- MANUEL DES LIANTS DU BTON -

VERS UN CIMENT " VERT " ?LESPOIR DES ALTERNATIVES ECOLOGIQUES

Constance MEURICER9 sminaire de recherche AMC2

Matriaux pour lco-conception Enseignants : R. Leroy, L. Dimitriadi

ENSA Paris Malaquais 12/2014

EDITO //

Le Manuel des liants du bton est un outil de communication et de comprhension qui sadresse tous les acteurs du monde du btiment et de la construction, dont principalement les tudiants, les architectes et les ingnieurs.

Le domaine du bton est sans cesse en volution. Recherches et exprimentations se multiplient pour tenter de trouver un matriau aussi performant, et bon march et qui aurait une empreinte cologique plus faible que celle du bton actuel. Cet outil rend donc compte de ces recherches et plus spcialement des recherches qui sintressent la question du liant dans le bton.

Le travail de recherche prsent dans ce manuel donne donc voir ltat des lieux dans le domaine des liants du bton, informant ainsi les intresss afin de leur permettre de choisir des matriaux adapts la demande et plus respectueux de lenvironnement, pour ainsi sinscrire dans une dmarche, plus responsable, dco-conception.

Lobjectif de cet outil est donc dinformer sur la ralit de limpact environnemental du bton, de faire dcouvrir les nouveaux les liants qui voient le jour et den tudier les rels impacts, afin danalyser leurs intrts et leurs limites et mettre ainsi en avant les pistes les plus prometteuses pour lavenir du bton.

Ce manuel est donc une base de donnes qui relate un certain nombre de recherches rpertories un instant t . Cest donc un outil qui est vou voluer, au fur et mesure des avances des recherches dans ce domaine, tre complt et mis jour.

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INTRODUCTION //

Le protocole de Copenhague de 2009, vise lutter contre le rchauffement climatique lchelle mondiale, en stabilisant la hausse de la temprature laquelle la plante se trouve expose. Dans cette optique, les pays industrialiss ont pour objectif de rduire leurs missions de gaz effet de serre de 40% dici 2020. Le protocole de Kyoto (de 1997) prvoyait dj pour 2012 une baisse de 5,2 % des missions de CO2 des pays industrialiss par rapport leurs missions de 1990. Afin de parvenir aux objectifs fixs Copenhague, diverses actions ont t mises en uvre et continue aujourdhui se mettre en place dans le secteur industriel, dans le but de dvelopper de nouvelles solutions qui minimiseraient les impacts environnementaux, tels que la consommation et lpuisement des ressources et des nergies, les missions de CO2 ou encore la pollution de lair.

Dans le domaine du btiment, le bton est le matriau le plus largement produit. Son utilisation par les communauts du monde entier le place comme la seconde matire la plus utilise dans le monde aprs leau. La production mondiale de bton tant de 5 milliards de m3/an, il se trouve tre le produit manufactur le plus employ au monde, se plaant largement devant les autres matriaux de constructions tels que le bois et lacier. Nanmoins ce matriau reste un gros consommateur dnergies et son impact environnemental nest pas moindre puisque sa fabrication met une quantit non ngligeable de CO2.

Suite aux objectifs fixs par le protocole de Copenhague le miieu du btiment se trouve fortement concern par les recherches de rduction des impacts environnementaux. Il devient donc ncessaire de se demander quelle est rellement la place du bton dans le domaine de la construction et dans les dmarches actuelles dco-conception.

Si le bton est en ralit un matriau qui prsente un impact environnemental lev, ceci sexplique par lutilisation du ciment Portland en tant que liant dans la composition. La confection du ciment Portland saccompagne de nombreuses missions de dioxyde de carbone (CO2), augmentant ainsi fortement lempreinte cologique du bton. La production de ce matriau est depuis ces quinze dernires annes en hausse. Ainsi en 2011, elle tait de 3,4 millions de tonnes/an, ce qui reprsenterait environ 7% des missions mondiales de CO2 de lanne. Pour avoir une ide, la quantit de gaz effet de serre mise par la fabrication du ciment Portland tait de 3 milliards de tonnes/an en 2012.

Ces chiffres rvlent la ncessit et lurgence dagir sur ce matriau de construction tant utilis et dont lempreinte cologique pse dans la balance mondiale. Il devient donc pressant de se pencher sur les limites que prsente lusage du bton afin de trouver des solutions qui rduiraient son empreinte cologique et permettraient datteindre les objectifs du protocole de Copenhague.

Dans cette dmarche, deux solutions se dveloppent actuellement.La premire vise rduire la quantit de bton fabriqu par la production dun bton de meilleure qualit. Pour une mme rsistance recherche, ces btons plus performants permettraient de rduire le volume de matire ncessaire. Le bton fibr ultra haute performance (BFUP) en est le meilleur exemple. La deuxime solution a, quant elle, pour objectif de substituer au maximum le clinker Portland par des additions minrales parfois issues des dchets industriels. Aujourdhui, une grande partie des btons utiliss dans la construction contiennent dj dans leur ciment une quantit plus ou moins importante de matriaux de substitution au clinker Portland.

