Additions pouzzolaniques

Conformément à la norme (NF EN 206, 2014), toutes les additions présentant une finesse supérieure à celle du ciment peuvent être utilisées en substitution d’une partie du ciment.

Concernant le BFUP, les additions les plus utilisées sont : la fumée de silice, le quartz broyé, et, plus récemment, le métakaolin (Tafraoui, 2009). Les additions ont trois fonctions essentielles dans la matrice cimentaire du BFUP : par effet filler, elles comblent les vides entre les grains de ciment, les fibres et le sable ; elles améliorent la rhéologie du mélange et enfin, elles forment des produits d’hydratation par leur effet pouzzolanique.

1.2.1.3.1. Fumée de silice

Ultrafine hautement pouzzolanique composée de particules sphériques de dioxyde de silicium amorphe, de diamètre moyen de l’ordre de 0,1 µm, avec une très grande surface spécifique, elle est le coproduit recueilli sur des filtres au cours du processus de fusion destiné à la production du silicium métal et des alliages de ferrosilicium. L’incorporation de fumée de silice dans le béton permet d’améliorer la résistance en compression en réagissant avec l’hydroxyde de calcium (portlandite CH), pour former des hydrates de type silicates de calcium hydratés (C-S-H) plus résistants. Le dosage en fumée de silice utilisé en substitution partielle de ciment dans la fabrication des BFUP est de 10 à 30% par rapport à la masse de ciment. (Parant, 2003) et (Wille et al., 2012) ont montré que le pourcentage optimal de substitution en masse de ciment est de 25%.

Son utilisation doit aussi être conforme à la norme (NF EN 13263-1, 2009). En pratique, elle est souvent incorporée dans des bétons qui demandent une résistance mécanique à 28 jours élevée tels que les BFUP. En raison de cette qualité, cette ultrafine est de plus en plus recherchée, alors que sa disponibilité est limitée par la capacité de production des industries du silicium, ce qui entraine donc une augmentation de son prix.

1.2.1.3.2. Quartz broyé

Le quartz broyé est une poudre de diamètre moyen compris entre 10 et 15 µm, issue du broyage d’un sable très riche en silice (SiO₂ > 98 %) généralement utilisé dans la fabrication du verre. Selon (Richard et Cheyrezy, 1995), le quartz broyé est indispensable pour les traitements thermiques, que nous expliciterons ultérieurement, d’un BPR (Béton de Poudres Réactives assimilable aux BUHP). La réactivité optimale est obtenue avec une taille maximale des grains comprise entre 5 et 25 µm. La quantité utilisée en substitution correspond à un rapport stœchiométrique optimal afin de convertir les hydrates amorphes en tobermorite qui se caractérise par un rapport molaire C/S de 0,83. Ceci correspond à un rapport silice/ciment de 0,62 (Richard et Cheyrezy, 1995). Une étude de (Tafraoui, 2009) a montré que l’ajout de quartz broyé dans les BFUP traité thermiquement ne conduit pas à une augmentation significative des résistances à la flexion (+2,6%) mais favorise remarquablement les résistances en compression (+8,2%), grâce à l’apparition de nouvelles phases hydratées sous haute température.

1.2.1.3.3. Métakaolin

Le métakaolin résulte de la calcination à 600-800°C d’une argile, la kaolinite. Il est essentiellement formé d’oxydes d’aluminium et de silicium (Al2O3(SiO2)2 ou AS2), dont le diamètre moyen est de l’ordre de 28 µm. La morphologie du métakaolin est de type feuillets hexagonaux, accolés les uns aux autres. Cette ultrafine a fait l’objet d’une norme nationale produit (NF P18-513, 2012) et a été intégrée dans l’annexe nationale de la norme béton vis-à-vis de son utilisation (NF EN 206, 2014). Depuis, le métakaolin peut être utilisé dans le béton en substitution partielle du ciment en tant qu’addition de type II (avec un coefficient de prise en compte de 1) afin d’améliorer les performances mécaniques des bétons durcis grâce à son pouvoir pouzzolanique élevé. En effet, il se combine avec la portlandite (CH) pour former les hydrates siliceux (C-S-H) ou silico-alumineux (C-A-S-H). La réaction pouzzolanique du métakaolin est présentée via l’équation (1 - 1).

