Sécurité et Construction durable : Le béton et la construction durable

29 Octobre 2019
 

La définition du développement durable renvoie au rapport Brundtland "Our Common Future" des Nations Unies de 1987 : "Le développement durable est le développement qui répond aux besoins du présent sans compromettre la capacité des générations futures à répondre à leurs propres besoins". 

Construire durablement est l'application de ce principe lors de l’élaboration de projets, de leur construction et de leur utilisation. On peut distinguer dans le développement durable 3 composantes (profit - people - planet) qui doivent pouvoir trouver un équilibre entre elles :

  • Composante économique ("profit") : d'une part l'accent mis sur la durabilité doit être financièrement réalisable ; d’autre part, l'attention portée à la construction durable offre également de nombreuses nouvelles opportunités commerciales. On parle de plus en plus de "prosperity" afin de prendre en considération les gains sociaux, en plus du profit économique.
  • Composante sociale ("people") : l'attention aux personnes se traduit sur les chantiers par des aspects tels que la sécurité, la santé, le bien-être. Mais également sur les possibilités de faire appel à l’emploi local, sur l’interaction avec l’environnement, avec les riverains,...
  • Composante environnementale ("planet") : la limitation de l'impact des activités humaines sur l'environnement et plus spécifiquement l'impact de la construction sur l'environnement. Il devient courant que l’évaluation environnementale soit effectuée sur l'ensemble du cycle de vie d'une structure : les matières premières utilisées et la construction ellemême mais également les consommations d’énergie durant la période d'utilisation, les réparations / rénovations voire la réhabilitation et enfin la démolition ou la réutilisation de certaines parties.


Il est établi que la construction et le logement sont à l’origine de ± 40% de la consommation d’énergie au niveau mondial (dont la majeure partie durant l’occupation) et de ± 50% de la consommation de matières premières d’origines naturelles. 

La composante environnementale est donc bien plus large que le seul impact sur l’environnement des matériaux utilisés pour la construction, bien que son importance augmente à mesure que la performance énergétique des constructions s'améliore. D'autres aspects importants de la construction durable sont :

  • l'emplacement du bâtiment (proximité des installations telles que les égouts, les transports en commun)
  • la conception globale du bâtiment (adaptabilité), orientation (bénéfice des rayons solaires, de la lumière du jour), emprise au sol, conception structurelle efficace, limitation de l’imperméabilisation des sols, ...)
  • l'impact environnemental du chantier (y compris la réduction des déchets)
  • la performance énergétique du bâtiment (isolation thermique, étanchéité à l'air, ventilation avec récupération de chaleur, utilisation de la capacité thermique des matériaux, géothermie, ... et le cas échéant intégration d’équipements de production d’énergie tels que chauffe-eau solaires, panneaux solaires, éoliennes, ...)
  • la possibilité de démonter le bâtiment et de réutiliser ou recycler les matériaux
  • la prise en compte de la santé, du bien-être et du confort des utilisateurs.


Des systèmes d’évaluation de l’impact environnemental tels que BREEAM, LEED, HQE, … tentent de donner des scores (pondérés) à l'ensemble de ces éléments afin d'évaluer l’impact sur l'environnement des bâtiments. Les autorités peuvent utiliser ces systèmes ou des systèmes similaires comme incitations à la construction durable. Les dernières lignes directrices en matière de marchés publics laissent plus de place aux "green procurement" (achats durables).
 

Construire durablement en béton

Le béton est généralement considéré comme un matériau durable. En effet, le béton et les éléments de construction réalisés avec celui-ci présentent de nombreux avantages :

  • énergie "grise" limitée (énergie utilisée pour l’extraction, la production et le transport)
  • production locale avec des distances de transport globalement faibles
  • inertie thermique élevée (intéressante pour les bâtiments à faible consommation d’énergie ou constructions passives)
  • très longue durée de vie, avec peu d'entretien
  • pas de rejet de substances (organiques volatiles) dans l'air intérieur, protection contre le radon naturel dans le sous-sol
  • pas de lixiviation de substances dans les eaux souterraines
  • bonne résistance au feu
  • bonnes propriétés acoustiques
  • très bonne aptitude au recyclage.


Afin d’évaluer l’impact environnemental d’un bâtiment (unité fonctionnelle, par exemple mètre carré (m2 ) de planchers ou de murs), l’utilisation des EPD (Environmental Product Declarations), réalisés selon des règles normées européennes semble être la meilleure méthode actuellement. Cette analyse est réalisée sur l’entièreté du cycle de vie du matériau, sur un ensemble de critères également appelés catégories d’impact tels que réchauffement climatique, épuisement des ressources, …

Bien que la production de ciment (15 à 20% de la masse du béton) émette une quantité importante de CO2 et que le béton nécessite de grandes quantités de granulats - qui proviennent principalement de l'extraction de matières premières naturelles - l’industrie du ciment et du béton a mis en œuvre des moyens permettant de réduire ces impact environnementaux.


Fabrication du ciment

La figure 5.1.1 illustre la répartition de l’origine des principales émissions de CO2 du ciment (CEM I). Il en ressort clairement que d’une part la réduction des combustibles fossiles et d’autre part le remplacement (partiel) du clinker sont les leviers les plus importants de réduction des émission de CO2 pour l'industrie du ciment et du béton.
 

repartition des emissions de co2 durant la production de ciment


Utilisation de combustibles alternatifs pour la production de clinker
Des sous-produits provenant d'autres industries sont prétraités dans des plates-formes industrielles dédiées pour être réutilisés comme combustibles dans les fours de cimenterie. De cette façon, les émissions de CO2 des combustibles fossiles traditionnels sont naturellement diminuées. Ces combustibles alternatifs sont composés d'éléments en fin de vie - ne pouvant plus être recyclés et offrant un pouvoir calorifique important - tels par exemple des solvants mélangés à des sciures de bois, des farines et des graisses animales, de la biomasse, des pneus en caoutchouc finement déchiquetés. Dans ce processus, les substances minérales présentes dans ces produits sont récupérées dans le processus de fabrication du clinker : on parle dès lors de "co-process". La sélection et le dosage exact des combustibles alternatifs nécessitent un suivi qualité intensif. Le processus de production du clinker garantit la destruction complète des éléments contenus dans ces combustibles alternatifs. Le pourcentage de substitution des usines les plus performantes atteignent aujourd’hui un taux de substitution dépassant 90%.


