Soutenance mémoire
Microstructure du ciment
Le ciment est un liant hydraulique qui, mélangé avec l’eau, donne des produits avec une résistance mécanique et chimiquement stables même dans l’eau. Le ciment Portland, le plus répandu parmi les liants hydrauliques, c’est un mélange de gypse et clinker [1]. La préparation du clinker consiste à cuire un mélange de calcaire (80%) et de (20%) d’argile dans un four porté à une température d’environ 1450°C [2]. La fonction du gypse (CaSO4, 2H2O) dans le ciment Portland est d’éviter le phénomène de « fausse prise » grâce à la formation d’un écran momentané de cristaux d’ettringite à la surface des grains de C3A très réactifs à l’eau [3]. Ceci ralentit l’hydratation de C3A et évite ainsi le phénomène de prise rapide (raidissement très rapide de la pâte, résultat d’un manque d’ion SO4 2- dans la solution de gâchage) [4].
La portlandite
La portlandite est la seule phase solide dans la pâte de ciment qui est présentée sous une forme relativement pure. Elle cristallise en plaquettes hexagonales, parfois massives et empilées entre les grains de ciment partiellement hydratés. Etant donné la grande taille des cristaux, la portlandite a une faible surface spécifique et les forces de liaisons avec ces cristaux sont faibles. Ces cristaux se trouvent en forte concentration sous forme de couches dans l’auréole de transition (interface entre la pâte de ciment et les granulats) ou en bordure des bulles d’air. Par ailleurs, si elle ne trouve pas assez d’espace pour cristalliser, la portlandite peut aussi se trouver à l’état amorphe [13].
L’interface pâte-granulats
Les propriétés mécanique et la durabilité des matériaux cimentaires dépendent non seulement de la qualité de la pâte de ciment (nature du ciment utilisé, rapport E/C, adjuvants, etc.), de la nature et la granulométrie des agrégats et de la proportion de chacun deux, mais elles sont également liées à la qualité de la liaison qui s’établit Lors de l’hydratation entre la pâte de ciment et les particules granulaires [17]. Cette liaison donne naissance à une zone appelée « auréole de transition » ou « zone de transition interfaciale ». Nous présentons le modèle de Diamond [10] sur la Figure I.5. On observe, autour des granulats, une zone de pâte hydratée particulière. Sa première couche, plus proche de la surface des granulats, très compacte est composée de cristaux de portlandite orientés perpendiculairement aux granulats. La deuxième couche d’épaisseur 0,5 µm, est composée de feuillets de CSH. Après la deuxième couche de Ca(OH)2, nous passons dans la zone de forte porosité avec des grains de grande dimension et de faible cohésion et par conséquent de moindre résistance mécanique que la matrice. Cette zone représente le point faible des bétons soumis aux sollicitations mécaniques et les premières fissures contournent les granulats et passent à travers la matrice. La qualité de l’auréole de transition est fortement liée à la nature des granulats [18]. Nous distinguons les granulats réactifs et neutres en contact avec la pâte de ciment. Pour les granulats calcaires (dit : réactifs), on observe une amélioration de la liaison pâte – granulats du fait de leur réaction continue avec les éléments de la pâte de ciment. En effet le carbonate de calcium (CaCO3) présent dans les granulats calcaires réagit avec l’aluminate tricalcique et les alumino – ferrites tétracalcique pour former des monocarbo– aluminates de calcium C3A CaCO3.H11. Ainsi, la zone de transition entre les granulats calcaires et la pâte de ciment est plus résistante et de perméabilité plus faible. L’augmentation de la résistance du matériau béton réalisée avec les granulats de cette nature a été observée contrairement aux granulats du type siliceux, qui sont neutres par rapport à la pâte de ciment [19] et l’interface qu’il forme avec la pâte présente une résistance mécanique plus faible et une perméabilité aux gaz plus accrue. Il est à souligner également que la forme des granulats joue un rôle très important car on observe des liaisons plus rigides, au niveau de l’auréole de transition, pour des granulats concassés que pour des granulats roulés [20]. Dans les bétons ordinaires, cette interface pâte/granulat est mécaniquement plus faible et présente une porosité plus importante que le reste de la pâte, les pores plus grossiers dans cette zone, deviennent un réseau de cheminement privilégié pour les transports de masse [21], [18]. Pour les bétons à haute performance, modifiés par l’ajout de fumée de silice, nous pouvons obtenir une réduction de la porosité et de l’épaisseur de cette zone. En comparant avec le BO, où l’auréole de transition est d’environ 50 µm, son épaisseur pour les BHP est limitée à 12 µm. La source [22], signale absence de la zone de contact dans les bétons à haute performance (Figure I.6) où l’ajout de la fumée de silice permet la consommation de la portlandite, en densifiant la structure du matériau, tout en améliorant ses performances mécaniques. Lorsque le rapport E/C (eau/ciment) augmente, cette zone devient plus épaisse, plus poreuse et par conséquent moins résistante.
Evolution de l’interface pâte granulats
Dans les bétons, l’interface pâte-granulat est la partie la plus fragile, la plus poreuse et la mieux cristallisée. La présence de la fumée de silice réduit sa porosité et permet ainsi une bonne adhérence entre la matrice cimentaire et les granulats. Par contre cette zone est moins riche en gel de CSH. A haute température cette partie, appelée aussi l’auréole de transition, se dégrade progressivement en montant en température. Ceci est dû au départ de l’eau piégée dans les pores et liée chimiquement. Le retrait de dessiccation favorise le développement des fissures et au delà de 120 °C, les phénomènes de déshydratation engendrent une détérioration rapide au niveau de cette zone à cause de la dilatation différentielle entre la pâte de ciment (retrait) et les granulats (expansion). Plus le matériau est hétérogène plus la différence entre les coefficients de dilatation thermiques des constituants est importante. Ces coefficients varient en fonction de la température, et dépendent du type granulat et de ciment utilisés. Ceci a été confirmé par Diederichs et al [42] en effectuant des essais de mesure du coefficient de dilatation thermique avec différentes natures de granulats.
