REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE MENTOURI CONSTANTINE FACULTE DES SCIENCES DE LINGENIEUR

DEPARTEMENT DE GENIE-CIVIL

N0 Dordre : Srie :

THESE

Prsente pour obtenir du diplme de Doctorat en science

en Gnie Civil

Option : Matriaux

Prsente par : AMOURI Chahinez

Directeur de thse

Professeur : HOUARI Hacne

Soutenue le.2009 devant le jury compos de :

Prsident : Dr. CHIKH. N.E Professeur, Universit Mentouri, Constantine

Rapporteur : Dr. HOUARI. H Professeur, Universit Mentouri, Constantine

Examinateurs : Dr. BELACHIA.M Professeur, Universit de Skikda

Dr. CHEIKH-ZOUAOUI.M Matre de Confrences, Universit de Oum El-Bouaghi

Dr. ABDOU. K Matre de Confrences, Universit Mentouri, Constantine

Contribution ltude de linfluence des diffrents ajouts

sur les proprits des matrices cimentaires

(Caractrisation, Performances, Durabilit)

Ddicace

Je ddie ce travail mes parents dont le soutien et les

encouragements ininterrompus ont permis ce travail de voir le jour

Je tiens exprimer tout au fond de mon cur mes reconnaissances toute ma famille.

Remerciements Jai lhonneur dtre dirig par mon Professeur HOUARI. H, dans la prsente recherche. Je vous

remercie normment mon professeur pour avoir encadr et suivi ce travail avec patience au long de

ces quatre annes.

OUSTADI merci beaucoup pour votre disponibilit, pour les nombreuses et intressantes discussions

scientifiques, pour les remarques et orientations constructives, pour les nombreux conseils aviss,

pour vos encouragements quotidiens, pour ne pas avoir cess, pour le soutien permanent, pour votre

comprhension, pour la confiance que vous avez accorde et quil a toujours tmoigne mon gard,

pour votre coute et, tout simplement pour votre gentillesse.

Je vous remercie OUSTADI normment, cest vous qui a su attiser en moi lintrt et lamour pour la

science des matriaux de construction et qui ma donn toute ma motivation ces derniers mois de

mmoire. Vous voyez que votre geste porte fruit. Grce votre aide prcieuse, ce mmoire ne se

serait pas termin de la sorte.

Le grand humanisme, la simplicit, lenthousiasme et la pdagogie, le dynamique et la grande

comptence ainsi la dmarche scientifique de notre Professeur HOUARI. H resteront pour nous un

modle. Nous avons trouv dans ses grandes qualits humaines et sa culture une source inpuisable

denrichissement. Jai bnfici, grce lui, dun Professeur vrai.

Je tiens exprimer tout au fond de mon cur mes reconnaissances votre famille dont vous avez pris

une grande part de leur temps afin daccomplir ce travail, quils trouvent ici toutes mes

reconnaissances et lexpression de toute ma gratitude.

Je voudrais galement adresser mes plus sincres remerciements Monsieur CHIKH. N.E. Professeur

lUniversit de Constantine, pour avoir, sacrifi de leur temps, accept de prsider le jury.

Je dsire trs sincrement remercier Monsieur BELACHIA. M. Professeur lUniversit de Skikda,

Monsieur CHEIKH-ZOUAOUI. M. Matre de confrence lUniversit dOum El-Bouaghi et

Monsieur ABDOU. K. Matre de confrences lUniversit de Constantine, pour avoir accepts la

lourde tche den tre les rapporteurs, malgr leurs multiples responsabilits.

Le travail a t ralis avec laide attentionne du personnel des organismes suivants : (L.M.D.C

Constantine, L.T.P. Est Constantine, Cimenteries Tbessa et Constantine, E.N.G. Constantine).

Une thse ne se bti pas seul, aux personnes qui mont soutenu, de prs ou de loin, tout au long de ce

travail, trouvent ici le tmoignage de ma plus sincre gratitude.

Rsum :

Les matrices cimentaires confectionnes avec des ajouts ont fait lobjet de nombreuses tudes.

Toutefois aucune rgle gnrale na encore t dgage pour quantifier les effets de telles

additions, vis--vis des performances des mortiers, car le mlange des diffrents matriaux

nest pas une opration simple, cause des incompatibilits qui peuvent exister entre

diffrents constituants. Par ailleurs, le mlange de matriaux compatibles ne conduit pas

toujours aux mmes rsultats ; des interactions (ou interactivits) ventuelles peuvent exister

entre les diffrents types de matriaux. Ces interactions peuvent se manifester par des

synergismes ou des antagonismes entre les constituants, et sont difficiles dtecter.

Ainsi, peu dtudes ont t effectues pour mettre en vidence les interactions ventuelles

entre les diffrents composants des mlanges cimentaires. Les chercheurs reconnaissent le

besoin doutils complexes et performants pour mener des tudes dans ce domaine.

La dure de vie dun ouvrage en bton est trs souvent lie la capacit du bton empcher

les agents agressifs de pntrer dans sa porosit. Certains environnements sont agressifs pour

le bton, ils peuvent occasionner des attaques acides importantes. Des gonflements et

lclatement du bton, cest notamment le cas des zones soumises au gel, des

environnements marins et des environnements chimiques (notamment les milieux industriels

et agricoles).

Cette tude apporte un clairage sur ladquation des diffrents composants. Dans le but

dtudier des additions, sur les performances ltat frais et durci des mortiers. Les

paramtres de ltude sont la nature et la teneur de laddition minrale, type des adjuvants,

types de ciments et le rapport E/C. ainsi cette tude a mis en vidence, leffet du mode de

traitement.

Pour amliorer ltat de connaissance sur ce sujet, un programme exprimental a t tabli

dans le but dobtenir des informations sur la lixiviation acclre sur mortier sous solution de

nitrate dammonium.

Ainsi nous nous sommes intresss uniquement ltude de lixiviation, ses effets sur les

caractristiques physiques et mcaniques.

Mots cls : Matrices cimentaires, additions, adjuvants, mode de conservation performance,

proprits, durabilit.

Abstract

Cementing matrices made with additives were the subject of many studies. However no

general rule was still released to quantify the effects of such additions, with respect to the

performances of the mortars, because the mixture of various materials is not a simple

operation, because of the incompatibilities which can exist between various components. In

addition, the mixture of compatible materials always does not lead to the same results;

interactions (or interactivities) possible can exist between the various types of materials.

These interactions can appear by synergisms or antagonisms between the components, and are

difficult to detect.

Thus, few studies were carried out to highlight the possible interactions between the various

components of the cementing mixtures. The researchers recognize the need for complex and

powerful tools to undertake studies in this field.

The lifespan of a concrete work is very often related to the capacity of the concrete to prevent

the aggressive agents from penetrating in its porosity. Certain environments are aggressive for

the concrete, they can cause significant acid attacks. Swellings and the bursting of the

concrete, it is in particular the case of the zones subjected to freezing, the marine

environments and the chemical environments (in particular industrial and agricultural circles).

This study brings a lighting on the adequacy of the various components. With an aim of

studying additions, on the performances in a state fresh and hardened mortars. The parameters

of the study are nature and T enor of the mineral, standard addition of the additives, types of

cements and the report/ratio E/C. thus this study highlighted, the effect of the mode of

treatment.

To improve the state of knowledge on this subject, an experimental program was established

with an aim of obtaining information on the leaching accelerated on mortar under ammonium

nitrate solution.

Thus we were interested only in the study of leaching, its effects on the physical and

mechanical characteristics.

Mots cls : Cementing matrices, additions, additives, mode of conservation performance,

properties, durability.

:

.

. ) (

. .

.

.

.

. ...

) (.

. .

/ C.

.

.

.

: .

Table des matires Table des matires I Liste des figures IV Liste des tableaux VI Notation VII INTRODUCTION GENERALE 1

CHAPITRE 1 : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE

1.1. Introduction 5 1.2. Le ciment portland 6 1.2.1. Les constituants du ciment portland 6 1.2.2. Hydratation du ciment portland 10 1.2.3. Composition du ciment 17 1.3. Dfinition des ajouts minraux 26 1.3.1. Classification des additions 27 1.3.2. Normalisation des additions 35 1.3.3. Importance des additions dans lindustrie cimentire 37 1.3.4. Fonction des additions 38 1.3.5. Notion de liant quivalent 39 1.3.6. Caractrisation de lactivit dune addition minrale 40 1.4. Dfinition des ajouts chimiques 45 1.4.1. Intrt des adjuvants 46 1.4.2. Classification des adjuvants 46 1.5. Durabilit des matriaux hydrauliques (lixiviation) 57 1.5.1. Dfinition 57 1.5.2. Mcanisme dattaque 58 1.5.3. Consquence de la lixiviation 59 1.5.4. Agression par le nitrate dammonium 60 1.6. Conclusion 70

CHAPITRE 2 : LES NORMES, LES MATERIAUX, LES ESSAIS ET LES PROCEDURES UTILISES

2.1. Introduction 67 2.2. Justification de choix des matriaux de base 68 2.2.1. Pourquoi tudier les mortiers 68 2.2.2. Le choix des matriaux 68 2.2.3. Mthodologie dessais 70 2.3. Normes 71 2.4. Essais et procdures des mortiers labors 72 2.4.1. Maniabilit 72 2.4.2. Masse volumique ltat frais 72 2.4.3. Air occlus 72 2.4.4. masse volumique et de la porosit accessible leau 73 2.4.5. Rsistance la compression 73 2.4.6. Rsistances la traction par flexion 74 2.4.7. Profondeur de dgradation 74

2.5. Identification et caractrisation des constituants 74 2.5.1. Ciments 75 2.5.2. Additions 78 2.5.3. Adjuvants 81 2.5.4. sable normalis 83 2.5.5. Eau 84 2.6. Programme exprimental 84 2.7. Confection des prouvettes 86 2.7.1. Gchage 86 2.7.2. Procdure de malaxage 86 2.7.3. Prlvement et cure des chantillons 87 2.8. Conclusion 87 CHAPITRE 3 : EFFET DES ADDITIONS SUR LES PERFORMANCES DES

MORTIERS

3.1. Introduction 90 3.2. Les travaux antrieurs 90 3.3. Choix des paramtres 97 3.4. Formulation des mlanges 98 3.5. Rsultats et discussions 99 3.5.1. Effet du type des additions 99 3.5.2. Effet de taux de substitution 107 3.6. Conclusion 115 CHAPITRE 4 : INFLUENCE DU MODE DE CONSERVATION ET DE TYPE

DES ADJUVANTS

4.1. Introduction 118 4.2. Les travaux antrieurs 118 4.3. Choix des paramtres 120 4.4. Formulation des mlanges 121 4.5. Rsultats et discussions 122 4.5.1. Mortiers sans addition 123 4.5.2. Mortiers avec cendres volantes 125 4.6. Conclusion 131

