Métakaolin flash, un atout pour les bétons durables – #2

Rédaction
21/03/2019

Faisant suite à la première partie “Métakaolin flash, une addition à la hauteur de nombreux défis”, ce deuxième volet donne un aperçu des autres propriétés du métakaolin flash, notamment dans le cadre des bétons durables.

Front de pénétration des chlorures après un test accéléré de diffusion des chlorures (Dapp). La pulvérisation d’une solution de nitrate d’argent permet de distinguer plus facilement ce front. [©Argeco Développement]
Front de pénétration des chlorures après un test accéléré de diffusion des chlorures (Dapp). La pulvérisation d’une solution de nitrate d’argent permet de distinguer plus facilement ce front. [©Argeco Développement]

Ce deuxième volet d’une série de quatre présente un aperçu des autres propriétés du métakaolin flash. En effet, ce dernier, lorsqu’il est utilisé dans les bétons en remplacement d’une part de ciment Portland, améliore leur durabilité, comme le fait la fumée de silice…

I – Qu’est-ce que le métakaolin ?

Pour rappel, le métakaolin est une addition minérale pouzzolanique pour béton, qui provient de la calcination d’une argile kaolinique (voir le descriptif complet dans Béton[s] le Magazine n° 73). Parmi les métakaolins, il en existe un tout à fait adapté à l’utilisation dans des bétons : le métakaolin flash. La matière première utilisée, ainsi que son procédé de fabrication, en font un matériau très réactif et dont la demande en eau se situe entre celle du ciment et celle des fumées de silice.

II – Qu’est-ce que la durabilité des bétons ?

Dans le cadre du développement durable appliqué au domaine de la construction, l’une des voies envisageable pour réduire la consommation des matières premières est d’augmenter la durabilité des ouvrages, afin de limiter les besoins de réparation. Cette durabilité correspond à l’aptitude à durer dans le temps (temps défini à la mise en place de l’ouvrage), avec un minimum d’entretien et sans dégradations des fonctions d’usage. Cependant, au cours de la vie d’un ouvrage en béton, celui-ci peut être exposé à une multitude de conditions ou d’agents agressifs, induisant des pathologies (réaction alcali-granulat, réaction sulfatique interne, carbonatation, pénétration de chlorures, attaques acides…), pouvant réduire, de façon drastique, la durabilité de la construction. Un béton durable sera donc un matériau qui, de par ses caractéristiques, pourra mieux résister aux attaques externes et aux dégradations internes, pour durer dans le temps sans dégradations. De nos jours, des moyens existent pour maîtriser cette durabilité. Le métakaolin flash est l’un d’eux.

Béton fissuré suite à une pathologie de réaction alcali-granulat (RAG). [©Argeco Développement]
Béton fissuré suite à une pathologie de réaction alcali-granulat (RAG). [©Argeco Développement]

III – Comment le métakaolin flash améliore-t-il la durabilité des bétons ?

Le métakaolin flash est un matériau pouzzolanique, qui réagit avec la portlandite (Ca(OH)2) produite lors de l’hydratation du ciment. Lors de cette réaction, des hydrates secondaires (silicates de calcium hydratés dits C-S-H ou alumino-silicates de calcium hydratés dits C-A-S-H) sont produits. En règle générale, les C-S-H primaires représentent environ 70 % des hydrates du ciment. Les C-S-H et les C-A-S-H secondaires viennent s’ajouter aux C-S-H primaires, entraînant une densification de la matrice cimentaire et une plus grande tortuosité du réseau poreux du béton, ce qui le rend plus imperméable. Dans le cas de la diffusion des chlorures, ces deux phénomènes combinés provoquent une réduction de la progression ionique des agents agressifs. De plus, la présence d’aluminium dans le métakaolin favorise la fixation des chlorures venant de l’extérieur (formation de sels de Friedel). L’utilisation de métakaolin dans les bétons occasionne donc une amélioration de ses performances vis-à-vis des agressions marines et/ou liées à l’usage de sels de déverglaçage (Figure 1).

Figure 1- Coefficient de diffusion des ions chlorures, en fonction de la proportion massique de métakaolin utilisée en remplacement du ciment. Dans les deux cas (CEM I et CEM II/A), l’emploi de métakaolin permet de diminuer la cinétique de pénétration des ions chlorures. Ces essais accélérés ont été réalisés suivant la norme NT Build 492, après une cure humide de 28 j. [©Argeco Développement]
Figure 1- Coefficient de diffusion des ions chlorures, en fonction de la proportion massique de métakaolin utilisée en remplacement du ciment. Dans les deux cas (CEM I et CEM II/A), l’emploi de métakaolin permet de diminuer la cinétique de pénétration des ions chlorures. Ces essais accélérés ont été réalisés suivant la norme NT Build 492, après une cure humide de 28 j. [©Argeco Développement]

La consommation de portlandite lors de la réaction pouzzolanique améliore le comportement des bétons vis-à-vis des attaques acides. En effet, lors de ce type d’agressions chimiques, la portlandite est la première phase attaquée, sa dissolution entraînant alors l’apparition d’une porosité néfaste à la durabilité. La réduction de la quantité de portlandite dans les bétons avec métakaolin limite la dissolution des hydrates et protège ainsi le béton contre ce type d’agressions. La consommation de la portlandite permet aussi d’améliorer les propriétés du béton face aux pathologies expansives dues aux sulfates (RSI ou RSE).

