Influence Des Ajouts Mineraux Sur Les Resistances Mecaniques

Résumé :

Dans l’industrie cimentaire, la recherche d’un liant moins coûteux en utilisant des déchets industriels et des ressources naturelles est devenue une préoccupation majeure pour palier au déficit dans la fabrication du ciment Portland. Cependant malgré les avantages techniques, économiques et écologiques rapportés par l’utilisation des ciments composés, ces derniers restent associés à des inconvénients. Il est donc nécessaire de savoir si des ciments à plusieurs composants (ternaires) ont des effets synergiques de façon à ce que leurs ingrédients arrivent à compenser leurs faiblesses mutuelles. L’objectif de notre travail consiste en l’étude des effets de l’incorporation d’ajouts minéraux tels que : Pouzzolane (ajout actif),calcaire (ajout inerte) et fumée de silice (ajout très actif) sur les propriétés mécaniques et la durabilité des mortiers élaborés selon des différentes combinaisons à base de ces ajouts. Ceci permettra de sélectionner les dosages optimaux pour les ciments binaires et les couples optimaux pour les ciments ternaires, les plus performants, aussi bien du point de vue résistance mécanique que du point de vue durabilité. Les résultats tirés de ce travail de recherche confirment que le taux de 10% de calcaire améliore la résistance des mortiers binaires au jeune âge, par contre les taux de 30% de pouzzolane et 10% de fumée de silice contribuent positivement à long terme. Pour les mortiers ternaires les couples (10 – 30% PZN / 10% FC) et (10 – 30% PZN / 10% FS) semblent les plus efficaces. L’absorption capillaire est affectée positivement à des taux de 30% de PZN et 10% de FS pour les mortiers binaires et au couple (20% PZN / 10% FS) pour les mortiers ternaires. L’apport de 10% FC, 30% PZN et 10% FS pour les mortiers binaires et des couples (10% PZN / 10 à 20% FC et (10 à 20% PZN / 5 à 10% FS) pour les mortiers ternaires est nettement remarquable pour l’attaque de ces mortiers à des solutions acides sulfuriques et nitriques.

Mots clés :

Pouzzolane naturelle, Fumée de silice, calcaire, mortier binaire, mortier ternaire, résistance mécanique, absorption capillaire, attaque acide et durabilité.

Abstract:

In cementing industry, the search for a less expensive binder by using industrial waste and natural resources became a major concern for stage with the deficit in the manufacture of Portland cement. However in spite of the technical, economic and ecological advantages reported by the use of composed cements, the latter remain associated with disadvantages. It is thus necessary to know if cements with several components (ternary) have synergistic effects so that their ingredients manage to compensate for their mutual weaknesses. The objective of our work consists of the study of the effects of the incorporation of mineral additions such as: Pozzolana (active addition) limestone, (inert addition) and silica Fume (very active addition) on the mechanical properties and the durability of the mortars worked out according to various combinations' containing these additions. This will make it possible to select optimal proportionings for binary cements and the optimal couples for the ternary cements, most powerful, as well from the mechanical resistance point of view from the durability point of view. The results drawn from this research task on the other hand confirm that the rate of limestone 10% improves the binary mortar strength to the youth, the rates of 30% of pozzolana and 10% of silica smoke contribute positively in the long run. For the mortars terraires the couples (10 – 30% PZN/10% FC ) and (10 – 30% PZN/10% FS) seem most effective. Capillary absorption is affected positively atrates of 30% from PZN and 10% of FS for the binary mortars and with the couple (20% PZN/10% FS) for the ternary mortars. The contribution of 10% CAL, 30% PZN and 10% FS for the binary mortars and of the couples (10% PZN/10 to 20% FC) and (10 to 20% PZN/5 to 10% FS) for the ternary mortars is definitely remarkable for the attack of these mortars to acid solutions sulphuric and nitric.

Key words:

Natural pozzolana, silica Fume, limestone, binary mortar, ternary mortar, mechanical resistance, capillary absorption, attack acid and durability.

Le Sommaire

Page

I I II III

01 01 01 01 02 02 03 03 04 04 05 06 06 06 06 07 08 08 09 10 11

12 12 12 13 13 13 15 17 18 20 20 20 21 22 23

Introduction générale ….................................................................................................. Contexte générale de l'étude........................................................................................... Objectifs de l'étude .......................................................................................................... Organisation du mémoire ...................................................................................

Chapitre I : Le ciment et les ajouts minéraux

1.1 Introduction .............................................................................................................. 1.2 Définition du ciment................................................................................................. 1.3 Etapes de fabrication du ciment .............................................................................. 1.3.1 L'extraction et la préparation des matières premières .......................................... 1.3.2 Le séchage et le broyage ........................................................................................ 1.3.3 La cuisson................................................................................................................ 1.3.4 Le broyage du clinker............................................................................................. 1.3.5 Les expéditions ......................……...................................................................... 1.4 Les constituants du ciment ....................................................................................... 1.4.1 Le clinker ................................................................................................................ 1.4.2 Le gypse ................................................................................................................. 1.4.3 Les ajouts minéraux ................................................................................................ 1.5 Hydratation du ciment ............................................................................................... 1.5.1 Introduction …........................................................................................................ 1.5.2 Hydratation des composants du ciment portland ................................................... 1.5.2.1 Hydratation du silicate tricalcique C3S ............................................................... 1.5.2.2 Hydratation du silicate bicalcique ....................................................................... 1.5.2.3 Hydratation de l'aluminate tricalcique C3 A ........................................................ 1.5.2.4 Hydratation de l'aluminoferrite tetracalcique ....................................................... 1.5.2.5 Conclusion ........................................................................................................... 1.6 Généralités ................................................................................................................. 1.7 Classification des ajouts minéraux ............................................................................ 1.7.1 Principaux ajouts minéraux inertes ........................................................................ 1.7.1.1 Fillers calcaires .................................................................................................... 1.7.1.2 La poussière......................................................................................................... 1.7.2 Les ajouts minéraux actifs...................................................................................... 1.7.2.1 La pouzzolane ..................................................................................................... 1.7.2.2 La fumée de silice ............................................................................................... 1.7.2.3 Le laitier de haut fourneau .................................................................................. 1.7.2.4 Les cendres volantes .......................................................................................... 1.8 L'intérêt d'utilisation des ajouts minéraux dans le génie – civil ................................ 18.1 Intérêt du pt de vue économique .............................................................................. 1.8.2 Intérêt du pt de vue technique ............................................................................... 1.8.3 Utilisation des ajouts en Algérie ............................................................................. 1.9 Hydratation des ciments pouzzolaniques ................................................................ 1.10 Conclusion ..............................................................................................................

Chapitre II :

Effets des ajouts minéraux sur les performances

24 26 27 28 29 30 31 32 32 33 33 35 35 35 36 39 41 42 46

50 51 51 51 52 52 54 55 55 56 56 57 58 59 59 60 61 62 62 62 63 66 67 67 68 69 70

mécaniques et la durabilités des matériaux

2.1 Introduction................................................................................................................. 2.2 La perméabilité .......................................................................................................... 2.3 L'absorption (sorptivité )…….................................................................................... 2.4 L'alcali – réaction ...................................................................................................... 2.5 La carbonatation......................................................................................................... 2.6 La corrosion des armatures ........................................................................................ 2.7 La lixiviation en eau douce ....................................................................................... 2.8 Action des sels …....................................................................................................... 2.9 Action des bases. ....................................................................................................... 2.10 Action des sulfates .................................................................................................. 2.10.1 Mécanismes d'attaque ......................................................................................... 2.11 Action des acides...................................................................................................... 2.11.1 Introduction............................................................................................................ 2.11.2 Sources des acides ................................................................................................ 2.11.3 Mécanisme d'attaque ............................................................................................. 2.12 Influence des ajouts sur les performances mécaniques ............................................ 2.13 Influence des ajouts sur l'absorption ........................................................................ 2.14 Influence des ajouts vis – à –vis des attaques sulfates ............................................ 2.15 Influence des ajouts vis – à – vis des attaques acides ............................................. 2.16 Conclusion ..............................................................................................................

Chapitre III : Méthodes et matériaux utilises

3.1 Introduction ................................................................................................................ 3.2 Le ciment ................................................................................................................... 3.2.1 Caractéristiques physiques des pâtes de ciment ..................................................... 3.2.2 Composition chimique et minéralogique du ciment CPA....................................... 3.3 Le Sable ..................................................................................................................... 3.4 La pouzzolane naturelle ............................................................................................. 3.5 Fillers calcaire ............................................................................................................ 3.6 La fumée de silice....................................................................................................... 3.7 Adjuvant ..................................................................................................................... 3.8 L'eau de gâchage......................................................................................................... 3.9 Formulation des mortiers ......................................................................................... 3.10 Maniabilité…........................................................................................................ 3.11 Essais mécaniques..................................................................................................... 3.11.1 Confection des éprouvettes ................................................................................... 3.11.2 Procédure d'essai ................................................................................................... 3.11.3 Résistance à la flexion .......................................................................................... 3.11.4 Résistance à la compression ................................................................................. 3.12 Essais de durabilité ................................................................................................... 3.12.1 L'absorption d'eau ................................................................................................. 3.12.2 Attaques des mortiers par les acides ................................................................... 3.13 Résultats des essais .................................................................................................. 3.13.1 Ciment CPA ........................................................................................................ 3.13.2 Caractéristiques physiques des pâtes de ciment.................................................... 3.13.3 Le sable ................................................................................................................. 3.13.4 La pouzzolane ....................................................................................................... 3.13.5 Les fines calcaires.................................................................................................

71 71 72 73

74 74 74 74 74 76 78 80 80 81 82 83 83 83 85 86 86 87 88 89 89 90 93 93 95 97 99 99 99 101 101 101 101 102 103 104 105

3.13.6 La fumée de silice ................................................................................................. 3.13.7 L'eau de gâchage.................................................................................................... 3.13.8 Caractérisation des mortiers frais .......................................................................... 3.14 Conclusion ...............................................................................................................

Chapitre IV Résultats et discussions

4.1 Introduction ................................................................................................................ 4.2 Essais mécaniques...................................................................................................... 4.2.1 Mortiers aux ciments binaires .................................................................................. 4.2.1.1 Résistance à la compression.................................................................................. 4.2.1.1.1 Effet de la pouzzolane naturelle ........................................................................ 4.2.1.1.2 Effet du calcaire ............................................................................................... 4.2.1.1.3 Effet de la fumée de silice ............................................................................... 4.2.1.2 Résistance à la flexion ......................................................................................... 4.2.1.2.1 Effet de la pouzzolane naturelle ....................................................................... 4.2.1.2.2 Effet du calcaire ............................................................................................... 4.2.1.2.3 Effet de la fumée de silice ................................................................................. 4.2.2 Mortiers aux ciments ternaires ................................................................................ 4.2.2.1 Résistance à la compression ................................................................................. 4.2.2.1.1 Effet du couple pouzzolane / calcaire .............................................................. 4.2.2.1.2 Effet du couple pouzzolane / fumée de silice .................................................. 4.2.2.2 Résistance à la flexion ......................................................................................... 4.2.2.2.1 Effet du couple pouzzolane / calcaire .............................................................. 4.2.2.2.2 Effet du couple pouzzolane / fumée de silice ................................................... 4.2.2.3 Comparaison entre les différents couples ........................................................... 4.2.2.4 Corrélation entre la résistance à la compression et la résistance à la flexion ..... 4.3 Essais de durabilité .................................................................................................... 4.3.1 Essais d'absorption ................................................................................................ 4.3.2 Attaque par les acides .......................................................................................... 4.3.2.1 Attaque avec 5% d'acide sulfurique ................................................................... 4.3.2.2 Attaques avec 3% d'acide sulfurique.................................................................. 4.3.2.3 Attaque avec 5% d'acide nitrique ................................................................... 4.3.2.4 Attaque avec 3% d'acide nitrique ...................................................................... 4.3.3 Comparaison entre les différentes attaques acides .................................................. . 4.3.3.1 Entre solution à 5% et 3% d'acide sulfurique ................................................. 4.3.3.2 entre solution à 5% et 3% d'acide nitrique ........................................................... 4.3.3.3 entre solution d'acide sulfurique et solution d'acide nitrique ............................... 4.4 Observations visuelles .............................................................................................. 4.4.1 Attaque par l'acide sulfurique .............................................................................. 4.4 2 Attaque par l'acide nitrique…................................................................................. 4.4.3 Comparaison visuelle entre les deux attaques ....................................................... 4.5 conclusion ................................................................................................................ Conclusions générales et perspectives ............................................................................

