Dans le cadre d'un grand pas en avant vers la construction durable, des chercheurs de l'Université de Cambridge ont développé une méthode révolutionnaire pour produire du béton à faibles émissions à l'aide de fours à arc électrique. Cette méthode permet non seulement de recycler le ciment, mais promet également des réductions significatives des émissions de CO2. S’il était largement adopté et alimenté par des énergies renouvelables, il pourrait conduire à une production de ciment sans émissions.
Des chercheurs de Cambridge ont développé une méthode révolutionnaire pour produire du béton à faibles émissions, révolutionnant potentiellement le secteur de la construction et contribuant aux efforts mondiaux visant à atteindre zéro émission nette.
Des chercheurs de l’Université de Cambridge ont créé une méthode permettant de produire à grande échelle du béton à faibles émissions, une percée qui pourrait avoir un impact significatif sur la transition vers zéro émission nette. Cette méthode, décrite par les chercheurs comme « un miracle absolu », exploite les fours à arc électrique – couramment utilisés dans le recyclage de l’acier – pour recycler également le ciment, un élément majeur du béton à forte intensité de carbone.
Le béton est le deuxième matériau le plus utilisé sur la planète, après l'eau, et est responsable d'environ 7,5 % des émissions anthropiques totales de CO₂. Trouver un moyen évolutif et rentable de réduire les émissions concrètes tout en répondant à la demande mondiale constitue l'un des plus grands défis mondiaux en matière de décarbonation.
Les chercheurs de Cambridge ont découvert que le ciment usagé est un substitut efficace au flux de chaux, qui est utilisé dans le recyclage de l'acier pour éliminer les impuretés et finit normalement comme un déchet appelé laitier. Mais en remplaçant la chaux par du ciment usagé, le produit final est du ciment recyclé qui peut être utilisé pour fabriquer du nouveau béton.
La méthode de recyclage du ciment développée par les chercheurs de Cambridge, rapportée dans la revue Naturen'ajoute pas de coûts significatifs à la production de béton ou d'acier et réduit considérablement les émissions du béton et de l'acier, en raison du besoin réduit de flux de chaux.
Tests et potentiel pour zéro émission
Des tests récents effectués par le Materials Processing Institute, partenaire du projet, ont montré que du ciment recyclé peut être produit à grande échelle dans un four à arc électrique (EAF), c'est la première fois que cela est réalisé. À terme, cette méthode pourrait produire du ciment zéro émission, si l’EAF était alimenté par des énergies renouvelables.
« Nous avons organisé une série d'ateliers avec des membres de l'industrie de la construction sur la manière dont nous pourrions réduire les émissions du secteur », a déclaré le professeur Julian Allwood du département d'ingénierie de Cambridge, qui a dirigé la recherche. « Beaucoup de bonnes idées sont sorties de ces discussions, mais une chose qu'ils ne pouvaient pas ou ne voulaient pas envisager était un monde sans ciment. »

Photographies de la première production de ciment électrique dans un four à arc électrique au Materials Processing Institute, au Royaume-Uni. Crédit : Institut de traitement des matériaux
Le béton est composé de sable, de gravier, d’eau et de ciment, qui sert de liant. Bien qu'il ne représente qu'une faible proportion du béton, le ciment est responsable de près de 90 % des émissions du béton. Le ciment est fabriqué selon un processus appelé clinkerage, au cours duquel le calcaire et d'autres matières premières sont broyés et chauffés à environ 1 450 °C dans de grands fours. Ce processus convertit les matériaux en ciment, mais libère de grandes quantités de CO₂ lorsque le calcaire se décarbonate en chaux.
Les défis liés aux matériaux alternatifs
Au cours de la dernière décennie, les scientifiques ont étudié les substituts du ciment et ont découvert qu'environ la moitié du ciment présent dans le béton peut être remplacé par des matériaux alternatifs, tels que les cendres volantes, mais que ces alternatives doivent être chimiquement activées par le ciment restant pour pouvoir à durcir.
« C'est aussi une question de volume : nous ne disposons pas physiquement de suffisamment de ces alternatives pour répondre à la demande mondiale de ciment, qui s'élève à environ quatre milliards de tonnes par an », a déclaré Allwood. « Nous avons déjà identifié les fruits à portée de main qui nous aident à utiliser moins de ciment grâce à un mélange et un mélange minutieux, mais pour parvenir à zéro émission, nous devons commencer à sortir des sentiers battus. »
« J'avais une vague idée d'après des travaux antérieurs que s'il était possible de broyer du vieux béton, d'enlever le sable et les pierres, de chauffer le ciment éliminerait l'eau, puis il formerait à nouveau du clinker », a déclaré le premier auteur, le Dr Cyrille Dunant. , également du Département d'ingénierie. « Un bain de métal liquide faciliterait cette réaction chimique, et un four à arc électrique, utilisé pour recycler l’acier, semblait être une forte possibilité. Il fallait essayer. »

Photographies de la première production de ciment électrique dans un four à arc électrique au Materials Processing Institute, au Royaume-Uni. Crédit : Institut de traitement des matériaux
Le processus de clinkerage nécessite de la chaleur et la bonne combinaison d’oxydes, qui se trouvent tous dans le ciment usagé, mais doivent être réactivés. Les chercheurs ont testé une gamme de scories, fabriquées à partir de déchets de démolition et additionnées de chaux, d’alumine et de silice. Les scories ont été traitées dans l'EAF du Materials Processing Institute avec de l'acier fondu et rapidement refroidies.
« Nous avons découvert que la combinaison de clinker de ciment et d'oxyde de fer constitue un excellent laitier pour la sidérurgie car il mousse et s'écoule bien », a déclaré Dunant. « Et si vous parvenez au bon équilibre et refroidissez les scories assez rapidement, vous obtenez du ciment réactivé, sans ajouter aucun coût au processus de fabrication de l'acier. »
Le ciment issu de ce processus de recyclage contient des niveaux d’oxyde de fer plus élevés que le ciment conventionnel, mais les chercheurs affirment que cela a peu d’effet sur les performances.
Le procédé Cambridge Electric Cement s'est développé rapidement et les chercheurs affirment qu'il pourrait produire un milliard de tonnes par an d'ici 2050, ce qui représente environ un quart de la production annuelle actuelle de ciment.
« Produire du ciment à zéro émission est un miracle absolu, mais nous devons également réduire la quantité de ciment et de béton que nous utilisons », a déclaré Allwood. « Le béton est bon marché, solide et peut être fabriqué presque partout, mais nous en utilisons tout simplement beaucoup trop. Nous pourrions réduire considérablement la quantité de béton que nous utilisons sans aucune réduction de la sécurité, mais il faut une volonté politique pour y parvenir.
« En plus de constituer une avancée majeure pour le secteur de la construction, nous espérons que Cambridge Electric Cement sera également un drapeau pour aider le gouvernement à reconnaître que les opportunités d'innovation dans notre cheminement vers zéro émission s'étendent bien au-delà du secteur de l'énergie.
Les chercheurs ont déposé un brevet sur le procédé pour soutenir sa commercialisation. La recherche a été financée en partie par Innovate UK et le Conseil de recherche en ingénierie et en sciences physiques (EPSRC), qui fait partie de UK Research and Innovation (UKRI).