Le béton est un matériau de construction composé d'un mélange de granulats, de sable, et d'eau aggloméré par un liant hydraulique (le plus souvent du ciment). Parmi ces composants, le ciment est celui dont la production est non seulement consommatrice de calcaires, d’argiles, de marnes et de combustibles, mais elle est également à l’origine de la majeure partie des émissions de gaz à effet de serre. Selon Montens [27], plus de 80% sont liés à la phase de production, entre 10 et 15 % sont dus à la mise en œuvre et entre 2 et 5 % sont attribués au transport.
La part principale de la production de gaz à effet de serre dans l’industrie cimentière provient du processus de clinkérisation (réactions physico-chimiques à hautes températures conduisant à la formation du clinker). À partir de 550°C, la formation de la chaux liée à la décarbonatation du calcaire engendre la libération du dioxyde de carbone. Cette réaction chimique représente plus de 60 % des émissions de CO2 dues à la fabrication des ciments (environ 525 kg CO2 par tonne de clinker), les 40 % restants sont dus à la combustion des combustibles fossiles nécessaire aux procédés de clinkérisation (environ 335 kg CO2 par tonne de clinker), au broyage et aux transports (environ 50 kg CO2 par tonne de clinker). L’industrie cimentière s’implique ainsi fortement dans différentes stratégies permettant de limiter ces émissions de gaz : bien que la production de clinker nécessite de grandes quantités d’énergie (de l’ordre de 4 GJ/t), des diminutions des émissions de dioxyde de carbone (CO2) et d’hémioxyde nitreux (N2O) reconnus comme gaz à effet de serre ont déjà
Thèse de Doctorat - C. ZEMRI 19 été obtenues grâce à l’optimisation des procédés de production et la modernisation des fours de cimenteries [28].
Le remplacement des énergies fossiles traditionnelles utilisées pour l’alimentation des fours par des combustibles de substitution est une alternative intéressante. Il permet d’économisé des matières premières naturelles d’origine pétrolière et la réduction des émissions de CO2 fossile au profit de matières renouvelables, de déchets ou des sous produits industriels. La mise en œuvre de ces solutions a permis à l’industrie cimentière de réduire de 20% ses émissions de CO2 à la tonne de ciment pour la période 1990-2000 [28].
Une autre stratégie permettant de limiter les émissions de CO2 est l’utilisation d’autres liants hydrauliques que le clinker. L’utilisation de matériaux de substitution, notamment d’origine industrielle, permet d’éviter les émissions de CO2 liées à la décarbonatation du calcaire lors de la production de clinker. La substitution du ciment Portland par des laitiers de haut-fourneau évoque une réduction notable des rejets de dioxyde de carbone par tonne de matériaux cimentaires et implique également de consommer des sous-produits des processus de production industrielle [29]. Le facteur d'émission moyen pour une tonne de fabrication de ciment dans le monde était de 0,91 t CO2-e/tonne qui contient le transport de ciment vers une usine de béton prêt à l'emploi, d'autre part, cette valeur est réduite à 0,143 t CO2-e/tonne dans le cas d’utilisation des laitiers de haut-fourneau.
La Figure I.8 montre comment le remplacement du ciment par du laitier de haut-fourneau influence les émissions totales de CO2 par tonne de ciment, tandis que la Figure I.9 montre l'influence de la proportion de laitier dans le ciment sur le émissions de CO2 causée par l'un des trois facteurs sélectionnés dans le processus de fabrication du ciment [30]. Une proportion plus élevée de laitier dans le ciment peut réduire considérablement les émissions totales de CO2. Dans le même temps, la proportion de CO2 émise en raison du processus de calcination, ainsi que la proportion de CO2 causée par la production d'énergie thermique, diminueront avec une augmentation de la proportion des laitiers, tout comme la proportion de CO2 causée par la production d'énergie électrique.
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Figure I.8 : Influence du remplacement du ciment par le laitier granulé de haut-fourneau sur les
émissions totales de CO2 par tonne de ciment [30]
Figure I.9 : Influence de la proportion de laitier dans le ciment sur les émissions de CO2 résultant de causes spécifiées dans le processus de fabrication du ciment [30]
En remplaçant 45% du ciment Portland ordinaire par du laitier de haut-fourneau, une réduction de 37% des émissions totales de CO2 sera réalisée [31]. Le coût total de l'énergie (thermique et électrique) représente environ 30% à 40% du coût total de production du ciment [32]. C'est pourquoi l'utilisation efficace de l'énergie a toujours été une priorité dans l'industrie du ciment.
Des efforts pour réduire la demande en utilisant des équipements plus efficaces et en remplaçant les carburants et les matières premières pour réduire les coûts de production ont été entrepris ces dernières années. Les Figures I.10 et I.11 montrent comment le remplacement du ciment par du laitier de haut-fourneau influence l'énergie totale, ainsi que le rapport de la demande d'énergie électrique/thermique nécessaire à la production de ciment. D'une part, la consommation totale d'énergie diminue avec l'augmentation du contenu des laitiers, mais d'autre part, la proportion d'énergie électrique augmente. Cela est
Thèse de Doctorat - C. ZEMRI 21 dû à la diminution de la quantité de clinker brûlé, à la plus grande finesse du ciment de laitier et à la moindre broyabilité du laitier de haut-fourneau.
Figure I.10 : Influence de la proportion des laitiers dans le ciment sur la demande totale d'énergie
dans le processus de fabrication du ciment [30]
Figure I.11 : Influence de la proportion des laitiers dans le ciment sur la proportion de la demande
d'énergie électrique/thermique dans le processus de fabrication du ciment [30]
Calculées avec les données de la consommation d'énergie typique pour la production de liant données dans le Tableau I.3, les économies de la demande totale d'énergie réalisées en remplaçant le ciment Portland par du laitier de haut- fourneau seraient encore plus élevées.
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Tableau I.3 : Consommation d'énergie typique pour la production de liant [33]
Type de liant Consommation d’énergie (MJ / t) (kWh / t)
Ciment Portland 5000 1389
Gypse 5000 1389
Cendre volante 25 7
Laitier de haut-fourneau 40 11
Cependant, la technologie qui prépare les laitiers d'acier pour une application dans l'industrie du ciment peut contribuer à la pollution de l'air. Par conséquent, il convient de faire preuve de prudence lors de la production de ciment à partir de laitier de sidérurgie. Pour être plus précis, une étude menée aux États-Unis a montré qu'environ 2% à 13% de la masse totale de particules déposées provenait des technologies de préparation lors de la production de laitiers en matière première pour l'industrie du ciment [34].