Durabilité
Le béton était, est et restera un matériau structurel essentiel – Comment pouvons‑nous contourner ses limites ?
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Limites du béton
Le béton est devenu le matériau central de la construction au cours des dernières décennies, en particulier dans les environnements urbains denses. Il a progressivement remplacé les briques, les pierres et le bois, grâce à son faible coût, sa facilité d’utilisation et son évolutivité.
Mais il n’est pas exempt de problèmes.
Durabilité
Tout d’abord, ce n’est pas du tout un produit durable en ce qui concerne les ressources consommées. Il consomme d’énormes quantités de sable, au point que l’on a décrit que le monde manque de sable.
Source: Visual Capitalist
La production de ciment est également une activité très énergivore. Elle est presque exclusivement alimentée par des combustibles fossiles, ce qui fait que la production de ciment est responsable de 8 % des émissions mondiales de CO₂.
Cela peut être comparé aux émissions de CO₂ des voitures et des fourgons, qui représentent 10 % des émissions mondiales. Ainsi, rendre le béton plus durable aurait autant d’impact que de transformer toutes les voitures du monde en véhicules électriques et de les alimenter uniquement avec de l’énergie verte.
Durabilité
Si les bâtiments en béton duraient des siècles, nous pourrions au moins considérer que la consommation de sable et les émissions de CO₂ seraient un effort ponctuel, la construction restant longtemps en place.
Mais ce n’est pas le cas. Les bâtiments en béton armé, qui constituent la majeure partie de ce qui est construit aujourd’hui, ont une durée de vie moyenne de seulement 50 à 100 ans. Ils doivent ensuite être entièrement démolis, les gravats enlevés et enterrés quelque part, puis reconstruits à zéro.
Nouvelles technologies du béton
Ces coûts environnementaux élevés combinés à un manque de durabilité signifient que le béton doit être amélioré. Bien sûr, nous pourrions théoriquement revenir entièrement à l’utilisation exclusive de pierre, d’argile et de bois comme matériaux de base pour la construction. Cependant, la praticité et le faible coût du béton le rendent très difficile à remplacer en tant que matériau préféré des architectes.
Élimination de l’acier
Le principal responsable de la faible durabilité du béton moderne est la barre d’acier (armature) qui y est insérée. L’acier d’armature offre d’importants avantages structurels en améliorant radicalement la résistance à la traction du béton (capacité à résister à la traction ou à l’étirement).
Le problème est que l’acier, principalement composé de fer, rouille finalement. Lorsqu’il rouille, il se dilate, provoquant des fissures dans le béton qui l’entoure. Cela est souvent appelé « cancer du béton », et explique pourquoi le béton armé ne dure que peu de temps.
Source: USNW Sydney
Béton au graphène
Alors que nous inventons de nouveaux matériaux, de nouvelles solutions peuvent être appliquées au béton. En ajoutant du graphène au béton, un matériau 2D exceptionnel, des chercheurs de l’Université de Virginie ont réussi à augmenter les performances du béton, tout en le rendant plus durable et en réduisant les émissions de carbone.
Il a été publié dans le Journal of Building Engineering sous le titre “Rheological, mechanical, and environmental performance of printable graphene-enhanced cementitious composites with limestone and calcined clay.”
Ils se sont concentrés sur le béton utilisé dans les méthodes d’impression 3D, un sujet que nous avons abordé plus en détail dans “Home Ownership is More Prohibitive than Ever Before in North America – Can 3D Printing Change This?”.
Le béton LC2 renforcé au graphène pourrait réduire les émissions de gaz à effet de serre d’environ 31 % par rapport aux mélanges de béton imprimable traditionnels. Cela s’explique par le fait qu’au lieu d’utiliser de l’acier, qui est un important émetteur de carbone lors de sa production, ils ont utilisé du graphène, composé de carbone pur. Ainsi, au moins pour la partie de renforcement, ce nouveau béton capture le carbone au lieu de l’émettre.
Cependant, la partie ciment reste le même processus à forte intensité carbone, mais c’est un bon premier pas.
Et comme le graphène est beaucoup plus stable et ne s’oxyde pas (ne rouille pas), ce type de béton devrait être à l’abri du cancer du béton. Si le bâtiment ainsi construit dure beaucoup plus longtemps, cela signifiera beaucoup moins d’émissions à long terme.
