Caractรฉristiques physico-chimiques et microstructurales des matรฉriaux cimentairesย
Composition et hydratation du ciment
Composition des ciments
Le ciment est un liant hydraulique dont le principal composant est le clinker. Il est obtenu par un mรฉlange de calcaire et dโargile chauffรฉ ร environ 1450ยฐC.
Pour des raisons รฉconomiques et รฉcologiques, des ciments composรฉs ont รฉtรฉ mis au point en se basant principalement sur la valorisation des matรฉriaux locaux et disponibles dโorigines naturelles ou issus des dรฉchets industriels. Dans ces ciments composรฉs, une partie du clinker est remplacรฉe par des composรฉs minรฉraux plus ou moins rรฉactifs. Lโindustrie cimentiรจre utilise notamment des fillers calcaires, des ajouts pouzzolaniques (fumรฉes de silice, cendres volantes, schistes calcinรฉs) et des ajouts potentiellement hydrauliques (laitiers de haut fourneaux). Dans le cas de notre รฉtude, nous allons plus particuliรจrement nous intรฉresser aux additions prรฉsentes dans le ciment composรฉ de CEM V/A (laitiers de hauts fourneaux et cendres volantes) ร partir duquel nous allons formuler une partie de nos matรฉriaux .
Hydratation du ciment portland
Le ciment รฉtant une matiรจre minรฉrale finement moulue, dรจs quโon le mรฉlange avec de lโeau, il forme une pรขte qui fait prise et durcit par suite de rรฉactions dโhydratation. Il se produit alors des rรฉactions chimiques de dissolutions et de prรฉcipitations qui donnent lieu ร la formation de nouveaux composants.
Hydratation des silicates de calcium
Les produits dโhydratation des silicates de calcium sont essentiellement constituรฉs de deux composรฉs dont le principal est une phase amorphe de silicates de calcium hydratรฉs (C-S-H) et lโhydroxyde de calcium Ca(OH)2 ou portlandite (CH).
Les silicates de calcium hydratรฉs (C-S-H) constituent la majeure partie de la phase liante de la pรขte de ciment. En ce qui concerne sa stabilitรฉ, le C-S-H est trรจs peu soluble dans une solution saturรฉe par rapport ร la portlandite (quelques ฮผmol/L, soit de lโordre de 1 mg/L), sa solubilitรฉ augmente quand la concentration en hydroxyde de calcium en solution diminue et si le pH descend au-dessous de 10, il se dissout au profit de la silice qui devient moins soluble (Greenberg, Chang et Anderson, 1960).
La phase la plus soluble de la pรขte de ciment hydratรฉe est celle de lโhydroxyde de calcium ou portlandite (CH) qui a une structure cristalline de type hexagonal. Cโest un composรฉ important car mรชme sโil contribue peu ร la rรฉsistance mรฉcanique de la pรขte de ciment, sa prรฉsence, par son รฉquilibre de solubilitรฉ, maintient le pH (environ 12,5) รฉlevรฉ dans la solution interstitielle (Taylor, 1997). Le bรฉton constitue ainsi un milieu basique qui protรจge les aciers contre les phรฉnomรจnes de corrosion.
Hydratation des aluminates de calcium
Parmi les anhydres prรฉsents dans le ciment, le C3A est le plus rรฉactif et est connu pour avoir une influence significative sur le dรฉbut de prise du ciment portland. En prรฉsence dโeau, il forme des hydrates hexagonaux selon lโรฉquation suivante :
?3? + 21?2? โ ?4??13 + ?2??8 (I-2)
Ces hydrates hexagonaux sont instables et sous lโeffet de la forte exothermicitรฉ, ils se transforment en hydrogrenat C3AH6 cristallisant dans le systรจme cubique. Pour les phases aluminates, on ajoute une faible quantitรฉ de sulfate de calcium sous forme de gypse (CaSO4, 2H2O), dโhรฉmihydrate (CaSO4, 1/2H2O), ou dโanhydrite (CaSO4) afin de ralentir la prise du ciment. En prรฉsence de gypse, la rรฉaction devient :
?3? + 3??ฬ ?2 + 26? โ ?6??ฬ 3?32 (I-3)
Lorsque le gypse est entiรจrement consommรฉ, le trisulfoaluminate de calcium hydratรฉ ou ettringite notรฉ AFt se dissout et forme avec les aluminates excรฉdentaires les monosulfoaluminates de calcium hydratรฉs notรฉ AFm.
Hydratation des ciments composรฉs
Les ciments composรฉs sont obtenus ร partir du mรฉlange par cobroyage ou aprรจs broyage sรฉparรฉ du clinker avec dโautres รฉlรฉments minรฉraux. Nous allons particuliรจrement nousย intรฉresser au ciment composรฉ qui sera utilisรฉ dans cette รฉtude ร savoir le CEM V/A. Les additions prรฉsentent dans ce ciment composรฉ sont essentiellement les laitiers de hauts fourneaux et les cendres volantes :
โช Les laitiers de hauts fourneaux : ce sont des sous-produits de lโindustrie sidรฉrurgique. Ils partagent des caractรฉristiques similaires avec les particules du ciment, comme la finesse, la surface, et ils contiennent une quantitรฉ trรจs limitรฉe de cristaux. Ils sont utilisรฉs comme agents cimentaires pour le bรฉton depuis plus dโun siรจcle (Bijen, 1996).
