Matériaux de construction activés par les alcalins - une nouvelle génération de liants sans ciment pour le béton
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TECHNOLOGIE DU BÉTON
Partie 1 : bases et aperçu de l‘industrie
Matériaux de construction activés par
les alcalins – une nouvelle génération
de liants sans ciment pour le béton
n Marijana Serdar et Antonino Runci, Université de Zagreb, Croatie
Guang Ye, Université de technologie de Delft, Pays-Bas
John Provis, Université de Sheffield, Grande-Bretagne
Frank Dehn, Institut de technologie de Karlsruhe (KIT), Allemagne
Thanasis Triantafillou, Université de Patras, Grèce
Guillaume Habert, ETH Zurich, Suisse
Stijn Matthys, Université de Gand, Gand, Belgique
Le béton est un matériau de construction utilisé de est le matériau de construction le plus utilisé dans le monde,
nombreuses façons pour la construction de bâtiments et avec un volume de production mondial estimé à environ
d‘ouvrages de génie civil, ainsi que pour la construction 2,6 milliards de tonnes [1]. La production de ciment qui y est
de routes. Une attention particulière est accordée aux exi- associée constitue un énorme problème environnemental
gences de durabilité des ouvrages dans un environnement puisqu‘elle représente environ 8 % des émissions mondiales
maritime. Le potentiel de croissance sociale et économique de CO2 d‘origine humaine [2, 3]. La production de clinker
de ces ouvrages en béton est directement influencé par de ciment génère 0,53 tonne de CO2 par tonne de clinker à
leur conception et leur durabilité. L‘inconvénient de l‘uti- partir de la réaction de décarbonisation du calcaire et 0,34
lisation du béton est lié aux questions de durabilité et tonne de CO2 par tonne de clinker à partir de la combustion
aux coûts environnementaux énormes, car l‘industrie du de combustibles fossiles à des températures allant jusqu‘à
ciment est responsable de 8 % des émissions mondiales 1 450°C. Les phases de broyage et de transport apportent
de dioxyde de carbone d‘origine anthropique. En outre, également une contribution importante, bien que plus faible,
environ 60 % de toutes les ressources non renouvelables aux émissions de CO2, mais il n‘est pas possible d‘intervenir
extraites sont utilisées dans la construction, ce qui en fait efficacement dans ces phases.
l‘une des branches industrielles les moins durables. Il existe
donc une demande évidente pour une nouvelle généra- La croissance rapide de la population mondiale, en parti-
tion de matériaux de construction durables, car le béton à culier dans les zones urbaines, et les objectifs mondiaux de
base de ciment Portland (CPO) ne peut pas relever tous les réduction des émissions de CO2 exigent des solutions al-
défis de la société moderne en termes de durabilité et de ternatives que le ciment Portland classique ne peut fournir.
soutenabilité. Le projet DuRSAAM (Durable, Reliable, Sus- L‘industrie du ciment a commencé à envisager le rôle des
tainable, Alkali-Activated Materials) aborde ce problème liants de substitution comme moyen d‘accroître la soutenabi-
en établissant un réseau de formation et de recherche qui lité, car l‘utilisation de ces systèmes de liants de substitution
contribue à une industrie de la construction durable et se permet de réduire considérablement les émissions de CO2
concentre sur l‘utilisation de matériaux de construction ac- et d‘obtenir des avantages potentiels en termes de perfor-
tivés par les alcalins comme nouvelle génération de liants mance. Les matériaux activés par les alcalins (AAM) repré-
sans ciment pour le béton. sentent l‘un de ces systèmes de liants alternatifs et, comme
le montre cet article, une future alternative réaliste aux
La conception, la durabilité et la performance des bâtiments mélanges de ciment Portland conventionnels. Cela répond
jouent un rôle crucial dans la promotion de la croissance à la nécessité d‘une construction en béton plus efficace,
sociale et économique. Le béton offre la possibilité de créer durable et soutenable.
des ouvrages exceptionnels, généralement conçus pour une
longue durée de vie, de sorte que les coûts matériels, envi- Les matériaux activés par les alcalins au point
ronnementaux, intellectuels et financiers liés à leur construc-
tion offrent des avantages optimaux. AAM est un nom générique décrivant tout type de système
de liant formé par la réaction d‘une source de métal alcalin
Aujourd‘hui, le béton est principalement à base de ciment de (solide ou dissoute) avec une poudre d‘aluminosilicate solide
Portland ordinaire (CPO – OPC, Ordinary Portland Cement) et (y compris un géopolymère).
