Using porous carbon to improve CO2 capture and storage in cement-based construction materials
Utilisation du carbone poreux pour améliorer la capture et le stockage du CO2 dans les matériaux de construction à base de ciment
Résumé
In this thesis, the use of porous carbon was studied to enhance the kinetics of carbonation of cementitious materials and to increase their CO2 uptake. The studied porous carbons were incorporated in concrete and mortar formulations using Portland or slag cement, and recycled concrete aggregates (RCA). With these formulations, the effects on the development of the cement matrix porosity and on the carbonation were studied and compared to the results obtained on formulations without porous carbon. The textural properties of the carbons with high pore volumes of different size allowed the adsorption of important volumes of CO2 alongside the absorption of liquid water. Thanks to this latter property, a pre-soaking of the carbons allowed to increase the water availability in the cement matrix during hydration, enhancing the capillary porosity and permeability compared to the reference materials. The carbonation tests carried out on the materials containing the carbon particles then showed better results in terms of carbonation kinetics and CO2 uptake. They were explained by the higher development of the capillary porosity and through synergistic effects of the carbons enhancing the CO2 diffusion deeper in the material, leading to higher CO2-uptake compared to the reference materials on the same time scale. Through those beneficial effects on the carbonation, life cycle analysis was performed on the developed materials for evaluating their global carbon footprint from their manufacture and use for the construction of a building. The study showed the CO2 emissions for the manufacture with slag cement, RCA, and porous biochar as carbon, were in principle, inferiors to the total CO2 amounts incorporated in the materials at the end of the building service life. In those conditions, the materials incorporating porous carbon behave as carbon sinks on the long term, opening new prospects for the development of more sustainable building materials having depolluting properties.
Dans cette thèse, l'utilisation de carbone poreux a été étudiée pour améliorer la cinétique de carbonatation des matériaux cimentaires et pour accroitre les quantités de CO2 capturées. Les carbones poreux étudiés ont été incorporés dans des formulations de mortier et de béton utilisant du ciment portland ou de laitier, et des granulats de béton recyclés (GBR). Avec ces formulations, l'incidence de l'ajout des carbones poreux sur le développement de la porosité de la matrice cimentaire et sur la carbonatation a été étudiée et comparée aux résultats sur des formulations de référence sans carbone poreux. Les propriétés texturales des carbones avec des grands volumes de pores de différentes tailles ont permis l'adsorption de volumes importants de CO2 ainsi que l'absorption d'eau liquide. Grâce à cette dernière propriété, une imbibition préalable des carbones incorporés a permis d'augmenter la disponibilité en eau dans la matrice cimentaire durant l'hydratation et d'accroitre la porosité capillaire et la perméabilité en comparaison des matériaux de référence. Les essais de carbonatation réalisés ensuite ont alors donné de meilleurs résultats en termes de cinétique de carbonatation et de CO2 capturé sur les matériaux avec les carbones poreux. Ceux-ci se sont expliqués par le développement accru de la porosité capillaire et par un effet synergique des carbones améliorant la diffusion du CO2 plus en profondeur dans le matériau, entraînant des teneurs en CO2 fixé par carbonatation plus élevées que les matériaux de référence sur une même échelle de temps. Suivant ces effets bénéfiques sur la carbonatation, l'analyse de cycle de vie des matériaux développés a été réalisée pour évaluer l'empreinte carbone globale de leur fabrication et de leur utilisation pour la construction d'un bâtiment. L'étude a montré que les émissions en CO2 des matériaux fabriqués avec du ciment au laitier, des GBR et d'un carbone poreux type biochar, sont en principe inférieures aux quantités totales de CO2 incorporées dans les matériaux au bout de la durée de service du bâtiment. Dans ces conditions, les matériaux incorporant du carbone poreux se comportent comme des puits de carbone sur le long terme, ouvrant sur de nouvelles perspectives pour le développement de matériaux de construction aux capacités dépolluantes.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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