Soutenance mémoire
Comparaison de la réactivité pouzzolanique des cendres volantes et de la fumée de silice
Poon et al. [POO 01] ont effectué une étude comparative des propriétés des pâtes cimentaires incorporant du métakaolin, de la fumée de silice densifiée et des cendres volantes. Des résultats obtenus, il ressort que :
• La cinétique de la réaction entre la chaux et les cendres volantes est plus lente qu’avec la fumée de silice : malgré un taux d’incorporation de 20 % de cendres volantes, la teneur en chaux du matériau reste très supérieure (9 % de Ca(OH)2 par rapport à la masse de CEM I) à celle des échantillons préparés avec 5 % ou 10 % de fumée de silice (7 % et 4 % de chaux restant dans le matériau respectivement).
• Les réactions pouzzolaniques sont incomplètes à l’échéance de 90 jours.
Intérêt des mélanges ternaires CEM I / fumée de silice / cendres volantes
Les cendres volantes diffèrent de la fumée de silice par leur réactivité beaucoup plus lente : elles ne réagissent qu’après une à plusieurs semaines, lorsque la concentration des alcalins dans la solution interstitielle est devenue suffisante. L’utilisation simultanée d’une pouzzolane à cinétique rapide (fumée de silice) et d’une pouzzolane à cinétique lente (cendres volantes) en remplacement d’une fraction du ciment pourrait conduire à des synergies intéressantes :
• Limitation du retard de prise et gain sur la résistance au jeune âge grâce à la fumée de silice,
• Limitation de la demande en eau, réduction de la chaleur d’hydratation, gain sur la résistance à long terme, réduction du coût grâce aux cendres volantes,
• Forte réduction des coefficients de diffusion due à un affinement du réseau poreux. Les mélanges CEM I / fumée de silice / cendres volantes ont fait l’objet d’études dont les résultats présentent un intérêt dans la perspective de l’élaboration de bétons bas pH. L’ajout en faible concentration (5 % de la masse de liant) de fumée de silice à un ciment aux cendres volantes induit une augmentation de la porosité totale mais unaffinement de la structure poreuse du matériau hydraté [HUA 97]. Poon et al. [POO 99] indiquent que la fumée de silice est particulièrement efficace pour densifier les zones de transition pâte / granulats dans les mortiers ou bétons aux cendres volantes. Langan et al. [LAN 02] ont étudié l’hydratation de pâtes de CEM I contenant de la fumée de silice et / ou des cendres volantes par calorimétrie isotherme à 25°C. Les résultats obtenus ne mettent pas en évidence l’effet de synergie escompté : l’ajout de fumée de silice à la pâte de ciment contenant 20 % de cendres volantes ne réduit pas le retard d’hydratation induit par ces dernières
Mesure du pH d’un matériau cimentaire
En Espagne, Hidalgo et al. [HID 05] s’intéressent eux aussi à la mise au point d’un ciment dont les propriétés ne dégraderaient pas celles de la bentonite présente dans le stockage. Cet objectif peut être en partie atteint en utilisant des matériaux cimentaires bas pH. Afin de diminuer le pH de la solution interstitielle, des cendres volantes et / ou de la fumée de silice sont ajoutés au ciment Portland ou à un ciment alumineux (CA) choisis pour leur faible teneur en alcalins afin de mettre au point des liants binaires et ternaires. Dans ce contexte, il devient nécessaire de développer une méthode précise de mesure du pH de la solution porale d’un matériau cimentaire. Hidalgo et al. considèrent que la façon la plus fiable de mesurer le pH de la phase aqueuse dans un ciment durci est l’extraction de solution interstitielle par compression. Cependant cette méthode est une procédure lourde qui nécessite un équipement particulier et une quantité importante de ciment. De plus, cette méthode ne possède pas de protocole clairement défini. Le but de leurs expériences est de mettre au point une procédure permettant de déterminer rapidement et simplement le pH d’une solution interstitielle.
Caractérisation des matériaux durcis
Les éprouvettes de béton sont caractérisées selon plusieurs tests : variations dimensionnelles et pondérales, résistances mécaniques, porosité accessible à l’eau, diffusion d’ions chlorures à travers le matériau et analyse de la solution porale après extraction par compression.
-Après le gâchage, les éprouvettes de béton sont conservées dans une salle humide (100% HR et 20°C) pendant 24 h puis démoulée s. Les stabilités dimensionnelles des bétons conservés à 20°C sous ai r (50% HR), sous eau et sous enveloppe étanche (éprouvettes recouvertes de papier d’aluminium autocollant pour empêcher une perte d’eau par évaporation) sont étudiées par suivi longitudinal d’éprouvettes 7x7x28 cm pendant 1 an. La résistance à la compression des bétons est mesurée à l’échéance de 28 jours, 90 jours et un an sur des éprouvettes cylindriques 11×22 cm conservées dans une salle humide (100% HR).
