béton Le cycle du calcium, la carbonatation et les ouvrages en béton
P. 2
Les mécanismes de la carbonatation
P. 3
Les bienfaits de la carbonatation pour le béton
P. 5
Le piégeage du CO2 dans les bétons de démolition
P. 6
a
Carbonatation des bétons et Piégeage du CO2 La carbonatation du béton est un phénomène indissociable de ce matériau de construction. Pendant la durée de vie de l’ouvrage, le dioxyde de carbone présent dans l’atmosphère pénètre dans le béton à partir de la surface du matériau. Le dioxyde de carbone peut alors réagir avec les produits résultant de l’hydratation du ciment. La carbonatation modifie progressivement la composition chimique et la microstructure interne du béton. Durant la vie de l’ouvrage, le béton piège ainsi du dioxyde de carbone à hauteur de 10 à 15 % du CO2 émis lors de la décarbonatation du calcaire nécessaire à la fabrication du ciment. Les ingénieurs ont, au cours du
XXe
siècle, appris à maîtriser certaines conséquences problé-
matiques du phénomène de carbonatation. À la fin de vie de l’ouvrage, la carbonatation peut, cette fois, être exploitée pour fixer du CO2 dans la pâte de ciment durcie d’un béton de démolition. Des résultats récents montrent qu’il est alors possible de recapter jusqu’à 50 à 60 % de CO2 supplémentaire. Par ailleurs, cette carbonatation est particulièrement favorable à une amélioration de la qualité du granulat recyclé issu du béton de démolition, facilitant ainsi sa réutilisation.
S B-OA 2012 -3
Texte : Nicolas Roussel
Solutions béton - Hors-série - 1
Le cycle du calcium, la carbonatation et les ouvrages en béton du calcaire, forme la plus stable du
leurs prédictions sont complexes.
calcium dans la nature, et sa cuisson
Dans cette phase, les ingénieurs
en présence de silice. La réaction
sont particulièrement attentifs aux
d’hydratation du clinker en présence
modifications chimiques liées à la
d’eau conduit à la formation de com-
carbonatation de la composition de
posés minéraux (les hydrates) à l’ori-
l’eau située dans la porosité du maté-
gine des résistances des bétons ou
riau. Si ces modifications dépassent
des mortiers. Ces composés chi-
certaines limites, une corrosion des
miques sont dits métastables. Ceci
armatures dans le cas d’un béton
signifie qu’ils ne sont pas chimique-
armé ou un développement de micro-
ment stables mais que leur vitesse
organismes dans le cas d’un enduit
de transformation est tellement lente
de façade peuvent être favorisés.
qu’ils présentent sur des échelles de courtes une apparence de stabilité.
L’OPTIMISATION DU PIÉGEAGE DU CO2
La seule présence du CO2 atmo-
La deuxième échelle de temps
sphérique conduit pourtant à la
concerne le devenir du matériau lors
carbonatation irréversible de ces
de son recyclage ou de son stockage.
hydrates sous forme de calcaire et
Cette phase démarre à la fin de vie
de gel de silice, bouclant ainsi le
de l’ouvrage ou du bâtiment. En
cycle minéral du calcium sur une
France, cette phase démarre en
échelle de temps plus ou moins
moyenne une centaine d’années
longue.
après la phase de construction mais
temps d’observation suffisamment
cette durée peut être extrêmement
LA CARBONATATION, UN PHÉNOMÈNE NATUREL
variable. La carbonatation peut, cette
La carbonatation des bétons est ainsi
matrice cimentaire du CO2 à la fin de
un phénomène incontournable par-
la vie du produit. En terme de ciné-
ticipant au cycle du calcium à la sur-
tique de carbonatation, la particula-
face de notre planète. La véritable
rité du procédé de concassage du
question, dans ce cadre, n’est alors
béton de démolition permet de mul-
pas de savoir si un matériau cimen-
tiplier par un facteur proche de
tournable de ses constructions. Les
LE CALCAIRE, UNE RESSOURCE NATURELLE POUR FABRIQUER LE CIMENT
mollusques ou les algues planctoniques sécrètent ainsi eux aussi
a Test à la phénolphtaléine montrant les zones non carbonatées dans un granulat recyclé de béton de démolition après 6 mois d’exposition au CO2 atmosphérique.
