Carbonation-Based Recycling of Concrete Wash Water for Pollution Control and CO 2 Sequestration

Chaque fois qu'un camion de béton est nettoyé après une journée de travail, il recrache une bouillie d'eau, de sable et de ciment résiduel. Ce mélange, connu sous le nom d'eau de lavage du béton, est un véritable casse-tête pour l'industrie de la construction. Il est hautement alcalin, ce qui signifie qu'il est chimiquement agressif, et s'il est déversé sans traitement, il peut empoisonner les rivières et les lacs. Pendant des décennies, la pratique courante a consisté soit à déverser cette bouillie toxique, soit à la diluer avec de l'eau potable fraîche pour la rendre assez sûre pour être réutilisée dans du nouveau béton. Mais la dilution est un gaspillage, et l'eau altère souvent la qualité du nouveau béton, le rendant plus faible ou provoquant un durcissement trop rapide. Parallèlement, le monde cherche des moyens de capturer le dioxyde de carbone, le gaz qui alimente le changement climatique, et de le piéger en toute sécurité. Le béton, le matériau de construction le plus utilisé sur Terre, est déjà une source majeure d'émissions de carbone, mais il possède également une capacité cachée à absorber le carbone par un processus chimique naturel appelé carbonatation.

Une équipe de chercheurs de l'Université de Huaqiao en Chine a relié ces deux problèmes, proposant une méthode pour transformer l'eau de lavage en un outil pour nettoyer l'air. Ils ont développé une méthode consistant à injecter des bulles de dioxyde de carbone directement dans l'eau de lavage sale. Ce processus, qu'ils appellent carbonatation accélérée, force le dioxyde de carbone à réagir avec les particules de ciment en suspension dans l'eau. Le résultat est une transformation du déchet : la bouillie toxique à pH élevé devient un liquide neutralisé rempli de minuscules particules minérales inoffensives. Les chercheurs ont ensuite testé si cette eau traitée pouvait être utilisée pour mélanger un nouveau mortier de ciment. Ils ont découvert que l'eau faisait plus que simplement nettoyer le déchet ; elle améliorait en fait le produit final. Le nouveau mortier était plus solide, rétrécissait moins en séchant et tenait mieux ensemble que le mortier fabriqué avec de l'eau du robinet ordinaire, à condition que l'eau traitée soit utilisée dans les bonnes proportions.

Pour comprendre comment cela fonctionne, il faut regarder ce qui se passe à l'intérieur du réservoir. Les chercheurs ont commencé par une version simulée de l'eau de lavage, créée en mélangeant du ciment ordinaire avec de l'eau et en laissant reposer pendant trois heures. Ils ont pompé cette bouillie à travers une unité spécialisée où ils ont injecté du gaz dioxyde de carbone. À mesure que le gaz se mélangeait au liquide, une réaction chimique se produisait. Le dioxyde de carbone se dissolvait dans l'eau et réagissait avec les composés de calcium provenant du ciment. Cette réaction consommait les composants alcalins nocifs qui rendaient l'eau dangereuse pour l'environnement et abaissait considérablement le pH. Dans les tests de laboratoire, le pH est passé de 12,38 à 6,49, bien que les chercheurs aient noté que pour le béton de terrain, le processus serait typiquement arrêté à un pH d'environ 8 pour préserver la durabilité à long terme du matériau. Au cours de ce processus, le dioxyde de carbone était efficacement piégé, ou séquestré, à l'intérieur de l'eau sous forme de particules minérales solides. Les chercheurs ont mesuré cela en pesant le réservoir ; à mesure que la réaction progressait, l'eau gagnait de la masse car elle avait absorbé le lourd gaz dioxyde de carbone. Dans leurs tests les plus efficaces, le système absorbait le dioxyde de carbone à un taux de 18,6 grammes par minute.

Les particules solides créées par cette réaction n'étaient pas les mêmes que le ciment d'origine. En utilisant des microscopes puissants et des scanners chimiques, l'équipe a observé que les grands cristaux en forme d'aiguilles du ciment original avaient disparu. À leur place se trouvaient de vastes quantités de particules de carbonate de calcium extrêmement fines et rondes, un minéral similaire au calcaire ou à la craie. Ces nouvelles particules étaient beaucoup plus petites que les grains de ciment originaux, la taille moyenne passant de près de 20 AU à seulement 3 AU. Ce changement de taille est crucial. Lorsque les chercheurs ont utilisé cette eau traitée pour mélanger un nouveau mortier, ces minuscules particules ont agi comme une charge ultra-fine. Elles se sont glissées dans les minuscules interstices entre les grains de ciment plus gros, compactant le matériau et le rendant plus dense. Cette densification est ce qui a donné au nouveau mortier sa résistance accrue.

