Identifier les composants du ciment décarboné de demain

Avec 10 milliards de tonnes produites chaque année à travers le monde, le ciment représente un enjeu de taille en matière de transition énergétique. En France, les professionnels du secteur entendent réduire leurs émissions de CO2 de 50 % dès 2030, puis atteindre la neutralité carbone en 2050. La course est donc lancée sur la décarbonation de l’ensemble de la filière en jouant sur le process de fabrication (efficacité énergétique, choix des combustibles, captage du CO2 émis) mais aussi sur le choix d’autres matières premières et de nouveaux matériaux alternatifs au clinker. 

Marie-Noëlle de Noirfontaine et Mireille Courtial, chercheuses au Laboratoire des Solides Irradiés (LSI), ont répondu aux appels à projets qu’ont lancé les cimentiers dans ce contexte. Leurs travaux s’inscrivent dans le plan d’investissement France 2030 de l’Elysée. « Nous nous intéressons aux matériaux alternatifs au clinker », précise Marie-Noëlle de Noirfontaine. « C’est un des leviers majeurs sur lesquels agir pour réduire les émissions de gaz à effet de serre » ajoute Mireille Courtial. En effet, deux tiers des émissions du process de fabrication du clinker proviennent de la décarbonatation du calcaire en chaux et en CO2. Le tiers restant est issu de l’énergie servant à chauffer le four nécessaire à cette opération.

Depuis longtemps déjà, une part du clinker est remplacée dans les ciments courants par des matériaux de substitution. Il s’agit de matériaux naturels et de sous-produits industriels, vitreux ou vitro-cristallins, finement broyés, provenant de hauts fourneaux ou de centrales thermiques. Toutefois, la fermeture progressive de ces sites implique de trouver de nouveaux substituts. Le verre recyclé, par sa grande disponibilité en est un très intéressant. Plus largement, les matériaux contenant par exemple une phase vitreuse siliceuse ou silico-alumineuse finement divisée - comme les pouzzolanes naturelles déjà utilisée par les Romains – attirent l’attention des scientifiques. Petite précision lexicale : un verre désigne toute matière solide dont les atomes sont désordonnés, par opposition aux cristaux qui présentent des arrangements précis et répétitifs de leurs atomes. On l’appelle aussi solide amorphe. « Et plus le réseau vitreux est dépolymérisé, plus il va être réactif et donc être à même de remplacer le clinker », explique Marie-Noëlle de Noirfontaine.

En amont du process

Des déchets industriels aux cendres volcaniques, les deux scientifiques ont analysé tout un panel représentatif de candidats au remplacement du clinker, fourni par les cimentiers. En passant ces échantillons au crible de la spectroscopie (Raman, fluorescence aux rayons X) et de la diffraction des rayons X, elles ont pu les caractériser et les classifier (nature, ordonnancement des atomes). « Nous avons recoupé les résultats obtenus via ces trois techniques et avons élaboré une grille de lecture facilement utilisable par les cimentiers. Elle les informe sur le degré de polymérisation des structures vitreuses contenues dans nos 13 spécimens, donc sur la réactivité de chacun et leur potentialité à remplacer le clinker », révèle Mireille Courtial. 

Ces résultats interviennent très en amont de la chaine de production de nouveaux ciments décarbonés. « La caractérisation fine de ces matériaux permet aux chimistes de concevoir des activateurs capables de dépolymériser les verres les plus stables et d'élargir le champ des alternatives possibles au clinker. C’est le boom des années à venir dans le secteur », s’enthousiasme Marie-Noëlle de Noirfontaine. 

Car au-delà des 13 échantillons des cimentiers, d’autres matériaux de substitution ont fait leur apparition sur la paillasse des deux chercheuses. « Nous avons été approchées par Saint-Gobain pour caractériser les cendres de biomasse issues de la combustion de matières végétales (bois, paille), animales (carcasses) et de déchets (papier). Nos résultats révèleront les potentiels de chaque type de cendres. Aux chimistes ensuite de prendre le relai », souligne Mireille Courtial. 

Le nucléaire aussi est concerné

Au-delà de la réduction des gaz à effet de serre, les travaux menés par les deux scientifiques apportent des connaissances essentielles dans un projet de recherche national mené en partenariat avec le CEA-DES. « Nous contribuons à l’étude des ciments constituant les matrices de stockage des déchets radioactifs en couche géologique profonde mais aussi celles des enceintes de confinement des centrales nucléaires », expliquent les deux chercheuses. La caractérisation des constituants du matériau informe en effet sur sa résistance aux rayonnements (gamma et électronique) et à son environnement. Inutile de souligner l’enjeu de sécurité relevé par de tels travaux.

*LSI : une unité mixte de recherche CEA, CNRS, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, 91120 Palaiseau, France

En savoir plus 

https://www.conseil-national-industrie.gouv.fr/actualites/comites-strategiques-de-filiere/construction/decarbonation-la-feuille-de-route-de-la-filiere-ciment-horizon-2030-et-2050

https://www.france-ciment.fr/enjeux/decarbonation/

https://portail.polytechnique.edu/lsi/fr