Piéger le CO2 au sein du matériau
Par Mickaël Thiéry et mis à jour par Jean-Michel Torrenti, Directeur du Département AME
L'interview
- Écoutez Jean-Michel Torrenti, directeur-adjoint du département MAST
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Fiches descriptives
MAJ le 05/11/2018,
Sur un kilogramme de ciment produit en cimenterie, l'émission de CO2 est de 0,6-0,7 kilogrammes en moyenne. Compte tenu des quantités impressionnantes de ciment produites à l'échelle mondiale, l'industrie cimentière serait donc à l'origine de 5 à 7 % des émissions mondiales anthropiques de CO2. Près de la moitié de cette émission est due à la nature chimique même du composant principal du ciment, le clinker, dont la fabrication est obtenue par décarbonatation du calcaire1.
Le principe de carbonatation des bétons
Le mélange d'eau et de ciment conduit à la formation d'hydrates à l'origine de la résistance des bétons. La présence de CO2 dans l'atmosphère, même en faible quantité (0,038 %), provoque une carbonatation2 irréversible et lente de ces hydrates. A l'échelle des temps géologiques, la carbonatation est ainsi à 
même de piéger la part du CO2 chimiquement émis par la cimenterie lors de la calcination du calcaire. Les conséquences de la carbonatation sont cependant diverses en fonction du moment où elle intervient, c'est-à-dire durant la phase de service ou après démolition.
L'Ifsttar travaille depuis de nombreuses années sur la carbonatation des bétons au cours de la phase de service des structures en béton armé. En effet, le CO2 de l'atmosphère se diffuse dans la porosité du béton et se dissout en formant des acides au contact de la solution interstitielle. Ce phénomène a pour principale conséquence d’abaisser le pH du milieu et de conduire à la corrosion des armatures. L'Ifsttar propose des modèles de prédiction de la durée de vie vis-à-vis du risque de corrosion. Ils peuvent être utilisés pour orienter la formulation du béton, le dimensionnement des structures, etc.
Une aubaine pour améliorer le « bilan carbone » du béton
A l'inverse des conséquences néfastes de la carbonatation sur la pérennité des structures en béton armé, ce phénomène peut s’avérer bénéfique du seul point de vue du béton. En effet, dans le cadre d'éléments non ferraillés, la carbonatation peut contribuer à piéger du CO2 et à améliorer le « bilan carbone » du béton. L'Ifsttar a travaillé sur les aspects positifs de la carbonatation dans le cadre d'un financement par l'Agence Nationale de la Recherche (projet CRAC Carbonation of Recycled Aggregates of Concrete, récompensé par le prix du Trophée Eugène Freyssinet en 2011, qui s'est clôturé en 2013).
Ce matériau possède en effet une capacité naturelle à piéger le CO2 mais lorsqu’il est sous la forme d’un élément de structure de bâtiment, cette réaction s’effectue sur une petite surface et est par conséquent très lente. En revanche lorsqu’il est concassé pendant la phase de démolition, la surface en interaction avec l’atmosphère augmente et la réaction du piégeage du CO2 est accélérée.
Depuis 2018, le projet national FastCarb étudie comment encore accélérer cette reprise de CO2, afin de reprendre environ 20% du CO2 libéré initialement lors de la fabrication de ce même béton soit 40 à 60 kg de CO2 par m3 de béton. En collaboration avec de nombreux partenaires, l'Ifsttar étudie comment le procédé peut être optimisé. Le projet permettra aussi une démonstration à un niveau industriel et des applications sur des chantiers utilisant des granulats recyclés.
L’utilisation des granulats de béton de démolition
La carbonatation présente également un autre avantage : elle améliore les propriétés de microstructure et mécaniques du béton. Ainsi, lorsque le piégeage du CO2 est optimisé, les granulats recyclés obtenus sont de meilleure qualité et l’on peut les réutiliser pour fabriquer un nouveau béton. Un avantage indéniable lorsqu’on sait qu’il existe en France une quantité importante de bâtiments en fin de vie voués à la destruction. L'Ifsttar travaille donc sur la mise à profit de la carbonatation pour améliorer les propriétés des granulats de béton de démolition en vue de les recycler pour fabriquer du nouveau béton.
1 Le calcaire CaCO3 constitue avec l'argile la matière première du clinker. La fabrication du clinker passe par la décarbonatation du calcaire vers 900°C dans le four de la cimenterie (CaCO3 → CaO + CO2). Sa fabrication induit donc une émission de CO2 de nature chimique à laquelle s'ajoute le dégagement de CO2 lors de la combustion nécessaire à la chauffe.
2 La carbonatation repose sur la transformation des hydrates du ciment en carbonate de calcium CaCO3 (calcaire) sous l'action chimique du CO2 de l'atmosphère.
Pour aller plus loin ...
M. Thiéry et al., Comment intégrer quantitativement la carbonatation atmosphérique dans le bilan carbon des bétons ? Conférence GC'2009 organisée par l'AFGC, 18 et 19 mars 2009, Paris.
M. Thiéry et al., Carbonation Kinetics of a bed of recycled concrete aggregates: A laboratory study on model materials, Cement & Concrete Research, 2013.
J.M. Torrenti, Carbonatation accélérée de granulats de béton recyclé : le projet FastCarb, conférence Nomad 2018, Liège.