L’homme n’est ni le premier ni le seul bâtisseur de notre planète à utiliser
fois, être exploitée pour fixer dans la
taire va ou non se carbonater, mais
1 000 la surface offerte au CO2
sur quelle échelle de temps il va le
atmosphérique lors de la transforma-
Là où les mollusques prélèvent du
faire et quelles en seront les consé-
tion d’un élément en béton armé de
calcium en solution dans leur envi-
quences. Il est alors possible de dis-
type voile ou dalle au sein d’une
majoritairement leurs coquilles à base
ronnement et le carbonate à l’aide
tinguer deux échelles de temps
structure dont l’épaisseur typique est
de carbonate de calcium ou calcaire.
du CO2 atmosphérique pour ensuite
fondamentales.
de l’ordre de 20 cm en granulats de
Ces deux pratiques constructives
mourir et déposer leurs coquilles
La première échelle de temps
taille centimétrique.
ont pour point commun de s’inscrire
qui constitueront alors une source
concerne la durée de vie du matériau
Des résultats récents montrent qu’il
dans le cycle du calcium à la surface
de calcium pouvant être lentement
cimentaire dans l’ouvrage construit
est alors possible, dans le cas de
de notre planète. Ce cycle est d’une
dissoute, l’homme, plus pressé,
ou le bâtiment en service. Cette
bétons traditionnels d’ouvrages des
importance primordiale dans les
extrait du calcaire de notre croûte
échelle de temps est de l’ordre d’une
années 50-80, de recapter jusqu’à
questions d’environnement actuelles
terrestre pour fabriquer des maté-
centaine d’années. Pendant cette
50 à 60 % du CO2 émis lors de la
puisque, tout d’abord, le calcaire est
riaux cimentaires.
durée, le matériau se carbonate
décarbonatation du calcaire. Cette
le composant dominant de notre
La fabrication du clinker Portland,
sous l’effet, en général, du CO2
carbonatation est particulièrement
croûte terrestre et que le cycle du cal-
composant principal des ciments
atmosphérique. Les conséquences
favorable à une amélioration de la
cium et le cycle du CO2 sont, comme
modernes depuis la fin du XIXe siècle,
de cette carbonatation, comme nous
qualité du granulat recyclé tiré du
nous allons le voir, étroitement liés.
nécessite ainsi la décarbonatation
allons le voir plus loin, sont variées et
béton de démolition. ■
le calcium comme élément incon-
2 - Solutions - béton
Les mécanismes de la carbonatation L’atmosphère de notre planète
affecté. Plus communément appelé
(0,03 %). La concentration en CO2
devient instable. Il s’ensuit une cor-
contient en moyenne 0,03 à 0,04 %
portlandite, cet hydrate joue un rôle
venant simplement contrôler la
rosion rapide, dite généralisée, sur
de CO2. Cette concentration en
fondamental dans le maintien d’un
vitesse à laquelle ce phénomène va
toute la surface de l’armature. Les
dioxyde de carbone varie locale-
pH élevé protégeant les armatures
avoir lieu et la vitesse avec laquelle il
produits de corrosion, qui sont
ment avec la température, la pres-
du béton armé ou prévenant la for-
pénétrera dans le matériau (on parle
expansifs, endommagent le pare-
sion atmosphérique et la proximité
mation de micro-organismes. Lorsque
alors de cinétique de pénétration).
ment (fissuration, épaufrures, etc.),
éventuelle d’une agglomération.
la portlandite a été entièrement
Dans les zones fortement industriali-
consommée, ou qu’elle n’est plus
sées, dans les parkings et aux abords des grands axes routiers, la quantité
forment des coulées de rouilles inesthétiques et conduisent à la
suffisamment accessible pour régu-
LA CARBONATATION MODIFIE LE pH DU BÉTON
ler le pH par effet tampon, le milieu
Notons que les ciments contiennent
armatures. La valeur de pH seuil en
de CO2 atmosphérique peut être
s’acidifie, permettant ainsi la corro-
également des oxydes d’alcalins
dessous de laquelle la carbonata-
multipliée par un facteur trois ou
sion des armatures. La carbonata-
tion peut conduire à une corrosion
quatre pour atteindre 0,1 %.
tion des silicates de calcium hydra-
(Na2O et K2O) qui se retrouvent sous forme de bases alcalines dans
tés (C-S-H) est également possible.
la solution interstitielle (NaOH et
débat dans la littérature. Situé entre
LE CO2 À L’ORIGINE DE LA CARBONATATION
La carbonatation des C-S-H, qui
KOH). Ces espèces alcalines per-
9 et 11, ce seuil dépend de la nature
contribue de manière non négligea-
mettent de maintenir une basicité
du ciment et surtout de l’état
Le CO2 présent dans l’atmosphère
ble à la fixation du CO2 dans la
au-delà de la valeur imposée par la
hydrique du béton ; il faut notam-
peut être à l’origine d’une carbona-
matrice cimentaire, est à l’origine
portlandite (c’est-à-dire au-delà de
ment suffisamment d’eau liquide
tation des matrices cimentaires. Il se
d’importantes évolutions de la
12,4 à 20 °C). Néanmoins, leur car-
pour faciliter les échanges ioniques
diffuse alors sous forme gazeuse
microstructure. Les C-S-H se carbo-
bonatation est très rapide puisque
au niveau des micropiles qui appa-
dans la porosité du béton ou du
natent suivant un mécanisme pro-
les alcalins sont quasiment unique-
raissent sur la surface de l’acier, sans
mortier et se dissout en formant des
gressif de décalcification, les ions
ment présents sous forme aqueuse
pour autant bloquer la diffusion de
acides au contact de la solution
calcium venant se précipiter dans la
et sont donc facilement lixiviés (on dit
l’oxygène corrosif en phase gazeuse.
interstitielle contenue dans la pâte
porosité avec les ions carbonates
aussi lessivés) en présence de pluie.
