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 |
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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).
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. |
