Carbonatation du béton

Dans le débat environnemental, on parle presque exclusivement des émissions de CO2 causées par l’homme. Dans cet article, nous ne parlerons pas des émissions de CO2, mais plutôt de l’absorption de CO2. Tout le monde sait que les arbres absorbent du CO2, mais ce que beaucoup ignorent, c’est que le béton absorbe également du CO2 et que cela peut avoir une influence sur la durée de vie de la construction et sur son impact environnemental. Nous nous attarderons sur une innovation dans ce domaine. Les scories d’acier se lient sous l’influence du CO2 et constituent ainsi un substitut de ciment à part entière dans, par exemple, des blocs de béton.

Dioxyde de carbone

Le CO2 est la désignation chimique du gaz incolore et inodore dioxyde de carbone. Environ 0,04 % (420 ppm ; parties par million) de l’air qui nous entoure est constitué de CO2 [1]. Les autres composants sont le gaz azote (78 %), le gaz oxygène (21 %) et l’argon (0,9 %). De plus, l’air contient une petite quantité de vapeur d’eau et des traces d’autres gaz rares [2]. Les plantes absorbent l’eau et le CO2 et les transforment, sous l’influence de la lumière du soleil, en oxygène et en glucose, un élément de base pour la production de cellulose, un composant principal des parois cellulaires des plantes. Sans CO2, les plantes ne peuvent ni croître ni survivre. L’augmentation de la teneur en CO2 dans l’atmosphère entraîne donc une verdisation globale de la Terre et une productivité accrue de l’agriculture et de l’élevage [3]. Ce n’est pas sans raison que dans l’horticulture en serre, la teneur en CO2 est augmentée pour une croissance optimale des cultures [4].

L’industrie de la construction en bois affirme que les produits en bois provenant de forêts gérées de manière durable sont neutres en CO2 parce que les arbres absorbent et retiennent le CO2 jusqu’à la fin de leur durée de vie [12]. Cependant, une dette carbone temporaire se crée lors de l’abattage des arbres, une nouvelle forêt nécessitant jusqu’à 41 ans pour compenser cette dette carbone. En Europe, seulement 18,7 % du bois est abattu pour des projets à long terme, et le transport et la transformation du bois brut génèrent également des émissions de carbone. Lorsque tous ces facteurs sont pris en compte, le terme de neutralité carbone devient quelque peu vague [13].

Carbonatation et durée de vie

En raison de la présence de chaux libre dans le béton (hydroxyde de calcium ou Ca(OH)2), un produit de la réaction du ciment avec l’eau, l’eau des pores a une haute concentration en particules OH et Ca2+, ce qui lui confère également une valeur de pH élevée (12  à  13). Les particules Fe2+ des barres d’armature forment avec les particules OHune couche d’oxyde de fer (Fe(OH)2) à la surface des barres. Cette couche empêche l’acier d’être en contact direct avec l’eau des pores et évite ainsi la corrosion de l’armature [5].

La carbonatation est la réaction chimique dans laquelle le carbonate de calcium (CaCO3) et l’eau sont formés à partir de la réaction entre le CO2 de l’air et les particules OH et Ca2+ dans l’eau des pores du béton. Avec la carbonatation continue, la valeur du pH de l’eau des pores peut diminuer. À un pH d’environ 9 ou moins, la couche d’oxyde de fer devient plus fine, jusqu’à disparaître complètement. À partir de ce moment, la barre d’armature peut corroder. Lors de la corrosion par carbonatation, la faible valeur de pH de l’eau des pores est à peu près uniforme partout, ce qui fait que la barre devient plus fine de manière homogène. Par conséquent, moins d’acier est disponible pour absorber les tensions de traction dans la construction. Un autre effet est que la rouille formée a un volume plus important que l’acier disparu, ce qui pousse le béton autour de l’armature, pouvant provoquer des fissures ou même un effritement [5].