CHAPITRE 5 : INFLUENCE DES PARAM2TRES DE COMPOSITION

5.1. Introduction 133 5.2. Les travaux antrieurs 134 5.3. Choix des paramtres 137 5.4. Formulation des mlanges 137 5.5. Rsultats et discussions 138 5.5.1. Mortier sans traitement 138 5.5.2. Mortiers traits 144 5.6. Conclusion 155 CONCLUSION GENERALE 157 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES 161

Liste des figures Figure 1.1 Figure 1.1 : principe de fabrication du ciment Portland 7 Figure 1.2 dessin reprsentant les minraux observables au microscope optique dun

grain de clinker 7

Figure 1.3 reprsentation schmatiquement les constituants anhydres du clinker et des produits dhydratation

11

Figure 1.4 Cintique dhydratation du C3S 12 Figure 1.5 Cintique dhydratation du C3A 14 Figure 1.6 dgagement de chaleur lors de lhydratation du ciment en fonction du temps

(Neville, 18

Figure 1.7 Paramtres influenant la ractivit des laitiers 22 Figure 1.8 triangle des compositions principales des ciments 23 Figure 1.9 variation de la taille des pores dans une pte de ciment avec addition des

matriaux pouzzolaniques en fonction du temps 25

Figure 1.10 a . Action des molculaires de SP b. Action des molculaire de SP

48

Figure 1.11 Zone dune prouvette de bton soumise une attaque radiale par une solution agressive

62

Figure 1.12 Zonation dune pte de ciment portland (E/C=0.4) aprs dgradation leau dionise PH 7

62

Figure 2.1 Analyse granulomtrique laser du ciment CEM I 77 Figure 2.2 Diffractogramme de rayons X du ciment CEM I anhydre 77 Figure 2.3 Analyse granulomtrique laser des fillerscalcaires 80 Figure 2.4 Diffractogramme de rayons X de filler 80 Figure 2.5 Courbe granulomtrique du sable normalis 83 Figure 3.1 Comparaison des effets des diffrentes additions sur la masse volumique

pour un taux de 10% 99

Figure 3.2 Variation de la masse volumique en fonction du type des additions pour un taux de 20%

100

Figure 3.3 Variation de lair occlus en fonction du type des additions pour un taux de 10%

101

Figure 3.4 Variation de lair occlus en fonction du type des additions pour un taux de 20%

101

Figure 3.5 Variation de lcoulement en fonction du type des additions pour un taux de 10%

102

Figure 3.6 Variation de lcoulement en fonction du type des additions pour un taux de 20%

103

Figure 3.7 Lvolution des rsistances la compression des mortiers contenant les additions pour un taux de 10%

105

Figure 3.8 Lvolution des rsistances la compression des mortiers contenant les additions pour un taux de 20%

105

Figure 3.9 Effet des additions sur lvolution des rsistances la flexion pour un taux de 10%

106

Figure 3.10 Effet des additions sur lvolution des rsistances la flexion pour un taux de 20%

107

Figure 3.11 Variation de la masse volumique en fonction du taux des additions 107 Figure 3.12 Variation de lair occlus en fonction de taux des additions 108 Figure 3.13 Variation de lcoulement en fonction du taux des additions 109 Figure 3.14 Variation de la rsistance la compression en fonction de lge pour les

deux taux de substitution de filler calcaire 110

Figure 3.15 Variation de la rsistance la compression en fonction de lge pour les 111

deux taux de substitution de cendre volante Figure 3.16 Variation de la rsistance la flexion en fonction de lge pour les deux

taux de substitution de filler calcaire 112

Figure 3.17 Variation de la rsistance la flexion en fonction de lge pour les deux taux de substitution de cendre volante

112

Figure 3.18 Variation de la rsistance la compression en fonction de lge 113 Figure 3.19 Rsistance en compression en fonction de la rsistance en flexion 114 Figure 4.1 Evolution de la rsistance des mortiers tmoins avec superplastifiant en

fonction du temps sous deux modes de conservation 124

Figure 4.2 Evolution de la rsistance des mortiers tmoin avec acclrateur et retardateur en fonction du temps sous deux modes de conservation.

125

Figure 4.3 Evolution des rsistances des mortiers superplastifis et avec cendre volante.

126

Figure 4.4 Evolution des rsistances des mortiers avec et sans superplastifiant en prsence de cendre volante.

127

Figure 4.5 Influence du mode de la conservation sur les mortiers avec cendres volantes sans superplastifiant en fonction du temps.

128

Figure 4.6 Influence du mode de la conservation sur les mortiers avec cendres volantes avec superplastifiant en fonction du temps.

128

Figure 4.7 Evolution des rsistances des mortiers avec acclrateur en fonction du temps.

129

Figure 4.8 Comparaison des rsistances des mortiers avec et sans acclrateur en fonction du temps.

129

Figure 4.9 Evolution de la rsistance des mortiers avec retardateur en fonction du temps.

130

Figure 4.10 Comparaison des rsistances des mortiers avec et sans retardateur en fonction du temps.

130

Figure 5.1 Variation de la masse volumique en fonction du rapport E/C 138 Figure 5.2 Variation de la porosit en fonction du rapport E/C 139 Figure 5.3 Variation de la rsistance la compression pour E/C=0,4 141 Figure 5.4 Variation de la rsistance la compression pour E/C=0,5 141 Figure 5.5 Variation de la rsistance la compression pour E/C=0,6 141 Figure 5.6 Variation de la rsistance la compression du ciment CEM I 142 Figure 5.7 Variation de la rsistance la compression du ciment CEMIII 143 Figure 5.8 Variation de la rsistance la compression du ciment CEM V 143 Figure 5.9 Masse volumique en fonction du rapport E/C pour CEMI 145 Figure 5.10 Masse volumique en fonction du rapport E/C pour CEMIII 145 Figure 5.11 Masse volumique (Kg/m3) en fonction du rapport E/C pour CEMV 146 Figure 5.12 Porosit (%) en fonction du rapport E/C pour CEMI 147 Figure 5.13 Porosit (%) en fonction du rapport E/C pour CEMIII 148 Figure 5.14 Porosit (%) en fonction du rapport E/C pour CEMV 148 Figure 5.15 Profondeur dgrade en fonction du temps pour CEMI 150 Figure 5.16 Profondeur dgrade en fonction du temps pour le CEMIII 150 Figure 5.17 Profondeur dgrade en fonction du temps pour le CEMV 151 Figure 5.18 Rsistance mcanique en fonction du rapport E/C pour CEMI 153 Figure 5.19 Rsistance mcanique en fonction du rapport E/C pour CEMIII 154 Figure 5.20 Rsistance mcanique en fonction du rapport E/C pour CEMV 154

Liste des tableaux Tableau 1.1 Principaux minraux du ciment Portland et leurs caractristiques 7 Tableau 1.2 Les diffrents types de ciments 17 Tableau 1.3 La proportion des constituants des ciments CEM V/A et CEM V/B 22 Tableau 2.1 composition chimique et minralogique du ciment (CPA-CEMI) 76 Tableau 2.2 composition chimique et minralogique du ciment (CEMIII) 78 Tableau 2.3 composition chimique et minralogique du ciment (CEM V) 78 Tableau 2.4 proprits chimiques des fillers 79 Tableau 2.5 composition chimique de la cendre volante 81 Tableau 2.6 caractristiques de ladjuvant SP 82 Tableau 2.7 caractristiques de lacclrateur de prise 82 Tableau 2.8 caractristiques du retardateur de prise 83 Tableau 2.9 Composition chimique de leau (mg/l) 84 Tableau 2.10 les paramtres et les essais effectus. 85 Tableau 3.1 Composition des mortiers 98 Tableau 4.1 Composition des mortiers 121 Tableau 4.2 la variation des rsistances mcaniques en (MPa) 123 Tableau 5.1 Les matriaux composant nos mlanges ainsi que les fractions de

chacun deux 126

Tableau 5.2 Masse volumique en (Kg/m3) 145 Tableau 5.3 Porosit en (%) mesure 28 jours de traitement 147 Tableau 5.4 Profondeur dgrade en (mm) 149 Tableau 5.5 Rsistance mcanique en (MPA) (prouvettes tmoins et traites) 153

Notations Units C Masse de ciment kg A Masse de laddition kg E Masse de leau kg S Masse de sable kg L Masse de laddition et de ciment kg r Taux de substitution % t Temps jour Rc Rsistance en compression du mortier MPa rc Masse volumique apparente du ciment Kg/m

3

ra Masse volumique apparente de laddition Kg/m3

PF Perte au feu %

Introduction gnrale

La formulation des btons qui, pendant trs longtemps, a repos sur une simple association

ternaire ciment, eau et granulats, sest progressivement complique au point quun bton

actuel comporte de faon courante cinq constituants : ciment, eau, granulats, additions

minrales et adjuvants.

Cet accroissement du nombre de constituants est, dun point de vue pratique, trs avantageux

car il conduit, gnralement, lamlioration trs significative des performances mcaniques,

physiques et durabilits des btons.

Lincorporation des additions minraux est maintenant une technique importante en

amliorant les proprits du bton telle que la fluidit, la rsistance, la durabilit, etc. ces

additions minrales affectent de manire significative la rhologie des matriaux cimentaires

ltat frais, qui est directement reli avec le dveloppement de la rsistance, la durabilit des

matriaux durcis.

Nanmoins, pour profiter pleinement de ces avantages et ainsi choisir la meilleure solution

permettant doptimiser la formulation, il est ncessaire de connatre les caractristiques de ces

nouveaux composants (additions minrales et adjuvants) et leurs actions sur les proprits des

btons.

Par consquent, plusieurs questions se posent :

Lajout dun tel constituant -t-il une influence sur les rles de base des autres et comment

peut-il modifier le comportement dune matrice cimentaire ? Pour y rpondre, il faut avoir une

bonne comprhension des effets propres de chaque composant et des interactivits.

Les formulations des btons rsultent pour lessentiel dune approche empirique base sur des

ttonnements en laboratoire et de ce fait, plusieurs checs ont t essuys lors de la mise en

uvre de ces btons sur chantier.

Gnralement, lorsquun problme de compatibilit ciment- adjuvants-additions se pose sur

chantier, il se rgle en remplaant ladjuvant ou le ciment ou mme parfois les deux, sans

connatre vraiment les causes de cette incompatibilit.

Le principal effort fourni pour palier cette difficult est de choisir le triplet ciment-adjuvant-

addition le plus efficace permettant dobtenir des proprits rhologiques et mcaniques

satisfaisantes.

