La production de béton représente à elle-seule 8% des émissions de CO2 dans le monde. Réduire l'empreinte carbone du béton est donc un enjeu majeur de la lutte contre le changement climatique.

Une solution novatrice pour produire un béton bas carbone consiste à piéger du CO2 dans les gravats issus de démolitions et destinés à être recyclés, par une réaction de carbonatation qui a aussi pour avantage d'augmenter la solidité des gravats. Mais jusqu'à présent, le mécanisme de ce procédé restait mal compris. Une étude de chercheurs a permis d'élucider complètement ce mécanisme, qui se révèle bien plus complexe qu'une simple imprégnation du matériau par le gaz. Pour étudier le processus de carbonatation, un dispositif expérimental constitué d'une cellule de test innovante permet de reproduire des conditions industrielles réalistes, qui utiliserait directement les rejets gazeux d'une cimenterie, à une température de 80°C et avec de fortes concentrations de CO2. La cellule a été conçue pour rester transparente aux rayonnements, afin de réaliser en direct l'analyse du mécanisme de captage du CO2 dans le matériau. 

L'originalité de l'étude est de mettre en œuvre simultanément deux techniques d'analyse, la tomographie à neutrons et la tomographie aux rayons X, afin de suivre en temps réel le processus durant plusieurs heures. Une première, réalisée grâce à l'instrument NeXT co-développé par le Laboratoire 3SR à l'Institut Laue-Langevin. Les rayonnements de neutrons permettent de suivre l'évolution de l'eau dans l'échantillon, tandis que les rayonnements X visualisent les modifications de sa structure minérale. Le couplage des deux techniques a mis en évidence l'interaction entre plusieurs phénomènes qui influent les uns sur les autres. Ainsi, lorsque le CO₂ réagit avec le ciment, il libère de l'eau qui était chimiquement liée à l'intérieur du matériau. Les mouvements de cette eau modifient la manière dont le CO₂ peut se déplacer dans l'échantillon. La réaction provoque aussi la formation de microfissures, qui facilitent le passage du gaz, avant de se sceller. La connaissance de ces mécanismes complexes est indispensable si l'on veut prédire correctement l'efficacité réelle de la capture du carbone.

Ces résultats inédits démontrent que les modèles de diffusion classiques sont insuffisants pour capturer la réalité du phénomène. A ce titre, ils constituent une avancée importante pour la conception d'un procédé optimisé de carbonatation, qui pourrait déboucher sur une utilisation industrielle de cette méthode de piégeage du CO₂, et la production à grande échelle de béton bas carbone. L'étude a été réalisée avec le groupe industriel Holcim. Elle se poursuit avec l'élaboration de nouveaux modèles analytiques et numériques qui prennent en compte la complexité du mécanisme de carbonatation, mais aussi en réalisant de nouveaux tests avec différentes formulations de bétons.