Avec près de dix milliards de tonnes produites chaque année, le béton est le matériau de construction le plus utilisé dans le monde. Il est constitué d'environ un cinquième de ciment, dont la fabrication est à l'origine de 6 à 8 % des émissions de CO2 mondiales.
Afin d'atténuer le changement climatique, les cimentiers français se sont engagés à diminuer de moitié ces émissions par rapport au chiffre de 2015, dès 2030. Un premier levier pour y parvenir consiste à réduire la fraction du clinker dans la composition du ciment de 75 % à 68 % en 2030 (puis 62,5 % en 2050). En effet, le clinker est obtenu par mélange à très haute température de 80 % de calcaire et de 20 % d'argile, au prix de très fortes émissions de carbone (décomposition de CaCO3 à 800°C avec libération de CO2, puis chauffage à 1450°C).
Outre le clinker, les ciments contiennent d'ores et déjà des matériaux vitreux ou vitro-cristallins finement broyés, provenant de rebuts industriels :
- le « laitier de haut fourneau », résultant de la fusion des composés non métalliques des minerais,
- les « cendres volantes », issues de la combustion du charbon,
- la « fumée de silice », un sous-produit de la métallurgie du silicium.
Explorer de nouveaux substituts au clinker
La fermeture progressive des hauts fourneaux et des centrales à charbon incite les cimentiers à explorer de nouveaux matériaux candidats, comme, par exemple, le verre recyclé. Mais comment procéder ?
En collaboration avec l'industrie cimentière (France Ciment), des chercheurs du Laboratoire des solides irradiés (CEA-CNRS-École polytechnique) de l'Iramis ont testé divers substituts déjà utilisés, ainsi que plusieurs matériaux vitreux candidats, afin de développer un outil pratique d'évaluation. L'objectif étant de prédire l'efficacité d'un matériau a priori à partir de sa composition chimique et de sa structure, sachant que plus sa structure est dépolymérisée, plus le liant du ciment sera réactif et performant.
Après avoir analysé les échantillons par fluorescence X, diffraction des rayons X et spectroscopie Raman, ils montrent que la position du halo de diffusion mesurée par diffraction X, le déplacement Raman de la bande Si-O des structures vitreuses et le degré de polymérisation sont dans la plupart des cas fortement corrélés au degré de polymérisation.
L'étude montre à titre d'exemple que le verre recyclé présente deux structures vitreuses, l'une calcique, très dépolymérisée (20 %) et l'autre siliceuse, peu dépolymérisée (80 %). Ce résultat apporte une première idée de sa réactivité, qui reste à affiner.