EFFET DES ADDITIONS MINERALES SUR LES MATERIAUX CIMENTAIRES

Définitions

          La définition actuelle du ciment Portland selon la norme EN 197-1 est la suivante : « Le ciment est un liant hydraulique c’est à dire un matériau minéral finement moulu qui, gâché avec de l’eau, forme une pâte qui fait prise et durcit par suite de réaction et de processus d’hydratation et qui après durcissement conserve sa résistance et sa stabilité même sous l’eau ». Il est formé de constituants anhydres cristallisés ou vitreux, renfermant essentiellement de la silice, de l’alumine et de la chaux. » [1] Le liant hydraulique : c’est une poudre minérale qui forme avec l’eau une pâte faisant prise et qui durcit progressivement, même à l’abri de l’air, notamment sous l’eau. Les liants hydrauliques sont donc le plus souvent appelés « ciment ». Ce sont des poudres fines constituées de silicates et d’aluminates de chaux qui s’hydratent en présence d’eau pour donner naissance à un matériau solide, véritable roche artificielle. Les liants hydrauliques peuvent agglomérer une forte proportion de matière inerte d’où leur emploi bien connu pour la fabrication des mortiers et des bétons. Ils sont capables de durcir sous l’eau, d’où leur nom de « liants hydrauliques ». [2] Clinker Portland (K) : le clinker portland est obtenu par cuisson, au moins jusqu’à fusion partielle, d’un mélange précis de matières premières (farine crue, pâte ou suspension) contenant du CaO, SiO2, Al2O3 apportés par le calcaire et l’argile des roches soigneusement sélectionnées. Ces constituants entrent dans la composition de tous les ciments. [2]

Les ciments et la normalisation

              L’objectif de la normalisation est de répondre à un souci de qualité et de régularité des ciments, grâce à des spécifications rigoureuses de leurs compositions et de leurs caractéristiques. Plusieurs normes sont utilisées, pour la normalisation des ciments. Ces normes peuvent être propres à un pays ou adoptées par un ensemble de pays. Les pays membres de l’Union Européenne (UE), par exemple, utilisent la même norme (EN 197-1) dans le domaine des ciments. A Madagascar, les normes en vigueur et utilisées par les laboratoires de contrôle sont celles publiées par l’AFNOR. La norme de référence des ciments courants est la norme européenne EN 197-1 publiée par l’AFNOR sous la référence NF EN 197-1 « Ciment – Partie 1 : composition, spécifications et critères de conformité des ciments courants ». La norme NF EN 197-1 est subdivisée en trois rubriques :
 une première partie descriptive qui définit les constituants du ciment et délimite les différents types de ciments ;
 une deuxième partie qui fixe les classes de résistance, les spécifications mécaniques et physico-chimiques ;
 une troisième partie consacrée aux critères de conformité, les procédures de leur vérification et les seuils de garantie.

Influence de la granularité

                Il ne faut pas perdre de vue qu’un béton tire du granulat une bonne partie de sa résistance et plus particulièrement du gros granulat. Une part importante de la résistance est fonction de la plus ou moins bonne adhérence du mortier sur la surface des graviers. Cette qualité peut être même plus importante que la résistance et la dureté du gravier lui-même. Pour la résistance du béton frais, le rapport optimal sable/gravier est d’environ 0,38 et les granulats concassés donnent des résistances plus élevées que les granulats roulés. La résistance du béton aux intempéries et à l’action des eaux agressives croit avec la compacité c’est-à-dire que si l’on veut éviter la désagrégation du béton, il convient avant tout de lui composer une ossature inerte aussi compacte que possible.

HISTORIQUE

               Dès les origines de la fabrication du béton de ciment Portland, commencent les recherches sur l’incorporation de produits susceptibles d’améliorer certaines de ses propriétés. On cherche à agir sur les temps de prise, les caractéristiques mécaniques et de mise en œuvre et la porosité.[6]. Dès 1881, Candlot étudie l’action des accélérateurs et des retardateurs de prise. Le sucre est déjà connu comme retardateur de prise et souvent employé à partir de 1909. Entre 1910 et 1920, débute la commercialisation d’hydrofuges et d’accélérateurs à base de chlorure de calcium. À partir de 1930, les entraîneurs d’air sont fréquemment utilisés. Ils seront suivis par les antigels et les produits de cure. Depuis 1960, avec le développement du béton préfabriqué et du béton prêt à l’emploi, les adjuvants prennent une place grandissante. Le contrôle des adjuvants est vite devenu une nécessité. En 1964, est créée la COPLA (Commission Permanente des Liants hydrauliques et des Adjuvants du béton). Elle était chargée de l’agrément et du contrôle des adjuvants ayant une réelle efficacité et pouvant être employés en toute sécurité et d’en établir la liste officielle. Le développement des normes d’adjuvants à partir de 1972 a abouti en 1984 à la mise en place d’une certification par la marque NF Adjuvants, véritable label de qualité. La liste des adjuvants bénéficiant de la marque NF est publiée régulièrement par l’AFNOR. Il faut enfin préciser que les adjuvants ont permis des progrès considérables sur les propriétés des bétons et d’étendre leur champ d’application.