I Introduction

INTRODUCTION GENERALE

CONTEXTE GENERAL DE L’ETUDE :

- Le ciment est nécessaire à la fabrication du béton. En terme d’énergie nécessaire à sa production, le ciment se classe au troisième rang de tous les matériaux ,devancé seulement par l’acier et l’aluminium. Selon certaines études, la fabrication d’une tonne de ciment génère environ une tonne de CO2. Il est responsable d’environ 5% des émissions de ce gaz sur la planète. Cette situation doit être prise au sérieux car le béton est appelé à jouer un rôle de plus en plus important dans le développement et le maintien de l’activité humaine. L’utilisation de résidus industriels récupérés et recyclés, tels que les ajouts cimentaires et les gisements de ressources naturelles tels que la pouzzolane et le calcaire, comme produits de remplacement partiel du ciment Portland dans le béton, permet de réduire les émissions des gaz à effet de serre et se traduit par la fabrication d’un béton non polluant et durable sur le plan environnemental. La minimisation de l’élimination de ces résidus industriels et la diminution de la demande en ressources présente généralement une durée de vie plus longue que le béton « traditionnel ».

Dans l’industrie de ciment lorsqu’un des ajouts cimentaires est ajouté au ciment, ce dernier est dit « binaire » et s’il y’en a deux ajouts il est appelé « ternaire ». Cette approche qui consiste à unir divers matériaux cimentaires existe depuis le début des années 80. Par contre ce n’est que depuis quelques années que l’industrie du béton se montre de plus en plus réceptive à cette nouvelle façon de faire le béton. En plus de procurer une très grande durabilité, le ciment ternaire permet au béton d’être beaucoup plus imperméable aux agressions chimiques.

Un autre avantage est qu’il permet au béton de poursuivre sa performance mécanique même après la période de mûrissement normale de 28 jours, c’est pourquoi il est utilisé pour des projets de constructions devant être particulièrement durables, comme les chaussées, les ponts, les tunnels, les viaducs, les barrages et les plates-formes pétrolières.

La conception d'un béton est extrêmement liée à l’environnement dans lequel il va être exposé durant la durée de vie d’un ouvrage. Certains ions, dans un environnement aqueux peuvent être néfastes pour le ciment hydraté et par conséquent pour l’intégrité du matériau béton.

II Introduction

En effet, le ciment hydraté est poreux et sa porosité est partiellement ou complètement saturée d’une solution dite interstitielle. L’observation de structures en béton dégradées ou des investigations expérimentales en laboratoire ont permis de mieux comprendre l’effet de ces attaques chimiques.

Il s’est avéré que les attaques du béton par les sulfates provoquent des fissurations et des éclatements et les attaques aux acides provoquent des dissolutions et des érosions et tous ces mécanismes peuvent à la limite compromettre l’aptitude au service des ouvrages concernés.Les sources d’acides peuvent être différentes et multiples et parmi les plus fréquentes, on cite les eaux naturelles dans les tourbières et les marécages où le pH peut s’abaisser jusqu à 4, les milieux industriels, les milieux agro-alimentaires, les réseaux d’égouts ainsi que les pluies acides dont les deux principaux polluants sont l’acide nitrique HNO3 et l’acide sulfurique H2SO4.

A l’heure actuelle, les études entreprises dans le domaine « durabilité » du matériau béton et le domaine « environnement » ont conduit à proposer des dispositions constructives où à concevoir de nouveaux matériaux tout en gardant à l’esprit l’aspect technico-économique et cela pour répondre à un objectif de résistance du matériau dans un environnement donné et une durée d’exposition définie, c’est pourquoi le recours aux ajouts minéraux est certainement la voie la plus prometteuse à suivre afin d'assurer un développement durable du matériau béton.

De nos jours, l’utilisation de mélanges de bétons « ternaires » comme solution valable dans le domaine de génie civil (bâtiments et travaux publics) est de plus en plus répandue dans le monde, car ces mélanges permettent aux effets bénéfiques d’un ajout cimentaire donné de compenser les inconvénients que pourraient présenter un autre.

OBJECTIFS DE L'ETUDE :

L’étude entreprise dans ce mémoire vise à atteindre les objectifs principaux suivants :

1- Etude des effets de l’incorporation des ajouts minéraux : pouzzolane naturelle, calcaire et fumée de silice sur les propriétés mécaniques et la durabilité des mortiers confectionnés à base de ciments binaires et ciments ternaires.

2- Sélection des dosages optimaux des ajouts minéraux les plus performants du point de vue résistance mécanique que du point de vue durabilité.

III Introduction

ORGANISATION DU MEMOIRE :

Le contenu du mémoire englobe les chapitres suivants :

- Le premier chapitre est consacré à l’élément principal du béton qui est le ciment et aux ajouts minéraux. les étapes de fabrication, les constituants, l' hydratation du ciment ainsi que la classification , les intérêts d 'utilisation des ajouts dans le domaine de génie civil sont présentés dans ce chapitre.

- Quelques aspects affectant la durabilité des matériaux tels que : la perméabilité , l'absorption, action des sulfates , action des acides ainsi que l'influence des ajouts minéraux sur les performances mécaniques , sur l'absorption , sur les attaques sulfates et acides des matériaux font l'objet du deuxième chapitre .

- Le troisième chapitre traite l’ensemble des matériaux utilisés dans l’élaboration des différents mortiers, les résultats des essais servant à leur identification ainsi que les différentes méthodes et techniques utilisées dans cette étude expérimentale.

- Les résultats des essais mécaniques, ceux des attaques acides (H2SO4- HNO3) effectués sur les différents mortiers ainsi que leurs discussions font l’objet du quatrième chapitre.

- Enfin, ce mémoire est clôturé par une conclusion générale qui rappelle les principaux résultats obtenus ainsi que les perspectives pour de futurs travaux de recherche

Chapitre I 01 Le ciment et les ajouts minéraux

Chapitre I

Le ciment et les ajouts minéraux

1ére partie : le ciment

1.1- Introduction En leur temps, les romains furent les premiers à fabriquer un liant hydraulique capable de faire prise sous l’eau en mélangeant de la chaux à des cendres volcaniques. Bien que connues depuis l’antiquité, les propriétés d’hydraulicité de ce mélange sont restées inexpliquées pendant des siècles. Ce n’est qu’en 1817 que Louis Vicat en établit la théorie et révéla les principes de fabrication du ciment artificiel que nous utilisons encore aujourd’hui. En 1824, l’écossais Aspdin augmente la température de cuisson du ciment jusqu’en début de fusion des matériaux de base et donne au ciment le nom de Portland en référence à la pierre de cette région dont les propriétés étaient comparables.

1.2- Définition du ciment Le ciment est un liant hydraulique qui durcit tant à l’air que sous l’eau. Il est obtenu par broyage fin du clinker avec une quantité nécessaire de gypse et un / ou des ajout(s) minéraux actifs (ciment composé), faite simultanément ou par malaxage minutieux des mêmes matériaux broyés séparément.

1.3- Etapes de fabrication du ciment: La fabrication du ciment est un procédé complexe qui exige un savoir-faire, une maîtrise des outils et des techniques de production, des contrôles rigoureux et continus de la qualité. Ce procédé comporte les étapes de fabrication suivantes : 1.3.1- L’extraction et la préparation des matières premières Les matières premières sont extraites des parois rocheuses d’une carrière à ciel ouvert par abattage à l’explosif ou à la pelle mécanique ou encore par ripage au bulldozer. La roche est reprise par des dumpers vers un atelier de concassage. Pour produire des ciments de qualités constantes, les matières premières doivent être très soigneusement échantillonnées, dosées et mélangées de façon à obtenir une composition parfaitement régulière dans le temps.


Mais si elle peut varier d’une cimenterie à l’autre en fonction de la qualité du gisement exploité, la composition du cru reste dans des proportions bien définies [1]: • Carbonate de calcium (CaCO3) de 77 à 83 % • Silice (SiO2): de 13 à 14% • Alumine (A12O3 ): de 2 à 4% • Oxyde ferrique(Fe2O3) de 1,5 à 3 % La roche est échantillonnée en continu pour déterminer la quantité des différents ajouts nécessaires (oxyde de fer, alumine et silice). Le mélange est ensuite réalisé dans un hall de préhomogénéisation où la matière est disposée en couches horizontales superposées puis reprise verticalement. 1.3.2- Le séchage et le broyage Pour favoriser les réactions chimiques qui suivent, les matières premières doivent être séchées et broyées très finement (quelques microns) dans des broyeurs à boulets ou dans des broyeurs à meules verticaux. Ces derniers, plus récents, sont plus économiques en énergie et permettent un séchage plus efficace..Ensuite 3 voies sont possibles : la voie humide, la voie sèche et semi-sèche. La première est plus ancienne et implique une grande consommation d’énergie pour évaporer l’eau excédentaire. Dans ces procédés, les matières premières sont parfaitement homogénéisées et séchées lors de l’opération de broyage afin d’obtenir la farine. Celle-ci peut être introduite directement dans le four sous forme pulvérulente (voie sèche), ou préalablement transformée en “granules” par humidification (voie semi-sèche). 1.3.3- La cuisson La cuisson se fait à une température voisine de 14500C dans un four rotatif, long cylindre tournant de 1,5 à 3 tour/minute et légèrement incliné. La matière chemine lentement et se préchauffe le cru à environ 800°C. A la sortie du four, un refroidisseur à grille permet d’assurer la trempe des nodules incandescents et de les ramener à une température d’environ 100°C. Tout au long de la cuisson, un ensemble de réactions physico-chimiques conduit à l’obtention du clinker


• la décarbonatation du carbonate de calcium (calcaire ) donne de la chaux vive. • l’argile se scinde en ses constituants silice et alumine qui se combinent à la chaux pour former des silicates et aluminates de chaux. Ce phénomène progressif constitue la clinkérisation. 1.3.4- Le broyage du clinker Pour obtenir un ciment aux propriétés hydrauliques actives, le clinker doit être à son tour broyé très finement. Ce broyage s’effectue dans des broyeurs à boulets. Les corps broyant sont constitués de boulets d’acier qui, par choc, font éclater les grains de clinker et amènent progressivement le ciment à l’état de fine farine, ne comportant que très peu de grains supérieurs à 80 microns. A la sortie du broyeur, un cyclone sépare les éléments suffisamment fins des autres qui sont renvoyés à l’entrée du broyeur. C’est également lors du broyage que l’on ajoute au clinker le gypse (3 à 5%) indispensable à la régulation de prise du ciment. On obtient alors le ciment "Portland". Les ciments avec "ajouts" sont obtenus par l’addition au clinker, lors de son broyage, d’éléments minéraux supplémentaires contenus par exemple dans les laitiers de hauts fourneaux, les cendres de centrales thermiques, les fillers calcaires, les pouzzolanes naturelles. Ainsi sont obtenues les différentes catégories de ciments qui permettront la réalisation d'ouvrage allant du plus courant au plus exigeant. 1.3.5- Les expéditions Après le broyage, le ciment est sous sa forme définitive, tel que nous le connaissons sur les chantiers. Il est alors stocké dans des silos verticaux qu’il faut entretenir régulièrement En effet au bout d’un certain temps, le ciment sèche dans les silos et s’entasse. Il faut donc qu’il se renouvelle régulièrement dans les silos afin qu’il n’y stagne pas. Pour se faire, on installe, des injections d’air dont la pression est plus forte vers l’extérieur et moins forte vers le centre du silo. En tète du silo un aspirateur d’air est également mis en place pour dégonfler le silo. Par ce procédé, le ciment acquière les propriétés d’un fluide et ne se bloque plus, économisant des pertes qui peuvent être conséquentes. Le ciment est ensuite extrait de ces silos par un bec verseur. Ensuite, les ciments quittent l'usine en sacs ou en vrac .