Armature en chanvre
Des matériaux avancés comme le graphène ne sont peut‑être pas la seule option. C’est une bonne chose, car le graphène est, pour l’instant, assez coûteux, ce qui pourrait freiner la commercialisation de ces bétons haute performance et à faibles émissions.
Le chanvre (l’espèce non psychoactive des plantes de cannabis) est de plus en plus utilisé dans les matériaux de construction. Lorsqu’il est correctement transformé, il peut devenir un matériau d’isolation, des blocs de chanvre pour de petits bâtiments, et même du hemcrete (chanvre+béton).
Source: 2050 Materials
Il pourrait également être façonné en armature pour le béton sous la forme d’une armature composite en thermoplastique renforcé de fibres naturelles (NFRT), ou armature en chanvre, mélangeant une corde à base de chanvre avec une gaine en thermoplastique.
Source: CASE
Comme le chanvre est une fibre végétale, il est carbone‑négatif, stockant le carbone atmosphérique. De plus, le chanvre est très résistant et ininflammable.
Béton auto‑réparateur
Tous les bétons ne durent pas seulement quelques décennies. Certaines formes de béton ont réellement été assez robustes pour durer des millénaires, depuis l’Empire romain. Par exemple, le célèbre Panthéon est le plus grand dôme en béton non armé du monde et a été construit en 128 ap. J.-C.
Le premier point clé est que ces structures en béton n’utilisaient aucune armature. Elles étaient également fabriquées avec des matériaux spéciaux, comme des roches volcaniques et des cendres, qui rendaient le béton partiellement auto‑réparateur.
Ainsi, bien que cela ne soit pas parfaitement évolutif, les roches volcaniques n’étant pas aussi abondantes que le sable, cela pourrait être une option pour de nombreuses constructions qui n’ont réellement pas besoin d’armature et qui sont peu susceptibles de devoir être reconstruites.
Chauffage du béton
Outre la corrosion, un autre facteur pouvant endommager les bâtiments en béton est le cycle de gel‑dégel en hiver. Chaque fois, l’eau se dilate en gelant, ébréchant un peu le béton ou provoquant des fissures. Avec le temps, cela peut évoluer vers des dommages de plus en plus graves.
Dans “Self-Heating Concrete Could Help our Roads, Aquifers, and Wallets”, nous avons exploré comment un matériau à changement de phase à basse température (PCM) peut être incorporé dans des micro‑capsules de paraffine et directement mélangé au béton.
Cela pourrait aider à garder le béton exempt de gel à des températures autour de 0 °C et réduire les besoins d’entretien routier en hiver.
Ciment sans carbone
Étant donné que les émissions de carbone du ciment sont presque aussi élevées que celles des voitures, une amélioration importante est nécessaire pour réduire ou éliminer totalement les émissions de carbone associées, ce qui est plus facile à dire qu’à faire.
Énergie verte
Comme la production de ciment nécessite beaucoup de chaleur, nous devons observer le développement d’alternatives électriques ou thermiques aux fours et calcinateurs fonctionnant aux combustibles fossiles.
Ce n’est pas nécessairement une tâche technique très complexe, mais voir l’ensemble de l’industrie changer d’équipement et adopter cette nouvelle technologie prendra du temps.
De plus, les alternatives électriques aux processus industriels basés sur les combustibles fossiles ne sont vertes que si l’électricité utilisée l’est. Ainsi, un approvisionnement constant en électricité sans carbone est également nécessaire.
Émissions liées au calcaire
Un problème majeur pour éliminer les émissions de carbone de la production de ciment est que toutes les émissions ne proviennent pas de l’énergie consommée. Si tel était le cas, il suffirait d’utiliser de l’électricité verte pour chauffer le calcaire afin de produire du ciment.
Mais le calcaire lui‑même, matière première de base du ciment, émet du CO₂, selon cette formule (avec Δ=chaleur) : CaCO3 + Δ → CaO + CO2 dans un processus appelé calcination.
- Remplacer le calcaire : en utilisant du silicate de calcium, au lieu du carbonate de calcium (calcaire), la société Brimstone propose de créer du ciment sans carbone.
