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Ciment de substitution

Recette pour l’éco-béton

4 juin 2020 | ANDREA SIX

Le ciment doit devenir plus respectueux de l’environnement. C’est pourquoi les chercheurs de l’Empa travaillent sur la mise au point d’un ciment de substitution qui émet nettement moins ou qui peut même lier le dioxyde de carbone, un gaz à effet de serre.

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Meilleur équilibre climatique désiré : si 1 tonne de ciment conventionnel est produite, environ 800 kilo-grammes de dioxyde de carbone vont être émis dans l’atmosphère. Image: iStock

C’est le produit le plus utilisé dans le monde. Le ciment est indispensable mais en même temps dénigré dans le débat sur le climat. Mélangé à l’eau, au sable et au gravier, le béton dont les épaules portent notre monde moderne est là. Mais ce matériau économe attire avant tout l’attention en raison d’une autre propriété: si une tonne de ciment est produite, environ 700 kg de dioxyde de carbone vont s’échapper dans l’atmosphère. C’est moins que dans le cas de l’extraction de l’acier ou de l’aluminium, par exemple. Mais c’est la quantité qui fait la différence. Chaque année, nous produisons environ douze kilomètres cubes de béton dans le monde entier, une quantité qui pourrait remplir complètement le lac des Quatre-Cantons – chaque année. Et la tendance est à la hausse.

La part des émissions mondiales de dioxyde de carbone dues à l’industrie du ciment est actuellement d’environ 7 %. Toutefois, il est probable que cette tendance s’accentuera à l’avenir, car la demande augmente en Asie et également en Afrique, tandis que la production en Europe est stable. Il est donc grand temps de chercher du ciment qui offre des logements et des infrastructures à la population, tout en tenant compte des aspects environnementaux et qui peut être produit conformément aux objectifs climatiques. Le Programme des Nations Unies pour l’environnement (PNUE) préconise également la mise au point et l’utilisation immédiates de nouveaux matériaux à base de ciment qui soient plus respectueux du climat et plus économiques. C’est pourquoi les chercheurs de l’Empa travaillent sur d’autres types de ciment et de béton qui produisent moins de gaz à effet de serre ou qui fixent même le dioxyde de carbone.

«Le ciment est traditionnellement brûlé dans un four rotatif à environ 1450 degrés Celsius», explique Frank Winnefeld, chercheur de l’Empa au Concrete & Asphalt Laboratory. Les combustibles fossiles peuvent être remplacés par des énergies alternatives. «Cependant, avec un degré de substitution moyen de 50 pour cent avec les technologies actuelles, le potentiel d’économies est déjà épuisé, du moins en Europe», déclare Winnefeld. Cependant, il est possible d’économiser plus d’énergie en utilisant des matières premières qui nécessitent une température de combustion plus basse. Un candidat prometteur est le ciment CSA à base de sulfoaluminate de calcium. Il nécessite une température de cuisson inférieure de 200 degrés et émet environ 200 kilogrammes de dioxyde de carbone en moins par tonne de ciment. Cependant, la réduction des émissions de gaz à effet de serre n’est pas seulement due à la baisse de la température de cuisson. Une grande partie de l’avantage climatique du ciment CSA est due à une plus faible quantité de calcaire dans le mélange de matières premières.

Une demande énorme
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Le scientifique de l’Empa Alex German étudie des composants alternatifs à base de magnésium. Image: Empa

Le calcaire est à l’origine de la majorité des émissions de CO2 lors d’une réaction chimique de la production de ciment. Réduire la proportion de calcaire est donc un aspect intéressant dans le développement de l’éco-ciment. En plus du ciment CSA, il s’agit, par exemple, de constituants qui s’accumulent comme déchets dans d’autres branches de l’industrie. Il s’agit notamment des scories provenant des hauts fourneaux utilisés dans la production de fonte brute et des cendres volantes provenant de la combustion du charbon. Les deux produits peuvent être mélangés avec du ciment pour aider à réduire les émissions de CO2 .

Mais ces matières premières secondaires ne peuvent répondre à la demande gigantesque de l’industrie. C’est pourquoi les chercheurs de l’Empa innovent et identifient des branches industrielles dont les résidus sont encore peu utilisés. «La récupération métallurgique des métaux précieux à partir des déchets électroniques laisse un laitier de haute qualité qui peut également être mélangé au ciment sous forme de poudre», explique Winnefeld. Si la teneur en métaux lourds est conforme aux normes légales, ce ciment pourrait également être utilisé en Suisse. La bonne nouvelle, c’est que les sédiments de la «mine urbaine» provenant des restes de nos téléphones portables et ordinateurs hors d’usage continueront à augmenter à l’avenir. Selon le chercheur, il est également possible d’utiliser des déchets minéraux de construction pour le ciment mélangé.