โช Les cendres volantes : ce sont des particules trรจs fines rรฉcupรฉrรฉes ร partir du systรจme de dรฉpoussiรฉrage des centrales thermiques.
Dโaprรจs les recherches de Hwang et Shen (Hwang et Shen, 1991), le mรฉcanisme dโhydratation des ciments ร cendres volantes et laitiers de hauts fourneaux est identique ร celui du ciment portland ordinaire. Lโobservation par microscopie optique montre que pour les ciments contenant des cendres volantes et laitiers de hauts fourneaux, les cristaux de CH se dรฉveloppent rapidement et contribuent, aux jeunes รขges, au dรฉveloppement de la rรฉsistance de la pรขte ร lโรฉtat plastique. Les rรฉactions pouzzolaniques engendrรฉes par les additions minรฉrales consomment la portlandite dรฉjร formรฉe et rรฉduisent ร un faible pourcentage cet hydrate au profit de celui des C S-H (Powers, 1958). Duchesne et Bรฉrubรฉ (Duchesne et Bรฉrubรฉ, 1995) montrent que les silicates de calcium hydratรฉs issus des rรฉactions pouzzolaniques ou hydrauliques (C-S-H secondaires) sont ร distinguer des C-S-H formรฉs par hydratation du clinker (primaire). Le rapport C/S est gรฉnรฉralement plus faible, du fait que les ciments composรฉs sont plus riches en silice que les ciments portland ordinaires. En effet, de nombreux auteurs ont รฉtudiรฉ la composition des produits dโhydratation du ciment selon le type dโaddition minรฉrale, la variรฉtรฉ et la quantitรฉ utilisรฉe en substitution du ciment.
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Table des matiรจres
Introduction gรฉnรฉrale
I. : Etat de lโart
I.1 Introduction
I.2 Caractรฉristiques physico-chimiques et microstructurales des matรฉriaux cimentaires
I.2.1 Composition et hydratation du ciment
I.2.1.1 Composition des ciments
I.2.1.2 Hydratation du ciment portland
I.2.1.2.1 Hydratation des silicates de calcium
I.2.1.2.2 Hydratation des aluminates de calcium
I.2.1.3 Hydratation des ciments composรฉs
I.2.2 Structure poreuse des matรฉriaux cimentaires
I.2.2.1 Microstructure des pรขtes de ciment et bรฉtons durcis
I.2.2.2 Caractรฉrisation de la microstructure
I.2.2.2.1 Porositรฉ totale et distribution de la taille des pores
I.2.2.2.2 Mรฉthodes de caractรฉrisation de la microstructure
I.2.2.2.3 Facteurs influents
I.3 Transferts dans les matรฉriaux cimentaires
I.3.1 Lโeau dans la pรขte de ciment
I.3.1.1 Classification de lโeau
I.3.1.2 Mรฉcanismes dโadsorption et de dรฉsorption
I.3.1.2.1 Adsorption capillaire
I.3.1.2.2 Imbibition capillaire
I.3.1.2.3 Dรฉsorption capillaire
I.3.1.3 Isothermes de sorption
I.3.2 Modes de transfert de lโhumiditรฉ
I.3.2.1 Transfert diffusif de lโhumiditรฉ
I.3.2.2 Transfert dโhumiditรฉ par permรฉation
I.3.2.2.1 Notions sur la permรฉabilitรฉ
I.3.2.2.2 Permรฉabilitรฉ au gaz
I.3.2.2.3 Permรฉabilitรฉ au liquide
I.3.2.2.4 Permรฉabilitรฉ ร la vapeur
I.3.3 Modรฉlisation des transferts hydriques en milieux poreux
I.3.3.1 Etat de lโart des modรจles de transfert hydrique
I.3.3.2 Rรฉcapitulatif
I.4 Mรฉthodes de mesure non destructives pour le suivi de la teneur en eau
I.4.1 Thermographie Infrarouge
I.4.2 Gammadensimรฉtrie
I.4.3 Technologie radar
I.4.4 Sondes thermo-hygromรฉtriques (THR)
I.4.5 Rรฉsistivitรฉ รฉlectrique
I.4.5.1 Dรฉfinition et principe de la mรฉthode
I.4.5.2 Mรฉcanismes de conduction du courant รฉlectrique dans les matรฉriaux
I.4.5.3 Les facteurs influenรงant la rรฉsistivitรฉ du bรฉton
I.4.6 Rรฉcapitulatif des techniques de mesure non destructives
I.5 Conclusions
