Information normative : le point sur les métakaolins

Actualité normative : métakaolins 

La norme « NF P 18-513, Métakaolin, addition pouzzolanique pour bétons. Définitions, spécifications, critères de conformité » est parue en mars 2010.
Cette norme définit les exigences chimiques et physiques, ainsi que les critères de conformité applicables aux métakaolins utilisés comme addition de type II, au sens de la norme NF EN 206-1 pour la production du béton, y compris aux bétons de structures. Profitons de cette actualité normative pour revenir un peu sur ce que sont les métakaolins et sur leur utilité.

Quelques définitions normatives
Métakaolin : poudre de grande surface spécifique obtenue par calcination broyage ou broyage calcination d’une argile composée majoritairement de kaolinite. Le métakaolin est constitué principalement de particules de silicate d’alumine amorphes ayant des propriétés pouzzolaniques ; il est composé essentiellement de SiO2 et de Al2O3 réactifs.
Les températures de calcination sont comprises entre 600 °C et 850 °C suivant le degré d’ordre de la kaolinite. Il se produit une réaction de déshydroxylation du matériau avec une destruction de la structure cristalline initiale conduisant à une amorphisation du matériau. Le métakaolin se présente sous forme pulvérulente ou sous forme de suspension (slurry).
La présente définition du métakaolin ne couvre pas les produits provenant de la calcination d’argiles autres que la kaolinite ou de l’incinération de boues de papèteries et d’autres déchets industriels (NF P 18-51).
Addition de type II au sens de NF EN 206-1 : matériau finement divisé à caractère inorganique, pouzzolanique ou hydraulique latent qui peut être incorporé au béton afin d’en améliorer certaines propriétés ou pour obtenir des propriétés spéciales (NF P 18-513).

metakaolinLes métakaolins
L’utilisation des pouzzolanes dans les bétons
L’utilisation des pouzzolanes artificielles et naturelles, au cours des dernières décennies, a permis d’améliorer les performances mécaniques et la durabilité des bétons. C’est l’usage de ces pouzzolanes qui a notamment permis la mise au point des BHP, de BTHP et des BFUP.
L’usage des métakaolins s’inscrit dans ce contexte d’ajouts de minéraux aux bétons. Les métakaolins sont des produits pouzzolaniques dont les propriétés sont voisines de celles des fumées de silice. Leur utilisation permet de remplacer la fumée de silice ainsi qu’une partie du ciment lui-même.

 

Matériau Réactivité pouzzolanique
(mg de Ca(OH)2 / g de matériau
Bauxite calcinée 534
Fumée de silice 427
Laitiers de hauts fourneaux 300
Cendres volantes 875
Métakaolins 1000
Réactivité des différentes pouzzolanes d’après Andriolo et al (1985)

L’apport des métakaolins aux mélanges est double car ils accélèrent l’hydratation du ciment de par leur « effet filler », et sont eux-mêmes très réactifs.
Ces effets combinés améliorent les propriétés mécaniques des bétons au jeune âge, ainsi que leur durabilité.

Apports des métakaolins
L’importante réactivité des métakaolins au jeune âge est liée aux phases aluminates qui les composent, ainsi qu’ a leur surface spécifique importante. Les réactions pouzzolaniques des métakaolins consomment la portlandite et produisent des C-S-H et des C,A-S-H secondaires très denses. Les matériaux dans lesquels sont introduits les métakaolins sont donc moins  vulnérables aux agressions qui déclenchent la dissolution de la portlandite et par voie de conséquence, une perte de cohésion du matériau (attaques acides, composés organiques, eau pure).
L’apport en silice que constituent les métakaolins joue également un rôle d’accélérateur sur l’hydratation du C3S, par l’effet de nucléation due à l’addition d’une fine dans une matrice cimentaire).
La formation au jeune âge des hydrates secondaires est en outre favorable à la diminution de la taille des pores, ainsi qu’à la segmentation de la porosité capillaire.
Enfin, l’intensité de la réactivité des métakaolins conduit à une réduction de l’auréole de transition et à une interface pâte/granulat dont l’adhérence est meilleure, ce qui influe sur les caractéristiques mécaniques du béton (résistance à la compression et module d’élasticité). L’ensemble des ces effets entraîne une densification de la matrice cimentaire qui réduit sa perméabilité et sa diffusivité.
En tant que fillers, si les métakaolins permettent l’optimisation de la compacité du squelette granulaire et l’homogénéité de la pâte, leur demande en eau étant, pour certains d’entre eux, importante, le recours au superplastifiant peut être une nécessité qu’il convient de maîtriser précisément.

