Après l'eau, Le béton est le matériau le plus consommé sur Terre. Des chercheurs du MIT Concrete Sustainability Hub étudient comment réduire son impact. Crédit :Vie de Pix/Pexels
Il y a beaucoup de choses que la personne moyenne ne sait pas sur le béton. Par exemple, c'est poreux; c'est le matériau le plus utilisé au monde après l'eau; et, peut-être plus fondamentalement, ce n'est pas du ciment.
Bien que beaucoup utilisent indifféremment « ciment » et « béton », ils se réfèrent en fait à deux matériaux différents, mais liés :le béton est un composite constitué de plusieurs matériaux, dont l'un est le ciment.
La production de ciment commence par le calcaire, une roche sédimentaire. Une fois extrait, il est mélangé à une source de silice, tels que les scories de sous-produits industriels ou les cendres volantes, et se fait cuire dans un four à 2, 700 degrés Fahrenheit. Ce qui sort du four est appelé clinker. Les cimenteries broient le clinker en une poudre extrêmement fine et y mélangent quelques additifs. Le résultat final est le ciment.
"Le ciment est ensuite amené sur des sites où il est mélangé à de l'eau, où il devient pâte de ciment, " explique le professeur Franz-Josef Ulm, directeur de la faculté du MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub). "Si vous ajoutez du sable à cette pâte, elle devient du mortier. Et si vous ajoutez au mortier de gros agrégats - des pierres d'un diamètre allant jusqu'à un pouce - cela devient du béton."
Ce qui rend le béton si solide, c'est la réaction chimique qui se produit lorsque le ciment et l'eau se mélangent, un processus connu sous le nom d'hydratation.
"L'hydratation se produit lorsque le ciment et l'eau réagissent, " dit Ulm. " Pendant l'hydratation, le clinker se dissout dans le calcium et se recombine avec l'eau et la silice pour former des hydrates de calcium et de silice.
Hydrates de silice de calcium, ou CSH, sont la clé de la solidité du ciment. Au fur et à mesure qu'ils se forment, ils se combinent, développer des liens étroits qui confèrent de la résistance au matériau. Ces connexions ont un sous-produit surprenant :elles rendent le ciment incroyablement poreux.
Dans les espaces entre les liaisons de CSH, de minuscules pores se développent - à l'échelle de 3 nanomètres, ou environ 8 millionièmes de pouce. Ceux-ci sont connus sous le nom de pores de gel. En plus de cela, toute eau qui n'a pas réagi pour former du CSH pendant le processus d'hydratation reste dans le ciment, créer un autre ensemble de pores plus gros, appelés pores capillaires.
Selon les recherches menées par CSHub, le Centre National de la Recherche Scientifique, et Aix-Marseille Université, la pâte de ciment est si poreuse que 96 pour cent de ses pores sont connectés.
Malgré cette porosité, Le ciment possède d'excellentes propriétés de résistance et de liaison. Bien sûr, en diminuant cette porosité, on peut créer un produit final plus dense et encore plus fort.
À partir des années 1980, les ingénieurs ont conçu un matériau, le béton à hautes performances (BHP), qui a fait exactement cela.
"Le béton à hautes performances développé dans les années 1980 lorsque les gens ont réalisé que les pores capillaires peuvent être réduits en partie en réduisant le rapport eau/ciment, " dit Ulm. " Avec l'ajout de certains ingrédients aussi, cela a créé plus de CSH et réduit l'eau qui restait après l'hydratation. Essentiellement, il a réduit les pores plus gros remplis d'eau et a augmenté la résistance du matériau."
Bien sûr, note Ulm, la réduction du rapport eau/ciment pour le HPC nécessite également plus de ciment. Et selon la façon dont ce ciment est produit, cela peut augmenter l'impact environnemental du matériau. C'est en partie parce que lorsque le carbonate de calcium est cuit dans un four pour produire du ciment conventionnel, une réaction chimique se produit qui produit du dioxyde de carbone (CO
Une autre source de CO du ciment
Étant donné que le béton est le matériau le plus populaire au monde et que le ciment est le principal liant utilisé dans le béton, ces deux sources de CO
Le directeur exécutif de CSHub Jeremy Gregory, cependant, voit l'échelle du béton comme une opportunité d'atténuer le changement climatique.
"Le béton est le matériau de construction le plus utilisé au monde. Et parce que nous en utilisons une si grande quantité, toute réduction que nous réalisons de son empreinte aura un impact important sur les émissions mondiales."
