Le béton recyclé peut-il aider à stocker le CO2?

La tomographie neutronique et aux rayons X operando révèle comment le transport de l'eau et la fissuration façonnent la carbonatation de la pâte de ciment

Un défi climatique dont la solution se cache à la vue de tous

Le béton est omniprésent : dans les bâtiments, les routes, les ponts, les tunnels et presque toutes les formes d'infrastructure. Il est solide, polyvalent et relativement peu coûteux, ce qui explique pourquoi il est le deuxième matériau le plus consommé au monde, après l'eau.

Son impact environnemental est toutefois considérable. La production de ciment est responsable de 5 à 7 % des émissions mondiales de CO₂, en raison à la fois de l'énergie nécessaire pour chauffer les fours à ciment à des températures extrêmement élevées, mais aussi de la matière première elle-même : le calcaire libère du CO₂ lorsqu'il est transformé lors de la production de ciment.

Le béton pose également un défi majeur en matière de déchets. Le secteur de la construction est le premier contributeur aux déchets mondiaux, et des milliards de tonnes de béton sont mises au rebut chaque année lors de la démolition de bâtiments et d'infrastructures. Ces déchets pourraient devenir une ressource : entre 2,8 et 5,1 gigatonnes de béton pourraient être disponibles chaque année pour la réutilisation et la capture potentielle de CO₂ dans le cadre d'un recyclage circulaire.

Cela crée un double défi : comment le secteur de la construction peut-il réduire son empreinte carbone, tout en réutilisant les grandes quantités de déchets de béton générées lors de la démolition de bâtiments et d'infrastructures ?

La carbonatation accélérée du béton recyclé est une réponse possible. Au lieu de traiter l'ancien béton uniquement comme un déchet, il peut être concassé et réutilisé comme granulat dans de nouveaux matériaux de construction. Avant la réutilisation, ces granulats recyclés peuvent être exposés à un gaz riche en CO₂. Le CO₂ réagit avec l'ancienne pâte de ciment attachée aux granulats et se stocke sous forme minérale, principalement sous forme de carbonate de calcium.

En principe, cette approche pourrait contribuer à la fois à la réduction des émissions et à la circularité : moins de déchets envoyés en décharge, moins de demande en granulats vierges, et une partie des émissions de CO₂ transformée en un solide stable à l'intérieur du matériau.

La promesse et la complexité de la carbonatation accélérée

La carbonatation est une réaction naturelle dans les matériaux à base de ciment : le CO₂ de l'air pénètre lentement dans le béton et réagit avec certains hydrates du ciment, formant du carbonate de calcium. La carbonatation accélérée vise à accélérer ce processus en exposant les matériaux en béton recyclé à un gaz riche en CO₂ dans des conditions contrôlées.

C'est particulièrement intéressant pour les granulats de béton recyclé. Contrairement aux granulats naturels, ils portent souvent une couche d'ancienne pâte de ciment, qui est plus poreuse et réactive. Cette ancienne pâte est généralement considérée comme un inconvénient car elle peut rendre les granulats recyclés plus absorbants et moins prévisibles. Mais elle crée également une opportunité : elle fournit à la fois des voies d'accès au CO₂ et des phases minérales avec lesquelles le CO₂ peut réagir.

La difficulté est que la carbonatation dépend d'un équilibre délicat. Le CO₂ doit pouvoir se déplacer à travers le réseau de pores, mais la réaction nécessite également de l'eau pour se dérouler. Trop peu d'eau limite la réaction chimique ; trop d'eau bouche les pores et ralentit le transport du CO₂. Au fur et à mesure que la carbonatation progresse, le matériau lui-même change, modifiant à la fois la distribution de l'humidité et l'accès au gaz.

C'est pourquoi l'amélioration de la carbonatation accélérée n'est pas seulement une question d'exposition des déchets de béton à davantage de CO₂. Elle nécessite de comprendre comment le CO₂, l'eau, les réactions minérales et les changements microstructuraux évoluent ensemble à l'intérieur du matériau.

Les neutrons révèlent le rôle de l'eau dans le stockage du CO₂

Pour observer ces processus cachés, les chercheurs ont eu recours à une technique particulièrement sensible à l'eau à l'intérieur des matériaux : l'imagerie neutronique. Contrairement à de nombreuses autres techniques d'imagerie, les neutrons sont très sensibles à l'hydrogène. Comme l'eau contient de l'hydrogène, la tomographie neutronique peut révéler où se trouve l'eau à l'intérieur des matériaux à base de ciment et comment elle se déplace au fil du temps.

Les expériences ont été réalisées sur NeXT, l'instrument de tomographie neutronique et aux rayons X de l'ILL. Pour reproduire des conditions pertinentes pour la carbonatation accélérée dans des conditions industrielles réalistes, une cellule expérimentale dédiée a été utilisée pour exposer des échantillons de pâte de ciment à un gaz riche en CO₂ à 80 °C tout en les imagant en temps réel.

