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Fillers calcaires : quel avenir dans les bétons ? 2008/03.03

Fillers calcaires : quel avenir dans les bétons ?Les fillers calcaires font actuellement l'objet du projet FILLTECH, lequel réunit le CSTC, le Centre 'Terre et Pierre' et le département ArGEnCo de l'Université de Liège. Ce projet partiellement financé par la Région wallonne vise à étudier les possibilités et les limites d'utilisation de ces produits comme constituants du béton.

La poussière émanant de l'exploitation de la roche calcaire est appelée 'filler calcaire'. En Wallonie, sa production est aujourd'hui estimée à près d'un million de tonnes par an. L'importance de cette production peut s'expliquer par l'activité sans cesse croissante du secteur carrier. Dans la plupart des cas, ces poussières ne sont pas exploitées. Leur incorporation dans un matériau de construction tel que le béton revêt dès lors un intérêt particulier tant sur le plan économique que sur le plan environnemental. C'est dans le but d'étudier la faisabilité d'une telle voie de valorisation que le projet FILLTECH a été initié.

Ressources disponibles

Les carrières de calcaire en activité couvrent une large partie du territoire wallon. La roche calcaire qu'elles exploitent est utilisée pour la production de granulats, de chaux ou de pierres ornementales.

Les fillers calcaires obtenus dans le secteur de production de la chaux sont des produits principalement secs et particulièrement riches en calcite (CaCO3 > 95 %). En raison de leur grande pureté, et par conséquent de la constance de leur composition, ils font déjà l'objet d'une commercialisation dans des domaines aussi variés que la verrerie, l'agro-alimentaire, l'industrie pharmaceutique, les bétons et les enrobés bitumineux.

Les fillers résultant du travail de la pierre ornementale, bien que très riches en calcite, ne sont actuellement pas valorisés et sont considérés comme des sous-produits industriels. C'est également le cas de la plupart des fillers issus du secteur de production des granulats calcaires. Ces derniers peuvent, par contre, contenir des éléments contaminants en quantité variable.

Fig. 1 Secteurs d'activité dont sont issus les fillers calcaires.
Production de granulats
Travail de la pierre ornementale
Production de granulats Travail de la pierre ornementale

Fillers calcaires étudiés

Six fillers calcaires de caractéristiques physico-chimiques représentatives de ce que l'on trouve dans les sols wallons ont été sélectionnés (cf. tableau 1). Dans le cas des fillers récupérés à l'état humide (boues de sciage ou de lavage), une méthodologie de séchage combinée à un broyage des particules agglomérées a été mise au point. Le traitement préalable des échantillons se justifiait par le fait que, dans une centrale à béton, les fillers sont plus facilement stockés, en silo, à l'état sec qu'à l'état humide. Cependant, à la suite de l'analyse économique qui a mis en évidence l'importance des coûts liés à la phase de séchage, il a également été décidé d'évaluer les possibilités d'utilisation des fillers sous une forme plus ou moins diluée.

Tableau 1 Fillers calcaires sélectionnés pour l'étude (panel représentatif de la production wallonne).
Filler calcaire
Procédé de production
Secteur d'activité
Critères de sélection
F1
Procédé en voie sèche
Criblage
Chaux
Filler calcaire pur (riche en calcite)
F2
Filler calcaire pur, distribution granulométrique bimodale
F3
Séchage / Criblage
Granulats
Présence d'argile, de quartz et de sulfates
F4
Procédé en voie humide
Sciage / Polissage
Pierres ornementales
Finesse élevée
F5
Lavage
Granulats
Présence d'argile
F6
Présence d'argile, de dolomite et de sulfates

La problématique de la demande en eau

L'eau dans le béton joue un double rôle : elle est nécessaire pour hydrater le ciment, mais aussi pour assurer la maniabilité du béton à l'état frais. En général, l'augmentation de la quantité de particules fines dans un béton accroît la demande en eau pour le maintien de son ouvrabilité, puisqu'il faut davantage d'eau pour enrober et donc lubrifier les grains. Dans la mesure où cet ajout d'eau se fait au détriment des résistances mécaniques du béton, et que les superplastifiants (adjuvants fluidifiants) sont des produits relativement onéreux pouvant conduire à des effets secondaires en cas de surdosage, il convient de limiter le besoin en eau des fillers calcaires.

