Des chercheurs du MIT développent de nouveaux additifs pour le béton "vert"

Des chercheurs du MIT découvrent de nouvelles façons de fabriquer du béton qui libèreront moins de dioxyde de carbone dans l'atmosphère.

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Le béton est le deuxième matériau le plus consommé au monde. L'eau est la première. C'est aussi la pierre angulaire de l'infrastructure moderne. Il est utilisé pour construire des routes, des ponts, des bâtiments et tout ce qui est conçu pour être durable et durable. Mais il y a un inconvénient. La fabrication du béton produit de grandes quantités de dioxyde de carbone à la fois comme sous-produit chimique de la production de ciment et dans l'énergie nécessaire pour alimenter ces réactions. Chaque année, environ 8 % des émissions mondiales de carbone sont associées à la fabrication du ciment et du béton.

Une équipe de chercheurs du MIT affirme avoir découvert de nouveaux matériaux qui réduisent considérablement les émissions de carbone des procédés de fabrication de béton conventionnels sans altérer les propriétés mécaniques du béton. Leurs conclusions ont été publiées le 28 mars dans la revue PNAS Nexus, dans un article au titre accrocheur, "Cementing CO2 into CSH: A step into concrete carbon neutrality". Les auteurs sont Admir Masic et Franz-Josef Ulm, professeurs de génie civil et environnemental au MIT, Damian Stefaniuk, candidat postdoctoral au MIT, et Marcin Hajduczek, étudiant au doctorat. James Weaver du Wyss Institute de l'Université de Harvard a également contribué.

Environ la moitié des émissions associées à la production de ciment proviennent de la combustion de combustibles fossiles tels que le pétrole et le gaz naturel, qui sont utilisés pour chauffer un mélange de calcaire et d'argile qui devient finalement la poudre grise familière connue sous le nom de ciment Portland ordinaire (OPC) . Alors que l'énergie nécessaire à ce processus de chauffage pourrait éventuellement être remplacée par de l'électricité produite à partir de sources solaires ou éoliennes renouvelables, l'autre moitié des émissions est inhérente au matériau lui-même. Lorsque le mélange minéral est chauffé à des températures supérieures à 1 400 degrés Celsius (2 552 degrés Fahrenheit), il subit une transformation chimique du carbonate de calcium et de l'argile en un mélange de clinker (constitué principalement de silicates de calcium) et de dioxyde de carbone, qui est ensuite libéré dans le air.

Dans un communiqué de presse, les chercheurs du MIT affirment que lorsque l'OPC est mélangé à de l'eau, du sable et du gravier lors de la production de béton, il devient hautement alcalin, créant un environnement apparemment idéal pour la séquestration et le stockage à long terme du dioxyde de carbone dans sous forme de matériaux carbonatés (processus connu sous le nom de carbonatation). Malgré ce potentiel du béton à absorber naturellement le dioxyde de carbone de l'atmosphère, lorsque ces réactions se produisent normalement - principalement dans le béton durci - elles peuvent à la fois affaiblir le matériau et abaisser l'alcalinité interne, ce qui accélère la corrosion des barres d'armature. Ces processus détruisent finalement la capacité portante du bâtiment et ont un impact négatif sur ses performances mécaniques à long terme. Ces réactions de carbonatation lentes et tardives, qui peuvent se produire sur des échelles de temps de plusieurs décennies, sont depuis longtemps reconnues comme des voies indésirables qui accélèrent la détérioration du béton.

"Le problème avec ces réactions de carbonatation post-durcissement", explique Masic, "est que vous perturbez la structure et la chimie de la matrice de cimentation qui est très efficace pour prévenir la corrosion de l'acier, qui conduit à la dégradation." Les nouvelles voies de séquestration du dioxyde de carbone découvertes par les chercheurs reposent sur la formation très précoce de carbonates lors du mélange et du coulage du béton avant que le matériau ne durcisse, ce qui pourrait largement éliminer les effets néfastes de l'absorption de dioxyde de carbone après le durcissement du matériau.

