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.

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.