Les bétons L+C3 et leurs applications

Les bétons à base de liant LC3 (Limestone Calcined Clay Cement) sont déjà connus sur le marché.

Le ciment LC3 est un ciment ternaire composé de :

La désignation CEM II/C-M, de la norme NF EN 197-5, inclut le ciment LC3.

Ils ont été développés pour leur capacité à réduire les émissions de CO₂ de manière significative (jusqu’à 40 % en comparaison avec une formule 100% CEM I) et favorisent l’emploi des matériaux locaux (argiles et calcaires).

Ils sont également reconnus pour leurs bonnes performances mécaniques et leur durabilité.

La performance du LC3 repose sur une synergie d’hydratation entre :

Cela permet de former une microstructure moins poreuse, avec une résistance mécanique et une durabilité comparable aux ciments traditionnels.

Il est possible d’aller plus loin dans la réduction de l’empreinte carbone des ciments utilisant de l’argile calcinée par substitution plus importante du clinker, en intégrant des ultrafines telles que les métakaolins et en intégrant de très fortes proportions de filler calcaire (taux supérieur à 50% de filler calcaire dans liant recomposé).  On obtient alors une formule EXEGY® (formule brevetée par VINCI Construction). Ce liant a été mis en œuvre dans des bétons pour différentes applications, sur des chantiers en France ou à l’étranger qui sont décrites dans ce dossier.

Plusieurs années de recherche et de développement destinées à massifier les bétons bas carbone sans dépendre des quantités disponibles de laitier de haut-fourneau ou de cendres volantes et de leurs prix, ont abouti à cette innovation. Les ultrafines comme le métakaolin, sont fortement réactives et apportent les performances techniques attendues en termes de résistance mécanique et de durabilité pour des bétons courants et parfois supérieures.

Les métakaolins sont des silicates d’alumine déshydroxylés qui présentent de nombreuses qualités pour les bétons. Ils ont un fort effet pouzzolanique et réagissent avec les produits de réaction du ciment pour former des hydrates plus denses (moins poreuses) et permettent ainsi d’améliorer la résistance mécanique et la durabilité du béton. Ils ont également l’avantage, par la formation d’hydrates secondaires, de pouvoir booster la prise du ciment ce qui se traduit par des résistances mécaniques à jeune âge plus élevées et une moins grande sensibilité à la température que des bétons contenant du laitier.

Depuis la révision de 2022 de la norme béton (NF EN 206+A2/CN), les bétons constitués de liant de type L+C3 peuvent être utilisés à condition d’effectuer une justification de durabilité (par rapport aux classes d’exposition) selon l’approche performancielle.

Pour entrer dans les conditions de l’approche performancielle (encadrées par le fascicule FD P18-480), il faut alors procéder à des essais de durabilité (essais de carbonatation, migration des ions chlorures notamment) dans un laboratoire certifié. L’accord de toutes les parties prenantes des chantiers (maitrise d’ouvrage et maitre d’œuvre, entreprise de construction et fournisseur de béton) doivent être obtenues pour une application sur chantier.

L’utilisation d’un béton avec un liant L+C3 est donc assujetti à une préqualification de la durabilité du béton avec des mesures des grandeurs de durabilité en étude initiale en laboratoire, en convenance dans les centrales à béton prévues pour le projet et en contrôle durant la période d’utilisation du béton. Les bétons formulés avec ce type de liants présentent donc des performances techniques équivalentes ou améliorées aux bétons courants.

Il est à noter que ces formulations basées en part importante sur un taux de filler calcaire important permettent d’obtenir des bétons à un prix compétitif sur le marché, pour lesquels l’approche performancielle permet d’atteindre les efficacités techniques attendues, garanties par les essais de qualification normalisés requis.

Les bétons formulés à base de L+C3 sont remarquables pour le faible impact environnemental de leur processus de production.

Les liants L+C3 à base de métakaolin privilégient des ressources abondantes dans plusieurs régions dans le monde et en particulier de France (métakaolin et calcaire).

Les métakaolins sont issus de sources quasi-inépuisables que sont les argiles et peuvent être récupérés en tant que déchets de carrières, permettant d’inscrire ce matériau dans l’économie circulaire. Il s’agit de filières de production locales.