La clé du nouveau procédé est l'ajout d'un ingrédient simple et peu coûteux : le bicarbonate de sodium, autrement connu sous le nom de bicarbonate de soude. Lors de tests en laboratoire utilisant la substitution du bicarbonate de sodium, l'équipe a démontré que jusqu'à 15 % de la quantité totale de dioxyde de carbone associée à la production de ciment pouvait être minéralisée au cours de ces premières étapes - suffisamment pour potentiellement réduire considérablement l'empreinte carbone globale du matériau.

« Tout cela est très excitant », déclare Masic, « parce que nos recherches font progresser le concept de béton multifonctionnel en incorporant les avantages supplémentaires de la minéralisation du dioxyde de carbone pendant la production et la coulée. »

Crédit image : MIT

L'autre bonne nouvelle est que le béton obtenu prend beaucoup plus rapidement via la formation d'une phase composite non décrite auparavant sans impact sur ses performances mécaniques. Ce procédé permet ainsi à l'industrie de la construction d'être plus productive. Par exemple, les formulaires peuvent être supprimés plus tôt, ce qui peut réduire le temps nécessaire pour terminer un pont ou un bâtiment.

Le composite, un mélange de carbonate de calcium et d'hydrate de calcium et de silicium, "est un matériau entièrement nouveau", explique Masic. "De plus, grâce à sa formation, nous pouvons doubler les performances mécaniques du béton au stade initial." Cependant, ajoute-t-il, cette recherche est toujours un effort continu. "Bien qu'il soit actuellement difficile de savoir comment la formation de ces nouvelles phases aura un impact sur les performances à long terme du béton, ces nouvelles découvertes suggèrent un avenir optimiste pour le développement de matériaux de construction neutres en carbone."

L'idée d'une carbonatation précoce du béton n'est pas nouvelle. Plusieurs entreprises existantes explorent cette approche pour faciliter l'absorption du dioxyde de carbone après que le béton a été coulé dans la forme souhaitée. Cependant, les découvertes actuelles de l'équipe du MIT mettent en évidence le fait que la capacité de pré-durcissement du béton à séquestrer le dioxyde de carbone a été largement sous-estimée et sous-utilisée.

"Notre nouvelle découverte pourrait en outre être combinée avec d'autres innovations récentes dans le développement d'adjuvants pour béton à faible empreinte carbone afin de fournir des matériaux de construction beaucoup plus écologiques, voire négatifs en carbone, pour l'environnement bâti, transformant le béton d'un problème en une partie d'une solution, " dit Masic. La recherche a été soutenue par le Concrete Sustainability Hub du MIT, qui est parrainé par la Portland Cement Association et la Concrete Research and Education Foundation.

Masic a une fascination pour le béton, en particulier le béton fabriqué par les Romains qui a duré plus de 1500 ans. Lui et son équipe de chercheurs ont enquêté sur la situation et ont découvert que le béton romain contient souvent des morceaux de carbonate de calcium. Auparavant, les gens attribuaient ces morceaux à de mauvaises techniques de mélange, mais Masic pense qu'ils confèrent au béton des propriétés d'auto-guérison. Si l'eau s'infiltre dans le béton, elle réagit avec le carbonate de calcium pour former un nouveau béton qui s'écoule dans les fissures créées par le processus de vieillissement.

D'autres chercheurs suggèrent que les Romains utilisaient de l'eau de mer et des matériaux volcaniques pour fabriquer les structures en béton qui jouxtent l'océan. Certaines de ces structures ont également plus de 1500 ans aujourd'hui.

Il est intéressant de se demander pourquoi les connaissances que possédaient les Romains il y a 15 siècles n'ont pas été transmises aux constructeurs modernes. L'âge des ténèbres semble avoir effacé une grande partie des connaissances collectives accumulées par l'humanité jusque-là. Maintenant, les chercheurs ont du mal à comprendre ce qui était de notoriété publique en 500 après JC. Peut-être que nous, les gens modernes, ne sommes pas à moitié aussi intelligents que nous le pensons.

Steve écrit sur l'interface entre la technologie et la durabilité depuis son domicile en Floride ou n'importe où ailleurs où la Force pourrait le conduire. Il est fier d'être "réveillé" et ne se soucie pas vraiment de savoir pourquoi le verre s'est cassé. Il croit passionnément à ce que disait Socrate il y a 3000 ans : "Le secret du changement est de concentrer toute votre énergie non pas sur la lutte contre l'ancien mais sur la construction du nouveau."

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