1.4- Les Constituants du ciment 1.4.1- Le Clinker: Le ciment résulte du broyage d’un certain nombre de constituants. Le plus important étant le clinker formé de silicates et d’aluminates de chaux [1]. Dans la zone de clinkérisation du four, les éléments simples (CaO ,Si02 ,A12O3 et Fe2O3) se combinent pour donner les constituants minéraux suivants ( figure 1.1) - silicate tricalcique (C3S) : 3CaO.SiO2 (Alite) - silicate dicalcique (C2S) : 2CaO.SiO2 (Belite) - aIuminate tricalcique (C3A) : 3CaO.Al2O3 - ferroaluminate calcique (C4AF): 4CaO .Al2O3 .Fe2O3 (Célite)

Figure 1.1 : Microphotographie d' un clinker noir = porosité , rouge = C3S , bleu clair = C2S , vert = C3A , vert = sulfates de calcium ,

jaune = K2SO4, et blanc = CaO [2]

Les compositions chimiques et minéralogiques du clinker sont comprises dans les limites données par le tableau 1.1


Tableau 1 .1: Composition chimique et minéralogique du clinker [3]

On constate que les quatre oxydes CaO, SiO2, Al2O3 et Fe2O3 interviennent pour plus de 95% de la composition chimique du clinker. On les appelle les oxydes majeurs. Ainsi les oxydes mineurs les plus importants dans le ciment sont: • la magnésie (MgO) provient de la dolomite qui est souvent présente avec le calcaire. • les oxydes alcalins K2O et le Na2O proviennent en général, de l’argile et des feldspaths • l’anhydride sulfurique (SO3.) dans le clinker provient des matières, telles que la pyrite (FeS2) mais aussi du calcaire ou de l'argile et surtout des combustibles utilisés tels que le charbon, le fuel ou le gaz naturel. 1.4.2- Le gypse(CaSO4) Le clinker « pur » très fin est caractérisé par de courts délais de prise (3 à 5 min), ce qui le rend pratiquement inutilisable. Ce fait est surtout dû à la célite (C3A) qui s’hydrate rapidement tandis que ses hydrates deviennent rapidement compacts et se cristallisent. Il s’ensuit que pour ralentir la prise du ciment, il faut lier les hydroaluminates de calcium en d’autres composés. Ce rôle peut bien être joué par le gypse qui réagit énergiquement avec l’hydroaluminate tricalcique et produit un sel insoluble l‘hydrosulfoaluminate de calcium (3CaO.Al2O3.3CaSO4.31H2O)

Composants minéralogiques

Teneurs limites (%) Teneur moyenne (%)

C3S 40-70 60 C2S 00-30 15 C3A 02-15 08 C4AF 00-15 08 Oxydes CaO 60-69 65 SiO2 18-24 21 Al 2O3 04-08 06 Fe2O3 01-08 03 MgO < 05 02 K2O, Na2O3 < 02 01 SO3 < 03 01

Chapitre I 06 Le ciment et les ajouts minéraux La quantité à introduire doit correspondre à la teneur en C3A dans le liant et lorsque cette teneur en gypse est respectée, l’action des hydroaluminates de calcium se trouve paralysée au moment initial. 1.4.3- Les ajouts minéraux Ces ajouts jouent le rôle suivant: d’après leur composition ils se présentent principalement par de la silice amorphe qui réagit activement avec l’hydroxyde de chaux qui se forme lors de l’hydratation des minéraux faisant partie du clinker. Le rapport entre le clinker et l’adjuvant hydraulique (ajout minéral) est établi en fonction de l‘activité de l’adjuvant et de la composition minéralogique du clinker.

1.5 Hydratation du ciment 1.5.1- Introduction Le ciment est un liant hydraulique: il se combine à l’eau en donnant des hydrates stables qui lui confèrent une résistance mécanique. La réaction chimique d’hydratation du ciment conduit donc à la formation d’une pâte qui, après prise, durcit progressivement à l’air ou dans l’eau. Les mécanismes fondamentaux de l’hydratation du ciment ont été mis en lumière, dés la fin du siècle dernier, par Henri Le Chatelier. Il a notamment décrit les trois phénomènes concomitants qui concourent au phénomène de prise [4]: - la dissolution des constituants du ciment dans l’eau. - la formation de solutions sursaturées par rapport aux différents hydrates. - la précipitation et la cristallisation de ces hydrates dans les vides intergranulaires. 1-5.2- Hydratation des composants du ciment Portland Lorsque le ciment entre en contact avec l’eau, une réaction exothermique instantanée se produit avec une forte libération de chaleur, cette période dite de pré-induction est de courte durée (10 - 20 minutes). Elle est suivie d’une période relative inactivée appelée période d’induction ou période dormante au cours de laquelle le dégagement de chaleur est faible, mais jamais nul. La durée de cette période peut varier entre 2 et 8 heures.

Chapitre I 07 Le ciment et les ajouts minéraux La période d’induction est très importante quant à l’ouvrabilité des bétons et mortiers, car à sa fin s’amorce la prise du ciment avec un fort dégagement de chaleur qui correspond à la période d’accélération associée au début de prise et de durcissement du ciment. Pour comprendre les changements chimiques et physiques qui se produisent au cours de l’hydratation du ciment portland, il est essentiel d’étudier séparément les réactions des silicates et des aluminates. 1.5.2.1 Hydratation du silicate tricalcique C3S L'hydratation des silicates produit des gels de silicate de calcium hydraté et l'hydroxyde de calcium. La réaction du C3S avec de l’eau est la suivante:

2C3S + 6H → CSH + 3 CH (1.1)

Où CSH représente le 3CaO.2SiO2. 3H2O (Silicate de calcium hydraté) et CH représente le Ca(OH)2 (Portlandite). Les hydrates ainsi obtenus au cours de l’hydratation du C3S ( figure 1.2 ) sont: - les silicates de calcium hydratés (CSH) qui occupent entre 60 et 70% du volume de solide d’une pâte de ciment complètement hydratée. Ils ont une structure en feuillets formées de cristaux très petits et mal cristallisés. La surface spécifique est très élevée (100 - 700 m²/g). La cohésion des feuillets de CSH est due aux forces de Van Der Walls entre leurs parties colloïdales - l’autre composant principal dans l’hydratation des silicates tricalciques est l’hydroxyde de calcium CH (ou Portlandite) qui occupe entre 20 à 25% du volume des solides de la pâte de ciment complètement hydratée. La portlandite a une morphologie hexagonale prismatique. Elle participe peu au développement de la résistance. En fait, la présence de la portlandite peut être un risque, parce qu'elle est fortement soluble et susceptible à l’attaque d’acide et de sulfate [5].


Figure 1.2- CSH fibreux avec Cristal de Portlandite (X) entre des CSH (#), La porosité est repérée par (O) [6]

1.5.2.2- Hydratation du silicate bi calcique C2S Une fois hydraté, C2S donne aussi des CSH. La réaction est donnée par:

2C2S + 4H → CSH + CH (1 .2 ) Les études calorimétriques ont montré des résultats semblables à ceux de l’hydratation de C3S mais avec moins d’évolution de la chaleur. Selon des calculs de stœchiométrie., l’hydratation de C3S produirait 61% de gel de CSH et 39% de CH alors que l’hydratation de C2S produirait 82% de gel de CSH et seulement 18% de CH,donc une quantité plus élevée de C2S dans le ciment aurait comme conséquence plus de résistance. Pour la résistance au jeune âge, cependant, plus de C3S est nécessaire, parce que sa vitesse de réaction est plus élevée.

1.5.2.3- Hydratation de l'aluminate tricalcique C3A L’hydratation des aluminates est considérablement influencée par la présence du gypse (CaSO4 2H2O). En l’absence du gypse, la réaction de C3A avec de l’eau est très violente et mène au raidissement immédiat de la pâte, connu sous le nom de prise rapide. En présence du gypse, les C3A réagissent d’abord pour former le trisulfoaluminate hydraté (Ettringite) qui se cristallise en aiguilles à base Hexagonale (figure 1.3). La réaction est donnée par:

C3A + 3(CaSO4 2H2O) + 32H → C3A 3(CaSO4. 2H2O) H32 (1.3)


Figure 1.3- Microscopie Electronique à Balayage, ettringite aciculaire (aiguille) dans un béton [2]. Le gypse ajouté au clinker (3 à 5% en poids) n’est pas en teneur suffisante pour transformer tous les aluminates en éttringite. Il apparaît donc secondairement un monosulfoaluminate qui se cristallise en plaquettes hexagonales [7]. La réaction est donnée par: C3A 3(CaSO4 2H2O) H32 + 2C3A + 4H → C3A (CaSO4 2H2O) H12 (1.4) Les aluminates hydratés ainsi obtenus occupent 15 à 20% du volume de la pâte de ciment complètement hydratée [8] 1.5.2.4- Hydratation de I’aluminoferrite tétracalcique C4AF Le C4AF réagit avec le gypse avec un mode semblable que celui de C3A, mais dans ce cas, la réaction est beaucoup plus lente. Dans la première étape de la réaction, le C4AF produit une forme élevée de sulfoaluminate de calcium qui réagit avec l’excès de C4AF pour donner une basse forme de sulfoaluminate. Ces sulfoaluminates occupent environ 15-20% du volume de solides dans la pâte. La réaction du C4AF dégage peu de chaleur et participe peu au développement de la résistance [5]. L’hydratation des aluminates est de grande importance pratique parce qu’ils affectent les propriétés de

prise du ciment.

Chapitre I 10 Le ciment et les ajouts minéraux 1.5.2.5- Conclusion La réaction d’hydratation du ciment combine les réactions d’hydratation des principaux composants du clinker et, éventuellement, celles de ses composants secondaires. Cependant, les réactions sont plus complexes du fait des interactions chimiques et thermiques qui se produisent au cours du processus d'hydratation et du fait des impuretés présentes dans la solution solide qui influencent beaucoup l'hydratation de chaque phase.


2éme partie : les ajouts minéraux

1.6- Généralités

On peut fabriquer des bétons en utilisant seulement du ciment Portland. Cependant la substitution partielle d’une certaine quantité de ciment par un ou plusieurs ajouts minéraux lorsqu’ils sont disponibles à des prix compétitifs peut être avantageuse, non seulement du point de vue économique , mais aussi du point de vue rhéologique et parfois du point de vue résistance et durabilité. La plupart des ajouts minéraux ont en commun de contenir une forme de silice vitreuse réactive qui , en présence d’eau, peut se combiner à la température libérée par l’hydratation du C2S et du C3S avec la chaux pour former un silicate de calcium hydraté du même type que celui qui est formé durant l’hydratation du ciment Portland ( N F P 18-508). On peut écrire donc une réaction pouzzolanique de la façon simple suivante :

Pouzzolane + chaux + eau → Silicate de calcium hydraté Il faut noter qu’ à la température de la pièce, cette réaction est généralement lente et peut se développer sur plusieurs semaines . Cependant plus la pouzzolane est fine et vitreuse, plus sa réaction avec la chaux est rapide. L’hydratation du ciment Portland libère une grande quantité de chaux par suite de la réaction d’hydratation du C2S et du C3S ( 30 % de la masse anhydre du ciment ). Cette chaux contribue à la chute de résistance de la pâte de ciment hydratée. Elle peut même être responsable des problèmes de durabilité puisqu’elle peut être assez facilement lessivée par de l’eau , ce lessivage augmente alors la porosité de la pâte de ciment. Le seul aspect positif de la présence de chaux dans un béton est qu’elle maintient un pH élevé qui favorise la stabilité de la couche de l’oxyde de fer que l’on retrouve sur les armatures d'acier. Quand on fabrique des bétons, si on utilise 20 à 30% de pouzzolane, théoriquement, on pourrait faire réagir toute la chaux produite par l’hydratation du ciment portland pour la transformer en C-S-H. Cependant, les conditions dans lesquelles on utilise le béton sont très différentes de cette situation idéale et la réaction pouzzolanique n’est jamais complète. Ces matériaux étant des sous produits industriels, leurs compositions chimiques sont en général moins bien définies que celle du ciment Portland.


