Chaque année, 4 milliards de tonnes de ciment sont utilisées dans le monde pour fabriquer le béton qui entre dans la composition des bâtiments et autres infrastructures. Cela laisse une énorme empreinte carbone et entraîne d'autres coûts.
Elsabe Kearsley, professeur de génie civil, qui fait des recherches sur le ciment et le béton, nous en dit plus sur cet ingrédient de base de la vie moderne et explique certains des travaux réalisés pour trouver des solutions de remplacement.
Qu'est-ce que le ciment ? Comment est-il fabriqué, et où ?
Le ciment Portland a été breveté pour la première fois en 1824 à Leeds (Royaume-Uni) par un maçon. Il a découvert qu'il était possible de coller des briques ensemble en utilisant un mélange d'argile et de calcaire chauffé et réduit en poudre fine, puis mélangé à de l'eau.
En termes chimiques, le calcaire est principalement constitué de carbonate de calcium (CaCO₃). Lorsqu'il est chauffé, le dioxyde de carbone (CO₂) est libéré dans l'atmosphère, laissant derrière lui de l'oxyde de calcium (CaO). Ce dernier peut réagir chimiquement avec l'eau pour se transformer en un liant solide.
Le ciment Portland moderne est constitué d'une combinaison de calcaire et d'argile. La qualité du ciment fabriqué dépend de facteurs tels que la consistance du calcaire extrait, la température maximale atteinte dans le four utilisé pour chauffer les matières premières et la finesse du broyage. Le ciment plus fin et le ciment fabriqué à des températures plus élevées sont généralement plus résistants.
Le ciment Portland est toujours utilisé comme principal liant pour coller le sable et la pierre afin d'obtenir du béton. Le béton est le matériau de construction moderne le plus utilisé dans le monde. Les bâtiments à plusieurs étages, les barrages, les ponts, les ouvrages de purification de l'eau, les canalisations d'eaux pluviales et les traverses de chemin de fer sont principalement constitués de béton renforcé par de l'acier.
Dans de nombreux pays africains, il n'existe pas de sources de calcaire appropriées pour fabriquer du ciment Portland. Les pays qui produisent le plus de ciment sont la Chine, l'Inde et le Viêt Nam.
Les premiers résultats de recherche suggèrent que les sols latéritiques qui sont abondants dans de grandes parties de l'Afrique peuvent être utilisés comme liant dans le béton en chauffant les matériaux à des températures relativement basses pour former des argiles calcinées. Ces matériaux peuvent être broyés avec du calcaire et du ciment Portland pour former de l'argile calcinée au calcaire ou des ciments calcinés au calcaire. Ils seraient suffisamment solides pour permettre la construction d'infrastructures abordables et durables dans les régions en développement.
Quels sont les inconvénients du ciment ?
Jusqu'à une tonne de CO₂ peut être émise pour chaque tonne de ciment Portland produite. L'empreinte écologique de la production de ciment est encore accrue par l'énergie nécessaire pour chauffer les matières premières à des températures pouvant atteindre 1 500 °C afin de former le clinker qui est ensuite broyé pour obtenir la fine poudre vendue sous forme de ciment.
On estime que près de 2 tonnes de béton (page 131) sont coulées chaque année pour chaque habitant de la planète. Bien que le ciment ne représente généralement qu'environ 10 % du volume du béton, la consommation mondiale annuelle de ciment dépasse les 4 milliards de tonnes.
L'industrie du ciment est responsable de l'émission d'environ 2,5 milliards de tonnes de CO₂ par an, soit environ 7 % des émissions mondiales de CO₂.
Il ne fait donc aucun doute qu'il est nécessaire de décarboniser l'industrie du ciment. Les grands producteurs internationaux de ciment se sont engagés à limiter les émissions de CO₂ lors de la signature du protocole de Kyoto en 1997. Depuis 1997, ces entreprises ont réalisé d'importants investissements pour réduire leur empreinte environnementale.
Il est également coûteux de produire du ciment de bonne qualité qui peut être utilisé pour produire de manière cohérente des infrastructures en béton solides qui dureront des décennies sans nécessiter d'entretien important.
Les grands cimentiers sud-africains suivent les normes européennes de fabrication du ciment. En Afrique du Sud, la réglementation en matière de construction exige que l'Organisme national de contrôle des spécifications obligatoires tienne une liste des fabricants et des importateurs autorisés à vendre différents mélanges de ciment. Ils doivent respecter les exigences en matière de résistance et de composition du ciment, le contrôle de la qualité, les lois sur l'environnement, l'exploitation minière et le travail, ainsi que les règles d'émancipation économique. Tous ces éléments ont des conséquences sur le coût du produit.
Quelles sont les autres possibilités ?
Il existe quelques moyens de réduire l'empreinte carbone du ciment :
utiliser des sources d'énergie alternatives pour générer la chaleur nécessaire à la fabrication du ciment, y compris des déchets tels que les pneus en caoutchouc
Broyer les matériaux plus finement et préchauffer le calcaire.
placer des filtres dans les cheminées pour limiter les émissions
mélanger le ciment Portland avec des matériaux qui sont des sous-produits d'autres industries manufacturières afin de réduire le volume de calcaire.
Les ciments mélangés contiennent des sous-produits tels que le laitier de haut fourneau broyé provenant de l'industrie sidérurgique et les cendres fines collectées dans les cheminées des centrales électriques au charbon. Avec un contrôle de qualité fiable, les ciments mélangés peuvent améliorer la résistance et la durabilité des infrastructures en béton (chapitres 15, 21 et 24).
La recherche internationale actuelle se concentre sur les types de liants alternatifs.
La plupart des ciments vendus en Afrique du Sud sont aujourd'hui mélangés et contiennent des pourcentages variables de cendres volantes et de laitier.
Quelle est la situation de l'industrie du ciment en Afrique ?
Les fournisseurs de ciment sud-africains ont la capacité de fabriquer 22 millions de tonnes de ciment par an, mais en raison du manque de dépenses d'infrastructures locales depuis 2019, la demande locale a chuté. Seules environ 13 millions de tonnes ont été produites en 2022.
L'Afrique du Sud est le seul pays d'Afrique australe à disposer d'une industrie locale du ciment bien établie. La faiblesse persistante de la demande de ciment, combinée aux volumes importants de ciments importés ou étiquetés illégalement vendus à un prix inférieur au prix de revient du ciment fabriqué localement, met l'industrie en péril.
Faute de sources appropriées de calcaire, de nombreux pays africains doivent payer des prix élevés pour le ciment importé qui est transporté sur de grandes distances. L'absence de règles de construction et d'installations d'essai au niveau local a permis à des importateurs peu scrupuleux d'introduire des produits de qualité inférieure sur ces marchés.
Dans un passé récent, la Chine, l'Inde et le Viêt Nam ont été en mesure de produire et d'exporter du ciment relativement bon marché, car ils n'ont pas à se conformer aux exigences de fabrication rigoureuses, ni aux lois sur le travail, l'exploitation minière et la protection de l'environnement que la plupart des pays développés appliquent. La Chine n'a commencé que récemment à mettre en œuvre des lois sur la protection de l'environnement.