Le béton nous a donné le Panthéon de Rome, l'Opéra de Sydney, le barrage Hoover et d'innombrables monolithes en blocs. La roche artificielle recouvre nos villes et nos routes, sous-tend les parcs éoliens et les panneaux solaires - et sera versé par tonne dans des projets d'infrastructure soutenus par des investissements de récupération COVID aux États-Unis et à l'étranger.

Cela coûte cher aux efforts de lutte contre le changement climatique, cependant, parce que le ciment - l'élément liant qui est mélangé avec du sable, du gravier et de l'eau pour faire du béton - se classe parmi les plus gros contributeurs industriels au réchauffement climatique.

« Le béton est omniprésent car c'est l'un des matériaux de construction les plus abordables, il est facilement manipulable et peut être moulé dans à peu près n'importe quelle forme, " dit Tiziana Vanorio, professeur agrégé de géophysique à l'Université de Stanford.

Mais la production de ciment libère jusqu'à 8 pour cent des émissions annuelles de dioxyde de carbone liées à l'activité humaine, et la demande devrait augmenter au cours des prochaines décennies à mesure que l'urbanisation et le développement économique entraînent la construction de nouveaux bâtiments et infrastructures. "Si nous voulons réduire les émissions de carbone aux niveaux nécessaires pour éviter un changement climatique catastrophique, nous devons changer la façon dont nous fabriquons le ciment, " dit Vanorio.

CO du béton 2 le problème commence avec le calcaire, une roche composée principalement de carbonate de calcium. Pour fabriquer du ciment Portland, l'ingrédient principal pâteux du béton moderne, on extrait du calcaire, broyés et cuits à haute température avec de l'argile et de petites quantités d'autres matériaux dans des fours géants. La production de cette chaleur implique généralement la combustion de charbon ou d'autres combustibles fossiles, représentant plus d'un tiers des émissions de carbone associées au béton.

La chaleur déclenche une réaction chimique qui produit des grumeaux gris de la taille d'un marbre appelés clinker, qui sont ensuite broyés en une fine poudre que nous reconnaissons comme du ciment. La réaction libère également du carbone qui pourrait autrement rester enfermé dans le calcaire pendant des centaines de millions d'années. Cette étape contribue à la majeure partie du CO restant 2 émissions de la production de béton.

Grâce au financement de la Strategic Energy Alliance du Precourt Institute for Energy de Stanford, Vanorio et ses collègues de Stanford sont maintenant en train de prototyper du ciment qui élimine le CO 2 -réaction chimique éructation en fabriquant du clinker avec une roche volcanique qui contient tous les éléments constitutifs nécessaires, mais pas de carbone.

Imiter la nature

En tant que matériau de construction le plus utilisé sur la planète, le béton a longtemps été une cible de réinvention. Les chercheurs et les entreprises ont trouvé l'inspiration pour de nouvelles recettes dans les récifs coralliens, carapaces de homard et les massues en forme de marteau des crevettes mantes. D'autres remplacent partiellement le clinker par des déchets industriels tels que les cendres volantes des centrales au charbon ou injectent du dioxyde de carbone capturé dans le mélange afin de réduire l'impact climatique du béton. Le président Joe Biden a appelé à étendre la capture du carbone et l'utilisation de carburant à l'hydrogène dans la fabrication du ciment pour aider à réduire de moitié les émissions de gaz à effet de serre des États-Unis par rapport aux niveaux de 2005 d'ici 2030.

Vanorio propose de supprimer complètement le calcaire et de commencer à la place avec une roche qui pourrait être extraite dans de nombreuses régions volcaniques du monde. "Nous pouvons prendre ce rocher, le broyer puis le chauffer pour produire du clinker en utilisant les mêmes équipements et infrastructures actuellement utilisés pour fabriquer du clinker à partir de calcaire, " dit Vanorio.

L'eau chaude mélangée à ce clinker à faible teneur en carbone le transforme non seulement en ciment mais favorise également la croissance de longs, des chaînes de molécules entrelacées qui ressemblent à des fibres enchevêtrées lorsqu'elles sont observées au microscope. Des structures similaires existent dans des roches naturellement cimentées dans des environnements hydrothermaux - des endroits où l'eau bouillante circule juste sous le sol - et dans des ports romains en béton, qui ont survécu 2, 000 ans d'assaut d'eau salée corrosive et de vagues déferlantes où le béton moderne s'effondrerait généralement en quelques décennies.