1.7- Classification des ajouts minéraux Selon la norme [ENV 2006] paragraphe 3.1.5, les ajouts minéraux dans le ciment sont classés en actifs et inertes. On distingue quatre classes d’ajouts minéraux : 1.7.1- Principaux ajouts minéraux inertes

Selon certains chercheurs, les particules de clinker de dimension supérieure à 60 µm ne subissent pas une hydratation complète même au cours du durcissement à long terme, pour cette même raison les particules de clinker de telle dimension pourraient être remplacées par celles de matériaux inertes (N F P 18- 305) En outre, les particules les plus fines d’un ajout inerte servent à remplir les pores de la pâte de ciment, ils jouent le rôle de micro agrégats. Ce sont des matériaux quasiment inertes, organiques naturels ou synthétiques spécialement sélectionnés qui, par leur composition granulométrique améliorent les propriétés physiques du ciment Portland (ouvrabilité, pouvoir de rétention d’eau, …). Parmi ces additifs on distingue les fillers calcaires et la poussière. 1.7.1.1 - Fillers calcaires Les produits désignés dans le commerce comme fillers sont des poudres fines à granulométrie contrôlée , dont les plus gros grains ne dépassent pas 80 microns obtenus par broyage ou par pulvérisation de certaines roches ( calcaires, basalte, bentonite, cendres volantes ……). Les fillers se différencient les uns des autres par:

• leur origine, leurs compositions chimiques et minéralogiques, leurs défauts de structure, les impuretés qui’ ils contiennent.

• leur finesse, la forme des grains, leur état de surface. • leur dureté, leur porosité.

Un filler est dit calcaire s’il contient au moins 90% de carbonate de calcium. Dans les autres cas, le filler est désigné par le nom de sa roche d’origine.

Les différents résultats montrent que les fillers calcaires ajoutés à un CPA peuvent jouer plusieurs rôles:

• Un rôle de remplissage en substitution du ciment dans les éléments fins de la courbe granulométrique (bétons ouvrables retenant mieux l’eau).


• Un rôle rhéologique par leur pouvoir fluidifiant sur la pâte interstitielle. • Un rôle chimique et physique conduisant à l’accélération de l’hydratation du C3S et

du C3A et à la formation de carboaluminates : germes de cristallisation et points d’ancrage des hydrates.

• Un rôle physique en permettant un arrangement initial différent ce qui réduit l’épaisseur entre la pâte et le granulat.

1.7.1.2- La poussière La poussière est une matière à particules fines , récupérée à la sortie du four , lors de son passage avec la fumée , sa finesse est comprise entre 7000 et 9000 cm 2/ g. le ciment composé avec la poussière a des caractéristiques mécaniques et une résistance au gel-dégel comparable à celle du ciment sans ajouts. Le temps de prise, le fluage et le retrait augmente avec l’augmentation du pourcentage d’ajout. 1.7.2-Les ajouts minéraux actifs 1.7.2.1- La pouzzolane Les pouzzolanes sont des matériaux, naturels ou artificiels, capables de réagir en présence d’eau avec l’hydroxyde de chaux pour donner naissance à des composés nouveaux, stables, peu solubles dans l’eau et possédant des propriétés liantes [1]. Les normes françaises donnent les définitions suivantes des pouzzolanes entrant dans la fabrication des ciments :

• A) pouzzolane naturelle Est un produit d’origine volcanique essentiellement composé de silice , d’alumine et d’oxyde de fer ayant naturellement des propriétés pouzzolaniques. Elle peut être d’origine volcanique: verre volcanique, ponce, rhyolite, tufs, zéolite ou d’origine sédimentaire: terre à diatomées, diatomites

• B) Pouzzolane artificielle C’est une matière essentiellement composée de silice, d’alumine et d’oxyde de fer ayant subi un traitement thermique pour lui assurer des propriétés pouzzolaniques . Les roches traitées thermiquement: argiles, schistes, latérite, bauxite et moler . Le professeur Massaza classe les pouzzolanes en trois catégories [1]:

Chapitre I 14 Le ciment et les ajouts minéraux - Les constituants actifs: phase vitreuse plus au moins altérée , opale , terre de diatomées , z zéolites cristallisées. - Les constituants inertes: phase cristallisée autre que les zéolites. - Les constituants nocifs: substances organiques et argiles gonflantes :

• Propriétés et caractéristiques des pouzzolanes Les pouzzolanes sont des roches " acides " ayant des teneurs élevées en silice et en alumine (entre 70 et 80% pour les deux composants ensemble), puis en fer, en alcalins, en magnésie et en chaux. Les pouzzolanes naturelles d’origine sédimentaire ont des teneurs en silice encore plus élevées (cas des squelettes siliceux de micro-organismes). Les quantités de chaux sont limitées, ce qui explique par ailleurs, la capacité des pouzzolanes à fixer la chaux [9] et [10]. Les pouzzolanes sont formées surtout d’éléments vitreux. Elles sont plus au moins réactives. La réactivité est l’aspect chimique de fixation de la chaux. L’activité pouzzolanique s’explique par une attaque lente de la silice et de l’alumine des pouzzolanes par l’hydroxyde de chaux (portlandite). Des tests chimiques basés sur la quantité de chaux absorbée ou sur la vitesse de fixation ne suffisent pas pour déterminer la réactivité pouzzolanique . D’autre part, la connaissance séparée des propriétés de chacun des constituants ne permet pas de prévoir le comportement des mélanges. Seuls les résultats des essais de l’évolution des résistances mécaniques dans le temps permettent de conclure [1] . Tous les matériaux appelés « pouzzolanes » ne possèdent pas forcément cette propriété. On peut dans certains cas , activer les pouzzolanes par certains procédés :

• ajouts de produits chimiques. • broyage à une finesse plus élevée. • traitement thermique.

Chapitre I 15 Le ciment et les ajouts minéraux En plus de ces caractéristiques, on cite les propriétés suivantes :

• Propriétés hydrauliques La pouzzolane réagit avec l’eau , en présence d’une quantité suffisante de chaux , pour former des hydrates stables , peu solubles et résistants à long terme .

• Propriétés physiques de remplissage En plus de leur effet pouzzolanique , elles jouent un rôle de remplissage des pores des produits hydratés et de correcteurs granulaires , ce qui améliore la compacité et diminue la perméabilité . 1.7.2.2 la fumée de silice La fumée de silice est un sous produit de la fabrication du silicium, de différents alliages de ferrosilicium ou de zircone . Le silicium et les alliages de silicium sont produits dans des fours à arc électrique où le quartz est réduit en présence de charbon (et de fer pour la production de ferrossilicium). Durant la réduction de la silice dans l’arc électrique, un composé gazeux, SiO se forme [11] et s’échappe vers la partie supérieure du four, il se refroidit, se condense et s’oxyde sous forme de particules ultrafines de silice SiO2. Ces particules sont récupérées dans un système de dépoussiérage .D’un point de vue chimique, la fumée de silice est essentiellement composée de silice (Tableau 1.2).La teneur en SiO2 de la fumée de silice varie selon le type d’alliage produit. Plus la teneur en silicium de l’alliage est élevée plus la teneur en SiO2 de la fumée de silice est élevée. Les fumées de silice produites durant la fabrication de silicium métal contiennent en général plus de 90% de SiO2.

La fumée de silice produite lors de la fabrication d’un alliage Fe –Si à 75% a une teneur en silice généralement supérieure à 85%. Du point de vue structural, la fumée de silice est essentiellement composée de silice vitreuse. Du point de vue morphologique, les particules de fumée de silice se présentent sous forme de sphères ayant des diamètres compris entre 0.03µm et 0.3 µm (le diamètre moyen habituel se situant en dessous de 0.1 µm), de telle sorte que la dimension moyenne des sphères de fumée de silice est 100 fois plus faible que celle d’une particule de ciment avec un diamètre moyen de l’ordre de 1/ 10 de micron.


Tableau 1.2 : Composition chimique type de certaines fumées de silice [11].

Les caractéristiques très particulières de la fumée de silice en font une pouzzolane très réactive à cause de sa très forte teneur en silice, de son état amorphe et de son extrême finesse.Les effets bénéfiques de la fumée de silice sur la microstructure et les propriétés mécaniques du béton sont dus essentiellement à la rapidité à laquelle la réaction pouzzolanique se développe et à l'effet physique particulier aux particules de fumée de silice qui est connu sous le nom d’effet filler. Ces deux effets entraînent à la fois une forte augmentation de la compacité et une amélioration des résistances mécaniques du fait de la réaction pouzzolanique des fumées de silice .Ajoutons cependant que la fumée de silice est un matériau peu économique. La fumée de silice est aussi appelée micro silice ou fumée de silice condensée, mais le terme fumé de silice est le plus généralement utilisé. La densité de la fumée de silice est généralement de 2.2, mais aussi un peu plus élevée lorsque la teneur en silice est plus faible. Elle est moins dense que le ciment Portland dont la densité est 3.1. Ce produit se présence sous la forme d’une poudre ultra fine de couleur claire ou grise . Lorsque l’on considère les propriétés du béton aux fumées de silice, il importe de garder à l’esprit qu’on utilise ces dernières de deux manières différentes :

• Comme substitue du ciment, pour réduire les quantités de ciment utilisées, en général pour des raisons d'économie

• Comme ajout, pour améliorer les propriétés du béton, aussi bien à l’état frais qu’à l’état durci.

Composés Silicium ( grise) Ferro silicium ( grise) Blanche

SiO2 93.7 87.3 90.0 AL2 O3 0.6 1.0 1.0 CaO 0.2 0.4 0.1 Fe2O3 0.3 4.4 2.9 MgO 0.2 0.3 0.2 Na2O 0.2 0.2 0.9 K2O 0.5 0.6 1.3

Perte au feu 2.9 0.6 1.2

Chapitre I 17 Le ciment et les ajouts minéraux 1.7.2.3-Le laitier de haut fourneau Le laitier de haut fourneau, ou le laitier broyé comme il voudrait peut- être mieux l’appeler est un sous produit de la fabrication de la fonte brusquement refroidi par aspersion d’eau ,c’est un matériau hydraulique lorsqu’il est activé. Il se présente sous forme de nodules dont la composition chimique comporte de l’oxyde de calcium dans des proportions de l’ordre de 40 à 50 %, de la silice entre 25 à 35%, de l’alumine entre 12 à 30% ainsi que la magnésie et d’autres oxydes en très faibles quantités, tous ces éléments étant pratiquement les mêmes que ceux du clinker. D'un point de vue chimique (tableau 1.3), les laitiers ont une composition relativement constante à laquelle le métallurgiste porte une certaine attention puisque tout écart par rapport à cette composition chimique optimale se traduit par une augmentation des coûts énergétiques assez importants et donc à des coûts de production plus élevés pour la fabrication de la fonte. Le laitier est fondu à une densité beaucoup plus faible (de l’ordre de 2.8) que celle de la fonte (qui est supérieure à 7.0) de telle sorte que le laitier fondu flotte au – dessus de la fonte fondue au bas du haut fourneau si bien que l’on peut soutirer ces deux liquides séparément.

OXYDES Laitier français Laitier nord U S A Laitier algérien

SiO2 29 à 36 33 à 42 38 à 42

AI 2O3 13 à 19 10 à 16 8 à 12

CaO 40 à 43 36 à 45 48 à 52

Fe2O3 4% 0.3 à 20 2.0

MgO 6% 3 à 12 4.7

S 1.5% 0.15

Tableau 1.3 : Composition chimique type de laitiers de haut fourneau [12]


Le laitier peut être mélangé avec du ciment après avoir été séparé ou après avoir été cobroyé avec le clinker. Le laitier retient moins bien l’eau de gâchage que le ciment Portland et craint donc d’avantage la dessiccation. Par contre il résiste normalement mieux à l’action destructrice des sulfates, à la dissolution de chaux par les eaux pures ainsi que par celles contenant du gaz carbonique. La réactivité du laitier peut être augmentée de trois façons :

• Broyage poussé.