Les entraîneurs d’air

               Ce sont des composés d’addition généralement à base de résines de synthèse : résine Vinsol, aryl alkyl sulfonates, acides gras, etc. Les entraîneurs d’air se présentent sous forme de liquides, de sels solubles ou de poudres insolubles à ajouter au moment du malaxage. Ces adjuvants introduisent volontairement de l’air et agissent en stabilisant les bulles générées lors du malaxage, sous forme d’un très grand nombre de micro bulles, dont 80 % d’entre elles ont un diamètre inférieur à 100 microns, la plupart étant comprises entre quelques microns et quelques dizaines de microns. Ces micro- bulles ne doivent pas être confondues avec l’air occlus, constitué de bulles de tous diamètres généralement supérieurs à 1 mm, réparties aléatoirement dans le béton, qui se trouvent emprisonnées pendant la mise en place. Ils améliorent essentiellement :
 la plasticité et l’ouvrabilité du béton, les bulles agissant comme autant de grains fins analogues à de petites billes souples et sans frottement,
 la résistance au gel du béton durci (antigelif): les très nombreuses petites bulles d’air disséminées dans la masse constituant en effet autant de petits vases d’expansion dans le réseau des canalicules internes pour l’eau interstitielle dont le volume augmente avant la prise en glace: cela évite la désagrégation du béton par gel de cette eau.
Dans la pratique il convient de composer des bétons dont le E/C est limité à une valeur de l’ordre de 0.50, de prévoir un dosage d’adjuvant tel que le pourcentage d’air entraîné soit de 4 à 5% avec un maximum de 8%, en se rappelant que plus la dimension «D» est grande , moins il est nécessaire d’avoir un pourcentage élevé d’air entraîné, le béton contenant alors un pourcentage de pâte moindre. Enfin il est recommandé d’éviter, lors de la mise en place, les durées trop longues de vibration qui diminuent le pourcentage d’air entraîné (deux minutes de vibration en un même point peuvent faire chuter de 6 à 4 % ce pourcentage) et de prévoir une cure efficace immédiatement après mise en œuvre. Les entraîneurs d’air autorisent une diminution du dosage en eau à maniabilité équivalente, ce qui permet de réduire légèrement l’E/C et de compenser ainsi une partie de la chute de résistance provoquée par leur emploi. On peut effectivement chiffrer cette chute de résistance entre 4 et 6 % pour chaque 1% d’augmenta ion d’air entraîné si aucune correct ion telle une diminution du E/C n’est apportée. Cette baisse de résistance étant d’autant plus importante que la valeur initiale des résistances est plus élevée. Différents paramètres influencent le pourcentage d’air entraîné :
 le dosage en ciment : plus il augmente, plus le % d’air diminue à dosage constant en adjuvant :
 la nature et surtout la finesse du ciment : plus le ciment a un Blaine élevé, plus le dosage en adjuvant doit être élevé :
 plus la granulométrie des graviers augmente plus le % d’air entraîné diminue.
Le béton durci contient naturellement une certaine quantité d’air provenant, soit d’un entraînement lors du malaxage, soit de l’évaporation de l’eau de gâchage non fixée. Cet air (de l’ordre de 20 L/m3, soit 2 % du volume) est réparti de manière aléatoire. En revanche, l’entraîneur d’air permet d’en entraîner un volume supérieur et de le répartir uniformément. La résistance au gel du béton durci, ainsi que sa résistance aux sels de déverglaçage, sont considérablement améliorées. Les microbulles qui coupent les réseaux des capillaires limitent le développement des contraintes dues au gel de l’eau interstitielle. L’utilisation des entraîneurs d’air pour les bétons routiers est obligatoire. La valeur de l’air occlus doit être comprise entre 4 et 6 %. Il est recommandé de coupler l’utilisation d’un plastifiant à tout emploi d’entraîneur d’air.

