Les fondations du monde à venir seront-elles en béton carboneutre?

Dans l’usine-laboratoire de la compagnie CarbiCrete, au cœur du quartier industriel de Lachine, à Montréal, des techniciens s’affairent autour d’une sorte d’énorme four à pain en acier, large de plusieurs mètres. De cette chambre de cure, ils extraient des blocs de béton, identiques en tout point à des milliers d’autres, si répandus dans l’industrie… à une exception près. Ceux-ci ne contiennent aucun ciment, la composante du béton habituellement nécessaire à sa solidification.

Plus près du centre-ville de Montréal, à l’École de technologie supérieure (ETS), un immense bras robotique imprime en 3D, une couche à la fois, des structures de béton avec une précision millimétrique. Ce procédé optimise le coulage des bétons à haute performance, qui sont très résistants à la compression, ce qui réduit la quantité de ciment utilisé tout en garantissant la solidité de la structure.

Pendant ce temps, de l’autre côté de l’Atlantique, des scientifiques tentent de redonner vie au ciment extrait de débris de béton. Ils se sont inspirés d’un procédé employé dans le recyclage de l’acier et utilisent pour ce faire de gigantesques fours projetant des arcs électriques !

Voilà trois technologies visant à remplacer, à réduire ou à recycler le ciment dans un seul but : diminuer les émissions de gaz à effet de serre qui font de cette industrie une des plus polluantes.

« En comparaison de nombreux autres matériaux de construction, la fabrication du béton n’émet pas beaucoup de carbone, lance Cyrille Dunant, chercheur en efficacité des matériaux au Département d’ingénierie de l’Université de Cambridge. S’il contribue autant au réchauffement climatique, c’est parce qu’on en utilise des quantités énormes et qu’il est très difficile de le remplacer par un autre matériau. » Cela peut surprendre, mais le béton est au deux­ième rang des matériaux les plus consommés dans le monde… après l’eau ! Il représente environ 1,5 % des émissions annuelles de gaz à effet de serre (GES) au Canada, et jusqu’à 8 % des émissions mondiales.

On comprend alors les bénéfices potentiels de sa décarbonation sur la crise climatique. En 2022, l’industrie canadienne du ciment s’est d’ailleurs donné pour objectif de réduire les GES du secteur du tiers avant la fin de la décennie actuelle, puis de rendre le béton carboneutre d’ici 2050.

Cet objectif ambitieux est-il réalisable ? Les scientifiques et l’industrie ont certainement du pain sur la planche !

Un problème structurel

Le béton est composé de trois éléments : des granulats (sable et gravier), du ciment… et de l’eau, qui lance la réaction chimique menant au durcissement du béton. Le ciment représente environ 12 % du volume total, mais il est responsable de près de 90 % des émissions de CO₂ liées à ce matériau.

Pour produire du ciment, on chauffe du calcaire – ou carbonate de calcium – ainsi que d’autres minéraux à environ 1500 °C. Durant ce processus, le calcaire se décompose en oxyde de calcium et en gaz carbonique (CO₂). Les gravats ainsi obtenus, appelés clinker, sont ensuite broyés, ce qui donne la poudre de ciment. Le CO_₂, lui, est relâché dans l’atmosphère.

« Plus de 60 % des émissions de CO₂ sont produites lors du chauffage du minerai, explique Claudiane Ouellet-Plamondon, titulaire de la Chaire de recherche du Canada sur les matériaux de construction multifonctionnels durables à l’ETS. Le reste provient de la source d’énergie employée pour chauffer le calcaire, qui, dans plusieurs pays, repose sur des combustibles fossiles. » Relâcher du CO₂ est donc une part inévitable du processus, selon la chercheuse, tant qu’on se cantonnera à la recette actuelle.

Face à l’impossibilité d’éliminer les émissions liées à la production du ciment, certains scientifiques se tournent vers la captation du CO₂ à la source. Plusieurs projets sont en cours pour équiper les cimenteries de systèmes capables de piéger le dioxyde de carbone avant sa libération dans l’atmosphère.

« Les cimenteries font face aux mêmes défis que toutes les autres industries, explique Luc Bédard, directeur général de l’Association béton Québec. On fonde beaucoup d’espoir sur les projets de captage en cours pour atteindre nos objectifs de carboneutralité. En fait, atteindre un béton zéro carbone d’ici 2050 sera impossible sans ces nouvelles approches. »

Mais ces solutions comportent elles-mêmes plusieurs défis : elles nécessitent de grandes quantités d’énergie, elles posent les questions logistiques de déterminer ce qu’on fera du carbone capté et, surtout, elles doivent être adaptées aux volumes immenses produits chaque année.

Devant ces contraintes, plusieurs scientifiques préfèrent s’attaquer à la recette du ciment. Soit en remplaçant le clinker par un autre produit, soit en ajoutant des substances au clinker pour améliorer ses propriétés ou permettre d’en utiliser moins, ce qui réduit la demande en ciment, et ainsi les émissions de GES.