 Les métakaolins et la durabilité des bétons

Carbonatation Si les métakaolins sont utilisés en addition ou en substitution du ciment dans une formulation de béton avec E/C bas ils limitent le phénomène de carbonatation car ils limitent la porosité du béton et, ainsi la pénétration et la diffusion du CO2 responsable du phénomène de carbonatation.
Corrosion des armatures par les chlorures Les études montrent que la diminution de la diffusion des ions chlorures dans la matrice est proportionnelle à sa teneur en métakaolins.
Attaque sulfatique interne L’ensemble des matériaux pouzzolaniques restreignent l’expansion liée à la formation d’ettringite différée. Parmi ces matériaux les métakaolins sont les plus efficaces au regard de la maîtrise de l’expansion.
Attaque sulfatique externe
  1. Densifiant la matrice cimentaire, les métakaolins limitent la migration des ions sulfate en son sein.
  2. La résistance du béton à l’attaque sulfatique externe est également  fonction de sa teneur en chaux libre. Le caractère pouzzolanique des métakaolins qui réagissent avec la portlandite minimisent la quantité de chaux libre en solution et donc la vulnérabilité du béton à l’attaque sulfatique.
Attaque chimique La densité de la matrice cimentaire dans laquelle sont incorporés des métakaolins, en limitant la diffusivité, limite la dissolution et la lixiviation des composés hydratés. La partie aluminate du métakaolin a des propriétés d’absoption des alcalins ce qui améliore aussi la résistance de ses bétons aux attaques chimiques.
Réaction alcali-silice Rôle inhibiteur vis-à-vis de l’alcali réaction.
Cette réaction dépend de l’alcalinité de la solution interstitielle. En effet, la solubilité de la silice réactive augmente de façon exponentielle avec l’alcalinité de la solution pour des milieux basiques, la réduction de concentration en hydroxyles par les métakaolins est donc à la base de la résistance des bétons vis-a-vis de l’alcali réaction.

 

Contribution esthétique des métakaolins
En plus de leur contribution à la durabilité du béton et à ses performances mécaniques, les métakaolins sont également utilisés pour leur rôle au regard de la qualité du parement. En consommant la chaux libre, ils la soustraient à sa mobilisation dans les transferts responsables des efflorescences.
Leur finesse enfin permet l’obtention de parements plus lisses et plus compacts. C’est la raison pour laquelle on les associe, dans les bétons architectoniques, aux ciments blancs.

Orientation bibliographique
– Badogiannis et al. The effect of metakaolin on concrete properties.  Proceedings of  Dundee Conference, pp. 81-89, 2002.
– Gruber et al. Increasing concrete durability with high-reactivity metakaolins. Cement and concrete composites, vol. 23, pp. 479-484, 2001.
– Courard et al. Durability of mortars modified with metakaolin. Cement and Concrete Research, vol. 33, pp. 1473-1479, 2003.
– Khatib et al. Absorption characteristics of metakaolin concrete. Cement and Concrete Research, vol. 34, pp. 19-29, 2004.
– Frias et al Pore size distribution and degree of hydration of metakaolin cement pastes. Cement and Concrete Research, vol. 30, n° 4, pp. 561-569, 2003.
– Batis et al. The effect of metakaolin on the corrosion behaviour of cement mortars. Cement and concrete composites, vol. 27, pp. 125-130, 2005.

De la pouzzolanicité, une affaire de coefficients

Des propriétés pouzzolaniques  

Toutes les particules à finesse extrême ont cette capacité d’optimiser fortement le squelette granulaire, et par conséquence de magnifier l’effet de compacité et ses bénéfices sur la performance du béton. La cinétique d’hydratation est améliorée également.

Mais fumées de silice et métakaolin offrent en supplément des propriétés pouzzolaniques.

Qui dit propriété pouzzolanique dit réaction entre la silice (et secondairement l’alumine) et la chaux en présence d’eau, qui aboutit à la formation d’hydrates (silicate de calcium hydraté et silico aluminate de calcium hydraté), aux propriétés liantes.

Le terme « pouzzolanes » vient du nom du village de Pouzzoles près du Vésuve. Les romains intégraient à leur mortier le tuf zéolithique qu’ils récoltaient à Pouzzoles.

Grâce à la chaux libérée par la portlandite au moment de l’hydratation du ciment, des silicates de calcium hydratés (C-S-H) supplémentaires à ceux créés par le ciment sont créés (ainsi que des silico-aluminates de calcium hydratés (C-A-S-H) pour le métakaolin).

