Concevoir du béton imprimé en 3D pour absorber davantage de CO₂

Les limites environnementales du béton : consommation de sable et émissions de CO₂

Au cours des dernières décennies, le béton est devenu le matériau de construction de référence, en particulier dans les zones urbaines densément peuplées. Il a progressivement remplacé la brique, la pierre et le bois grâce à son faible coût, à sa facilité d’utilisation et à sa capacité à être produit à grande échelle.

Mais il n’est pas sans inconvénients.

Tout d’abord, sa consommation de ressources est loin d’en faire un produit durable. Sa fabrication nécessite d’énormes quantités de sable, au point que, selon certaines publications, le monde serait « à court de sable ».

Source : Visual Capitalist

La production de ciment est également très énergivore. Elle repose presque exclusivement sur les combustibles fossiles, si bien que la production de ciment est responsable de 8 % des émissions mondiales de CO₂.

Ces émissions sont comparables à celles des voitures et des camionnettes, responsables de 10 % des émissions mondiales. Par conséquent, rendre le béton plus durable aurait un effet aussi important que de remplacer toutes les voitures du monde par des véhicules électriques et de les alimenter uniquement en énergie verte.

Toutefois, ces émissions peuvent aussi être partiellement compensées par un phénomène appelé carbonatation, au cours duquel les matériaux cimentaires absorbent le CO₂ présent dans l’atmosphère.

Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l’ETH Zurich (Suisse), de l’University of Bath (Royaume-Uni) et de l’University of Manchester (Royaume-Uni) examine la possibilité de réduire l’empreinte carbone du béton imprimé en 3D par rapport à celle du béton ordinaire, en accélérant sa carbonatation. Pour le béton imprimé utilisé dans la tour Tor Alva, les chercheurs estiment que la carbonatation pourrait compenser environ 21 % de son empreinte carbone initiale sur une période de 50 ans.

Ils ont publié leurs résultats dans Cement and Concrete Research¹, sous le titre « (Re)carbonatation : une nouvelle possibilité pour un béton imprimé en 3D plus durable ».

Béton et CO₂

La principale raison pour laquelle le béton représente une part importante des émissions mondiales de carbone est la calcination du calcaire (CaCO₃), qui se décompose en CO₂ et en oxyde de calcium, ou chaux vive (CaO). La chaux vive se combine ensuite immédiatement à la silice (SiO₂), à l’alumine (Al₂O₃) et à l’oxyde de fer (Fe₂O₃) provenant de l’argile ou du schiste pour former le ciment.

« La majeure partie de ces émissions (généralement 60 % [2]) est due à la calcination du calcaire (CaCO₃), qui se décompose en CO₂ et en oxyde de calcium (CaO) avant la clinkérisation dans le four. Le reste des émissions de CO₂ liées au ciment provient principalement des combustibles fossiles nécessaires à la production de chaleur. »

Ces émissions de carbone peuvent être en partie compensées à l’étape suivante, lorsque le ciment est utilisé pour construire des structures en béton.

Dans la pâte de ciment durcie, les produits d’hydratation contenant du calcium réagissent lentement avec le CO₂ de l’air et forment des carbonates de calcium, séquestrant ainsi le CO₂.

« Dans une perspective de durabilité, cette même réaction de fixation du CO₂ peut être appelée (re)carbonatation. La quantité ainsi fixée correspond à environ 43 % des émissions de CO₂ liées à la production de ciment. »

La carbonatation présente toutefois des inconvénients. Elle réduit l’alcalinité de la solution présente dans les pores du béton, ce qui peut déstabiliser le film de passivation qui recouvre les armatures en acier. Il peut en résulter une corrosion de l’acier, qui réduit la durée de vie des structures ordinaires en béton armé.

Cela peut poser un sérieux problème pour les bétons bas carbone, car ils ont tendance à se carbonater plus rapidement que le béton Portland ordinaire.

L’impression 3D du béton

Un exemple concret

Parmi les nouvelles méthodes de construction qui font appel à la fabrication numérique du béton, l’impression 3D du béton est la technologie la plus répandue et la plus prometteuse.

Pour évaluer l’empreinte carbone réelle de cette technique, les auteurs de l’étude ont élaboré une méthode d’analyse dynamique du cycle de vie (ACV). Ils ont pris pour étude de cas la tour « Tor Alva », imprimée en 3D dans le village de Mulegns, dans les Alpes suisses, en s’intéressant plus particulièrement à ses colonnes ramifiées et à sa coupole, toutes deux imprimées en 3D.

Source : Recherche sur le ciment et le béton

Ils ont d’abord mesuré la carbonatation selon trois méthodes : l’une reposait sur un essai accéléré (dans une chambre de carbonatation maintenue à 4 % de CO₂, 67 % d’humidité relative et 20 °C) et les deux autres sur des mesures de carbonatation naturelle : la mesure directe de la profondeur de carbonatation et la quantification des carbonates et du CO₂ par analyse thermogravimétrique.

