14.4.1 Matériaux dérivés des hydrates de carbone dans le ciment et le béton
Le biochar est un matériau carboné dérivé de la biomasse des déchets, dont plusieurs propriétés clés, y compris la faible densité apparente, la faible conductivité thermique et la nature poreuse, l’ont rendu pour présenter des caractéristiques de performance distinguées du béton. Par exemple, la faible densité permet de produire un béton plus léger, et le biochar constitue donc une alternative efficace à la fraction volumique plus importante occupée par les matériaux plus denses, tels que la poudre de ciment et les granulats (Cuthbertson et al., 2019). En outre, la faible conductivité thermique et la structure poreuse du biochar ont un effet sur l’augmentation de l’isolation thermique du matériau en brisant les ponts thermiques. En plus de ses propriétés d’isolation, les vides et les réseaux de pores interconnectés dérivés du biochar augmentent également l’absorption acoustique du béton. Des études récentes ont en outre suggéré que l’ajout de biochar dans les composites à base de ciment pourrait augmenter la résistance à la compression en favorisant l’hydratation du ciment grâce à sa grande capacité de rétention d’eau (Wang et al., 2019). Le biochar peut libérer progressivement l’eau pendant l’hydratation du ciment. Cela conduit à un béton aux propriétés mécaniques améliorées (Cuthbertson et al., 2019). De plus, le biochar a généralement une taille de particule fine, ainsi le biochar pourrait être utilisé comme charge pour remplir les micropores dans les matériaux de construction (Wang et al., 2019). Par rapport aux composites incorporés au bois, les composites modifiés au biochar ont montré une résistance au feu relativement élevée en raison de ses propriétés physiochimiques stables. Par conséquent, le biochar est utilisé comme une ressource renouvelable pour remplacer la teneur en ciment tout en faisant du mortier qui est utilisé dans l’industrie de la construction.
Le biochar est prouvé pour améliorer efficacement les propriétés du béton des deux côtés de l’échelle lorsqu’il remplace le ciment dans les fractions mineures, telles que la résistance à la flexion et la résistance à la traction par fendage (Akhtar et Sarmah, 2018). Il a été constaté que l’ajout de 0,1 % (v/v) de biochar comme liant de remplacement présentait les meilleures performances en matière de résistance mécanique dans le béton. Les matières premières de biochar, telles que la litière de volaille et les boues d’usine de pâte à papier, jouent un rôle actif dans l’amélioration de l’absorption d’eau dans le béton. Le biochar est considéré comme un matériau idéal pour réduire le CO2 dans la production de béton ainsi que pour diminuer la séquestration du carbone (Akhtar et Sarmah, 2018). La recherche a montré qu’une augmentation de 78% de la résistance à la traction pour l’échantillon de béton avec un ajout de biochar de bagasse traité à 5% par rapport au béton sans biochar (Zeidabadi et al, 2018). L’ajout de biochar conduit à une réduction linéaire de la densité du béton d’environ 2200 à 1454 kg/m3 en comparant aucun ajout de carbone et 15 % en poids de biochar. En outre, l’ajout de biochar a également élargi les coefficients d’absorption acoustique du béton, car il a généré une structure de pores bien développée à l’intérieur du béton. En outre, la conductivité thermique du béton a également diminué et a atteint son minimum avec l’ajout de 2 % en poids de biochar. Cependant, la réduction défavorable de la résistance du béton causée par l’ajout de biochar fait de ce matériau composite un béton à faible résistance (Cuthbertson et al., 2019). Le temps de prise initial a été diminué et la résistance à la compression initiale du mortier a été améliorée par le biochar frais et saturé. Il a été constaté que l’ajout de biochar incorporait significativement la ductilité au mortier sous flexion, bien qu’il ait eu peu d’effet sur la résistance à la flexion. L’ajout de biochar a également conduit à l’imperméabilité du mortier en raison de la réduction de la pénétration de l’eau et de la sorptivité. Néanmoins, le biochar frais a contribué à une plus grande résistance mécanique et à une meilleure perméabilité par rapport au biochar saturé en dioxyde de carbone (Gupta et al., 2018a). À cet égard, le biochar s’avère être un matériau prometteur utilisé comme adjuvant dans la construction en béton, contribuant à la fois à la séquestration du carbone et au recyclage des déchets. Le test de compression a révélé qu’avec une plus grande substitution de biochar dans le mortier, la résistance à la compression a été réduite avec l’augmentation de la substitution de biochar et moins d’hydrates de silicate de calcium ont été formés dans les composites de ciment biochar. Le test d’absorption d’eau a montré que plus le remplacement du biochar augmente, plus l’eau est retenue dans les composites mortier-biochar. D’après les résultats, on peut conclure que le biochar peut être une alternative viable du ciment, jusqu’à un certain pourcentage, tout en faisant du mortier pour des applications spécifiques (Roy et al., 2017).