L’effet sera d’accroître l’homogénéité du mélange, de réduire sa porosité et par voie de conséquence, la perméabilité du béton, avec pour corollaire d’améliorer à terme la résistance mécanique et la résistance aux attaques d’agents agressifs tels que les acides, les chlorures ou les sulfates.

Rappel : Qui dit propriété hydraulique latente dit, contrairement au clinker dont la propriété hydraulique est relativement rapide, une cinétique d’hydratation plus lente qui nécessite très souvent une activation (chaux, sulfates, alcalins…).

[Cf. Pouzzolanicité, activité pouzzolanique et hydraulicité in LERM INFOS n° 26 : Les cendres volantes, janvier 2014]

« Coproduit industriel de la fabrication du silicium métallique ou de divers alliages de ferrosilicium, la fumée de silice se présente généralement sous forme de particules sphériques dont le diamètre moyen est de l’ordre de 0.1 µm. Ce sont des particules essentiellement vitreuses, ce qui en fait un produit hautement pouzzolanique. » (Extrait de : Les composants de la matrice cimentaire (rappels et interactions) / Noureddine Rafaï in Ciments, bétons, plâtres et chaux 890 (avril-mai 2008))

La fumée de silice présente une très forte teneur en dioxyde de silicium (supérieure à 80% en masse)(Norme NF EN 13263-1+A1).

 Le métakaolin « résulte de la calcination d’une argile, la kaolinite, associée à différents minéraux (phyllosilicates, quartz, oxydes de fer) en proportions variables suivant les gisements. Il est obtenu soit par calcination puis broyage soit par broyage puis calcination, par exemple dans des unités de production à fours rotatifs, à plateaux ou par calcination dite « flash ». Il est essentiellement composé de particules de silicate d’alumine amorphe. » (Norme NF P18-513)

La calcination « flash » s’effectue en quelques secondes et les bétons constituent la principale application du métakaolin produit par cuisson flash.

[Cf.les propriétés du métakaolin: Le point sur les métakaolins in LERM INFOS N°18 : les bétons spéciaux, juin 2010 ; Le complément national à la norme sur les bétons NF EN 206/CN intègre le métakaolin, les additions calcaires et additions siliceuses comme additions au béton.]

La fumée de silice et le métakaolin peuvent se présenter sous forme pulvérulente ou sous forme de suspension (slurry).


Tandis que la fumée de silice et le métakaolin ont une activité plutôt chimique, les ultrafines calcaires ont, quant à elles, une activité plutôt physique. Ces différents types d’additions deviennent alors complémentaires. [voir aussi entretien avec Pascal Gonnon, Groupe OMYA International]

Une activité qualifiée par un coefficient

C’est le coefficient k déterminé dans la norme NF EN 206/CN qui prend en compte leur activité ; pour la fumée de silice, la valeur du coefficient k est de 1 et, dans certains cas, de 2, comme mentionné dans le tableau NA.6 de cette norme. Dans ce même tableau, le coefficient k est de 1 pour les métakaolins de type A.

Le coefficient k n’est seulement que de 0,25 pour les additions calcaires mais qu’en est-il de celui des additions calcaires ultrafines (surface massique beaucoup plus élevée) ?

Le tableau NA.F.1 de la norme NF EN 206/CN définit les pourcentages d’utilisation de ces additions dans la composition des bétons. Pour toutes les classes d’exposition, la proportion de fumée de silice est limitée à 10% et à 15% pour les métakaolins, en addition à un ciment Portland de type CEM I. En addition aux ciments Portland composés de type CEM II/A, elle est limitée à 10% pour les 2.

In fine, une combinaison ultrafines / adjuvants

Pour une mise en place aisée du béton, la pâte doit être suffisamment fluide, il est donc nécessaire qu’il y ait un minimum d’eau dans la composition du béton.

Mais l’eau se révèle toujours excédentaire, ce qui crée des vides lorsqu’elle s’évapore, avec pour effet une diminution de la résistance mécanique du béton.

Or, l’utilisation d’additions telles que fumées de silice ou métakaolin génère une demande en eau supplémentaire. La demande en eau du métakaolin se situe entre celle du ciment et celle des fumées de silice.

Incorporez les ultrafines, ajoutez des adjuvants de type superplastifiant ou plastifiant qui atténuent cette demande en eau supplémentaire et vous obtenez des bétons qui tiennent le haut de l’affiche : BHP, BTHP et BFUP !

[Pour en savoir plus sur ces bétons : LERM INFOS Spéciale 25 ans – 25 juin 2013]

 

… et du côté de la performance environnementale ?

L’augmentation de la résistance mécanique et la diminution possible de l’épaisseur des enrobages engendre une économie de ressources naturelles (granulats et ciment).

