Des chercheurs de l’Université technologique de Nanyang, à Singapour, ont trouvé un nouveau moyen de créer du ciment à partir de déchets.
Créer du biociment renouvelable entièrement à partir de déchets
Le ciment est un liant, une substance utilisée dans la construction qui durcit, prend et adhère à d’autres matériaux pour les lier ensemble. Lorsque du sable et du gravier sont combinés avec du ciment, on obtient du béton. Le ciment est classé comme hydraulique ou non hydraulique, le ciment non hydraulique ne prenant pas en présence d’eau, tandis que le ciment hydraulique nécessite une réaction chimique entre les matériaux secs et l’eau.
Le ciment est l’un des matériaux les plus utilisés sur la planète. La consommation de ciment aux États-Unis a été estimée à 109 millions de tonnes métriques en 2021.
La fabrication du ciment a un impact sur l’environnement à tous les niveaux du processus. Parmi les exemples, on peut citer les polluants atmosphériques sous forme de poussière, de fumées, de bruit et de vibrations lors du fonctionnement des équipements et du dynamitage dans les carrières, ainsi que les dommages causés au paysage par l’exploitation des carrières.
Les scientifiques de l’Université technologique de Nanyang à Singapour (NTU Singapore) ont découvert une méthode pour produire du biociment à partir de déchets, ce qui rend l’alternative au ciment traditionnel plus verte et plus durable.
Le biociment est une sorte de ciment renouvelable qui utilise des bactéries pour créer une réaction de durcissement qui lie le sol en un bloc solide.
Les scientifiques de la NTU ont créé du biociment à partir de deux déchets courants : les boues de carbure industriel et l’urée (provenant de l’urine des mammifères).
Ils ont conçu une méthode pour former un solide dur, ou précipité, à partir de l’interaction de l’urée avec les ions calcium dans les boues de carbure industriel. Lorsque cette réaction se produit dans le sol, le précipité lie les particules de sol entre elles et remplit les espaces entre elles, ce qui donne une masse compacte de sol. Cela produit un bloc de biociment qui est solide, durable et moins perméable.
L’équipe de recherche, dirigée par le professeur Chu Jian, président de l’école d’ingénierie civile et environnementale, a montré dans un article de recherche sur la preuve de concept publié le 22 février 2022 dans le journal de l’école de génie civil. Journal of Environmental Chemical Engineering que leur biociment pourrait potentiellement devenir une méthode durable et rentable d’amélioration des sols, comme le renforcement du sol pour une utilisation dans la construction ou l’excavation, le contrôle de l’érosion des plages, la réduction de la poussière ou de l’érosion éolienne dans le désert, ou la construction de réservoirs d’eau douce sur les plages ou dans le désert.
(de gauche à droite) Wu Shifan, chercheur principal au Centre for Urban Solutions, School of Civil and Environmental Engineering, NTU, et le professeur Chu Jian, directeur de la School of Civil and Environmental Engineering, NTU, présentant des blocs de biociment fabriqués à partir d’urée et de boue de carbure. Crédit : Université technologique de Nanyang, Singapour
Il peut également être utilisé comme biogrout pour colmater les fissures dans la roche afin de contrôler les infiltrations et même pour retoucher et réparer les monuments tels que les sculptures rupestres et les statues.
“Le biociment est une alternative durable et renouvelable au ciment traditionnel et présente un grand potentiel d’utilisation pour les projets de construction qui nécessitent le traitement du sol”, a déclaré le professeur Chu, qui est également le directeur du Centre pour les solutions urbaines de NTU. “Notre recherche rend le biociment encore plus durable en utilisant deux types de déchets comme matières premières. À long terme, cela permettra non seulement de rendre la fabrication du biociment moins coûteuse, mais aussi de réduire les coûts liés à l’élimination des déchets.”
Les recherches des scientifiques de NTU soutiennent le plan stratégique NTU 2025 qui vise à relever certains des grands défis de l’humanité, notamment l’atténuation de l’impact de l’homme sur l’environnement en faisant progresser la recherche et le développement dans le domaine de la durabilité.
Urine, bactéries et calcium : Une recette simple pour le biociment
Le processus de fabrication du biociment nécessite moins d’énergie et génère moins d’émissions de carbone par rapport aux méthodes traditionnelles de production du ciment.
