Améliorer les granulats de béton recyclé par la carbonatation

Rédaction
17/12/2018

Le volume de déchets générés par la déconstruction va devenir très important dans les prochaines années. Dans le cadre du projet national “Recybéton”, l’Ifsttar a étudié la possibilité d’utiliser le phénomène de la carbonatation des bétons de démolition, en vue d’améliorer leurs caractéristiques.

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Les granulats constituent la partie la plus importante d’un béton : environ les deux tiers de la masse. La fabrication de béton représente en conséquence environ 40 % de la consommation totale actuelle en granulats. Il s’agit d’une ressource non renouvelable, de moins en moins accessible. L’Ile-de-France importe près de la moitié des granulats qu’elle consomme (environ 13 Mt/an, d’après le Livre Blanc de l’UNPG). Et on estime que cette consommation va encore augmenter de 5 Mt/an. D’après la direction régionale et interdépartementale de l’environnement et de l’énergie,DRIEE Ile-de-France, avec les projets du Grand Paris. [abonne] De plus, les bâtiments construits entre 1950 et 1980 arriveront prochainement en fin de vie. Les volumes de bétons à recycler produits seront alors très importants.

Les projets du Grand Paris devraient accroître de 5 Mt/an la consommation de granulats en Ile-de-France. [©Grand Paris]
Les projets du Grand Paris devraient accroître de 5 Mt/an la consommation de granulats en Ile-de-France. [©Grand Paris]

1 – Comment sont traités les déchets générés par les déconstructions en Ile-de-France ?

Aujourd’hui, ces déchets sont traités de deux façons : par enfouissement ou par recyclage en matériau de remblai à faible valeur ajoutée pour les terrassements routiers. Avec l’arrivée prochaine de volumes de déchets plus importants, la filière routière n’arrivera plus à absorber ces déchets. Dont le coût environnemental de traitement augmentera, de facto, de manière significative.

En France, le projet national “Recybéton”, qui regroupe des industriels et des centres de recherche comme l’Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux (Ifsttar), a pour objectif d’accroître la réutilisation des matériaux issus des bétons de déconstruction. En les utilisant comme des granulats pour la fabrication de nouvelles constructions.

Des problèmes techniques subsistent cependant dans les approches existantes de recyclage des bétons dans les bétons. Les granulats issus du concassage d’un béton présentent une porosité supérieure aux granulats naturels et des propriétés mécaniques inférieures. Par ailleurs, un obstacle majeur réside dans le mode de production des bétons à base de granulats recyclés. L’absorption d’eau de ces granulats est forte (entre 5 et 10 %) et lente (elle a lieu sur une période de l’ordre de 20 mn). Un béton de granulats recyclés voit ainsi son ouvrabilité (aptitude à la mise en œuvre) chuter lors de sa phase de transport.

Arrivant en fin de vie, nombre de bâtiments construits durant les Trente Glorieuses devraient générer d’importants volumes de bétons à recycler. [©ACPresse]
Arrivant en fin de vie, nombre de bâtiments construits durant les Trente Glorieuses devraient générer d’importants volumes de bétons à recycler. [©ACPresse]

2 – Que préconise l’Ifsttar et pourquoi ?

Dans ce cadre, l’Ifsttar a étudié la possibilité d’utiliser le phénomène de la carbonatation des bétons de démolition en vue d’améliorer leurs caractéristiques. La carbonatation est un processus naturel d’absorption de CO2au sein du matériau. Cela par carbonatation des hydrates de ciment présents dans ces déchets concassés. En effet, lors de la fabrication d’un ciment Portland à partir de calcaire et de silice, on opère par cuisson du calcaire en présence de silice, la décarbonatation du calcaire. Cette réaction est très émettrice de CO2.

La réaction d’hydratation engendrée ensuite, entre le ciment et l’eau lors de la fabrication du béton, conduit à la formation d’hydrates. Ces hydrates sont à l’origine de la résistance mécanique du béton. Cependant, ces composés ne sont pas totalement stables, mais seulement métastables. En présence du CO2 atmosphérique, la carbonatation des hydrates se produit naturellement. Et les hydrates, en réabsorbant le CO2, se retransforment lentement en calcaire et gel de silice, bouclant ainsi le cycle minéral.

Cette réaction est néfaste pendant la phase de service d’une structure en béton armé. Car en abaissant le pH du béton, elle conduit à la corrosion des armatures en acier. Mais, une fois la structure arrivée en fin de vie, elle constitue un atout, surtout dans l’optique de recycler le béton. Ainsi, la première conséquence que l’on en retire est l’amélioration de la qualité des granulats produits à partir de bétons de déconstruction. La seconde est le stockage du CO2. Celui-ci a pour effet d’améliorer le bilan environnemental du matériau béton.

Granulats issus de la valorisation de bétons de démolition. [©Clamens]
Granulats issus de la valorisation de bétons de démolition. [©Clamens]

3 – Quelles sont les techniques de carbonatation ? 

Les travaux de recherche menés montrent que la carbonatation de la matrice cimentaire du béton engendre un matériau. Dont l’absorption d’eau est à la fois plus faible et plus rapide que le matériau issu d’un béton non carbonaté. Ce qui le rend beaucoup plus adapté au procédé traditionnel de fabrication du béton.

a – La carbonatation naturelle

Ce phénomène repose sur le contact entre le CO2de l’atmosphère et le ciment. La première solution pour améliorer la cinétique de la carbonatation porte sur l’augmentation de la surface de contact. En réalisant un concassage du béton de démolition. En transformant, par exemple, une dalle de 20 cm en granulats d’environ 1 cm. La surface de contact offerte au CO2atmosphérique est multipliée par 1 000 environ. Les résultats montrent qu’il est possible, pour des bétons traditionnels, de capter 50 à 60 % du CO2émis lors de la décarbonatation du calcaire.