L’usage de la fumée de silice dans le béton contribue également à la protection environnementale, puisque, particule issue de l’industrie de la métallurgie, elle n’est plus amenée à être rejetée dans l’atmosphère ni stockée en décharge et qu’elle se trouve valorisée dans la filière béton comme constituant à part entière.

Le procédé de calcination flash du métakaolin est réalisé en moins de temps et à une température inférieure à celle nécessaire à la fabrication du clinker. Ainsi, la consommation d’énergie est moindre ainsi que l’émission de gaz à effets de serre, puisque seul un dégagement d’eau se produit lors de la calcination et qu’il n’y a pas de phénomène de décarbonatation.

 

L’optimisation du squelette granulaire

L’addition s’il vous plaît !

C’est ainsi que dans la gamme des ingrédients de la formulation du béton, les additions ont leur part. Ce « constituant minéral finement divisé utilisé dans le béton afin d’améliorer certaines propriétés ou lui conférer des propriétés particulières » (NF EN 206-CN) optimise la durabilité et les performances mécaniques du béton. Leurs propriétés concernent à la fois l’état frais et l’état durci de ce matériau.

La finesse certes mais quelle finesse !

Dans ce numéro, nous proposons de faire un tour du côté des ultrafines calcaires, des fumées de silice et du métakaolin. Ces particules sont caractérisées par leur extrême finesse : leur diamètre est inférieur à 10 microns.

Dans les constituants du béton, le ciment fait figure de poudre fine à côté des matériaux granulaires que sont le sable ou les gravillons. Mais en regard et à l’échelle du ciment, ces ultrafines font figure de poudre… infinitésimale …

En effet, le rapport est de 10 à 100 fois moins élevé que le diamètre moyen d’un grain de ciment.

Des ultrafines correctrices granulaires 

L’intérêt majeur de la finesse d’un grain est qu’elle permet de combler les vides intergranulaires.

Dans l’antiquité grecque, cette question du comblement fut sujet à géométrie. C’est la figure abstraite d’Apollonius de Perge présentant sur une surface plane la résolution du remplissage de vides à partir de formes circulaires de tailles différentes. 

Extrait de : Mécanique des matériaux granulaires / Guilhem Mollon, INSA Lyon, 2015

Extrait de : Étude de la compacité optimale des mélanges granulaires binaires : classe granulaire dominante, effet de paroi, effet de desserrement / Gérard ROQUIER, Thèse, Université Paris Est -IFSTTAR, 2016

Un extra de compacité 

 Il est aisé d’imaginer, en 2D ou en 3D, que ce comblement des vides offre un gain en termes de compacité du béton, et par là-même améliore la durabilité du matériau.

  • La porosité du béton en est diminuée. Les ultrafines caractérisées par leur extrême finesse remplissent des vides non comblés par des additions classiques.

Microstructure microporeuse de la matrice cimentaire d’un béton

Microstructure compacte de la matrice cimentaire d’un béton

  • Ce remplissage réduit la perméabilité du matériau et améliore la résistance aux agents agressifs extérieurs (chlorures, acides, sulfates, oxyde de carbone) car il restreint l’espace où ces agents peuvent s’introduire, amoindrissant les conditions qui leur permettent d’évoluer.

Carbonatation d’un béton sur une profondeur de 25 à 30mm (zone non colorée, partie haute – Test à la phénolphtaléine sur fracture fraîche)

Frange carbonatée très réduite, entre 0 et 3 mm de profondeur (Test à la phénolphtaléine sur fracture fraîche)

  • Le gain de compacité génère également une amélioration de la stabilité de l’ensemble du produit. Le phénomène de ségrégation qui sépare les plus gros composants des plus fins et qui détériore l’homogénéité du béton frais en est restreint.

Phénomène de ségrégation dans un voile en béton

              Voile en béton sans désordre apparent

 

 

  • En offrant plus de surface de contact à l’eau, les ultrafines peuvent permettre de garantir plus de robustesse de la formule à un éventuel phénomène de ressuage comme le ferait un agent de cohésion.​

Phénomène de ressuage (=>) (avec remontée de laitance) sur un béton auto-plaçant (BAP)

             Béton auto-plaçant (BAP) sans ressuage

 

Une bonne pâte bien maniable qui se la coule douce … trop aimables les ultrafines !

Encore plus que les autres additions, les ultrafines amènent une onctuosité à la pâte qui facilite sa mise en œuvre.

Visqueux au repos et fluide sous certaines sollicitations, le mélange manifeste un comportement fortement thixotrope. Le développement important de la surface massique améliore les propriétés rhéologiques du béton.

