Le rôle du métakaolin dans le béton

(1) L'amélioration de la résistance des coulis et mortiers de ciment est essentielle, car une résistance élevée est un indicateur de la haute performance des bétons. L'un des principaux objectifs de l'ajout de métakaolin est d'améliorer la résistance des mortiers et bétons de ciment.

Poon et al. (2001) ont réalisé des essais de résistance à la compression sur des coulis de ciment présentant un rapport eau/ciment de 0,3, préparés en remplaçant le ciment Portland par 0 à 20 % (fraction massique) de kaolin et de poudre de silice. Les résultats ont montré que la résistance à la compression des coulis de ciment contenant de 5 % à 20 % de kaolin était supérieure à celle du ciment de référence à tous les âges. Le ciment contenant 10 % de kaolin a présenté une augmentation de résistance de 20 % à 28 et 90 jours par rapport au ciment de référence. Le ciment contenant de 5 % à 10 % de poudre de silice a également présenté une augmentation de résistance de 20 % à 28 et 90 jours par rapport au ciment de référence. Sa résistance à 28 et 90 jours est équivalente à celle du ciment au kaolin, mais sa résistance initiale est inférieure à celle du ciment de référence. L'analyse suggère que cela pourrait être lié à une forte agglomération de la poudre de silice utilisée et à une dispersion insuffisante dans le coulis de ciment.

(2) Li Keliang et al. (2005) ont étudié l'influence de la température et de la durée de calcination, ainsi que des teneurs en SiO₂ et Al₂O₃ du kaolin, sur l'activité du métakaolin en vue d'améliorer la résistance du béton. Des bétons à haute résistance et des polymères pour sols ont été préparés à partir de métakaolin. Les résultats montrent qu'avec une teneur en kaolin de 15 % et un rapport eau/ciment de 0,4, la résistance à la compression à 28 jours atteint 71,9 MPa. Avec une teneur en kaolin de 10 % et un rapport eau/ciment de 0,375, cette résistance atteint 73,9 MPa. De plus, pour une teneur en métakaolin de 10 %, l'indice d'activité atteint 114, soit 11,8 % de plus que pour une même quantité de poudre de silicium. Le métakaolin peut donc être utilisé pour la préparation de bétons à haute résistance.

Qian Xiaoqian et al. (2001) ont étudié la relation contrainte-déformation en traction axiale du béton contenant 0, 0,5, 10 et 15 % de kaolin. Ils ont constaté qu'avec l'augmentation de la teneur en kaolin, la déformation maximale en traction axiale du béton augmentait significativement, tandis que le module d'élasticité en traction restait globalement inchangé. En revanche, la résistance à la compression du béton augmentait significativement, et le rapport de résistance à la compression diminuait en conséquence. Pour une teneur en kaolin de 15 %, la résistance à la traction et la résistance à la compression du béton représentaient respectivement 128 % et 184 % de celles du béton de référence.

Cao Zhengliang et al. (2004) ont constaté, dans leur étude sur l'effet de renforcement de la poudre ultrafine de métakaolin sur le béton, qu'à fluidité égale, un mortier contenant 10 % de métakaolin voyait sa résistance à la compression et sa résistance à la flexion augmenter de 6 à 8 % après 28 jours. Le développement de la résistance initiale du béton mélangé à du métakaolin était significativement plus rapide que celui du béton standard. Comparé au béton de référence, le béton contenant 15 % de métakaolin présente une augmentation de 84 % de la résistance à la compression axiale 3D et de 80 % de la résistance à la compression axiale 28 jours, tandis que le module d'élasticité statique augmente de 9 % en 3D et de 8 % à 28 jours.

Huang Zhan et al. (2008) ont étudié l'influence de différents ratios de mélange de métakaolin et de laitier sur la résistance et la durabilité du béton. Leurs résultats montrent que l'ajout de métakaolin au béton de laitier améliore à la fois sa résistance et sa durabilité. Le ratio optimal laitier/ciment est d'environ 3:7, ce qui permet d'obtenir une résistance idéale. La différence de courbure entre le béton composite et le béton de laitier pur est légèrement supérieure à celle du béton de laitier pur, en raison de l'effet des cendres volcaniques du métakaolin. Sa résistance à la traction par fendage est supérieure à celle du béton de référence.

Yang Fengling et al. (2011) ont utilisé des quantités égales de métakaolin, de cendres volantes et de laitier en remplacement du ciment, et ont mélangé séparément le métakaolin avec les cendres volantes et le laitier pour préparer le béton. La maniabilité, la résistance à la compression et la durabilité du béton ont été étudiées. Les résultats ont montré que lorsque le kaolin remplaçait 5 % à 25 % du ciment en quantités égales, la résistance à la compression du béton était améliorée à tous les âges. Lorsque le kaolin remplaçait 20 % du ciment en quantités égales, la résistance à la compression était optimale à chaque âge. La résistance à 3 jours, 7 jours et 28 jours était respectivement supérieure de 26,0 %, 14,3 % et 8,9 % à celle du béton sans kaolin. Ceci indique que, pour le ciment Portland de type II, l'ajout de métakaolin permet d'améliorer la résistance du béton préparé.

Zhang Chengbo et al. (2012) ont utilisé des scories d'acier, du métakaolin et d'autres matériaux comme matières premières principales pour préparer un ciment géopolymère en remplacement du ciment Portland traditionnel, atteignant ainsi les objectifs d'économie d'énergie, de réduction de la consommation et de valorisation des déchets. Les résultats ont montré qu'avec une teneur en acier et en cendres volantes de 20 %, la résistance du bloc d'essai à 28 jours atteignait un niveau très élevé (95,5 MPa). L'augmentation de la quantité de scories d'acier ajoutée contribue également à réduire le retrait du ciment géopolymère.

Chen Guocan (2010) a adopté la méthode technique « ciment Portland + ajout de minéraux actifs + réducteur d'eau à haute efficacité », la technologie du béton à l'eau magnétisée et un procédé de préparation conventionnel. Il a mené des essais de fabrication d'un béton de laitier de pierre à très haute résistance et à faible empreinte carbone, à partir de matières premières locales telles que la pierre et le laitier. Les résultats indiquent que le dosage optimal de métakaolin est de 10 %. Le rapport masse/résistance du ciment, par unité de masse, est environ 4,17 fois supérieur à celui du béton ordinaire, 2,49 fois supérieur à celui du béton à haute résistance (BHR) et 2,02 fois supérieur à celui du béton à poudre réactive (BPR). Par conséquent, le béton de laitier de pierre à très haute résistance, préparé avec un faible dosage de ciment, représente une voie d'avenir pour le développement du béton dans une économie bas carbone.

(3) L'ajout de kaolin résistant au gel au béton réduit considérablement la porosité de ce dernier, améliorant ainsi sa résistance aux cycles de gel-dégel. Feng Naiqian (2002) a constaté qu'après un certain nombre de cycles de gel-dégel, le module d'élasticité d'un échantillon de béton contenant 15 % de kaolin, à 28 jours, est significativement supérieur à celui d'un béton de référence au même âge. L'utilisation combinée de métakaolin et d'autres poudres minérales ultrafines dans le béton permet d'améliorer considérablement sa durabilité.