Il est possible de réaliser un diag-
de ciment (avec une prédominance de H CO , HCO - ou CO 2- suivant
sous forme de carbonate de cal-
Au cours du processus de carbona-
nostic de l’état de carbonatation du
cium. La décalcification conduit à la
tation, l’élément principal de trans-
béton en prélevant depuis un pare-
la gamme de pH, schéma 1. Ce
formation d’un gel de silice très
formation est le carbonate de cal-
ment une carotte qui est fendue en
phénomène a pour conséquence
amorphe (fortement polymérisé) et
cium (CaCO3) dont il existe plusieurs
deux et sur laquelle un indicateur
d’abaisser le pH du milieu et de
plus ou moins hydraté. La carbona-
variétés polymorphiques : calcite,
colorimétrique de pH (phénolphta-
conduire à la dissolution des
tation de la portlandite et des C-S-H
vatérite et aragonite. La calcite est la
léine) est pulvérisé. La partie carbo-
hydrates du ciment. L’hydroxyde de
est inéluctable, même pour des
variété la plus stable et correspond à
natée apparaît incolore et le noyau
calcium (Ca(OH)2) est notamment
concentrations très faibles en CO2
la forme du calcaire qui a servi à
non carbonaté, c’est-à-dire très
obtenir le clinker après cuisson du
basique, se colore en rose (la zone
cru dans le four de la cimenterie.
de virage est voisine de pH = 9).
Du point de vue des structures en
Toutefois il est stipulé dans la régle-
béton armé ou précontraint, la car-
mentation européenne REACH que
bonatation est un phénomène délé-
la phénolphtaléine a un caractère
tère qui progresse de l’extérieur
cancérigène. Son utilisation doit être
(parement) vers l’intérieur, à travers
limitée ou sévèrement contrôlée.
la zone d’enrobage des armatures,
C’est pourquoi la communauté
selon un processus physico-chimique
scientifique se penche sur l’utilisa-
qui associe la diffusion du CO2 à tra-
tion d’un nouvel indicateur coloré
vers la porosité et les réactions chi-
de pH.
miques de fixation du CO2 dans les
La méthode colorimétrique ne ren-
hydrates. La neutralisation de l’alcali-
seigne pas sur la forme véritable du
nité du milieu qui en découle devient
front de carbonatation comme cela
problématique lorsqu’elle atteint le
est illustré sur le schéma 2 où les
premier lit des armatures. En effet, si
armatures apparaissent protégées,
le pH diminue trop, la couche de
car étant situées à l’aval du front
passivation des aciers constituée
détecté par projection de phénol-
d’oxydes et d’hydroxydes ferreux
phtaléine, alors qu’en réalité le niveau
2
3
3
3
Phase gazeuse
Phase liquide
Phase solide
aSchéma 1 – Mécanisme de carbonatation au niveau de la solution interstitielle du béton (schéma IFSTTAR).
réduction de la section d’acier des
marquée des armatures fait encore
Solutions béton - Hors-série - 3
de carbonatation y serait suffisant
porosité du béton est saturée) et
sèches et humides. Cette situation
au bout de 4 ans et 25 mm après
pour initier la corrosion. Pour gagner
dans une atmosphère trop sèche
n’est certes pas la plus favorable du
25 ans. Les modèles sont utilisés
en précision, il existe des méthodes
(la dissolution du CO2 en phase
seul point de vue de la carbonata-
pour prédire la durée de vie du
plus coûteuses telles l’analyse ther-
aqueuse n’a pas lieu car elle est
tion ; en revanche, eu égard au
matériau béton vis-à-vis de l’initia-
mogravimétrique (réalisée sur une
cinétiquement très limitée). Ce com-
risque de corrosion, elle maximise la
tion de la corrosion par carbonata-
succession de fines tranches de
portement conduit à une carbonata-
cinétique. Notons également l’exis-
tion. Ils ont donc souvent comme
matériau prélevées par sciage depuis
tion optimale pour une humidité
tence de normes (Eurocode 2) per-
défaut de ne pas tenir compte de la
la surface) et la gamma-densimétrie
relative comprise entre 50 et 70 %.
mettant le dimensionnement de
cinétique de corrosion et, dès lors,
(méthode non destructive). L’utilisa-
En revanche, notons que la corro-
l’épaisseur d’enrobage en fonction
ils conduisent à un surdimensionne-
tion de plusieurs indicateurs colorés
sion sera quant à elle optimale pour
de la classe de résistance du béton
ment de l’épaisseur d’enrobage et à
présentant des zones de virage de
une humidité relative avoisinant
et de l’agressivité de l’environne-
une formulation souvent trop sécuri-
pH différentes pourrait également
90 %-95 %.
ment vis-à-vis de l’attaque du CO2.
