La réduction de l’empreinte carbone du béton constitue aujourd’hui un enjeu majeur pour le secteur de la construction, en particulier en raison des émissions associées à la production du clinker. Dans ce contexte, le recours à des liants à faible teneur en clinker, intégrant des additions minérales telles que le laitier de haut-fourneau, le métakaolin ou le calcaire, apparaît comme une voie prometteuse. Toutefois, la diminution de la teneur en clinker modifie la composition chimique et la microstructure de la matrice cimentaire, ce qui peut influencer les propriétés de transfert et la durabilité des bétons armés, notamment vis-à-vis des risques de corrosion induite par la carbonatation ou par les ions chlorure.
Ces travaux de thèse visent à évaluer l’influence du type de liant, de la compacité, de la cure et des conditions de conservation sur les performances de durabilité de bétons à faible impact environnemental. Un programme expérimental a été mis en œuvre sur plusieurs formulations de béton incorporant des additions minérales telles que le métakaolin, le laitier de haut-fourneau et additions calcaires, avec deux niveaux de rapport eau/liant. Les propriétés mécaniques, les indicateurs de durabilité et les performances vis-à-vis de la carbonatation et de la pénétration des chlorures ont été étudiés pour différentes conditions de cure et de conservation.
Les résultats montrent que les formulations à faible teneur en clinker permettent une réduction significative de l’impact carbone par rapport à une formulation de référence. En conservation humide, les bétons incorporant du métakaolin ou du laitier présentent des performances particulièrement favorables vis-à-vis de la pénétration des ions chlorure, en lien avec une résistivité électrique élevée et une microstructure plus raffinée. Leur comportement vis-à-vis de la carbonatation apparaît davantage dépendant de l’équilibre entre réserve alcaline et compacité : si la diminution de la teneur en clinker peut réduire la capacité tampon de la matrice, un rapport E/L adapté permet de maintenir de bonnes performances. Les conditions de conservation après démoulage constituent un paramètre déterminant : une conservation hors d’eau, avec humidité relative modérée peut altérer le développement de la microstructure et les performances de transfert, en particulier pour les formulations intégrant des additions minérales, tandis qu’une compacité accrue permet d’atténuer en partie ces effets.
Une analyse spécifique des cinétiques de carbonatation a également été menée afin de discuter la pertinence des lois classiques en racine carrée du temps pour les bétons à faible teneur en clinker. Les résultats mettent en évidence que ces cinétiques ne peuvent pas toujours être décrites de manière satisfaisante par un exposant constant égal à 0,5, en particulier lorsque la microstructure continue d’évoluer sous l’effet des conditions de conservation. Une formulation de type « loi puissance », intégrant un exposant propre aux conditions de conservation, est proposée afin de mieux représenter les cinétiques observées en carbonatation accélérée et naturelle.
Ces travaux contribuent ainsi à améliorer la connaissance des bétons à matrice cimentaire ternaire, en les étudiant dans des conditions d’usage plus proches de celles rencontrées sur chantier. Ils mettent en évidence l’intérêt des bétons à faible teneur en clinker pour réduire l’impact environnemental des ouvrages, tout en soulignant la nécessité de prendre en compte conjointement le type de liant, la compacité ainsi que les conditions de cure et de conservation pour garantir leur durabilité. Ils pourraient également contribuer à alimenter une réflexion sur les évolutions normatives nécessaires pour permettre une intégration plus large des formulations à empreinte carbone réduite dans les pratiques de construction.
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Reducing the carbon footprint of concrete is now a major challenge for the building sector, particularly due to the emissions linked to clinker production. In this context, the use of low-clinker binders with mineral additions such as ground granulated blast-furnace slag, metakaolin or limestone seems to be a promising approach. However, decreasing the clinker content modifies the chemical composition and microstructure of the cementitious matrix, which may influence the transport properties and durability of reinforced concrete, particularly with regard to the risks of corrosion induced by carbonation or chloride ingress.
This PhD work aims to assess the influence of binder type, compactness, curing and storage conditions on the durability performance of low-environmental-impact concretes. An experimental program was carried out on several concrete mixtures incorporating mineral additions such as metakaolin, slag and limestone, with two water-to-binder ratio levels. Mechanical properties, durability indicators, and performance with respect to carbonation and chloride ingress were investigated under different curing and storage conditions.
The results show that low-clinker concrete mixtures can achieve a significant reduction in carbon impact compared with a reference mixture. Under moist storage conditions, concretes containing metakaolin or slag show rather favourable performance regarding chloride ingress, in relation to their high electrical resistivity and more refined microstructure. Their behaviour with respect to carbonation appears to depend more on the balance between alkaline reserve and compactness: while the decrease in clinker content may reduce the buffering capacity of the matrix, an appropriate W/B ratio can help maintain good performance. Storage conditions after demoulding are a key parameter: storage without direct water exposure, at moderate relative humidity, can affect microstructure development and transfer performance, notably for formulations containing mineral additions, while increased compactness can partially mitigate these effects.
A specific analysis of carbonation kinetics was also carried out in order to discuss the relevance of classical square-root-of-time laws for low-clinker concretes. The results show that these kinetics cannot always be adequately described by a constant exponent equal to 0.5, particularly when the microstructure continues to evolve under storage conditions. A power-law formulation, incorporating an exponent related to the storage conditions, is proposed in order to better represent the kinetics observed under both accelerated and natural carbonation.
Overall, this work contributes to a better understanding of ternary cement-based concretes by studying them under conditions close to those of construction sites. It highlights the potential of low-clinker concretes to reduce the environmental impact of structures while ensuring to jointly consider the type of binder, compactness, curing and exposure conditions to ensure their durability. It could also contribute to discussions on the normative developments needed to enable broader integration of low-carbon-footprint formulations into building practices.
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