Dans le cas particulier des fillers riches en calcite, la finesse des particules joue un rôle, bien que limité, sur cette caractéristique. Pour les fillers issus des autres secteurs, l'étude a démontré que la contamination par des particules argileuses actives (mise en évidence par un essai d'adsorption du bleu de méthylène) était le paramètre prédominant. L'argile est en effet responsable de la mobilisation d'une partie de l'eau de gâchage nécessaire à l'ouvrabilité du béton.

Le concept du coefficient k : applicable aux fillers calcaires ?

Fig. 2 Résistance en compression du béton de référence sans filler (Réf.) et des bétons additionnés de chacun des six fillers calcaires (F1 à F6).
Fig. 2 Résistance en compression du béton de référence sans filler (Réf.) et des bétons additionnés de chacun des six fillers calcaires (F1 à F6).
Pour garantir une durée de vie suffisante aux ouvrages en béton, des exigences sont imposées à sa formulation, à savoir le respect d'un dosage minimal en ciment et d'un rapport maximal eau/ciment. Lorsque des additions minérales, dites à caractère hydraulique ou pouzzolanique, sont incorporées dans les bétons, elles participent aux réactions d'hydratation de la matrice cimentaire. C'est ainsi que la normalisation actuelle sur les bétons - la norme européenne NBN EN 206-1 et son supplément belge NBN B 15-001 - autorise la prise en compte de certaines additions pour le respect des exigences relatives à la formulation du béton. Cette pratique se fait via l'introduction d'un 'coefficient k' qui quantifie l'activité liante de l'addition minérale et permet de déterminer la quantité d'addition qui participe aux réactions d'hydratation, au même titre que le ciment. Les additions concernées sont les cendres volantes, les fumées de silice et les laitiers moulus de haut fourneau.

En ce qui concerne les fillers calcaires, la situation est très différente. Malgré plusieurs études qui s'accordent sur le fait que les fillers calcaires contribuent au durcissement du béton, le concept du coefficient k n'est pas encore d'application ni en Belgique ni au niveau européen. En France, par contre, la norme NF EN 206-1 associe un coefficient k de 0,25 à certains fillers calcaires lorsqu'ils sont utilisés avec un ciment Portland de type CEM I.

Concrètement, lorsque les exigences de durabilité liées au lieu d'utilisation du béton indiquent un dosage en ciment d'au moins 320 kg par m³ de béton, l'usage d'un coefficient k de 0,25 permet de réduire cette quantité de 25 kg, en cas d'ajout de 100 kg de filler calcaire. Les essais réalisés sur les bétons additionnés des six fillers calcaires indiquent que les pertes de résistance en compression par rapport au béton sans filler sont négligeables à faibles (cf. figure 2).

La durabilité des bétons : une propriété essentielle

S'il est prouvé que l'application du coefficient k permet d'obtenir une équivalence des résistances mécaniques, les performances de durabilité doivent également être vérifiées. En effet, il ne serait pas acceptable que l'ajout de fillers calcaires conduise à une dégradation prématurée de l'élément en béton, à la suite notamment de phénomènes de carbonatation et de pénétration d'ions chlorure (tous deux étant nuisibles à la corrosion des armatures) ou de l'exposition aux cycles de gel-dégel.

Une attention particulière doit aussi être apportée au risque de dégradation du béton par des sulfates, induite par la formation de sels expansifs tels que la thaumasite, le gypse et l'ettringite secondaire. Ces produits expansifs, formés dans la pâte de ciment durcie, entraînent des tensions internes pouvant conduire à une fissuration, voire un éclatement du béton. La probabilité de voir se produire ce type de dégradation augmente si des fillers calcaires sont utilisés, car ces produits sont essentiellement constitués de carbonate de calcium CaCO3 dont les ions interviennent dans les réactions de formation de la thaumasite.

Ces différents aspects sont en cours d'étude dans le cadre du projet FILLTECH.


J. Piérard, ir., conseiller technologique (*) et chef de projet, laboratoire 'Technologie du béton', CSTC
F. Michel, ir., ingénieur de projet, département ArGEnCo, secteur GeMMe, ULg

(*) Guidance technologique 'Mise en œuvre des bétons spéciaux', subsidiée par la Région wallonne.