Le type d’additifs dans le ciment pourrait même être modifié de telle sorte que le processus de combustion pourrait être complètement éliminé. Dans les ciments dits alcali-activés, les composants tels que le laitier, les cendres ou l’argile calcinée sont animés jusqu’à la réaction chimique souhaitée par des solutions alcalines fortes telles que des silicates de sodium. Les produits de cette réaction se combinent ensuite pour former un matériau dont la résistance à la compression correspond à celle du ciment conventionnel brûlé.

Béton et Ciment

La production de béton entre globalement pour 6% – en Suisse 9% – dans les émissions humaines de CO2 . Sa recette de base: pour un mètre cube de béton, mélanger 300 kg de ciment, 180 litres d’eau et 1890 kg de granulat. Les émissions de CO2 proviennent essentiellement de la production du ciment qui passe par une cuisson à 1450°C, laquelle libère le CO2 entrant dans la composition du calcaire. La production annuelle mondiale de ciment est de 2,8 milliards de tonnes.

Le gaz climatique banni dans le béton

La capacité de lier le dioxyde de carbone dans le béton au lieu de le libérer est également une caractéristique ingénieuse. Un béton CO2 négatif serait un véritable ami du climat. Les chercheurs de l’Empa travaillent par exemple sur un ciment à base de magnésium qui servira de base à cet éco-béton. Les ressources pour la matière première sont disponibles dans les régions où l’olivine contenant du magnésium se trouve dans le sol. Le minéral se trouve principalement dans les profondeurs du manteau terrestre. Cependant, s’il est transporté à la surface de la terre par l’activité volcanique, par exemple en Scandinavie, il peut être dégradé. Dans la production de ciment à partir d’olivine, le dioxyde de carbone est ensuite ajouté au silicate de magnésium brut. Et comme une partie seulement de la matière est brûlée au cours d’une étape de traitement ultérieure, la combustion du ciment produit moins de CO2 qu’elle n’en consommait auparavant. Bien que le résultat porte déjà un nom accrocheur («MOMS», oxyde de magnésium dérivé des silicates), ses propriétés sont encore largement inexplorées.

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Les ingrédients de l'éco-ciment sont mélangés dans le laboratoire du béton. Image: Empa
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L’oxyde de magnésium et l’hydromagnésite donnent au mortier de laboratoire respectueux du climat sa couleur blanche. Image: Empa
Une diversité croissante

Pour s’assurer que de telles approches ne se transforment pas en produits de niche, mais peuvent être produites de manière industrielle et rentable, des analyses méticuleuses doivent démontrer que l’éco-ciment répond aux mêmes exigences que les produits conventionnels. De nombreux autres types de ciment n’ont actuellement pas les recettes simples pour ajouter de nouveaux constituants ou modifier les procédés de fabrication sans compromettre les propriétés convoitées du ciment traditionnel. Tant que la performance au moins équivalente de l’éco-ciment ne peut être démontrée sans l’ombre d’un doute, le ciment Portland classique, matériau de construction économique et caractérisé de manière optimale, restera le matériau décisif pour les ingénieurs civils.

Les chercheurs cimentiers de l’Empa analysent actuellement les rapports de mélange chimique et les critères de conformité tels que la résistance et la durabilité de nouveaux types de ciment, ouvrant ainsi la voie à des homologations conformes aux normes. Il s’agit notamment d’enquêtes à petite échelle et à une échelle gigantesque. Outre les études chimiques, les analyses microscopiques et la modélisation thermodynamique, qui permettent d’étudier les réactions à l’intérieur du ciment, la capacité portante de grands composants de différents types de ciment est également comparée.

«Les processus industriels doivent encore être optimisés, car ils sont encore trop coûteux dans de nombreux cas», explique Winnefeld. Il est déjà clair, cependant, que d’autres types de ciment peuvent être utilisés pour produire un béton d’une durabilité comparable, voire meilleure.

Quoi qu’il en soit, un développement est déjà en train d’émerger: la variété des produits de ciment et de béton va augmenter à l’avenir. Pour les producteurs de matériaux de construction, cette diversité s’accompagne d’exigences accrues. En outre, Winnefeld est convaincu que l’utilisation de matières premières secondaires rendrait les solutions locales plus attrayantes en l’absence de voies de transport, par exemple parce que des résidus industriels appropriés sont produits près d’une cimenterie.

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Audio

Le chercheur de l'Empa Frank donne un aperçu du développement de la production de béton et explique les obstacles à l'utilisation de ciment absorbant le CO2. Emission de radio sur Deutschlandfunk, Wissenschaft im Brennpunkt du 20 decembre 2020 (en Allemand)

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