taire du béton. Cette approche de
être une solution à condition que les
Du point de vue normatif, le risque
contrastes de coloration entre les
de carbonatation est pris en compte
zones saine et carbonatée soient
pour formuler un béton (E/C, dosage
suffisamment marqués.
en ciment et teneur en additions
L’humidité de l’air est un facteur très
minérales) au travers de la norme
important puisque la carbonatation
NF EN 206-1. Il est intéressant de noter que la classe d’exposition la plus préjudiciable vis-à-vis de la carbonatation (XC4) correspond à un climat avec alternance de phases
est lente, voire absente, dans une atmosphère saturée d’eau (la diffusion du CO2 en phase gazeuse est alors quasiment impossible si la
Portlandite 1,5
la conception du béton est de plus
PLUSIEURS PARAMÈTRES INFLUENT SUR LA CINÉTIQUE DE CARBONATATION
en plus remise en cause dans le
Il existe de nombreux modèles de
la construction en béton.
carbonatation qui traduisent, plus ou
La carbonatation peut également
moins directement, la résistance
être à l’origine de désordres au
physico-chimique du béton contre
niveau des enduits de façade cor-
la pénétration du front de carbona-
respondant généralement à des
tation. Les paramètres utilisés se
mortiers à fort dosage en chaux
rapportent à :
grasse (Ca(OH)2) partiellement car-
1,0
0,5
0 X (mm)
20
40
60
80
100
pH 14
B
limitation de l’empreinte carbone de
bonatée. L’acidification du milieu qui
tionne la résistance « physique » du
découle de l’attaque du CO2 peut
matériau à la diffusion du CO2 ;
être à l’origine du développement de
la teneur en hydrates carbonata-
micro-organismes (lichens, mousses,
bles : plus elle est élevée, plus le
algues, etc.) qui ne croissent pas dans
béton est capable de freiner « chimi-
un milieu fortement basique. Ces
quement » la pénétration du front de
micro-organismes sont à l’origine de
carbonatation ;
salissures inesthétiques. Il est possi-
■
CO2
ressources non renouvelables et de
la porosité du béton qui condi-
■
A
contexte actuel de préservation des
la microstructure du matériau (taille
ble d’enlever temporairement ces
des pores) dont dépend l’état
traces par un lavage du mur avec de
hydrique du matériau qui condition-
l’eau de Javel diluée ou en utilisant
nera la cinétique de pénétration du
un produit fongicide adapté. ■
■
phénomène. C’est alors essentielle12
ment la perméabilité à l’eau liquide
CO2
Danger potentiel de corrosion des aciers 10
du matériau qui sera un indicateur
pH < 9
pH > 9
de durabilité pertinent. Ces modèles aboutissent générale-
8
ment à une évolution lente en racine 0
20
40
60
80
100
X (mm) Parement
Phénol pH = 9
Armatures
carrée du temps de la profondeur de carbonatation. Pour fixer les idées, avec un béton ordinaire conservé
aSchéma 2 – A– Diagnostic de l’état de carbonatation d’un béton
(pulvérisation de phénolphtaléine). B – Schématisation du front de carbonatation et de son positionnement par rapport aux armatures. Schéma : Mickaël Thiery, IFSTTAR.
dans un environnement dont l’humidité relative est comprise entre 50 et 70 %, la profondeur de carbonatation est de 5 mm après un an, 10 mm
4 - Solutions - béton
Progression carbonatation
a Progression du front de carbonatation.
Les bienfaits de la carbonatation pour le béton À l’inverse des conséquences
cation de blocs par autoclavage en
ciment de type CEM I. Dès qu’une
l’extérieur, les ions calcium se carbo-
néfastes de la carbonatation sur la
utilisant de fortes concentrations de
part importante de laitier de haut
natent à l’air. Des traînées de calcite
pérennité des structures en béton, la
CO2. On sait aussi que les anciens
fourneau, de cendres volantes ou de
se voient alors sur les parois des
carbonatation est plutôt un phéno-
(Étrusques,
Grecs,
fumée de silice est ajoutée, les pro-
ouvrages au voisinage des fissures
mène bénéfique du seul point de
Romains, et même Chinois) utili-
priétés du matériau se dégradent à
et comblent les zones les plus
vue du matériau béton lui-même. Il
saient la carbonatation atmosphé-
la suite de la carbonatation : baisse
poreuses. On peut remarquer dans
est en effet reconnu que la carbona-
rique pour confectionner des join-
de la densité, réduction de la résis-
les galeries de barrage la formation
tation des matrices cimentaires à
tages de maçonnerie et des enduits
tance, ouverture significative de la
de stalactites de calcite provenant
base de ciment de type CEM I se fait
à base de mortier de chaux grasse
porosité, etc. Il semblerait que cette
du délavage de la portlandite.
