Les
ajouts cimentaires : une voie pour réduire les émissions de CO2
de la fabrication du ciment
Les
émissions de CO2 de l'industrie du ciment
L'industrie
cimentière est responsable de 5% des émissions de gaz à effet
de serre (WBCSD Cement, Toward a Sustainable Cement Industry, 2002). Ces émissions
proviennent de deux sources : les émissions énergétiques
et les émissions de procédé. Les premières proviennent
de la production de l'énergie thermique nécessaire à la fabrication
du clinker. Les secondes proviennent du CO2 libéré lors
de la décarbonatation du carbonate de calcium. A ces deux sources s'ajoutent
les émissions dues au transport des matières premières et
à la consommation d'électricité. Les émissions se
répartissent globalement ainsi :
|
Emissions de procédés
50% |
|
Emissions énergétiques 30% |
|
Autres 20% |
Emissions de procédés
50%
Le
contexte du protocole de Kyoto
Le protocole de Kyoto entré en
application en février 2005 fixe obligation, aux pays signataires, de réduire
leurs émissions de C02 de 5,2 % pour l'horizon 2008-2012, par
rapport à leurs émissions de 1990. Pour atteindre cet objectif,
les pays européens qui l'ont ratifié doivent donc diminuer leurs
émissions de 8% en moyenne.
En France, le gouvernement s'est engagé
à une division par 4 (facteur 4) de ses émissions de CO2
d'ici 2050.
La réduction des émissions de l'industrie du ciment
passe donc par trois axes complémentaires : réduction en termes
de production énergétique, réduction en terme de procédé,
réduction en terme de transport.
Nous n'aborderons ici que la réduction
des émissions de procédé car elle seule concerne le LERM,
en tant que laboratoire, mais mentionnons cependant qu'en trente ans, les cimenteries
ont amélioré de 30% leur efficacité énergétique
et que, parallèlement, elles utilisent maintenant des déchets comme
combustibles de substitution (pneus, boues, huile...), dont l'incinération
d'élimination aurait produit du CO2.
Réduction
des émissions de procédé
Les émissions de
procédé résultent de la réaction chimique qui transforme
le calcaire
(CaCO3) en chaux (CaO). Elles procèdent donc
la nature même du ciment Portland.
Ciments
mélangés (blended cements)
On a imaginé, depuis longtemps
déjà pour économiser le combustible notamment, de diminuer
la part de clinker. Une partie du carbonate de calcium
a donc été remplacée par d'autres matériaux, pour atteindre un taux de substitution d'environ
30% par tonne de ciment.
Ces ajouts doivent contenir du CaO : on s'est alors tourné
vers des éléments classés comme déchets, le laitier
de hauts fourneaux et les cendres volantes issues de la combustion du charbon.
L'émission de CO2 dont ils procèdent ne leur est pas
affectée car ils sont considérés comme des co-produits.
Les
ciments au laitier
La fabrication industrielle de ciment au laitier commença
en Allemagne en 1882. Avant même le souci de réduction d'émission
de GES, elle permettait de valoriser un déchet abondant tout en économisant
du charbon.
Le laitier est un silico-aluminate. Il a pour principal composant
un mélange solide de (2CaO.Al2O3.SiO2)(2CaO.MgO.2SiO2).
Il provient de la fabrication de la fonte à partir des hauts fourneaux
sidérurgiques. Les matériaux enfournés sont le minerai de
fer (gangue et oxydes de fer), le coke, le fondant (calcaire ou siliceux selon
la nature de la gangue) les éventuelles additions. Lors de la cuisson,
après fonte, le laitier est isolé de la fonte par flottaison et
s'écoule séparément.
Lorsqu'il refroidit lentement
à l'air, le laitier se présente sous la forme d'une roche cristalline. On peut
la réduire et obtenir ainsi des granulats pour la construction.
Pour
obtenir les propriétés hydrauliques qui lui permettent d'être
utilisé comme liant, le laitier est refroidit brusquement dans l'eau
: trempé, il n'a pas le temps de cristalliser. On obtient alors le laitier
granulé, utilisable en cimenterie : broyé, il est ensuite mélangé
au clinker.
Les cendres volantes
Les cendres
volantes sont issues de la combustion industrielle du charbon. Elles peuvent avoir
été portées à 1400°C et avoir été
soumise rapidement à une trempe à l'air qui les vitrifie. Elles
peuvent être substituées au clinker comme source de CaO. Pour obtenir
des caractéristiques mécaniques exploitables, les cendres volantes
peuvent remplacer les clinkers à hauteur de 30% dans la construction de
structure et jusqu'à 70% pour les utilisations nécessitant une moindre
performance mécanique.
De
l'ajout au clinker à son éventuel remplacement
De la réduction
de la part du clinker dans le ciment à sa supression, il n'y avait qu'un
pas. Des études sont en cours sur la possibilité de fabrication
de nouveaux liants sans clinker, à base de pouzzolanes naturelles activées,
de sulfo-aluminate de calcium, de sulfate de calcium, de céramique.
Le
ciment Portland est produit à bas coût (financier) parce que le calcaire
est abondant et dispersé sur toute la surface du globe. Les liants de substitution
doivent donc non seulement faire preuve de leur efficacité mais également
réunir des conditions économiques de production qui rendent leur
emploi de substitution envisageable.
Règlementation
La
nomenclature des ciments reconnait ces ajouts. Le Ciment Portland composé
(CPJ-CEM II/A ou B, norme NF P 15-301) contient au moins 65% de clinker et au
plus 35% d'autres constituants : laitier de haut fourneau, fumée de silice,
pouzzolanes naturelles, cendres volantes, calcaires, constituants secondaires. Le
Ciment de haut-fourneau (CHF-CEM III/A ou B, norme NF P 15-301) contient entre
36 et 80% de laitier et de 20 à 64% de clinker. Le CLK-CEM III/C
(ex ciment de laitier au clinker, norme NF P 15-301) contient au moins 81% de
laitier et de 5 à 19% de clinker. Le ciment au Laitier et aux Cendres
(CLC/CEM V/A ou B, norme NF P 15-301) contient de 20 à 64 % de clinker,
de 18 à 50% de cendres volantes et de 18 à 50 % de laitier. | 
