Le béton est associé à un impact de carbone incorporé élevé, généré par la production du ciment, l’un de ses principaux composants. Cela est dû au processus de fabrication à forte intensité énergétique du ciment et aux émissions de carbone issues du processus de calcination chimique. Selon le cycle de construction, le ciment contribue pour environ 8 % aux émissions de gaz à effet de serre mondiales. Une autre difficulté associée à l’utilisation du béton est sa réutilisation. Aujourd’hui, pratiquement tout le béton est concassé et transformé en agrégat lorsque le bâtiment arrive en fin de vie.

Du fait des volumes considérables utilisés, aucun matériau ne peut remplacer l’utilisation du béton. Si les substituts de matériaux de construction ont un rôle important à jouer dans la décarbonisation de l’environnement construit, leur évolutivité n’est pas suffisante pour remplacer le béton. Toutefois d’autres matériaux contribuent à stimuler l’innovation dans le secteur du béton pour améliorer ses performances environnementales.

Guide rapide à l’usage des équipes de conception et des maîtres d’œuvre

Liste de contrôle pour réduire le carbone incorporé dans le cadre d’une construction en béton

1. Minimisez la quantité de béton utilisée dès le stade de la conception. Optimisez les trames structurelles et utilisez des solutions économes en matériaux telles que des dalles alvéolées.
2. Assurez-vous que ce qui précède ne compromet pas l’adaptabilité du bâtiment.
3. Minimisez l’utilisation totale de clinker dans votre projet en utilisant des substituts de liants. Cela contribue également à réduire les coûts.
4. Présentez vos arguments et obtenez l’adhésion du développeur ou de l’investisseur pour mettre en œuvre des solutions de béton bas carbone. (p.-ex. options de substitution traditionnelles pour les structures, ou nouvelles pour le revêtement, etc.)
5. Planifiez les temps de prise de façon à ce qu’ils concordent avec le calendrier de construction pour laisser plus de temps pour l’évaluation de la résistance lorsque cela est possible.
6. Imposez le béton bas carbone comme une condition d’achat dans le cahier des charges.
7. Demandez à vos fournisseurs des solutions à faible impact carbone.
8. Choisissez des barres à béton, des fibres ou des solutions de renfort alternatives à faible impact carbone.
9. Demandez aux fournisseurs d’étayer leurs solutions à faible impact carbone avec une DEP.
10. Tenez compte des impacts liés aux transport au moment des décisions d’achat.

Pourquoi le béton a-t-il un impact carbone aussi élevé ?

La plupart des émissions de carbone associées au béton sont imputables au ciment.

Le ciment, quant à lui, est composé de clinker (pour le ciment Portland classique) et d’autres matériaux.

Le clinker résulte de la cuisson à 1 400 °C d’un mélange composé de calcaire broyé, d’argile et d’autres matériaux.

Comme on ne peut atteindre une telle température qu’avec des combustibles à haute teneur énergétique, la majeure partie de sa production dépend de combustibles fossiles. À ces températures, le calcaire (CaCO₃) se décompose en chaux (CaO) et en CO_2.

Le dioxyde de carbone résultant de ce processus est appelé carbone de calcination. Le processus de calcination étant nécessaire pour que le clinker agisse comme un liant, il est impossible de l’éviter. La plupart du temps, le clinker est mélangé avec d’autres matériaux pour obtenir les propriétés voulues pour le ciment.

Le béton est souvent utilisé dans des structures monolithes ou coulé sur place, ce qui ne permet pas de le réutiliser facilement lorsque le bâtiment arrive en fin de vie. Le scénario de fin de vie le plus circulaire envisageable consiste à concasser le béton pour le transformer en agrégats. Ce qui signifie qu’on devra utiliser du nouveau béton pour les bâtiments futurs, avec toutes les émissions de carbone supplémentaires que cela implique.

Figure 2 : Procédé de fabrication du ciment : four à chaux cylindrique

Qu’est-ce que le béton bas carbone ?