Comme les barres d'armature couramment utilisées dans les structures en béton modernes pour empêcher la fissuration, ces minuscules fibres minérales combattent la fragilité habituelle du matériau. "Le béton n'aime pas être étiré. Sans une sorte de renfort, il se cassera avant de se plier sous la contrainte, " dit Vanorio, auteur principal d'articles récents sur les microstructures du béton marin romain et sur le rôle de la physique des roches dans la transition vers un avenir à faibles émissions de carbone. La plupart du béton est maintenant renforcé à grande échelle à l'aide d'acier. "Notre idée est de la renforcer à l'échelle nanométrique en apprenant comment les microstructures fibreuses renforcent efficacement les roches, et les conditions naturelles qui les produisent, " elle a dit.

Leçons de guérison et de résilience

Le processus envisagé par Vanorio pour transformer une roche volcanique en béton ressemble à la façon dont les roches se cimentent dans des environnements hydrothermaux. Souvent trouvé autour des volcans et au-dessus des limites des plaques tectoniques actives, les conditions hydrothermales permettent aux roches de réagir rapidement et de se recombiner à des températures pas plus chaudes qu'un four domestique, en utilisant l'eau comme solvant puissant.

Comme la guérison de la peau, les fissures et les failles de la couche la plus externe de la Terre se cimentent au fil du temps grâce à des réactions entre les minéraux et l'eau chaude. "La nature a été une grande source d'inspiration pour des matériaux innovants qui imitent la vie biologique, " a déclaré Vanorio. "Nous pouvons également nous inspirer des processus terrestres qui permettent la guérison et la résilience des dommages."

Des briques et du métal forgé au verre et aux plastiques, les gens fabriquent depuis longtemps des matériaux en utilisant les mêmes forces qui animent le cycle de la roche terrestre :la chaleur, pression et eau. De nombreuses études archéologiques et minéralogiques indiquent que les anciens Romains ont peut-être appris à exploiter les cendres volcaniques pour la première recette de béton connue en les regardant durcir lorsqu'elles sont mélangées naturellement avec de l'eau. "Aujourd'hui, nous avons l'opportunité d'observer la cimentation avec le prisme de la technologie du 21ème siècle et de la connaissance des impacts environnementaux, " dit Vanorio.

A Stanford, elle s'est associée au professeur de science des matériaux et d'ingénierie Alberto Salleo pour aller au-delà de l'imitation de la géologie pour manipuler ses processus pour des résultats spécifiques et des propriétés mécaniques à l'aide de l'ingénierie à l'échelle nanométrique. "Il devient de plus en plus évident que le ciment peut être conçu à l'échelle nanométrique et devrait également être étudié à cette échelle, " dit Salleo.

Exploiter les petits défauts

De nombreuses propriétés du ciment dépendent de petits défauts et de la force des liaisons entre les différents composants, dit Salleo. Les minuscules fibres qui se développent et s'entrelacent lors de la cimentation des roches pulvérisées agissent comme des cordes de serrage, donner de la force. "Nous aimons dire que les matériaux sont comme les gens :ce sont leurs défauts qui les rendent intéressants, " il a dit.

En 2019, une curiosité constante pour le béton ancien qu'il avait vu parmi les ruines alors qu'il grandissait à Rome a incité Salleo à tendre la main à Vanorio, dont le propre voyage dans la physique des roches a commencé après avoir expérimenté le dynamisme de la croûte terrestre pendant son enfance dans une ville portuaire napolitaine au centre d'une caldeira où le béton romain a été conçu pour la première fois.

Depuis, Salleo est venu voir le travail sur un clinker bas carbone inspiré des processus géologiques comme une complémentarité logique avec les projets de son groupe liés à la durabilité, comme les cellules solaires bon marché à base de matières plastiques et les dispositifs électrochimiques de stockage d'énergie.

« Penser à un clinker à faible teneur en carbone est une autre façon de réduire la quantité de CO 2 que nous envoyons dans l'atmosphère, " dit-il. Mais ce n'est que le début. " La Terre est un gigantesque laboratoire où les matériaux se mélangent à hautes températures et hautes pressions. Qui sait combien d'autres structures intéressantes et finalement utiles existent ?"