Matériaux de construction alcali-activés - une nouvelle génération de liants sans ciment pour le béton - CPi worldwide
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TECHNOLOGIE DU BÉTON
Partie 2 : applications et propriétés des matériaux
Matériaux de construction alcali-activés –
une nouvelle génération de liants sans
ciment pour le béton
n Marijana Serdar et Antonino Runci, Université de Zagreb, Croatie
Guang Ye, Université de technologie de Delft, Pays-Bas
John Provis, Université de Sheffield, Grande-Bretagne
Frank Dehn, Institut de technologie de Karlsruhe (KIT), Allemagne
Thanasis Triantafillou, Université de Patras, Grèce
Guillaume Habert, ETH Zurich, Suisse
Stijn Matthys, Université de Gand, Gand, Belgique
Il existe une demande évidente pour une nouvelle géné- Composition des mélanges et rhéologie
ration de matériaux de construction durables, car le béton
à base de ciment Portland ne peut pas relever tous les Les formulations des mélanges sont l‘un des plus gros pro-
défis de la société moderne en termes de durabilité et de blèmes du processus de normalisation des AAM. Cela est dû
soutenabilité. Le projet DuRSAAM (Durable, Reliable, Sus- au fait qu‘il existe de nombreuses combinaisons possibles
tainable, Alkali-Activated Materials) aborde ce problème de matériaux et de compositions mixtes sous le nom d‘AAM,
en établissant un réseau de formation et de recherche qui qui présentent donc des caractéristiques de performance
contribue à une industrie de la construction durable et se différentes. De nombreux facteurs influencent les systèmes
concentre sur l‘utilisation de matériaux de construction et le choix de la bonne composition est souvent basé sur
alcali-activés comme nouvelle génération de liants sans des études empiriques. En raison du grand nombre de pro-
ciment pour le béton. priétés chimiques et physiques possibles des matériaux de
départ, le développement d‘un concept général pour la for-
La première partie de cette publication, publiée dans PBI mulation du mélange d‘AAM est rendu difficile. Li et al. [1] ont
2/2021, traitait de l‘historique des matériaux alcali-activés rassemblé de nombreux exemples de méthodes permettant
(AAM) et d‘un bref aperçu de l‘industrie. Dans cette partie 2, de déterminer la composition du mélange en fonction de
les compositions des mélanges de béton, les propriétés du paramètres spécifiques, d‘exigences de performance ou de
béton frais et durci et les aspects de l‘analyse du cycle de vie modèles statistiques. Duxon et Provis [2] ont développé une
sont abordés. série de mélanges pour les liants aluminosilicates basés sur
Fig. 1 : mélanges de référence basés sur : ciment Portland, cendres volantes alcali-activées, laitier granulé alcali-activé et
fumée de silice alcali-activée [4]
20 PBI – Préfa Béton International – 3 | 2021 www.cpi-worldwide.com
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n Marijana Serdar, PhD, est professeur assistant à l‘Institut pour
les matériaux de construction, Faculté de génie civil, à l‘Univer-
sité de Zagreb en Croatie. marijana.serdar@grad.unizg.hr
n Antonino Runci, MSc, fait son doctorat dans le cadre du projet
DuRSAAM à la Faculté de génie civil de l‘Université de Zagreb en
Croatie. antonino.runci@grad.unizg.hr
n Guang Ye, PhD, est professeur associé à l’Institut pour les
matériaux de construction et la technique environnementale
à l‘Université technique de Delft aux Pays-Bas et y préside le
TECHNOLOGY SO EFFICIENT,
groupe de recherche sur la modélisation du béton et le
comportement des matériaux. g.ye@tudelft.nl
n John Provis, PhD, est professeur en sciences du ciment et des
matériaux de construction et directeur adjoint du département
de sciences et d‘ingénierie des matériaux à l‘Université de
Sheffield, au Royaume-Uni. j.provis@sheffield.ac.uk
that everyone wants it!
