Pour atteindre l’objectif de diminution de l’empreinte carbone des bétons au moyen de la carbonatation accélérée, le projet FastCarb comprendra deux versants, l’un amont et l’autre orienté vers l’aval. L’objectif de la partie amont est de valider, sur les plans théorique et expérimental, la preuve de concept technique déjà apportée en laboratoire de carbonatation accélérée des granulats de bétons recyclés.
Pour atteindre ces objectifs, le GT1 comprend 3 sous GT :

Approche expérimentale

Le GT1.1 est consacré à l’approche expérimentale en laboratoire. Il apportera les données expérimentales nécessaires à l’analyse des phénomènes mis en jeu lors de la carbonatation accélérée des granulats de béton recyclé, et à la connaissance de l’influence des facteurs majeurs (teneur en eau par exemple, température, pression) afin de pouvoir modéliser le phénomène, dans un but d’optimisation. Plus précisément seront développés les points suivants :

  • Développement d’un protocole de recarbonatation accélérée des GBR, plusieurs procédés à l’échelle laboratoire seront proposés, le choix des paramètres tels que : la teneur en eau des GBR, l’empilement granulaire, la taille des grains, la teneur en CO2, le flux du gaz, la pression du gaz et la durée du traitement dépendra de la capacité de fixation du CO2 par les GBR.
  • Compréhension du mécanisme de la recarbonatation accélérée des GBR, évaluation de la cinétique de la carbonatation des GBR à partir des paramètres cités précédemment et les propriétés des GBR (la taille, la surface spécifique, la porosité, la connectivité des pores et la nature chimique des composants des GBR). Une étude comparative sera réalisée entre le mécanisme de recarbonatation accélérée et naturelle des GBR.
  • Etude de l’effet du traitement des GBR par carbonatation accélérée sur l’évolution des propriétés physiques, chimiques et mécaniques des GBR telles que la teneur en mortier attaché, la densité, la cinétique d’absorption d’eau, la surface spécifique, la porosité… Le projet évaluera aussi l’influence du traitement par carbonatation sur la diminution de la variabilité des propriétés des granulats recyclés.

Modélisation

Consacré à la modélisation de la carbonatation, le GT1.2 vient apporter, en complément des études expérimentales du GT1.1, des éléments de compréhension phénoménologiques de la fixation du CO2 par les Granulats de Béton Recyclé (GBR). La complexité de cette étude réside dans la prise en compte de paramètres qu’il est parfois difficile d’obtenir par l l’expérimentation, tel que la répartition spatiale des carbonates formés compte tenu de la petite taille des GBR.

Le GT1.2 s’intéresse également à la carbonatation naturelle du béton durant la vie de l’ouvrage, qui peut en effet avoir un impact non négligeable sur le bilan carbone du matériau. Il s’agit d’apporter des éléments concernant la prise en compte de la carbonatation naturelle dans la contribution des ouvrages de construction au développement durable, en lien avec la norme NF EN 16757 « Déclarations environnementales sur les produits — Règles régissant la catégorie de produits pour le béton et les éléments en béton » et le fascicule de documentation CEN/TR 17310 « Carbonatation et absorption du CO2 dans le béton ».

Le GT1.2 est organisé en plusieurs sous-tâches.

Benchmark :
Les modèles de carbonatation des partenaires ont fait l’objet d’un benchmark sur la base de données expérimentales de la littérature (figure 1). Ce travail a mis en évidence les avantages et les limites de chaque modèle. L’analyse des résultats a permis d’identifier des voies d’amélioration des modèles, initialement développés pour étudier la carbonatation des bétons sous l’angle de la durabilité des ouvrages, afin de les appliquer à l’étude de la fixation du CO2 par les GBR.

Figure 1. Résultat du benchmark : comparaison des profils de teneur en portlandite obtenus par 6 modèles de carbonatation et des teneurs déterminées expérimentalement (Exp.) après 1 an de carbonatation accélérée d’une pâte de ciment.

Étude paramétrique : (études en cours)
Les modèles utilisés dans le benchmark ont ensuite été exploités dans des campagnes de simulations numériques pour identifier les paramètres ayant le plus d’influence sur le processus de carbonatation accélérée des GBR. La modélisation est faite à l’échelle d’un granulat de géométrie sphérique de composition homogène (figure 2). La figure 3 montre par exemple l’influence de la taille du GBR et de son degré de saturation en eau sur la vitesse de piégeage du CO2.

Figure 2. Exemple de répartition spatiale de la teneur en CO2 fixé par carbonatation d’un GBR homogène de géométrie sphérique (teneur en g de CO2 par kg de GBR).

Figure 3. Résultats de simulations numériques : influence du diamètre (D) et du degré de saturation en eau (S) d’un GBR sur la vitesse de fixation du CO2 par carbonatation accélérée à une concentration ambiante de 15% de CO2 (ordre de grandeur des fumées des cimenteries).

Étude de la carbonatation naturelle : (étude en cours)
Un ouvrage en béton armé est capable de fixer du CO2 atmosphérique au cours de sa vie en œuvre. A titre d’exemple (figure 4), pour un bâtiment type R+5 à base de CEM II/A, la quantité piégée en 50 ans est estimée à 2,2 tonnes, ce qui représente environ 13 % de la quantité émise lors de la décarbonatation du calcaire utilisé pour la fabrication du ciment. Cette estimation a été faite avec deux modèles : un modèle de type « ingénieur » (la méthodologie et les hypothèses utilisées sont compatibles avec la norme NF EN 16757) et un modèle physico-chimique (SDReaM-crete du CERIB). Ces études permettront, d’autre part, d’alimenter les bases de données nécessaires à l’ACV, d’autre part, d’évaluer l’état de carbonatation initiale des GBR (avant carbonatation accélérée). La prochaine étude portera sur la résidence d’étudiants Aziyadé construite en éléments préfabriqués et située à La Rochelle.

Figure 4 – Quantité de CO2 piégée par m² de surface de béton exposée à carbonatation atmosphérique dans le cas d’un bâtiment R+5.

Modélisation de la durabilité : (étude à venir)
En parallèle des expérimentations du GT2.2, une étude est prévue pour estimer la durabilité des ouvrages en béton armé incorporant des GBR carbonatés avec différents taux de substitution, dans le cas de deux phénomènes agressifs pour les armatures : la carbonatation (XC) et le transfert des chlorures (XS).

Bio-carbonatation

Le GT1.3 portera sur un traitement spécifique – la bio-carbonatation – beaucoup plus prospectif. L’objectif est ici d’accélérer la carbonatation des granulats de bétons recyclés par l’intervention de bactéries. Pour cela, quatre points seront développés :

  • la détermination des conditions optimales de culture des microorganismes pour la production de carbonate de calcium ainsi que la capacité bactérienne à précipiter le carbonate de calcium en contact avec les granulats de bétons recyclés ;
  • l’étude des propriétés physico-chimiques des granulats traités par les bactéries ;
  • la caractérisation physico-mécanique de mortiers et bétons incorporant les granulats de bétons recyclés traités ;
  • l’amélioration du procédé et industrialisation du procédé.