Soutenance mémoire
L’utilisation de laitiers broyés de haut-fourneau (GGBS en anglais pour Ground Granulated Blastfurnace Slag) en remplacement du ciment Portland est une des réponses possibles à la nécessité de développer des liants cimentaires à faible empreinte carbone. La norme EN 197-1 (2012) définit les ciments contenant de forts taux de laitier de haut fourneau sous les dénominations CEM III A, B et C, fonction du taux de substitution (36%- 65%, 66%-80%, 81%-95% respectivement). Les bétons et mortiers contenant des liants cimentaires riches en laitier sont également reconnus comme généralement plus durables. La maîtrise de la durabilité des produits constitue un enjeu majeur afin de garantir la pérennité des structures et la sécurité des usagers. Elle permet également de limiter les réparations et le renouvellement des structures à moyen et long terme en augmentant leur durée de vie de service. La norme EN 206 et son complément national (2014) définissent différentes classes d’exposition en fonction de l’environnement dans lequel se trouve l’ouvrage (risque de corrosion en présence de chlorures ou par carbonatation, gel/dégel, environnements chimiques agressifs,…). Les formulations contenant de forts taux de substitution de laitier de haut-fourneau sont reconnues pour leur résistance à la pénétration des chlorures externes pouvant conduire à la corrosion en raison de leurs propriétés de transfert mais aussi d’une plus grande capacité de fixation des chlorures au sein de la matrice cimentaire.
Durabilité des bétons formulés avec CEM III
Les indicateurs de durabilité sont utilisés pour caractériser le réseau poreux et les propriétés de transfert d’un mélange afin d’y associer une durabilité potentielle. Une synthèse de la littérature abondante sur le sujet est proposée dans cette partie afin de montrer l’intérêt de l’utilisation de ces systèmes par rapport à des mélanges contenant moins de laitier.
Porosité
Pour les matrices cimentaires à base de ciment portland, les pores sont généralement séparés en deux grandes familles : les pores capillaires (de 200 à 700nm) et la porosité interne aux hydrates (de 2 à 30nm). La porosité capillaire joue un rôle prépondérant dans les propriétés de transfert des bétons et sur la durabilité. Elle se réduit naturellement lors de la progression de l’hydratation. Le rapport eau/liant doit être optimisé pour améliorer la réaction des phases anhydres tout en limitant la porosité associée à l’eau libre non utilisée [Cyr, 2013 ; Luo 2003 ; Divsholi, 2014]. Dans les mortiers et les bétons, la présence de granulats induit la présence de zones de transition interfaciales (ITZ en anglais) entre granulats et pâte de ciment qui participent à la porosité et aux transferts associés d’espèces chimiques.
La mesure de la porosité totale est définie de façon normative par pesée du matériau saturé après pénétration d’eau sous vide, puis par pesée du matériau après séchage [Afnor, 2010 – NF P18-459]. A jeune âge, l’ajout de laitier induit généralement une augmentation de la porosité en comparaison d’un mélange contenant du ciment Portland seul. Toutefois, à long terme, la réaction du laitier entraîne une porosité totale qui est souvent globalement du même ordre de grandeur que celle du mélange sans laitier. Par contre, des mesures de distribution de taille de pores par porosimétrie mercure démontrent une diminution de la taille pores dits capillaires avec l’augmentation de la teneur en laitier [Luo, 2003 ; Ha Won Song, 2006 ; Cyr, 2013, citant Feldman, 1983 et Uchikawa, 1986]. Ce phénomène est souvent qualifié d’affinement de la structure poreuse. Les mesures de distribution de taille de pores sont associées à des modèles critiquables, typiquement des pores de géométrie sphérique dans le cas de la porosimétrie mercure. Ainsi ces mesures ne permettent pas de déterminer quantitativement l’affinement. Cet affinement traduit en réalité une modification des caractéristiques générales de la porosité telles que la connectivité porale plus faible. La connectivité et la tortuosité du réseau poreux capillaire influencent les propriétés de transfert (perméabilité, diffusion) relatives à la résistance à la pénétration des espèces agressives dans le matériau. Ces mécanismes dépendent de la réactivité du laitier (et donc du ciment Portland associé), de la durée de la cure, du rapport e/c ou encore de la température ([Divsholi, 2014]). Une cure plus longue ainsi qu’un rapport E/C réduit semblent favoriser l’affinement poral.