II Chapitre II : Matรฉriaux et Mรฉthodes : Stratรฉgies dโacquisition des paramรจtres de transfert et de suivi des cinรฉtiques
II.1 Introduction
II.2 Matรฉriaux dโรฉtude
II.2.1 Composition
II.2.2 Fabrication et conservation des matรฉriaux
II.2.3 Caractรฉrisation ร lโรฉtat frais
II.2.4 Caractรฉrisation ร lโรฉtat durci
II.2.4.1 Rรฉsistance en compression et module de Young
II.2.4.2 Porositรฉ accessible ร lโeau et masse volumique apparente
II.3 Acquisition des paramรจtres de transferts nรฉcessaires ร la modรฉlisation
II.3.1 Sorption de vapeur dโeau
II.3.2 Permรฉabilitรฉ au gaz
II.3.3 Permรฉabilitรฉ ร la vapeur
II.3.4 Permรฉabilitรฉ au liquide
II.4 Mรฉthodologie de dรฉtermination des profils de teneur en eau ร partir de la rรฉsistivitรฉ รฉlectrique
II.4.1 Principe de mesure de la rรฉsistivitรฉ
II.4.2 Modรฉlisation du facteur gรฉomรฉtrique
II.4.3 Essais prรฉliminaire et mise au point de dispositifs de mesure
II.4.4 Mesure locale de la rรฉsistivitรฉ par anneaux de cuivre
II.4.4.1 Configuration et protocole de mesure
II.4.4.2 Validation du dispositif de mesure par anneaux de cuivre
II.4.4.2.1 Facteur gรฉomรฉtrique
II.4.4.2.2 Analyse des mesures
II.4.4.2.3 Calibration de la rรฉsistivitรฉ par anneaux de cuivre
II.4.5 Mesure locale de la rรฉsistivitรฉ par capteurs en circuit imprimรฉ
II.4.5.1 Configuration et protocole de mesure
II.4.5.2 Validation du dispositif de mesure par capteurs en circuit imprimรฉ
II.4.5.2.1 Facteur gรฉomรฉtrique
II.4.5.2.2 Analyse des mesures
II.5 Etude des mรฉcanismes entrant en jeu dans un processus de rรฉรฉquilibrage hydrique
II.5.1 Mesure expรฉrimentale de lโimbibition capillaire dโeau dans les bรฉtons
II.5.2 Expรฉriences de sรฉchage/ humidification sur des bรฉtons
II.5.3 Mise en place dโun dispositif de suivi du rรฉรฉquilibrage hydrique entre deux matรฉriaux
II.6 Conclusions
III Chapitre III : Propriรฉtรฉs de transferts hydrique dans les matรฉriaux cimentaires : analyses et interprรฉtations des rรฉsultats
III.1 Introduction
III.2 Analyses des paramรจtres de transfert
III.2.1 Isothermes de sorption ร la vapeur dโeau
III.2.1.1 Analyse des courbes de suivi de masse
III.2.1.2 Analyse des isothermes de sorption de vapeur dโeau
III.2.1.3 Analyse de la chute initiale de lโisotherme de dรฉsorption aux fortes humiditรฉs relatives
III.2.2 Permรฉabilitรฉ au gaz
III.2.2.1 Permรฉabilitรฉ apparente au gaz
III.2.2.2 Permรฉabilitรฉ intrinsรจque et relative au gaz
III.2.3 Permรฉabilitรฉ au liquide
III.2.4 Diffusion de vapeur (Permรฉabilitรฉ ร la vapeur)
III.3 Etudes des mรฉcanismes entrant en jeu dans un processus de rรฉรฉquilibrage hydrique
III.3.1 Expรฉriences de sรฉchage/humidification sur des bรฉtons
III.3.1.1 Analyse des courbes de suivi de masse
III.3.1.2 Analyse des profils de rรฉsistivitรฉ au cours du sรฉchage
III.3.1.3 Analyse des profils de rรฉsistivitรฉ au cours de lโhumidification
III.3.2 Mesure expรฉrimentale de lโimbibition capillaire dโeau dans les bรฉtons
III.3.2.1 Analyse des courbes dโabsorption dโeau
III.3.2.1.1 Influence du prรฉconditionnement et du degrรฉ de saturation initial
III.3.2.1.2 Influence du type de ciment et de lโรฉpaisseur des matรฉriaux
III.3.2.2 Analyse des profils de rรฉsistivitรฉ et hauteur de front dโeau au cours de lโimbibition capillaire
III.3.2.2.1 Mise en รฉvidence dโun temps de redistribution de lโhumiditรฉ plus long que le temps de sรฉchage
III.3.2.2.2 Profils de rรฉsistivitรฉ et hauteur de remontรฉe capillaire
III.3.3 Suivi du rรฉรฉquilibrage hydrique entre deux matรฉriaux
III.4 Conclusions
Conclusion gรฉnรฉrale