Le bicarbonate de soude sauve le monde : un nouvel additif dans le mélange de béton pourrait réduire les émissions de carbone

Mar 13, 2023

Par David L. Chandler, Massachusetts Institute of Technology11 avril 2023

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

MITMIT is an acronym for the Massachusetts Institute of Technology. It is a prestigious private research university in Cambridge, Massachusetts that was founded in 1861. It is organized into five Schools: architecture and planning; engineering; humanities, arts, and social sciences; management; and science. MIT's impact includes many scientific breakthroughs and technological advances. Their stated goal is to make a better world through education, research, and innovation." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Les ingénieurs du MIT découvrent de nouvelles voies de carbonatation pour créer un béton plus respectueux de l'environnement.

Selon des chercheurs du MIT, l'empreinte carbone du béton pourrait être réduite de 15 % si du bicarbonate de sodium était introduit au cours des premières étapes du mélange. L'ajout de l'ingrédient domestique commun aide à produire des carbonates lors du mélange et du versement, ce qui pourrait réduire considérablement la quantité de dioxyde de carbone rejetée dans l'atmosphère pendant la production. Ce processus permet à la construction d'être plus productive, car les coffrages peuvent être retirés plus tôt, ce qui réduit le temps nécessaire pour terminer un bâtiment ou un pont.

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

Les résultats sont publiés le 28 mars dans la revue PNAS Nexus, dans un article rédigé par les professeurs de génie civil et environnemental du MIT Admir Masic et Franz-Josef Ulm, le post-doctorant du MIT Damian Stefaniuk et le doctorant Marcin Hajduczek, et James Weaver du Wyss Institute 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. Lors de sa fabrication, cependant, de grandes quantités de dioxyde de carbone sont libérées, à la fois comme sous-produit chimique de la production de ciment et dans l'énergie nécessaire pour alimenter ces réactions.

Approximately half of the emissions associated with concrete production come from the burning of fossil fuels such as oil and natural gas, which are used to heat up a mix of limestone and clay that ultimately becomes the familiar gray powder known as ordinary Portland cement (OPC). While the energy required for this heating process could eventually be substituted with electricity generated from renewable solar or wind sources, the other half of the emissions is inherent in the material itself: As the mineral mix is heated to temperatures above 1,400 degrees CelsiusThe Celsius scale, also known as the centigrade scale, is a temperature scale named after the Swedish astronomer Anders Celsius. In the Celsius scale, 0 °C is the freezing point of water and 100 °C is the boiling point of water at 1 atm pressure." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Celsius (2,552 degrees FahrenheitThe Fahrenheit scale is a temperature scale, named after the German physicist Daniel Gabriel Fahrenheit and based on one he proposed in 1724. In the Fahrenheit temperature scale, the freezing point of water freezes is 32 °F and water boils at 212 °F, a 180 °F separation, as defined at sea level and standard atmospheric pressure. " data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">Fahrenheit), il subit une transformation chimique du carbonate de calcium et de l'argile en un mélange de clinker (constitué principalement de silicates de calcium) et de dioxyde de carbone - ce dernier s'échappant dans l'air.

Lorsque l'OPC est mélangé avec de l'eau, du sable et du gravier pendant la production de béton, il devient hautement 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 ce 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 abaisser l'alcalinité interne, ce qui accélère la corrosion des barres d'armature. Ces processus détruisent finalement 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 à un stade avancé, qui peuvent se produire sur des échelles de temps de plusieurs décennies, sont depuis longtemps reconnues comme des voies indésirables qui accélèrent la détérioration du béton.

"Le problème avec ces réactions de carbonatation post-durcissement", explique Masic, "est que vous perturbez la structure et la chimie de la matrice de cimentation qui est très efficace pour prévenir la corrosion de l'acier, 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 lors du mélange et du coulage du béton, avant que le matériau ne durcisse, ce qui pourrait largement éliminer les effets néfastes de l'absorption de dioxyde de carbone après le durcissement du matériau.

La clé du nouveau procédé est l'ajout d'un ingrédient simple et peu coûteux : le bicarbonate de sodium, autrement 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 - suffisamment pour potentiellement réduire considérablement l'empreinte carbone globale du matériau.

"C'est très excitant", déclare Masic, "parce que nos recherches font progresser le concept de béton multifonctionnel en incorporant les avantages supplémentaires de la minéralisation du dioxyde de carbone pendant la production et la coulée."

De plus, le béton obtenu prend beaucoup plus rapidement via la formation d'une phase composite non décrite précédemment, sans impact sur ses performances mécaniques. Ce processus permet ainsi à l'industrie de la construction d'être plus productive : les coffrages peuvent être retirés plus tôt, ce qui réduit le temps nécessaire pour terminer un pont ou un bâtiment.

Le composite, un mélange de carbonate de calcium et d'hydrate de calcium et de silicium, "est un matériau entièrement nouveau", explique Masic. "De plus, grâce à sa formation, nous pouvons doubler les performances mécaniques du béton au stade initial." Cependant, ajoute-t-il, cette recherche est toujours un effort continu. "Bien qu'il soit actuellement difficile de savoir comment la formation de ces nouvelles phases aura un impact sur les performances à long terme du béton, ces nouvelles découvertes suggèrent un avenir optimiste pour le développement de matériaux de construction neutres en carbone."

Bien que l'idée de la carbonatation du béton à un stade précoce 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 mettent en évidence le fait que la capacité de prédurcissement du béton à séquestrer le dioxyde de carbone a été largement sous-estimée et sous-utilisée.

« Notre nouvelle découverte pourrait en outre être combinée avec 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 négatifs en carbone, pour l'environnement bâti, faisant passer le béton d'un problème à une partie d'une solution », déclare Masic.

Référence : "Cementing CO2 into CSH: A step into concrete carbon neutrality" par Damian Stefaniuk, Marcin Hajduczek, James C Weaver, Franz J Ulm et Admir Masic, 28 mars 2023, PNAS Nexus.DOI: 10.1093/pnasnexus/pgad052

La recherche a été soutenue par le Concrete Sustainability Hub du MIT, qui est parrainé par la Portland Cement Association et la Concrete Research and Education Foundation.