• Chaleur (étuvage, autoclavage).

• Produits chimiques (la chaux, la soude (Na OH) ou des sels de soude, le sulfate de calcium ( gypse) ) . 1.7.2.4 Les cendres volantes Les cendres volantes sont des particules très fines récupérées par les systèmes de dépoussiérages des gaz des chaudières des centrales thermiques. Les cendres volantes peuvent avoir différentes compositions chimiques et différentes compositions de phase parce que Celles – ci sont reliées exclusivement au type d’impuretés qui sont contenues dans le charbon que l’on brûle dans la centrale thermique. Des charbons provenant de la même source et utilisés dans la même centrale thermique produisent des cendres volantes très semblables. Cependant, comme on peut le voir dans le tableau (1.4) la composition chimique des cendres volantes qui proviennent de différentes usines peut varier beaucoup. Les particules de cendres volantes peuvent avoir des formes très différentes les unes des autres. Elles peuvent avoir une forme sphérique, avec une distribution granulométrique semblable à celle du ciment Portland, elles peuvent contenir des sphères creuses et même dans certains cas, elles peuvent contenir seulement des particules angulaires.

Les cendres volantes se divisent en trois catégories :

• Les cendres silico- alumineuses ( cendre de houille )

• Les cendres sulfocalciques ( cendre de lignite )

• Des cendres non typifiées de composition irrégulière ou de propriétés assez incertaines


Composés Classe F Classe F Classe C Sulfo – calcique

Sulfo-calcique

SiO2 59.4 47.4 36.2 24.0 13.5 AI 2O3 22.4 21.3 17.4 18.5 5.5 Fe2O3 8.9 6.2 6.4 17.0 3.5 CaO 2.6 16.6 26.5 24.0 56 MgO 1.3 4.7 6.6 1.0 1.8 Na2O 2.2 0.4 2.2 0.8 .....

SO3 2.4 1.5 2.8 8.0 15.1 Perte au feu 2.0 1.5 0.6 ….. …..

SiO2+AL 2O3+Fe2O3 90.7 74.9 60 59.5 22.5

Chaux libre …… ……….……………………… ….. …… 28.0

Tableau 1.4 : Composition chimique type de certaines cendres volantes d’après Aitcin [13]

La plupart des particules ont un diamètre compris entre 1µm et 100 µm , leur surface spécifique Blaine se situe généralement entre 250 et 600 m2/kg . La grande surface spécifique des cendres

volantes signifie que le matériau réagit facilement avec l’hydroxyde de calcium. D’une façon générale, l’introduction des cendres volantes dans le béton diminue la porosité et la perméabilité. Elle diminue la sensibilité du béton aux eaux agressives, en fixant progressivement la chaux. La cendre volante permet au béton de conserver sa compacité et de rester imperméable. Il est reconnu que l’emploi des ciments aux cendres volantes entraîne une diminution du retrait hydraulique et thermique du béton En plus des propriétés décrites , lorsqu ‘elles sont utilisées comme une fraction liante, les cendres volantes jouent également d’autres rôles dans le béton tels que l’amélioration de l’ouvrabilité , la diminution de la proportion d’eau pour le béton frais et l’imperméabilité des surfaces .


1.8- L’intérêt de l’utilisation des ajouts minéraux dans le génie civil 1.8.1 Intérêt du point de vue économique L’introduction des ajouts dans la confection du ciment présente un facteur bénéfique car la consommation en clinker baisse en fonction des taux d’ajouts. En effet, le clinker étant obtenu par transformation du crue (argile + calcaire) nécessite une dépense d’énergie très importante pouvant être réduite par l’introduction de cet ajout [14]. La réaction pouzzolanique étant à base de produits de faible coût et la durabilité est garantie puisque les romains utilisaient déjà ce mécanisme chimique dans leurs ciments pour la confection d’ouvrages qui ont fait leur preuve depuis de nombreux siècles [15] . Des sous produits industriels tels que les cendres volantes et fumées de silice condensées sont de plus en plus utilisées dans les pays industrialisés parce qu’ils sont des déchets d’usine . Contrairement aux pouzzolanes naturelles, il n’est pas nécessaire de les pulvériser ou de les soumettre à un traitement thermique avant de s’en servir. Plusieurs pays comme la Chine, la Grèce , l’Italie , l’inde et le Mexique , utilisent encore des millions de tonnes de pouzzolanes naturelles pour fabriquer des ciments Portland composés . Pour des raisons d’épargne d’énergie, il y a tout lieu de croire que l’utilisation de ces matériaux se poursuivra et se développera de plus en plus. 1.8.2- Intérêt du point de vue technique L’intérêt technique des ajouts réside en premier lieu dans le fait qui’ ils permettent l’obtention d’un ciment dont les performances sont aussi bonnes que celles d’un CPA (ciment Portland) de même classe de résistance. Parfois la chute de résistance à court terme limite leur utilisation en préfabrication. En second lieu, les ciments composés (CPA + ajouts) présentent souvent l’avantage sur le CPA, d’une meilleure résistance aux agressions chimiques. Le remplissage des vides est lui même aussi responsable de la durabilité du mortier ou béton obtenu. En effet , les actions chimiques sont réduites quand la portlandite est moins abondante , soit qu'elle est diluée ( ciment au laitier ) , soit qu’elle est consommée ( ciment au cendre ou à la pouzzolane naturelle ) .La réduction de la teneur en clinker s’accompagne par ailleurs d’une réduction proportionnelle du taux de C3A du mélange et par conséquent du risque de dégradation sulfatique .

Chapitre I 21 Le ciment et les ajouts minéraux Les ciments composés seront toujours recommandés chaque fois que les bétons seront exposés aux agents agressifs (ouvrages à la mer ou bien exposés aux produits chimiques). Certains avantages techniques que présente l’utilisation des pouzzolanes dans le béton ne peuvent pas être atteints lorsqu’un CPA est utilisé seul. Parmi ces avantages , mentionnons une plus grande ouvrabilité , une maniabilité accrue, une meilleure étanchéité à l’eau ( l’ajout rend le béton plus compact ) , une réduction de la chaleur d’hydratation et des risques de fissuration sous l’effet de l’action thermique et une plus grande durabilité au milieu sulfaté ou acide . 1.8.3- L’utilisation des ajouts en Algérie L’industrie cimentaire est d’importance primordiale pour l’Algérie comme tous pays en voie de développement. Cependant, parmi les moyens efficaces qui existent pour augmenter la production du ciment est celui d’utiliser des ajouts qui sont très peu coûteux et disponibles en grandes quantités en Algérie, comme le laitier d’El – Hadjar , le calcaire et la pouzzolane naturelle de Beni – Saf . Le tableau (1.5) donne une idée sur les ajouts utilisés dans les cimenteries algériennes.

Entreprise Cimenterie Ajouts Utilisés

ERCE

Ain Touta

Pouzzolane Ain El Kebira Hamma Bouziane H’djar Essaoud Laitier

Tebessa

ERCC

Meftah Tuf / Calcaire

Raiss Hamidou Poussière Sour EL Ghozlane Calcaire/Tuf

ECDE Chlef Calcaire

ERCO

Beni Saf

Pouzzolane Zahana Saida

Tableau 1.5 : Utilisation des ajouts dans les cimenteries algériennes [16]

Chapitre I

1.9 –Hydratation des ciments pouzzolaniques Les réactions d’hydratation du ciment et de la pouzzolane peuvent être considérées séparément, bien que dans une certaine mesure elles se produisent en même temps. En faitpouzzolanique, qui est plus lente que la réaction d'hydratation du ciment, peut avoir lieu seulement après l’hydrolyse de C3S et de Cpremière est une réaction de consommproduction de chaux (figure.1.4) [18]. En ce qui concerne la réaction pouzzolanique, puisque les composants principaux sont SiOAl 2O3, Fe2O3 et CaO, les produits de l’hydratation du cil’hydratation du ciment Portland, ces produits sont le silicate de calcium hydraté (CSH) et l’aluminate de calcium hydraté (CAH) qui sont les produits de la réaction entre la silice et l’alumine de la pouzzolane avec l’hydroxyde de calcium [19]

Figure 1.4 : Changement de la quantité de chaux d'un ciment pouzzolanique hydraté [19]

22 Le ciment et les ajouts minéraux

Hydratation des ciments pouzzolaniques Les réactions d’hydratation du ciment et de la pouzzolane peuvent être considérées séparément,

bien que dans une certaine mesure elles se produisent en même temps. En faitpouzzolanique, qui est plus lente que la réaction d'hydratation du ciment, peut avoir lieu seulement

S et de C2S qui forment l’hydroxyde de calcium [17]. Il est à noter que la première est une réaction de consommation de chaux, tandis que la dernière est une réaction de production de chaux (figure.1.4) [18].

En ce qui concerne la réaction pouzzolanique, puisque les composants principaux sont SiOet CaO, les produits de l’hydratation du ciment pouzzolanique sont semblables à ceux de

l’hydratation du ciment Portland, ces produits sont le silicate de calcium hydraté (CSH) et l’aluminate de calcium hydraté (CAH) qui sont les produits de la réaction entre la silice et l’alumine de la

avec l’hydroxyde de calcium [19]

: Changement de la quantité de chaux d'un ciment pouzzolanique hydraté [19]

ent et les ajouts minéraux

Les réactions d’hydratation du ciment et de la pouzzolane peuvent être considérées séparément, bien que dans une certaine mesure elles se produisent en même temps. En fait la réaction pouzzolanique, qui est plus lente que la réaction d'hydratation du ciment, peut avoir lieu seulement

S qui forment l’hydroxyde de calcium [17]. Il est à noter que la ation de chaux, tandis que la dernière est une réaction de

En ce qui concerne la réaction pouzzolanique, puisque les composants principaux sont SiO2, ment pouzzolanique sont semblables à ceux de

l’hydratation du ciment Portland, ces produits sont le silicate de calcium hydraté (CSH) et l’aluminate de calcium hydraté (CAH) qui sont les produits de la réaction entre la silice et l’alumine de la

: Changement de la quantité de chaux d'un ciment pouzzolanique hydraté [19]


1. 10- Conclusion : Un des arguments souvent avancé en faveur de l’utilisation des ajouts minéraux est qu’ils

permettent d’économiser de l’énergie et de préserver les ressources naturelles comparées au ciment Portland. Cet argument est en partie juste, mais le principal argument en faveur de l’incorporation de ces matériaux dans les mortiers et bétons est en réalité qu’ils apportent des avantages techniques considérables. En effet, ils affectent la cinétique de la réaction d’hydratation, améliorent les caractéristiques physiques des mortiers et bétons à l’état frais et contribuent positivement aux résistances mécaniques des mortiers et bétons à l'état durci et ceci en raison de leur composition chimique, de leur réactivité, de leur granulométrie ainsi que de la forme de leurs éléments.

Chapitre II 24 Effets des ajouts minéraux

Chapitre II

Effets des ajouts minéraux sur les performances mécaniques et la durabilité des matériaux

1ére partie : Aspects affectant la durabilité

2.1- Introduction

Aujourd’hui, l’un des principaux enjeux du Génie civil consiste à pouvoir garantir une stabilité, ou du moins une maîtrise, dans le temps des propriétés mécaniques d’un ouvrage dans son environnement. Cet enjeu, le développement durable, concerne les structures futures ou en cours de conception, mais aussi les réalisations actuelles. Il implique à la fois une prise en compte du comportement durable constituant la structure et un suivi de l’ouvrage au cours de son exploitation. Le but est de pouvoir prédire et garantir une durée de vie d’un ouvrage autrement que par des critères conventionnels.