Résistance en compression à hautes températures
L’évolution de la résistance en compression en fonction de la température a été le sujet de plusieurs investigations expérimentales. Cette évolution est affectée par de nombreux paramètres : nature du liant et des granulats, rapport agrégat/ciment, rapport E/C [40]. Phan [52] dans ses travaux, rassemble les résistances en compression résiduelles obtenues au cours de ses essais et une partie des résultats obtenus par d’autres chercheurs. L’allure générale des courbes débute par une chute de résistance au voisinage de 100 à 150°C, suivi d’un accroissement de résistance entre 300 et 350°C, puis d’une chute de résistance continue avec la température au-delà de 350°C.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
Chapitre I : Etude bibliographique
I.1. INTRODUCTION
I.2. MICROSTRUCTURE DU BETON DURCI
I.2.1. Microstructure du ciment
I.2.2. L’eau dans la pâte du ciment durcie
I.2.3. Granulats
I.2.4. L’interface pâte-granulats
I.2.5. Structure poreuse du béton
I.3. LES BETONS EN SITUATION ACCIDENTELLE – HAUTES TEMPERATURES
I.4. EFFETS DE LA TEMPERATURE SUR LA STRUCTURE ET LES PROPRIETES THERMIQUES ET PHYSIQUES DU BETON
I.4.1. Evolution des composants et de la structure du béton
I.4.1.1. Evolution de la pâte de ciment
I.4.1.2. Evolution des granulats
I.4.1.3. Evolution de l’interface pâte granulats
I.4.2. Evolution des propriétés physiques du béton au cours de l’échauffement
I.4.2.1. Densité apparente
I.4.2.2. Perméabilité
I.4.2.3. Perte de masse
I.4.2.4. Evolution de la porosité
I.5. EFFET DE LA TEMPERATURE SUR LE COMPORTEMENT MECANIQUE DES BETONS
I.5.1. Résistance en compression à hautes températures
I.5.2. Résistance en traction à hautes températures
I.5.3. Module d’élasticité à hautes températures
I.6. COMPORTEMENT AU FEU DU BETON A HAUTE PERFORMANCE : ECLATEMENT DU BETON
I.6.1. Phénomène d’éclatement et d’écaillage du béton
I.6.2. Mécanisme du phénomène
I.6.3. Moyens de prévention de l’éclatement
I.6.3.1. fibres polypropylène
I.6.3.2. Protection thermique
I.7. CONCLUSION
Chapitre II : Caractérisation des matériaux et formulation des bétons à haute performance
II.1. INTRODUCTION
II.2. CARACTERISATION DES MATERIAUX UTILISE
II.2.1. Le ciment
II.2.2. Additions minérales
II.2.2.1. Fillers de laitiers granulé
II.2.3.2. Fumée de silice
II.2.3. Granulats
II.2.4. Fibres de polypropylène
II.2.5. Superplastifiant
II.2.6. Eau de gâchage
II.3. FORMULATION DES BETONS D’ETUDES
II.4. CONFECTION ET CONSERVATION DES EPROUVETTES
II.5. CYCLE DE TRAITEMENT THERMIQUE DES BETONS
II.6. PROCEDURES DE LA DETERMINATION DES PROPRIETES DU BETON A L’ETAT FRAIS
II.6.1. Maniabilité
II.6.2. Masse volumique
II.6.3. Air occlus
II.7. RESULTATS ET INTERPRETATION DES PROPRIETES DU BETON A L’ETAT FRAIS
II.7.1. La maniabilité
II.7.2. Masse volumique
II.7.3. Air occlus
II.8. CONCLUSION
Chapitre III : Comportement physique et mécanique des bétons à haute performance sous l’effet de la température
III.1. INTRODUCTION
III.2. PROTOCOLE EXPERIMENTAL
III.2.1.Propriétés physique
III.2.1.1. Perte de masse résiduelle
III.2.1.2.Porosité accessible à l’eau
III.2.2. Propriétés mécanique
III.2.2.1. Resistance résiduelle en compression
III.2.2.2. Résistance résiduelle à la traction par flexion
II.2.3. Module de déformation dynamique (Essai non destructif)
II.2.2.4. Essai de mesure de l’ouverture de fissure (la lunette micrométrique)
III.3. RESULTATS ET DISCUSSION
III.3.1.Propriétés physique
III.3.1.1. la perte de masse résiduelle
III.3.1.2.Porosité accessible à l’eau
III.3.2. Propriétés mécanique
III.3.2.1. Resistance résiduelle en compression
III.3.2.2. Résistance résiduelle de la traction par flexion
III.3.2.3. Module de déformation dynamique résiduelle (Essai non destructif)
III.3.3. Phénomène d’écaillage ou fissuration
III.4. CONCLUSION
Chapitre IV : Microstructure des bétons à haute performance
IV.1. INTRODUCTION
IV.2. PROTOCOLE EXPERIMENTAL
IV.2.1. Observation au microscope électronique à balayage
IV.2.2. IV.2.2. Analyse par Diffraction des Rayons X (DRX)
IV.2.3. Analyse Thermogravimétrique (ATG)
IV.3. RESULTATS ET INTERPRETATION
IV.3.1. Observation au microscope électronique à balayage
IV.3.2. Analyse par Diffraction des Rayons X (DRX)
IV.3.3. Analyse Thermogravimétrique (ATG)
IV.4. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
REFERENCE BIBLIOGRAPHIQUE
ANNEXE
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