Les tests de performance ont révélé une histoire complexe mais prometteuse. Lorsque les chercheurs ont remplacé toute l'eau fraîche d'un mélange de mortier par cette eau entièrement traitée, le mélange est devenu plus difficile à travailler. Il coulait moins facilement, ce qui est un problème pour les ouvriers du bâtiment qui ont besoin que le béton soit assez fluide pour être versé et étalé. Cependant, le matériau durci final était nettement meilleur. Le mortier fabriqué avec l'eau traitée a subi un retrait 52,9 % moindre que le groupe témoin fabriqué avec de l'eau du robinet, ce qui signifie qu'il est moins susceptible de se fissurer en séchant. Sa capacité à résister aux forces de compression a augmenté de 13,0 % après 28 jours. Les chercheurs ont également constaté que l'eau traitée modifiait la prise du ciment. Elle faisait commencer le durcissement du mortier plus rapidement au début, mais mettait plus de temps à atteindre son état final, totalement pris. Ce comportement différait de l'utilisation d'eau de lavage non traitée, qui faisait durcir le béton trop rapidement et entraînait souvent un produit final plus faible.

Pour trouver le point d'équilibre pour une utilisation dans le monde réel, l'équipe a testé différentes quantités d'eau traitée mélangée à de l'eau fraîche. Ils ont découvert que si l'on remplaçait plus de la moitié de l'eau fraîche par la version traitée, le mélange devenait trop rigide et la résistance finale tombait en dessous des normes acceptables. Cependant, lorsqu'ils remplaçaient jusqu'à 50 % de l'eau fraîche, le mortier répondait à toutes les exigences de performance nécessaires. Il coulait suffisamment bien pour la construction, rétrécissait très peu et était plus fort que le mélange standard. Cela suggère qu'un chantier de construction pourrait recycler la moitié de ses besoins en eau à partir de son propre flux de déchets tout en capturant simultanément le dioxyde de carbone, sans compromettre la qualité du matériau de construction.

Les chercheurs ont également travaillé à perfectionner la machine qui effectue la carbonatation. Ils ont utilisé une méthode statistique pour tester comment trois réglages différents affectaient la vitesse à laquelle l'eau absorbait le gaz : la quantité de ciment dans l'eau, la vitesse du flux de gaz et la température du système de refroidissement. Ils ont découvert que le processus génère beaucoup de chaleur et que si l'eau devient trop chaude, il est plus difficile pour le gaz de se dissoudre. En équilibrant soigneusement ces facteurs, ils ont optimisé le système pour capturer le dioxyde de carbone 14,1 % plus efficacement que lors de leurs tests initiaux. Les meilleures conditions impliquaient un ratio spécifique de ciment à l'eau, un flux de gaz élevé et une température très fraîche de 2,7 degrés Celsius.

Cette étude démontre une voie viable pour l'industrie du béton, transformant un déchet dangereux en une ressource pour le contrôle de la pollution et le stockage du carbone. Le processus ne nécessite pas de produits chimiques exotiques ou d'infrastructures massives nouvelles ; il repose sur une réaction chimique qui peut être gérée avec un équipement standard. Bien que le travail actuel se soit concentré sur le mortier, une version simplifiée du béton, les chercheurs reconnaissent que la prochaine étape consiste à tester cette méthode avec du béton à pleine échelle comprenant du gravier et du sable. Ils notent également que la durabilité à long terme des bâtiments fabriqués avec cette eau recyclée nécessite des investigations supplémentaires. Cependant, la conclusion fondamentale est claire : en injectant des bulles de dioxyde de carbone dans l'eau de lavage sale, il est possible de neutraliser la pollution, de capturer le gaz à effet de serre et de créer un matériau de construction plus solide et plus durable. L'eau de lavage n'est plus seulement un problème à éliminer ; elle est devenue un vecteur pour nettoyer l'air et construire un avenir meilleur.