En intégrant dans l’analyse l’énergie utilisée pour le broyage et le transport du matériau. On montre qu’un tel traitement permettrait de piéger entre 15 et 20 kg de CO2par m3de béton traité. Mais la période nécessaire pour cette carbonatation est longue et rend obligatoire un stockage du matériau sur une période importante avant réutilisation (de l’ordre de plusieurs mois). Donc un espace de stockage dédié, ce qui peut s’avérer prohibitif en pratique.

b – Carbonatation accélérée[1]

Il est possible d’accélérer le processus, en travaillant à des pressions plus importantes, voire avec du CO2supercritique [Figure 1]. On parle de fluide supercritique, lorsqu’un fluide est chauffé au-delà de sa température critique et lorsqu’il est comprimé au-dessus de sa pression critique. Les propriétés physiques d’un fluide supercritique (densité, viscosité, diffusivité) sont intermédiaires entre celles des liquides et celles des gaz. Le CO2devient supercritique à une température supérieure à 31 °C et à une pression supérieure à 73 bar. Il est donc facile à obtenir, sans danger (non inflammable, non toxique) et déjà utilisé avec succès dans l’industrie agroalimentaire. Pour notamment décaféiniser des grains de café, extraire des arômes de plantes à parfum ou encore dénicotiniser du tabac.

Etat de carbonatation (couleur après traitement à la phénolphtaléine) d’une section de granulats, avant (droite) et après (gauche) carbonatation accélérée par CO2 supercritique (température 80 °C, pression 250 MPa, durée 20 mn). [©Ifsttar]
Etat de carbonatation (couleur après traitement à la phénolphtaléine) d’une section de granulats, avant (droite) et après (gauche) carbonatation accélérée par CO2 supercritique (température 80 °C, pression 250 MPa, durée 20 mn). [©Ifsttar]

Des essais préliminaires effectués en collaboration avec le laboratoire de génie chimique de l’Université de Toulouse ont montré qu’on pouvait carbonater des matériaux cimentaires en conditions supercritiques sur 1 cm en 10 mn environ [Figure 2]. Ce traitement offre l’avantage d’être efficace aussi pour les fractions fines (sables) issues du recyclage et qui détiennent un potentiel élevé de piégeage de CO2. Ces dernières ne sont actuellement pas réutilisées dans la refabrication du béton, car trop poreuses. Toutefois, le bilan socio-économique du procédé reste à réaliser. Il comporte un risque de déséquilibrage par un surcoût technologique important. Ce bilan dépendrait également du prix de la tonne de CO2et de la mise en place d’une taxation sur le carbone. 

Zones carbonatées  et non carbonatées dans la section transversale d’une éprouvette cylindrique (Ø 32 mm) en pâte de ciment durci ; carbonatation accélérée par CO2 supercritique (température 70 °C, pression 250 MPa, durée 65 mn). [©Ifsttar]
Zones carbonatées et non carbonatées dans la section transversale d’une éprouvette cylindrique (Ø 32 mm) en pâte de ciment durci ; carbonatation accélérée par CO2 supercritique (température 70 °C, pression 250 MPa, durée 65 mn). [©Ifsttar]

c – Une variante 

Ces travaux de recherche ont aussi porté sur l’étude d’une variante plus simple à mettre en œuvre et moins couteuse. Elle consiste à placer les granulats à pression atmosphérique, mais dans une atmosphère contrôlée et enrichie en CO2. En quelques jours, on arrive alors à carbonater une couche de granulats recyclés de l’ordre de 10 cm. On peut donc imaginer qu’un bullage de CO2transitant à une pression partielle de CO2élevée dans un big bag de granulats recyclés pourrait permettre de traiter les granulats en 2 ou 3 mois…

En parallèle, un modèle de carbonatation applicable sur des matériaux granulaires a été développé. Il permet de modéliser les phénomènes décrits plus haut. Et de prendre en compte la teneur en eau des granulats, paramètre majeur du phénomène de carbonatation. Le CO2 pénètre en effet dans le béton sous forme gazeuse. Puis, pour réagir, il doit se dissoudre dans le liquide interstitiel du béton. Le modèle permettra d’optimiser les temps de contact entre les granulats recyclés et la concentration en CO2. Selon la teneur en eau des matériaux, ainsi que leurs caractéristiques microstructurales.

Chercheurs de l’Ifsttar impliqués dans cette recherche : Patrick Belin, Bogdan Cazacliu, Jean-Baptiste Gobert, Guillaume Habert, Florian Huchet, Nicolas Roussel, Mickael Thiery, Jean-Michel Torrenti

1Pour plus d’informations :

– Gobert et al., “Accelerated carbonation of hardened cement samples using supercritical CO2”, 14th European Meeting on Supercritical Fluids Marseille, 2014.
– Thiery et al., “Cinétique de carbonatation d’un lit de granulats concassés de matériaux cimentaires”, Journées ouvrages d’art, Marseille, 2011.
– Thiery et al., “Carbonation kinetics of a bed of recycled concrete aggregates : A laboratory study on model materials”, Cement and Concrete Research 46, 2013.
– Belin et al., “Cement paste content and water absorption of recycled concrete coarse aggregates”, accepted for publication in Materials and Structures, 47:1451–1465, 2014. [/abonne]

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