Un polymère d’aluminate de calcium et de verre d’eau comme substitut au ciment

Construire avec moins de carbone

Le béton est omniprésent : dans nos maisons, sur les ponts et dans les horizons urbains. Mais la fabrication du ciment qui lie le béton libère d’importantes quantités de dioxyde de carbone, contribuant à environ 8 % des émissions mondiales de CO2. Cette étude présente un nouveau type de « colle » minérale pour le béton qui pourrait réduire drastiquement ce coût climatique tout en restant facile à utiliser pour les bâtisseurs.

Un nouveau type de colle pour la pierre

Les auteurs explorent un liant composé de deux ingrédients principaux : le ciment d’aluminate de calcium, un ciment spécialisé riche en aluminium, et le « verre d’eau », une forme liquide de silicate de sodium. Lorsqu’ils sont mélangés en conditions fortement basiques (alcalines), ces deux composants réagissent pour former un polymère sans carbone, de type roche, constitué uniquement de silicium, d’aluminium, d’oxygène et d’ions métalliques tels que le sodium et le calcium. Contrairement au ciment Portland courant, ce nouveau liant n’a pas besoin de calcaire riche en carbone comme principale source de calcium, évitant ainsi une grande partie du CO2 émis lors de la production traditionnelle du ciment. Le mélange est une suspension versable qui peut être manipulée avec les mêmes outils et techniques que le béton ordinaire.

Comment se forme le réseau minéral

Pour comprendre et optimiser cette réaction, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie infrarouge et la résonance magnétique nucléaire (RMN), des méthodes qui suivent la façon dont les atomes sont liés dans les solides. Ils ont montré que seules les atomes d’aluminium occupant une configuration tétraédrique dans les aluminates de calcium participent à la réaction ; l’aluminium en coordination octaédrique, comme dans certains oxydes d’aluminium, reste inerte à température ambiante. Au fur et à mesure de la réaction, les liaisons évoluent des enchaînements silicium–oxygène–silicium vers des liaisons mixtes silicium–oxygène–aluminium, construisant de longues chaînes et réseaux –O–Si–O–Al–O–. Les données indiquent que la structure la plus stable et la plus efficace se forme lorsque le nombre d’unités de silicium réactives et d’unités d’aluminium réactives est à peu près égal — un rapport un‑pour‑un qui concorde avec les prédictions issues de travaux antérieurs sur les minéraux naturels et les liants anciens.

Trouver le bon équilibre pour le mélange

La construction pratique exige un matériau qui durcit suffisamment vite et qui atteigne une bonne résistance. L’équipe a ajusté la quantité et le type de ciment d’aluminate de calcium ainsi que la quantité d’hydroxyde de sodium ajoutée pour « activer » le verre d’eau. En coulant des cubes d’essai et en mesurant la pression qu’ils pouvaient supporter, ils ont trouvé une plage optimale d’ajouts d’aluminate de calcium où la résistance augmente fortement puis se stabilise — au-delà de ce point, un supplément de ciment ajoute du coût sans améliorer les performances. Ils ont également cartographié la dépendance du temps de prise en fonction de la quantité de sodium par rapport au silicium dans le liquide. Aucun durcissement n’a lieu en dessous d’un certain niveau de sodium ; autour d’un rapport sodium‑sur‑silicium d’environ un à un, le matériau prend en quelques heures, une fenêtre pratique pour les travaux de construction.

Du sable du désert aux briques durables

Parce que le mélange frais est fluide et de faible viscosité, il peut lier une grande variété de charges et d’agrégats. Les auteurs démontrent que le sable de dune, le gravier, les pierres, les minéraux expansés comme la perlite et la vermiculite, et même des matériaux organiques tels que les copeaux de bois et le biochar peuvent être enfermés dans des composites solides. Des briques fabriquées à partir de sable de dune non lavé et de gravier ont atteint des résistances en compression supérieures à 40 mégapascals, comparables au béton structurel, sur une large plage de températures entre 4 °C et 65 °C. Fait remarquable, des mélanges stockés congelés à –21 °C sont restés maniables après décongélation puis ont durci correctement, offrant une flexibilité d’utilisation dans les climats froids. Lorsqu’on inclut du biochar, les blocs allégés résultants peuvent même stocker plus de carbone que ce qui est émis lors de leur production.

Réduire l’empreinte carbone du béton

L’étude estime également le bénéfice climatique du passage du ciment Portland ordinaire à ce nouveau liant. Le béton structurel typique libère environ 140 kilogrammes de CO2 par mètre cube à cause de la décarbonatation inévitable du calcaire dans le four, avant même de compter la consommation d’énergie. En revanche, les émissions du nouveau système proviennent principalement du dégagement de CO2 lors de la fabrication des aluminates de calcium et de l’hydroxyde de sodium dérivé du carbonate de sodium. Pour des mélanges optimisés avec des agrégats abondants, les émissions totales peuvent être réduites d’environ deux tiers par rapport au béton au ciment Portland. Conjugué à la possibilité d’alimenter la production des matières premières et le mélange avec de l’électricité solaire, les auteurs soutiennent que les émissions mondiales liées au ciment pourraient passer d’environ 8 % des émissions totales à moins de 2 %.

Un procédé familier avec des résultats plus propres

Pour les artisans, l’une des découvertes les plus importantes est que ce béton à base de polymère se comporte beaucoup comme le béton conventionnel : il est préparé à partir d’un composant liquide et de poudres solides, coulé, puis laissé à durcir tout en restant humide pendant environ dix jours. Les malaxeurs, pompes et moules existants peuvent être réutilisés, et les ouvriers n’ont pas besoin d’une formation spéciale. Au fond, la chimie fait écho aux réseaux minéraux durables observés dans le béton romain ancien, mais avec des matières premières bien définies et largement disponibles. Si ce liant à base d’aluminate de calcium et de verre d’eau est adopté à grande échelle, il pourrait permettre à l’industrie de la construction de maintenir des pratiques modernes tout en réduisant fortement l’impact climatique de l’un des matériaux les plus importants au monde.

Citation: Spangenberg, B., Epping, J.D. A polymer of calcium aluminate and water glass as cement substitute. Sci Rep 16, 14042 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50294-8

Mots-clés: béton faible en carbone, alternatives au ciment, liant géopolymère, ciment d’aluminate de calcium, verre d’eau