Le terme « béton bas carbone » ne fait pas l’objet d’une définition officielle. Ce que l’on appelle communément béton bas carbone dans l’industrie de la construction est un mélange de béton dont le carbone incorporé serait inférieur à celui d’un mélange de béton de référence.

Toutefois, la plupart des pays n’ont convenu d’aucun niveau de référence, et le pourcentage de réduction de carbone incorporé permettant à un mélange de béton d’être considéré comme ayant une faible empreinte carbone n’a pas été défini. Des tentatives ont été faites à l’échelle locale, telles que le Conseil pour la durabilité du béton (en Allemagne), la norme Lavkarbonbetong (en Norvège) ou le Low Carbon Concrete Code (code Béton à faible empreinte carbone) au Royaume-Uni.

Ce terme est par conséquent utilisé dans tous les cas où le béton affiche un carbone incorporé inférieur à celui d’un mélange de ciment Portland classique, même si la différence est minime voire nominale. Dans la plupart des cas, le carbone incorporé pourra être réduit en remplaçant le ciment par des substituts de liants plus traditionnels tels que la cendre volante (PFA), le laitier de hauts fourneaux (GGBS), l’argile calcinée et, dans certains cas plus rares, la pouzzolane naturelle. Cette liste est non exhaustive, et il existe de nombreuses autres solutions.

Le problème, avec la plupart des bétons bas carbone d’aujourd’hui, c’est que le clinker (composant principal du ciment) est remplacé par des matériaux secondaires issus de procédés reposant sur la combustion d’énergies fossiles. S’il s’agit là d’un mécanisme de transition intéressant, il ne peut pas évoluer au moment où la décarbonisation de la production d’énergie et d’autres industries est engagée.

Réduire le taux de clinker dans le ciment réduira le carbone incorporé du béton

Partout dans le monde, le béton est utilisé dans les fondations, les dalles et le cadre structurel de la plupart des bâtiments. La plus grande partie du carbone incorporé du béton provenant de la production du ciment, la solution pour réduire le carbone incorporé du béton consiste à réduire la quantité totale de ciment utilisée. Pour cela, il faut :

• Éviter de surdimensionner les éléments structurels. Cela contribuera à réduire la quantité de béton et de ciment utilisée.
• Rationaliser la prise en considération des charges structurelles au stade de la conception. Les charges structurelles sont souvent surestimées mais on peut éviter cette surestimation en détaillant la conception structurelle sans pour autant affecter l’adaptabilité future du bâtiment.
• Axer la conception sur l’utilisation efficace des matériaux en optimisant la portée de la trame structurelle et en incorporant des éléments de béton plus économes en matériaux tels que des dalles alvéolées ou des plateformes en composite.
• Éviter de surspécifier la résistance à la compression du béton. Les mélanges de béton peuvent être optimisés pour des parties spécifiques du bâtiment. Il est inutile d’utiliser une résistance standard de partout.
• Éviter de surspécifier la résistance à la compression du béton dans les jours suivant le coulage (7, 14 et 28 jours). Cela permettra d’utiliser du béton contenant des substituts de liants qui, la plupart du temps, nécessitent un temps de prise plus long.
• Utiliser des substituts de liants tels que la cendre volante, le laitier de hauts fourneaux, l’argile calcinée etc.
• Utiliser d’autres solutions de béton innovantes, lorsqu’elles existent, qui ne sont pas forcément associées à la réduction du ciment.

Optimiser la quantité de clinker dans le béton et dans le ciment est particulièrement intéressant, notamment parce que cela permet de réduire les dépenses d’investissement.

Substituts de liants pour le ciment

• La cendre volante
• Le laitier de hauts fourneaux
• L’argile calcinée

Bien que certains de ces liants soient largement utilisés dans l’industrie de la construction, leur disponibilité dépend de procédés reposant sur la combustion d’énergies fossiles et sera très probablement réduite à l’avenir, puisque l’objectif est de diminuer le recours aux combustibles fossiles. Si l’utilisation de ces liants est importante aujourd’hui, leur diminution ne peut donc pas jouer un rôle conséquent dans l’avenir « zéro carbone » du béton. 