n Frank Dehn est professeur de technologie des matériaux de
construction et directeur de l‘Institut de la construction en dur et
de la technologie des matériaux de construction, département
des matériaux de construction et de la construction en béton
(IMB), ainsi que directeur de l‘Institut d‘essai et de recherche sur
les matériaux de Karlsruhe (MPA Karlsruhe) à l‘Institut de techno-
logie de Karlsruhe (KIT). frank.dehn@kit.edu
n Thanasis Triantafillou, PhD, est professeur et directeur du
département de génie civil à l‘Université de Patras et directeur
du laboratoire des matériaux structurels, ainsi que professeur
émérite mondial invité à l‘Université de New York à Abu Dhabi.
ttriant@upatras.gr
n Guillaume Habert, PhD, est titulaire de la chaire de construc-
tion durable et professeur associé à l‘ETH Zurich.
habert@ibi.baug.ethz.ch
n Stijn Matthys, PhD, est professeur de réhabilitation structurelle
à l‘Université de Gand, au laboratoire Magnel-Vandepitte pour
l‘ingénierie structurelle et les matériaux de construction, en
Belgique.stijn.matthys@ugent.be
des cations modificateurs de réseau (en particulier calcium,
magnésium, sodium et potassium) qui offrent une solubilité
suffisamment élevée pour fournir l‘aluminium nécessaire au
gel géopolymère en croissance.
Dans le cadre du projet DuRSAAM, les formulations des
mélanges les plus récentes pour les bétons avec des liants
alcali-activés sont utilisées comme point de départ pour le
développement et l‘optimisation de nouveaux mélanges et
l‘étude détaillée des propriétés rhéologiques. Les mélanges THE PMPM
de référence DuRSAAM ont été adoptés dans le cadre du
RILEM TC 247-DTA « Durability Testing of Alkali-Activated Ma- PLANETARY MIXER
terials » [3]. Au sein de ce comité technique RILEM, divers mé-
langes de béton alcali-activés ont été développés dans le but Independently controlled and infinitely variable rotor and
de permettre la production de bétons présentant différentes whirler speed guarantee practically perfect mixing and
caractéristiques de performance. Sur la base de ces mé- reveal the future for mixing technology.
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langes de référence, les mélanges DuRSAAM sont optimisés mation du film passif sur la surface de l‘acier et la capa-
avec des matières premières disponibles localement pour cité physique des AAM à former une barrière qui résiste
des applications structurelles et non structurelles spécifiques. à la pénétration des chlorures, de l‘eau et de l‘oxygène à
la surface de l‘acier.
Durabilité • Résistance aux cycles de gel-dégel – dommages causés
par le gel-dégel, avec et sans exposition au sel de dé-
Par rapport au ciment Portland (CPO), les AAM ont des pro- givrage, combinés à la charge structurelle.
priétés physiques (structure des pores, tortuosité des pores) • Stabilité volumique – retrait précoce, retrait par séchage
et chimiques (pH et composition chimique de la solution et carbonatation et déformation de fluage.
interstitielle, composition des produits d‘hydratation) diffé-
rentes. La durabilité a été jusqu‘à présent l‘un des principaux Prévision du comportement à long terme
problèmes de l‘application des AAM, car les mécanismes
conduisant à la perte de durabilité des AAM sont différents En complément d‘une étude expérimentale approfondie, le
de ceux connus pour le béton de ciment Portland et néces- comportement à long terme des AAM et des ouvrages à base
sitent des recherches supplémentaires. d‘AAM peut être déterminé au moyen de simulations numé-
En outre, les méthodes d‘essai pour la plupart des propriétés riques et de modélisations.