Substitution de clinker par des ajouts minéraux

La norme NBN EN 197-1 permet l’utilisation de plusieurs types de composants minéraux. En pratique, le laitier granulé de haut-fourneau, les cendres volantes et le filler calcaire sont les plus utilisés. En Belgique, le laitier de haut fourneau est utilisé depuis les années 1930. Cependant, outre les limites de la norme ciment, cette possibilité est conditionnée d'une part par la disponibilité limitée de laitier de haut fourneau et de cendres volantes et d'autre part par les propriétés des ciments (moins réactifs à jeune âge).

Le tableau 5.1.1 montre l’efficacité potentielle de la réduction de la teneur en clinker pour la diminution des émissions de CO2 par tonne de ciment. Comme évoqué ci-avant, cela a des impacts sur les caractéristiques des ciments et des bétons produits (principalement la réactivité à jeune âge). Par ailleurs, une partie de clinker reste toujours nécessaire, d'une part pour l'activation du laitier et des cendres volantes, d'autre part pour assurer un pH suffisamment élevé du béton (milieu alcalin pour la protection des armatures contre la corrosion). En Belgique, la teneur moyenne en clinker des ciments (tous fabricants confondus) a diminué de 10% ces 10 dernières années et est actuellement de l'ordre de 62%.
 

emission de co2 par tonne de constituant


Évolutions futures

De nombreuses recherches sont menées par les producteurs de ciment en collaboration avec le monde académique afin de pouvoir faire évoluer le cadre de la norme ciment NBN EN 197-1 :

  • ciments avec des teneurs plus élevées en ajouts minéraux
  • ciments avec de nouvelles combinaisons d'ajouts minéraux
  • utilisation de nouveaux constituants
  • nouveaux types de ciments avec d'autres formes minéralogiques, par exemple ciments sulfo-alumineux, ciments sursulfatés ou liants géopolymères.


Un processus de validation, comprenant entre autres des essais mécaniques et des recherches sur la durabilité, mais également l'influence sur la corrosion des armatures et la compatibilité avec les adjuvants pour le béton, est évidemment nécessaire pour déterminer l'aptitude à l'emploi de ces nouveaux types de ciment.

Des études sont également menées sur la captation et le stockage du CO2 (dans le sol ou à d'autres fins). L'ensemble de ces actions est appelé CCS ou "Carbon Capture & Storage / Sequestration".


Transport des matières premières
Le transport des granulats et du ciment constitue une partie importante de l'impact environnemental du béton. Les mesures qui peuvent être prises sont les suivantes :

  • privilégierles matières premières produites localement 
  • utiliser le transport par voie d’eau. 


Limitation de la consommation de matières premières
La consommation de matières premières pour la production de béton peut être limitée parles mesures suivantes :

  • éviter et/ou réutiliser les retours béton (dans le respect de la norme NBN EN 206)
  • utilisation d’eau naturelle au lieu de l’eau de réseau
  • décantation et réutilisation des eaux de lavage/rinçage.


Une contribution importante à la limitation de l’utilisation des ressources naturelles peut être faite en recyclant le béton à la fin de son cycle de vie. Toutefois, le recyclage doit se faire en respectant un processus qualité clairement établi :

  • démolition sélective
  • cahier des charges d'acceptation et de gestion des flux entrants dans l’installation de recyclage
  • élimination soigneuse de toute pollution avant opération de concassage
  • contrôle qualité du produit selon les exigences des normes granulats (NBN EN 12620).


Il est important que les granulats recyclés soient utilisés de façon appropriée. La norme NBN B15-001 spécifie la quantité maximale admissible de granulats recyclés pouvant être utilisés, en fonction de leur qualité et de la classe d’environnement (Tab 5.1.2). Les matériaux de qualité moindre peuvent être utilisés comme matériau de remplissage ou de sous-couches.


Durabilité du béton

La durée de vie du béton est un aspect parfois oublié, probablement parce que celui-ci est rarement endommagé dans les constructions courantes. Cependant, certaines structures nécessitent beaucoup d'entretien et, dans certains cas, doivent même être démolies parce qu’elles perdent leur fonctionnalité. C'est parfois le cas des constructions en béton le long de la côte et des structures de génie civil (routes et ouvrages d’art, murs de quais, écluses ...). En fin de compte, ces derniers sont souvent utilisés beaucoup plus longtemps que prévu, souvent avec un entretien insuffisant ou inexistant.

Pour de telles constructions, il est important que la durée de vie de l’ouvrage soit bien définie (si elle s'écarte de la norme, soit 50 ans) et que toutes les mesures nécessaires soient prises pour que la structure puisse résister aux différents mécanismes potentiels d'endommagement identifiés (voir chapitre 4).

Enfin, l'utilisation de bétons innovants peut être préconisée de manière à combiner, outre la fonction portante, les fonctions les plus diverses en un seul matériau : béton isolant (béton cellulaire), béton décoratif, béton à (ultra) hautes performances, ... Ces matériaux participent pleinement à une démarche de construction durable.
 

pourcentage maximum de remplacement des gravillons volume en fonction de la classe denvironnement pour du beton arme