La conversion de l’hydroxyde de calcium en carbonate de calcium ne peut avoir lieu que dans un environnement humide. Le CO2, en revanche, ne peut pénétrer que si les pores sont ouverts, c’est-à-dire desséchés. La carbonatation ne peut donc se produire que dans des conditions de séchage. L’endroit jusqu’où le processus de carbonatation a progressé est appelé le front de carbonatation. Tant que le front de carbonatation n’a pas atteint l’armature, l’acier d’armature est suffisamment protégé. La vitesse à laquelle la carbonatation progresse dans le béton est un élément important pour pouvoir évaluer la probabilité de corrosion. Mais pour que la corrosion se produise, plusieurs autres conditions doivent être remplies en plus de la carbonatation. Le béton dans des espaces secs se carbonate souvent jusqu’au-delà de l’armature sans qu’il y ait de corrosion. En effet, il n’y a pas d’eau dans le béton pour provoquer la corrosion [6].

L’enrobage des armatures joue un rôle important dans la corrosion. S’il est suffisamment présent et dense, l’enrobage empêche l’armature de rester continuellement humide. La perméabilité de l’enrobage détermine principalement la rapidité du transport de l’humidité de l’extérieur vers l’intérieur et vice versa. À partir d’une profondeur d’environ 15 mm, aucun échange d’humidité ne se produit. Les différentes conditions auxquelles les structures en béton peuvent être exposées n’entraînent pas de différence significative dans la profondeur à laquelle les fluctuations d’humidité sont observées. Le béton plus en profondeur sèche lentement mais sûrement pendant les périodes sèches. L’acier d’armature dans le béton carbonaté ne peut rouiller que si l’enrobage est insuffisant [6].

La meilleure mesure de prévention de la corrosion de l’armature consiste à prendre en compte un enrobage adéquat dès la phase de conception, à veiller à sa mise en œuvre lors de la construction et à bien traiter la surface du béton par la suite [6]. La norme NBN EN 1992-1-1 + ANB [7] fournit des directives concernant l’enrobage minimal (tableau 1).

Carbonatation et impact sur l’environnement

Étant donné que le CO2 de l’atmosphère pénètre dans le béton à travers sa surface, la carbonatation se produit à différents stades du cycle de vie d’un bâtiment. La quantité de CO2 absorbée dépend du type de béton, des conditions environnementales lors de son utilisation et du scénario en fin de vie. Surtout après la démolition du bâtiment et le concassage du béton, la carbonatation augmente considérablement, car la surface spécifique est agrandie. Le calibre des granulats est importante, plus ils sont petits, mieux c’est. Cependant, le stockage de particules très fines en grands tas n’est pas optimal pour la carbonatation en raison de la pénétration limitée du CO2 à travers le tas [8].

L’absorption de CO2 pendant la phase d’utilisation de la construction peut être quantifiée à l’aide de la norme NBN EN 16757 [8], qui sert de base pour les Déclarations Environnementales Produit (DEP) des produits préfabriqués en béton. L’absorption maximale théorique de CO2 dans du béton complètement carbonaté (Utcc) est corrélée à la quantité d’oxyde de calcium réactif (CaO) dans les liants. Comme approche conservatrice, des calculs peuvent être effectués en utilisant uniquement la teneur en CaO dans le clinker. Le CEM I contient au moins 95 % de clinker et a une valeur Utcc de 0,49 kg CO2/kg de ciment. Pour les autres types de ciment que le CEM I, la valeur Utcc peut être calculée en multipliant l’absorption de CO2 du CEM I par la teneur en clinker du ciment en % et en divisant par 0,95. Les valeurs Utcc pour différents types de ciment sont présentées dans le tableau 2[8].

Pour estimer l’absorption de CO2 du béton qui n’est pas entièrement carbonaté, nous devons connaître la profondeur de carbonatation. Celle-ci peut être calculée à l’aide de la formule 1 : d=k.Οt

avec 
 
d: profondeur de carbonatation (mm);
k: facteur k (mm/an0,5);
t: le temps (années).