de durabilité ne sont pas normalisées ou validées pour les
AAM et certaines des exigences prescrites dans les normes Cependant, ce n‘est pas une tâche facile car des prédictions
actuelles pour le béton ne reflètent pas les connaissances de de durabilité fiables nécessitent la connaissance des chan-
base sur la formation de dommages proprement dite dans gements microstructuraux dans le béton, un domaine de re-
le béton. Pour confirmer l‘adéquation des AAM en tant que cherche qui a récemment fait l‘objet d‘une attention particu-
matériaux de construction durables, leurs propriétés de du- lière, y compris pour le béton à base de CPO [7]. Dans la mo-
rabilité et leurs mécanismes de dégradation doivent être délisation multi-échelle des AAM, le principal défi consiste
compris. Ce sujet est donc abordé dans le projet DuRSAAM. à créer une structure d‘AAM réaliste à différentes échelles
En particulier, les projets DuRSAAM visent à porter les ap- et à adapter les propriétés du matériau de construction et
proches analytiques (expérimentales) et conceptuelles (mo- les performances d‘une échelle inférieure aux applications
délisation) de la durabilité de l‘AAM au-delà de l‘état actuel structurelles. Le projet DuRSAAM vise à établir les bases de
de la technique et à développer de nouvelles connaissances la modélisation du processus de réaction de géopolyméri-
et méthodes de conception s‘appuyant sur des bases théo- sation et de la formation microstructurale de la matrice de
riques solides. Les aspects suivants de la durabilité de l‘AAM liant alcali-activée. Le résultat de la modélisation consiste
sont traités en détail dans le projet DuRSAAM : en la description des propriétés chimiques de la solution in-
terstitielle, du taux volumétrique des produits de la réaction
• Carbonatation – carbonatation de la solution intersti- et de la structure des pores capillaires de la matrice de liant
tielle, décalcification des phases riches en calcium et alcali-activée. Les résultats de la modélisation, ainsi que les
carbonatation des produits de réaction secondaires. informations sur les mécanismes d‘endommagement dus aux
• Corrosion de l‘acier – la capacité des AAM optimisés à effets environnementaux, également en combinaison avec
fournir un environnement chimique stable pour la for- les charges structurelles, constitueront la base de la prédic-
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a) b)
Potentiostat à trois
Électrode de électrodes
Contre-
référence
électrode
Électrolyte
Mortier
Électrode de
travail
Fig. 2 : a) arrangement expérimental pour l’étude expérimentale de la corrosion des armatures dans le béton AAM [5],
b) exposition aux intempéries d’éléments en béton AAM de taille réelle dans un environnement maritime sous le pont
de Krk en Croatie [6]
tion de la durée de vie du béton à base d‘AAM. Il est possible années 1950 et ces ouvrages confirment les hautes perfor-
d‘en tirer des lignes directrices pour le choix des matériaux mances des AAM, ainsi que leur durabilité et leur résistance
de base et de la composition de matériaux qui peut être uti- aux attaques chimiques [7]. Du béton alcali-activé avec du lai-
lisée pour atteindre la durée de vie requise des structures en tier granulé a récemment été utilisé en Chine. En novembre
béton dans les conditions d‘exploitation en vigueur. 2013, la construction de l‘immeuble de bureaux du CRICS
(Chongqing Research Institute of Construction Science) a
Applications structurelles débuté dans le district de Yuzhong, à Chongqing. Ce projet
représente la première application structurelle d‘un béton
Outre la réduction des émissions de CO2, les matériaux al- alcali-activé contenant du laitier granulé comme béton coulé
cali-activés représentent une solution alternative possible sur place en Chine [8]. Ici, 550 m3 de béton AAM ont été uti-
au ciment Portland ordinaire en raison de leur haute perfor- lisés pour la construction de la structure porteuse du bâti-
mance ou de leurs propriétés de performance, qui peuvent ment de trois étages. Le projet DuRSAAM se concentre sur le
être adaptées à des applications spécifiques. Les premières développement de plusieurs produits spécifiques pour l‘ap-
applications connues des bétons alcali-activés remontent aux plication structurelle de l‘AAM. Cela comprend, entre autres,
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µ
µ
Fig. 3 : base de la modélisation multi-échelle du béton AAM
(PZ = ciment Portland, HS = laitier granulé, FA = cendres volantes, RSA = cendres de balle de riz)
le béton prêt à l‘emploi AAM, les éléments préfabriqués en comme les principaux responsables de l‘impact environne-
béton AAM, les mortiers de rénovation à base d‘AAM pour les mental global du béton AAM. Dans le cas des activateurs, la
travaux de réparation structurelle, ainsi que les mélanges pré- variabilité des données initiales a une influence majeure sur
fabriqués de FRHPC (béton à hautes performances renforcé les résultats finaux de l‘analyse du cycle de vie (ACV).
