Béton sans ciment dans les silos à lisier ILVO

Premier projet de construction à grande échelle avec un liant géopolymère dans le secteur agricole

Pour la première fois, l'utilisation d'un béton innovant à liant géopolymère, c'est-à-dire sans ciment, est appliquée dans un environnement pratique exigeant tel que l'agriculture. Cela permet de réduire l'impact sur le climat d'environ 70 % par rapport à la même structure en béton ordinaire "standardisé". Dans la construction du nouveau complexe de silos en tranchée de l'ILVO à Merelbeke-Melle, le béton recyclé est également utilisé, avec en prime des gains environnementaux significatifs.

Après une série d'essais en laboratoire et d'essais pilotes réalisés par le centre d'innovation du secteur de la construction Buildwise, les types de béton innovants se sont révélés au moins aussi solides et résistants à l'usure, et nettement plus durables que le béton de ciment. Le projet de construction soutenu par l'innovation de VLAIO fera l'objet d'un suivi technique à long terme. Ses chiffres favoriseront la transition vers la durabilité de la construction en béton.

Impact du béton sur le climat et la nature

Le béton est le matériau de construction le plus utilisé au monde. Il est apprécié pour sa résistance, sa longévité et sa disponibilité locale. Environ 14 millions de m³ de béton sont produits chaque année en Belgique, pour les habitations, les routes, les constructions industrielles et les infrastructures agricoles. Mais il y a deux inconvénients.

Tout d'abord, les producteurs de béton utilisent de grandes quantités de matières premières naturelles telles que le sable et le gravier. Cela soulève des questions de durabilité, car ces matières naturelles se raréfient.

Deuxièmement, le processus de production de la fraction cimentaire (l'agent liant du béton, dont le nom technique est clinker Portland) est à l'origine de fortes_{émissions de CO2}.

Processus de production du ciment. Le calcaire est extrait des carrières de calcaire, puis homogénéisé après concassage, criblage et purification. Cette matière première est chauffée dans un four rotatif, en y ajoutant des oxydes de silicium, de fer et d'aluminium pour obtenir la composition minéralogique souhaitée.

La température de la flamme dans le four peut atteindre environ 2 000 °C, tandis que le processus de frittage proprement dit ("calcination") a lieu à environ 1 450 °C. Au cours de ce processus, le carbonate de calcium (CaCO₃) se décompose en oxyde de calcium (CaO), libérant d'importantes quantités de_CO2. Après refroidissement, le produit semi-fini "clinker" est formé. Pour produire du ciment, ce clinker est finement broyé, souvent avec du sulfate de calcium (gypse) et avec du calcaire ou du laitier de haut fourneau pour obtenir des propriétés spécifiques.

Au contact de l'eau, le ciment s'hydrate et forme une matrice durcissante qui lie le sable et les gros granulats pour former le béton. L'industrie du ciment représente environ 8 à 10 % des émissions mondiales de CO₂ d'origine humaine. Environ 60 % de ces émissions proviennent du processus de décomposition du carbonate de calcium et environ 40 % de l'utilisation de combustibles fossiles pour chauffer les fours.

L'empreinte carbone d'un^{m3 de} béton traditionnel est en moyenne de 300 à 360 kg d'_{équivalents CO2}. En Europe, la construction en béton est à l'origine de 4 à 5 % des émissions totales de gaz à effet de serre. À l'échelle mondiale, ce pourcentage se rapproche des 10 %. Environ 85 % de l'impact du béton sur le climat provient de la production de ciment.

Deux solutions prometteuses

Pour relever ces deux défis, l'industrie de la construction étudie et teste depuis un certain temps des liants alternatifs et des matières premières en vrac plus durables.

Béton recyclé

Les matières premières principalement extraites pour la fabrication du béton, à savoir le sable et les gros granulats, ne sont pas inépuisables et sont souvent importées. La pression sur les matières premières naturelles augmente dans le monde entier. La circularité est une réponse viable à l'impact environnemental du béton. Plus précisément, les flux de déchets tels que les pierres et les gravats de béton peuvent être transformés en matières premières réutilisables. L'exploitation minière urbaine (c'est-à-dire la récupération de matériaux dans un environnement bâti) nécessite une sélection minutieuse, un traitement spécifique (machines de tri et de concassage) et la mise au point de recettes.