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La deuxime solution savre tre plus raliste dans le sens o elle propose de limiter au maximum lusage de clinker Portland tandis que la premire propose plutt une augmentation de la rsistance des btons, ce qui correspondrait une hausse du taux de ciment dans le mlange, qui semblerait engendrer une production plus importante du clinker Portland.

Les recherches actuelles sintressent donc au ciment puisquil est llment responsable des missions de gaz effet de serre lis la production de bton. De nombreuses tudes sont donc menes pour dvelopper des liants susceptibles de substituer partiellement ou totalement le clinker Portland, constituant une source dinnovation importante.

Le sujet de cette tude sinscrit donc dans la continuit des recherches actuelles, rejoignant la deuxime solution voque prcdemment, puisquelle sintresse la ncessit de trouver des alternatives au ciment Portland. Elle tente de rpondre la question suivant :

Quel(s) liant(s) pour un bton cologiquement efficace ?

Cette recherche propose de croiser les multiples connaissances disponibles sur le sujet des liants travers les diverses recherches et dcouvertes rcemment effectues sur ce mme sujet. Son but est dclaircir lavenir des btons et de faire merger des pistes prometteuses qui pourraient aboutir la cration de nouveaux liants qui seraient quant eux plus respectueux de lenvironnement.

Ainsi, ce travail tente dapporter des claircissements sur la recherche de liants alternatifs au ciment Portland en effectuant une classification des principaux liants alternatifs ou qui intgre un composant alternatif au clinker Portland qui font lobjet de recherches. Ce classement seffectuera sur une tude des impacts environnementaux des ciments, par llaboration danalyses de cycles de vies (AVC) pour chacun des liants, ce qui permettra de vrifier lintrt que pourrait trouver les divers liants tudis dans une dmarche environnementale. Cette classification rvlera si les nouveaux liants dvelopps sont rellement intressants tant sur le plan cologique que sur le plan constructif.

Dans un premier temps, aprs avoir retracer brivement lhistoire et la fabrication des btons, les ciments actuels utiliss dans la construction seront prsents, permettant ainsi dexposer le contexte dans lequel sinscrivent les recherches de liants alternatifs. Par la suite, nous prsenterons les tudes, plus ou moins rcentes, qui sont menes (ou qui ont t menes) sur les constituants de substitutions et les liants alternatifs au ciment Portland, apportant ainsi des prcisions sur ltat actuel des recherches. Dans un second temps, nous expliquerons le principe de calcul dACV puis nous tablirons lACV de diffrents systmes. Enfin dans un dernier temps nous pourrons analyser ces rsultats et raliser une classification des liants qui nous permettra dlaborer des hypothses sur les liants qui prsentent un avenir prometteur en tant que substituant du clinker Portland.

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SOMMAIRE //

EDITOINTRODUCTIONSOMMAIRE

I - LE BTON, UN MATRIAUX COLOGIQUE ?1 -Le bton, matriau de construction le plus employ au monde 1.1 - Le ciment Portland, histoire et fabrication 1.1.1 - Histoire du ciment 1.1.2 - Fabrication du ciment Portland 1.1.3 - Le ciment Portland et le bton 1.2 - Un march du bton en pleine expansion 1.3 - La notion de dveloppement durable

2- Une volont de rduire limpact environnemental du bton 2.1 - Vers des btons plus performants 2.2 - Des liants avec ajouts minraux en substitution au clinker Portland

II - LE BTON DURABLE, VERS DE NOUVEAUX LIANTS PLUS COLOGIQUES1- De nouvelles substitutions partielles du clinker Portland : 1.1 - Dfinition de la notion de constituant alternatif 1.2 - De nouveaux liants incorporant des constituants alternatifs

2- Des alternatives au Portland, vers des substitutions totales : 2.1 - Lintrt environnemental des liants alternatifs 2.2 - Des liants alternatifs susceptibles de substituer totalement le ciment Portland 2.3 - Les gopolymres, vers un liant plus cologique

III - CLASSIFICATION DES LIANTS : ENTRE PROPRITS MCANIQUES ET IMPACT ENVIRONNEMENTAL1- Vers de nouveaux liants plus rsistants ?

2- LAnalyse de Cycle de Vie 2.1 - LAVC, un outil de calcul et daide la dcision 2.1.1 - Quelques dfinitions 2.1.2 - Principe de lACV 2.2 - Dfinition des Units fonctionnelles (UF) 2.3 - Les indicateurs dimpacts environnementaux, dfinition des limites du systme 2.4 - Laccs aux donnes

3- Vers de nouveaux liants plus respectueux de lenvironnement ? 3.1 - Analyse des impacts environnementaux d1 m3 de bton 3.2 - ACV dun poteau e