Bien que les liants mentionnés ici puissent contribuer à réduire le carbone incorporé du béton, ils sont souvent considérés avec scepticisme par les maîtres d’œuvre, car ils influent sur la vitesse de prise du béton. Cela signifie qu’il faudra plus de temps aux mélanges de béton préparés avec de tels liants pour atteindre le niveau de résistance défini par rapport aux mélanges de ciment Portland classiques.

Par exemple, un mélange de béton contenant 50 % de laitier de hauts fourneaux aura une résistance deux fois inférieure à celle d’un mélange de ciment Portland 7 jours après le coulage, mais atteindra le même niveau de résistance après 28 jours. Ce temps de prise peut retarder la construction de quelques jours pour chaque étage de bâtiment construit, ce qui peut allonger les délais et avoir une incidence financière pour la construction des immeubles élevés. Dans la mesure du possible, les maîtres d’œuvre devront intégrer dans leurs plannings les temps de prise plus longs du béton bas carbone afin de réduire le délais et les incidences connexes en termes de coûts.

L’argile calcinée

L’argile calcinée est un type de pouzzolane produit en chauffant certains types de minéraux argileux à des températures élevées (environ 700-900 °C) lors d’un processus appelé calcination. Ce processus provoque une transformation chimique des minéraux argileux, entraînant la formation d’un matériau hautement réactif, l’aluminosilicate amorphe, qui, en présence de l’eau, peut réagir avec l’hydroxyde de calcium, un produit de l’hydratation du ciment, pour former des composés cimentaires supplémentaires. Les argiles adaptées à l’utilisation de l’argile calcinée ont une teneur élevée en alumine et en silice. On appelle ce type d’argile du kaolin.

Autres liants

Les autres substituts de liants, bien que moins utilisés, incluent la cendre de balle de riz et le gypse. La cendre de balle de riz est un sous-produit de la production du riz. Lorsque les balles de riz sont retirées du riz, elles sont brûlées. La cendre ainsi obtenue a une teneur élevée en silice qui lui permet de produire des composés cimentaires supplémentaires lorsqu’elle réagit avec l’hydroxyde de carbone, un produit de l’hydratation du ciment. L’un des principaux intérêts de la cendre de balle de riz est qu’il s’agit d’une ressource renouvelable.

Autres solutions

Technologies de capture du carbone

L’une des principales causes des émissions de carbone du béton est le processus de calcination lors de la production du ciment. Même si la principale énergie utilisée lors de la production et le transport du béton n’avaient aucun impact carbone, les émissions liées à la calcination resteraient les mêmes. Pour y remédier Heidelberg Materials construit actuellement la première usine au monde de capture et de stockage du carbone dans une cimenterie de Brevik, en Norvège, et prévoit de faire de même sur l’usine de Slite, en Suède.

Injection de dioxyde de carbone

L’objectif de ces technologies est d’utiliser le CO₂ capturé en l’injectant dans le béton tant qu’il est liquide. Le CO₂ réagit alors avec le ciment et l’eau pour produire d’autres composés cimentaires. De telles technologies existent déjà sur le marché et peuvent être appliquées aux centrales à béton existantes. CarbonCure, une entreprise canadienne, et Carbonaide, une entreprise finlandaise, développent des technologies qui peuvent être utilisées dans le béton prêt à l’emploi et le béton préfabriqué.

CarbonBuilt a développé une technologie similaire pour la production de blocs de béton très bas carbone. Cette technologie peut être intégrée dans n’importe quelle usine de blocs de béton existante et réduit le carbone incorporé des blocs en remplaçant le ciment par un autre substitut de matériau qui réagit avec le CO₂ injecté pendant la prise pour former du CaCO₃ (calcaire). La première production commerciale de blocs de béton utilisant cette technologie a été lancée par Blair Block en Alabama, aux États-Unis, en 2022.