Grâce à des recherches et à des tests de validation, Buildwise a démontré que les compositions de béton circulaire offrent des performances équivalentes en termes de résistance et de durabilité, par rapport au béton obtenu à partir de matières premières principalement minières. Les réglementations imposées par l'industrie de la construction n'intègrent pas encore cette innovation : par exemple, pour la construction de silos en tranchée, le béton "standardisé" permet un recyclage à 0 %.

Stijn Quintelier, usine de concassage et de béton d'Oosterzeel OBBC: "Dans le cadre du projet de construction de silos de tranchée, nous fabriquons du béton pour notre terrain à bâtir avec 30 % de sables recyclés et 88 % de gros granulats recyclés provenant de gravats de béton concassés localement. Nous en voyons les avantages : nous économisons les matières premières et réduisons les distances de transport, car notre région est certainement autosuffisante en gravats de béton réutilisables. Nous réduisons l'impact sur l'environnement et offrons une alternative complète et de haute qualité. Nous espérons que le suivi à long terme des capteurs et l'exemple donné par l'ILVO constitueront un argument supplémentaire en faveur du béton recyclé".

Les géopolymères en remplacement du ciment

Le béton géopolymère est un béton dont le liant est un géopolymère plutôt que du ciment. Les géopolymères sont fabriqués par une combinaison chimique d'un aluminosilicate (tel que les cendres volantes ou le laitier de haut fourneau) et d'un activateur alcalin (c'est-à-dire non acide). Les liants activés par les alcalins peuvent ensuite être combinés à des agrégats conventionnels pour produire un produit final dur semblable à du béton.

Géopolymères : détails techniques. Le principe est assez simple : en réunissant des résidus contenant de l'aluminosilicate, tels que des cendres volantes (matériau pulvérulent résultant de la combustion du charbon dans les centrales électriques) ou des scories (résidus de l'industrie métallurgique), avec une solution alcaline telle que l'hydroxyde de sodium et le silicate de sodium, la polymérisation souhaitée se produit. Le géopolymère polymérisé acquiert une structure moléculaire tridimensionnelle, appelée "réseau d'aluminosilicates".

Par liaison chimique avec une base, le laitier métallique ou les cendres volantes, en soi non réactifs, deviennent une matrice potentiellement robuste. Cela permet une forte adhérence et un durcissement dans un mélange de béton. La mise en œuvre efficace des géopolymères en tant que liants pour le béton nécessite un travail de développement continu. Le développement d'une recette précise est nécessaire pour chaque application de béton souhaitée. En laboratoire, la composition du liant peut être adaptée à la chimie variable des matières premières afin d'obtenir la bonne ouvrabilité, la bonne résistance à la compression et la bonne durabilité.

Sur la base d'un grand nombre d'études et d'essais sur le béton polymère, le centre d'innovation Buildwise de l'industrie belge de la construction conclut qu'il existe des valeurs ajoutées objectives :

• Impact sur le climat :_{les émissions de CO2} du béton géopolymère peuvent être de 40 à 70 % inférieures à celles du béton de ciment conventionnel. La plus grande différence vient du fait qu'il n'est pas nécessaire de produire du clinker Portland (le processus qui est normalement à l'origine de la plupart des émissions). L'impact environnemental net des liants géopolymères est déterminé par les matières premières primaires choisies (par exemple, le laitier de haut fourneau, les cendres volantes, le métakaolin) et les activateurs alcalins utilisés (tels que le silicate de sodium et l'hydroxyde de sodium).
  
  Bien que ces activateurs puissent eux-mêmes consommer beaucoup d'énergie, les analyses du cycle de vie montrent que les émissions globales de gaz à effet de serre restent généralement nettement inférieures à celles du ciment Portland. En outre, les gains climatiques peuvent encore augmenter lorsque les matières premières secondaires et les flux de déchets sont disponibles localement, ce qui réduit les émissions dues au transport et favorise la circularité.
  
  
• Circularité : la production de géopolymères permet de convertir des résidus industriels auparavant difficiles à valoriser en matériaux de construction de haute qualité.
  
  
• Performance technique : En termes de résistance mécanique et de propriétés structurelles, le béton géopolymère est comparable au béton traditionnel. En outre, il présente une meilleure résistance aux environnements chimiquement agressifs, tels que les environnements acides ou riches en sulfates. Cela le rend particulièrement adapté aux applications où le béton conventionnel se dégrade rapidement, par exemple dans les silos en tranchée. Sa faible porosité contribue en outre à prolonger sa durée de vie.