Ouvrage soumis à une pathologie de RAG. Le béton est fissuré, permettant l’accès aux agents agressifs extérieurs, et un gel de RAG ressort de ces fissures. [©Argeco Développement]
Ouvrage soumis à une pathologie de RAG. Le béton est fissuré, permettant l’accès aux agents agressifs extérieurs, et un gel de RAG ressort de ces fissures. [©Argeco Développement]

Enfin, dans le cas de la carbonatation, la portlandite générée par le ciment crée une barrière chimique protectrice, qui ralentit la propagation du CO2. Mais les additions minérales pouzzolaniques (cendres volantes, fumées de silice…) consomment pour partie cette barrière protectrice. Le métakaolin flash, comme toutes les autres additions pouzzolaniques, n’échappe pas à cette règle. Les profondeurs de carbonatation des bétons avec additions pouzzolaniques sont, en général, supérieures à celles des bétons de ciment Portland sans addition (CEM I). Cependant, comme le démontre la figure 2, la carbonatation des bétons contenant jusqu’à 25 % de métakaolin flash reste à l’intérieur d’un fuseau délimité par des ciments Portland, conformes à la norme européenne et qualifiés pour des classes d’expositions en carbonatation (XC).

Figure 2 - Profondeur de pénétration du CO2 selon le type de liants employé dans les bétons. Les deux lignes noires horizontales représentent les valeurs hautes et basses des profondeurs de carbonatation, mesurées sur des bétons à base de ciments normalisés commerciaux. Les barres rouges correspondent aux bétons contenant du métakaolin. Ces essais accélérés ont été réalisés après 28 j. de cure humide et après 70 j. dans les conditions suivantes : 4 % CO2, 20 °C, 55 % d’humidité relative HR. [©Argeco Développement]
Figure 2 – Profondeur de pénétration du CO2 selon le type de liants employé dans les bétons. Les deux lignes noires horizontales représentent les valeurs hautes et basses des profondeurs de carbonatation, mesurées sur des bétons à base de ciments normalisés commerciaux. Les barres rouges correspondent aux bétons contenant du métakaolin. Ces essais accélérés ont été réalisés après 28 j. de cure humide et après 70 j. dans les conditions suivantes : 4 % CO2, 20 °C, 55 % d’humidité relative HR. [©Argeco Développement]

IV- Comment le métakaolin flash permet-il de répondre à des problématiques de bétons durables ?

De façon régulière, la fumée de silice (FS) est utilisée pour atteindre des spécifications sévères inhérentes aux bétons très durables. Argeco Développement a donc étudié plusieurs projets de chantiers, validés en formule de base avec FS, afin de comparer les apports du métakaolin flash. Pour prendre en compte les différences de réactivité et de comportement entre les deux additions minérales, la formulation au métakaolin a dû être légèrement adaptée. Le tableau A résume les éléments principaux des formulations, ainsi que les résultats de durabilité.

Tableau A - Ces études montrent que le métakaolin flash permet d’obtenir des formulations tout aussi performantes et/ou très proches de celles à base de fumée de silice. [©Argeco Développement]
Tableau A – Ces études montrent que le métakaolin flash permet d’obtenir des formulations tout aussi performantes et/ou très proches de celles à base de fumée de silice. [©Argeco Développement]

Point sur les pathologies

• La carbonatation consiste en la réaction entre la portlandite issue de l’hydratation du ciment et le CO2 ambiant, qui pénètre l’intérieur du béton. La baisse du pH, qui en résulte, provoque une dépassivation des aciers et peut conduire à une corrosion prématurée des armatures.

• La RAG (réaction alcali-granulat) est une réaction entre la silice réactive des granulats (dissoute par les ions OH- issus de l’hydratation du ciment) et les alcalins du ciment. Cette réaction provoque l’apparition de gels gonflants, qui peuvent provoquer l’apparition de fissures dans le béton.

• La RSI et la RSE (réactions sulfatiques interne et externe) proviennent de la réaction entre le C3A du ciment et les sulfates présents dans le ciment (RSI), ou provenant de l’environnement extérieur (RSE). Elles provoquent des gonflements, qui peuvent entraîner par la suite la fissuration des bétons.

• A travers le béton et jusqu’aux armatures, la diffusion des ions chlorures provoque leur corrosion prématurée. Ces chlorures proviennent soit de sels de déverglaçage, soit de zones en ambiance maritime.

• Les attaques acides interviennent dans les environnements comme les exploitations agricoles ou les réseaux d’assainissement. Le faible pH de la solution a pour conséquence une détérioration rapide du béton.

L’activité scientifique du LMDC

Le Laboratoire matériaux et durabilité des constructions (LMDC) est un laboratoire de recherche universitaire toulousain [Université Paul Sabatier (UPS)/Institut national des sciences appliquées (Insa)] reconnu et spécialiste, entre autres, des problématiques de durabilité des bétons. Argeco Développement collabore depuis plus de dix ans avec le LMDC dans le cadre de ses projets de recherche, notamment avec les équipes des professeurs Martin Cyr et Gilles Escadeillas.

Raphaël Bucher
Docteur en génie civil et ingénieur R&D chez Argeco Développement
Martin Cyr
Professeur des Universités, université Toulouse III Paul Sabatier
Gilles Escadeillas
Professeur des Universités, IUT “Génie civil et Construction durable” de Toulouse