avec un gain de masse correspon-
(ou éteinte, c’est-à-dire Ca(OH)2). Le
particularité soit à corréler au fait
Ce faisant, la carbonatation du béton
Phéniciens,
dant à la fixation du CO2 dans les
durcissement avait lieu par carbona-
que les hydrates de type C-S-H for-
peut être un mal ou un bien, suivant
hydrates. Le fait que le volume
tation sous l’action du CO2 de l’at-
més à partir des additions perdent,
la conception et la destination des
molaire du carbonate de calcium
mosphère. Cette chaux grasse ne
au cours de la carbonatation, une
ouvrages. La bonne connaissance
formé soit supérieur à celui des
pouvait pas faire prise dans l’eau,
quantité importante d’eau de struc-
de ce phénomène permet de met-
hydrates conduit à un colmatage de
mais uniquement dans l’air, d’où son
ture chimiquement liée.
tre à profit cette propriété, soit en
la microstructure qui rend le béton
nom de « chaux aérienne » et la qua-
moins perméable aux agents agres-
lification de « prise aérienne » dans
sifs (en l’occurrence les gaz CO2 et
protégeant le béton de cette carbonatation (mise en peinture adaptée
ce cas. Le durcissement était rapide
TIRER AVANTAGE DE LA CARBONATATION
par exemple), soit en la limitant
O2, mais aussi les ions sulfates, les
en surface, puis la vitesse de carbo-
Enfin la carbonatation est responsa-
(accroissement de l’épaisseur d’en-
chlorures, et plus généralement, les
natation freinée par la couche dense
ble d’efflorescences blanchâtres de
robage du béton armé, amélioration
eaux agressives de type eau de mer,
de carbonate de calcium formée.
carbonate de calcium à la surface
de la qualité du béton d’enrobage,
eaux séléniteuses ou magné-
Cette croûte avait une imperméabi-
des parements, sans aucun incon-
etc.), soit au contraire en la favorisant
siennes, etc.). Il a même été montré
lité telle que l’on peut retrouver
vénient, si ce n’est d’un point de vue
(grâce à une carbonatation accélé-
que la carbonatation permettait
encore actuellement au cœur des
esthétique. Ce phénomène se pro-
rée). Tirer avantage de la carbonata-
d’accroître la résistance mécanique
murs anciens épais de la chaux
duit si la portlandite est dissoute par
tion est surtout utile pour améliorer
des bétons (compression, chocs,
grasse encore plastique et non car-
l’eau d’imprégnation pendant les
les propriétés des systèmes cimen-
usure, etc.) et de rendre le matériau
bonatée à l’arrière d’une couche
phases climatiques humides et que
taires non armés, mais aussi pour
plus stable chimiquement vis-à-vis
compacte de calcite. Actuellement,
les ions calcium migrent vers la sur-
piéger du CO2 qui est un aspect
des réactions de gonflement (réac-
on constate une recrudescence de
face par capillarité pendant les
environnemental loin d’être négli-
tion sulfatique interne ou externe,
l’utilisation de mortiers et peintures à
phases de séchage. Chassés vers
geable. ■
réaction alcali-granulats, etc.). En
prise aérienne dans le domaine du
revanche, le module de rigidité ou
bâtiment.
module d’élasticité est augmenté,
En terme de distribution de la taille
ce qui n’est pas toujours perçu
des pores dans la matrice cimentaire,
comme un avantage car cela peut
la carbonatation conduit à un réar-
conduire à une fragilisation des
rangement de la répartition porale
50
pièces minces et à une hétérogé-
avec la création de macropores (prin-
40
néité de résistance et de retrait dans
cipalement pour des matrices à fort
30
le cas des enduits de façade partiel-
E/C exposées à de fortes teneurs en
lement carbonatés où on peut
CO2), et cela en dépit d’une réduc-
observer des fissures de surface qui
tion globale de porosité. Ce phéno-
10
s’arrêtent au niveau de la zone
mène est illustré sur le schéma ci-
interne non carbonatée.
contre dans le cas d’un béton de bâtiment à fort E/C = 0,84. Soulignons que les aspects positifs de la carbonatation qui viennent d’être décrits sont essentiellement caractéristiques des systèmes cimentaires contenant un fort dosage en
0 100 101 rp (nm) M25 (0-6 mm) M25 (32-38 mm)
UNE PROPRIÉTÉ EXPLOITÉE PAR LES ANCIENS Cette amélioration des propriétés du béton a même été mise à profit dans certains pays pour la préfabri-
Distribution porale 70 60
20
102
103
M25 (16-22 mm) M25 (40-46 mm)
104
105
M25 (24-30 mm) M25 à cœur
aRépartition de taille des pores obtenue par porosimétrie par
intrusion de mercure sur un béton de bâtiment de E/C = 0,84 depuis la surface carbonatée vers le cœur sain (50 % de CO2). Schéma : Mickaël Thiery, IFSTTAR.
