et le programme de chauffage importaient énormément. Les mélanges contenant 10 % et 20 % de sédiment ont généralement mieux performé que ceux ne contenant aucun sédiment ou contenant la quantité maximale de 30 %. La meilleure performance est venue du mélange avec 10 % de sédiment, qui a été chauffé à 80 degrés Celsius pendant 10 heures. Cet échantillon spécifique a atteint une résistance à la compression de 58,41 mégapascals, une mesure de la pression qu'il peut supporter avant de céder. Le mélange avec 20 % de sédiment a également bien performé, atteignant 55,50 mégapascals dans les mêmes conditions. En revanche, le mélange avec 30 % de sédiment était le plus faible et le moins dense, suggérant que l'ajout excessif de matériau de barrage perturbait la structure du béton. Les chercheurs ont constaté que des temps de chauffage plus longs menaient généralement à un béton plus solide, mais seulement jusqu'à un certain point, et que la température spécifique devait être soigneusement contrôlée.

Pour comprendre comment ce nouveau béton pouvait arrêter les radiations, les chercheurs n'ont pas utilisé de véritable source de rayonnement, ce qui serait dangereux et difficile à mesurer précisément en laboratoire. À la place, ils ont utilisé une puissante simulation informatique pour modéliser la façon dont un faisceau de photons de haute énergie voyagerait à travers le matériau. Ils ont simulé un faisceau similaire à ceux utilisés dans les accélérateurs linéaires médicaux modernes. L'ordinateur a calculé la profondeur à laquelle le rayonnement pénétrerait avant que son intensité ne chute de moitié, une mesure connue sous le nom de couche de demi-valeur, et la profondeur à laquelle il tomberait avant de chuter d'un dixième. Pour le mélange géopolymère avec 10 % de sédiment, la simulation a montré une couche de demi-valeur de 9,94 centimètres et une couche de dixième de valeur de 27,19 centimètres.

Ces chiffres simulés étaient très proches de ceux du béton standard, qui présentait une couche de demi-valeur de 10,11 centimètres. Cela suggère que le nouveau béton géopolymère, fabriqué avec du sédiment de barrage local, bloquerait les radiations presque aussi efficacement que le béton conventionnel actuellement utilisé dans les hôpitaux et les installations techniques. Cependant, la simulation a également montré qu'un béton spécialisé contenant du baryum, un élément lourd souvent ajouté aux matériaux de blindage, était plus performant, avec une distance beaucoup plus courte requise pour réduire le rayonnement. L'étude souligne que, bien que le mélange géopolymère soit prometteur, les résultats sur les radiations sont entièrement basés sur des modèles informatiques. Les chercheurs insistent sur le fait que ces conclusions sont préliminaires et que des expériences en conditions réelles sont nécessaires pour confirmer que le matériau fonctionne aussi bien en pratique qu'en simulation.

Ce travail met en lumière une voie possible pour la construction durable en Algérie et au-delà. En transformant un défi environnemental local — l'accumulation de sédiments dans les barrages — en un composant de construction utile, les chercheurs ont démontré que les déchets peuvent être transformés en un matériau de haute performance. Le béton s'est avéré assez solide pour une utilisation structurelle et a montré des capacités de blocage des radiations simulées comparables aux matériaux de construction standards. Pourtant, le passage du laboratoire au chantier de construction nécessite d'autres étapes. L'équipe a noté que les données sur les radiations doivent faire l'objet d'une validation expérimentale et que des informations plus détaillées sur la durabilité à long terme et l'impact environnemental du matériau sont nécessaires. Pour l'instant, l'étude constitue une preuve de concept solide, montrant qu'un mélange de laitier industriel et de sédiment de barrage calciné peut créer un béton qui est à la fois mécaniquement sain et potentiellement capable de protéger contre les rayonnements de haute énergie.