Certains ciments ainsi améliorés ont déjà été largement adoptés par l’industrie. Ils contiennent des sous-produits de processus de combustion, comme les cendres volantes ou la fumée de silice, ou bien des dérivés de l’argile, du calcaire brut nécessitant moins de chauffage et même… des résidus de la fabrication de l’acier.

Or, ces solutions de rechange ne sont pas sans failles. « Plusieurs de ces matériaux sont peu ou pas produits au Québec, ce qui crée des problèmes d’accessibilité, nécessitant du transport de ces produits sur de longues distances pour en obtenir », explique Claudiane Ouellet-Plamondon.

Un avis que partage Luc Bédard. « L’approvisionnement limité fait que, si on voulait adopter ces alternatives à grande échelle, on serait bien embêtés… On ne va quand même pas produire des déchets artificiellement pour garantir les stocks ! »

La longévité du béton produit à partir de ces ciments pose aussi problème, surtout sous des climats rigoureux, comme celui du Québec. « Il faut faire les tests de durabilité dans un environnement semblable au nôtre, précise Claudiane Ouellet-Plamondon. De nombreuses infrastructures sont pensées avec des durées de vie d’au moins 100 ans. Beaucoup de ces nouveaux matériaux n’ont pas subi l’ensemble des tests pour prouver ce genre de durabilité. »

Des recherches en cours tant au Québec qu’ailleurs dans le monde portent sur l’incorporation d’autres déchets industriels, tels que du verre, du plastique ou du caoutchouc, pour modifier les propriétés du ciment et réduire encore plus l’empreinte carbone.

Mais, là encore, concurrencer le ciment « classique » n’est pas simple. « Si un nouveau béton offre une performance d’environ 70 % par rapport à celle du ciment de type Portland, le plus populaire sur la planète, les entrepreneurs devront ajouter 30 % de plus de ce ciment pour obtenir le même résultat, souligne Luc Bédard. Où est le gain environnemental ? »

« Il y a plusieurs façons de réimaginer le ciment, mais le défi est de le faire à grande échelle, résume Cyrille Dunant. Même si un nouveau processus permet de produire 1000 tonnes de ciment carboneutre par an, c’est une très petite goutte d’eau dans un très gros océan. Tant qu’on produit moins d’un million de tonnes par an, ça ne sert à rien. »

Un béton… sans ciment ?

Face aux difficultés de produire un ciment carboneutre, certaines entreprises ont choisi de s’en passer complètement. C’est le cas de la montréalaise CarbiCrete, une jeune pousse née en 2018 des travaux de Mehrdad Mahoutian, alors qu’il était doctorant à l’Université McGill.

« À la place du ciment, on utilise le laitier d’acier [un sous-produit de l’industrie métallurgique] », explique Gary Belisle, chef d’exploitation à CarbiCrete. Lorsqu’on fait fondre un métal, on ajoute des minéraux pour piéger les impuretés qu’il contient. Ce mélange de minéraux et d’impuretés forme ensuite un liquide, le laitier, qui flotte sur le métal, comme de l’huile sur de l’eau, et qui est donc facilement récupérable. Une fois durci, ce laitier a peu d’utilité. « Rien qu’en Amérique du Nord, on en produit plus de 350 millions de tonnes chaque année. Normalement, les usines doivent payer pour le faire enfouir ou s’en débarrasser. »

Réduit en fine poudre, ce laitier est mélangé à du sable, des gravats et de l’eau, comme dans la fabrication traditionnelle du béton. Mais au lieu de laisser durcir ce mélange à l’air libre pendant 28 jours, on le place dans une chambre de cure, où on injecte du CO₂ sous pression. Ce gaz déclenche une réaction chimique qui entraîne la formation d’un liant semblable au ciment et fait durcir le bloc en seulement 24 heures. « Non seulement on élimine le ciment, et donc jusqu’à environ 2 kg d’émissions de CO₂ par bloc, mais on injecte aussi environ 500 g de CO₂ par bloc », lance Gary Belisle. Résultat : chaque bloc est carbonégatif et prêt à l’utilisation beaucoup plus rapidement que d’autres produits préfabriqués.

Selon CarbiCrete, ce modèle est aussi prometteur économiquement. « Le laitier d’acier restera un sous-produit à faible coût, tandis que le ciment se vend autour de 200 $ la tonne, et il pourrait bientôt coûter le double, en raison de la complexité et de l’impact environnemental de sa production. Il n’y aura pas que ceux qui veulent du zéro carbone qui seront intéressés [par nos produits] ! »

Cette technologie présente toutefois des inconvénients : elle dépend d’une chambre de cure et ne permet pas de produire du béton directement sur les chantiers de bâtiments, de ponts ou pour des trottoirs. Alors, comment décarboner ces structures ?

