Avec le béton, moins c'est plus

May 08, 2023

Alors que les dirigeants mondiaux se réunissent à la conférence annuelle du Forum économique mondial à Davos pour discuter des problèmes mondiaux, y compris le changement climatique, ils passeront la journée entourés de béton. Les maisons, les gratte-ciel, les routes, les autoroutes, les ponts, les trottoirs, les systèmes d'approvisionnement en eau, les barrages et bien d'autres dépendent du béton pour ses propriétés de résistance inégalées, sa durabilité, sa polyvalence et son faible coût. Il n'est pas surprenant que la demande mondiale de ciment, qui durcit en béton lorsqu'il est mélangé avec de l'eau et des minéraux, devrait augmenter de 48 %, passant de 4,2 milliards à 6,2 milliards de tonnes d'ici 2050.

Dans la récente urbanisation massive de la Chine, la nation a utilisé plus de béton entre 2011 et 2013 que les États-Unis pendant tout le XXe siècle. Alors que l'utilisation du béton en Chine ralentit, la consommation en Inde, en Afrique et dans d'autres pays en développement montera en flèche dans le cadre du développement économique, avec des utilisations réparties entre le résidentiel, le commercial et les infrastructures. Bien qu'essentiel à la construction des structures qui améliorent notre vie quotidienne, le béton est responsable de 8 % des émissions mondiales de carbone ; et 90 % de ces émissions proviennent de la production de clinker, le principal ingrédient du béton qui contribue à la résistance.

Conformément à l'Accord de Paris sur le climat, l'industrie mondiale du béton doit réduire ses émissions de 16 % d'ici 2030 et de 100 % d'ici 2050 pour rester dans les limites du budget carbone d'un réchauffement de 1,5 °C. Cet effort nécessitera des changements importants dans la chaîne de valeur du béton, mais la mesure la plus simple et la plus rentable consiste à utiliser moins de matériaux tout en répondant aux exigences du projet. La réduction de la demande de clinker à forte intensité de carbone contribuera à remettre l'industrie du béton sur la bonne voie pour atteindre ses objectifs climatiques.

La première étape vers l'atténuation de l'empreinte carbone du secteur consiste à utiliser moins de béton dans chaque application, même à mesure que les applications se développent. Il existe plusieurs méthodes existantes et en développement pour assurer l'efficacité des matériaux en béton qui peuvent conduire à d'importantes économies de carbone sans changer le matériau lui-même. Les conceptions traditionnelles des bâtiments et autres projets visent à minimiser les coûts plutôt que les émissions de carbone et à superposer des marges de conception excessives. Cependant, les progrès récents et en cours dans les outils de conception automatisés permettent aux ingénieurs en structure et aux architectes d'explorer rapidement davantage d'options structurelles pour un projet donné, en tenant davantage compte de l'efficacité des matériaux.

La publication de RMI, Profitably Decarbonizing Heavy Transport and Industrial Heat, se penche sur les économies de béton et d'acier qui peuvent être réalisées de manière rentable grâce à une meilleure conception structurelle. Par exemple, de telles méthodes d'ingénierie ont permis à la Freedom Tower de New York et à la Shanghai Tower en Chine d'économiser respectivement 40 % et 24 % de l'utilisation du béton. À mesure que les logiciels de conception automatisés s'améliorent, la conception allégée devrait être compétitive en termes de coût (en temps de conception) avec les méthodes actuelles et devenir un moteur principal de réduction de la demande.

Un deuxième levier est de ne pas utiliser de béton neuf. Dans certains cas, des options telles que la réutilisation d'éléments en béton d'anciennes structures peuvent permettre de réduire les émissions de CO2. Cependant, la bonne réponse variera d'une région à l'autre et dépendra d'une foule d'autres facteurs, notamment le type de construction, les exigences de conception, la disponibilité locale des matériaux, etc.

Dans le même temps, les codes du bâtiment et les préférences du marché doivent être adaptés pour permettre l'utilisation de béton à faible émission de carbone. Alors que le carbone devient un élément clé de la construction de nos infrastructures, nous devons combler l'écart d'innovation entre les besoins des concepteurs et la technologie existante. Des outils comme l'outil EC3 comparent efficacement le carbone incorporé des options de conception de projet ainsi que des tests rigoureux ouvriront la voie aux structures à faible émission de carbone de l'avenir.

En plus de réduire la quantité totale de béton utilisée dans les bâtiments, l'utilisation de moins de ciment par unité de béton est un autre moyen efficace de réduire la teneur en clinker et l'intensité carbone du béton. Pour réduire l'intensité du liant sans augmenter le risque, nous devrions passer à l'utilisation de ciment en vrac, comme le béton prêt à l'emploi, dans lequel le gaspillage de ciment est réduit jusqu'à 30 %, les spécifications de mélange et la création du mélange sont plus précises et des produits chimiques appelés adjuvants peuvent être ajoutés à améliorer les propriétés du béton et réduire les besoins en ciment.

Dans de nombreux pays, les constructeurs préfèrent toujours l'utilisation de ciment en sac, ce qui entraîne à la fois des déchets et une surutilisation. L'industrialisation d'une partie du marché mondial du ciment en sac (actuellement 42 %) permettrait de réaliser d'importantes économies de ciment, mais nécessite des investissements dans des usines de béton prêt à l'emploi et des camions de ciment et un changement considérable dans la dynamique du marché local. Dans des régions telles que les États-Unis et l'UE, l'utilisation du ciment est déjà largement industrialisée, alors que la part de marché du ciment en sac en Inde est de près de 90 %, offrant une énorme opportunité d'économies de carbone. Les usines existantes intègrent déjà une grande variété d'adjuvants chimiques tels que des dispersants qui réduisent les besoins en eau et par conséquent la quantité de ciment nécessaire. D'autres adjuvants comprennent des accélérateurs qui renforcent le béton plus rapidement et des agents de retranchement de l'air qui permettent aux bulles d'air d'augmenter le volume et de déplacer l'apport de matériaux solides pour les applications à faible résistance.

