Des scientifiques mettent au point un ciment entièrement à partir de déchets
Créer un biociment renouvelable entièrement à partir de déchets
Le ciment est un liant, une substance utilisée dans la construction qui durcit, prend et adhère à d’autres matériaux pour les lier ensemble. Lorsque du sable et du gravier sont mélangés à du ciment, on obtient du béton. Le ciment est classé comme non-hydraulique ou hydraulique. Le ciment hydraulique nécessite une réaction chimique entre l’eau et les matériaux secs, tandis que le ciment non hydraulique ne prend pas en présence d’eau.
Le ciment est l’un des matériaux les plus utilisés dans le monde. L’utilisation de ciment aux États-Unis était estimée à 109 millions de tonnes métriques en 2021.
La production de ciment a un effet sur l’environnement à tous les niveaux du processus. Parmi les exemples, on peut citer les polluants atmosphériques sous forme de poussière, de fumées, de bruit et de vibrations lors du fonctionnement des équipements, les explosions dans les carrières et les dommages causés au paysage par l’exploitation des carrières.
À l’université technologique de Nanyang, à Singapour (NTU Singapore), des scientifiques ont découvert une méthode permettant de générer du biociment à partir de déchets, en remplacement du ciment traditionnel, qui est plus durable et plus écologique.
Une alternative durable au ciment
Le biociment est une sorte de ciment renouvelable utilisant des bactéries pour créer une réaction de durcissement liant le sol en un bloc solide.
Les scientifiques de l’université technologique de Nanyang ont maintenant créé du biociment à partir de deux déchets habituels : des boues de carbure industriel et de l’urée (provenant de l’urine de mammifères).
Ils ont conçu une technique pour former un solide rigide, ou précipité, à partir de la réaction de l’urée avec les ions calcium (Ca2+) dans les boues de carbure industriel. Lorsque cette réaction a lieu dans le sol, le précipité lie les particules de sol entre elles et remplit les espaces entre elles, ce qui donne une masse de sol compacte. Cela crée un bloc de biociment qui est solide, durable et moins perméable.
L’équipe de l’étude, dirigée par le professeur Chu Jian, président de l’école d’ingénierie environnementale et civile, a montré dans un article de recherche sur la preuve de concept publié le 22 février 2022 dans le Journal of Environmental Chemical Engineering que leur biociment peut potentiellement devenir une approche durable et abordable pour l’amélioration des sols, comme le renforcement du sol pour une utilisation dans la construction ou l’excavation, le contrôle de l’érosion des plages, la construction de réservoirs d’eau douce dans le désert ou sur les plages, ou la réduction de l’érosion par le vent ou la poussière dans le désert.
Différents types de biociment
Le biociment de l’équipe de la NTU est créé à partir de deux types de déchets : les boues de carbure industriel, déchets issus de la production de gaz acétylène provenant d’usines de Singapour, et l’urée découverte dans l’urine.
Tout d’abord, l’équipe traite les boues de carbure avec un acide pour créer du calcium soluble. L’urée est ensuite apportée au calcium soluble pour former une solution de cimentation. À cette solution de cimentation, l’équipe ajoute ensuite une culture bactérienne. Pour développer des ions carbonate, les bactéries de la culture décomposent ensuite l’urée dans la solution.
Dans un processus connu sous le nom de précipitation de calcite induite par voie microbienne (MICP), ces ions réagissent avec les ions calcium solubles. Cette réaction crée le carbonate de calcium, un matériau dur et solide que l’on trouve naturellement dans la craie, le calcaire et le marbre.
Lorsque cette réaction se produit dans le sable ou le sol, le carbonate de calcium qui en résulte crée des liens entre les particules de sable ou de sol pour augmenter leur résistance et remplit les pores entre elles pour diminuer l’infiltration d’eau à travers le matériau. Le même processus peut également être utilisé sur les joints de roches, ce qui permet la réalisation de statues et la réparation de sculptures rupestres.
Le sol renforcé avec du biociment a une résistance à la compression non confinée allant jusqu’à 1,7 mégapascal, ce qui est supérieur à celle du même sol traité avec une quantité égale de ciment.
Le biociment de l’équipe peut donc être utilisé dans des projets d’amélioration du sol, tels que la réduction des infiltrations d’eau ou le renforcement du sol pour la construction ou l’excavation, ou le contrôle de l’érosion des plages le long des côtes.
Traitement des déchets
Un ancien étudiant en doctorat de NTU et associé d’étude au Centre for Urban Solutions (premier auteur de l’article, Dr. Yang Yang), qui est actuellement un autre postdoctorant à l’Université de Chongqing, en Chine, a déclaré : “La précipitation du carbonate de calcium à de nombreux niveaux de cimentation renforce le sol ou le sable en remplissant progressivement les pores entre les particules. Le biociment pourrait également être utilisé pour colmater les fissures du sol ou de la roche afin de réduire les infiltrations d’eau.”