Il est essentiel que chaque structure en béton puisse conserver sa résistance et continuer de remplir sa fonction tout au long de sa durée de vie utile. Il en résulte que le béton doit être en mesure de résister aux mécanismes de détérioration auxquels il peut être exposé. On dit d’un tel béton qu’il a une bonne durabilité.

Il est utile d’ajouter que le concept de durabilité ne signifie pas une durée de vie infinie, pas plus qu’il ne signifie que le béton doit résister à n’importe quelle agression. De plus, on constate maintenant, ce qui n’était pas toujours le cas auparavant, que, dans des cas, un entretien régulier du béton est nécessaire

La durabilité des ouvrages en béton, qui peut être définie comme étant leur capacité d’assurer la tenue en service prévue, est une caractéristique très importante, surtout pour les ouvrages importants de génie civil (ponts, silos, réservoirs, barrages, enceintes nucléaires….), car en cas de dégradations de tels ouvrages, les conséquences seront multiples et graves, surcouts de réparation, limitation de la durée de vie de l’ouvrage, et dans des cas extrême la ruine partielle ou totale de l’ouvrage. Donc, la prise en compte préventive des


Facteurs qui peuvent affecter la durabilité des ouvrages, donc leur économie et leur sécurité, est impérative lors de la conception et de l’élaboration de ces ouvrages

Si on exclut, d’une part les événements accidentels, et d’autre part les effets à long terme des sollicitations mécaniques, tels que la fatigue due à des sollicitations répétées ou le fluage pouvant engendrer des pertes de précontrainte ou encore l’abrasion, la durée de vie des ouvrages en béton armé ou précontraint peut être diminuée à cause de :

1- la pénétration d’agents agressifs qui peut conduire à l’amorçage (et au développement) du processus de corrosion des armatures.

2- les réactions chimiques internes, mettant en jeu des espèces issues du milieu environnant ou déjà présentes dans le matériau, telles que l’alcali-réaction ou les attaques sulfatiques, sources de gonflement et de fissuration du béton.

L’altération est un phénomène physico-chimique destructif du ciment durci, un ciment est dit stable chimiquement s’il supporte l’agressivité du milieu et par conséquent on aura sa durabilité. Donc on peut dire que la durabilité peut être définie comme la résistance du ciment ou du béton aux agressions chimiques, physico-chimiques ou physiques, en maintenant son comportement et ses performances dans de bonnes conditions de service prévu pour l’ouvrage.

La corrosion du ciment ou sa détérioration dépend de certains phénomènes très complexes, qui découlent de très nombreuses causes et agissent simultanément ou successivement.

Il doit être précisé que l’attaque chimique du ciment nécessite la présence d’eau ou tout au moins d’une certaine humidité et que les milieux agressifs très divers sont très généralement liquides (solution aqueuse) eaux des sols, eaux de surface, eaux de mer…..etc., contenant des acides, des sulfates, des sulfures, de magnésium, d’ammonium et même des composés organiques….etc.

La possibilité et l’intensité de l’attaque chimique dépendent, d’une part de la solubilité, des concentrations et du pouvoir de dissociation dans le milieu agressif ; d’autre part des conditions dans lesquelles elle se déroule

Les propriétés du béton ont une influence directe sur la durabilité de l’ouvrage facteurs liés à la conception de l’ouvrage [20].


Pour fabriquer un ouvrage durable, il faut donc utiliser un matériau durable.

Les caractéristiques du béton qui contrôlent sa durabilité peuvent être regroupées en :

(A) Le choix des matériaux. (B) La formulation du béton. (C) La cure du béton. (D) Facteurs liés à la mise en œuvre de l’ouvrage. (E) Facteurs liés à la conception de l’ouvrage.

2.2. La perméabilité

Les trois principaux fluides qui peuvent pénétrer dans le béton et mettent en cause sa durabilité sont : l’eau pure ou contenant des ions agressifs, le gaz carbonique et l’oxygène.

Ils peuvent se déplacer à travers du béton de différentes manières, mais tous les mouvements dépendent principalement de la structure de la pâte de ciment.

La durabilité du béton dépend largement de la facilité avec laquelle les fluides, à la fois liquides et gaz, peuvent pénétrer et se déplacer à l’intérieur du béton ; c’est ce qu’on appelle communément la perméabilité du béton. Elle se définit comme l’aptitude d’un matériau à se laisser traverser par un fluide sous l’effet d’un gradient de pression, elle s’exprime au moyen de la relation de DARCY

. .A dP

Q KdZµ

= − ( 2.1 )

Avec : Q = débit volumétrique (m3/s) du fluide de viscosité µ

K = perméabilité du milieu

A = aire apparente du matériau (m2)

dP

dZ = gradient de pression

La perméabilité du béton est un paramètre fondamental contrôlant la durabilité des structures. La perméabilité du béton et celle de la pâte de ciment hydraté est liée aux caractéristiques du réseau de pores capillaires qui influencent la perméabilité.

Parmi les principales caractéristiques du réseau de pores capillaires qui influencent la perméabilité, on distingue : la porosité


Le béton durci courant présente une porosité de 10 à 12 % due à la présence de pores inclus dans la texture même des hydrates, et de capillaires qui se développent dans la structure des grains. Les capillaires, qui sont dimensionnellement les plus importants, ne dépassent pas un diamètre de quelques microns. Les pores des hydrates sont 10 à 100 fois plus petits.

Le comportement du béton et son évolution ont montré, dés l’origine, l'influence de la porosité sur la résistance (relation établie par Ferret). Mais les corrélations entre durabilité et résistances mécaniques, entre absorption d’eau et résistance au gel, ou perméabilité et carbonatation ont été mises en évidence plus récemment.

Il est aujourd’hui admis que la réduction de la porosité du béton, qui est, entre autres la condition pour réaliser des bétons de hautes performances, est requise pour l’amélioration de la résistance du béton, aussi bien d’un point de vue mécanique que vis-à-vis d’agressions d’ordre physico-chimique. La réduction de la porosité du béton dépend principalement de sa conception et de sa mise en œuvre. Trois facteurs sont prépondérants dans la conception d’un béton de faible porosité :

- Un dosage en ciment adéquat.

- Une faible teneur en eau.

-Une granulométrie comportant des éléments fins, éventuellement actifs, en quantité suffisante pour remplir les espaces entre les plus gros granulats.

Les progrès réalisés dans la connaissance des adjuvants ont permis d’élaborer des plastifiants qui autorisent des réductions importantes de la teneur en eau sans diminuer la plasticité du mélange.

2.3. L’absorption ( sorptivité )

L’absorption est la tendance du béton de prendre l’eau en l’absence d’une pression hydraulique externe. Ceci est censé se produire presque totalement dans les pores capillaires en dehors du gel. L’eau liquide est tirée dans ces pores par la tension superficielle, juste comme l’eau se lèvera dans un capillaire de verre. L’absorption est le mécanisme principal par lequel le béton sec ou partiellement sec prenne l’eau. Si l’eau contient des produits chimiques nocifs, ceux-ci pénétreront également dans le béton [21]. Plus les pores sont petits, plus l’aspiration est grande.


La plus simple mesure directe de la capacité du béton d’absorber les fluides est sa sorptivité qui est définie par l’équation suivante [22]

tStM =)( (2.2)

Ou M est le fluide absorbé selon la normale à la surface exposée (la masse du fluide /(densité x surface)), et S est la sorptivité du fluide (profondeur/temps ½).

Pour déterminer la sorptivité S, M est tracée en fonction det , ensuite S est calculée à

partir de la pente de la relation linéaire entre M et t

L’absorptivité, qui est un index de transport d’humidité dans les spécimens insaturés, a été identifiée comme un index important de la durabilité du béton, parce que :

- - La méthode d’essai employée pour sa détermination reflète la manière dont la plus part des bétons seront pénétrés par l’eau et d’autres agents nuisibles

- - C’est une mesure particulièrement bonne de la qualité des bétons extérieurs, qui régit la durabilité liée à la corrosion d’armature.

- Martys et Ferraris [23] ont prouvé que le coefficient de sorptivité est essentiel pour prévoir la durée de vie du béton comme matériau de construction et pour améliorer ses performances.

La sorptivité, S, doit être également reconnu comme propriété hydraulique fondamentale qui offre des moyens sensibles d’explorer les phénomènes capillaires d’absorption.

La sorptivité change la capacité du matériau à absorber l’eau par capillarité pour certaines conditions initiales aussi bien que des limites données. En laboratoire, elle est habituellement obtenue en considérant l’application de l’équation de Darcy dans le cas unidimensionnel de l’absorption d’eau dans un solide poreux initialement sec [24]

2.4. L’alcali réaction

La réaction alcali silice est une pathologie des bétons qui se caractérise par une réaction chimique entre la silice amorphe ou mal cristallisée contenue dans les granulats réactifs et certains ions de la solution interstitielle. Les conséquences macroscopiques de la réaction sont le gonflement d’ouvrages atteints qui entraînent la fissuration et la chute des caractéristiques mécaniques du béton.Ces phénomènes sont préoccupants pour les gestionnaires des structures atteintes car ils mettent en péril la sécurité des personnes et l’exploitation des ouvrages.


De plus, il n’existe aucun moyen d’arrêter la réaction. Ainsi la prédiction de l’évolution du gonflement et des dégradations des ouvrages atteints et l’évaluation de l’efficacité et de périodicité des opérations d’entretien sont des points cruciaux [25] , [26]

Il existe trois types de réactions alcali granulats :

- - La réaction alcali carbonate: elle implique des granulats contenant des inclusions argileuses, le mécanisme de gonflement est lié à l’absorption d’eau des argiles.

- - La réaction alcali silicate: elle est semblable à la réaction alcali silice mais de cinétique plus lente, elle est très rare

- - La réaction alcali silice: il s’agit de la plus courante, surtout si l’environnement est fortement humide et la teneur en alcalis du béton est élevée.

2.5 La carbonatation

C’est une réaction entre le gaz carbonique (CO2) existant soit en phase gazeuse, soit par suite ; de solubilité dans l’eau (eaux pluviales) avec la chaux (Ca (OH)2) libérée lors de l’hydratation des silicates bicalciques (C2S) et tricalciques (C3S) pour former le carbonate du calcium (CaCO3) appelé aussi calcite.

Ca (OH) 2 + CO2 → Ca CO3 + H2O (2.3)

Cette réaction n’est pas en elle-même pathologique et doit être considérée comme une évolution normale du béton. Cependant, elle consomme peu à peu la réserve d’alcalinité du milieu assurée par la chaux, qui a un pH initial compris entre 12 et 13, et évolue vers la neutralité (pH- 9). Conséquence, l’alcalinité n’est plus capable de maintenir la passivité du filme d’oxyde. Une telle situation augmente considérablement la vulnérabilité des armatures aux phénomènes de corrosion, en particulier si des facteurs aggravants (sel, chlorures, eaux etc.) se trouvent présents

La progression de la carbonatation se fait de l’extérieur de l’ouvrage en contact avec l’air ambiant, vers l'intérieur, mais se trouve freinée par la formation des carbonates. La vitesse de progression de la carbonatation diminue donc avec la profondeur atteinte. Cette progression est en fait modifiée par des facteurs liés au béton lui-même à savoir : son dosage

en ciment, son dosage en eau, sa porosité et au milieu. L’humidité relative de l’air joue, en particulier, un rôle important : la vitesse de carbonatation est maximum pour une humidité relative de l’ordre de 60 %, pratiquement nulle en atmosphère sèche ou saturée.


2.6 La corrosion des armatures

La corrosion est définie comme étant l’interaction physico-chimique entre un métal et son milieu environnant entraînant des modifications dans les propriétés du métal et souvent une dégradation fonctionnelle du métal lui-même de son environnement ou du système technique constitué par les deux facteurs. Ce phénomène, d’un caractère essentiellement chimique, a une très grande importance économique puisque actuellement, les pertes dues à la corrosion et les dépenses occasionnées par celle-ci dépassent largement des milliards de dollars par an. Au niveau mondial, on estime que la corrosion détruit un quart de la production annuelle d’acier, soit 5 tonnes par secondes.