Des recherches croissantes émergent sur l’exploration de la condition optimale de l’ajout de biochar au béton. Des paramètres tels que la taille, le dosage et la pyrolyse sont pris en considération. En tant que mortier de ciment, les particules macroporeuses plus grossières du biochar (taille 2-100 μm) sont plus efficaces pour améliorer la fluidité et la viscosité de la pâte de ciment, par rapport à celle des particules plus fines (taille 0,10-2 μm) (Gupta et Kua, 2019). Même ainsi, il est prouvé que ce dernier a plus d’effet sur l’amélioration de la résistance initiale et de l’étanchéité à l’eau en condition de cure sèche, par rapport au premier biochar (Gupta et Kua, 2019). L’ajout de 1-2 % en poids de biocharbon pyrolysé à 300°C-500°C améliore la résistance à la compression au jeune âge (7 jours) du mortier en raison de la rétention d’eau élevée. L’ajout de biochar n’a pas influencé de manière significative la résistance à la flexion, le retrait de séchage et le module d’élasticité. Sur la base des résultats expérimentaux, il est conclu que l’ajout de 1-2 % en poids de biochar peut être recommandé pour améliorer la résistance et réduire la perméabilité du mortier de ciment (Gupta et al., 2018b). Plusieurs paramètres de pyrolyse et la nature des matières premières du biochar ont un effet sur les propriétés mécaniques des composites de ciment. Les résultats des essais mécaniques ont montré une amélioration prometteuse de la résistance, de la ténacité et de la ductilité. En effet, des valeurs plus élevées de résistance à la flexion et d’énergie de rupture ont été enregistrées pour les spécimens avec l’ajout de biochar par rapport à ceux des spécimens sans biochar. Cependant, les valeurs de résistance à la flexion et d’énergie de rupture pourraient être affectées par différents paramètres de pyrolyse utilisés dans la production de biochar (température, taux de chauffage et pression). Les résultats pourraient donc être influencés par le type de matériau carboné et par les paramètres de production plutôt que par la taille des particules de carbone. D’un point de vue économique, ces particules de carbone ont un coût nul, puisqu’elles sont les déchets du processus de pyrolyse de la biomasse. Pour cette raison, elles représentent de bons matériaux pour les nouveaux matériaux de construction verts (Cosentino et al., 2018).
En outre, l’ajout de particules de biochar au béton végétal est un moyen d’améliorer encore la compatibilité végétale du béton végétal. Posé comme une base de renforcement et recouvert par la couche de sol avec de la végétation, le béton de végétation se compose de ciment, d’eau et de gros granulats. La réduction de l’alcalinité du béton végétal à l’aide de ciment à faible base ou par l’ajout d’adjuvants permet d’améliorer la compatibilité avec les plantes et la résistance à la compression du béton végétal. La recherche montre que plus la teneur en charbon bio augmente, plus la porosité et le coefficient de perméabilité du béton végétal continuent de diminuer, tandis que l’effet du charbon bio sur la promotion de la croissance des plantes a d’abord montré une augmentation jusqu’au maximum, puis une diminution progressive. Par conséquent, l’ajout d’une quantité appropriée de biochar peut améliorer les caractéristiques du béton végétal. En outre, la proportion de mélange optimale du béton végétal modifié par le biochar a été recommandée (Zhao et al., 2019).
Le ciment est l’un des matériaux les plus importants pour le développement urbain, dont la production représente des émissions de CO2 mondiales majeures. À cet égard, l’utilisation de matériaux verts et durables dans la production de ciment peut contribuer à réduire les émissions de gaz à effet de serre dans l’atmosphère et à soulager le réchauffement climatique. Parmi ces matériaux, la biomasse dérivée des déchets agricoles s’est avérée être une alternative efficace au ciment Portland dans la production de béton, ce qui a permis de réduire l’impact environnemental de la production de ciment. De tels matériaux synthétisés peuvent être utilisés comme matériaux pouzzolaniques (Zeidabadi et al., 2018). L’utilisation du biochar comme additif de séquestration du carbone dans le mortier de ciment ou comme charge au béton standard à la place du sable ou des granulats grossiers a présenté des améliorations potentielles de ses caractéristiques de performance ainsi qu’une opportunité de séquestration du carbone.