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TECHNOLOGIE DU BÉTON
n Marijana Serdar, PhD, est professeur assistant à l‘Institut pour
les matériaux de construction, Faculté de génie civil, à l‘Univer-
sité de Zagreb en Croatie. marijana.serdar@grad.unizg.hr
n Antonino Runci, MSc, fait son doctorat dans le cadre du projet
DuRSAAM à la Faculté de génie civil de l‘Université de Zagreb en
Croatie. antonino.runci@grad.unizg.hr
n Guang Ye, PhD, est professeur associé à l’Institut pour les
matériaux de construction et la technique environnementale
à l‘Université technique de Delft aux Pays-Bas et y préside le
TECHNOLOGY SO EFFICIENT,
groupe de recherche sur la modélisation du béton et le
comportement des matériaux. g.ye@tudelft.nl
n John Provis, PhD, est professeur en sciences du ciment et des
matériaux de construction et directeur adjoint du département
de sciences et d‘ingénierie des matériaux à l‘Université de
Sheffield, au Royaume-Uni. j.provis@sheffield.ac.uk
that everyone wants it!
n Frank Dehn est professeur de technologie des matériaux de
construction et directeur de l‘Institut de la construction en dur et
de la technologie des matériaux de construction, département
des matériaux de construction et de la construction en béton
(IMB), ainsi que directeur de l‘Institut d‘essai et de recherche sur
les matériaux de Karlsruhe (MPA Karlsruhe) à l‘Institut de techno-
logie de Karlsruhe (KIT). frank.dehn@kit.edu
n Thanasis Triantafillou, PhD, est professeur et directeur du
département de génie civil à l‘Université de Patras et directeur
du laboratoire des matériaux structurels, ainsi que professeur
émérite mondial invité à l‘Université de New York à Abu Dhabi.
ttriant@upatras.gr
n Guillaume Habert, PhD, est titulaire de la chaire de construc-
tion durable et professeur associé à l‘ETH Zurich.
habert@ibi.baug.ethz.ch
n Stijn Matthys, PhD, est professeur de réhabilitation structurelle
à l‘Université de Gand, au laboratoire Magnel-Vandepitte pour
l‘ingénierie structurelle et les matériaux de construction, en
Belgique. stijn.matthys@ugent.be
Les matériaux de base utilisés pour le liant peuvent être ob-
tenus à partir d‘une grande variété de sous-produits ou de
déchets provenant d‘autres activités industrielles. Selon
la substance utilisée, certaines d‘entre elles peuvent être
exploitées directement, tandis que d‘autres nécessitent des
processus de production supplémentaires, tels le broyage, la
calcination ou l‘activation thermique à 700-900°C. Les maté-
riaux de base les plus courants sont les suivants : laitiers de
hauts fourneaux provenant de la production d‘acier, cendres THE PMPM
volantes de centrales électriques au charbon et métakaolin
provenant de la calcination du kaolin [4]. En Europe, presque PLANETARY MIXER
tous ces matériaux sont déjà utilisés comme adjuvants
minéraux pour le clinker de ciment conformément aux normes Independently controlled and infinitely variable rotor and
et réglementations en vigueur, telles la norme EN 15167- whirler speed guarantee practically perfect mixing and
1:2006 pour le laitier de haut fourneau broyé ou la norme reveal the future for mixing technology.