Dans des conditions normales, les armatures enrobées de béton sont protégées contre la corrosion par un phénomène de passivation qui résulte de la création, à la surface du métal, d’une pellicule protectrice de ferrite Fe2O3CaO. Cette pellicule est formée par l’action de la chaux libérée par les silicates de calcium sur l’oxyde de fer. Tant que la présence de chaux maintient la basicité du milieu entourant les armatures, celles-ci sont protégées. Plusieurs agents peuvent neutraliser cette protection : le gaz carbonique, les chlorures, les sulfates, mais aussi l’eau pure.

La plus ou moins grande rapidité d’action de ces divers agents est en relation directe avec la porosité du béton et avec la présence de fissures qui favorisent la diffusion des gaz ou de liquides agressifs.

Selon Mamillan [27] l’évolution de la corrosion des armatures du béton s’effectue généralement en deux étapes :

(1) Au départ, l’acier est stabilisé par la couche de passivation qui empêche la formation de la rouille. Puis durant la phase de l’amorçage, les espèces néfastes vis-à-vis de la corrosion pénètrent dans le béton et l’acier se dépassive alors progressivement. Cette dépassivation peut être engendrée par de nombreux facteurs dont la carbonatation et la pénétration des ions de chlorure.

(2) Les oxydes et hydroxydes produits par des réactions d’oxydation à la surface du métal s’accumulent. La formation de ces produits d’oxydation va alors entraîner un gonflement qui finira par provoquer la fissuration de l’enrobage du béton.


2.7. La lixiviation en eau douce

La phase interstitielle contenue dans le béton a un pH très élevé. Si le béton se trouve au contact d’une eau douce, très peu chargée en ions, et donc de pH plus faible que celui de la solution interstitielle, la pâte de ciment durcie se trouve en déséquilibre avec ce milieu. On constate alors une lixiviation progressive des hydrates se traduisant par une décalcification de la pâte : dissolution de la portlandite et attaque progressive des C-S-H [28].Ce phénomène est lent (quelques centimètres pour plusieurs centaines d’années) et ne pose problème que dans le cas où le béton est potentiellement au contact permanent de l’eau douce. La lixiviation entraîne une variation très importante de la porosité et donc une variation forte des propriétés de transfert, notamment la diffusivité.

Les propriétés mécaniques sont également affectées : on constate par exemple que la résistance à la compression chute fortement [29]. Les autres propriétés mécaniques comme le module d’élasticité et la résistance en flexion sont affectées [30]

Les cinétiques de dégradation sont très variables et dépendent en particulier du matériau et de l’environnement aqueux. Par exemple, Badouix [31] rapporte que, pour des durées d’exposition et un environnement agressif comparables (53 et 66 ans), les couches superficielles dégradées du barrage de saint Etienne du Vigan et de l’écluse de Krembs ont pour épaisseur respectives 6 à 8 mm d’une part, et 1 à 3 mm d’autre part. Cet écart est imputé aux ciments utilisés, un CEM I / CPA pour le barrage et un CEM II /CPJ pour l’écluse.

Y. Fujiwara [32] a montré que la présence d’ions dissous dans l’eau modifie aussi fortement les cinétiques de dégradation de béton enfouis dans un sol. En effet, certains de ces bétons, âgés de 60 à 100 ans, ont été dégradés sur quelques centimètres en présence d’une eau saline, soit des épaisseurs dix fois plus importantes qu’en eau douce.

Des études précédentes [28], [30] ont mis en évidence une dissolution progressive des principaux hydrates : d’abord la portlandite, qui est l’hydrate le plus soluble, puis le monosulfoaluminate de calcium, et enfin l’ettringite. Apres que la portlandite soit totalement dissoute, les C-S-H se décalcifient jusqu’à former, dans l’état ultime de dégradation un gel de silice.

La variation de porosité (et donc des autres caractéristiques) dépend notamment de la quantité de portlandite présente. L’utilisation d’un ciment aux cendres volantes ou l’ajout de

fumée de silice, en réduisant la quantité de portlandite, permet en général d’améliorer


la résistance à la lixiviation et réduire la chute de résistance [29]. Un rapport eau/liant plus bas permet également de diminuer la vitesse de lixiviation .

2.8 Action des sels

De très nombreux sels attaquent la pâte de ciment durcie en formant des sels solubles dans l’eau, lesquels sont lessivés. Tous les sels de magnésium, à l’exception du sulfate de magnésium très difficilement soluble dans l’eau sont ainsi à même de remplacer les ions de calcium dans la pâte de ciment durcie. Il se forme à la surface du béton de l’hydroxyde de magnésium et des silicates de magnésium, qui empêchent une autre attaque. L’hydroxyde de magnésium se présente toute fois sous forme de masse molle, gélatineuse, qui est emportée par l’eau coulant plus rapidement [33]. Les sels d’ammonium dissolvent surtout le Ca (OH) 2 de la pâte de ciment durcie, ce qui engendre de l’ammoniac. Pour le chlorure d’ammonium, la réaction est par exemple :

Ca (OH)2 + 2(NH4)CI → CaCL2 + 2NH3 (2.4 )

Hydroxyde de calcium + chlorure d’ammonium chlorure de calcium + ammoniac

L’ammoniac libéré, une base se dissout dans l’eau. Il n’attaque pas le béton. Le carbonate d’ammonium et le fluorure d’ammonium, qui engendreraient du carbonate de calcium et de fluorure de calcium, des composés difficilement solubles, ne sont pas dangereux pour la pâte de ciment durcie [33] . Contrairement à l’armature, la pâte de ciment durcie n’est altérée par les ions de chlorure que s’ils sont fortement concentrés. Dans l’eau de gâchage, les chlorures accélèrent l’hydratation du clinker Portland encore existant. Par réaction avec les aluminates hydratés, les ions de chlorure se transforment en chloroaluminates difficilement solubles, par exemple 3CaO. Al2O3. H2O, partiellement fixés dans le béton.

2.9. Action des bases

Les bases sont en général peu nuisibles pour le béton. Les bases fortes, telles que l’hydroxyde de sodium ou de potassium, réagissent toutefois avec les composés d’aluminates hydratés, en particulier avec l’aluminium tricalcique hydraté.

Le ciment Portland ne contenant que peu d’aluminates, ces réactions sont d’importance secondaire. Avec l’hydroxyde de sodium, on a observé que des solutions à 10% avaient pour effet d’augmenter la résistance ; ce n’est qu’à partir de concentrations à 25% que les bases entraînent d’importantes pertes de résistance [34].


2.10. Action des sulfates

Le béton est un matériau poreux. L’eau de l’extérieur peut pénétrer dans son réseau de pores et de capillaires et apporter avec elle des ions agressifs qui peuvent réagir avec les hydrates et changer leur structure.

Lorsqu’il s’agit d’une attaque par les sulfates provenant de l’extérieur, il y a formation de couches de gypse et d’ettringite secondaire ainsi que la thaumasite à partir de la surface exposée aux sulfates. L’attaque par les sulfates externes est souvent combinée avec l’attaque par le cation correspondant, selon la provenance des sulfates, qui peuvent réagir avec certains granulats ou fillers, ou avec les C-S-H ou la portlandite, et contribuer davantage à la dégradation du béton. De plus, l’attaque par les sulfates externes peut être combinée à une attaque par l’acide ce qui accélère également la destruction de la pâte hydratée

Lorsqu’il s’agit d’une attaque interne par les sulfates, ces derniers proviennent presque uniquement des sulfates de calcium qui se trouvent dans le béton dés sa confection. Par conséquent, ces sulfates sont uniformément répartis dans la pâte hydratée et le seul produit expansif de la réaction est l’ettringite. L’ettringite secondaire qui est le résultat d’une attaque par les sulfates externes, n’est pas seule à endommager le béton, c’est plutôt la formation du gypse qui contribue à la fissuration, la lixiviation et le délaminage des couches superficielles.

2.10.1.Mecanismes d'attaques

Les sulfates peuvent détériorer le béton selon deux mécanismes physico-chimiques :

- Expansion

- Perte des propriétés liantes des C-S-H

Les aluminates et la portlandite sont les deux produits les plus sensibles à l’attaque par les sulfates [35].

• Cas de sulfate de sodium (Na2SO4)

1. Formation de gypse secondaire :

Ca (OH) 2 + Na2SO4+ 2H2O → CaSO4.2H2O + 2NaOH ( 2.5 )

NaOH : alcalinité élevée → Stabilisation des C-S-H

CaSO4.2H2O : produit expansif mais qui se forme uniquement dans les espaces internes de la pate de ciment hydraté (pas ou peu d’expansion).


2.Formation d’ettringite secondaire :

à partir du C3A anhydre résiduel

C3A + 3 CaSO4 .2H2O + 26H2O → C 3A.3CaSO4.32H2O ( 2.6 )

- à partir des aluminates hydratés (monosulfoaluminate)

C3A. CaSO4. 18H2O + 2Ca(OH) 2+ 2SO4 + 12H2O → C3A.3CaSO4.32H2O ( 2.7 )

• cas de sulfate de magnésium Mg SO4 ( double action )

Ca (OH) 2 + MgSO4 → CaSO4 + Mg (OH) 2 ( 2.8 )

Mg (OH) 2 : brucite caractérisée par une faible solubilité et un faible pH

C3A+3CaSO4.2H2O + 26H2O → C3A.3CaO4.32H2O (expansive) ( 2.9)

Substitution des ions Ca2+ par les ions Mg2+ dans les C-S-H :

C-S-H + MgSO4 → CaSO4.2H2O + (C,M)- S-H (cohésion faible) ( 2.10)

Etant donné la très faible solubilité du Mg (OH)2, cette réaction se poursuit jusqu’à ce qu’elle soit terminée de sorte que,dans certaines conditions,l’attaque par le sulfate de magnésium est plus sévère que celle des autres sulfates.

Une réaction ultérieure entre le Mg(OH)2et le gel de silice est possible et peut aussi provoquer une détérioration des C-S-H [35].

Le gypse formé occupe un volume plus grand que la portlandite, sa formation causant ainsi le gonflement et la fissuration de la pâte. Lorsque la concentration en sulfates est assez élevée, le gypse restera stable et de nouveaux cristaux de gypse continueront à se former. Cependant, lorsque l’apport des sulfates est faible, le gypse sera dissous en libérant des ions SO4

2- qui, en réagissant avec des aluminates, formeront de l’ettringite. Cette dernière occupe plus de place que les composants solides à partir desquels elle se forme, causant ainsi l’expansion [36].

Lors d’une attaque du béton par des sulfates externes, sa dégradation se produit par la formation d’ettringite ou de gypse et par la pression et la fissuration conséquentes.


2.11 Action des acides

2.11.1 Introduction

Les acides peuvent être divisés en acides organiques et acides inorganiques: l’acide chlorhydrique, l’acide nitrique et l’acide sulfurique par exemple sont des acides inorganiques

L’acide formique, l’acide acétique et l’acide oléique sont des acides organiques. Les acides inorganiques sont plus nuisibles pour le béton que les acides organiques . Les milieux acides les plus fréquents sont :

-les eaux naturelles dans les tourbières et les marécages, ou le pH peut s’abaisser jusqu’à 4.

- les milieux industriels : dans les industries chimiques ainsi que les industries agro – alimentaires

- les réseaux d’égouts.

2.11.2. Sources des acides

Les effluents des fours utilisant des combustibles riches en soufre et effluents des industries chimiques peuvent contenir de l’acide sulfurique. La décomposition des matières

organiques dans les égouts, les silos ou dans les réservoirs d’entreposage peut conduire à la formation de H2S (gaz) qui peut être transformé en acide sulfurique par l’activité bactérienne.

De façon générale, l’attaque chimique du béton prend la forme d’une décomposition des produits de l’hydratation et de la formation de nouveaux composés qui, s’ils sont solubles peuvent être lessivés et qui, s’ils sont insolubles, peuvent être préjudiciables in situ.

Le Ca (OH) 2 est l’hydrate le plus vulnérable, mais les CSH peuvent aussi être attaqués.