Le biociment de l’équipe NTU est créé à partir de deux types de déchets : les boues de carbure industriel – les déchets de la production de gaz acétylène, provenant d’usines de Singapour – et l’urée présente dans l’urine.
Tout d’abord, l’équipe traite les boues de carbure avec un acid to produce soluble calcium. Urea is then added to the soluble calcium to form a cementation solution. The team then adds a bacterial culture to this cementation solution. The bacteria from the culture then break down the urea in the solution to form carbonate ions.
These ions react with the soluble calcium ions in a process called microbially induced calcite precipitation (MICP). This reaction forms calcium carbonate – a hard, solid material that is naturally found in chalk, limestone, and marble.
The test specimen of a Buddha hand was provided by Dazu Rock Carvings, a UNESCO World Heritage Site in China. Repair work using biocement was done at Chongqing University, China, by Dr. Yang Yang. The biocement solution is colorless, allowing restoration works to maintain the carving’s original color. Credit: Nanyang Technological University, Singapore
When this reaction occurs in soil or sand, the resulting calcium carbonate generated bonds soil or sand particles together to increase their strength and fills the pores between them to reduce water seepage through the material. The same process can also be used on rock joints, which allows for the repair of rock carvings and statues.
The soil reinforced with biocement has an unconfined compression strength of up to 1.7 megapascals (MPa), which is higher than that of the same soil treated using an equivalent amount of cement.
This makes the team’s biocement suitable for use in soil improvement projects such as strengthening the ground or reducing water seepage for use in construction or excavation or controlling beach erosion along coastlines.
Paper first author Dr. Yang Yang, a former NTU Ph.D. student and research associate at the Centre for Urban Solutions who is currently a postdoctorate fellow at Chongqing University, China, said: “The calcium carbonate precipitation at various cementation levels strengthens the soil or sand by gradually filling out the pores among the particles. The biocement could also be used to seal cracks in soil or rock to reduce water seepage.”
A sustainable alternative to cement
Biocement production is greener and more sustainable than the methods used to produce traditional cement.
“One part of the cement-making process is the burning of raw materials at very high temperatures over 1,000 degrees Celsius to form clinkers – the binding agent for cement. This process produces a lot of carbon dioxide,” said Prof Chu. “However, our biocement is produced at room temperature without burning anything, and thus it is a greener, less energy demanding, and carbon-neutral process.”
Dr. Yang Yang said: “In Singapore, carbide sludge is seen as waste material. However, it is a good raw material for the production of biocement. By extracting calcium from carbide sludge, we make the production more sustainable as we do not need to use materials like limestone which has to be mined from a mountain.”
Prof Chu added: “Limestone is a finite resource – once it’s gone, it’s gone. The mining of limestone affects our natural environment and ecosystem too.”
The research team says that if biocement production could be scaled to the levels of traditional cement-making, the overall cost of its production compared to that of conventional cement would be lower, which would make biocement both greener and cheaper alternative to cement.
Restoring monuments and strengthening shorelines
Another advantage of the NTU team’s method in formulating biocement is that both the bacterial culture and cementation solution are colorless. When applied to soil, sand, or rock, their original color is preserved.
This makes it useful for restoring old rock monuments and artifacts. For example, Dr. Yang Yang has used the biocement to repair old Buddha monuments in China. The biocement can be used to seal gaps in cracked monuments and has been used to restore broken-off pieces, such as the fingers of a Buddha’s hands. As the solution is colorless, the monuments retain their original color, keeping the restoration work true to history.
In collaboration with relevant national agencies in Singapore, the team is currently trialing their new biocement at East Coast Park, where it is being used to strengthen the sand on the beach. By spraying the biocement solutions on top of the sand, a hard crust is formed, preventing sand from being washed out to sea.
The team is also exploring further large-scale applications of their biocement in Singapore, such as road repair by sealing cracks on roads, sealing gaps in underground tunnels to prevent water seepage, or even as cultivation grounds for coral reefs as carol larvae like to grow on calcium carbonate.
Reference: “Utilization of carbide sludge and urine for sustainable biocement production” by Yang Yang, Jian Chu, Liang Cheng, Hanlong Liu, 22 February 2022, Journal of Environmental Chemical Engineering.
DOI: 10.1016/j.jece.2022.107443