Déterminer le taux réel de carbonatation

Pour projeter les effets de la carbonatation observée, les chercheurs ont retenu un horizon de 50 ans. Ils ont également comparé les résultats obtenus pour la structure en béton imprimée en 3D à ceux d’une structure coulée en place, de géométrie extérieure similaire et réalisée avec une composition de ciment comparable.

Ils ont constaté que, dans la zone où le béton se carbonatait, tout le matériau disponible réagissait et absorbait du CO₂.

« Dans la zone carbonatée, la quantité de CO₂ fixé se situe entre 44,16 et 51 g de CO₂ pour 100 g de liant hydraté. Cette dernière valeur correspond à une quantité de CO₂ suffisante pour décalcifier tous les silicates de calcium hydratés disponibles. »

Source : Recherche sur le ciment et le béton

La question suivante consiste à déterminer quelle quantité de béton imprimé en 3D captera effectivement du carbone au cours de sa durée de vie. En analysant la progression de la carbonatation au moyen d’essais accélérés, les chercheurs ont établi qu’en 50 ans, 86 % de tout le mortier imprimé utilisé dans la tour serait carbonaté, soit un total de 32 m3 de béton imprimé carbonaté.

Source : Recherche sur le ciment et le béton

En comparant ces résultats aux mesures de la carbonatation naturelle, la mesure directe de la profondeur de carbonatation a donné un résultat similaire (89 %). Les méthodes ont produit différentes estimations de l’étendue de la carbonatation, mais ces pourcentages ne mesurent pas directement la quantité totale de CO₂ absorbée. Les chercheurs expliquent que les indicateurs de pH peuvent ne pas détecter une absorption importante avant que le matériau ne change de couleur. L’analyse thermogravimétrique mesure directement l’absorption et a permis d’estimer à 21 % la réduction de l’empreinte carbone du béton imprimé, contre 14 % avec les mesures du pH de la carbonatation naturelle.

Source : Recherche sur le ciment et le béton

Comparée à la structure coulée en place, l’empreinte carbone de Tor Alva est plus faible, grâce à une utilisation de béton réduite de 25 % et à une meilleure carbonatation.

« Malgré une quantité de matériaux cimentaires inférieure de 25 %, la structure en béton imprimé en 3D peut fixer 2,5 fois plus de CO₂ que la structure de référence coulée en place (4,6 tCO₂ pour la structure imprimée et 1,9 tCO₂ pour celle coulée en place). »

Améliorer le captage du carbone

Cette étude indique qu’une carbonatation rapide peut permettre au béton de capter davantage de carbone et réduire considérablement les émissions totales de carbone sur l’ensemble du cycle de vie d’un bâtiment. C’est particulièrement vrai pour les structures en béton sans armatures en acier et pour le béton imprimé en 3D, grâce à une carbonatation plus rapide.

Il convient également de noter que les cycles de gel et de dégel, comme dans l’exemple étudié (les Alpes suisses), ont probablement influé à la fois sur les conditions aux limites et sur les propriétés de transport internes qui régissent les mouvements de l’humidité et du CO₂.

Source : Recherche sur le ciment et le béton

En pratique, cela pourrait signifier que le béton imprimé en 3D utilisé dans les climats plus chauds pourrait constituer un puits de carbone encore plus efficace, mais des études supplémentaires sont nécessaires pour le démontrer.

« Le gel de l’eau contenue dans les pores pourrait obstruer partiellement le réseau poreux, réduisant ainsi le transport effectif et ralentissant la carbonatation. Ces résultats indiquent qu’il faut tenir compte des effets des basses températures — qu’ils soient dus à une obstruction partielle des pores, à des changements de l’état hydrique ou à une combinaison des deux — pour décrire la carbonatation dans de telles conditions environnementales. »

Cela ouvre également de nouvelles perspectives pour optimiser l’impression 3D du béton. L’optimisation de la carbonatation pourrait devenir un paramètre supplémentaire dans l’optimisation géométrique des structures en béton imprimé en 3D, en exposant autant de surface que possible à la carbonatation.

Cela ne signifie pas que le béton imprimé en 3D est une méthode de construction sans émissions de carbone. Même lorsque la carbonatation est optimisée, les émissions liées à la calcination lors de la production du ciment restent importantes. Et, bien sûr, le carbone réabsorbé sur une période de 50 ans contribuera fortement au changement climatique pendant ce temps.

Cependant, si ces émissions de carbone étaient captées au niveau de la cimenterie, la carbonatation ultérieure du bâtiment en béton pourrait véritablement transformer ce type d’infrastructure en puits net de carbone, malgré sa construction en béton.