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pemat.de
Pemat Mischtechnik GmbH
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EN 450-1:2012 pour les cendres volantes pour le béton. Dans Les AAM peuvent généralement être divisés en deux caté-
la production de béton conventionnel, ces matériaux ne sont gories différentes en fonction de la composition du produit
utilisés qu‘en petites quantités comme substituts du ciment. final :
Dans le cas des AAM, cependant, ces matériaux sont pleine- • les systèmes à faible teneur en calcium basés sur l‘acti-
ment exploités. En outre, un large éventail d‘autres matières vation de matières premières à faible teneur en calcium
premières possibles sont étudiées dans le monde entier pour telles les cendres volantes ou le métakaolin, le principal
déterminer si elles conviennent – par ex. les cendres de balle produit de réaction étant un gel tridimensionnel d‘alumi-
de riz, les scories de cuivre et de zinc, les boues rouges (rési- nosilicate hydraté alcalin (N-A-S-H), et
dus de bauxite, un déchet de l‘extraction de l’alumine), l‘argile • les systèmes riches en calcium basés sur l‘activation de
calcaire, les cendres résiduelles, les résidus de la production matières premières à forte teneur en calcium, comme
de fer-nickel, les scories phosphorées, le verre et la zéolite les scories, où le principal produit de réaction est un gel
volcaniques et synthétiques, ainsi que les résidus de l‘inciné- d‘aluminosilicate de calcium hydraté (C-A-S-H).
ration des déchets [4, 5].
L‘activateur est la deuxième composante principale des AAM. Le concept d‘AAM est illustré à la figure 1, où 1 m3 de béton
Son rôle est d‘assurer le développement précoce de la ré- AAM sans OPC est comparé à 1 m3 de béton OPC classique
sistance et d‘augmenter la réactivité pouzzolanique de la pour une composition de mélange nominale visant une résis-
poudre d‘aluminosilicate. Dans les AAM, les activateurs sont tance de béton à la compression de 50 MPa. La différence est
basés sur un métal alcalin, le sodium ou le potassium, et une principalement due à une modification du système de liant,
liaison anionique, souvent un hydroxyde ou un silicate, voire mais elle entraîne de profondes économies en termes de ma-
un carbonate ou un sulfate. Le processus d‘activation peut tières premières primaires, d‘émissions de CO2, d‘élimination
être accéléré en ajoutant une petite quantité de clinker de en décharge et de coûts financiers.
ciment ou un mélange minéral à la poudre sèche ou en ré-
duisant la dimension des grains des matériaux de base, voire Certains des principaux défis à une application plus large
en ajoutant de la chaleur. des AAM sont décrits ci-dessous, ainsi qu‘une approche pour
les résoudre qui a été développée dans le cadre du projet
L‘activateur peut se présenter sous la forme d‘une solution DuRSAAM visant à relever ces défis [7]. DuRSAAM (Durable,
liquide constituée d‘un ou plusieurs composants ajoutés aux Reliable, Sustainable, Alkali-activated Materials – matériaux
matières premières sèches. Dans ce cas, le matériau produit de construction durables, fiables, soutenables et activés par
est appelé système à deux parties. Un système dit « à une les alcalins) présente un réseau de sept partenaires univer-
partie » est produit en ajoutant une poudre d‘activateur sèche sitaires, 13 partenaires industriels et deux organisations
aux matières premières et en les mélangeant ensuite avec de du secteur public qui s‘attachent à étayer la valeur tech-
l‘eau de gâchage [4, 6]. nologique des AAM en tant que technologie effective et
Béton traditionnel Concept de mélange d'AAM
245 kg d'émissions de carbone Pas d'émissions de carbone (sous-produits)
525 kg de matières premières Pas de matières premières primaires
primaires
Une petite quantité d'activateur
Gra Gra Eau seulement
nul nul [17 ]
at g at f Cim 0k [155 kg tes/
ros in ( ent g] ct ivateur s volan
sier s abl [350 1 m³ de béton lcaline d'a
d u it , c ndre
e
[1 1 e) [ k na s-pro
50 700 g] Solutio ate (so
u
kg] kg] u d re de silic
Po kg ] ]
) [380 700 kg
a scories able) [
50 MP à la Granula
t fin (s
[1 15 0 kg]
ta n ce rossier
Résis nulat g
ession G ra
compr
cible
1 m³ de béton AAM : L'objectif est d'atteindre 20 % du marché du béton dans
ü Économie de 525 kg de matières premières dans la production de l'UE :
ciment ü Économie de 266 Mt/an de matières premières primaires