Les métakaolins sont des argiles calcinées ayant ont une production générant moins d’émissions de CO₂ que celle du clinker pour deux raisons principales : la température de chauffe pour produire du métakaolin est beaucoup plus basse que celle du clinker, il n’y pas de phénomène de décarbonatation émetteur de CO₂ supplémentaire (comme pour le clinker qui est majoritaire dans l’émission de CO₂). Par ailleurs, la quantité de métakaolin dans les bétons L+C3 reste limitée (entre 10 et 20 %).

Ainsi, la déclaration environnementale de produit des métakaolins éditée par The International EPD® System d’EPD International présente une empreinte carbone à 360 kg éq. CO₂/m³, qui peut être significativement réduite en procédant une calcination flash limitant le temps de cuisson et l’énergie à la calcination de l’argile.

Enfin, les fillers calcaires utilisés dans les bétons sont issus de roches calcaires broyées finement. Ils ne subissent pas de calcination et ne nécessitent donc pas four. Le calcaire ne se décarbonate donc pas contrairement au calcaire utilisé pour la production du clinker. Des dosages importants en filler calcaire dans une formule de béton L+C3 a une incidence fortement limitée sur l’empreinte carbone du béton.

Des bétons formulés avec du L+C3 ont été utilisés dès 2022 sur des chantiers d’envergure pour couler des radiers, des planchers et des voiles.  Des essais en laboratoire réalisés en amont ainsi que des essais de convenance réalisés sur site ont attesté leur conformité à la norme béton en vigueur pour ces applications, notamment par la validation des critères des approches performancielles.

Dans l’ensemble des bétons formulés pour ces éléments de structures au moins 50% du clinker a été remplacé par du filler calcaire et du métakaolin. De plus, il n’a pas été nécessaire d’adapter les méthodes de construction car les mélanges ont été optimisés, permettant une meilleure prise au jeune âge, notamment en période hivernale, ainsi qu’un décoffrage comme avec un béton classique.

Consulter des exemples de chantiers d’envergure : le CHU de Nantes et la tour Silva

Des volées droites d’escaliers ont été réalisées en béton très bas carbone à base de L+C3 avec succès, permettant ainsi de massifier la fabrication de ces éléments préfabriqués. En tout, plus de 300 volées d’escaliers ont été installées au CHU de Nantes.

Cette forte teneur en filler calcaire de la formule permet d’obtenir des éléments au parement fini de belle qualité, ce qui est un atout pour ce type d’élément auprès des architectes.

Des voussoirs de tunnels très bas carbone ont été réalisés pour l’ouvrage de connexion de la ligne B du métro de Toulouse. Pour ces voussoirs, la formule se compose d’un mélange de filler calcaire et de métakaolin et CEM II/A-LL. La formulation mise au point a permis d’obtenir une mise en œuvre appropriée au coulage des voussoirs en usine et une réactivité suffisante pour respecter les cadences de production de l’usine.

Pour cette application en ouvrage souterrain, il a été nécessaire de justifier la durabilité du béton à la fois vis-à-vis de la carbonatation du béton et aux attaques chimiques dues à la présence de sulfates.

Dans ce cas, la solution EXEGY®L+C3 est doublement vertueuse car elle allie les qualités de durabilité d’un béton standard dont une très bonne résistance à l’acide sulfurique et la réduction de l’impact carbone de 40 %.

Par ailleurs, le choix du métakaolin dans la formulation privilégie une ressource naturelle régionale d’argiles kaoliniques abondante, en particulier dans le Sud-Ouest de la France. Das le cas de ces voussoirs, les autres constituants du béton sont également locaux comme les fillers calcaires et les granulats.

Consulter la réalisation de la connexion de la ligne B du métro de Toulouse (31) par BESSAC

Des glissières de sécurité d’autoroute en béton extrudé ont également été réalisées avec un béton L+C3 à base de métakaolin. Cette 1^ère expérimentation a démontré une adaptation possible sur ce type de bétons. L’utilisation de ce béton n’a eu aucun impact sur la mise en œuvre et l’extrusion et aucun défaut de géométrie n’a été observé.

Le bilan carbone réalisé a montré une économie de CO₂ de plus de 30% ce qui ouvre des perspectives de décarbonation des ouvrages routiers importants, au regard des mètres linaires qu’ils représentent.

Consulter la description du chantier