+ 5 + 5 → ^{(1 - 1)} Il est important de noter que le complexe est un composé moyen formé de silicates de calcium hydratés (C-S-H) et de silico-aluminates de calcium hydratés. Il a été montré que les hydrates formés dépendent du rapport CH/AS2 selon les équations écrites dans le Tableau 1 - 1 (Kinuthia et al., 2000), (Murat et al., 1983).

Tableau 1 - 1: Hydrates formés en fonction du rapport CH/AS₂ (Murat et Bachiorrini, 1982) Rapport CH/AS2 Réactions pouzzolanique

1 + 3 + 6 → + − −

1,67 + 5 + 3 → + 2 − −

2 + 6 + 9 → + 2 − −

Il est important de noter que certains de ces hydrates ne sont pas stables au cours du temps comme les gels silico-calciques. (De Silva et Glasser, 1993) et (Garcia-Diaz, 1995) ont proposé une classification des hydrates stables soit en fonction du temps, soit en fonction du ratio CH/AS₂ dans le Tableau 1 - 2.

Tableau 1 - 2 : Les hydrates formés en fonction du temps (Garcia-Diaz, 1995) et du rapport CH/AS₂ (De Silva et Glasser, 1993)

Hydrates stables en fonction du temps (Garcia-Diaz, 1995)

Echéances (jours) < 7 jours 7 < jours < 28 jours > 28

Hydrates stables en fonction du ratio CH/AS2 (De Silva et Glasser, 1993) Rapport CH/AS2

0,4 < CH/AS2 <

1,5 1,75 < CH/AS2 < 6

Hydrates stables à 90 jours C2ASH8, C-S-H C2ASH8, C-S-H, et traces de C4ASH13

D’après ce Tableau 1 - 2, lorsque le rapport CH/AS₂ est supérieur à 7, les hydrates formés à long terme (plus de 28 jours) sont essentiellement des gels silico calciques et des aluminates tétracalciques hydratés. Si le rapport CH/AS2 est compris entre 0,4 et 1,5, les hydrates formés sont des gels silico calciques (C-S-H) et de la stratlingite (C₂ASH₈). Si ce rapport est compris entre 1,75 et 6, en plus des hydrates courants (C-S-H et C2ASH8), il peut y avoir des traces

d’hydratation du ciment par germination, et effet pouzzolanique par consommation de la portlandite.

En ce qui concerne l’utilisation du métakaolin dans les BFUP, (Rougeau et Borys, 2004) ont réalisé une étude de formulation à base de métakaolin de ce type de béton. Ces études ont montré que l’utilisation du métakaolin en substitution totale de la fumée de silice permet d’obtenir des résistances en compression prometteuses. Des valeurs moyennes de 155 MPa et de 175 MPa ont été obtenues sur des éprouvettes 4x4x16 cm respectivement à 28 et 90 jours.

Des résultats semblables ont été obtenus dans l’étude de (Tafraoui, 2009) qui a montré que la substitution totale de la fumée de silice par le métakaolin présente peu de variation en termes de performances mécaniques. Il a observé une légère augmentation de la résistance en flexion (+2,6%) et une baisse de la résistance en compression (-6,7%) sur un de ses BUHP avec métakaolin par rapport à des formules équivalentes à base de fumée de silice.

En ce qui concerne le pourcentage de substitution du ciment par cette ultrafine, l’optimum se trouve à 20% en masse de ciment pour les bétons classiques d’après (Wild et Khatib, 1997). Ce taux optimal dépend de la finesse de ciment. Il est important de préciser qu’un excès de métakaolin dans la matrice cimentaire, que l’on pourrait considérer comme une phase inerte en l’absence de portlandite, ne contribuerait pas à la résistance du matériau. De plus, cela tendrait à diminuer la compacité du squelette granulaire par effet de floculation, entrainant ainsi des effets néfastes sur l’empilement granulaire (San Nicolas, 2011).