Solutions béton - Hors-série - 5
Le piégeage du CO2 dans les bétons de démolition LA VALORISATION DES BÉTONS DE DÉMOLITION
ouvrabilité fortement chuter lors de
Dans le même temps, les déchets
La fabrication du clinker Portland
de démolition de bâtiments en béton
nécessite la décarbonatation du cal-
qui, en région Île-de-France par
caire, forme stable du calcium dans
exemple, s’élèvent à plusieurs mil-
la nature, et sa cuisson en présence
lions de tonnes par an sont, au pire,
de silice. La réaction d’hydratation
transportés de plus en plus loin de la
conduit à la formation d’hydrates
capitale pour être enterrés ou, au
métastables à l’origine des résis-
mieux, recyclés comme matériau de
tances du béton. La seule présence
la phase de transport du matériau.
remblais à faible valeur ajoutée dans
du CO2 atmosphérique conduit à la
le domaine du terrassement routier.
carbonatation irréversible de ces
L’utilisation de granulats de bétons
hydrates sous forme de calcaire et
recyclés dans la production de nou-
de gel de silice, bouclant ainsi le
veaux bétons suit de peu l’invention
cycle minéral comme décrit en
du béton lui-même2 mais les raisons
introduction.
qui ont poussé les gouvernements
Cette réaction, très lente, est problé-
et les industriels à encourager le
matique comme nous l’avons vu
sions de gaz à effet de serre, d’aug-
DES EFFORTS POUR DIMINUER LES ÉMISSIONS
recyclage des matériaux de démoli-
pendant la phase de service d’une
mentation de la part d’énergies
La fabrication du clinker Portland
tion se sont amplifiées au cours du
structure en béton armé mais peut
renouvelables ou de protection des
représente ainsi entre 5 et 7 % du
temps. Les granulats naturels repré-
être exploitée pour fixer du CO2 à la
espèces menacées sont autant de
CO2 produit par l’homme et ses acti-
sentent désormais une ressource
fin de la vie de la structure.
réponses politiques et législatives
vités. Ces émissions de CO2 sont,
non renouvelable dont l’accessibilité
aux préoccupations de la société
d’une part, associées au processus
diminue3. Par ailleurs, l’évolution anti-
civile relatives aux impacts environ-
de préparation et de cuisson du cru
cipée des volumes de béton en fin
nementaux de l’activité humaine.
et, d’autre part, au processus de
de vie indique clairement que,
PIÉGEAGE DU CO2 PENDANT LA VIE DE L’OUVRAGE
Ces objectifs impactent, de manière
décarbonatation du calcaire néces-
lorsque les bâtiments construits mas-
Le captage du CO2 a tout d’abord
générale, notre développement
saire à la production du clinker.
sivement dans les années 50-80
lieu pendant la phase de service du
futur, mais aussi, de manière spéci-
Malgré les efforts des cimenteries
arriveront en fin de vie, les volumes
matériau dans la structure, même s’il
fique, la façon dont nous construi-
européennes pour diminuer leurs
de béton à recycler seront tels qu’ils
faut bien reconnaître que l’avancée
sons nos bâtiments et nos infrastruc-
émissions en améliorant l’efficacité
ne pourront pas être entièrement et
de la carbonatation doit être freinée
tures. En France, la majorité des
des fours et en augmentant la quan-
uniquement utilisés en sous-couche
pendant cette période pour proté-
ouvrages d’art, 80 % des logements
tité de matériaux de substitution, la
routière. Des problèmes techniques
ger la structure. Des simulations
individuels et 90 % des logements
fabrication d’une tonne de ciment
subsistent cependant dans les
numériques ont été réalisées dans
collectifs sont construits en béton.
en France émet 600 kg de CO2
approches existantes de recyclage.
le but d’évaluer la capacité de fixa-
Dans le monde, avec trois tonnes
(pour une moyenne mondiale de
Les granulats issus du concassage
tion en CO2 d’un élément de struc-
par personne et par an, le béton est
1 000 kg). Il est possible d’anticiper
d’un béton présentent une porosité
ture simple : un mur de bâtiment de
le matériau manufacturé le plus uti-
une partie des évolutions des
supérieure aux granulats naturels et
lisé. Cette position trouve sa justifica-
ciments qui découleront de la mise
des propriétés mécaniques infé-
tion dans le faible coût énergétique
en place de politiques de réduction
rieures. Par ailleurs, un obstacle
et donc économique lié à sa fabrica-
des impacts environnementaux. Il a
majeur réside dans le mode de pro-
tion ainsi que dans la disponibilité de
pu ainsi être montré récemment
duction des bétons à base de granu-
ses composants partout à la surface
que l’industrie actuelle, en prenant
lats recyclés. L’absorption d’eau
de notre planète. Cependant, dans
en compte sa croissance et son évo-
de ces granulats est forte (entre 5 et
un objectif de Développement Dura-
lution technique potentielle, pourrait
10 %) et lente (elle a lieu sur une
ble, une telle position en termes de
produire des matériaux cimentaires
période de l’ordre d’une vingtaine
fabrication et de consommation fait
répondant aux critères de diminu-
de minutes). Un béton de granulats
de la relation avec l’environnement de
tion des émissions de CO2 fixés
recyclés malaxés dans des condi-
ce matériau une question majeure.