Surface massique = surface de contact offerte à l’eau, exprimée usuellement en cm2/g, mais plus habituellement en m2/g pour les fumées de silice, les métakaolins de type A et les ultrafines calcaires.
En addition au béton, il se produit une augmentation du volume de pâte et donc de plus de « colle » dans le mélange. En substitution d’une partie du ciment, le volume de pâte n’est pas accru mais une baisse de la chaleur d’hydratation se produit souvent.
On peut trouver des ultrafines dans les sédiments portuaires ou les sédiments de barrages. De nombreuses études sont en cours sur la valorisation de ces sédiments.

 

Le monde des nano

C’est le monde de la matière à l’échelle nanométrique, entendue entre approximativement 1 et 100 nm. Son unité de référence est le nanomètre (nm), soit un milliardième de mètre (1 nm = 10-9 m = 0,000000001 m).

Ce nanomonde, selon le standard ISO 80004, est peuplé de nano-objets, nanoparticules, nano fibres, nano feuillets, nano composites …

Les nano-objets y sont définis selon la longueur de leurs dimensions externes (en 3D : 1, 2 ou 3 dimensions).

  1. Qu’un élément ait 1 seule dimension à l’échelle nanométrique, et il est de la famille des nanoplaques
  2. Avec 1 dimension de plus à cette échelle mais seulement 2 au total, il est nanofibre
  3. Et avec 3 dimensions, il a gagné sa particule : c’est une nanoparticule !

Mais en plus de ces nano-objets, est définie la famille des matériaux nanostructurés qui affichent une échelle nanométrique, non pas dans une ou plusieurs de leurs dimensions externes, mais dans leur structure interne ou leur structure de surface.

Quoi qu’il en soit de l’appartenance à l’une ou l’autre de ces familles, leur dénominateur commun est cette échelle nanométrique. Et de ce trait de caractère, découlent des propriétés qui non seulement se distinguent de celles des échelles micro et macro mais qui présentent des … mega… intérêts.

Législation, normalisation et recommandation relatives à la protection de la santé et de l’environnement ponctuent également le parcours du développement de ces nanomatériaux.

Dans le domaine de la construction, nano-métakaolin, nano-carbonates de calcium, nano-silices, nanotubes de carbone, nanocomposites de C-S-H … sont l’enjeu d’amélioration de performances en résistance, durabilité et considération environnementale.

Quid d’une incorporation future de nanomatériaux afin de rendre les bétons encore plus résistants mécaniquement et plus résistants à la pénétration des agents agressifs ?

A titre d’exemple, le dioxyde de titane (TiO2), produit et utilisé depuis longtemps pour des applications pigmentaires, est doté de propriétés de photocatalyse, ce qui lui donne le pouvoir de décomposer matières organiques et inorganiques, et micro-organismes. Il est donc utilisé pour réaliser des surfaces anti-buées et autonettoyantes (dégradation de polluants). Il a été intégré à la fabrication de ciments pour l’usage de ses propriétés photocatalytiques.

Ainsi qu’il est souligné dans l’ISO 80004-1, le nanomonde est complexe et les connaissances sont en constante et rapide évolution, ce qui aboutira très certainement à une évolution à la fois des concepts et de la terminologie.

Lettre d’information du lerm n° 37 : des Ultrafines… actrices de performance(s)

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N° 37, juillet 2018 – La lecture de cette lettre est optimale avec Chrome ou Firefox.

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Au fond ou bien seulement en apparence, rien de plus simple qu’une recette de béton : du granulat, un liant et de l’eau. Remuez et c’est prêt !

Ce mélange a ceci de remarquable qu’il se solidifie sans cuisson pour finalement constituer une roche artificielle, aux qualités de résistance mécanique et de durabilité chimique hors pair, qui en font la spécificité.

Bien sûr, quelques subtiles variations dans cette recette permettent de générer de la performance.

Elles sont le fruit d’explorations que mènent des esprits scientifiques pour révéler les secrets des mécanismes physiques et chimiques en œuvre dans cette composition minérale. Mais ce sont également les exigences conjoncturelles, besoins de développement industriel ou de gain économique, ou bien encore des considérations écologiques et esthétiques qui ont orienté et orientent encore les innovations en matière de formulation du béton.

Nous vous proposons donc dans ce nouveau numéro de voir en quoi la simple addition de poudres* minérales, parfois même chimiquement inertes, à un mélange bien calibré modifiera substantiellement les propriétés finales du mélange durci.

Bonne lecture… sur les fines et ultrafines de la plage !

Bernard Quénée, directeur général délégué
Patricia Geretto, rédactrice en chef

 

  • le sel et le poivre feront l’objet d’un prochain numéro !