Redonner vie au vieux ciment

Une solution pourrait se cacher dans nos routes et nos bâtiments eux-mêmes ! « Le ciment dans les infrastructures destinées à la démolition est déjà décarboné, rappelle en souriant Cyrille Dunant. Le problème, c’est que le ciment qui a réagi dans le béton est devenu inerte. S’il pouvait être réactivé, on aurait accès à d’immenses ressources de ciment carboneutre. »

La percée est venue d’un rapprochement entre la chimie du ciment et celle du recyclage de l’acier. Pour cette opération, on fait fondre l’acier à recycler dans des fours à arc électrique en présence de minéraux de nettoyage et on récupère le laitier, comme décrit plus haut.

Or, l’équipe de Cambridge a découvert que les résidus de ciment extraits du béton usagé ont des propriétés semblables à celles des minéraux utilisés pour purifier l’acier dans les fours à arc électrique. Donc, on peut ajouter de la vieille poudre de ciment à l’acier en fusion pour nettoyer celui-ci. Puis le passage du courant électrique déclenche une réaction chimique entre le vieux ciment et les impuretés de l’acier, ce qui « réactive » le ciment en lui rendant ses propriétés de liant. Le laitier alors obtenu peut être récupéré, durci et broyé pour produire du nouveau ciment. Ce procédé servirait donc à recycler à la fois l’acier et le ciment.

« Lors de nos premiers tests, on pouvait produire environ 3 kilos de ciment “réactivé” pour 80 kilos d’acier recyclé, rappelle Cyrille Dunant. Nous avons testé les propriétés de ce ciment, et les résultats sont prometteurs. Maintenant, nous sommes en train d’adapter cette technologie à grande échelle. Nous collaborons depuis un an avec une entreprise détenant une des plus grandes centrales possédant des fours à arc électrique au Royaume-Uni. Les tests qu’on y fait nous permettent d’adapter notre recette tout en respectant les besoins de l’usine de recyclage. »

Le ciment qui en résulte est environ 20 % moins performant que celui de type Portland, ce qui impliquera d’en utiliser d’autant plus. Mais cette baisse de rendement est nécessaire pour assurer le recyclage de l’acier, selon les chercheurs. Ces derniers espèrent atteindre prochainement le ratio d’un million de tonnes de ciment récupéré pour 3 millions de tonnes d’acier recyclé.

La sobriété cimentaire

Bien que prometteuses, ces technologies mettront encore des années à atteindre une efficacité et une production assez importantes pour réduire de façon significative les émissions de carbone. Mais pour l’Association béton Québec, il serait possible de s’attaquer au problème immédiatement… en utilisant moins de ciment !

« Environ 20 % du ciment est consommé inutilement, souligne Luc Bédard. On utilise trop souvent des ciments dont la performance dépasse largement les exigences pour un projet. Réduire notre surconsommation suffirait à atteindre les objectifs de réduction de GES de 20 à 30 % dans cette industrie. »

Toujours selon Luc Bédard, la confiance excessive dans la durabilité du béton a aussi conduit à une négligence d’entretien. Résultat : de nombreuses infrastructures se détériorent prématurément et ont besoin de réparations nécessitant du béton.

Pour Claudiane Ouellet-Plamondon, il serait aussi intéressant de revoir la construction des structures, en comptant notamment sur des outils technologiques plus précis, comme l’impression 3D. « En imprimant directement les parties les plus sollicitées d’une structure avec du béton de haute performance, et en utilisant des mélanges plus carboneutres pour le reste, on pourrait optimiser la consommation de ciment sans compromettre la durabilité ni la sécurité. »

Le défi 2050

Le béton sera-t-il carboneutre d’ici 2050 ? Pour nos spécialistes, il reste encore beaucoup de travail à faire. « Avec les ajouts cimentaires et la réduction de la consommation, on est sur la bonne voie pour atteindre les objectifs fixés pour 2030, conclut Luc Bédard. Mais pour atteindre la carboneutralité d’ici 2050, il va falloir des investissements majeurs ! »

« Je pense que, dans les 10 prochaines années, on pourra mettre en place certaines mesures qui nous approcheront de la carboneutralité, affirme M^me Ouellet-Plamondon. Un béton contenant 50 % moins de ciment, c’est atteignable. Ça ne nous rendra pas nécessairement carboneutres, mais c’est ce qui est le plus motivant en ce moment. »

Pour Cyrille Dunant, la clé se trouve dans la multiplication des approches. « Il est très important de faire avancer différentes technologies. Si je peux obtenir du clinker bas carbone, et que je peux le recycler plus tard, cela compléterait le trajet vers le zéro carbone. » Autrement dit, le béton carboneutre ne proviendra pas d’une invention révolutionnaire, mais de plusieurs approches qui se compléteront !