pour l’étape intermédiaire de 20201.
tions traditionnelles voit ainsi son
a Stock de bétons de démolition avant traitement. Les objectifs de réduction des émis-
6 - Solutions - béton
1 – G. Habert, N. Roussel, Study of two concrete mix-design strategies to reach carbon mitigation objectives, Cement & Concrete Composites, 31 (2009) 397– 402. 2 – Saint Léger, 1827, Brevet d’invention et de perfectionnement remis à M. Saint Léger, sur l’autorisation spéciale de M. Vicat, 25 mai 1827. Archives nationales, F 13 959. 3 — UNICEM, 2005. Granulats en Île-deFrance, mieux prendre en compte la ressource en matériaux dans les documents d’urbanisme.
20 cm d’épaisseur se carbonatant
démolition est considérée à titre
résistance 25/30, 45 ans pour le
pérée par le matériau de démolition
sur ses deux faces avec un enro-
d’exemple comme étant de 20 cm.
C40/50 et 85 ans pour le C50/60.
puisque l’hydroxyde de calcium et
bage de 3 cm. Trois bétons ont
Le schéma 2 illustre alors la quantité
À l’issue de cette période, la quasi-
les silicates de calcium ont atteint un
été étudiés (classe de résistance
de CO2 fixée par les trois bétons
intégralité de la quantité de CO2
état de carbonatation total. Ces
C25/30, C40/50, C50/60). Ces
précédents pendant la phase de
émise pendant la phase de décar-
durées sont bien sûr incompatibles
bétons sont formulés à partir d’un
démolition-exposition. Il est à noter
bonatation en cimenterie est récu-
avec les pratiques de stockage de
ciment Portland de type CEM I et
que la cinétique de carbonatation
présentent des dosages en ciment
durant cette dernière phase est bien
respectivement égaux à 230, 300
sûr plus rapide que la cinétique de
et 410 kg/m3. Nous supposons par
carbonatation pendant la phase de
ailleurs que la durée d’utilisation est
service, ce qui est justifié par l’aug-
atteinte lorsque la profondeur de
mentation de la surface exposée au
carbonatation atteint la profondeur
CO2 après concassage. En effet, le
d’enrobage. Les cinétiques de pié-
procédé de concassage du béton
5 4
geage du CO2 sont représentées sur
de démolition permet de multiplier
le schéma 1. Ces premiers calculs
par un facteur proche de 1 000 la
ont montré que la carbonatation
surface offerte au CO2 atmosphé-
joue de manière non négligeable
rique lors de la transformation d’un
sur le bilan carbone des matériaux à
élément en béton armé de type
base de ciment, puisque, pendant la
voile ou dalle d’une épaisseur
phase de service, le matériau est
typique de l’ordre de 20 cm en gra-
capable de capter 10 à 15 % du CO2
nulats de taille centimétrique. Quan-
initialement dégagé pour la fabrica-
titativement, un état de carbonata-
tion du ciment. Ces chiffres dépen-
tion total est atteint pendant la phase
dent bien sûr du caractère plus ou
de démolition-exposition au bout de
moins massif de l’élément de struc-
22 ans pour le béton de classe de
Absorption d’eau en % 8 7 6
3 2 1 0 5 10 Temps (minutes) Béton 35 MPa après broyage
15
20
25
30
Béton 35 MPa après broyage et carbonatation
aSchéma 1 – Influence du procédé de carbonatation sur la cinétique d’absorption de granulats recyclés.
ture considéré. Pour un élément massif d’ouvrage d’art (pile par exemple), le rendement de piéC02 (kg/m3 de béton)
geage du CO2 pendant la phase de service serait bien plus faible.
200
PIÉGEAGE DU CO2 PENDANT LA PHASE POSTSERVICE
150
Phase de démolition
Il est aussi possible de considérer le piégeage du CO2 pendant la phase postservice correspondant à la
100 Phase de service
démolition et au stockage des granulats de démolition. Les simulations réalisées ont permis de quantifier de
50
85 ans
telles possibilités. Après démolition, le matériau est supposé être concassé en granulats (de taille de
0
l’ordre du centimètre) exposés à la
célérer le captage de CO2. L’épaisseur du lit de granulats de béton de
temps (années) Béton C25/30
carbonatation naturelle tout en étant protégés des intempéries afin d’ac-
30-50 kg CO2/m3
45 ans 22 ans 200
100 Béton C40/50
300
Béton C50/60
a
Schéma 2 – Quantité de CO2 fixée au cours des phases de service et de démolition-exposition pour les trois bétons étudiés (la taille des granulats est de 10 mm).