par des fibres). Le projet est axé sur le développement et Le projet DuRSAAM se concentre sur le développement
l‘optimisation de ces matériaux de construction, qui peuvent d‘un cadre d‘analyse du cycle de vie pour les ouvrages à
ensuite être adoptés et appliqués par l‘industrie. base d‘AAM, y compris les approches de conception et les
modèles ACV associés, ainsi que les données de base pour
Analyse du cycle de vie les ouvrages à base d‘AAM. L‘objectif de l‘ACV est d‘élaborer
des directives de conception durable qui faciliteraient l‘intro-
Le « profil vert » des ouvrages réalisés en béton AAM est l‘un duction du béton AAM dans l‘industrie de la construction. À
des principaux arguments de vente de ce nouveau type de l‘aide de l‘ACV et de l‘analyse des flux de matériaux (AFM),
matériau de construction. Pour cette raison, une évaluation une évaluation des coûts et des avantages est réalisée pour
approfondie des caractéristiques de durabilité de ces ou- identifier les modèles d‘économie circulaire les plus promet-
vrages par rapport aux ouvrages réalisés en béton conven- teurs.
tionnel à base de CPO est de la plus haute importance. Les
avantages environnementaux liés à l‘utilisation du béton AAM Conclusions et perspectives
résultent de la réduction des émissions de CO2 associées à
la production de clinker (de 60 à 80 % [10]) et de l‘utilisation Dans le cadre du projet DuRSAAM, des solutions pour le
réduite de ressources non renouvelables grâce à l‘utilisation développement et l‘application du béton alcali-activé sont
de sous-produits ou de déchets qui seraient autrement des- en cours d‘élaboration. Le projet est mené par un groupe
tinés à la mise en décharge. L‘impact environnemental des de 13 jeunes scientifiques, chacun se concentrant en détail
matières premières pour les bétons AAM est principalement sur un aspect spécifique des AAM, mais travaillant en étroite
lié au stockage et au transport de ces matériaux ainsi qu‘aux collaboration dans l‘ensemble pour s‘assurer que l‘expertise
processus de prétraitement. Les activateurs sont considérés générée donne une image globale cohérente et pertinente
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Analyse des
Teilhaber- Évaluation
Ökonomische Influences
Politische
ACV
LCA AFM
MFA
analyse Bewertung Einflüsse Modèle CE
CE Modell
participants économique politiques
Fig. 5 : développement du modèle d’économie circulaire le
plus prometteur pour les ouvrages en béton AAM [11]
Remerciements
Le projet DuRSAAM a été financé par le programme de re-
cherche et d‘innovation Horizon 2020 de l‘Union européenne
dans le cadre de la convention de subvention n° 813596.
Nous remercions les doctorants de DuRSAAM pour leurs
activités de recherche, qui constituent le cœur de l‘action
de DuRSAAM.
