Métakaolin flash, un atout pour les bétons durables #2

Article paru dans Béton[s] le Magazine n° 74

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. Ce qui peut induire des pathologies (réaction alcali-granulat, réaction sulfatique interne, carbonatation, pénétration de chlorures, attaques acides…). Et 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.

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).

La consommation de portlandite

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).

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).

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.

Mars 2018

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

Article paru dans Béton[s] le Magazine n° 74

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