Lanalyse des travaux publis, ne permet pas encore de disposer dune approche suffisamment

construite et approfondie qui permette de prvoir leffet que peut produire une addition

donne dans une formulation et de ce fait, nous ne matrisons pas encore les critres de choix

des additions pour amliorer les proprits rhologiques dune formulation donne. Donc un

des problmes principaux en technologie du bton moderne est le choix appropri de Ciment-

superplastifiant compatible avec dautres additions minrales.

Beaucoup de recherches ont tudi le sujet de la pte de ciment avec les adjuvants et ou

addition. Cependant, il y a peu dtudes rapportes sur linfluence du mode de murissement

sur le couple ou triplet Ciment-adjuvant-addition.

Les altrations du bton sont varies. Elles atteignent soit la matrice cimentaire soit les

armatures, parfois les deux. Leurs origines sont trs nombreuses : chaque tape depuis la

formulation, jusqu a mise en uvre, mais aussi lagressivit de lenvironnement peuvent

tre source de dgradation.

Lobjectif de notre tude est dvaluer exprimentalement la compatibilit (ladquation)

entre les constituants de base des mortiers.

La compatibilit entre les diffrents constituants des ciments ncessite sans doute de prendre

en compte tous les paramtres susceptibles dinfluer son comportement. Or, cela ncessite un

trs grand nombre dessais quil nous est impossible dtudier tous la fois, de ce fait on sait

limit aux paramtres dtude suivants (donc on a divis notre tude en trois parties) :

Influence des additions sur les performances des mortiers : dabord on a tudie limpact

des additions pour diffrents taux de substitution sur la compatibilit du couple ciment-

superplasifiant. (influence du type et du taux des additions sur lcoulement, masse

volumique, air occlus et les rsistances mcaniques (compression et traction) pour

diffrentes chances (1, 2,7, 14, 28, 90 jours).

Influence du type dadjuvant sur les performances des mortiers suivant deux mode de

conservation : en second lieu on a tudie linfluence du mode de cure (lair et leau) a t

tudi sur les ptes de ciment contenant cendre volante et diffrents adjuvants.

Influence de la nature du ciment et le rapport E/C sur les performances des matrices

cimentaire suivant deux modes de conservation : finalement les proprits rhologiques et

mcaniques ont t tudies exprimentalement sur diffrents types de ciment avec

diffrents rapports E/C (influence du type de ciment et E/C sur la MV, porosit et la

rsistance en compression 28 et 56 jours). Pour amliorer ltat de connaissance sur ce

sujet, un programme exprimental a t tabli dans le but dobtenir des informations sur la

lixiviation acclre sur mortier sous solution de nitrate dammonium.

Ce mmoire sarticule sur cinq chapitres :

Le premier chapitre constitue une mise au point des concepts utiliss tout au long du

mmoire. Il tente de faire le point des connaissances actuelles sur les principaux mcanismes

dhydratation et les caractristiques des matriaux base. Les actions des additions minrales

et des adjuvants dans les matriaux cimentaires sont prsentes afin dclairer en particulier la

faon dont elles contribuent lactivit liante du ciment.

Le deuxime chapitre dcrira la composition et la provenance des matriaux pour la

ralisation de ce travail, Nous prcisons galement les diffrentes mthodes dessais utiliss

ainsi que leurs modes opratoires et les rfrences de leurs normes correspondantes. Enfin,

nous listons les diffrents mlanges tudis.

La contribution du troisime chapitre consiste principalement mettre en lumire leffet de

linfluence des additions cendres volantes et des fillers calcaires sur les performances des

mortiers superplastifis. Tous les rsultats sont comments et font lobjet dune premire

interprtation.

Le quatrime chapitre prsente des rsultats exprimentaux de rsistances la compression

suivant deux modes de conservation des mortiers adjuvants base de cendre volante. Les

comportements des diffrents mlanges seront galement dcrits en dtail.

Le cinquime chapitre rend compte de leffet du type de ciment et du rapport E/C sur les

performances des mortiers (maniabilit, air occlus porosit, rsistance, durabilit), nous

dcrivons galement en dtails les rsultats obtenus.

Au terme de cet expos, nous tirerons quelques conclusions, recommandations et nous

indiquerons les voies qui nous semblent possibles, pour le dveloppement futures.

1.1. Introduction

Il y a plus de cent ans, Le Chatelier a t le premier remarquer que les produits dhydratation du ciment taient chimiquement identiques ceux des composs seuls obtenus dans des conditions similaires.

La comprhension de la prise et du durcissement du ciment Portland, prsente un intrt technologique majeur. La complexit des ractions chimiques qui se produisent durant lhydratation font que les dtails du processus physico-chimique qui transforment la pte de ciment Portland en un matriau mcaniquement rsistant ne sont pas encore totalement compris. Le comportement du ciment devient encore plus complexe lors de lajout dadditions minrales telles que le laitier de haut fourneau, les cendres volantes et les fillers calcaires.

Lavancement de lhydratation se traduit par une volution progressive de la structuration de la pte de ciment. Lvolution physique est essentiellement due la variation de la taille et de la fraction volumique des pores, tandis que lvolution chimique est caractrise par lvolution des phases en prsence (consommation progressive du clinker et formation des hydrates).

Lobjectif de cette synthse bibliographique est de passer en revue les connaissances actuelles les plus pertinentes sur laction des additions dans les matriaux cimentaires afin dclaircir en particulier comment elles contribuent lactivit liante du ciment et comment cette contribution liante est prise en compte dans les mthodes de formulation des mortiers ou des btons avec additions.

Notre recherche bibliographique sappuie sur les tudes les plus rcentes dans le domaine ainsi que sur la normalisation franaise et europenne dont la lecture critique a permis de dgager les principaux arguments sur lesquels nous appuyons notre approche mthodologique pour la formulation des mortiers de ciment.

Ce chapitre se divise en quatre sections. La premire porte sur les constituants du ciment, leurs caractristiques chimiques ainsi que leurs volutions au cours de lhydratation ; on prsente ensuite les caractristiques gnrales des additions minrales, leurs rles et leurs mcanismes daction dans les matrices cimentaires. Ce chapitre traitera aussi leffet des ajouts chimiques utiliss dans le cadre de notre programme de recherche sur les proprits des btons. Les diffrents mcanismes daction de ces ajouts seront prsents de faon mieux comprendre le comportement du bton vis--vis de la prsence de ces ajouts. Finalement, en passe une prsentation sommaire du mcanisme de dgradation des matriaux cimentaires par le nitrate dammonium.

1.2. Le ciment portland

Cette partie porte sur les constituants du ciment portland, leurs caractristiques chimiques ainsi que leurs volutions au cours de lhydratation.

Grce la simplicit de sa technologie, le ciment portland est, de nos jours, le matriau le plus utilis dans le domaine de la construction [1]. On peut thoriquement fabriquer du ciment

Portland partir de matriaux renfermant de la chaux, de la silice, de lalumine et du fer. Quel que soit son lieu de fabrication, le ciment Portland possde toujours, quelques exceptions prs, la mme composition.

Cependant, cette simplicit apparente cache une srie de ractions chimiques trs complexe que lon ne sait pas toujours expliquer de faon prcise. On peut donc dire que les produits base de ciment Portland sont le fruit dune technologie simple et dune science complexe.

1.2.1. Les constituants du ciment Portland

Le ciment Portland est un mlange de clinker et de sulfate de calcium [2,3]. Le clinker est obtenu la suite de ractions chimiques qui se produisent haute temprature (environ 1450oc) et qui transforment la matire premire constitue essentiellement de calcaire (80%), dargile (20%) et de fer en silicates et en aluminates de calcium. Les silicates et les aluminates de calcium proviennent de la combinaison de la chaux (CaO) avec la silice (SiO2), lalumine (Al2O3) et loxyde de fer (Fe2O3). Le calcaire (CaCO3) apporte essentiellement le CaO et largile comble le manque en oxydes SiO2, Al2O3 tandis que le fer Fe2O3 manquant est apport par le fer. Les diffrentes phases de la raction de transformation de la matire premire en clinker sont prsentes la figure 1.1 [4].

Puisque les matires premires utilises pour fabriquer le clinker ne sont gnralement pas pures et ne subissent aucun traitement visant amliorer leur qualit, elles contiennent invariablement des impurets (autres que les quartes oxydes de base) telles que du priclase, des alcalis, des sulfates, des chlorures alcalins et de la chaux vive dont linfluence se manifeste sur le fonctionnement de lusine ou sur la qualit du ciment et du bton que lon produit avec ce ciment.

Figure 1.1 : principe de fabrication du ciment Portland [4]

On peut dire que le clinker est un produit minral constitu de quatre phases principales (C3S, C2S, C3A et C4AF) et quelques composs mineurs (Figure 1.2)

Figure 1.2 : dessin reprsentant les minraux observables au microscope optique dun grain de clinker [5]

Les caractristiques des principaux composants du ciment Portland sont prsentes dans le tableau 1.1 [6].

Tableau 1.1 : Principaux minraux du ciment Portland et leurs caractristiques [6] Composition approximative

3CaOSiO2 -2CaOSiO2 3CaOAl2O3 4CaOAl2O4Fe2O3

Formule abrge C3S C2S C3A C4AF Nom Alite Blite Phase ferrite Principales impurts

MgO, Al2O3, Fe2O3

MgO, Al2O3, Fe2O3

SiO2, MgO, Alcalis

SiO2, MgO

Forme cristalline commune

Monoclinique

Monoclinique

Cubique Orthorhombique

Orthorhombique

Proportion des composs prsents (%)

35-65 10-40 0-15 5-15

Moyenne dans le ciment normal

50 25 8 8

Ractivit avec leau

Rapide Lente Rapide Moyenne

Contribution la rsistance : Bas ge Long terme

Bonne Bonne

Faible Excellente

Bonne Moyenne

Bonne Moyenne

Chaleur dhydratation typique (kJ/kg)

Moyenne 120

Basse 60

Eleve 320

Moyenne 100

Lors du broyage du clinker, une petite quantit de sulfate de calcium est ajoute sous forme de gypse, dhmihydrate ou danhydrite afin de contrler (rguler) la prise du ciment.

Les minraux des clinkers industriels admettent des lments trangers dans leur rseau cristallin (Cr, Ti, Sr,.) ce qui modifie leur composition, leur structure ainsi que leur ractivit. Les varits impures du silicate tricalcique et du bicalcique sont appeles respectivement alite et belite . A la sortie du four, le clinker se prsente sous forme de boules dun diamtre de lordre du centimtre.

1.2.1.1. Silicate tricalcique (C3S)

Cette phase constitue le compos principal du ciment (50 70%). Les cimentiers la dsignent par le mot alite qui est une forme impure de C3S. En effet, le C3S contient soit en substitution des ions Ca ou Si, soit en insertion dans le rseau cristallin des traces de Mg, Al et Fe. Ces impurets amliorent gnralement la ractivit du ciment. La teneur en impuret du C3S dpend, entre autres, de la nature des matires premires, de la temprature de cuisson et de mode de refroidissement du clinker. Il est bon de souligner que lalite confre essentiellement sa rsistance au ciment, en particulier court terme.

1.2.1.2. Silicate bicalcique (C2S)

Le C2S constitue entre 15 et 30% du ciment Portland. Les cimentiers le dsignent par blite qui est une forme impure de C2S. Dans le C2S, on retrouve, en plus du potassium, les mmes ions trangers que dans le C3S, mais ils y sont en plus grande quantit. La blite fournit au ciment sa rsistance long terme.

Il existe au moins quatre varits polymorphiques de C2S (, , , ) et leur domaine de stabilit est diffrent selon le chauffage et le refroidissement. La forme est celle que lon rencontre le plus souvent dans les clinkers industriels. Lors dun refroidissement lent, la forme peut se transformer en qui na aucune proprit hydraulique. Contrairement au C3S, les proprits hydrauliques du C2S varient considrablement selon la varit polymorphique.

1.2.1.3. Aluminate tricalcique (C3A)

Le C3A, qui reprsente de 5 10% de la composition du ciment Portland, est la phase du clinker dont la vitesse de raction initiale est la plus importante. Dans les clinkers, la prsence dalcalis (surtout le sodium) modifie la symtrie cristalline du C3A. Ainsi, selon la quantit totale dalcalis dissous dans le rseau cristallin, le C3A peut tre cubique, orthorhombique ou monoclinique. Gnralement dans le ciment, le C3A est toutefois un mlange des formes cubique et orthorhombique, mais rarement monoclinique. Le C3A orthorhombique stabilis par la prsence de sodium est moins ractif que le C3A cubique.

1.2.1.4. Aliminoferrite ttracalcique (C4AF)

Le C4AF reprsente entre 5 et 10% de la composition du ciment Portland. Les formes C6A2F et C4AF sont les plus couramment rencontres dans le ciment. La ractivit de laluminoferrite ttracalcique dans leau est modre et elle augmente avec la teneur en alumine.

Les phases C3A et C4AF sont liquides la temprature de formation du clinker, et elles constituent au cours du refroidissement, une phase interstitielle qui cristallise entre les cristaux de C3S et C2S.

1.2.1.5. Les composs mineurs

Comme il a t dit prcdemment, aucune des phases principales du clinker ne se trouve ltat pur. La prsence dimpurets dans le clinker (MgO, sulfates alcalins, CaO2) joue un rle important sur les proprits hydrauliques du ciment. Ces composs mineurs proviennent gnralement des matires premires, du combustible et parfois des rfractaires ou des quipements.

1.2.2. Hydratation du ciment Portland

Lorsque lon ajoute de leau du ciment, on obtient une fluide qui se transforme assez rapidement en une masse durcie. Cette transformation est obtenue grce lhydratation du ciment. Ainsi, lhydratation est un ensemble de ractions chimiques qui interviennent ds le dbut de gchage et qui se poursuivent dans le temps, pendant plusieurs mois.

Les deux premires thories de lhydratation du ciment datent de la fin du sicle dernier [7]. Elles ont t proposes par Le Chatelier (1887) et Michaelis (1893).

Daprs la thorie cristalloidale de Le Chatelier ou thorie de la dissolution-cristallisation, le ciment mis en prsence deau donne naissance une solution sursature. Les composs anhydres se dissolvent puis les hydrates forms, peu solubles, prcipitent sous forme de microcristaux, ce qui permet une nouvelle dissolution dlments anhydres. Les ractions se poursuivent jusqu la mise en solution de la totalit du liant. Le durcissement est alors d la multiplication et ladhrence des cristaux forms.

Michaelis, quant lui, suggre une thorie dite topochimique. Selon lui, il se produit dabord un phnomne de dissolution provoquant un gonflement des grains et lapparition dune solution trs concentres en chaux. Cette solution agit sur les silicates pour donner un gel de silice et de chaux qui augmente peu peu de volume en absorbant continuellement leau et la chaux. Le gel durcit, devient impermable et lhydratation se poursuit lintrieur des grains de ciment protgs par cette enveloppe.

On voit que les deux thories saccordent sur la dissolution des aluminates et sur le rle prpondrant du silicate tricalcique. Elles diffrent essentiellement sur lapprciation du rle jou par la silice.

Comme le clinker est un mlange de diffrents constituants anhydres, il est ncessaire, dans un premier temps, de considrer sparment les processus dhydratation de chacun des composants du clinker. Laccent sera mis sur les processus dhydratation du C3S et du C3A qui sont les phases les plus ractives, donc les plus susceptibles dinfluencer la rhologie des ptes de ciment et du bton. La figure 1.3 prsente schmatiquement des constituants anhydres du clinker du ciment Portland et leurs produits dhydratation, laire des cases donne le volume approximatif des phases [8].

Figure 1.3 : reprsentation schmatiquement les constituants anhydres du clinker et des produits dhydratation [8]

1.2.2.1. Hydratation du silicate tricalcique

Au contact de leau, le silicate tricalcique se dissout superficiellement en librant des ions silicates H2SiO-24, des ions hydroxydes OH- et des ions calcium Ca2+ dans la solution [9]. Selon Regourd [10], lhydratation du C3S conduit la formation de trois produits distincts :

Le silicate de calcium hydrat (C-S-H) suivant la raction :

3 Ca2+ + 2 H2SiO2-4 + OH- +2 H2O Ca 3H2SiO7(OH)2, 3 H2O (Eq. 1.1)

Cest la phase principale de la pte de ciment hydrat. Elle forme avec leau un gel peu ou pas cristallin. Sa composition chimique est variable et le rapport CaO/SiO2 peut scarter de la composition stoechiomtrique en fonction de la composition de la solution mre qui beigne lhydrate [11].

Lhydrate de chaux : la portlandite Ca(OH)2

Un silicate calcique hydrat : la tobermorite

Le processus dhydratation du C3S passe par quatre phases successives qui sont illustres la figure 1.4 [9]:

Figure 1.4 : Cintique dhydratation du C3S [9]

I. Priode pr-dormante :

Raction instantane et exothermique du C3S avec leau. En quelques secondes, la solution est sursature par rapport aux C-S-H et la teneur en ions silicate atteint son maximum. On assiste une comptition entre les germinations des C-S-H et du Ca(OH)2. Tant que la teneur en ions silicate de la solution dpasse une certaine valeur limite, la germination des C-S-H lemporte.

II. Priode dormante

Les ractions prcdentes se poursuivent pendant quelques heures vitesse dcroissante par suite du PH lev et de la forte concentration en calcium. La quantit des C-S-H forms est trs faible de mme que la consommation en eau. Lorsque la solution est sature en portlandite, celle-ci prcipite et il se produit alors un effet de pompe calcium la surface des grains qui acclre leur dissolution. Le gchage chimique selon les termes de Christian Vernet, que constitue le dbut de la prcipitation de la portlandite dclenche une nouvelle formation rapide des C-S-H, caractrise par une diminution des ions Ca2+et OH- ainsi que par laugmentation du flux thermique. Ces phnomnes marquent la fin de la priode dormante.

III. Priode de prise

Pendant cette priode, lessentiel des proprits du ciment durci (stabilit de volume, durabilit) se forme. Latteinte de ces proprits est due la formation dune grande quantit de C-S-H en un rseau rigide. Les fibres de C-S-H et les cristaux de portlandite senchevtrent et remplissent les pores. Le matriau se densifie et devient solide.

IV. Priode de durcissement

La raction dhydratation du C3S se poursuit lentement tant quil subsiste de leau dans les pores capillaires de la pte durcie. La couche dhydrates qui enrobe les grains de silicate anhydre atteint une paisseur suffisante pour ralentir la diffusion des ions et de leau. Lhydratation totale du C3S peut prendre entre plusieurs mois et plusieurs annes.

Il faut souligner que la raction du C3S est grandement influence par son histoire thermique, la taille des cristaux et leur distribution, le polymorphisme et les dfauts de rseaux.

En crant les C-S-H, lhydratation du C3S est responsable des performances mcaniques des ptes de ciment aux chances courtes et moyennes.

1.2.2.2. Hydratation du silicate bicalcique (C2S)

Le silicate bicalcique se comporte comme le silicate tricalcique en donnant des C-S-H semblables avec une certaine diffrence dans la microstructure. Cependant, les principales diffrences rsident dans labsence dune sursaturation marque en portlandite et dans un flux de libration de chaleur plus faible. Si le degr de sursaturation est en relation avec la germination de la portlandite, la faible sursaturation est en relation avec la germination de la portlandite, la faible sursaturation autour des grains de C2S peut expliquer sa ractivit moins importante par rapport celle du C3S au jeune ge.

1.2.2.3. Hydratation de laluminate tricalcique (C3A)

Les tudes portant sur lhydratation du C3A montrent clairement linfluence de cette raction sur le comportement rhologique initial du ciment. Contrairement aux phases silicates, le sulfate de calcium joue un rle crucial sur lhydratation du C3A et les hydrates forms sont diffrents (morphologie, structure, composition) selon que le processus dhydratation a lieu en absence ou en prsence de gypse .

En absence de gypse , une raction acclre se produit et conduit la formation daluminates hydrats hexagonaux suivant la raction :

2 C3A + 21 H2O C4AH13 + C2AH8 (Eq. 1.2)

Ces hydrates hexagonaux ne sont pas stables et se transforment au cours du temps sous laction de la chaleur dhydratation du C3A en hydrate cubique C3AH6, plus stable, suivant la raction :

C4AH13 + C2AH8 2C3AH6 + 9H2O (Eq. 1.3)

Ces ractions sont la cause principale de la prise rapide des ciments Portland lorsque la quantit de gypse prsente dans le ciment est insuffisante. Pour prvenir ce phnomne et contrler la prise, le gypse est broy avec le clinker pour donner le ciment Portland. Au lieu dune raction acclre, il se produit une raction lente cintique variable, similaire celle du C3S, mais avec une dure plus longue. Pliskin [9] distingue les phases suivantes durant le droulement de lhydratation de laluminate tricalcique en prsence de sulfate de calcium (figure 1.5).

Figure 1.5 : Cintique dhydratation du C3A [9]

I. Phase initiale Le C3A et le gypse de dissolvent rapidement et cette raction fortement exothermique rend la solution sursature en ions (Ca2+, AlO-2, SO42-, OH-) qui se combinent quasi instantanment en formant des cristaux dettringite (TSA) suivant la raction :

C3A + 3CSH2 + 26H2O C 3A.3CaSO4.32H2O (TSA) (Eq. 1.4)

Lettringite forme une barrire efficace contre toute hydratation rapide. Ce compos apparat gnralement sous la forme de longues aiguilles hexagonales enchevtres disposes en oursins dont la morphologie aciculaire ou fibreuse permet aisment son identification.

II. Phase dormante Comme le C3S, le C3A prsente une phase dormante au cours de laquelle lettringite continue se former faible vitesse. Dans les ciments riches en C3A, lenchevtrement des aiguilles dettringite de prise constat avec le C3S.

III. Epuisement du gypse Lorsque le gypse est totalement consomm, gnralement 10 24 heures aprs le gchage, lettringite se dissout et devient une nouvelle source dion sulfate pour former avec les aluminates excdentaires du monosulfoaluminate de calcium hydrat (MSA) :

C3A.3CaSO4.32H2O + 2C3A + 4H2O 3C 3A.CaSO4.12H2O (MSA) (Eq. 1.5)

Ce dernier cristallise sous forme de cristaux en tablettes hexagonales, comme les hydrates hexagonaux C4AH13 et C2AH8.

IV. Phase finale

Cette phase dpend des proportions initiales daluminate et de gypse . Aprs quelques semaines, lettringite est totalement transforme en monosulfoaluminate et le produit final de lhydratation du C3A est une solution solide de MSA-C4AH13.

1.2.2.4. Hydratation de laluminoferrite de calcium (C4AF)

Lhydratation du C4AF est similaire celle du C3A. Cependant, le C4AF ragit moins vite que le C3A. Son hydratation nest toujours pas totalement lucide et est souvent ignore dans les publications portant sur lhydratation des ciments. Les ractions mises en jeu lors de lhydratation sont les suivantes :

Sans gypse : C4AF + H2O C 4(AF)H13 (Eq. 1.6)

Avec gypse : C4AF + gypse + H2O C 4(AF)SH12 (Eq. 1.7)

Aprs lpuisement du gypse , un compos driv du MSA se forme dans lequel un atome de fer sest substitu un atome daluminium.

1.2.2.5. Le rle crucial du sulfate de calcium

Comme on la dj mentionn, le sulfate de calcium permet de contrler la prise du clinker broy. En effet, en prsence deau et de sulfate de calcium, le C3A se recouvre dune fine couche plus ou moins permable dettringite empchant ainsi la poursuite de lhydratation du C3A qui, autrement, conduirait la prise clair en formant des hydrates hexagonaux. Dun point de vue pratique, cette raction permet de bnficier dune pause, la priode dormante, pour transporter et mettre en place le bton.

Cependant, le calcul de la quantit dions SO42- ncessaire pour former lettringite nest pas aussi facile que lon pourrait le croire. Une partie des sulfates ncessaire aux ractions initiales est souvent dans le clinker sous forme de sulfates alcalins (larcanite : K2SO4, laphtitalite : 3K2SO4.Na2SO4, et la langbeinite de calcium : 2CaSO4.K2SO4 [12]). Lautre partie est apporte par le sulfate de calcium qui peut provenir des origines suivantes [13]:

-du gypse CaSO4,2H2O - de lhmihydrate CaSO4,1/2H2O - de lanhydrite soluble CaSO4 - de lanydrite naturelle (ou insoluble) CaSO4

La solubilit de tous les sulfates prsents dans le clinker ou dans le ciment varie beaucoup. On peut cependant dire quen rgle gnrale les sulfates alcalins se solubilisent plus rapidement que certaines formes de sulfate de calcium [14]. Parmi les sulfates de calcium, lhmihydrates est celui qui se solubilise le plus rapidement, alors que lanhydrite naturelle se solubilise le moins rapidement.

Les travaux de Locher et coll [15] expliquent les diffrentes possibilits de raction du systme C3A/sulfate et leurs consquence sur le comportement rhologique du bton en tenant compte de la ractivit du C3A et de la disponibilit des ions sulfate. Ces travaux montrent

aussi que la quantit de C3A qui ragit ds les premiers instants, en absence ou en prsence dions sulfate, reste constante pendant la priode dormante. Odler et Wonneman [16] confirment ces rsultats et prcisent que seul le temps de prise change. Dailleurs, Rgourd [10] constate que le taux dhydratation mesur par diffraction des rayons X du C3A qui ragit avant la prise est faible. Ainsi, le sulfate nagit donc pas seulement comme retardateur de lhydratation du C3A, comme on peut le penser, mais aussi comme modificateur du type dhydrate form. Cette constatation prend une dimension importante dans le cadre de cette tude, car la prsence dun adjuvant dispersant peut changer la fois la cintique dhydratation du systme C3A/Sulfate et le type des produits hydrats, ce qui pourra entraner une consquence pratique importante sur le comportement du bton frais.

1.2.3. Composition du ciment :

Les ciments sont des poudres fines obtenues par le broyage dun mlange de clinker et denviron 4 8 % de gypse dont le rle est de rgulariser la prise (retardateur de prise).

Thoriquement, un ciment portland ne comporte que du clinker et du sulfate de calcium. Cependant en pratique et pour des raisons dconomie dnergie, une partie de clinker peut tre remplace par des additions minrales telles que les laitiers de haut fourneau, les cendres volantes, les pouzzolanes, les filler.

Le tableau 1.2 regroupe les diffrentes classes de ciment normalis ainsi que leurs compositions.

Tableau 1.2 : Les diffrents types de ciments [17]

1.2.3.1. Evolution de lhydratation

Le dgagement de chaleur qui accompagne les ractions dhydratation peut tre mesur par calorimtrie. La chaleur dgage donne une indication sur lavancement du processus dhydratation. La courbe du flux de chaleur dhydratation prsente gnralement trois pics qui correspondent trois maxima comme lindique la figure I.6.

Figure 1.6 : dgagement de chaleur lors de lhydratation du ciment en fonction du temps [17]

Premier pic : Il sagit de plus haut, mais il est de courte dure. Au cours de cette priode (10 mm), le C3S et le C3A ragissent immdiatement avec leau, formant des C-S-H et de lettringite. Ce pic est suivi dune priode dormante au cours de laquelle le dgagement de chaleur est relativement faible (sans jamais tre nul). Durant cette priode des ions Ca2+ et OH- sont librs. Ceci augmente alors le PH de la solution, ralentissant la dissolution des constituants. Le dgagement de chaleur est alors faible.

Les transformations physiques dans cette priode sont dtectes par laugmentation du raidissement de la pte [17]. Les phnomnes physico-chimiques rgissant cette phase (priode dormante) sont, dun point de vue pratique, trs importants car ils ont un effet sur louvrabilit du bton. Par exemple, pour un rapport E/C = 0.5, on devra couler le bton dans la structure au plus tard au milieu de la priode dormante .

Deuxime pic : La priode dormante prend fins avec lacclration du dgagement de chaleur. Le second pic atteint son maximum (pour un ciment ordinaire 200C) entre 9 heures et 10 heures. Cette phase dacclration dbute lorsque la concentration en ions Ca2+ et OH- de la solution devient critique. Cette sursaturation induit la prcipitation de la portlandite. Il sensuit alors les mcanismes de dissolution, de nuclation et de prcipitation des diffrentes phases, permettant la formation des hydrates (C-S-H) et des phases cristallins (ettringite, portlandite). Cette grande activit chimique dgage beaucoup de chaleur, augmentant la temprature du matriau. Les hydrates forms commencent senchevtrer et permettent alors la formation dun solide dun solide rigide.

Troisime pic : tous les ciments ne prsentent pas de troisime pic de dgagement de chaleur. Lorsquil se prsente, son intensit et le moment de son apparition varient beaucoup dun ciment un autre.

Pour comprendre les ractions qui se droulent lors de lhydratation du ciment, et faire un lien avec sa prise et le dveloppement des rsistances, il faut sintresser :

Leffet de lhydratation de chaque phase du ciment sur la chaleur dhydratation ;

Les raisons des variations considrables du dgagement de chaleur dans le temps ;

Le processus dagglomration des produits dhydratation pour remplir lespace

poreux ;

La nature des liens entre les produits dhydratation dans la pte durcie.

1.2.3.2. Hydratation du ciment portland

Pour bien comprendre lhydratation du ciment, il ne faut pas se baser uniquement sur lhydratation des phases pures. En effet, dans le ciment, ces phases interagissent entre elles.

Lhydratation du C3S est acclre par la prsence de sulfates alcalins tandis que la chaux produite acclre lhydratation du C3A et C4AF. Lhydratation du C3S contribue majoritairement la formation du deuxime pic de la courbe calorimtrique 1.10. Lhydratation du C3A, pour former de lettringite, participe galement la formation du deuxime pic. Si un troisime pic apparat, il y a alors un excs de C3A. En raison de sa faible chaleur dhydratation, le C4AF ne contribue que trs peu la formation du deuxime pic.

Les ractions qui se droulent lors de la formation du premier pic sont plus complexes, car au dpart, toutes les phases ragissent rapidement avec leau avant que la concentration de la solution en ions sulfates soit assez importante pour influencer lhydratation du c3S et C4AF. Par ailleurs, la chaux libre, la magnsie libre et lhmihydrate ragissent aussi de faon exothermique avec leau. Si la quantit dions SO4-2 en solution nest pas suffisante, le C3A va alors shydrater et donner lieu la prise, tandis que si la concentration en ions SO4-2 est trop leve, le gypse prcipite et donne lieu la fausse prise. La priode dormante prend fin avec une augmentation brusque de la quantit deau lie dans le C-S-H et dans lettringite. Lenchevtrement des produits dhydratation entre les grains de ciment augmente les rsistances mcaniques de la pte et donne naissance la prise.

1.2.3.3. Cas particulier des ciments base de laitiers de haut fourneau

Fabrication et utilisation

Lindustrie cimentire est un trs gros producteur de CO2. Cest pourquoi elle a dj rduit lmission du CO2 due la cuisson du clinker en amliorant le rendement nergtique des fours. La part chimique due la dcarbonatation du calcaire est quant elle irrductible. Toutefois, il existe une autre voie possible pour rduire les rejets de CO2 de lindustrie du ciment : elle consiste remplacer une partie du clinker contenu dans les ciments par des additions, telles que des fillers calcaires, des cendres volantes issues des centrales thermiques et de laitiers granul de haut-fourneau, co-produit de lindustrie sidrurgique.

Les ciments base de laitiers de haut fourneau (CSH) sont composs de ciment Portland (de 20 64%) additionn de laitiers de haut fourneau. Laddition des laitiers se fait pendant lopration de broyage. Cette tape consiste doser les diffrents constituants, puis les mlanger et les broyer de faon obtenir une poudre homogne et trs fine.

Les CHF sont des ciments faible chaleur dhydratation, trs employs dans les btons enterrs utiliss pour les :

Travaux hydrauliques, souterrains, fondations et injection,

Travaux en eaux agressives : eau de mer, eaux slniteuses, eaux industrielles, eaux

pures,

Ouvrages massifs : fondations, piles douvrages dart, murs de soutnement, barrages.

Interactions entre les laitiers et lhydroxyde de calcium (CH)

Plusieurs tudes ont t faites sur lhydratation des ciments base de laitiers [18-20].

Les rsultats obtenus montrent, la formation dune couche de produits dhydratation autour des grains de laitiers, la rduction du rapport calcium/silicate (Ca/Si) dans le gel de C-S-H forms autour des grains de laitiers, probablement la formation dhydrotalcite (M4,06-6,32AHx) et la diminution des sulfates (S) qui participent la formation de monosulfoaluminate ttracalcique (afm) [21].

Daprs Taylor [22], les produits dhydratation des laitiers sont les mmes que ceux issus dun ciment Portland ordinaire, except que, les C-S-H forms autour des grains de laitiers ont un rapport de Ca/Si (1,55) infrieur celui obtenu pour un ciment portland ordinaire (1,7). Biernacki et al. [23] ont estim environ 1,3 1,4, le rapport Ca/Si dans les C-S-H autour des grains de laitiers.

Une raction chimique peut avoir lieu entre les grains de laitiers et lhydroxyde de calcium (CH) issue de lhydratation du ciment Portland ordinaire [23]. Biernack et al. [23] ont montr quune mole de laitier consommait 2,6 moles de CH et que la quantit deau consomme par un gramme de laitiers tait denviron 12 grammes.

Ractivit des laitiers

La ractivit des laitiers est estime par la dissolution des produits dhydratation et du ciment anhydre, la procdure employe est celle base sur la mthode appele ethylene diamine tetra acetic acid (EDTA), dcrite par Luke et Glasser [24]. Le pourcentage de laitiers ayant ragit est calcul partir de la formule suivante :

(Eq. 1.8)

Avec:

Wm: la masse de rsidu du ciment non dissoute [g] Pldm : le pourcentage de laitier dissout qui na pas ragit Ws : la masse de lchantillon (aprs la perte au feu) [g] Pcn le rsidu de ciment non dissout [g] % Ciment : le pourcentage du ciment dans la phase solide % laitiers : le pourcentage de laitiers dans la phase solide

Daprs Escalante-Garcia et al. [19] la ractivit des laitiers dpend de plusieurs paramtres. Elle est une fonction croissante de la temprature, elle diminue quand le pourcentage de laitiers augmente et augmente en fonction de la quantit deau initialement prsente dans lchantillon. La figure 1.7 rsume les paramtres qui ont un effet direct sur la ractivit.

Figure 1.7 : Paramtres influenant la ractivit des laitiers [19]

1.2.3.4. Cas particulier des ciments base de laitiers et aux cendres volantes CEM V

Fabrication et utilisation

Les ciments CEM V sont de plus en plus utiliss pour leur ractivit chimique lie la transformation de la portlandite en silicates de calcium hydrats (CSH). Les matriaux base de ce ciment possdent une structure poreuse plus fine [25].

Le ciment CEM V est obtenu en ajoutant une proportion normalise dadditions minrales (laitiers, cendres volantes) au clinker. Il y a deux types de ciment CEM V : CEMV/A et CEM V/B (tableau 1.3).

Tableau 1.3 : La proportion des constituants des ciments CEM V/A et CEM V/B [26] Clinker

(% en masse) Laitier de haut fourneau (% en masse)

Pouzzolane, cendres volantes siliceuses (% en masse)

Constituants secondaires (% en masse)

CEM V/A 40 64 18 30 18 30 0 5 CEM V/B 20 38 31 50 31 50 0 5

Dans les ciments CEM V, une partie du clinker est substitue par le laitier et les cendres volantes ou les pouzzolanes.

Le laitier, les pouzzolanes et les cendres volantes prsentent une caractristique commune : ils contiennent les trois constituants fondamentaux du clinker (la chaux, la silice et lalumine). On peut les caractriser par la combinaison de ces trois oxydes sur le triangle de CaO, SiO2 et Al2O3 (figure 1.8).

Figure 1.8 : triangle des compositions principales des ciments [27]

A partir du triangle, on saperoit que le ciment CEM V contient une proportion de CaO plus faible que celle du CEM I, tandis que celle de SiO2 et Al2O3 est plus leve. Une proportion de CaO plus faible conduit une hydratation plus lente ; la proportion de SiO2 plus grande va augmenter la formation de CSH au dtriment de la portlandite ; la proportion de Al2O3 plus leve va favoriser les ractions de fixation de lion Cl- [27].

Lintrt technique des ajouts rside en premier lieu dans le fait quils permettent lobtention de ciment dont les performances sont aussi bonnes que celles de ciment CEM I pour un moindre cot. En second lieu, les ciments composs prsentent souvent lavantage dune meilleure rsistance aux agressions chimiques [27].

Hydratation des matriaux a base du ciment CEM V

Les laitiers, les cendres volantes et les pouzzolanes constituent des ajouts pouzzolaniques et hydrauliques actifs. Grce la prsence de la portlandite produite par lhydratation du clinker, les laitiers et les cendres volantes ragissent avec leau pour donner des composs hydrats semblables ceux du clinker, en amliorant la capacit de rsistance des matriaux contre les agressions chimiques [28].

Les ractions pouzzolaniques sont fonction du pourcentage des ajouts, elles dpendent de la temprature, de la finesse de broyage et aussi de la composition chimique des ajouts.

Dans le ciment CEM V, la prsence de cendres volantes et de laitier rduit le demande en eau de gchage et amliore la structure poreuse des matriaux, en diminuant la dimension des pores [29].

La principale raction dhydratation des laitiers se fait partir du C2AS contenu dans

les laitiers :

C2AS + 8H C 2ASH8 (ghlnite hydrate) (Eq. 1.9)

Les laitiers, lissue de lhydratation en absence de chaux, donnent de la ghlnite hydrate C2ASH8, du silicate de calcium hydrat CSH et de laluminate ttracalcique hydrat C4AH13 En prsente de chaux, les principaux produits forms sont le silicate de calcium hydrat (CSH) et laluminate ttracalcique hydrat C4AH13

En gnral, dans des ciments contenant du gypse, les laitiers sont activs par le gypse pour donner du CSH, de lettringite et de lhydroxyde daluminium comme la mellite (Al2[C6(COO)6].16(H2O)) et la merwinite Ca3Mg(SiO4)2 [30].

La raction pouzzolanique des cendres volantes et des pouzzolanes scrit :

CH + S CSH (Eq. 1.10)

Les CSH remplissent les pores capillaires et augmentent la rsistance et limpermabilit des matriaux (par affinage de ces pores capillaires et par transformation des gros cristaux de CH en des CSH cristalliss) [31] (Figure 1.9).

La raction pouzzolanique se droule, elle se manifeste essentiellement aprs 28 jours. Baron et al. [27] ont montr que cette raction est pratiquement constante entre 2 et 28 jours, mais aprs 28 jours, lactivit pouzzolanique augmente, faisant crotre la rsistance mcanique et la durabilit.

La prsence de cendres volantes modifie lhydratation du clinker dans la mesure o [30]:

Elle agit sur la cintique dhydratation.

Elle dilue et consomme la portlandite par raction pouzzolanique.

Elle modifie la composition des hydrates du clinker et produit ses propres hydrates.

Figure 1.9 : variation de la taille des pores dans une pte de ciment avec addition des matriaux pouzzolaniques en fonction du temps [31]

La cintique de raction pouzzolanique des cendres volantes est trs lente et dpend de nombreux facteurs (surface spcifique, composition, inclusions de phases cristallines dans la phase vitreuse, teneurs en alcalins et en sulfate de ciment, ). La cintique dhydratation du laitier et des matires pouzzolaniques est beaucoup plus lente que celle du clinker.

Lhydratation du ciment CEM V conduit former une combinaison des produits suivants : les silicates de calcium hydrats CSH, la portlandite (trs peu-car se transforment avec le temps en CSH), les sulfo-aluminates de calcium hydrats (AFt, AFm) et encore laluminate ttracalcique hydrat C4AH13, la ghlnite hydrat C2ASH8 [32].

En conclusion, la nature des hydrates est pratiquement la mme pour un matriau de ciment CEM V que pour celui de ciment CEM I. par contre, du fait de faibles teneurs en chaux et en fer et de fortes teneurs en aluminates, silice, magnsium et soufre et en tenant compte de lhydratation des laitiers et des cendres volantes en prsence de clinker, on devrait retrouver dans une pte de ciment CEM V [30] :

Une teneur en portlandite fiable ou nulle,

En labsence de portlandite, des CSH qui auront un rapport Ca/Si plus faible. Leurs

teneurs en aluminium, magnsium, sodium, potasium et soufre seront plus leves que

pour les CSH dun ciment Portland CEM I. Ils seront galement plus compacts ce qui

entranent une porosit plus fine,

Des hydrogrenats qui seront moins riches en fer que ceux dun ciment CEM I,

La prsence dhydrotalcite Mg6Al2(CO3)(OH)16. 4(H2O) qui est plus probable que

dans un ciment CEM I,

De lettringite, qui se forme au dbut de lhydratation du ciment et qui sera terme

transforme en monosulfoaluminate.

1.3. Dfinition des ajouts minraux

La section suivante traitera de lincorporation de certains ajouts minraux et chimiques dans les btons. On fera le point sur les mcanismes daction de ces sous-produits ainsi que sur leurs effets sur les caractristiques rhologiques, mcaniques et physiques des btons.

De nos jours, lutilisation des sous-produits minraux est entrain de devenir un devoir national et un impratif conomique dans certains pays. Lindustrie du ciment et du bton sest intresse cette nouvelle orientation en utilisant certains de ces produits au cours du processus de fabrication du ciment ou du bton [33]. Toutefois, cette utilisation est rgie par certaines caractristiques recommandes afin de ne pas nuire aux rsistances et la durabilit des btons.

Les ajouts utiliss sont, en gnral, des pouzzolanes, c'est--dire des matriaux grande surface spcifique qui prsentent des structures amorphes. Avec la chaux et en prsence deau, ils donnent des composs hydrats suivant une raction exothermique condition que le niveau dnergie libre au dpart est suffisamment lev pour aboutir un systme plus stable ayant des proprits hydrauliques.

Les ractions dhydratation du ciment et des pouzzolanes se droulent somme suit :

C3S + H2O C-S-H + CH (reaction rapide) (Eq.1.11)

Pouzzolane + CH C-S-H (reaction lente) (Eq. 1.12)

On assiste alors une transformation de la portlandite (CH) (composant peu stable chimiquement et physiquement) en silicates de chaux hydrats relativement stables (C-S-H).

Les fillers sont inertes sils nont aucune action chimique sur les ciments en prsence deau ; ils sont actifs sils ont, mme partiellement, des proprits hydrauliques ou pouzzolaniques en prsence de ciment et deau.

Les fillers utiliss sont trs souvent dorigine minrale. Leur principal intrt est de diminuer le cot global du matriau. Le taux de substitution au ciment peut atteindre 30% [34].

Dans certains cas, ils peuvent modifier la rhologie du bton frais, tout en exerant un rle de comblement de la porosit. Ils interviennent alors en tant quajout par rapport au liant dans la composition du bton. Cette utilisation ncessite la prsence dun adjuvant organique dont la fonction principale est dviter le surdosage en eau tout en conservant la maniabilit du bton.

1.3.1. Classification des additions

Gnralement, on utilise dans les ciments et les btons les ajouts minraux suivants :

- Les cendres volantes,

- Les laitiers de haut fourneau,

- Les fillers calcaires,

- Les fumes de silice.

1.3.1.1. Les fumes de silice

Se sont des sous produits de la fabrication du silicium ou de ferrosilicium. Ils se prsentent sous forme de microsphres de silice ayant des diamtres moyens de 0,1 m. la surface spcifique varie de 20 25 m2/g. Les fumes de silice se caractrisent par une structure vitreuse (produit trs ractif) avec une haute teneur en silice (de 75 95%).

Les fumes de silice agissent de trois faons dans les btons : action physique, physico-chimique et pouzzolanique.

En effet, laction physique consiste chasser leau qui se trouve entre les particules de ciment, ce qui plastifie le bton ayant un rapport E/L de 0,15 0,20. Laction physico-chimique se manifeste par un bouchage des pores de 0,1 mm de diamtre partir de lge de 7jours, ce qui rend le bton au fume de silice tout fait impermable. Laction pouzzolanique permet en ragissant trs vite avec la chaux libre lors de lhydratation de produire un CSH trs dense qui permet des gains de rsistances en compression ds lge de 7 jours [33].

a. Influence sur les proprits du bton frais

Les particules fines de fume de silice agissent par leur effet filler en remplissant les microspores, ce qui conduit une granulomtrie plus tale et une structure plus dense. Ceci libre leau qui a t emprisonne dans les pores et permet une rduction de la demande en eau pour une consistance fixe. Dautre part, compte tenu de leur surface spcifique leve, il peut y avoir une adsorption deau et par contre une augmentation de la demande en eau dpendant du rapport E/L, de la prsence de superplastifiant, de la teneur en ciment et de la concentration en fume de silice.

Certains chercheurs ont montr que pour des dosages en ciment de 200, 300 et 400 kg/m3, on peut ajouter respectivement jusqu 2, 4 et 6% de fume de silice sans augmenter le seuil de rigidit du bton avec une amlioration de la viscosit plastique. Ceci est attribu lamlioration du dosage suprieurs inversent le phnomne par augmentation des frictions entre les fines. Le bton devient trs riche, trs collant et trs cohsif.

En gnral, les fumes de silice rduisent considrablement les phnomnes de ressuage et de sgrgation, ce qui acclre la finition des surfaces. Toutefois pour les zones taux dvaporation levs, le risque de formation de fissures de retrait plastique devient plus grand et lapplication de produit de mrissement sur la surface est alors ncessaire.

Avec lutilisation des fumes de silice, le dosage en agent entraneur dair ncessaire pour obtenir un volume dair dsir est plus lev, surtout pour les faibles rapports E/C. les chercheurs explique ce phnomne par la surface leve des particules, par laugmentation de la viscosit du bton et par la prsence de carbone sur les microsphres de fume de silice.

Le temps de prise est prolong en prsence de la fume de silice cause de la rduction de lnergie libre durant les premires heures qui suivent la confection du bton.

b. Influence sur les proprits du bton durci

Les fumes de silice contribuent significativement au dveloppement des rsistances la compression entre 7 et 28 jours avec un pouvoir liant de 3 4 fois suprieur celui du ciment [33]. Ceci est reli une utilisation adquate, c'est--dire en se servant de rducteurs deau et de superplastifiants pour compenser la demande en eau qui augmente pour une fluidit constante du bton.

Les fumes de silice amliorent aussi ladhrence entre le bton et les armatures dacier (ASTM C 234) par diminution du ressuage interne au niveau de linterface bton-armature. Il y a formation dune zone de transition dense. Lamlioration de ladhrence est significative pour des additions de fume de silice suprieures 20%.

(Aitcin, 1983 cit par [33]) rapporte quil peut y avoir une diminution du module dlasticit pour un rapport E/L donn avec lutilisation de la fume de silice. Il trouve quune addition de plus de 7% de fume de silice rduit les dformations par fluage durant les 4 premiers mois de lge du bton.

Le retrait par schage des btons avec fume de silice varie suivant la teneur de lajout. (Johansen, 1983 cit par [33]) trouve quil ny a pas de diffrences significatives pour les btons avec ou sans ajout de fume de silice pour des additions de 5 10% et un rapport E/L infrieur 0,6. Il prtende quun remplacement du ciment de 13% en masse peut rduire la perte de masse et le retrait par schage des btons de rapport E/L de 0,33, mris dans leau pendant 28 jours puis dans lair 50% dhumidit relative. Ils rapportent que pour des quantits gales deau vaporable, les dformations par retrait peuvent tre plus leves dans le cas des btons avec fume de silice, cause du raffinement des pores.

Presque tous les auteurs sont daccord sur le rle de la fume de silice qui consiste rduire la permabilit du bton leau et aux sels et augmenter la rsistivit lectrique. Ceci contribue rduire le risque de corrosion des armatures. Les fumes de silice peuvent aussi neutraliser les ractions alcalis-granulats en augmentant le degr de polymrisation des CSH, ce qui rduit la mobilit des alcalis et des hydroxydes dans les solutions des pores.

Lintroduction de la fume de silice a peu deffets sur le risque de carbonatation. Leffet est galement minime dans le cas de la rsistance aux cycles de gel-dgel avec des btons de rapport E/L de 0,4 et des additions de fume de silice de 15% ou moins [33]. La rsistance diminue pour des additions de 20 30% de fume de silice et des rapports E/L variant de 0,35 0,55.

1.3.1.2. Les cendres volantes

Les cendres volantes utilises dans les ciments et les btons sont produites dans les centrales thermiques utilisant du charbon pulvris. Elles se prsentent sous forme dune poudre de couleur plus ou moins fonce suivant sa teneur en carbone et en impuret. Les cendres volantes sont sous forme de particules sphriques vitreuses, pleines ou creuses. La granulomtrie schelonne de 1 200 m et, en gnral, 50% des particules ont un diamtre infrieur 30 m. leur surface spcifique Blaine varie entre 250 et 400 m2/kg (domaine analogue celui des ciments).

La norme ASTM C-618-80 regroupe les cendres volantes en deux grandes classes suivant leur composition chimique :

- La classe F riche en oxyde (SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 > 70%) avec une teneur faible en

chaux (CaO< 10%). Elle est qualifie de silicoalumineuse avec un faible potentiel

pouzzolanique.

- La classe C riche en chaux (CaO > 10%), avec une teneur en oxyde suprieur 50%.

Elle est qualifie de silicocalcaire avec un potentiel pouzzolanique lev.

a. Influence sur les caractristiques des mortiers et des btons frais

Selon Venuat [35], les cendres volantes agissent par leur finesse, leur forme, leur tat de surface et leur faible masse volumique amliorent louvrabilit des mortiers et des btons. Ceci est dautant plus marqu que les cendres volante permet de diminuer la quantit deau pour une mme ouvrabilit, daugmenter lhomognit et la compacit du bton et damliorer sa mise en place.

(Dhir 1986, cit par [33]) attribue lamlioration de louvrabilit aux surfaces lisses des cendres volantes. La nature vitreuse des particules empche ladsorption deau sur leurs surfaces, et ainsi leau retenue entre les particules sert la lubrification. (Helmuth 1986, cit par [33]) prtend que la forme des particules de cendre volante na pas deffet sur louvrabilit.

Venuat [35] mentionne quun remplacement de 20 30% de cendre modifie de peu le temps de prise la temprature ordinaire. Dans le cas dune assez forte addition, le temps de prise peut tre augment. De mme, la chaleur dhydratation dgage lors de la prise diminue

rgulirement avec le pourcentage de cendre ajout. Ceci est intressant dans le cas de btonnage douvrages en grande masse ou par temps chaud.

b. Influence sur les caractristiques des mortiers et des btons durcis

Plusieurs chercheurs se sont intresss linfluence des cendres volantes sur le dveloppement des rsistances mcaniques des btons. (Gebler et al. 1986, cit par [33]), mentionnent qu des tempratures normales, des cendres volantes de classe F provoquent une baisse des rsistances des btons au jeune ge (3 jours), mais avec des rsistances suprieures long terme. Pour un remplacement de 25% en masse du ciment par une cendre volante de classe F, (Popovics 1986, cit par [33]) constate une augmentation relative des rsistances mcaniques du bton partir de lge de 7 jours. Il rapporte que leffet des cendres est plus significatif pour les bas rapports E/L.

Les chercheurs ont tudis leffet dune cendre volante de classe F sur la permabilit du bton. Ils trouvent que les permabilits leau et lair augmentent surtout si le bton est mri lair au jeune ge. Nagataki [36] a test des btons de rapport E/L de 0,40 avec des remplacements par la cendre volante variant de 0 50%. Ils trouvent que pour un bton mri pendant 91 jours dans leau, la permabilit lair diminue avec laugmentation de la teneur en cendre jusqu un remplacement de 20%, puis elle devient pratiquement stable, trouvent aussi que la cendre volante rduit la permabilit aux ions chlore.

Lutilisation de la cendre volante na pas deffet sur la carbonatation dans le bton. (Uchikawa 1994, cit par [33]) relve quavec un remplacement du ciment par la cendre volante, il y a plus de carbonatation du bton cause de la faible ractivit pouzzolanique des cendres ce qui retarde le remplacement des pores dans les btons ordinaires (E/L = 0,55).

Venuat [35] explique que la rsistance au gel est lgrement diminue dans le cas dune addition de cendres volantes. Cette diminution est assez limite pour 20% de cendre et en oprant ouvrabilit gale. La cendre volante absorbe une partie de lagent entraneurs dair lors de laddition de ce dernier au bton, cest pourquoi les ciments aux cendres ncessitent une quantit dadjuvant un peu plus leve pour obtenir la mme teneur en air. Certains chercheurs ont tudi la rsistance au gel (ASTM C 666-A) de bton composs de 40 60% de cendre volante de classe F. Tous les btons ont prsent des facteurs de durabilit suprieurs 87% aprs 300 cycles de gel-dgel. Ils concluent que les btons avec cendres volantes procurent de bonnes rsistances au gel mme pour des taux de remplacement leves.

Venuat [35] mentionne que le retrait hydraulique aprs prise nest jamais augment par laddition de cendres volantes. Parfois et selon les ciments, il est plus ou moins diminu. Il explique ce phnomne par labsorption des alcalis solubles (source de retrait) par les cendres pour former des silico-aluminates stables et insolubles.

1.3.1.3. Les laitiers de haut fourneau

Les laitiers sont des sous-produits de la fabrication de la fonte dans les hauts fourneaux des usines sidrurgiques. Ce sont des silico-aluminates de chaux traits de diffrentes faons la sortie du haut fourneau :

- Par refroidissement brusque dans leau ou dans lair : ceci empche la cristallisation et

permet son utilisation dans les ciments et les btons comme pouzzolane,

- Par refroidissement lent lair : ceci donne un matriau cristallis sans aucun pouvoir

liant qui est utilis comme granulats pour les travaux routiers et dans les btons.

En Europe, les laitiers sont en gnral ajouts au ciment. On parle de ciment au laitier. En Amrique du nord, ils sont incorpors directement dans le bton.

a. Influence sur les caractristiques des btons frais

Lutilisation du laitier dans le bton permet damliorer louvrabilit par rapport un bton conventionnel. Manai [33] explique ce phnomne par les caractristiques des surfaces des grains de laitiers qui permettent un meilleur glissement intergranulaire dans la pte. Il souligne aussi le trs faible taux dadsorption deau par les grains de laitiers au dbut du malaxage.

Venuat [35] explique que les btons contenant du laitier ont des temps de prise un peu plus longs que les btons conventionnels, surtout dans le cas de btonnage par temps froid.

Ainsi les chercheurs trouvent que laddition du laitier favorise laugmentation de la quantit totale et le taux de ressuage dans le bton, quel que soit le type du laitier. Ceci peut tre expliqu par la faible absorptivit des particules de laitier et le retard de prise dans le bton.

b. Influence sur les caractristiques des btons durcis

Selon Venuat [35], les btons avec le laitier ont des rsistances moins leves que les btons ordinaires durant les premiers jours. Ces btons commencent se rattraper au bout de sept jours 200C. Venuat rapporte aussi que les laitiers permettent de raliser des btons rsistant laction des eaux agressives, surtout en immersion complte.

Les mortiers aux laitiers sont de 10 100 fois moins permable leau que les mortiers de ciment portland. Un remplacement de 10% du ciment par le laitier permet de rduire lpaisseur de la zone de transition. Les chercheurs rapportent leffet bnfique des btons aux laitiers sur la rsistance aux sulfates surtout pour les taux de remplacement levs, grce la rduction de la permabilit, la diminution de la chaux libre de la teneur en aluminate.

Les ractions alcalis-silice dcroissent avec laugmentation de la teneur en laitier due la fixation par ce dernier des ions sodium. Quant la rsistance aux cycles de gel-dgel, presque tous les auteurs sont daccord que les btons avec et sans laitier se comportent de la mme faon.

1.3.1.4. Les fillers calcaires

Lutilisation des fillers calcaires dans lindustrie du ciment et du bton est assez rcente. Les additions calcaires dans les matrices cimentaires ont dj fait lobjet de plusieurs tudes, essentiellement en France et aux Etats-Unis dAmrique [33].

Ils sont soit rcuprs lors du concassage des granulats calcaires et peuvent alors contenir des rsidus argileux et des matires organiques, soit obtenus par broyage du matriau cru.

Leur composition chimique est celle du carbonate de calcium (CaCO3) mais ils peuvent contenir aussi du magnsium (sous forme CaMg(CO3)2), sil ragit de calcaires dolomitique.

Les calcaires peuvent avoir des origines gologiques diffrentes, mtamorphique (il sagit de marbres) ou sdimentaire. Ils peuvent aussi exister sous plusieurs formes polymorphiques (calcite, aragonite, vatrite).

Dans la suite de ce travail, on sintressera uniquement aux fillers calcaires pouvant tre produits en Algrie.

a. Influence sur les caractristiques des btons frais

La rhologie des ptes, des mortiers et des btons dpend de la qualit du filler et de sa finesse. Si le filler est finement broy, il y aura une rduction de la quantit deau pour une maniabilit fixe, surtout pour des rapports E/C < 0,40. Il est important de signaler que la prsence de fines dargile dans le filler peut augmenter la demande en eau.

(Alexander, 1972 cit par [33]) rapporte que louvrabilit du bton augmente avec la finesse du filler calcaire jusqu 500 m2/kg. Au-del de cette limite, il peut y avoir des problmes de maniabilit.

Il est noter que la prsence du filler calcaire peut augmenter le retrait plastique du bton frais et permet de densifier la matrice du mortier.

Le filler calcaire peut galement contribuer au contrle du temps de prise par la formation de carboaluminate de calcium (structure similaire celle du monosulfoaluminate).

b. Influence sur les caractristiques des btons durcis

Plusieurs auteurs ont tudi leffet de lajout des fillers calcaires sur les performances mcaniques des btons. Les fillers calcaires contribuent la formation de monocarboaluminates et la modification de la microstructure. Laddition du CaCO3 acclre lhydratation du C3S au jeune ge par modification de la surface de ce dernier et de son effet de nuclation.

Les auteurs rapportent quavec le filler calcaire, il y a une augmentation des rsistances mcaniques au jeune ge due leffet acclrateur et leffet filler du calcaire. On note que pour une finesse de 300 350 m2/kg, il y a seulement leffet filler.

La contribution aux gains de rsistances apports par le filler calcaire est d principalement la rduction de la demande en eau et une meilleure utilisation du potentiel hydraulique du clinker. jeune ge on assiste une diminution de la porosit initiale. partir de 28 jours, les chercheurs trouvent des rsistances comparables aux btons tmoins.

La prsence du filler calcaire augmente le retrait durant les 24 premires heures. Le retrait augmente aussi avec la finesse du filler, sauf dans le cas dune granulomtrie optimise. Pour une priode suprieure 24 heures, il ny pas de diffrence pour le retrait par schage.

Les auteurs prtendent que laddition de filler calcaire ne change pas le taux de carbonatation dans le bton. Au contraire, certains trouvent que pour des rsistances mcaniques quivalentes, la profondeur de carbonatation augmente avec lajout du filler calcaire.

Laddition du filler calcaire diminue la rsistance leau de mer puisque le monocarboaluminate nest pas stable chimiquement. La rsistance aux cycles de gel-dgel nest gnralement pas affecte, sauf pour des taux de remplacement suprieurs 15%. Toutefois, les caractristiques du rseau des bulles dair restent les principaux facteurs qui dterminent lefficacit face aux cycles de gel-dgel.

1.3.2. Normalisation des additions :

Avec lapparition des nouvelles normes sur les btons et granulats, des notions nouvelles sont apparues dans la dfinition des fillers, telles que celle de laddition normalise partiellement substituable au ciment [norme NF P18-305 Bton prt lemploi ] et celle de correcteur granulaire (norme NF P18-541). La diffrence entre les deux dfinitions est lie aux proprits particulires que peuvent possder les additions. Ainsi, la normalisation distingue les produits de broyage de roches naturelles dont la fonction principale est damliorer la compacit du bton frais comme du bton durcie [NF P 18-501 Additions pour btons hydrauliques-Filler (Mars 1992)], des matriaux finement diviss et pouvant tre substitu partiellement au ciment pour amliorer certaines proprits du bton ou pour lui confrer des proprits particulires [NF P18-508 Additions pour btons hydrauliques-Additions calcaires (Juillet 1995)]

Selon la norme bton EN 206, les additions sont considres comme inertes si elles nont aucune action chimique sur les matrices cimentaires (type I) et actives si elles prsentent, mme partiellement, des proprits hydrauliques ou pouzzolaniques en prsence de ciment et deau (type II).

Les additions introduites dans les matriaux hydrauliques sont de natures trs diverses et il parat difficile dtablir ici une liste exhaustive de leur interaction avec le ciment. Souvent, leur principal intrt est de diminuer le cot global du matriau. Depuis la nouvelle norme bton NF P18-305, des additions normalises sont admises en substitution partielle du ciment CEM I.

1.3.2.1. Norme NF P 18-508 Addition calcaire

Les additions calcaires sont des produits secs finement diviss, obtenus par broyage et/ou slection, provenant de gisement de roches calcaires pouvant tre dolomitiques, massives ou meubles, dont les caractristiques sont dfinies par la norme. Deux de ces caractristiques sont particulirement significatives pour complter cette dfinition :

Une teneur minimale en carbonates totaux (calcaire + dolomie), ainsi quune teneur

minimale en carbonate de calcium.

Une valeur minimale de lindice dactivit.

Les additions calcaires conformes la norme NF P18-508 sont substituables au ciment sous les conditions de la norme exprimentale NF P18-305. Au sens de la norme ENV 206, elles sont du type I, mais la France garde tout de mme les notions dindice activit et de liant quivalent.

1.3.2.2. Norme NF EN 450 Cendres volantes

Poudre fine constitue principalement de particules vitreuses de forme sphrique, drive de la combustion du charbon pulvris, ayant des proprits pouzzolaniques et compose essentiellement de SiO2 et Al2O3, la proportion de SiO2 ractive, dfinie et dtermine comme dans lENV 197-1, constituant au moins 25% en masse.

Lexpression cendres volantes dsigne les cendres rcupres la chemine par opposition aux cendres de foyer qui sont apparentes au mchefer . Leur composition chimique les classe dans la catgorie dite des cendres silicoalumineuses. Les cendres calciques ou sulfocalciques (cendres de Gardanne, par exemple) ou silicocalciques (provenant de lits fluidiss circulants) sont exclues de cette norme, car la prsence de chaux et/ou de sulfates dans ces cendres peut poser des problmes srieux de durabilit.

Les cendres volantes conformes la norme NF EN 450 sont des additions de type II au sens de la norme ENV 206. Elles sont substituables au ciment selon les conditions prcises actuellement dans la norme exprimentale NF P18-305 et prochainement dans la norme europenne EN 206.

1.3.2.3. Norme NF P 18-506 Laitiers vitrifi moulu de haut fourneau

Le laitier vitrifi moulu est une addition du type II. Il provient du laitier vitrifi (granul ou boulet), coproduit de la fabrication de la fonte, obtenu par trempe du laitier de haut fourneau en fusion.

Sont exclus de la norme : les laitiers de fonte non tremps (cristalliss et donc non vitrifis) utiliss comme ballast ou comme granulats et galement les laitiers daciries et tous les laitiers de mtaux non ferreux qui peuvent contenir des lments nuisibles aux btons (sels mtalliques).

La norme distingue deux classes de laitiers A et B ; la dernire est la p