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

May 07, 2023

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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 aujourd'hui 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 postdoctorant 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.

Environ la moitié des émissions associées à la production de béton proviennent 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). Bien que l'énergie nécessaire à ce processus de chauffage puisse éventuellement être remplacée par de l'électricité produite à partir de sources renouvelables solaires ou éoliennes, 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 (2 552 degrés 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 empêcher 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.

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

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