Table des matières

INTRODUCTION
ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE: GENERALITES SUR LE CIMENT
I.1 NOTATION DES CIMENTIERS
I.2 GENERALITES
I.2.1 Définitions
I.2.2 Les matières premières utilisés en ciment
I.3 FABRICATION DE CIMENT
I.3.1 Approvisionnement en matières premières
I.3.2 Dosage du cru
I.3.3 Préparation du cru
I.3.4 Cuisson
I.3.5 Traitement du clinker – conditionnement
I.4 TYPES DE CIMENT ET DOMAINES D’EMPLOI 
I.4.1 Généralités
I.4.2 Les ciments et la normalisation
I.4.3 Types de ciment selon leurs classes de résistance
I.4.4 Les types de ciments de la norme NF en 197-1 (ciments courants)
I.4.5 Les autres de ciments qui font l’objet d’autres normes
I.4.6 Domaines d’emploi des ciments
I.5 CONCLUSION
GENERALITES SUR LES BETONS 
II.1 INTRODUCTION
II.2 LES COMPOSANTS DU BETON
II.2.1 Le ciment
II.2.2 Granulats
II.2.3 Sables
II.2.4 Pierrailles
II.2.5 Eau
II.2.6 Les adjuvants
II.3 LES PROPRIETES ESSENTIELLES ET RESISTANCES DU BETON
II.3.1 Influence de la granularité
II.3.2 Influence du dosage en ciment et du dosage en eau
II.3.3 Influence de la température et de l’humidité
II.3.4 La résistance à la traction
II.3.5 Le phénomène de retrait
II.3.6 L’ouvrabilité du béton
II.4 FABRICATION DU BETON
II.4.1 Approvisionnement des matériaux
II.4.2 Mise en œuvre
II.4.3 Contrôle du béton frais
II.5 CONCLUSION
GENERALITES SUR LES ADJUVANTS 
III.1 HISTORIQUE
III.2 DEFINITION
III.3 FONCTIONS DES ADJUVANTS
III.3.1 Fonction principale
III.3.2 Fonction secondaire
III.3.3 Effets secondaires
III.4 LES DIFFERENTES CLASSES D’ADJUVANTS
III.4.1 Les adjuvants modifiant la maniabilité du béton
III.4.2 Les adjuvants modifiant la prise et le durcissement
III.4.3 Les adjuvants modifiant certaines propriétés du béton
APERÇU SUR LES SUPERPLASTIFIANTS 
IV.1 INTRODUCTION
IV.2 DEFINITION
IV.3 CLASSIFICATION ET CARACTERISTIQUES STRUCTURALES
IV.3.1 Superplastifiants à base de sulfonates
IV.3.2 Superplastifiants à base de carboxylates
IV.4 MODES D’ACTION DES SUPERPLASTIFIANTS
IV.4.1 Adsorption des superplastifiants sur les grains de ciment
IV.4.2 La répulsion électrostatique
IV.4.3 L’encombrement stérique
IV.4.4 Effets rhéologiques
IV.5 AVANTAGES DE L’UTILISATION DES SUPERPLASTIFIANTS 
IV.6 CONCLUSION
ETUDE EXPERIMENTALE  : CARACTERISATION DES MATIERES PREMIERES 
V.1 METHODES DE CARACTERISATIONS ET D’ESSAIS
V.1.1 Caractéristiques physiques
V.1.2 Équivalent de sable
V.1.3 Coefficient volumétrique des granulats
V.1.4 Coefficient d’aplatissement des granulats
V.2 CARACTERISATION DES MATERIAUX D’EXPERIMENTATION
V.2.1 Ciment
V.2.2 Le sable
V.2.3 Le gravillon
V.2.4 Les additions minérales
V.2.5 Les superplastifiants
V.2.6 Eau
V.3 CARACTERISATION DES CIMENTS COMPOSES
V.3.1 Ciment composé avec 10% de pouzzolane
V.3.2 Ciment composé avec des cendres volantes
V.3.3 Ciment composé avec le basalte
V.3.4 Ciment composé avec 5% de basalte, 10% de cipollin et 5% de pouzzolane
ETUDES SUR LES PÂTES PURES ET LES MORTIERS
VI.1 FABRICATION DE PATES DE CIMENT
VI.2 PREPARATION DES MORTIERS NORMAL
VI.3 ESSAIS RHEOLOGIQUES
VI.3.1 Mesure de la consistance : essai de raidissement
VI.3.2 Mesure de la plasticité : étalement Haegermann
VI.4 ESSAIS MECANIQUE
VI.5 RESULTATS
VI.5.1 Essai de raidissement avec le superplastifiant OPTIMA100
VI.5.2 Mesure de l’étalement
VI.5.3 Résistance mécanique des mortiers
VI.6 CONCLUSION
ETUDES SUR LES BETONS
VII.1 FORMULATION DU BETON
VII.2 MISE EN ŒUVRE POUR LA FABRICATION DU BETON 
VII.3 LES ESSAIS DE COMPRESSIONS
VII.4 CARACTERISTIQUES DE BETON ET RESULTATS
INTERPRETATION DES RESULTATS
ANALYSE DE L’IMPACT ENVIRONNEMENTAL
IX.1 LES EMISSIONS DE CO2 DE L’INDUSTRIE CIMENTIERE
IX.1.1 Les émissions énergétiques
IX.1.2 Les émissions de procédé
IX.2 EVALUATION DES IMPACTS
IX.2.1 Les impacts positifs
IX.2.2 Les impacts négatifs
IX.2.3 Solutions proposés pour minimiser les impacts environnementaux
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
REFERENCES WEBOGRAPHIQUES

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