ü Économie de 245 kg d'émissions de carbone ü Économie de 10,2 Mt/an d'émissions de carbone
ü Consommation de 680 kg de sous-produits et granulat recyclé (1) ü Consommation de 69 Mt/an de sous-produits et de granulat recyclé
ü Élimination évitée de 70 kg de déchets (2) ü Mise en décharge évitée de 7 Mt/an
ü Remplacement ~ 30 € du coût du ciment (~ 50 % du coût du béton) ü Le rapport coût-efficacité combiné à des aspects environnementaux
par une approche plus rentable positifs, vise un volume de marché de 1 billion d'euros par an (3)
(1) Remplacement prévu de 20 % par du granulat recyclé ; (2) Acceptation prévue de 20 % de sous-produits comme déchets ;
(3) 4 t de béton par an et par habitant (UE-28 : 512 millions d'habitants en 2017), avec une production proportionnelle de 20 %, un coût de 30 €/m³ et un poids de
2,4 t/m³
Fig. 1 : comparaison entre le béton de ciment Portland et le béton géopolymère en termes de composition du mélange
et d‘impacts environnementaux potentiels
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30 ans de technologie de malaxage KNIELE
F u t u r
TECHNOLOGIE DU BÉTON
éco-efficace pour le béton. Outre cet objectif scientifique, le
projet vise à former une nouvelle génération de chercheurs
à l‘utilisation optimale du béton AAM pour une industrie de
la construction durable – des chercheurs capables de rele-
ver les défis multidisciplinaires et intersectoriels liés à cette
technologie. Les sujets abordés comprennent la technologie
des liants, la modélisation des micro- et macro-processus, les
propriétés de transport et la durabilité du béton, la résistance
au feu, le comportement de déformation à long terme, les
propriétés de soutenabilité, ainsi que des aspects pratiques
liés au marché des matériaux de construction, aux nouvelles
méthodes de construction et de production, à la réhabilita-
tion structurelle et à l‘utilisation des ressources.
Défis pour une application plus large du béton AAM
•
Chaîne d‘approvisionnement en matières premières
Comme les AAM sont basés sur des matières premières
P r é s e n t
secondaires et des sous-produits industriels, leur applica-
tion contribue directement à la transition vers une économie
circulaire et à la création d‘un véritable marché pour ces ma-
tières premières alternatives. Toutefois, afin de garantir un
approvisionnement stable et continu en AAM dans le monde
entier, il est essentiel d‘évaluer la sécurité de l‘approvision-
nement futur de ces matériaux et l‘évolution probable des
prix. Il est important de ne pas sous-estimer le risque d‘une
chaîne d‘approvisionnement instable pour les principaux
sous-produits utilisés dans les AAM, tels les scories et les
cendres volantes. Un bon exemple est la possible réduction
progressive de la disponibilité des cendres volantes en rai-
son des annonces européennes de l‘élimination progressive
du charbon dans l‘industrie de production d‘électricité. Dans
les pays émergents et en développement, l‘absence d‘une
industrie produisant ces sous-produits constitue souvent un
obstacle supplémentaire au développement et à l‘application
des AAM. Il est donc essentiel de baser le développement
des AAM sur des résidus minéraux disponibles localement
et dont l‘approvisionnement est stable.
Le tableau 1 fournit une estimation approximative de la dis-
ponibilité des matières premières secondaires pertinentes
dans les régions des partenaires du projet DuRSAAM. Ex-
trapolé à l‘Europe et au monde entier, cela correspond à une
•
fourchette de millions à milliards de tonnes de résidus miné- Catalogue général
raux pouvant être utilisés pour les liants sans ciment à base Systèmes de malaxage
d‘AAM. Le tableau fournit un point de départ pour obtenir Centrales complètes
un aperçu des sous-produits industriels actuellement dispo- Accessoires
P a s s é
nibles. Pour que les AAM soient compétitifs par rapport aux Demandez
maintenant!
autres liants alternatifs et au ciment Portland, ils doivent être
adaptés aux disponibilités et aux besoins régionaux afin de
garantir que les fondamentaux de l‘économie circulaire sont
pleinement satisfaits.
Conclusions et perspectives
La deuxième partie de cet article traite de la formulation +49 7582 9303 - 0
du mélange, des propriétés du béton frais et durci, des info@kniele.de
exemples d‘application et des aspects du cycle de vie des kniele.de
ouvrages en béton fabriqués à partir d‘AAM.