-Les porosités accessibles à l’eau sont mesurées par pesée hydrostatique sur des tranches de 5 cm d’épaisseur (3 par formule), issues d’éprouvettes 11×22 cm conservées à 20°C et 100% d’humidité durant un mini mum d’un an (selon le protocole recommandé par AFPC-AFREM [AFP 97]).
-Le coefficient de diffusion des ions chlorures est mesurée sur trois bétons bas pH : B, T1 et T3 âgés de 2 ans et conservés en salle humide (100 % HR et 20°C) grâce à des essais de migration. Dans cette expérience, nous utilisons la cellule développée par le LMDC (Figure II – 4) [NUG 02]. Elle est constituée de deux compartiments : le plus petit, concentrique, est le compartiment amont contenant l’échantillon et la solution de chlorures, et le compartiment aval constitue l’enveloppe de la cellule. L’échantillon d’épaisseur 2,5 cm environ est préalablement saturé sous vide avec la solution support puis placé dans le tube en silicone souple. Un collier de serrage permet d’assurer l’étanchéité du système. Ces cellules ne possèdent pas de système d’agitation des solutions ce qui explique leur inclinaison pour l’évacuation des gaz (H2 et O2) formés par l’électrolyse de l’eau. Le suivi de l’expérience se fait en étudiant la diminution de la concentration en chlorures de la solution amont. Le compartiment amont étant de petit volume (0,5 L) la variation de concentration est facilement mesurable.
Variations dimensionnelles et pondérales
La stabilité dimensionnelle et les variations pondérales des matériaux durcis ont été caractérisées au cours du temps sur des éprouvettes parallélépipédiques (7x7x28 cm) soumises à trois types de cure à température ambiante :
conservation en milieu étanche (éprouvettes recouvertes de deux couches de papier d’aluminium auto collant), pour simuler un vieillissement en milieu confiné,
conservation sous eau pour simuler une situation de lixiviation, et
conservation sous air.
Rappelons que les variations dimensionnelles d’une éprouvette cimentaire sont régies par plusieurs phénomènes :
le retrait endogène qui provient d’un phénomène d’autodessiccation de la pâte de ciment au cours de son hydratation. Après la prise, la diminution de volume due à l’hydratation (le volume molaire des hydrates est inférieur à la somme des volumes molaires des anhydres du ciment et de l’eau participant à la réaction) est incompatible avec la déformation admissible par le solide minéral. On observe alors l’apparition d’un volume gazeux dans la porosité de la pâte initialement saturée en eau et, plus l’hydratation progresse, plus le volume des vides gazeux augmentent. Il se forme des ménisques aux interfaces liquide/gaz. La dépression capillaire engendrée est globalement compensée par une compression dans la phase solide, ce qui engendre le retrait d’auto-dessication. La dépression est d’autant plus élevée que le diamètre des pores dans lesquels se forment les ménisques est faible.
le retrait de dessiccation résultant de la dépression capillaire qui se développe lorsque des ménisques se forment dans la porosité du matériau cimentaire suite à l’évaporation de l’eau vers le milieu extérieur,
le retrait thermique après prise qui résulte du fait que les réactions d’hydratation du ciment sont fortement exothermiques. Il y a donc au sein du matériau, élévation de température, puis retour à la température initiale ; cependant, ce cycle, accompagné d’une expansion puis d’une contraction, peut être négligé dans notre cas, compte tenu de la faible taille des éprouvettes,
Cure en milieu confiné Le béton T2 présente le retrait d’auto-dessiccation le plus important (- 350 µm/m) (Figure II – 7). Dans le chapitre traitant de l’hydratation des pâtes de liants bas pH, l’étude de porosimétrie réalisée aux échéances de un et trois mois sur la pâte de liant T2 conservée à température ambiante montre que ce matériau possède la porosité la plus fine. En effet, après un mois de cure, la fraction des pores de diamètre inférieur à 20 nm représente 64 % de la porosité totale et après trois mois de cure, ces pores représentent 70 %. Le laitier et la fumée de silice ajoutés au clinker ont donc provoqué un affinement important de la porosité du matériau cimentaire qui a engendré un fort retrait d’auto-dessiccation.