Le béton imprimé en 3D est bien plus susceptible d’atteindre cet objectif en premier, en associant une géométrie optimisée, des liants à faible teneur en carbone et un renforcement adapté. Cela pourrait, à son tour, offrir de nouvelles possibilités aux fournisseurs de matériaux de construction.

Investir dans les technologies avancées du béton

CRH

Parmi les leaders mondiaux de la production de ciment, CRH jouera un rôle déterminant dans la transition du secteur de la construction en ciment vers un modèle plus durable. L’entreprise se classe au premier rang pour le volume total de matériaux de construction fournis, tant sur les marchés américain qu’européen.

Source : CRH

L’entreprise est présente dans 28 pays et sur 3 390 sites, et emploie 78 500 personnes. CRH Americas réalise 65 % de son chiffre d’affaires mondial. Elle est également, de loin, la plus grande entreprise cimentière, une position de leader encore renforcée par sa récente acquisition d’Arcosa.

« Cette transaction renforce la position de CRH en tant que leader des granulats aux États-Unis, ainsi qu’à l’échelle mondiale, et accroît son exposition à certaines des zones statistiques métropolitaines (MSA) connaissant la croissance la plus rapide aux États-Unis. »

Source : CRH

CRH compte sur les dépenses importantes des gouvernements occidentaux dans les infrastructures pour développer ses activités. Les tendances à la réindustrialisation et à la relocalisation dans le pays de la fabrication de produits de haute technologie devraient également y contribuer.

CRH a réalisé des progrès considérables en matière de durabilité grâce à une série d’initiatives :

• C’est le plus grand recycleur d’Amérique du Nord : en 2023, il a recyclé 43,9 millions de tonnes de déchets et de sous-produits issus d’autres industries.
• En 2023, il a réduit ses émissions de CO₂ de 8 %, grâce à l’utilisation de combustibles alternatifs dans ses cimenteries, qui en représentent 36 %.
• Il vise une réduction de ses émissions de 30 % d’ici 2030, par rapport à celles de 2021.

CRH contribue également à des transformations plus fondamentales du secteur. Il a notamment investi 75 M$ dans Sublime, une entreprise spécialisée dans le ciment bas carbone, aux côtés du géant européen du béton Holcim.

Sublime Systems est issue d’un essaimage du MIT en 2020. L’entreprise utilise un électrolyseur pour produire du ciment à température ambiante, en remplacement des fours énergivores qui utilisent des combustibles fossiles. Elle permet également d’utiliser des sources de calcium comme matières premières, évitant ainsi les émissions de CO₂ liées à l’utilisation de calcaire.

La première usine commerciale de Sublime, à Holyoke, devrait ouvrir dès 2026. Si la technologie fait ses preuves, elle pourrait véritablement changer la donne pour l’industrie du ciment et ouvrir la voie à la production de béton à faibles émissions à grande échelle.

CRH a également investi dans d’autres jeunes pousses spécialisées dans la décarbonation et le développement durable :

• 23,7 millions d’euros dans Cool Planet Technologies, qui développe des solutions de captage du carbone pour les secteurs traditionnellement difficiles à décarboner.
• 34,7 M$ investis par CRH et d’autres investisseurs dans Carbon Upcycling Technologies, qui utilise une solution de minéralisation entièrement électrique pour stocker durablement le CO₂ dans des sous-produits industriels et des minéraux, comme le ciment, les plastiques, les produits de consommation, les engrais et les produits pharmaceutiques.
• AICrete, une plateforme de « recette en tant que service » qui travaille avec des producteurs locaux de béton afin d’optimiser l’utilisation des matériaux locaux et de réduire la quantité de ciment employée grâce à des analyses par IA, diminuant ainsi à la fois l’empreinte carbone et le coût de production du béton.
• Le financement de série B de FIDO AI est destiné à une jeune pousse qui utilise l’IA pour réduire la consommation d’eau et accroître les économies d’eau.

Enfin, CRH investit également dans l’impression 3D du béton (3DCP) par l’intermédiaire de sa filiale Amerimix.

Dans l’ensemble, CRH est un acteur majeur et rentable des secteurs du béton et de la construction. Il prépare activement la décarbonation du secteur, à la fois directement dans ses installations existantes et en apportant des capitaux essentiels à des jeunes pousses innovantes qui développent les technologies de prochaine génération pour la production de ciment et de béton, notamment dans les domaines de la décarbonation et de l’impression 3D.

Dernières actualités et évolutions concernant l’action CRH (CRH)

Étude citée

^{1. Lucas Nascimento de Lima. (Re)carbonatation : une nouvelle possibilité pour un béton imprimé en 3D durable. Cement and Concrete Research. Décembre 2026. Article : 108411. Volume 210. 10.1016/j.cemconres.2026.108411}