- Comme le silicate de calcium est un minéral très abondant, il s’agit principalement de développer la technologie et de la rendre compétitive commercialement.
- Capture du carbone : étant donné que la plupart des installations de production de ciment utilisent actuellement des calcinateurs et du calcaire à base de combustibles fossiles, il pourrait être plus facile de capturer les émissions que de les éviter.
Entreprise de ciment durable
CRH Graphique du prix
En tant que l’un des leaders mondiaux de la production de ciment, CRH jouera un rôle essentiel pour rendre la construction en ciment plus durable. C’est le numéro 1 en volume total de matériaux de construction fournis tant aux États‑Unis qu’aux marchés européens.
L’entreprise est active dans 28 pays et 3 390 sites, emploie 78 500 personnes, CRH Americas représentant 65 % de ses ventes mondiales en 2023.
L’entreprise s’attend à ce que les dépenses importantes des gouvernements occidentaux en infrastructures stimulent sa croissance. Les tendances de réindustrialisation et de relocalisation de la fabrication de haute technologie devraient également aider.
Durabilité
CRH a réalisé des progrès sérieux en matière de durabilité grâce à une série d’initiatives :
- C’est le plus grand recycleur en Amérique du Nord, avec 43,9 millions de tonnes de déchets et de sous‑produits d’autres industries recyclés en 2023.
- Elle a réduit ses émissions de CO₂ de 8 % en 2023, grâce à l’utilisation de 36 % de combustibles alternatifs dans ses cimenteries.
- Elle vise une réduction des émissions de 30 % d’ici 2030 (par rapport aux émissions de 2021).
C’est louable en soi, mais cela peut être perçu comme trop peu, trop tard.
Heureusement, CRH est également un moteur de changements plus fondamentaux dans l’industrie. Notamment, elle a investi 75 M$ dans la société de ciment à faible carbone Sublime, en partenariat avec le géant européen du béton Holcim.
Sublime Systems a été créée à partir du MIT en 2020 pour utiliser un électrolyseur afin de produire du ciment à température ambiante, remplaçant les fours énergivores et à forte consommation de combustibles fossiles. Elle permet également l’utilisation de sources de calcium comme matière première, évitant ainsi le rejet de CO₂ provenant du calcaire.
La première installation commerciale de Sublime à Holyoke devrait ouvrir dès 2026. Si elle s’avère réussie, elle pourrait être le véritable changement de jeu pour l’industrie du ciment et ouvrir la voie à un béton à faibles émissions évolutif.
“Sublime est une force disruptive dans la fabrication du ciment. Sa technologie unique intervient à chaque étape du processus de production, de l’utilisation d’électricité propre aux matières premières sans carbone. Nous sommes enthousiastes quant à son potentiel et ravis de nous associer pour le commercialiser à grande échelle. Cet investissement s’inscrit pleinement dans la stratégie de Holcim visant à accélérer la décarbonisation de la construction en développant les technologies les plus innovantes.”
Officer Nollaig Forrest – Holcim’s Chief Sustainability
CRH a également investi dans d’autres startups de décarbonisation et de durabilité :
- 23,7 M€ dans Cool Planet Technologies, qui développe des solutions de capture du carbone pour des industries traditionnellement difficiles à décarboniser.
- 34,7 M$ par CRH et d’autres investisseurs dans Carbon Upcycling Technologies, qui utilise une solution de minéralisation entièrement électrique pour stocker de façon permanente le CO₂ dans les sous‑produits industriels et les minéraux, tels que le ciment, les plastiques, les produits de consommation, les engrais et les produits pharmaceutiques.
- AICrete, une plateforme « recette‑en‑tant‑que‑service » qui travaille avec les producteurs locaux de béton, optimisant les matériaux locaux et réduisant la quantité de ciment utilisée grâce à des analyses IA, diminuant à la fois l’empreinte CO₂ et le coût de production du béton.
- Le financement de série B de FIDO AI est une startup qui utilise l’IA pour réduire la consommation d’eau et augmenter les économies d’eau.
Dans l’ensemble, CRH est un leader rentable de l’industrie du béton et se prépare très activement à la décarbonisation du secteur, tant directement dans ses installations existantes qu’en étant un fournisseur majeur de capitaux aux startups innovantes qui créent la prochaine génération de technologies de production de ciment et de béton.
