S’attaquer au principal obstacle à l’adoption d’un béton durable
Le béton est le matériau de construction le plus consommé au monde et le plus utilisé après l’eau. Il est fabriqué à partir de ciment, or, la production de ciment contribue à environ huit pour cent des émissions mondiales de CO2 tout en nécessitant une énorme quantité d’eau et de ressources minérales naturelles. La recherche d’une alternative plus respectueuse de l’environnement est une priorité. Le béton géopolymère (GPC pour «Geopolymer concrete») pourrait être la solution, mais son comportement imprévisible en cas d’incendie doit être pris en compte. Avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie (MSCA), le projet TemGPC a caractérisé les propriétés thermiques et mécaniques du GPC dans une multitude de conditions. Les résultats ont jeté les bases d’une conception du GPC améliorée, fondée sur la connaissance.
Béton géopolymère contre béton conventionnel
Le ciment Portland est fabriqué en chauffant du calcaire et des roches aluminosilicatées (telles que l’argile ou le schiste) dans un four rotatif à des températures pouvant atteindre 1 500 °C. L’eau est mélangée au ciment en poudre, du sable est ajouté au mortier de ciment et des agrégats (grosses pierres) sont incorporés au béton. La production de GPC élimine l’extraction de calcaire et le traitement à haute température, et réduit les besoins en eau. En effet, le ciment géopolymère est produit en dissolvant des matériaux aluminosilicatés (provenant de divers sous-produits ou déchets industriels) dans une solution activée par des alcalins à température douce, ce qui entraîne une géopolymérisation. Comme pour le béton à base de ciment Portland ordinaire, le mortier géopolymère et le GPC sont produits en ajoutant du sable et des agrégats grossiers, respectivement, au mélange géopolymère. Malgré ses avantages, le comportement du GPC en cas d’incendie demeure imprévisible et potentiellement dangereux. Le GPC est un matériau poreux. «La pression interstitielle est susceptible d’augmenter rapidement lorsque l’eau piégée dans les pores passe à l’état gazeux. Cela peut entraîner une rupture explosive du béton (appelée écaillage explosif). Pour réduire ce risque, il est essentiel de comprendre le comportement thermique et mécanique du GPC à des températures élevées», explique le superviseur du projet, Long-yuan Li, de l’université de Plymouth.
Investigations expérimentales et théoriques
Min Yu, boursier MSCA, a mené une étude expérimentale et théorique approfondie du mortier géopolymère et du GPC avec et sans fibres d’acier, dans des matériaux non chargés et préchargés, à différentes températures élevées et dans des conditions post-incendie. À partir des mesures de la résistance à la compression, du module d’élasticité, de la déformation maximale, de la ductilité et de la déformation thermique, le chercheur a développé des équations constitutives théoriques de la contrainte et de la déformation. Les études expérimentales de la déformation transitoire ont permis d’élaborer un modèle théorique pour la prédire. Enfin, «une modélisation par éléments finis pour le transfert de chaleur couplé, le transfert de masse et l’analyse des contraintes thermiques et mécaniques a été développée à l’aide de COMSOL. L’analyse numérique a été utilisée pour reproduire les modes de défaillance des échantillons de mortier géopolymère et du GPC observés lors des essais à l’état stable et à l’état transitoire», explique Min Yu.
Une performance au feu potentiellement meilleure que celle du béton à base de ciment Portland ordinaire
Les données expérimentales de TemGPC constituent une référence pour le GPC. Ses modèles théoriques peuvent être utilisés pour prédire sa résistance au feu, ce qui permet de concevoir des structures en béton à base de GPC sans risque d’incendie. Il est important de noter que «nos tests expérimentaux ont démontré que le GPC a des propriétés thermiques et mécaniques différentes de celles du béton à base de ciment Portland ordinaire. Cependant, s’il est conçu et mélangé correctement, le GPC pourrait avoir une meilleure performance au feu», résume Min Yu. Les avantages environnementaux, la durabilité et les caractéristiques de performance du GPC en ont fait une alternative attrayante pour la construction durable, en particulier dans les environnements difficiles et agressifs. Les outils de TemGPC ont répondu à une préoccupation majeure, ouvrant la voie à un GPC innovant et amélioré et à un secteur de la construction plus respectueux de l’environnement.
Mots‑clés
TemGPC, GPC, béton, incendie, géopolymère, ciment, béton géopolymère, modélisation par éléments finis, écaillage explosif, ciment Portland ordinaire