Kniele GmbH
Gemeindebeunden 6
88422 Bad Buchau
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TECHNOLOGIE DU BÉTON
Le matériau de construction AAM n‘offre pas de solu- desquelles ils peuvent être produits. En même temps, cette
tions standard pour toutes les applications possibles de la adaptabilité et les nombreuses combinaisons possibles
construction en béton. Le principal avantage de ces bétons représentent deux des plus grands défis de toute généra-
est plutôt qu‘ils peuvent être adaptés à un usage spécifique lisation des AAM et de leur application standardisée dans
grâce au grand nombre de combinaisons possibles à partir la pratique de l‘ingénierie. Parmi les autres défis à relever,
Tableau 1 : estimation de la disponibilité des matières premières secondaires importantes pour AAM
Matière première secondaire Quantité (t/a) Commentaire
Matériaux de base communs
Laitier granulé environ 250 millions Énormément utilisé sur certains
Dans le monde entier (estimation) marchés, considéré comme un déchet sur
d‘autres
Allemagne (estimation) environ 7 millions 5,5 millions d‘euros seront utilisés pour le ciment
Grèce (estimation) 100 000 En partie utilisé comme additif
de clinker dans le ciment Portland
Cendre volante environ 250 millions Énormément utilisé sur certains marchés,
Dans le monde entier (estimation) considéré comme un déchet sur d‘autres
Allemagne (estimation) environ 3 millions Matériau de haute qualité, recyclé à
98 % dans la production de ciment et de béton
Grèce (estimation) 10 millions Seule une petite fraction (
TECHNOLOGIE DU BÉTON
citons le manque d‘expérience à long terme avec ce nouveau ArcelorMittal, Argos, Aurubis, Bekaert, la ville de Gand, la ville
matériau, l‘absence de connaissances approfondies sur la de Rotterdam, CRH, CWare, FDN, Gradmont, LafargeHolcim,
compatibilité avec diverses additions chimiques et la chaîne l‘Autorité des travaux publics de Flandre, Owens Corning,
d‘approvisionnement en matières premières, qui n‘est pas ResourceFull, Sanacon et Tepikat – sont félicitées pour leur
toujours fiable à long terme. engagement ambitieux en faveur des approches durables
dans l‘industrie de la construction et pour leur soutien à
Le projet DuRSAAM développe des solutions à certains de DuRSAAM. n
ces défis. Le projet est mené par un groupe de 13 jeunes
scientifiques, chacun se concentrant en détail sur un aspect
spécifique des AAM, mais travaillant en étroite collabora- Bibliographie
tion dans l‘ensemble pour s‘assurer que l‘expertise générée
donne une image globale cohérente et pertinente pour l‘in- [1] CEMBUREAU. ‘The european cement association, key facts & fi-
gures’, http://www.cembureau.eu/about-cement/key-facts-figures’,
dustrie. Les principales caractéristiques de performance du
2012 (besucht am 05.01.2013).
projet sont les solides fondations construites sur les connais- [2] WWF-Lafarge Conservation Partnership, Ecofys: ‘A blueprint for a
sances de base des mentors universitaires, l‘expérience des climate friendly cement industry’, Nürnberg, 2009.
mentors industriels et la motivation des jeunes scientifiques. [3] Scrivener, K.; Kirkpatrick, R.J. „Innovation in Use and Research
on Cementitious Material“, Cement and Concrete Research 38
(2):2008 128-136
Remerciements [4] Provis, J., van Deventer, J., „Alkali-aktivated materials“, State of the
Art Report, RILEM TC 224-AAM, 2014, volume 13,
Le projet DuRSAAM a été financé par le programme de re- [5] Serdar, M.; Bjegovic, D.; Stirmer, N; Banjad Pecur, I. “Alternative
binders for concrete: opportunities and challenges,” no. October
cherche et d‘innovation Horizon 2020 de l‘Union européenne 2019, pp. 199–218, 2019.
dans le cadre de la convention de subvention n° 813596. [6] Luukkonen, T.; Abdollahnejad, Z.; Yliniemi, J.; Kinnunen, P.; Illi-
Nous remercions les doctorants de DuRSAAM pour leurs kainen, M. One-part alkali-activated materials : A review, Cement
and Concrete Research vol. 103, no. 2017, pp. 21–34.
activités de recherche, qui constituent le cœur de l‘action
[7] http://www.dursaam.ugent.be/
de DuRSAAM. Les organisations partenaires de DuRSAAM –
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