(1) Voir nos articles :

Pouzzolanicité, activité pouzzolanique et hydraulicité
Le point sur les métakaolins – juin 2010
La durabilité des bétons, 25 ans d’expérience…

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L’optimisation du squelette granulaire

Dans les constituants du béton, le ciment fait figure de poudre fine à côté des matériaux granulaires que sont le sable ou les gravillons. Mais en regard et à l’échelle du ciment, les ultrafines font figure de poudre… infinitésimale … 

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De la pouzzolanicité, une affaire de coefficients

Qui dit propriété pouzzolanique dit réaction entre la silice (et secondairement l’alumine) et la chaux en présence d’eau, qui aboutit à la formation d’hydrates …

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Entretien avec Pascal Gonnon, Groupe OMYA International

OMYA est une société familiale, producteur de charges minérales, et aussi distributeur de produits chimiques, avec pour cœur de métier la production de carbonate de calcium …

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Portrait de Patricia Geretto, documentaliste au lerm

Actualités

 

IABSE SYMPOSIUM

40ème Symposium IABSE : « Tomorrow’s Megastructures »

Du 19 au 21 Septembre 2018 à Nantes.

 

Colloque Le Pont 2018

Colloque Le Pont « Les ouvrages de génie civil : du diagnostic aux travaux ! »

Les 3 et 4 Octobre 2018 à Toulouse. 

 

L’article de Dominique Rossini et Christophe Carde du lerm sur les

« Désordres affectant les façades : un problème récurrent et complexe« 

est paru dans Experts n° 137 d’avril 2018.

Le « Guide méthodologique et technique pour le réemploi de béton en revêtements de sol »  (rapport d’étude du LERM)

de Thomas Millan et Sandy Phommaly

est paru dans Repar#2 : Le réemploi, passerelle entre l’architecture et l’industrie – Agence de l’Environnement et de la Maîtrise de l’Energie (ADEME), mars 2018.

 

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LERM-Infos

Directeur de la publication : Bernard Quénée
Rédactrice en chef : Patricia Geretto
Avec la contribution experte et formatrice d’Emmanuel Perin et de Noureddine Rafaï

Un grand merci à Maurice Combier pour son assistance technique.

 

La dégradation des bétons par les chlorures

Exemple de l’eau de mer
pile2pontL’attaque des matrices cimentaires par l’eau de mer combine des agressions de nature différentes menées par les chlorures, les sulfates et le gaz carbonique, auxquelles s’ajoutent, selon la situation de l’ouvrage, les effets délétères des cycles d’humidification-séchage et l’agression physique des vagues en zone de marnage. A l’agression physico-chimique que subit la matrice s’ajoutent, en outre, les dommages liés à la corrosion des armatures.
Le phénomène est donc très complexe. Dans le cadre de cette lettre d’information consacrée au chlore, nous n’aborderons que l’action du chlorure de sodium et du chlorure de magnésium.

Chlorure de sodium
L’action du chlorure de sodium sur la matrice cimentaire est double :

1- Consommation des ions calcium de la portlandite et des C-S-H, par formation
de chlorure de calcium soluble : Ca(OH)2 + 2NaCl <-> CaCl2 + 2NaOH

2- Formation de monochloroaluminate de calcium C3A.CaCl2.10H2O, par réaction des chlorures avec l’aluminate tricalcique C3A
et les aluminates hydratés : CA3 + CaCl2 + 10H2O <-> C3A.CaCl2.10H2O

 

Cette réaction, qui consomme des chlorures, permet de réduire le taux d’ions libres, ce qui retarde le risque de corrosion des aciers.
Mais cette protection peut être déstabilisée par une action sulfatique associée qui, réagissant avec le monochloroaluminate de calcium, peut produire de l’ettringite susceptible de produit une expansion. Dans les zones d’aspersion et de marnage, à côté de l’action chimique sur la matrice cimentaire, les cycles de dissolution-cristallisation du chlorure de sodium, peuvent mener à des pressions de cristallisation qui provoquent un écaillage de surface. Il s’agit d’un phénomène de lixiviation de la chaux qui accroît la porosité du béton.

Chlorure de magésium

Comme le chlorure de sodium ce sel exerce une action dissolvante sur la chaux. Mais le gel alors en solution conduit à la formation de brucite (Mg(OH)2) :

Ca(OH)2 + MgCl2 <-> CaCl2 + Mg(OH)2

qui, précipitée à la surface du béton, peut ralentir la pénétration des ions agressifs dans le béton. Comme pour le chlorure de sodium, la réaction du chlorure de magnésium avec les aluminates provoque la formation de monochloroaluminate de calcium.