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Table des matières
ABREVIATIONS
LISTE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
Introduction
Chapitre I – Du ciment Portland aux ciments bas pH – Approche bibliographique
1 Rappel sur le ciment Portland
1.1 Historique
1.2 Fabrication du ciment
1.3 Constituants du ciment
1.4 Hydratation du ciment
1.5 Chaleur d’hydratation
1.5.1 La solution interstitielle d’une pâte durcie d’un ciment Portland
1.6 Conclusion : conditions nécessaires à l’obtention de liants bas pH à faible chaleur d’hydratation
2 Les ciments avec ajouts
2.1 Les ciments avec ajouts de composés pouzzolaniques
2.1.1 Les ciments à la fumée de silice
2.1.2 Les ciments aux cendres volantes
2.2 Les ciments au laitier
2.3 Intérêt des ciments ternaires
2.3.1 Comparaison de la réactivité pouzzolanique des cendres volantes et de la fumée de silice
2.3.2 Intérêt des mélanges ternaires CEM I / fumée de silice / cendres volantes
2.3.3 Intérêt des mélanges ternaires CEM I / fumée de silice / laitier
2.3.4 Conclusion
2.4 Les ciments normalisés – Conclusion
3 Etat de l’art sur les liants bas pH
3.1 Les liants bas pH à l’international
3.1.1 Béton canadien LHHPC (low heat high performance concrete)
3.1.2 Béton japonais HFSC (high fly ash silica fume cement)
3.1.3 Le béton bas pH suédois
3.1.4 Les ciments bas pH développés en Finlande
3.1.5 Comparaison – Conclusion
3.2 Mesure du pH d’un matériau cimentaire
3.3 Travaux du CEA préliminaires à notre étude
3.3.1 Mélanges binaires
3.3.2 Mélanges ternaires
3.3.3 Conclusion : sélection des liants pour la suite de l’étude
Chapitre II – Formulation et caractérisation de bétons bas pH
1 Matériel et Méthodes
1.1 Composition des matières premières
1.2 Méthodes utilisées
1.2.1 Gâchage des mortiers et des bétons
1.2.2 Caractérisation des matériaux frais
1.2.3 Caractérisation des matériaux durcis
2 Formulation
3 Propriétés des matériaux frais
3.1 Bétons
3.1.1 Air occlus et masse volumique
3.1.2 Affaissement
3.1.3 Retrait au jeune âge
3.2 Mortiers
4 Propriétés des matériaux durcis
4.1 Etude du solide
4.1.1 Variations dimensionnelles et pondérales
4.1.2 Résistances mécaniques
4.1.3 Porosité
4.1.4 Coefficients de diffusion des ions chlorures
4.2 Etude de la solution interstitielle
5 Récapitulatif – Conclusions
Chapitre III – Etude de l’évolution physico-chimique des liants bas pH au cours de l’hydratation
1. Matériels et méthodes
1.1. Etude de l’hydratation de pâtes de liants bas pH
1.1.1. Etude du solide
1.1.1.1 Caractérisations macroscopiques
1.1.1.2 Caractérisations minéralogiques et microstructurales
1.1.2. Etude de la solution interstitielle
1.2. Les liants bas pH après hydratation totale
1.3. La sorption des alcalins par les pâtes de ciment
2. Etude de l’hydratation de pâtes de liants bas pH
2.1. Etude du solide
2.1.1. Caractérisations macroscopiques
2.1.2. Caractérisations minéralogiques et microstructurales
2.2. Etude de la solution interstitielle
2.3. Comparaison des valeurs de pH des solutions porales des pâtes et des bétons
2.4. Récapitulatif
3. Les liants bas pH après hydratation totale
3.1. Minéralogie du solide
3.2. Chimie de la solution en équilibre avec le solide
3.2.1. Comparaison des pH obtenus avec les pH des solutions interstitielles extraites de pâtes âgées d’un an
3.2.2. Etude des liants binaires CEM V / fumée de silice (Q0, Q1, Q2, Q3, Q4, Q5)
3.3. Les systèmes en fin d’expérience sont-ils éloignés de l’équilibre thermodynamique ?
4. Etude de la sorption des alcalins par les pâtes de liants bas pH
4.1. Relâchement des alcalins par des pâtes de liants bas pH et de ciments commerciaux
4.2. Relation entre la valeur du pH de la solution porale et sa concentration en calcium
4.3. Etude du mode de sorption des alcalins dans les pâtes de liants bas pH
5. Conclusion
Chapitre IV – Durabilité des matériaux bas pH – Etude expérimentale et première approche de modélisation
1. Introduction
2. Lixiviation : résultats expérimentaux
2.1. Matériels et méthodes
2.2. Caractérisation du solide dégradé
2.2.1. Etude des échantillons après quatre mois de lixiviation
2.2.2. Etude des échantillons après neuf mois de lixiviation
2.2.3. Comparaison des résultats obtenus sur les solides lixiviés pendant 4 et 9 mois
2.3. Caractérisation de la solution lixiviante
2.3.1. Influence de la composition du liant
2.3.2. Influence de l’âge de l’échantillon
3. Récapitulatif
4. Lixiviation des bétons
5. Lixiviation : modélisation chimique
5.1. Données de base
5.2. Paramètres de modélisation
5.3. Résultats de la simulation
5.3.1. Pâte B
5.3.1.1 Durée de lixiviation : 4 mois
5.3.1.2 Durée de lixiviation : 9 mois
5.3.2. Pâte T1
5.3.2.1 Durée de lixiviation : 4 mois
5.3.2.2 Durée de lixiviation : 9 mois
6. Récapitulatif
Conclusion Générale
Annexes
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