Biotechnologie

Des recherches sont également en cours sur la façon d’obtenir du béton bas carbone en utilisant la biotechnologie. Aux États-Unis, Prometheus Materials a développé un mélange de béton qui utilise des algues pour remplacer le ciment Portland. Sa solution a été utilisée dans des projets pilotes et des efforts sont déployés pour la commercialisation à grande échelle du produit. Biozerocune start-up au Royaume-Uni, est une entreprise de biomatériaux qui produit du béton bas carbone en utilisant des bactéries pour lier les agrégats et le sable en un matériau fonctionnant aussi bien que le béton classique. Le processus de production BioConcrete libère au moins 85 % de carbone en moins et a le potentiel d’avoir un bilan carbone négatif une fois que les déchets sont incorporés dans les matières bactériennes.

Solutions d’origine végétale

Les solutions d’origine végétale incluent des matériaux qui sont souvent un mélange de chaux, de sable, d’argile et de fibres végétales. L’un de ces matériaux est le « hempcrete », constitué de chaux, de sable et de fibres de chanvre. Ces matériaux peuvent être utilisés pour les éléments coulés sur place, le béton projeté et les éléments de maçonnerie. Bien qu’il s’agisse de biomatériaux à très faible impact carbone, ils ne peuvent remplacer le béton traditionnel que pour les petits bâtiments et les applications non porteuses.

Carbon Designer 3D, pour des informations de conception précoces

Comment le béton peut-il devenir plus circulaire ?

Actuellement, le scénario de fin de vie le plus probable pour le béton est son concassage et sa transformation en agrégats. Toutefois, ces agrégats ne peuvent pas être réutilisés indéfiniment ou dans des proportions élevées dans des éléments structurels en raison de la structure monolithique du béton coulé sur place qui ne permet pas de le démonter et de le réutiliser. Lorsqu’ils sont conçus correctement, les éléments préfabriqués en béton peuvent être démontés et réutilisés ultérieurement. Pour permettre la réutilisation d’éléments de construction tels que des poteaux, des poutres et des panneaux en béton, la clé est une conception minutieuse et la mise en œuvre réversible des assemblages. 3XN Architects est réputé pour ses recherches sur les matériaux circulaires et bas carbone. Dans son rapport Building a Circular Future(Construire un avenir circulaire), il propose notamment des systèmes d’assemblage réversibles pour les éléments en béton.

Le rôle du spécificateur dans le béton bas carbone

Une spécification axée sur la performance définira les exigences de durabilité telles que la résistance à la carbonatation, le retrait maximal acceptable du béton, la résistance à la compression après la prise complète du béton et la résistance à la compression précoce minimale dans un laps de temps défini tel que requis pour la poursuite de la construction. Idéalement, la résistance à la compression précoce devrait être évaluée sur des périodes plus longues que celles généralement appliquées au mélange de ciment Portland afin de permettre l’utilisation de substituts de liants.

Un taux maximal de carbone incorporé peut être spécifié pour la qualité de béton spécifiée ci-dessus. Les seuils de carbone incorporé devraient être établis en fonction de la disponibilité locale et devraient également tenir compte des impacts liés à la production de béton, au transport vers le site et au gaspillage sur site.

Le rôle des maîtres d’œuvre dans le béton bas carbone

Pendant la construction, il est possible de réduire considérablement le carbone incorporé en minimisant le gaspillage de béton sur le site, ou en utilisant des éléments en béton préfabriqués chaque fois que possible.

Comparaison des mélanges de béton et comment modéliser le béton bas carbone avec One Click LCA

La liste ci-dessous résume les points de données génériques pour le béton prêt à l’emploi disponibles dans la base de données One Click LCA. Ils vous aideront à modéliser le carbone incorporé de votre béton dès les premiers stades et lorsque la centrale de béton ne dispose d’aucune DEP spécifique :

1. DEP de référence d’associations de fabricants (p.-ex. NRMCA)
2. Points de données génériques One Click LCA pour les mélanges de ciment Portland et les qualités de béton allant de C12/15 (1700/2200 PSI) à C60/75 (8700/10900 PSI)
3. Points de données génériques One Click LCA pour les qualités de béton indiquées ci-dessus, avec substitution du ciment par de la cendre volante dans une plage de 10 % à 50 %.
4. Points de données génériques One Click LCA pour les qualités de béton indiquées ci-dessus, avec substitution du ciment par du laitier de hauts fourneaux dans une plage de 10 % à 75 %.