Enfin, il est bon de signaler un phénomène fréquent de substitution ionique pouvant accompagner ce type de réactions en milieu marin, à savoir la substitution du calcium des C-S-H par le magnésium, donnant naissance à des M-S-H moins compacts et résistants.

Au-delà du cas des chlorures, la durabilité des bétons en milieu marin.

Transformation des C-S-H de la pâte de ciment en M-S-H au contact du magnésium présent dans l’eau de mer

La durabilité des bétons en milieu marin est optimisée par le concours de trois paramètres :

– une compacité qui réduit la perméabilité et la diffusivité

– une teneur limitée en C3A précisée par la norme NF P 15-317 qui spécifie les caractéristiques des ciments pour les travaux à la mer

– des ajouts d’additions minérales permettant de réduire la teneur potentielle en Ca(OH)2 (Portlandite) : cendres volantes, pouzzolanes, laitier de haut fourneau, métakaolins flash.

 

Voir aussi sur ce sujet notre article :

Les réponses à l’agression maritime : un béton compact au ciment adapté…

Voir aussi, sur ce sujet, notre article :

La corrosion des armatures danger majeur pour la durabilité des ouvrages en béton armé

Portrait de Noureddine Rafaï, Expert matériaux au Lerm

 

nrafaiNoureddine, tu es « expert matériaux » au LERM… peux-tu nous décrire un peu ton parcours ?

J’ai toujours été très intéressé par la géologie. Lors de mes études, à partir de la licence, j’ai eu le désir de suivre deux pistes à la fois, celle de la recherche et de l’enseignement et celle de la pratique, car j’avais également une grande curiosité pour les processus industriels. J’envisageais donc de m’orienter vers le génie civil ou la pétrochimie.

Une jeunesse consacrée aux études donc ?

Oui, et aux petits boulots pour pouvoir les suivre !… J’ai fréquenté de nombreuses universités : c’est à l’Université Mohammed I d’Oujda que je prépare et passe ma licence. C’est ensuite à l’Université Mohammed V de Rabat que je passe ma maîtrise. Je viens ensuite en France, passer une maîtrise à l’Université des Sciences et Techniques de Lille. J’y travaille sous la direction de Jean-François Raoult, co-auteur du fameux Dictionnaire de Géologie. Je n’en reviens pas… Il me semble que je suis sur une sorte d’Olympe.

Qu’est-ce qui t’amène alors en France pour poursuivre tes études ?

Seules deux universités, au Maroc, proposaient un troisième cycle dans le domaine qui m’intéressait ; je devais donc quitter le Maroc. En venant à Lille, je découvre le froid, mais aussi les moyens des laboratoires qui sont mis à notre disposition. J’en profite d’autant mieux que notre formation théorique dispensée au Maroc était de qualité.

On poursuit ton cursus ?…

J’entreprends ensuite un DEA de géochimie sous la direction de Claude Allègre à Paris VII, puis une thèse à Paris VI sous la direction de René Létolle : « Application des isotopes stables (13C et 18O) à l’étude de la carbonatation et de la décalcification des bétons« … Un véritable tour de France des Universités, non ?

Lors de mon stage de DEA, que j’effectue au Lerm en 1989, à Bagnolet, mon tuteur m’oriente sur l’étude de la carbonatation au moyen des isotopes. Je commence ma thèse sur ce sujet en 90-91 et j’ai alors la chance de travailler avec Hugues Hornain au MEB et en microscopie optique.

Ce sont donc tes études qui t’introduisent au Lerm, qui lui, en est alors à ses débuts…

Oui ! Le laboratoire, c’est, à cette époque, une équipe de 8 personnes, en tout et pour tout, dont 5 sont propriétaires de l’entreprise. L’ambiance est familiale, et si c’est une chance d’être au Lerm, c’en est une particulière d’y être à ce moment là.

 

… et c’est donc au Lerm que tu passes des études au travail…

En effet, la qualité du travail scientifique et technique liée à la qualité humaine du laboratoire m’incite à y rester. En réalité, entouré de gens qui, comme par exemple Bernard Thuret et Hugues Hornain, sont aussi passionnés que moi, je ne ressens aucun hiatus entre la recherche et le travail… si bien que je me demande si j’ai un jour fini mes études ou bien si j’ai un jour commencé à travailler. J’ai donc la chance de rester dans un environnement où mon souhait, dont je t’ai parlé, de ne pas séparer la théorie de la pratique se réalise.

Il n’y a donc que des géologues au Lerm ?