Solutions béton - Hors-série - 7
traité est ainsi plus faible, mais aussi
tionnelle de béton. D’un point de
plus rapide. Ainsi, 90 % de l’absorp-
vue mécanique, le traitement de
position de l’ordre de quelques mois
OPTIMISATION DES CARACTÉRISTIQUES DES GRANULATS CARBONATES
tion a lieu pendant les deux pre-
carbonatation a permis de mesurer
à quelques années, il est possible de
Comme décrit plus haut, il a pu être
mières minutes pour le granulat
des réductions d’un facteur 2 des
montrer que l’exposition des granu-
montré que la carbonatation de la
carbonaté alors qu’il faut près de
valeurs d’usure Micro-Deval. Enfin,
lats de béton recyclés à l’atmo-
matrice engendre une diminution
15 minutes pour le granulat non
une stabilisation chimique des gra-
sphère pourrait permettre de capter
de la porosité associée à une aug-
carbonaté comme le montre le
nulats recyclés est à anticiper au vu
environ entre 30 et 50 kg/m3 sup-
mentation de la taille moyenne capil-
des résultats de la littérature sur la
plémentaires.
laire. L’absorption d’eau du granulat
schéma 1. Ceci le rend beaucoup plus adapté à une production tradi-
granulats de béton de démolition. Si nous considérons des durées d’ex-
carbonatation. ■
Point de vue de l’expert MICKAËL THIERY Chercheur à l’Institut Français des Sciences et Technologies des Transports, de l’Aménagement et des Réseaux (IFSTTAR, ex-Laboratoire Central des Ponts et Chaussées), il est un spécialiste de la durabilité des matériaux à base de ciment. Alors que la carbonatation est surtout connue pour être responsable de la corrosion des armatures du béton armé durant la phase de service des structures, ce phénomène semble actuellement être mis à profit pour la capacité qu’il offre de piéger du CO2 dans les matériaux cimentaires. Il est possible désormais en suivant les prescriptions des normes, de maîtriser les effets de la carbonatation des bétons sur les armatures pendant la durée d’utilisation de l’ouvrage en ajustant la formulation des bétons et en optimisant la valeur de l’enrobage des armatures en fonction des diverses attaques et agressions (traduites par la notion de classe d’exposition) que va subir le béton. De plus, les ingénieurs ont actuellement à disposition des outils performantiels basés sur l’évaluation d’indicateurs de durabilité (porosité, perméabilité, teneur en portlandite, etc.) et des modèles prédictifs qui permettent de dimensionner
8 - Solutions - béton
au mieux les formules de béton
loppement Durable. Ces tra-
sortie d’usines émettrices de
et l’épaisseur d’enrobage en
vaux ont montré que la ciné-
dioxyde de carbone telles les
fonction de la durée de vie
tique de carbonatation d’une
cimenteries. Les concentrations
attendue et suivant l’agressivité
couche de granulats de béton
locales élevées en CO2 per-
du milieu.
de démolition était optimale
mettent l’immersion des granu-
pour une épaisseur de l’ordre
lats de béton de démolition
Dans la pratique, sous quelle forme ce piégeage du CO2 pourrait-il se manifester à court terme ? Nous pouvons imaginer dès demain la réalisation, par exemple, d’écrans acoustiques ou de gabions à l’aide de granulats recyclés de béton de démolition implantés au plus près des axes de transport. Le bruit émis par les transports est la principale nuisance environnementale perçue par les habitants en site urbain. Ces axes de transport génèrent localement du CO2 qui pourra être piégé dans
de 20 cm. La réalisation d’équi-
dans du CO2 supercritique ren-
pements urbains tels que des
dant ainsi la carbonatation qua-
écrans acoustiques permet, par
siment instantanée.
ailleurs, d’épargner nos res-
Le but, à plus long terme, est de
sources en granulats naturels.
permettre la production de
Au bout de quelques années,
bétons à partir de granulats de
les granulats totalement carbo-
bétons de démolition. La ville
natés pourront être une source
pourrait alors se reconstruire à
de matériaux pour la fabrication
partir de ses propres déchets
de nouveaux bétons. Des pro-
tel un écosystème urbain.
jets de ce type sont d’ailleurs
Une fois ces techniques géné-
déjà en cours dans certaines
ralisées, ce piégeage pourra
agglomérations françaises.
être pris en compte dans l’Ana-
Certaines équipes de recherche
lyse du Cycle de Vie (ACV) du
européennes (UNIVPM-Ancona
béton et les Fiches de Déclara-
par exemple) travaillent aussi
tions Environnementales et
sur le piégeage du CO2 dans
Sanitaires (FDES) des produits
les granulats de béton de
des écrans acoustiques réalisés
en béton. Actuellement, il n’est
démolition. Nos travaux récents
à partir de bétons très poreux à
uniquement possible d’intégrer
sur ce sujet ont été financés par
base de chaux hydraulique ou
dans ces documents que le pié-
l’Agence Nationale de la Recher-
de ciment classique.
geage du CO2 pendant la vie
che (ANR) et ont reçu le pre-
Des équipes de recherche fran-
de l’ouvrage. ■
mier prix du trophée Eugène
çaises travaillent aussi sur le pié-
Freyssinet récompensant une
geage du CO2 dans des bétons
contribution concrète au Déve-
de démolition directement à la
»