Vous pouvez également créer vos propres spécifications de béton à l’aide des ensembles de données suivants :

1. Ciment Portland
2. Le laitier de hauts fourneaux
3. Cendre volante
4. Fumée de silice
5. Métakaolin
6. Types de ciment normalisés tels que CEM I, CEM II, CEM III et CEM IV
7. Agrégats de béton vierges et recyclés de différentes densités

La base de données One Click LCA est continuellement enrichie avec de nouveaux points de données génériques pour couvrir les mélanges de béton contenant différents pourcentages de substituts de liants. Si vous envisagez un mélange de béton avec un substitut de liant à un pourcentage pour lequel il n’existe pas de point de données prêt à l’emploi, vous pouvez modéliser votre propre mélange de béton en utilisant des points de données pour le ciment Portland, d’autres types de ciment, des substituts de liants, du sable et des points de données agrégés énumérés ci-dessus. 

One Click LCA vous permet d’enregistrer ces différents mélanges de béton comme des constructions privées, de les stocker en tant qu’ensembles de données dans votre bibliothèque et de les réutiliser ultérieurement sous forme d’ensembles de données individuels dans vos ACV bâtiment. 

Consultez les articles de notre support technique pour en savoir plus sur la façon de créer des ensembles de données privés et des constructions privées avec One Click LCA.

Comment comparer différents mélanges de béton

Pour comparer facilement et rapidement différents mélanges de béton avec One Click LCA, il suffit d’ajouter les points de données d’intérêt à la fonction Compare data (Comparaison des données). Un graphique indiquant les émissions de carbone par module de cycle de vie est alors généré pour chacun des mélanges comparés pour l’unité fonctionnelle requise. Cette fonction est disponible pour les points de données génériques et pour les DEP spécifiques du fabricant et peut être utilisée pour tous les types de matériaux.

En savoir plus sur la façon d’utiliser la fonction Comparatif avancé de matériaux.

Béton armé durable

Le béton, en particulier dans les bâtiments, est généralement utilisé avec des armatures en acier. Ces renforts sont nécessaires pour permettre aux éléments en béton de supporter des forces de traction que la faible résistance à la traction du béton ne leur permettrait pas de supporter autrement. Selon la région, le nombre d’armatures et la teneur en matériaux recyclés des armatures en acier, le renfort peut représenter jusqu’à 50 % du carbone incorporé du béton armé (mélange de ciment Portland à 100 % avec barres d’armatures recyclées à 60 % et un taux de renforcement de 200 kg/m3).

Il est possible d’utiliser différents types de substituts de renforts pour réduire leur impact dans le béton. Aucun de ces substituts ne peut être aussi polyvalent que les barres d’acier classiques, mais dans de nombreux cas, utiliser l’une des alternatives suivantes peut considérablement réduire le taux de carbone incorporé. On peut classer les substituts de renforts en fibres organiques (fibres de chanvre, fibres d’acier, largement utilisées dans différentes applications telles que les sols industriels), ou des fibres et barres minérales à base de verre ou de basalte, par exemple.

Vous trouverez les points de donnés génériques suivants sur les substituts de renforts dans les différents DEP établis par les fabricants mais aussi dans la base de données One Click LCA.

1. Fibre de polyester à deux composants, 100 % recyclée
2. Fibres de chanvre, paille et granulats
3. Fibres de basalte
4. Fibre d’acier pour renforcement du béton, 0 % et 100 % de contenu recyclé
5. Fibre de verre pour renforcement du béton
6. Fibre de polypropylène pour renforcement du béton, contenu recyclé de 0 % à 100 %
7. Fibre de lin
8. Fibre de jute
9. Fibres de kénaf
10. Fibre de basalte pour renforcement du béton

Comment trouver un mélange de béton bas carbone dans votre région

Au moment de spécifier le fabricant de béton auprès duquel vous vous procurerez le béton (ce qui intervient généralement à l’étape de la conception détaillée ou de la construction), comment faites-vous pour trouver les fabricants et les mélanges de béton ayant le plus faible impact ?

