Les liants

Les liants actuellement utilisés ou en cours de développement pour confectionner des bétons de chanvre sont des liants minéraux à base de chaux aérienne, de chaux hydraulique; le liant qui convient le mieux pour un mariage intime avec les particules de chanvre est la chaux aérienne Ca(OH)2. Les qualités de celle-ci ont été démontrées à savoir : perméabilité (comme pour le ciment, la porosité de la chaux aérienne augmente avec le rapport E/L, elle est de 51% pour un rapport E/L =0.8 [49]), caractère onctueux à fort dosage en eau sans risques de ségrégation (un tel comportement est moins évident en présence de suspensions de liants hydrauliques qui, sans le recours de l'adjuvantation, présentent des risques importants de ségrégation) et un caractère anti-fongique et antibactérien. Elle permet d'obtenir un résultat plus performant, du point de vue thermique, hydrique, acoustique et plus durable, dans le sens de la durabilité dans le temps mais aussi par rapport au respect de l'environnement et de la santé.

Sa limitation principale est le temps que prend la réaction de carbonatation, car celui-ci est difficilement compatible avec les impératifs des chantiers d'aujourd'hui. Ainsi, la chaux aérienne est complétée par d'autres types de liants, mais ceux-ci doivent être rigoureusement sélectionnés et dosés. Il s'agit grossièrement :

 De liants hydrauliques (chaux hydraulique, ciment, etc.) : le liant hydraulique le plus utilisé est la chaux hydraulique, ce liant par son caractère hydraulique permet l'acquisition de résistance à court terme du mélange (chaux aérienne+ chaux hydraulique) [50]. Cette propriété est souvent recherchée par l'utilisateur du béton de chanvre, par exemple pour un décoffrage rapide.

 De liants pouzzolaniques : le liant pouzzolanique généralement ajouté est la pouzzolane naturelle ou artificielle (contenant de la silice et de l'alumine réactive). Elle permet par sa réaction pouzzolanique de réagir en présence d'eau avec l'hydroxyde de calcium Ca(OH)2 pour former des produits cimentaires générateurs de résistance de type silicate de calcium hydraté (CSH), et aluminate de calcium hydraté (CAH), l'enchevêtrement des cristaux néoformés augmente la cohésion et la densification du mélange et lui confère des performances mécaniques plus élevées et stables (résistances en compression et en traction, module). La cinétique de cette réaction est plus lente que celle d'un ciment, mais elle peut se prolonger sur plusieurs années [51].

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Les vertus de la chaux (aérienne et hydraulique) ne se limitent pas aux avantages énumérés ci-dessus. En effet, la chaux connaît ces dernières années une reconsidération par la communauté scientifique et une utilisation accrue pour la restauration des anciens bâtis [52]. Des incompatibilités et des dommages importants sont observés suite à l'utilisation de liants très hydrauliques (ciment, ciment à maçonner) pour la restauration des anciens bâtis. Certes, ces liants exhibent une résistance meilleure mais elle est loin d'être favorable, les structures en maçonnerie présentent des mouvements résultant du tassement et de l'effet thermique (l'expansion thermique du ciment est supérieure à celle de la maçonnerie [53]). Le mortier de réparation doit être capable de poursuivre ces mouvements, un mortier de réparation trop résistant comme le ciment restreint les mouvements, ce qui engendre des contraintes pouvant conduire à des décollements en plaque ou de grosses fissures pour les enduits. Ces liants augmentent également l'aspiration capillaire dans le mur et y provoquent une rétention d'eau, aggravant de multiples pathologies (dissolution des mortiers de hourdage, cristallisation de sels dans la maçonnerie, etc.) [54].

Dans ce contexte, les mortiers à base de chaux aérienne constituent une solution relativement attrayante, ils présentent une bonne compatibilité avec les anciens bâtis [50,55]:

 La faible résistance de la chaux aérienne autorise une certaine souplesse du bâti, les éventuelles fissures engendrées sont imperceptibles (microfissures) et sans influence sur l'imperméabilité de l'enduit à l'eau ;

 La chaux, par sa perméabilité à la vapeur d'eau, permet l'évaporation des eaux contenues dans le mur suite à la transformation de cette dernière en vapeur (échauffement du mur au soleil par exemple).

Ces atouts de la chaux justifient son utilisation avec la chènevotte comme béton de chanvre, que ce soit pour les bâtiments neufs ou bien pour la restauration des anciens bâtis.

7.2.1. La chaux aérienne

La norme européenne EN 459-1 (chaux de construction) distingue deux catégories de chaux aériennes utilisées en construction : la chaux vive (notation Q selon la norme EN 459-1) et la chaux hydratée également qualifiée d'éteinte (notation S selon la norme EN 459-1), la présence ou non de l'oxyde de magnésium permet de distinguer deux types de chaux aériennes :

 Chaux calcique (notation CL selon la norme EN 459-1: Calcic Lime): chaux fabriquée à partir de l'oxyde de calcium;

 Chaux dolomitique (notation DL selon la norme EN 459-1: Dolomitic Lime) : chaux obtenue à partir de l’oxyde de calcium et de magnésium.

