Addition minérale pouzzolanique provenant de la calcination d’une argile kaolinique1, le métakaolin, dans sa variante flash, est tout à fait adapté à l’utilisation dans les bétons. Y compris pour la formulation de BHP/BHTP, comme le montre cette quatrième et dernière partie consacrée à ce matériau.

Les BHP permettent la réalisation d’ouvrages, nécessitant une durabilité importante ou dont les éléments peuvent être précontraints.  [©ACPresse]
Les BHP permettent la réalisation d’ouvrages, nécessitant une durabilité importante ou dont les éléments peuvent être précontraints. [©ACPresse]

I – Qu’est-ce qu’un béton à haute ou à très haute performance ?

Permettant d’obtenir des résistances en compression supérieures à celles des bétons courants, les bétons à hautes performances (BHP) s’inscrivent dans des classes de résistance comprises entre 50 et 100 MPa. Entre 100 et 150 MPa, on évoque les bétons à très hautes performances (BTHP). De par leurs paramètres de formulation (faible E/C, optimisation de l’empilement granulaire…), ces bétons augmentent la durée de vie des ouvrages, tout en réduisant les opérations de réhabilitation à effectuer.
Au-delà de 130 MPa et jusqu’à 250 MPa environ, s’ouvre le domaine des Bfup (Bétons fibrés à ultra hautes performances), avec des produits, dont le comportement mécanique diffère par la prise en compte de nouveaux paramètres, tels que la ductilité, la ténacité ou la résilience.
Pour formuler des BHP/BTHP, il est nécessaire d’augmenter la compacité du mélange, ce qui s’obtient par l’usage d’additions minérales très réactives et de faible granulométrie. Celles-ci viennent s’insérer entre les grains de ciment et diminuer, par effet physique, la porosité du mélange. D’un point de vue historique, pour obtenir des BHP/BTHP, ce sont plutôt les fumées de silice, qui ont été utilisées comme addition minérale principale. 

Constitué de particules fines et très réactives, le métakaolin flash est aussi une addition minérale tout à fait adaptée à ce besoin. La matière première utilisée, ainsi que son procédé de fabrication, en font un matériau, dont la demande en eau se situe entre celle du ciment et celle des fumées de silice, comme l’atteste le tableau 1 ci-dessous.

Tableau 1 - Comparatif en demande en eau entre ciment, métakaolin flash et fumée de silice densifiée.
Tableau 1 – Comparatif en demande en eau entre ciment, métakaolin flash et fumée de silice densifiée.
Tableau 2 - Comparaison de formulation de BHP, contenant du métakaolin ou de la fumée de silice.
Tableau 2 – Comparaison de formulation de BHP, contenant du métakaolin ou de la fumée de silice.

Quant au tableau 2, il montre un exemple comparatif de formulation de BHP contenant, soit du métakaolin flash, soit de la fumée de silice. Les résistances mécaniques, mesurées à 28 j et à 90 j, sont très semblables pour les deux formulations, ce qui prouve la possibilité d’obtenir de hautes à très hautes performances avec le métakaolin flash.

Grâce à une demande en eau plus réduite, le métakaolin flash compense, pour partie, une réactivité moindre comparée à celle de la fumée de silice, par un possible abaissement additionnel du rapport E/Léqdu béton.
Si besoin, une autre façon d’amoindrir cet écart de réactivité consiste, comme présenté dans le tableau 2, à travailler à un dosage en métakaolin flash plus élevé. En dépit de cet écart de dosage, la formule en métakaolin flash demeure tout à fait compétitive.
Enfin, si l’écart est significatif (presque le double), la multiplication d’études de ce type montre que le même bénéfice est atteint avec un surplus en métakaolin flash compris entre 0 et 30 %.

Un béton additionné de métakaolin flash nécessite une demande en eau plus réduite, comparé à une addition de fumée de silice.   [©ACPresse]
Un béton additionné de métakaolin flash nécessite une demande en eau plus réduite, comparé à une addition de fumée de silice. [©ACPresse]

II – Les BHP dans le cadre des immeubles de grandes hauteurs et des ouvrages précontraints…

Les BHP/BTHP sont prescrits dans le cadre d’ouvrages non courants dans lesquels le béton est soumis à des contraintes exceptionnelles : immeubles de grandes hauteurs ou éléments précontraints. Dans ce dernier cas, le béton est soumis à une déformation différée sous chargement, qui peut être assez importante. Cette déformation du béton, dans le temps et sous chargement, est appelée fluage.
Le coefficient de fluage de BHP/BTHP doit être vérifié (calcul selon hypothèses Eurocode 2 ou essai de fluage en laboratoire) pour éviter les pertes de précontrainte de câble ou encore les déplacements différentiels entre plusieurs éléments d’un même bâtiment.  

Les BHP/BHTP sont prescrits pour la réalisation d’immeubles de grande hauteur.  [©ACPresse]
Les BHP/BHTP sont prescrits pour la réalisation d’immeubles de grande hauteur. [©ACPresse]

III – Quel est le comportement des bétons à base de métakaolin flash vis-à-vis du fluage ?

Tableau 3 - Formulation du béton contenant du métakaolin, qui a été testé vis-à-vis du fluage.
Tableau 3 – Formulation du béton contenant du métakaolin, qui a été testé vis-à-vis du fluage.