L’affinement du réseau poreux augmente la résistivité électrique du système [Basheer et al. 2002]. En effet, un courant électrique circule préférentiellement dans la solution interstitielle, riche en ions, plutôt que dans les phases solides moins conductrices. Si la taille des pores se réduit, le courant a plus de difficultés à circuler dans le réseau poreux. Les mélanges à base de laitier présentent donc une plus grande résistivité que ceux qui n’en contiennent pas. Cette augmentation de résistivité est bénéfique au béton car cela lui permet de s’opposer de manière plus importante au passage du courant, ce qui pourrait expliquer la meilleure résistance à la corrosion des mélanges contenant des laitiers. Cet aspect est développé dans la partie 3 du présent chapitre. Des résultats similaires sont également montrés par l’étude de la conductivité (l’inverse de la résistivité).
Propriétés de transferts
Perméabilité
La perméabilité est le paramètre décrivant la capacité d’un matériau à se laisser plus ou moins rapidement traverser par un liquide ou un gaz soumis à un gradient de pression. La perméabilité est influencée par la microstructure du système, mais aussi par l’état de saturation en eau de la porosité, par la pression appliquée ainsi que par la température En ce qui concerne l’état de saturation, il est donc nécessaire de préconditionner les éprouvettes afin de faire des essais normalisés. Les principaux essais employés utilisent soit de l’eau, soit de l’air [Afnor, 2014 – XP P18-463]. La perméabilité à l’air est plus souvent rencontrée dans la littérature de par sa plus grande facilité de mise en œuvre.
Les résultats de la littérature sont relativement dispersés. Afin de les synthétiser, sans pour autant comparer des bétons différents par leurs compositions, la solution d’une représentation relative de la perméabilité par rapport à la résistance mécanique en compression est choisie, en s’appuyant sur les travaux de Cyr [d’après Cyr, 2013] . On remarque que les mélanges présentant des résistances mécaniques plus faibles que leurs témoins ont également une perméabilité légèrement plus élevée. Toutefois, cette différence est relativement faible.
Certains auteurs avancent que la perméabilité des mélanges à base de laitier est meilleure [Hooton, 2000 ; Cheng, 2005 ; Ha-Won Song, 2006], et Hooton précise qu’il faut que la cure soit correctement réalisée. Dhir a réalisé des mesures de perméabilité intrinsèque à 28 et 90 jours sur des bétons composés de différents taux de subsitution en laitier (0%, 33,3%, 50% et 66,7%). Il a montré que la perméabilité est équivalente entre les mélanges contenant des laitiers et ceux composés uniquement de ciment Portland [Dhir, 1996].
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Table des matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE 1 – ÉTAT DE L’ART
1.Durabilité des bétons formulés avec CEM III
2. Impact de la présence de chlorures dans les matrices cimentaires
3. Corrosion en présence de chlorures
4. Carbonatation des matrices contenant des laitiers
CHAPITRE 2 – MATÉRIAUX ET MÉTHODES
1. Matériaux
2. Méthodes expérimentales
CHAPITRE 3 – EFFETS DE L’ACTIVATION SUR LES PROPRIÉTÉS DE DURABILITÉ
1. Etude de la prise sur pâte et des résistances mécaniques et du retrait
2. Etude sur bétons
3. Durabilité des mélanges activés avec chlorures
CHAPITRE 4 – ÉVALUATION DE L’ÉTAT DE CORROSION ASSOCIÉ À L’AJOUT DE CHLORURES
1. Étude paramétrique du risque de corrosion par essais Tafel
2. Risque de corrosion associé à l’ajout de chlorures
CHAPITRE 5 – STABILITÉ DU PIÉGEAGE DES CHLORURES EN CAS DE CARBONATATION
1. Pérennité du piégeage des chlorures : résultats expérimentaux
2. Modélisation couplée carbonatation/diffusion des ions chlorures
3. Résultats des simulations numériques
CONCLUSION GÉNÉRALE
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES
