Matériaux Construire avec des matériaux négatifs en CO2

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Le secteur de la construction comme puits de CO₂ ? C'est ce sur quoi travaillent les chercheurs du « Concrete & Asphalt Lab » de l'EMPA. En incorporant du charbon végétal dans le béton, ils explorent le potentiel d'un béton neutre ou même négatif en termes de CO₂.

Pour une praticabilité optimale, ils transforment préalablement le charbon en granulés et remplacent ainsi les granulats disponibles dans le commerce.

Pour atteindre l'objectif d'une Suisse climatiquement neutre d'ici 2050, des stratégies et des processus pré-sentant un bilan CO₂ négatif sont nécessaires. Ces technologies dites à émissions négatives (NET) contrebalancent les émissions qui subsisteront probablement en 2050 et doivent contribuer à ce que le résultat du calcul des émissions soit en fin de compte « zéro net ». Le secteur de la construction, l'un des principaux émetteurs, est particulièrement concerné. Près de huit pour cent des émissions mondiales de gaz à effet de serre proviennent de la production de ciment. Parallèlement, des efforts commencent à être faits pour utiliser le secteur de la construction, avec sa consommation massive de ressources, comme un possible puits de carbone. Ce qui semble paradoxal ne sera possible que si nous commençons à « construire avec du CO₂ », c'est-à-dire à utiliser le carbone pour la fabrication de matériaux de construction et à le retirer ainsi de l'atmosphère à long terme. Pour que de telles visions deviennent un jour réalité, il faut un grand travail scientifique préalable, comme celui qui est actuellement effectué au « Concrete & Asphalt Lab » de l'EMPA. Une équipe dirigée par Pietro Lura développe un procédé permettant d'intégrer le charbon végétal dans le béton de manière pratique.

Difficultés liées à la porosité

Le charbon végétal est produit par un processus de carbonisation pyrolytique à l'abri de l'air et se compose en très grande partie de carbone pur, le carbone que les plantes ont prélevé dans l'atmosphère sous forme de CO₂ lors de leur croissance. Alors que le CO₂ s'échappe lors de la combustion des plantes, il reste stable à long terme dans le charbon végétal. Aujourd'hui déjà, on trouve sur le marché les premiers produits en béton avec du charbon végétal intégré. Mais le charbon est souvent incorporé au béton sans être traité, ce qui peut entraîner quelques difficultés. « Le charbon végétal est très poreux et absorbe donc non seulement beaucoup d'eau, mais aussi des additifs coûteux utilisés dans la fabrication du béton », explique Mateusz Wyrzykowski, chercheur à l'EMPA. « De plus, la manipulation est difficile et n'est pas sans danger. La poussière de charbon est problématique pour les voies respiratoires et présente un certain risque d'explosion ».

Pour ces raisons, les chercheurs proposent dans leur article qui vient de paraître dans le « Journal of Cleaner Production » de transformer le charbon végétal en granulés. « De tels granulats légers existent déjà aujourd'hui à partir d'autres matériaux comme l'argile expansée ou les cendres volantes. Le savoir-faire en matière de manipulation de ces matériaux est disponible dans le secteur, ce qui augmente les chances de voir le concept passer à la pratique », explique Mateusz Wyrzykowski.

Zéro net à 20 % de volume de béton

Pour fabriquer les granulés, l'équipe a utilisé un mélangeur rotatif dans lequel elle a mélangé le charbon végétal avec de l'eau et du ciment et obtenu par rotation de petites billes d'un diamètre compris entre 4 et 32 millimètres. Ils ont ensuite utilisé ces granulés pour fabriquer du béton normal des classes de résistance C20/25 à C30/37, les classes les plus répandues aujourd'hui dans le bâtiment et le génie civil. « Avec 20 % de granulés de carbone en volume dans le béton, nous obtenons des émissions nettes nulles », explique Mateusz Wyrzykowski. Cela signifie que la quantité de carbone stockée compense toutes les émissions générées par la production des granulés et du béton. Alors que l'on n'a probablement pas encore atteint la limite pour le béton normal (densité entre 2000 et 2600 kg/m³) avec 20 pour cent en volume, le potentiel d'émissions négatives est particulièrement visible pour le béton léger (densité d'environ 1800 kg/m³) : une part de 45 pour cent en volume de pellets de carbone dans le béton conduit à des émissions négatives totales de moins 290 kg de CO₂/m³. À titre de comparaison, un béton traditionnel affiche plus de 200 kg de CO₂/m³.

Carbone de l'atmosphère

Pour le chef de département Pietro Lura, la recherche dans son laboratoire est une contribution décisive à la réalisation des objectifs climatiques. Pour lui, la source de carbone la plus importante n'est pas en premier lieu le charbon végétal, qui a servi de matériau modèle dans la recherche actuelle. Il attire plutôt l'attention sur le vaste concept « Mining the Atmosphere » que poursuivent plusieurs départements de recherche de l'EMPA : la production de gaz méthane synthétique à l'aide d'énergie solaire, d'eau et de CO₂ de l'atmosphère dans les régions ensoleillées de la Terre, suivie d'une pyrolyse du gaz. « On obtient ainsi de l'hydrogène, que l'on peut utiliser comme vecteur d'énergie dans l'industrie ou la mobilité, et du carbone solide que nous pouvons transformer en pellets, comme le charbon végétal, et incorporer dans le béton », explique Pietro Lura. MSM

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