Les pâtes de ciment, une structure poreuse

Les pâtes de ciment, une structure poreuse

Les additions minérales

La plupart des additions minérales sont des sous-produits provenant de l’industrie et leur coût est souvent égal au coût du transport et de manipulation (broyage par exemple). Ainsi l’incorporation des additions minerales a la formulation de beton comme substituant du ciment (produit plus cher), contribue a reduire le cout du beton. Par ailleurs, l’utilisation généralisée des additions minérales dans le monde contribue aussi à réduire la production du ciment qui nécessite une température élevée, ce qui participe à réduire la quantité de combustible utilisee pour l’industrie du ciment, ainsi que l’emission du CO2 de l’industrie cimentière dans la nature (M. El Barrak, 2005). En général, les additions minérales influencent fortement les propriétés des matériaux cimentaires a l’etat frais et a l’etat durci. Certaines permettent d’ameliorer les proprietes mécaniques (ca depend de l’addition et de l’age du matériau) et d’autres la durabilité des matériaux cimentaires. En raison de leurs petites dimensions, les particules en poudre se glissent entre les grains plus gros (sable par exemple), contribuant ainsi à avoir un squelette solide plus compact et reduisant l’espace libre pour l’eau (F. Lange et col, 1997). Cette optimisation de la granulométrie du squelette total, aide aussi à limiter le ressuage du béton et a augmenter la cohesion de l’ensemble. Par ailleurs, les additions minerales reduisent la chaleur dégagée des matériaux cimentaires lors de l’hydratation, et diminue ainsi la fissuration d’origine thermique (M. EL Barrak, 2005).

Nous pouvons distinguer deux principaux modes d’action d’une addition. Le premier est souvent appelé effet filler ; c’est le cas lorsque, grace a leur finesse, les particules de l’addition peuvent remplir les vides laisses dans l’empilement granulaire forme par le ciment et les granulats. Le deuxieme mode d’action est chimique, l’addition peut avoir un pouvoir de liant, soit par reaction avec l’eau de gachage (liant hydraulique, tels que les laitiers de hauts fourneaux), soit par réaction avec les hydrates du ciment (par réaction pouzzolanique par exemple) (A.E. Hamami, 2009). Lorsque les forces d’attraction de Van der Waals entre les particules d’une suspension cimentaire sont très fortes, ou dominante, le résultat est la création de flocs dans la solution. Ces flocs peuvent être évités par l’ajout d’un superplastifiant qui s’adsorbe sur les particules de ciment et leur confere une charge negative pour neutraliser les forces d’attraction et augmenter les forces de répulsion entre les particules. Le rôle des additions minérales peut s’inscrire dans ce cadre ; l’interposition des fines entre les particules solides de la suspension contribue à modifier sa structure. Ainsi, les additions minérales substituant une partie du ciment agissent généralement en baissant le seuil de cisaillement des bétons (X. Zhang et col, 2000).

Toutefois, l’influence des additions minerales sur la viscosité des matériaux cimentaires est fonction du dosage, du type, de la finesse, de la forme des particules et de la granularité des additions (M. Nehdi et col, 1998)(M. Cyr, 1999) (X. Zhang et col, 2000). L’augmentation du dosage des fines dans une pâte de ciment, pour un dosage constant en ciment, implique l’augmentation de la concentration volumique en solides et donc, favorise généralement la croissance de la viscosité de la pâte. Par contre, pour un dosage en poudre (ciment et addition) constant, la substitution du ciment par de l’addition peut influencer l’ecoulement de la pate de ciment en fonction du type de l’addition (M. El Barrak, 2005).

Filler calcaires

Les fillers calcaires sont des produits secs, très fins, issus du broyage, du sciage, de la taille ou du travail de la roche calcaire naturelle. Ils se présentent sous forme de poudres non abrasives, principalement constituées de cristaux rhomboédriques de calcite (CaCO3), de dolomie ((Ca,Mg)2 CO3) et de quartz (SiO2). Quelques carbonates tels que la sidérite (FeCO3), l’ankérite (Ca2MgFe(CO3)4) et la magnésite (Mg2CO3) sont communément associés aux gisements, en tant que composants mineurs. La dimension maximale des grains, déterminée conformément à la norme EN933-10 doit être inférieure à 2 mm. Le passant au tamis de 63 μm doit, pour sa part, etre superieur a 70 % (F. Michel et col, 2006). Leur surface spécifique est généralement proche de celle du ciment. Les fillers calcaires ne reagissent pas ou peu chimiquement avec les composants du ciment ou l’eau de gachage. Quand ils sont ajoutés aux matériaux cimentaires, ils constituent un lieu de nucléation et de germination pour les hydrates (P. Mounanga, 2003) (A.M. Poppe et col, 2005) (A.E. Hamami, 2009).

De nature inerte, le filler calcaire semble avoir une faible influence sur la demande en eau, et peut conduire à une légère diminution de la viscosité du mélange cimentaire [J.L. Gallias et col, 2000) (M. Cyr et col, 2003). Ceci peut justifier l’utilisation de cette addition a dosages élevés dans la formulation des bétons (BAP et BHP). Cependant, plusieurs auteurs ont remarque que, pour un dosage constant en ciment (ou un rapport E/C constant), l’ajout du filler calcaire contribue a diminuer la viscosite d’une pate de ciment (malgre l’augmentation de la concentration volumique en solides), avant de provoquer une augmentation de la viscosité lorsque son dosage dépasse une certaine valeur critique, qui dépend du rapport E/C [(X. Zhang et col, 2000) (A. Yahia et col, 2005). Yahia et col (2005) montrent qu’a chaque rapport E/C correspond un dosage optimum en filler calcaire qui peut assurer un écoulement optimal du mélange cimentaire. La figure 1.4 montre l’evolution de l’ecoulement (represente par l’etalement relatif et la vitesse relative d’ecoulement) des mortiers a differents dosages en filler calcaire (A. Yahia et col, 2005).