La fonction de benchmarking de matériaux verts de One Click LCA vous permet d’identifier tous les mélanges spécifiques aux différentes usines ayant un carbone incorporé plus bas que celui que vous avez déjà sélectionné. Cette fonction est accessible directement depuis la demande de matériaux, via une carte de données des matériaux, ou depuis la page de résultats sur laquelle vous pouvez demander à One Click LCA de vous proposer une liste d’alternatives plus durables que les matériaux actuellement sélectionnés.

En savoir plus sur les benchmarks de matériaux verts.

Qui peut fournir des solutions de béton bas carbone ?

Moyen-Orient et Afrique du Nord

• UAE: Emirates Beton ReadyMix
• UAE: Golden Readymix LLC 
• UAE: Gulf Ready Mix LLC
• Egypt: Red Sea Ready Mix (Orascom) 

Quel est l’avenir du béton bas carbone ?

Aujourd’hui, pour obtenir du béton bas ou très bas carbone, on remplace la plupart du temps le ciment par un substitut de liant tel que le laitier de hauts fourneaux, la cendre volante ou la fumée de silice. Le secteur du bâtiment devant se décarboner le plus rapidement possible, la demande pour de tels substituts de liants ne cesse d’augmenter et continuera à augmenter à l’avenir. Parallèlement, l’approvisionnement en liants tels que la cendre volante, sous-produit de la combustion du charbon, est voué à décliner avec la baisse de la demande du produit primaire (p.-ex. l’électricité produite à partir du charbon).

Le béton doit être proposé avec un carbone incorporé encore plus bas que celui généralement obtenu aujourd’hui avec des liants tels que le laitier de hauts fourneaux et la cendre volante. Il doit en outre être produit avec de nouveaux procédés de fabrication et liants innovants.

Dans sa feuille de route de l’industrie britannique du béton et du ciment vers la carboneutralité et au-delà, le UK Concrete Centre a identifié un potentiel de réduction du carbone incorporé du béton de 39 % d’ici 2050 grâce à la décarbonisation du réseau électrique et des transports, à la production de ciment et de substituts de liants plus bas carbone et à l’abandon du principal combustible utilisé pour la production du ciment au profit d’un combustible renouvelable. La réduction de 61 % qui reste à opérer pour que le béton devienne un matériau zéro-carbone doit être générée par les technologies de capture du carbone qui s’attaqueront essentiellement aux émissions liées à la calcination.

Heidelberg Materials construit déjà le premier site de capture et de stockage du carbone dans une cimenterie de Norvège et prévoit de faire de même dans une usine en Suède d’ici 2030. D’autres entreprises telles que CarbonCure et Carbonaide, comme indiqué ci-dessus, réduisent le carbone incorporé du béton en injectant du CO₂ dans le mélange de béton, tandis que des entreprises comme Prometheus Materials et Biozeroc étudient la possibilité de recourir à la biotechnologie pour éliminer l’utilisation du ciment dans le béton afin de pouvoir obtenir un matériau de construction zéro-carbone ou à empreinte carbone négative, comme pour le béton.

EPD abordables avec le générateur de DEP du béton One Click LCA

Découvrez le générateur de DEP du béton One Click LCA plus en détail ou regardez l’enregistrement de notre récent webinaire sur comment créer rapidement des DEP du béton.

Visualisations

How to reduce embodied carbon

when building with concrete

Auteur

Marios Tsikos

Consulting and Training Team Leader

Marios Tsikos est un expert en ACV, BIM et développement durable avec 10 ans d'expérience. Il est aujourd'hui consultant chez One Click LCA, où il dispense des formations et aide les clients à intégrer l'ACV dans leur flux de travail.