Je me présenterais plutôt comme géochimiste… Mais ce n’est pas étonnant qu’il y ait tant de géologues au Lerm (même si nous ne le sommes pas tous !) car le béton est une roche, même si elle est artificielle. C’est une roche particulière certes, puisqu’on la fabrique et, dans cette mesure, on tâche de maîtriser sa durabilité… Mais c’est bien une roche, si vivante d’ailleurs, qu’on parle de ses âges : jeune âge, maturité, etc…

Quel est ensuite ton parcours au sein du Lerm ?

Après la soutenance de ma thèse en 1994, je deviens responsable du département microstructure. Je le serai pendant 12 ans jusqu’à ce que nous nous installions à Arles. Le déménagement est, pour nous tous,  une aventure rondement menée : le labo n’a pas fermé une semaine entière !… même s’il a fallu réinstaller tous les appareils, dont certains d’ailleurs ont été renouvelés.

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Tu prends, à partir de ce moment, la fonction d’expert. Tu peux nous expliquer un peu ce que recouvre cette appellation…

En douze ans, les choses changent : le laboratoire grandit, la direction se renouvelle, moi-même je change bien-sûr et tout ceci se conjugue pour que de nouvelles fonctions deviennent nécessaires, dont celle d’expert. Au fond, je ne prends pas cette fonction, c’est l’évolution du laboratoire qui la crée et je l’endosse dans la mesure où, dans le mot expert, avant toute chose, j’entends d’abord sonner « expérience »…

Dans un laboratoire qui grandit, qui plus est, dans un environnement concurrentiel, le maintien, l’évolution et l’amélioration des compétences internes sont vraiment vitales. D’un autre côté, une prise de recul est nécessaire, qui permet la veille sur les évolutions extérieures des connaissances et de la technique, la réflexion sur le marché et sur la concurrence. C’est le rôle, me semble-t-il, de l’expert de maintenir l’excellence des connaissances et des pratiques internes, articulées sur une prise en compte de l’environnement scientifique, commercial et économique de l’entreprise.

Les outils qui découlent de cela et que mettent en œuvre les experts du Lerm, ce sont surtout des outils de formation interne en direction des techniciens, mais également de l’ensemble du personnel du laboratoire ; c’est également un rôle de suivi et de conseil auprès des nouveaux arrivants, pour que, aussi élargie que soit aujourd’hui l’équipe, elle soit porteuse d’une véritable identité scientifique et déontologique.

Cela signifie-t-il que tu n’es plus à la production, comme on dit ?

Disons que je suis de grands projets de type recherche appliquée, comme la mise au point, en son temps, de ciments sulfo-alumineux avec, entre autres, des chercheurs chinois… Les projets ensuite s’enchaînent : travaux sur la valorisation de cendres volantes avec la Société Surschiste, l’étude du métakaolin dans les liants et les bétons, de laitiers d’aciérie dans le cadre du projet ORLA, l’étude de la durabilité des liants pétroliers pour l’obturation de puits dans le cadre du captage et stockage du CO2 dans les réservoirs géologiques avec Total, de revêtement de surface de bétons comme pour l’EPR d’EDF. Aujourd’hui, par exemple, je travaille sur le diagnostic matériau du parc d’aéroréfrigérants d’EDF.

Dans cette fonction d’expert, il y a également les rencontres et les échanges, les liens tissés avec la communauté des chercheurs. C’est très stimulant. Je garde en mémoire de grandes et belles dates, comme le séminaire d’Arles que nous avons organisé en 1996 en l’honneur de Micheline Regourd, l’organisation des Journées scientifiques de Toulouse  en 1998 où nous étions associés avec l’AFGC et au LMDC ou encore le projet BHP 2000, et bien entendu toutes les nombreuses dates qui se sont succédées depuis….

Comment vois-tu l’évolution de ton activité au sein du laboratoire ?

A la place qu’ils occupent, les experts du Lerm véhiculent et observent la réputation du laboratoire mais aussi celle de l’ingénierie. Cette réputation est bonne. Il faut qu’elle le reste ; cela signifie qu’il faut que nous maintenions collectivement la maîtrise de nos thèmes et de nos techniques dans la perspective même de la croissance de nos effectifs. Les experts, par leur activité de formation, de conseil, de transfert de compétences et par leur expérience sont les garants de la permanence et de la rigueur d’une culture commune à toute l’entreprise. Cette qualité interne à l’entreprise, les experts doivent également la véhiculer à l’extérieur, à travers les nombreux contacts qu’ils entretiennent dans l’environnement qui est le notre.

Je vois donc mon activité à venir comme celle d’un veilleur, d’un garant, d’un chercheur certes, mais également comme celle d’un passeur de ce dont j’ai moi-même hérité.