L’absorption de CO2 par m² de surface en béton pendant ‘t’ années peut être calculée avec la formule 2 :

absorption de CO2 =                   k.t⁄1000).Utcc.C.Dc

avec 
k: voir formule 1
t: voir formule 1
Utcc: voir tableau 2
C: quantité de ciment (kg/m³)
Dc: degré de carbonatation (%)

Le facteur k et le degré de carbonatation ‘Dc’ peuvent être trouvés dans le tableau 3 pour différentes classes de résistance et conditions environnementales. Pour les autres types de ciment que le CEM I ou pour la combinaison de CEM I et d’additifs, le facteur k doit être multiplié par le facteur correctif ‘Kk’ du tableau 4 en raison de la vitesse de carbonatation plus élevée. Comme approche conservatrice, seul un additif peut être pris en compte. La même méthode de calcul pour l’absorption de CO2 pendant la phase d’utilisation peut en principe également être appliquée à la fin de la durée de vie [8]. Pour plus d’informations, veuillez-vous référer à la norme CEN/TR 17310 [9].

La carbonatation des scories d’acier Les scories d’acier sont des résidus issus de la production d’acier. Dans les hauts fourneaux, le minerai de fer est transformé en fonte brute et en scories de haut fourneau. La fonte brute liquide est transformée en acier et en scories d’acier à l’aide de chaux, de ferraille et d’oxygène. Les principaux éléments des scories d’acier sont le silicium, l’aluminium, le fer, le calcium et le manganèse, généralement sous forme d’oxydes [10]. Les fractions les plus fines de ces scories d’acier peuvent servir de liant. Les oxydes de calcium dans les scories d’acier réagissent avec le CO2 de l’atmosphère pour former du carbonate de calcium. Grâce à cette carbonatation naturelle, les particules adhèrent les unes aux autres. Des recherches et des développements ont conduit à une technologie où ce processus naturel est accéléré pour transformer la fraction fine résiduelle (filler) en un matériau de haute qualité destiné à être utilisé dans le béton, entre autres. En usine, le filler est mélangé à divers sables de scories et à l’eau. L’eau permet d’hydrater le CaO présent et de favoriser la carbonatation. À l’aide d’une presse, par exemple, des blocs creux et pleins, des tuiles et des carreaux peuvent être formés, puis placés dans un autoclave pour la carbonatation. Pendant ce processus, du CO2 est introduit dans les éléments sous haute pression et température pour accélérer leur durcissement. Associés à un processus de production énergétiquement efficace et au fait qu’ils capturent du CO2 de l’air tout au long de leur cycle de vie, de tels produits peuvent aboutir à une empreinte carbone négative[11]. (BHE)

RÉFÉRENCES

1 Voorwaarden voor draagbare en vervoerbare CO2-meters, Prebes, www.prebes.be.
2 De samenstelling van de atmosfeer, KMI, www.meteo.be.
3 Nutritive value of plants growing in enhanced CO2 concentrations, CO2 Coalition, march 2024.
4 Hoe kan je de hoeveelheid CO2 in de kas verhogen?, Royal Brinkman, www.royalbrinkman.nl.
5 Corrosie uitvergroot, BETONIEK 15/26, augustus 2012.
6 Carbonatatie en corrosie, BETONIEK 8/22, februari 1991.
7 NBN EN 1992-1-1:2005 + ANB:2010 – Eurocode 2 : Design of concrete structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings.
8 NBN EN 16757:2022 – Sustainability of concrete works – Envrionmental product declarations – Product Category Rules for concrete and concrete elements.
9 CEN/TR 17310:2019 – Carbonation and CO2 uptake in concrete.
10 Wageningen Marine Research rapport C025/24, Uitloging LD-staalslakken, mei 2024.
11 www.orbix.be.
12 https://www.hout100procent.nl/hout-bevat-veel-vastgelegde-co2.
13 Carbon Accounting for Building Materials – An assessment of Global Warming Potential of biobased construction products, LBPSIGHT, version 03, June 8th, 2022.