Une réinvention ? Les premières expériences de béton géopolymère remontent au début du XXe siècle, tant en Union soviétique qu'en Europe occidentale. Les premières applications industrielles ont même eu lieu dans les années 1940 et 1950, par exemple à Marioepol (Ukraine) et dans ses environs. La Belgique a également été un pays pionnier à l'époque (et aujourd'hui encore). Le chimiste anglais Arthur Purdon, qui a étudié et travaillé ici, a découvert et breveté un liant à base de laitier de haut fourneau activé. Il a dirigé une start-up, PurdoCement, pendant trois ans, mais n'a pas réussi à rentabiliser son produit en raison de l'opposition des entreprises de ciment Portland, entre autres. À Bruxelles, on trouve encore des réalisations en béton PurdoCement datant des années 1950 : le parking 58, des parties du bâtiment royal et des maisons sur la place Koning Overwinnaarsplein.

Lukas Arnout, PDG de ResourceFull à Eke : "Notre entreprise a perfectionné le géopolymère pour le béton du silo de tranchée. Grâce à notre connaissance de la chimie, de la rhéologie et de la cinétique d'hydratation, ainsi qu'à une logistique de production adaptée, nous pouvons contrôler de manière stable et reproductible les activations chimiques du géopolymère. Notre objectif est de préconiser des normes européennes harmonisées pour ces liants dans ce consortium de construction. Aujourd'hui, l'absence d'un label BENOR est un goulot d'étranglement pour un déploiement harmonieux dans le monde du béton".

Le projet innovant de construction en béton comprend 12 silos en tranchée

Silos en tranchée. Les silos en tranchée ont des sols rectangulaires en béton et un solide mur de soutènement en béton de +/- 1,5 mètre de haut sur les deux côtés. Dans ces silos, les agriculteurs stockent les fourrages d'hiver pour les animaux, qu'ils récoltent (hachage) et ensilent en été. L'ensilage est une fermentation à faible teneur en oxygène (en comprimant et en scellant l'air avec du plastique), un processus qui peut libérer des jus d'ensilage acides.

Le Dr Leen Vandaele, directeur scientifique et expert en recherche bovine à l'ILVO, a déclaré : "En raison des jus d'ensilage acides libérés au cours du processus de fermentation, les silos en tranchée posent un problème particulier en termes de qualité du béton. Nous savons par expérience que dans certains silos en tranchée existant dans des exploitations agricoles, le béton est rongé après seulement 10 ans. Les mesures du béton biopolymère dans cet environnement de terrain seront sans aucun doute intéressantes pour l'industrie de la construction, mais aussi pour le secteur agricole.

L'ILVO, en tant que client du secteur de la construction, a pris la décision audacieuse mais raisonnée d'opter pour un béton innovant, qui devrait être beaucoup plus durable, mais aussi légèrement plus cher. Dans les projets de construction, les clients ont tendance à ne pas prendre de risques. Ils s'en tiennent à des normes sûres telles que les produits et processus de construction certifiés BENOR.

Le client de la construction ILVO a le sens de l'expérience. ILVO est l'Institut scientifique flamand appliqué pour la recherche agricole, halieutique et alimentaire, un centre de connaissances établi à Melle-Merelbeke depuis 1932. Régulièrement, l'ILVO doit renouveler ses (vieilles) infrastructures pour continuer à réaliser ses centaines de projets de recherche.

Les silos en tranchée font partie de l'infrastructure de recherche pour les essais d'alimentation animale dans l'unité DIER de l'ILVO. "Ils remplaceront une série d'anciens silos et sont entièrement conformes aux nouvelles réglementations environnementales en termes de collecte de liquides dédupliqués, c'est-à-dire un système pour collecter l'eau de pluie et un autre pour les jus d'ensilage, qui ne doivent pas se retrouver dans les eaux de surface. Les silos en tranchée sont désormais non seulement un outil de recherche, mais aussi un objet de recherche, où le béton innovant est surveillé tout au long de son cycle de vie".

L'ILVO avait des raisons claires de préférer le béton non encore certifié BENOR.

Evy De Vlieghere - Coordinatrice des projets d'infrastructure et de construction ILVO : "Lors des journées d'étude, nous avons découvert le potentiel prometteur du béton géopolymère et du béton recyclé. L'excellente résistance chimique, les résistances élevées à la compression et les performances en matière de durabilité ont particulièrement retenu notre attention, en plus bien sûr de l'utilisation responsable des matières premières."