Les organisations partenaires de DuRSAAM – ArcelorMittal,
Fig. 4 : développement d’un béton textile à base d’AAM Argos, Aurubis, Bekaert, la ville de Gand, la ville de Rotterdam,
pour la rénovation structurelle du béton (photo fournie par CRH, CWare, FDN, Gradmont, LafargeHolcim, l‘Autorité des
A. Arce) [9] travaux publics de Flandre, Owens Corning, ResourceFull,
Sanacon et Tepikat – sont félicitées pour leur engagement
pour l‘industrie. Les principales caractéristiques de perfor- ambitieux en faveur des approches durables dans l‘industrie
mance du projet sont les solides fondations construites sur de la construction et pour leur soutien à DuRSAAM. n
les connaissances de base des mentors universitaires, l‘ex-
périence des mentors industriels et la motivation des jeunes Bibliographie
scientifiques.
[1] Li, N.; Shi, C.; Zhang, Z.; Wang, H.; Liu, Y, “A review on mixture
design methods for geopolymer concrete,” Construction and
Building Materials, vol. 84, no. September 2015, pp. 387–398.
[2] Duxson, P.; Provis, J.; Lukey, G.; Mallicoat, S.; Kriven, W.; van De-
venter, J., “Understanding the relationship between geopolymer
composition, microstructure and mechanical properties,” Colloids
and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, vol.
269, 2005, no. 1–3, pp. 47–58.
[3] Provis, J.; Arbi, K.; Bernal, S.A.; Bondar, D.; Buchwald, A.; Castel, A.;
Chithiraputhiran, S.; Cyr, M.; Dehghan, A.; Dombrowski-Daube, K.;
Dubey, A.; Ducman, V.; Gluth, G.; Nanukuttan, S.; Peterson, K.; Puer-
tas, F. van Riessen, A., Torres-Carrasco, M.; Ye, G.; Zuo, Y. „RILEM
TC 247-DTA round robin test: mix design and reproducibility of
compressive strength of alkali-activated concretes“, Materials and
Structures (2019) 52:99
[4] Runci, A., Chloride ingress and corrosion of steel, DuRSAAM pro-
ject, Karlsruhe meeting, Germany, 2020.
[5] Runci, A.; Provis, J.; Serdar, M. Comparison of chloride-induce
corrosion of steel in cement mortar and mortar based on alkali-ac-
tivated fly ash, 3rd RILEM Spring Convention 2020 Ambitioning a
sustainable future for built environment: Comprehensive strategies
for unprecedented challenges, Guimarães, Portugal, 2020.
[6] Serdar, M.; Bjegović, D. „Performance of concrete reinforced with
corrosion resistant steels exposed to real marine environment“,
Proceeding MTECH 2017, Zagreb, 2017.
Concrete Solutions [7] Palomo, A., Krivenko, P., Garcia-Lodeiro, I., Kavalerov, A., Maltseva,
O., Fernández-Jiméneza, A., A review on alkaline activation:
Rely on our specialists in the highly complex new analytical perspectives, Materiales de Construcción, Vol 64,
No 315 (2014)
field of concrete compaction:
[8] Yang, K.; Yang, C.; Zhang, J.; Pan, Q.; Yu, L.; Bai, Y. (2018): First
structural use of site-cast, alkali-activated slag concrete in China.
• Consultation
In: Proceedings of the Institution of Civil Engineers - Structures and
• Planning Buildings 171 (10), S. 800–809. DOI: 10.1680/jstbu.16.00193.
• Products [9] Arce, A. Fire behaviour of AAMs, DuRSAAM project, Karlsruhe
meeting, Germany, 2020.
www.wackerneuson.com/concretesolutions [10] Mclellan, B., Williams, R., Lay, J.,Riessen, A., Corder, G. Costs and
carbon emissions for geopolymer pastes in comparison to ordinary
portland cement, Journal of Cleaner Production, 2011, 19,
1080-1090.
[11] Komkova, A. Sustainability Assessment of AAM Structures in
the Context of a Circular Economy, DuRSAAM project, Karlsruhe
meeting, Germany, 2020.
26 PBI – Préfa Béton International – 3 | 2021 www.cpi-worldwide.com
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