Pour positionner le métakaolin flash dans les formulations de bétons soumises à des déformations de fluage, l’équipe d’Argeco Développement a procédé à l’exécution d’essais de fluage en laboratoire sur des BTHP, contenant du métakaolin flash. 
Le métakaolin flash ayant été très peu étudié dans ce contexte, il paraissait important d’en vérifier le comportement : ce dernier est-il à rapprocher d’un béton formulé avec du ciment seul ? Au contraire, est-il plus proche d’un code de calcul et de comportement, intégrant de la fumée de silice ? Ou en est-il intermédiaire ?
Ces questionnements ne trouvant pas de réponses dans la bibliographie, il est apparu fondamental d’y apporter des éléments factuels. Pour ce faire, un BTHP, dont la formule est rappelée en tableau 3, a été confectionné en centrale à béton de manière à se positionner au plus près de conditions industrielles réelles. Toutes les éprouvettes ont été moulées in situ,après un délai de maintien de consistance compris entre 60 et 90 mn. Afin de se placer en configuration la plus pénalisante, ce BTHP au métakaolin flash a été calé en consistance S5, avec un maintien d’ouvrabilité vérifié pendant plus de 1 h.

Tableau 4 - Résistance mécanique et coût relatif d’un exemple de formulation de BTHP.
Tableau 4 – Résistance mécanique et coût relatif d’un exemple de formulation de BTHP.

Ainsi, les résistances en compression du béton répondent au cahier des charges d’un BTHP, atteignant des valeurs supérieures à 100 MPa dès 28 j (tableau 4). Quant aux résultats issus des essais de fluage, ils sont représentés sur la figure A. Cette dernière intègre aussi les résultats issus des calculs Eurocode 2 (avec fumée de silice). Sur ces courbes, les valeurs expérimentales des bétons contenant du métakaolin flash se trouvent en dessous de la courbe enveloppe de l’Eurocode 2, tout en intégrant l’erreur admise lorsque sont employés les codes de calcul (+/-30%). 

Par ailleurs, les paramètres principaux, qui peuvent jouer sur les phénomènes de fluage sont :
• les glissements des feuillets de C-S-H les uns par rapport aux autres ;
• les phénomènes de diffusion au sein du réseau poreux.
D’après les premiers résultats, il semblerait qu’un glissement plus faible des feuillets de C-S-H combiné à un réseau poreux plus resserré (diminuant les phénomènes de diffusion) soient à l’origine des résultats encourageant des bétons contenant du métakaolin vis-à-vis du fluage. 
Ce résultat montre qu’utilisé dans les BHP (ou BTHP), le métakaolin flash entraîne, au même titre que la fumée de silice, des déformations de fluage abaissées, correspondant aux ordres de grandeurs attendus lorsque l’on recourt à la fumée de silice.

Figure A - Courbe de fluage mesurée sur un BTHP, contenant du métakaolin flash. Comparaison de ce résultat avec la courbe enveloppe calculée via l’Eurocode 2 - Ponts (mélange contenant de la fumée de silice).
Figure A – Courbe de fluage mesurée sur un BTHP, contenant du métakaolin flash. Comparaison de ce résultat avec la courbe enveloppe calculée via l’Eurocode 2 – Ponts (mélange contenant de la fumée de silice).

Après multiplication des vérifications expérimentales du fluage de BTHP formulés avec métakaolin flash, il deviendra possible d’imaginer utiliser les mêmes règles de calcul que celles applicables à la fumée de silice dans l’Eurocode 2. Et pourquoi pas, au stade ultérieur, faire évoluer ce texte en intégrant, de manière explicite, le métakaolin flash dans les équations de calcul. Et ce, au même niveau ou à un niveau proche de celui des fumées de silice ?

Le coefficient de fluage de BHP doit être vérifié pour éviter les pertes de précontrainte ou les déplacements différentiels entre plusieurs éléments.  [©ACPresse]
Le coefficient de fluage de BHP doit être vérifié pour éviter les pertes de précontrainte ou les déplacements différentiels entre plusieurs éléments. [©ACPresse]

IV – Quelles nouvelles approches pour le métakaolin flash ?

Introduit en France depuis 2006 sur le site de Fumel (47) par Argeco Développement, le métakaolin flash a tout d’abord été employé dans les terrassements et la route (formules de liants hydrauliques routiers) et en qualité de substitut au ciment, après que cette substitution ait été autorisée, en 2014, à traves la norme NF EN 206-1/CN.
Depuis quelques années, l’industriel poursuit la valorisation technique de cette addition, qui, outre les fonctions précitées, répond à des problématiques bien plus pointues. En effet, le métakaolin flash permet aux bétons, qui en contiennent de viser et d’obtenir des classes de résistances mécaniques, couvrant les BHP, les BTHP et même les Bfup. Ceci, de façon plus économique qu’en employant d’autres ultrafines. C’est aussi l’une des additions de la durabilité : le métakaolin flash diminue la pénétration des ions chlorures et la perméabilité au gaz.
Enfin, de façon plus prospective, mais avérée, le métakaolin flash constitue un précurseur silico-alumineux apprécié et étudié dans la formulation de produits alcali-activés et de géopolymères.

Raphaël Bucher
Docteur en génie civil et ingénieur R&D chez Argeco Développement

1Voir le descriptif complet dans Béton[s] le Magazine n° 73.