De nouveaux additifs pourraient transformer le béton en un puits de carbone efficace

Les ingénieurs du MIT découvrent de nouvelles voies de carbonatation pour créer un béton plus respectueux de l'environnement.

L'introduction d'additifs dans les processus de fabrication du béton pourrait réduire l'empreinte carbone considérable de ce matériau sans altérer ses propriétés mécaniques globales, selon une étude du MIT.

Malgré les nombreux avantages du béton en tant que matériau de construction moderne, notamment sa grande résistance, son faible coût et sa facilité de fabrication, sa production représente actuellement environ 8 % des émissions mondiales de dioxyde de carbone.

Les récentes découvertes d'une équipe du MIT ont révélé que l'introduction de nouveaux matériaux dans les processus de fabrication du béton pourrait réduire considérablement cette empreinte carbone, sans altérer les propriétés mécaniques globales du béton.

Ces résultats sont publiés aujourd'hui dans la revue PNAS Nexus, dans un article rédigé par Admir Mazic et Franz-Josef Ulm, professeurs de génie civil et environnemental au MIT, Damian Stefaniuk, post-doctorant au MIT, Marcin Hajduczek, doctorant au MIT, et James Weaver, de l'institut Wyss de l'université de Harvard.

Après l'eau, le béton est le deuxième matériau le plus consommé au monde et représente la pierre angulaire des infrastructures modernes. Cependant, sa fabrication libère de grandes quantités de dioxyde de carbone, à la fois comme sous-produit chimique de la production de ciment et comme énergie nécessaire pour alimenter ces réactions.

Environ la moitié des émissions associées à la production de béton provient de la combustion de combustibles fossiles tels que le pétrole et le gaz naturel, qui sont utilisés pour chauffer un mélange de calcaire et d'argile qui devient finalement la poudre grise familière connue sous le nom de ciment Portland ordinaire (OPC : Ordinary Portland Cement).

Si l'énergie nécessaire à ce processus de chauffage pourrait éventuellement être remplacée par de l'électricité produite à partir de sources solaires ou éoliennes renouvelables, l'autre moitié des émissions est inhérente au matériau lui-même : Lorsque le mélange minéral est chauffé à des températures supérieures à 1 400 degrés Celsius, il subit une transformation chimique du carbonate de calcium et de l'argile en un mélange de clinker (composé principalement de silicates de calcium) et de dioxyde de carbone, ce dernier s'échappant dans l'air.

Lorsque l'OPC est mélangé à de l'eau, du sable et du gravier lors de la fabrication du béton, il devient très alcalin, créant un environnement apparemment idéal pour la séquestration et le stockage à long terme du dioxyde de carbone sous forme de matériaux carbonatés (un processus connu sous le nom de carbonatation). Malgré le potentiel du béton à absorber naturellement le dioxyde de carbone de l'atmosphère, lorsque ces réactions se produisent normalement, principalement dans le béton durci, elles peuvent à la fois affaiblir le matériau et réduire l'alcalinité interne, ce qui accélère la corrosion des barres d'armature.

Ces processus finissent par détruire la capacité portante du bâtiment et ont un impact négatif sur ses performances mécaniques à long terme. En tant que telles, ces réactions lentes de carbonatation tardive, qui peuvent se produire sur des décennies, sont depuis longtemps reconnues comme des voies indésirables qui accélèrent la détérioration du béton.

"Le problème de ces réactions de carbonatation post-polymérisation, explique Admir Mazic, est qu'elles perturbent la structure et la chimie de la matrice cimentaire qui est très efficace pour prévenir la corrosion de l'acier, ce qui conduit à la dégradation.

En revanche, les nouvelles voies de séquestration du dioxyde de carbone découvertes par les auteurs reposent sur la formation très précoce de carbonates pendant le mélange et le coulage du béton, avant que le matériau ne durcisse, ce qui pourrait éliminer en grande partie les effets néfastes de l'absorption du dioxyde de carbone après le durcissement du matériau.

La clé de ce nouveau procédé réside dans l'ajout d'un ingrédient simple et peu coûteux : le bicarbonate de sodium, également connu sous le nom de bicarbonate de soude. Lors de tests en laboratoire utilisant la substitution du bicarbonate de sodium, l'équipe a démontré que jusqu'à 15 % de la quantité totale de dioxyde de carbone associée à la production de ciment pouvait être minéralisée au cours de ces premières étapes, ce qui est suffisant pour réduire de manière significative l'empreinte carbone globale du matériau.

"C'est très intéressant", déclare Admir Mazic, "car notre recherche fait progresser le concept de béton multifonctionnel en incorporant les avantages supplémentaires de la minéralisation du dioxyde de carbone pendant la production et la coulée".

En outre, le béton obtenu durcit beaucoup plus rapidement grâce à la formation d'une phase composite non décrite jusqu'à présent, sans que ses performances mécaniques soient affectées. Ce procédé permet donc à l'industrie de la construction d'être plus productive : Les coffrages peuvent être enlevés plus tôt, ce qui réduit le temps nécessaire à l'achèvement d'un pont ou d'un bâtiment.

"Le composite, un mélange de carbonate de calcium et d'hydrate de calcium et de silicium, "est un matériau entièrement nouveau", explique Admir Mazic. "En outre, grâce à sa formation, nous pouvons doubler les performances mécaniques du béton à un stade précoce". Toutefois, ajoute-t-il, cette recherche est encore en cours. "Bien que l'on ne sache pas encore comment la formation de ces nouvelles phases influencera les performances à long terme du béton, ces nouvelles découvertes laissent entrevoir un avenir optimiste pour le développement de matériaux de construction neutres en carbone."

Bien que l'idée d'une carbonatation précoce du béton ne soit pas nouvelle, et que plusieurs entreprises existantes explorent actuellement cette approche pour faciliter l'absorption du dioxyde de carbone après que le béton a été coulé dans la forme souhaitée, les découvertes actuelles de l'équipe du MIT soulignent le fait que la capacité de précurseur du béton à séquestrer le dioxyde de carbone a été largement sous-estimée et sous-exploitée.

"Notre nouvelle découverte pourrait être combinée à d'autres innovations récentes dans le développement d'adjuvants pour béton à faible empreinte carbone afin de fournir des matériaux de construction beaucoup plus écologiques, voire neutres en carbone, pour l'environnement bâti, faisant ainsi du béton non plus un problème mais une partie de la solution", déclare Admir Mazic.

https://news.mit.edu/2023/new-additives-concrete-effective-carbon-sink-0328

https://academic.oup.com/pnasnexus/article/2/3/pgad052/7089570