En tant que biogrout, il peut également être utilisé pour colmater les fractures de la roche afin de contrôler l’infiltration et pour retoucher et fixer des monuments tels que des gravures rupestres et des statues.
“Le biociment est une option durable et renouvelable au ciment traditionnel et a un grand potentiel d’utilisation pour les projets de construction qui nécessitent un traitement du sol”, a déclaré le professeur Chu, directeur du Centre pour les solutions urbaines de NTU. “Notre étude rend le biociment beaucoup plus durable en utilisant deux types de déchets comme matières premières. “Fabriquer du biociment mais aussi diminuer le coût de l’élimination des déchets, à long terme, cela ne fera pas que le rendre moins cher.”
L’étude des scientifiques de la NTU s’inscrit dans le cadre du plan stratégique NTU 2025, qui entend relever certains des grands défis de l’humanité, notamment l’atténuation des effets de l’homme sur l’environnement en faisant progresser la recherche et le développement durable.
De l’urine, des bactéries et du calcium : Une recette simple pour le biociment
Le processus de fabrication du biociment nécessite moins d’énergie et produit moins d’émissions de carbone que les méthodes traditionnelles de fabrication du ciment.
La production de biociment est plus durable et plus écologique que les méthodes utilisées pour fabriquer le ciment traditionnel.
“Une partie du processus de fabrication du ciment consiste à brûler des matières premières à des températures très élevées, supérieures à 1 000 degrés Celsius, pour former des clinkers – le liant du ciment. Ce processus génère beaucoup de dioxyde de carbone (CO2)”, a déclaré le professeur Chu. “Cependant, notre biociment est produit à température ambiante sans brûler quoi que ce soit ; il s’agit donc d’un processus plus écologique, moins gourmand en énergie et neutre en carbone.”
Le Dr Yang a déclaré : “À Singapour, les boues de carbure sont considérées comme des déchets. Cependant, pour la fabrication du biociment, c’est une bonne matière première. En extrayant le calcium des boues de carbure, nous rendons la fabrication plus durable car il n’est pas nécessaire d’utiliser des matériaux comme le calcaire, qui doit être extrait d’une montagne.”
Le professeur Chu a ajouté : “Le calcaire est une ressource finie : une fois qu’il est parti, il est parti. L’extraction du calcaire influence également notre environnement naturel et notre écosystème.”
L’équipe de recherche affirme que si la production de biociment pouvait être mise à l’échelle de la fabrication traditionnelle de ciment, le coût global de sa fabrication par rapport au ciment conventionnel serait réduit, ce qui ferait du biociment une option à la fois moins chère et plus écologique pour le ciment.
Restaurer les monuments et renforcer les rivages
Un autre avantage de l’approche de l’équipe NTU pour développer le biociment est que la culture bactérienne et la solution de cimentation sont toutes deux incolores. Lorsqu’ils sont appliqués au sol, à la roche ou au sable, leur couleur d’origine est préservée.
Il est donc utile pour la restauration de monuments et d’artefacts rocheux anciens. Par exemple, le Dr Yang a utilisé le biociment pour réparer d’anciens monuments de Bouddha en Chine. Le biociment peut être utilisé pour sceller les espaces dans les monuments fracturés et a été utilisé pour ramener des morceaux cassés, comme les doigts des mains d’un Bouddha. Comme la solution est incolore, les monuments conservent leur couleur d’origine et les travaux de restauration restent fidèles à l’arrière-plan.
En collaboration avec les agences nationales compétentes de Singapour, le nouveau biociment est actuellement testé au parc de la côte est, où il est utilisé sur la plage pour renforcer le sable. Une croûte dure se forme en pulvérisant les solutions de ciment biologique sur le sable, ce qui empêche le sable d’être emporté par la mer.
À Singapour, l’équipe explore également d’autres applications à grande échelle de leur biociment, comme la réparation des routes en colmatant les fissures, le colmatage des brèches dans les tunnels souterrains pour éviter les infiltrations d’eau, ou même comme terrain de culture pour les récifs coralliens, les larves de carolos aimant se développer sur le carbonate de calcium.
Lisez l’article original sur Tech Xplore.
Référence : “Utilisation de boues de carbure et d’urine pour la fabrication durable de biociment” par Yang Yang, Jian Chu, Liang Cheng, Hanlong Liu, 22 février 2022, Journal of Environmental Chemical Engineering.
DOI : 10.1016/ j.jece.2022.107443.
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