Les paramètres importants qui interviennent sur la formation des efflorescences, lors des différentes étapes qui ont été décrites précédemment, sont récapitulés ci-dessous.
Les conditions atmosphériques (température et humidité relative). Elles interviennent sur
la dissolution et le transfert des espèces. Les configurations favorables sont :
- Une humidité relative élevée. Elle permet d’avoir une phase liquide continue dans le
réseau poreux, favorable aux transferts des ions calcium, ainsi que de maintenir une pellicule d’eau en surface.
- Une période suffisamment longue durant laquelle l’humidité relative reste élevée,
permettant la diffusion des ions sur toute la surface à travers la pellicule d’eau. - Une température basse, permettant une solubilité importante du CaCO3.
Les propriétés du matériau :
- La porosité et la perméabilité du matériau dépendent de la géométrie du réseau
capillaire (diamètre et densité des pores), elle-même liée au rapport eau/ciment (E/C) : la porosité augmente avec ce rapport. La géométrie intervient sur les mouvements hydriques qui contrôlent le transfert des ions jusqu’en surface. Les pores les plus favorables aux efflorescences ont une taille comprise entre 0,1-1 µm.
- La formulation du ciment intervient sur la composition de la solution interstitielle. La
présence d’alcalins augmente la solubilité du CO2. La teneur en ions calcium dans la
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Afin d’atténuer l’intensité des efflorescences, il est donc possible d’agir sur les paramètres précédemment énumérés. Nous allons préciser comment procéder.
Maîtrise des conditions de cure
Il est préconisé de protéger les mortiers fraîchement maçonnés, pendant la durée nécessaire au matériau pour développer, lors de son hydratation, une structure capillaire suffisamment fine. Ceci afin d’éviter qu’un film d’eau se forme en surface avant que les pores aient une taille inférieure à la taille critique, favorable aux efflorescences [EFF-95].
Traitement de surface
Un traitement de surface, comme une couche de peinture hydrofuge, permet de bloquer l’accès des ions calcium à la surface du matériau, ou peut être utilisée après l’apparition des efflorescences pour les masquer.
Par ailleurs, un brevet déposé par la société Rohm & Haas évoque l’utilisation d’un revêtement polymère [HSU-98]. Ce revêtement colmate l’orifice des pores et semble ainsi efficace pour limiter les efflorescences. Cependant, dans le cas de certaines applications, par exemple les murs antibruits, la porosité est une propriété nécessaire à la fonction du produit et ne doit pas être supprimée. Cette solution n’est donc pas adaptée de manière générale.
Diminution de la perméabilité et de la porosité
Diminuer la perméabilité du matériau permet de réduire l’intensité des efflorescences, puisque les mouvements hydriques sont ainsi limités. Il est possible d’optimiser la compacité du béton en réduisant la quantité d’eau de gâchage ou en utilisant des adjuvants adaptés (polysaccharides) [RAM-95b]. Cependant, une certaine perméabilité est nécessaire pour une bonne résistance au gel du ciment [BAR-96].
Modification de la concentration en ions de la solution interstitielle
DOW et GLASSER préconisent de limiter la teneur en alcalins (sodium et potassium) dans les ciments, car ceux-ci favorisent la solubilité du CO2 [DOW-03].
BREDY rapporte que le métakaolin (argile traitée thermiquement), améliore l’aspect de surface, dans le cas d’un mur fabriqué avec des blocs de béton, en contribuant à la disparition des efflorescences [BRE-90].
L’utilisation, en substitution du ciment, d’un produit à base de métakaolin est devenue une approche industrielle pour atténuer l’intensité des efflorescences. Cependant leur réduction par ce moyen relève encore uniquement du savoir faire industriel.
De nombreuses études, portant sur l’influence de l’emploi du métakaolin sur la porosité de la pâte du ciment, montrent que le métakaolin conduit à une réduction de la taille des pores de la pâte. Le phénomène qui en est à l’origine est une réaction, dénommée réaction pouzzolanique, entre le métakaolin, les ions calcium et les ions hydroxydes présents dans la solution interstitielle [KHA-96] [FRI-00b] [SAB-01] [ROJ-05]. Cette réaction semble être la cause de la baisse de l’intensité des efflorescences, en agissant de manière bénéfique sur deux des paramètres principaux contrôlant les efflorescences : porosité du matériau et composition de la solution interstitielle.
Cette réaction peut être obtenue soit en utilisant un adjuvant ayant des propriétés pouzzolaniques (comme le métakaolin, la fumée de silice, les cendres volantes ou encore le laitier de haut fourneau), soit un ciment contenant déjà des pouzzolanes (ciment de type CEM II, IV ou V).
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Le mécanisme d’apparition des efflorescences primaires est complexe. Ce processus se déroule de la manière suivante :
- Dissolution des phases anhydres du ciment, libérant des ions calcium, et dissolution du
gaz carbonique dans l’eau, produisant des ions carbonates. - Diffusion des ions calcium en surface.
- Précipitation du carbonate de calcium.
Ces étapes sont contrôlées par les paramètres principaux cités ci-dessous. - Paramètres physiques :
♦ Température. ♦ Humidité relative.
- Propriétés du matériau :
♦ Composition de la solution interstitielle.
♦ Porosité et perméabilité du matériau, et plus précisément, géométrie du réseau
capillaire.
L’atténuation des efflorescences est réalisable de différentes manières. L’une des solutions consiste à remplacer une partie du ciment par un produit pouzzolanique. Ce produit engendre une réaction pouzzolanique avec le ciment qui semble jouer sur deux des principaux paramètres contrôlant l’apparition des efflorescences. Cette approche étant une piste intéressante pour la réduction des efflorescences, nous avons donc choisi de travailler avec les métakaolins. Aussi, la réaction pouzzolanique va être détaillée dans le paragraphe III.