La force de l'approche résidait dans la combinaison de deux vues complémentaires du même processus. La tomographie neutronique suivait l'évolution de l'eau à l'intérieur de l'échantillon. La tomographie aux rayons X montrait les changements de densité, l'avancée du front de carbonatation et la formation de fissures. En acquérant les deux jeux de données simultanément, l'équipe a pu relier le mouvement de l'eau, la transformation minérale et les dommages mécaniques en trois dimensions et au fil du temps.

Cette vue combinée a révélé que la carbonatation n'est pas un processus simple dans lequel le CO₂ diffuse régulièrement dans des pores vides. Lorsque le CO₂ réagit avec les phases de ciment hydraté, il libère de l'eau qui était auparavant chimiquement liée à l'intérieur du matériau. L'imagerie neutronique a montré que cette eau peut s'accumuler et se redistribuer au sein du réseau de pores, modifiant les conditions à travers lesquelles le CO₂ doit continuer à se déplacer.

Cela a un effet direct sur la carbonatation. Au début de l'expérience, le front de carbonatation avançait d'une manière qui ressemblait à une diffusion classique. Mais au fur et à mesure que la réaction progressait, la vitesse ralentissait. L'eau libérée remplissait partiellement les pores, rendant plus difficile la progression du CO₂ dans le matériau. En d'autres termes, la réaction modifiait les propriétés de transport de la pâte de ciment au fur et à mesure de son déroulement.

La deuxième observation importante était que l'absorption la plus élevée de CO₂ ne se produisait pas directement à la surface exposée, mais légèrement en dessous. La surface séchait rapidement dans les conditions expérimentales, ce qui limitait la réaction de carbonatation à cet endroit. Un peu plus profondément dans l'échantillon, là où suffisamment d'eau restait disponible, la carbonatation progressait plus efficacement. Ce résultat illustre pourquoi l'eau n'est pas seulement un sous-produit de la carbonatation, mais l'un des facteurs contrôlant l'efficacité du stockage du CO₂.

Les données simultanées aux rayons X ont apporté un autre éclairage. Elles ont montré que la carbonatation induisait des fissures dans la pâte de ciment, notamment dans la zone carbonatée près de la surface exposée. Ces fissures se développaient pendant les premières étapes de l'expérience, atteignaient un volume maximal, puis se refermaient partiellement. Comparée aux profils d'eau neutroniques, l'évolution des fissures était fortement liée aux changements d'humidité à l'intérieur du matériau.

Ensemble, ces résultats montrent pourquoi les modèles basés uniquement sur la diffusion sont insuffisants. La carbonatation dépend d'un équilibre mouvant entre le transport du CO₂, la libération d'eau, le séchage, la formation de minéraux et la fissuration. Chacun de ces processus influe sur les autres. Si les modèles ignorent ce couplage, ils risquent de surestimer la vitesse à laquelle la carbonatation peut progresser ou la quantité de CO₂ pouvant être stockée.

Transformer un défi environnemental en solution circulaire

Ce qui rend cette étude particulièrement puissante, c'est que les chercheurs ont pu observer la carbonatation pendant qu'elle se produisait, plutôt que de mesurer uniquement le matériau avant et après le traitement.

Cela a été rendu possible grâce à deux développements à l'ILL : une cellule de carbonatation spécialement conçue, capable de reproduire des conditions chaudes et riches en CO₂ tout en restant transparente aux faisceaux de neutrons et de rayons X, et la capacité unique d'imagerie 5D de NeXT-Grenoble. Les neutrons suivaient l'eau, tandis que les rayons X montraient l'évolution de la structure minérale et des fissures.

Ensemble, ils ont révélé un processus bien plus dynamique qu'un simple flux de CO₂ dans des déchets de béton. L'eau est libérée, les pores se modifient, les fissures s'ouvrent et se referment partiellement, et tous ces effets influencent la quantité de CO₂ pouvant être stockée.

En rendant ces mécanismes cachés visibles, l'étude fournit les connaissances nécessaires pour concevoir de meilleurs traitements de carbonatation pour le béton recyclé. Il s'agit d'une étape importante vers la transformation d'un problème majeur de déchets en une voie plus circulaire pour une construction à faible empreinte carbone.

Référence : C. El Faqir, A. Tengattini, B. Huet, M. Briffaut et S. Dal Pont, Operando 5D tomography uncovers carbonation-driven water transport and cracking in hydrated cement paste, Communications Materials, 7, 49, 2026. DOI : 10.1038/s43246-025-01060-2

Instrument ILL: NeXT

Contact ILL: Alessandro Tengattini

Institutions impliquées dans la recherche : Université Grenoble Alpes, Holcim Innovation Center, Institut Universitaire de France, LaMcube