La chaux vive, de formule chimique CaO, est obtenue par calcination du calcaire (CaCO3) à des températures d'environ 900°C. La réaction issue de cette cuisson génère une perte de masse de la matière (d'environ 45 %), en raison d'un fort dégagement de dioxyde de carbone (CO2) [56] : CaCO3⟶ CaO + CO2

L'hydratation de la chaux vive forme de la chaux arienne éteinte. Ce processus qui s'effectue par apport d'eau s'appelle extinction, il est très exothermique (1 155 kJ/kg de CaO), il correspond à un processus violent et dangereux donnant lieu à un bouillonnement et à un échauffement

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pouvant atteindre 400°C. L'extinction s'accompagne également d'une augmentation du volume proche de 30 % [56]. Cette opération d'extinction produit l'hydroxyde de calcium Ca(OH)2 : CaO + H2O⟶ Ca(OH2)

La prise de la chaux aérienne s'effectue par carbonatation, c'est-à-dire par absorption du dioxyde de carbone CO2 de l'air ambiant. C'est de ce processus qu'elle tire son nom "d'aérienne". La réaction de carbonatation s'écrit :

Ca (OH)2 + CO2 ⟶ CaCO3 + H2O

En milieu humide, la vapeur d'eau se lie au dioxyde de carbone de l'air pour former de l'acide carbonique en fixant le dioxyde de carbone contenu dans cet acide, la chaux aérienne exposée à une atmosphère humide se transforme à nouveau en calcaire. Le mécanisme de prise par carbonatation s'effectue en présence d'eau, d'où une maîtrise des conditions de mise en œuvre est indispensable. Ce phénomène de carbonatation peut s'étendre sur plusieurs années.

L'impact environnemental de la chaux aérienne est donc favorable puisque, outre l'énergie grise associée à son élaboration, le CO2 émis durant sa fabrication est susceptible d'être recapté en fin de vie.

7.2.2. La chaux hydraulique

La chaux hydraulique (NHL selon la norme NF EN 459-1, pour Natural Hydraulic Lime) la plus courante, est obtenue à partir de la calcination de calcaire contenant 10 à 20 % d'argile, elle tient son appellation au fait qu'elle fait prise au contact de l'eau.

Au cours de la cuisson, le carbonate de calcium se décompose, une partie du CaO formé s'allie à l'état solide avec les oxydes SiO2, Al2O3, Fe2O3, contenus dans les minéraux d'argile en formant les silicates dicalcique (C2S en notation cimentière) et tricalcique (C3S en notation cimentière), la ferrite de calcium (C2F en notation cimentière) et l'aluminate monocalcique (CA en notation cimentière), les proportions de ces constituants dépendant des quantités d'argiles initiales. Étant donné que la chaux hydraulique contient une quantité importante de l'oxyde de calcium libre CaO, elle s'éteint sous l'action de l'eau. En outre, plus la quantité de CaO libre est grande, moins elle est apte au durcissement hydraulique. Donc, les chaux hydrauliques font une double prise : une première prise à court terme de type hydraulique (assurée par la réaction entre les silicates de calcium ou aluminate et ferro-aluminate de calcium et l'eau qui forment des hydrates insolubles ainsi que de la chaux aérienne) au moment de la mise en oeuvre puis une prise secondaire de type aérienne pendant laquelle la chaux et les hydrates de calcium vont se carbonater au contact de l'air humide pour redonner le carbonate de calcium. Cette carbonatation au contact de l'air est très lente et peut prendre plusieurs années.

Enfin, la différence entre la chaux hydraulique et le ciment se situe au niveau de la proportion des composés minéralogiques qui composent les deux liants, le composé essentiel de la chaux hydraulique est le (C2S) alors que pour les ciments Portland, d'autres silicates ont un rôle prépondérant (notamment le silicate tricalcique, C3S ou alite), de plus, les proportions d'alumine et, surtout de fer, sont souvent très faibles dans la chaux. L'intervention des silico-aluminates ou des ferro-aluminates est ainsi le plus souvent négligeable. L'utilisation de la chaux hydraulique au lieu du ciment dans le béton de chanvre est conditionnée notamment par son faible impact

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environnemental en comparaison avec le ciment, et également parce que la chaux hydraulique est plus poreuse (la chaux hydraulique par sa porosité facilite la pénétration du CO2) que le ciment, ce qui permet une carbonatation adéquate de la chaux aérienne et évite l'effet de farinage. Deux autres effets néfastes du ciment sont observés par Cerezo [57] lorsqu'il a utilisé uniquement le ciment comme liant, le premier effet est l'effet de "farinage" où une couche de 2 ou 3 cm située en surface de l'éprouvette a durci, et l'intérieur de l'éprouvette reste en état de poudre. Cerezo [57] attribue ce phénomène à la compétitivité sur l'eau entre les granulats de chènevotte et le ciment, l'autre effet est "l'humidité rémanente", il a observé cet effet lorsqu'il a utilisé une grande quantité d'eau de gâchage, le ciment durcit lentement, et reste humide très longtemps après la mise en œuvre, ici, le désordre est attribué à la trop faible perméabilité de la matrice qui une fois durcie empêche l'eau contenue dans les granulats de chanvre de s'évacuer. Le béton de chanvre est resté humide même après 1 an et demi de conservation en atmosphère contrôlée avec une température de 20°C et une humidité relative de 50 %.