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Une pouzzolane est un matériau riche en silice et en alumine, ayant peu ou pas de propriété liante. Cependant, sous forme pulvérulente et en milieux aqueux, elle a la propriété de réagir, aux températures ambiantes, avec l’hydroxyde de calcium pour former des hydrates analogues à ceux du ciment.
Les pouzzolanes peuvent être classées en deux catégories suivant leur origine : naturelles ou artificielles. Les premières résultent d’éruptions volcaniques et doivent leur nom à la ville de Pouzzoles près du Vésuve. Elles n’ont pas forcément, dans leur état naturel, de propriétés pouzzolaniques et sont utilisées comme granulat pour la confection de bétons légers. Des exemples de ce type de matériau sont les cendres et les tufs volcaniques. Les pouzzolanes artificielles sont des matériaux fins ou broyés, dont les propriétés chimiques sont activées par un traitement thermique approprié (750 à 850°C). Ce traitement provoque une déshydratation et modifie la structure du matériau. Ces pouzzolanes sont utilisées notamment comme constituants secondaires des ciments. Un exemple de ce type de matériau est le métakaolin qui est obtenu à partir de la cuisson du kaolin.
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Nous allons nous intéresser à la préparation du métakaolin, aussi nous présentons dans un premier temps le matériau avant traitement thermique : le kaolin.
III.2.1 Kaolin
III.2.1.1 Définition
Le kaolin est une roche argileuse caractérisée par une teneur significative en minéraux de la famille de la kaolinite. La kaolinite (Al2Si2O5(OH)4) appartient évidement à cette famille,
de même que ses structures polymorphes : la dickite et la nacrite ainsi que la métahalloysite [CAI-63]. Ce sont des minéraux argileux appartenant à la famille des phyllosilicates dioctaédriques.
III.2.1.2 Structure cristalline de la kaolinite
Les phyllosilicates ont une structure en feuillets dont l’épaisseur est un des critères permettant leur classement [JOU-90]. Les minéraux appartenant à la famille de la kaolinite présentent des feuillets élémentaires d’une épaisseur d’environ 7 Å.
Ces feuillets sont constitués par l’association de deux couches (Figure 10.a) : Une couche tétraédrique constituée de tétraèdres SiO4.
Une couche octaédrique, dont les sites octaédriques, non équivalents, sont au nombre de trois et notés A, B et C : deux sur trois sont occupés par des Al (sites A et B), le site C est vacant.
Les groupements hydroxyles occupent certains sommets des octaèdres :
Trois hydroxyles sur quatre occupent des positions au bord des feuillets et sont appelés hydroxyles externes.
Un hydroxyle sur quatre est situé entre le plan des atomes de silicium et le plan des atomes d’aluminium et il est appelé hydroxyle interne.
(a) (b)
Figure 10 : (a) Structure de la kaolinite (b) Forme des plaquettes
La cohésion entre feuillets est assurée par des liaisons hydrogènes. Le proton, des hydroxyles externes constituant le plan supérieur d’un feuillet, est situé dans le voisinage immédiat des atomes d’oxygène du plan inférieur du feuillet suivant. Il subit alors l’attraction des atomes d’oxygène des deux couches. Cet assemblage peut se faire suivant différentes positions des deux plans, entraînant des déplacements relatifs des feuillets. La position des feuillets détermine le système cristallin du minéral. Ainsi, la kaolinite est caractérisée par
l’ordonnance parfaite des couches qui la composent, les feuillets se retrouvant identiquement placés les uns par rapport aux autres. La maille est alors constituée d’un seul feuillet (Figure 10.a) [JOU-90].
La kaolinite cristallise dans le système triclinique, dont les paramètres de mailles sont : = 91°8 β = 104°5 = 90° a = 5,14 Å b = 8,93 Å c = 7,37 Å
La kaolinite se présente sous la forme de plaquettes hexagonales (Figure 10.b) de dimensions variables : leur diamètre étant d’environ 0,3 µm à 10 µm (diamètre du cercle adjacent) et leur épaisseur allant de 0,05 µm à 2 µm [JOU-90].
III.2.1.3 Défauts présents dans la kaolinite
Comme la plupart des minéraux argileux, la kaolinite peut présenter différents types de défauts cristallins :
Fautes d’empilement, dans le plan des feuillets ( ba, ), relatives à des translations entre feuillets successifs ou à un changement de position du site octaédrique vacant, de la position C vers la position B.
Distorsions de l’épaisseur de l’empilement selon l’axe ( c ), perpendiculaire aux feuillets.
Défauts de surface.
Ainsi, suivant sa provenance, la kaolinite naturelle se présentera sous une forme allant de bien cristallisée à très désordonnée [CAS-82] [CHM-02].
III.2.1.4 Gisements
Deux types de gisement dont sont issus les kaolins peuvent être distingués, primaires et secondaires. Les gisements primaires proviennent de l’altération, sur place, de roches granitiques. La kaolinite qui en résulte est relativement pure, avec peu d’inclusions d’éléments, comme le fer, le potassium, le chrome. Un gisement secondaire est obtenu après transport et dépôt de kaolin, postérieur au processus de kaolinisation. Le kaolin est alors plus riche en kaolinite et présente une distribution granulométrique plus fine. Les plaquettes de la kaolinite sont mal cristallisées et enrichies en fer structural [CAS-82].