Le béton comme piège à CO2 – dès l'usine
Même les plus grands pécheurs peuvent s'améliorer : C'est également ce qu'espèrent les experts lorsqu'il s'agit du "pécheur climatique" qu'est le béton. 6 à 8 % des émissions de CO2 d'origine humaine dans le monde sont imputables au ciment, le liant indispensable à ce matériau de construction dur et polyvalent - mais en même temps, il est capable de lier chimiquement le gaz climatique émis lors de la production du ciment après la fabrication, du moins partiellement : entre 11 et 30 %, en fonction de la recette et des conditions.
La "carbonatation" est le nom donné à ce processus, au cours duquel le calcaire se forme à partir de l'hydroxyde de calcium du béton et du CO2 - une réaction paisible qui prend des années et dont le rythme dépend de nombreux facteurs. Les experts pensent depuis longtemps à l'utiliser pour améliorer l'empreinte carbone du béton - et maintenant, dans le cadre du projet DemoUpCARMA, les experts de l'Empa travaillent avec des partenaires sous la direction de l'ETH Zurich (voir infobox) pour tester si et comment ce procédé peut être utilisé et surtout accéléré dans une vraie usine à béton.
Analyses approfondies dans les laboratoires de l'Empa
Concrètement : dans une installation spéciale de la société Kästli Bau AG à Rubigen dans le canton de Berne - et avec des matériaux recyclés provenant de structures en béton déconstruites. Le dioxyde de carbone avec lequel ce matériau est "alimenté" provient de la station d'épuration voisine et est livré à l'état liquéfié. À l'usine, il est ensuite stocké dans un silo spécial d'où les granulés recyclés sont continuellement "baignés" selon un procédé mis au point par la société bernoise neustark AG - en d'autres termes, ils sont exposés à du gaz CO2 pur et l'absorption est mesurée avec précision. L'équipe d'experts a étudié en détail les processus qui se déroulent lors de l'absorption de CO2 par les granulés de recyclage. Ils ont également étudié comment l'eau dite "de recyclage" provenant de l'eau, du ciment et du sable, qui est produite par exemple lors du nettoyage des véhicules à béton et des usines de mélange, peut être utilisée pour lier le dioxyde de carbone.
Andreas Leemann et Frank Winnefeld du laboratoire "Béton et asphalte" de l'Empa ont effectué de nombreux tests pour déterminer dans quelles conditions et avec quelle efficacité les granulés recyclés absorbent le CO2 - et ils ont obtenu des résultats surprenants. Des échantillons du matériau traité ont montré des changements évidents au microscope : Les plus petites particules présentaient des zones sombres et claires à la surface, là où la pierre de ciment d'origine avait changé.
L'analyse au microscope électronique à balayage a montré que les parties claires étaient constituées de carbonate de calcium, tandis que les phases sombres étaient principalement composées de silicate de calcium hydraté (C-S-H), le principal produit de l'hydratation du ciment qui confère au béton sa résistance. Ce C-S-H a été privé d'une partie de son calcium par la carbonatation : Il est donc plus pauvre en calcium et peut à son tour réagir avec les composés de ciment nouvellement formés dans le béton recyclé, ce qui a pour effet d'augmenter sa résistance à la compression.
Des essais pratiques avec différents types de béton fréquemment utilisés en Suisse ont confirmé ces résultats. Les produits recyclés contenant des granulés de béton carbonaté ont atteint des résistances plus élevées que les bétons comparatifs contenant des matériaux recyclés non traités. "Une phase réactive nouvellement formée dans les granulés et produisant une résistance plus élevée dans le béton recyclé", explique Andreas Leemann, "cela nous a vraiment surpris".
En outre, les analyses ont montré que l'humidité joue un rôle important dans l'accumulation de CO2 : Les mélanges recyclés plus secs ont absorbé le gaz à effet de serre beaucoup plus rapidement que les matériaux trop humides. Et comme le stockage en plein air des granulés de recyclage en Suisse ne favorise pas vraiment le séchage, les experts de l'Empa se demandent si ce processus ne devrait pas être optimisé sur le plan technique.
Une amélioration significative à portée de main
Les résultats positifs montrent que le processus peut rendre le béton plus respectueux du climat de deux manières. Tout d'abord, en absorbant le CO2 pour "soulager" l'atmosphère : Les nouveaux matériaux de construction peuvent absorber jusqu'à 10 % des émissions libérées dans l'atmosphère lors de la production du ciment nécessaire à la fabrication du béton d'origine. Deuxièmement, en réduisant la teneur en ciment du béton recyclé - de 5 à 7 % - grâce à sa plus grande résistance. En définitive, les experts de l'Empa estiment que le potentiel d'économie de CO2 est de l'ordre de 15 pour cent. Et aussi : Le traitement au CO2 de l'eau recyclée a montré d'autres possibilités. Les échantillons ont pu fixer une quantité considérable de ce gaz dans les analyses : environ 120 grammes par kilogramme de matière séchée. L'utilisation de ce matériau a également entraîné une augmentation, bien que faible, de la résistance du béton auquel il a été ajouté.
La question de savoir dans quelle mesure ces résultats peuvent être mis en œuvre dans la pratique reste évidemment ouverte. Par exemple, la question de savoir dans quelle mesure et à quel coût technique et financier le processus peut être mis en œuvre dans les usines de béton. Et comment la carbonatation des granulés recyclés affectera les différents bétons à long terme, c'est-à-dire pendant toute la durée de vie de plusieurs décennies.
Un potentiel important sur l'ensemble du cycle de vie
Les analyses du cycle de vie effectuées par Romain Sacchi et Christian Bauer du Groupe d'évaluation des choix technologiques de l'Institut Paul Scherrer (PSI) à Villigen en collaboration avec Andreas Leemann, expert de l'Empa, fournissent une première évaluation de la situation. En tenant compte de toutes les influences sur les émissions de CO2 de la production, de l'utilisation et de l'élimination des bétons "classiques" ainsi que des variantes avec granulats recyclés non traités et enrichis en CO2, l'étude montre que le matériau carbonaté peut réduire l'effet net de gaz à effet de serre d'environ 13 pour cent - par rapport au béton avec du ciment conventionnel et sans matériau recyclé. Pour le béton contenant des matériaux recyclés, l'effet est encore de 9 %, ce qui représente un potentiel important.
Un projet pilote ambitieux avec de nombreux acteurs
DemoUpCARMA signifie "Demonstration and Upscaling of CARbon dioxide MAnagement solutions for a net-zero Switzerland". Sous la direction de l'ETH Zurich, des experts de l'Empa, de l'Eawag, du PSI et des entreprises Kästli Bau AG et neustark AG travaillent avec 18 autres partenaires de la recherche et de l'industrie pour identifier et étudier des voies permettant de générer des émissions négatives. Outre le stockage du CO2 dans du béton neuf et recyclé en Suisse, ce projet comprend également une étude sur le transport et le stockage permanent du CO2 dans un réservoir géologique en Islande, dans le cadre du projet dérivé DemoUpStorage. Les deux projets sont financés et soutenus par l'Office fédéral de l'énergie (OFEN) et l'Office fédéral de l'environnement (OFEV).