PIO (Innovative Public Procurement Programme at VLAIO) a apporté un soutien pratique (près de 400 000 euros) ainsi qu'un partenariat avec Buildwise (rôle d'agence de contrôle, car il n'y a pas encore de normalisation BENOR). Le PIO aide les gouvernements et les organisations publiques à lancer des appels d'offres, à trouver les fournisseurs et les promoteurs adéquats et prend également en charge une partie du financement (jusqu'à 50 %).

Mark Andries, administrateur général du VLAIO : "Ce projet montre que la recherche de la durabilité et de la circularité va de pair avec l'innovation et conduit à des solutions pérennes. Je suis heureux que nous ayons pu contribuer à cette technologie de pointe pour le béton et j'espère qu'une fois réalisée et validée avec succès, elle servira d'exemple pour l'ensemble du secteur flamand de la construction."

Des capteurs dans trois types de béton, des années de suivi

Trois types de béton différents sont juxtaposés et comparés dans les nouveaux silos de tranchée :

• Le meilleur béton "classique" disponible, c'est-à-dire le béton BENOR le plus durable. Ce béton constitue la référence par rapport à laquelle la qualité et la durée de vie des autres types de béton innovants seront mesurées.
• Une série de silos de tranchées recevra des agrégats de béton recyclé. Ici, le ciment est ajouté comme agent liant, mais les matières premières traditionnellement utilisées (pierre et sable concassés) sont remplacées par des matériaux circulaires tels que des gravats de béton concassés et du sable concassé. Cette modification permet de réduire de 60 % l'utilisation de matières premières primaires et de diminuer les coûts de transport.
• Les silos de tranchée en béton sans ciment avec des matériaux activés par les alcalins sont coulés par STRABAG Belgium, qui fait partie du groupe international de construction STRABAG SE (siège social en Autriche, 86 000 employés, actif dans divers secteurs de la construction), en coopération avec AC Materials et ResourceFull.

Des capteurs seront installés dans chacun des trois types de béton et transmettront des données en temps réel à un tableau de bord en ligne de Buildwise pendant plusieurs années. Les paramètres surveillés en permanence sont la température, la teneur en humidité, la conductivité électrique et le potentiel de renforcement. Ils fournissent une image des processus de dégradation. Des échantillons classiques seront également prélevés et des analyses supplémentaires seront effectuées en laboratoire. C'est ainsi que Buildwise valide l'utilisation du béton géopolymère pour cette application de construction. Les données recueillies alimentent le dossier pour l'obtention d'une norme produit pour les liants innovants tels que les liants activés par les alcalins. Un label de qualité BENOR, par exemple.

Conclusion

Les deux consortiums de construction impliqués (STRABAG Belgium/ ResourceFull/ AC Materials et O.B.B.C/ De Clercq Aannemingen) démontrent que les compositions de béton innovantes peuvent entraîner un saut important en matière de durabilité dans le secteur. Après cette application agricole ambitieuse, d'autres pourraient suivre. En termes de prix, le béton recyclé est déjà comparable au béton BENOR. Le béton activé par les alcalins est encore 30 % plus cher pour l'instant en raison de la faiblesse des volumes. Si les ventes et la durabilité à long terme augmentent, le prix supplémentaire pourrait baisser.

Joren Bracke, chef de projet principal chez STRABAG Belgique : "Pour STRABAG, ce projet de construction est une participation stratégique. Nous pourrons peut-être utiliser cette expérience du béton respectueux du climat dans des projets ultérieurs. À notre avis, le secteur agricole est déjà gagnant dans ces innovations."

Joris Relaes, administrateur général de l'ILVO : "L'agriculture est un secteur très innovant, dans tous les domaines. Avec cette décision de construction pionnière, et grâce à PIO, l'ILVO donne un coup de pouce à la percée d'une innovation peut-être importante. L'utilisation de technologies de béton innovantes et circulaires pour la construction de ces silos en tranchée semble à première vue une optimisation purement technique, mais elle peut contribuer à la transition vers un secteur agricole et de construction plus durable et plus résistant au climat."

Niels Hulsbosch, expert en recherche chez Buildwise : "La nouvelle technologie est sur le point d'être introduite sur le marché. Le projet PIO de l'ILVO accélère l'acquisition de connaissances sur la faisabilité technique et les performances à long terme, ainsi que la mise à l'échelle. Si, à l'avenir, nous pouvons construire différemment, en réduisant l'impact environnemental et en utilisant davantage de matières premières recyclées, cela changera radicalement la donne."

Source : Ilvo Flandres - Institut de recherche sur l'agriculture, la pêche et l'alimentation