Évaluation complète des performances environnementales et de la durabilité du béton incorporant du biochar

Un béton plus vert et plus résistant pour un monde qui se réchauffe

Le béton est omniprésent — des ponts et autoroutes aux immeubles d'habitation — et la production de son ingrédient principal, le ciment, libère d'importantes quantités de dioxyde de carbone. Cette étude explore une idée simple aux implications majeures : que se passerait-il si l'on pouvait enfermer du carbone d'origine végétale dans le béton tout en conservant sa résistance et sa durabilité face à des hivers rigoureux ? En incorporant une petite quantité de « biochar » dérivé du bois dans le béton, les chercheurs ont cherché à déterminer si l'on peut construire des ouvrages à la fois plus résistants aux dommages dus au gel–dégel et manifestement plus favorables au climat.

Transformer les déchets de bois en ingrédient utile

Le biochar est une matière ressemblant à du charbon obtenue en chauffant des déchets de bois en conditions pauvres en oxygène. L'équipe a produit une poudre fine à partir de granulés de bois et l'a examinée en détail avec des microscopes et des instruments mesurant sa surface spécifique, la taille de ses pores et ses liaisons chimiques. Ils ont constaté que les particules de biochar broyées avaient une taille comparable à celle des grains de ciment mais étaient creusées de minuscules pores et canaux. Ces pores confèrent au biochar une grande surface interne et la capacité de retenir l'eau, tandis que sa structure riche en carbone et chimiquement stable signifie que le carbone qu'il contient peut rester séquestré pendant longtemps. Ensemble, ces propriétés font du biochar un candidat prometteur pour remplacer partiellement le ciment dans le béton.

Comment le nouveau béton a été mélangé et testé

Pour aller au-delà des petits lots de laboratoire, les chercheurs ont produit quatre formulations de béton à grande échelle en utilisant une centrale à béton réelle : un mélange témoin standard et trois mélanges dans lesquels le biochar remplaçait 3, 5 ou 7 pour cent du ciment en masse. Tous les mélanges ont été conçus pour atteindre une résistance structurelle modeste de 24 mégapascals, typique de nombreux bâtiments et revêtements. Des cylindres et des poutres ont été moulés, curés dans l'eau pendant jusqu'à un an, puis testés en compression, flexion, rigidité et résistance à 300 cycles rapides de gel–dégel — des conditions similaires aux alternances de gel et dégel hivernales dans les climats froids. L'équipe a également examiné la structure poreuse interne et les microfissures par porosimétrie au mercure et microscopie électronique à balayage.

Résistance, fissuration et durabilité hivernale

Les résultats révèlent un compromis net. Lorsque 3 à 5 pour cent du ciment était remplacé par du biochar, le béton atteignait ou dépassait encore la résistance prévue et gagnait en résistance sur un an, bien que légèrement en dessous du mélange simple. À 7 pour cent de remplacement cependant, la résistance en compression chutait de plus d'un tiers, ce qui suggère qu'on avait retiré trop de ciment. En compression, le béton sans ajout avait tendance à céder brusquement par des fissures en cisaillement diagonales, tandis que les mélanges à 3 et 5 pour cent montraient des fissures plus verticales et distribuées — signes d'une rupture moins fragile. Dans les essais gel–dégel, tous les mélanges se sont bien comportés, conservant plus de 90 % de leur rigidité initiale après 300 cycles. Notamment, le béton avec 5 % de biochar égalait ou dépassait légèrement le mélange simple dans une classification standard de durabilité et présentait une augmentation beaucoup plus faible des dommages de surface visibles au fil du temps, malgré un état de surface initialement plus poreux. Le biochar poreux semble agir comme un réseau de « tampons de pression » miniature, offrant de l'espace à l'eau gelée pour se dilater et réduisant la croissance des fissures nocives.

Empreinte carbone et consommation d'énergie

Étant donné l'intensité carbonique de la production de ciment, chaque kilogramme de ciment remplacé compte. L'équipe a réalisé une analyse de cycle de vie cradle-to-gate, évaluant les émissions et la consommation énergétique depuis l'extraction des matières premières jusqu'à la production du béton. À mesure que la part de biochar augmentait, l'impact sur le réchauffement climatique par mètre cube de béton diminuait régulièrement. Avec 7 % de biochar, l'empreinte carbone calculée était d'environ 28 % inférieure à celle du mélange simple, en partie grâce à la capacité du biochar à stocker le carbone capté par les arbres. La demande énergétique a également diminué avec une plus grande utilisation de biochar, car la production de biochar dans les conditions étudiées nécessitait moins d'énergie non renouvelable que la production de la même masse de ciment. La mise en balance de ces gains environnementaux et de la perte de résistance mesurée conduit à une plage de remplacement optimale d'environ 3 à 5 pour cent.

Ce que cela signifie pour les bâtiments de demain

Pour le grand public, la conclusion est claire : en substituant une petite portion du ciment par du biochar finement broyé d'origine boisée, il est possible d'obtenir un béton suffisamment résistant pour les structures courantes, capable de bien résister aux cycles répétés de gel et dégel, et présentant une empreinte carbone sensiblement réduite. L'étude suggère qu'une dose modérée de biochar — autour de 3 à 5 pour cent du ciment — offre le meilleur compromis, réduisant les émissions de gaz à effet de serre sans sacrifier la durabilité. Si cette approche est largement adoptée et affinée à l'échelle réelle de la construction, elle pourrait contribuer à transformer le béton d'un problème majeur pour le climat en un matériau de construction plus attentif au climat, tout en donnant une nouvelle utilité aux déchets de bois qui seraient autrement brûlés ou jetés.

Citation: Kang, SB., Woo, JS., Pyo, M. et al. Comprehensive evaluation of the environmental performance and durability of biochar-incorporated concrete. Sci Rep 16, 10803 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45887-2

Mots-clés: béton au biochar, matériaux bas carbone, durabilité gel-dégel, séquestration du carbone, construction durable