L'innovation pour créer de nouveaux adjuvants ainsi que pour augmenter l'applicabilité, l'efficacité et la compétitivité des coûts des solutions existantes permettra de réduire considérablement la teneur en clinker et en ciment dans le béton tout en maintenant les performances dans une application donnée.

Les alternatives au ciment à clinker portland traditionnel ont également fait l'objet de nombreuses recherches, mais le coût, les performances des matériaux, la disponibilité des matières premières et les apports énergétiques ont entraîné une adoption limitée. Bien que ce levier ait un certain mérite, le déploiement à grande échelle de ces solutions de niche est peu probable à court terme car elles restent des produits relativement personnalisés, cherchant des niches dans un monde hautement banalisé.

Cependant, l'utilisation de ciment Portland moins ordinaire a gagné du terrain d'une autre manière - en remplaçant des quantités limitées de matériaux cimentaires supplémentaires (MCS) dans les mélanges de ciment pour déplacer partiellement le clinker. Les ajouts cimentaires présentent un comportement similaire à celui du clinker lorsqu'ils sont mélangés à de l'eau et contribuent à la résistance du mélange de ciment, mais dans la plupart des cas, ils ne peuvent pas complètement déplacer le clinker. Les SCM comprennent les déchets industriels tels que le laitier granulé de haut fourneau (GBFS) et les cendres volantes, les argiles calcinées, les pouzzolanes naturelles et le calcaire broyé. Le rapport clinker/ciment actuel est de 0,72, mais la Global Cement and Concrete Association (GCCA) vise une réduction de 18 % de la teneur mondiale moyenne en clinker du ciment d'ici 2050.

La sélection de béton avec des taux de substitution de clinker élevés peut immédiatement réduire les émissions de carbone associées d'un bâtiment traditionnel de cinq étages de 32 % avec une augmentation de moins de 0,5 % du coût total de construction. L'ancien Panthéon romain est entièrement construit en ciment pouzzolane naturel, tandis que des exemples plus modernes incluent The Spheres à Seattle et l'Iconic Tower au Caire, qui utilisent tous deux le ciment ECOPlanet à faible émission de carbone de Holcim. Bien que bon nombre de ces SCM offrent des avantages en termes de performances, un temps de prise accru et une résistance initiale réduite peuvent retarder les délais du projet et entraîner des coûts supplémentaires dans certains cas.

L'amélioration des adjuvants accélérateurs qui améliorent le temps de prise et la résistance est cruciale pour une plus grande incorporation des SCM dans le béton mélangé. D'autres tests et mises à jour des normes sont également essentiels pour améliorer l'adoption. Il est important de noter, cependant, que l'offre de cendres volantes et de GBFS devrait diminuer à mesure que leurs sources, respectivement les centrales au charbon et les usines sidérurgiques, sont progressivement supprimées et décarbonées, ce qui rend l'exploration et l'extraction d'autres SCM encore plus critiques pour créer un béton plus vert. . Compte tenu de la disponibilité mondiale de calcaire et d'argile kaolinite calcinée, le ciment LC3 - composé de 50 % de clinker, 30 % d'argile calcinée, 15 % de calcaire et 5 % de gypse - est considéré comme une approche prometteuse pour l'avenir du béton à faible émission de carbone. Au fur et à mesure que de nouveaux ajouts cimentaires et des améliorations de la performance des ciments mélangés actuels apparaissent, le facteur clinker et l'intensité carbone du béton continueront de diminuer. Cependant, le temps presse dans cette décennie décisive d'action climatique.

Des entités telles que First Movers Coalition, ConcreteZero, Industrial Deep Decarbonization Initiative et d'autres demandent maintenant du béton à faible émission de carbone, et les fournisseurs devront agir pour répondre à la demande croissante. L'innovation tout au long de la chaîne de valeur concrète peut réduire à la fois les émissions et les coûts, repoussant les limites techniques de l'intensité carbone et éclairant les changements de politique. Nous avons besoin d'une approche à plusieurs volets, ciblant les réductions de béton, de ciment et de clinker. Les ingénieurs en structure du futur exploreront rapidement une frontière efficace d'options de conception à l'aide de logiciels de pointe, tandis que les usines de béton prêt à l'emploi fourniront aux projets un béton à faible intensité de carbone. Ces réductions de la demande ne sont qu'une partie de l'équation, et les mesures du côté de l'offre telles que les carburants alternatifs, l'électrification et la capture du carbone devront éliminer les émissions restantes.

Dans le cadre du partenariat Mission Possible, RMI s'est associé à la Commission des transitions énergétiques, à Systemiq, au Forum économique mondial, à l'Académie européenne de recherche sur le ciment (ECRA) et à la GCCA pour explorer chacun de ces leviers de décarbonation en plus des leviers de décarbonation du côté de l'offre dans le futur. Stratégie de transition du secteur du ciment à paraître. L'industrie du béton et du ciment est à l'aube d'une transformation radicale dans son cheminement vers la transition énergétique nette zéro.