Cendres volantes

Les cendres volantes sont les pouzzolanes artificielles les plus courantes. Elles proviennent de l’industrie metallurgique ou sont contenues dans les gaz en sortie des chaudieres de centrales thermiques produisant de l’electricite suite a la combustion du charbon. Ce sont de fines particules sphériques hétérogènes dont le diamètre peut varier entre 1 et 400 μm, de finesse très élevée, ce qui implique une importante surface spécifique (entre 250 et 600 m²/kg) et facilite la reactivite vis a vis de l’hydroxyde de calcium (C. Perlot, 2005). La composition chimique de ces cendres volantes est très variable selon la nature du combustible, selon l’origine geologique de l’extraction du comburant (le charbon presente des compositions diverses entre sa partie organique qui représente 90% de sa masse et sa partie minérale), et le mode de combustion implique (pulverisation, lit d’effluents, etc.). La norme nord-américaine ASTM C 618-94a sépare en deux classes F et C les cendres volantes (C. Perlot, 2005).

Les plus communes sont les cendres siliceuses, type F, produites à partir de charbon bitumeux. Elles sont majoritairement composees de silice reactive, d’oxyde de fer et d’alumine (70% au minimum pour le total de ces trois composants selon la norme ASTM C 618-94a), et d’une teneur maximale de 5% de trioxyde de soufre. Elles presentent des propriétés pouzzolaniques. La combustion de charbon contenant du lignite produit des cendres calciques, type C, qui sont plus riches en oxyde de calcium (jusqu’a 24% en masse), ce qui induit des propriétés hydrauliques, mais contiennent aussi de la silice réactive et de l’alumine qui correctement activees developpent des proprietes pouzzolaniques. Les matériaux cimentaires contenant des cendres volantes prennent une couleur plus foncée, grise-bleutée, due à la présence de carbone (C. Perlot, 2005). Les cendres volantes présentent une faible influence sur le seuil et la viscosité des pâtes de ciment. Certains auteurs (R. Patel et col, 2004) (P. Nanthagopalan, 2008) remarquent cependant que leur utilisation peut améliorer la fluidité, car leur forme sphérique permet de reduire les frottements entre les grains de ciment. D’un autre cote, par leur faible demande en eau par rapport au ciment, elles sont donc bénéfiques pour la formulation des bétons autoplacants, puisqu’elles permettent de baisser la viscosite et d’ameliorer les propriétés mécaniques des bétons. En 2004 Patel et col ont aussi remarque un autre effet benefique dans l’utilisation des cendres volantes dans les BAP. Ils ont trouvé que la demande en superplastifiant diminue avec l’augmentation de la teneur des cendres volantes.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre 1. Pâtes autoplaçantes : Constituants et paramètres influents
1.1 Introduction
1.2 La pâte autoplaçante
1.3 Constituants des pâtes autoplaçantes
1.3.1 Ciment
1.3.2 L’eau
1.3.3 Les additions minérales
1.3.4 Superplastifiants
1.4 Essais de caractérisations
1.4.1 Essai au mini-cône (NF EN 1961)
1.4.2 Essai au cône de Marsh (NF P 18-358)
1.4.3 Essai de Vicat (NF EN 1963)
1.5 Conclusion
Chapitre 2. Les pâtes de ciment, une structure poreuse
2.1 Introduction
2.2 Hydratation et microstructure des pâtes de ciment durcies
2.2.1 Processus d’hydratation
2.2.2 Hydratation en présence d’additions minérales
2.2.3 Le degré d’hydratation
2.2.4 Microstructure des pâtes de ciment durcie
2.2.5 L’eau dans la microstructure de la pâte de ciment durcie
2.3 Influence des différents paramètres sur la porosité et sa distribution en taille des pores
2.3.1 Influence du rapport Eau/Ciment
2.3.2 Influence des additions minérales
2.3.3 Influence du superplastifiant
2.3.4 Influence de l’âge du matériau
2.3.5 Influence de la température
2.3.6 Influence du volume élevé de pâte
2.4 Techniques de caractérisation
2.4.1 Porosimétrie à l’eau
2.4.2 Porosimétrie par intrusion de mercure « PIM »
2.4.3 Porosimétrie par isothermes de désorption
2.5 Conclusion
Chapitre 3. Caractérisation des pâtes autoplaçantes à l’état frais (Matériaux, Méthodes et résultats)
3.1 Introduction
3.2 Matériaux utilisés
3.2.1 Ciment
3.2.2 Fillers calcaires
3.2.3 La pouzzolane naturelle
3.2.4 L’adjuvant
3.2.5 L’eau
3.3 Matériel et méthode expérimentale
3.3.1 Essai de mini-cône
3.3.2 Compositions des pâtes de ciment
3.3.3 Consistance des pâtes de ciment : aspect visuel
3.4 Résultats et discussions
3.5 Conclusion
Chapitre 4. Caractérisation des pâtes autoplaçantes à l’état durci (Mesure de la porosité et la résistance à la compression)
4.1 Introduction
4.2 Méthode expérimentale et Matériel utilisé
4.2.1 Composition des pâtes étudiées
4.2.2 Préparation des échantillons
4.2.3 Le matériel utilisé
4.3 Résultats et discussions
4.3.1 Résistance à la compression
4.3.2 Prétraitement
4.3.3 Porosité totale
4.3.4 Distribution des tailles des pores
4.4 Conclusion
Conclusion générale et perspectives

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