De nombreuses technologies nécessaires pour réduire l'empreinte du béton existent aujourd'hui, note-t-il.
« Lorsqu'il s'agit de réduire les émissions de ciment, nous pouvons augmenter l'efficacité des fours à ciment en augmentant notre utilisation de déchets comme sources d'énergie plutôt que comme combustibles fossiles, " explique Grégory.
« On peut aussi utiliser des ciments mélangés qui contiennent moins de clinker, comme le ciment calcaire de Portland, qui mélange du calcaire non chauffé dans l'étape de broyage finale de la production de ciment. La dernière chose que nous puissions faire est de capturer et de stocker ou d'utiliser le carbone émis lors de la production de ciment."
Captage du carbone, utilisation, et le stockage a un potentiel important pour réduire l'impact environnemental du ciment et du béton tout en créant de grandes opportunités de marché. Selon le Center for Climate and Energy Solutions, l'utilisation du carbone dans le béton aura un marché mondial de 400 milliards de dollars d'ici 2030. Plusieurs entreprises, comme Solidia Cement et Carbon Cure, prennent une longueur d'avance en concevant du ciment et du béton qui utilisent et, par conséquent, séquestrent le CO
"Ce qui est clair, bien que, " dit Grégory, « est que les mélanges de béton à faible teneur en carbone devront utiliser bon nombre de ces stratégies. Cela signifie que nous devons repenser la façon dont nous concevons nos mélanges de béton. »
Actuellement, les spécifications exactes des mélanges de béton sont prescrites à l'avance. Bien que cela réduise le risque pour les développeurs, elle entrave également les mélanges innovants qui réduisent les émissions.
Comme solution, Gregory préconise de spécifier les performances d'un mélange plutôt que ses ingrédients.
« De nombreuses exigences normatives limitent la capacité d'améliorer l'impact environnemental du béton, telles que les limites du rapport eau/ciment et l'utilisation de déchets dans le mélange, " explique-t-il. " Le passage à des spécifications basées sur la performance est une technique clé pour encourager plus d'innovation et atteindre les objectifs de coûts et d'impact environnemental. "
Selon Grégory, cela nécessite un changement de culture. Pour passer à des spécifications basées sur les performances, nombreux intervenants, comme les architectes, ingénieurs, et prescripteurs, devront collaborer pour concevoir le mix optimal pour leur projet plutôt que de s'appuyer sur un mix préconçu.
Pour encourager d'autres moteurs de béton bas carbone, dit Grégory, « nous devons [également] éliminer les obstacles liés aux risques et aux coûts. Nous pouvons atténuer les risques en demandant aux producteurs de déclarer les empreintes environnementales de leurs produits et en permettant des spécifications basées sur les performances. Pour gérer les coûts, nous devons soutenir le développement et le déploiement de technologies de capture du carbone et à faible émission de carbone."
Si les innovations peuvent réduire les émissions initiales du béton, le béton peut également réduire les émissions par d'autres moyens.
Une façon est à travers son utilisation. L'application de béton dans les bâtiments et les infrastructures peut permettre de réduire les émissions de gaz à effet de serre au fil du temps. Bâtiments en béton, par exemple, peut avoir une efficacité énergétique élevée, tandis que les propriétés de surface et structurelles des chaussées en béton permettent aux voitures de consommer moins de carburant.
Le béton peut également réduire une partie de son impact initial par exposition à l'air.
"Ce qui est unique avec le béton, c'est qu'il absorbe du carbone au cours de sa vie au cours d'un processus chimique naturel appelé carbonatation, " dit Grégory.
La carbonatation se produit progressivement dans le béton sous forme de CO
carbonatation, bien que, a un inconvénient. Cela peut entraîner la corrosion des barres d'armature en acier souvent insérées dans le béton. Aller de l'avant, les ingénieurs peuvent chercher à maximiser l'absorption de carbone du processus de carbonatation tout en minimisant les problèmes de durabilité qu'il peut poser.
carbonatation, ainsi que des technologies comme la capture du carbone, utilisation, et stockage et mélanges améliorés, contribueront tous à un béton à faible teneur en carbone. Mais rendre cela possible nécessitera la coopération du monde universitaire, industrie, et le gouvernement, dit Grégory.
Il voit cela comme une opportunité.
"Le changement n'a pas à se produire uniquement sur la base de la technologie, ", note-t-il. "Cela peut aussi se produire par la façon dont nous travaillons ensemble vers des objectifs communs."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