Le béton peut être attaqué par des liquides dont le pH est inférieur à 6.5, mais cette attaque ne devient grave que pour des pH inférieur à 5.5 ; en dessous de 4.5, l’attaque devient très sévère.

Le béton est aussi attaqué par l’eau contenant de CO2 libre, telles les eaux minérales, qui peuvent aussi contenir du sulfure d’hydrogène. Tout le CO2 n’est pas agressif par ce qu’une partie de ce CO2 est nécessaire pour former et stabiliser le bicarbonate de calcium dans la solution.

Les pluies acides, qui contiennent principalement de l’acide sulfurique et de l’acide nitrique, ayant un pH entre 4.0 et 4.5, peuvent provoquer de la dégradation de la surface exposée du béton. Quoique les eaux usées domestiques elles-mêmes soient alcalines et

n’attaquent pas le béton, on a observé dans plusieurs cas, d’importants désordres dans des


égouts, en particulier à des températures assez élevées, lorsque des composés contenant du

soufre sont transformés en H2S par des bactéries anaérobies.

Ce composé n’est pas en lui-même un agent destructeur, mais il est dissout par le mince film d’humidité recouvrant la surface du béton et subit une oxydation par les bactéries anaérobies, ce qui produit finalement de l’acide sulfurique. L’attaque apparaît donc au dessus de l’eau à l’intérieur de la canalisation. La pâte de ciment durci est dissoute graduellement provoquant une détérioration progressive du béton. Une forme d’attaque assez similaire peut survenir sur les réservoirs de stockage pétroliers en haute mer.

L’acide sulfurique est un acide très agressif qui réagit avec la chaux libre Ca (OH)2 dans le béton et forme une gypse (Ca SO4.2H2O). Cette réaction est associée à une augmentation du volume du béton par un facteur de 2.2. Une action bien plus destructive est la réaction entre l’aluminate de calcium et les cristaux formés de gypse. Ces deux produits forment l’ettringite (3CaO.AI2O3.3CaSO4.32H2O) moins soluble de produit de réaction.

Ces composés très expansifs causent la pression interne dans le béton, qui mène à la formation aux fissures. La surface corrodée devient molle et blanche. Quand la corrosion continue, la structure en béton corrodé perd sa propriété mécanique. La diminution du dosage du ciment dans le béton peut être bénéfique, à condition, bien sur, que la masse volumétrique du béton reste intacte.

2.11.3 Mecanisme d'attaque

Le béton est très alcalin en nature. Il est extrêmement susceptible à l’attaque par l’acide. Le mécanisme pour ce processus est très simple. Lorsqu’il y a suffisamment d’eau en qualité de fluide de transport, les composants de la pâte de ciment sont détachés de la surface par l’eau douce ou les substances chimiques nuisibles qu’elle contient. Les granulats non-solubles et des parties de la pâte de ciment durcie sont alors mis à nu, ils se forment une surface en forme de « béton lavé »et la porosité augmente. L’attaque par l’acide est provoquée par la réaction de ce dernier et la partie d’hydroxyde de calcium (Ca (OH) 2) de la pâte de ciment qui produit un sous-produit de sel de calcium fortement soluble. Ces sels de calcium solubles sont facilement enlevés de la pâte de ciment affaiblissant de ce fait la structure de la pâte dans l’ensemble. Cette réaction de base est montrée ci-dessous :

Acide X + CH → CX + H (2.11) A acide hydroxyde de calcium sel de calcium eau


Par exemple :

2HCl + Ca (OH)2 → CaCl2 + 2H2O (2.12)

acide hydroxyde chlorure eau

chlorhydrique de calcium de calcium

2HNO3 + Ca (OH) 2 → Ca (NO3)2 + 2H2O (2.13)

acide nitrique hydroxyde de calcium nitrate de calcium eau

Des acides plus agressifs tels que les acides chlorhydriques, acétiques, nitriques, et sulfuriques produisent les sels de calcium qui sont très solubles. Les acides moins agressifs tels que les acides phosphoriques et humiques produisent des sels de calcium avec une faible solubilité. Ces sels de basse solubilité peuvent agir en tant qu’inhibiteur partiel au processus global en bloquant les pores dans la pâte de ciment par lesquels l’eau passe. Ceci réduit la quantité de sels de calcium qui entrent dans la solution et retardent le processus global.

Un cas plus agressif et plus destructif d’attaque par l’acide se produit lorsque le béton est exposé à l’acide sulfurique. Le sel de calcium produit par la réaction de l’acide sulfurique et de l’hydroxyde de calcium est un sulfate de calcium qui cause alternativement une dégradation accrue due à l’attaque de sulfate. Ce processus est illustré ci-dessous:

H2SO4 + Ca (OH) 2 → Ca (SO4) + 2H2O (2.14)

acide sulfurique + hydroxyde de calcium → sulfate de calcium + eau.

(Le produit de sulfate de calcium contribue à l’attaque de sulfate).

La dissolution de l’hydroxyde de calcium provoquée par l’attaque acide procède en deux phases. La première phase étant la réaction acide hydroxyde de calcium dans la pâte de ciment La deuxième phase étant la réaction acide silicate de calcium hydraté. Cette phase ne commencera pas jusqu’à ce que tout l’hydroxyde de calcium soit consommé .La dissolution de silicate de calcium hydraté, dans les cas les plus avancés de l’attaque par l’acide, peut endommager considérablement le béton.

Les attaques acides sont, dans leur principe, similaires au phénomène de lixiviation. En effet, l’acide réagit avec la portlandite qui est dissoute, puis avec les autres hydrates qui sont décalcifiés .


La nocivité de l’attaque acide dépend essentiellement de la solubilité du sel formé par réaction avec la portlandite. Par exemple, pour l’acide oxalique on a :

(COOH)2 + Ca (OH)2 → Ca (COO)2 + 2H2O (2.15)

Le sel formé (oxalate de calcium) est insoluble dans l’eau et donc le béton n’est pas endommag, c’est aussi le cas avec les acides phosphoriques et tartriques

Dans d'autres cas , comme celui de l'acide acétique on a :

2CH 3COOH + Ca(OH)2 → Ca(CH3COO)2 + 2H2O (2.16)

Le sel formé (acétate de calcium) est très soluble dans l’eau. Comme dans le cas de la lixiviation, la porosité augmente alors et on observe une altération des propriétés du béton. Parmi les acides fonctionnant sur ce modèle, on citera également les acides, lactiques et formiques, issus par exemple de l’industrie agro-alimentaire.

Le cas de l’acide carbonique (solution aqueuse de CO2) est un peu particulier. En effet, comme dans le cas du CO2 sous forme gazeuse, l’acide carbonique réagit avec la prtlandite pour former de la calcite. Mais, s’il y a du CO2 en excès et si l’eau est douce, la calcite va réagir avec l’acide carbonique pour donner du bicarbonate de calcium très soluble dans l’eau, il y a alors lixiviation. L’agressivité d’une eau contenant du gaz carbonique dépend donc de la quantité de gaz dissous et de la dureté de l’eau.

H2CO3 + Ca (OH) 2 → Ca CO3 + 2H2O (2.17)

dioxyde de carbonne calcite

H2CO3 + CaCO3 → CaH2(CO3)2 (2.18)

dioxyde de carbonne bicarbonate de calcium


2éme partie : Influence des ajouts sur les résistances mécaniques et la durabilité

2.12. Influence des ajouts sur les performances mécaniques

-Tan et Pu [37] ont étudié l’effet des cendres volantes finement broyées (FGFA), du laitier de hauts fourneaux (FGGBS) et de leur combinaison sur la résistance à la compression.. Ils ont trouvé que l’incorporation de 20% FGFA ou de FGGBS peut de manière significative augmenter la résistance à la compression du béton après 3 jours. Ils ont constaté aussi que la résistance à la compression du béton incorporant la combinaison de 10% FGFA et 10% FGGBS est plus élevée que celle du béton de FGFA et du béton de FGGBS (tableau 2.1)

Age (jours)

1 3 28 56

Ciment 39.0 53.8 60.6 73.8

Ciment + 20% FGFA 37.3 51.4 79.3 81.1

Ciment + 20% FGGBS 37.7 57.4 79.9 82.3

Ciment + 10% FGFA+10% FGGBS 41.6 60.7 80.7 86.0

Ciment + 6,6% fumée de silice 44.7 60.8 81.2 86.4

Tableau 2.1 : Résistance à la compression des bétons à différents âges (MPa) [37]

-Bai et Al [38] ont étudié le développement de la résistance du béton contenant les cendres volantes pulvérisées (PFA) et le méta kaolin (MK). Ces auteurs ont trouvé que les rôles joués

par PFA et MK dans le développement de résistance, en particulier au jeune âge, peuvent être combinés pour produire des mélanges efficaces pour le ciment. Aux courtes périodes de cure, seulement les mélanges avec les faibles niveaux de substituant de ciment Portland et les rapports élevés de MK/PFA donnent des résistances au-dessus du contrôle. Cependant, après 90 jours de cure, les mélanges avec les niveaux élevés de substituant de ciment Portland et les rapports faibles de MK/PFA donnent également des résistances au-dessus du contrôle


- Khan et Lynsdale [39] ont étudié l’effet des systèmes de ciment binaires et ternaires à base de ciment Portland ordinaire (OPC), les cendres volantes pulvérisées (PFA) et les fumées de silice (FS) sur les performances des bétons. Ils ont constaté que les valeurs optimales de résistance. L’incorporation de FS a augmenté la résistance au jeune âge pour tous les mélanges, compensant la perte de résistance causée par l’incorporation de PFA. Les mélangede béton contenant 30% PFA et plus avec ou sans FS ne pouvaient pas atteindre la résistance du béton contrôle.

- El-Khadiri et Al. [40] ont étudié le comportement mécanique des mortiers contenant à la fois des cendres volantes et du calcaire (ajout inea donné des meilleures résistances mécaniques que celles des mortiers contenant des cendres volantes au jeune âge. Après 28 jours, le ciment contenant des cendres volantes a donné des résiimportantes. Du point de vue mécanique, ces auteurs ont opté pour un dosage optimal composé de 77.5% de clinker, 2% de gypse, 7.5% de cendres volantes et 13% de ca1caire. (Figure 2.1)

Fig. 2.1: Développement de la résistance en fonction

-Menendez et al. [41] ont étudié le développement de la résistance des liants ternaires contenant des fillers calcaires et du laitier. Ils ont trouvé que la combinaison des fillers calcaire et du laitier de haut fourneau est complémentaire.


Khan et Lynsdale [39] ont étudié l’effet des systèmes de ciment binaires et ternaires à base de ciment Portland ordinaire (OPC), les cendres volantes pulvérisées (PFA) et les fumées de silice (FS) sur les performances des bétons. Ils ont constaté que l’incorporation de 8-12% de fumée de silice rapportait les valeurs optimales de résistance. L’incorporation de FS a augmenté la résistance au jeune âge pour tous les mélanges, compensant la perte de résistance causée par l’incorporation de PFA. Les mélangede béton contenant 30% PFA et plus avec ou sans FS ne pouvaient pas atteindre la résistance du

Khadiri et Al. [40] ont étudié le comportement mécanique des mortiers contenant à la fois des cendres volantes et du calcaire (ajout inerte). Ils ont trouvé que la substitution du clinker par le calcaire a donné des meilleures résistances mécaniques que celles des mortiers contenant des cendres volantes au jeune âge. Après 28 jours, le ciment contenant des cendres volantes a donné des résiimportantes. Du point de vue mécanique, ces auteurs ont opté pour un dosage optimal composé de 77.5% de clinker, 2% de gypse, 7.5% de cendres volantes et 13% de ca1caire. (Figure 2.1)

Fig. 2.1: Développement de la résistance en fonction de l'âge [40]

Menendez et al. [41] ont étudié le développement de la résistance des liants ternaires contenant des fillers calcaires et du laitier. Ils ont trouvé que la combinaison des fillers calcaire et du laitier de haut


Khan et Lynsdale [39] ont étudié l’effet des systèmes de ciment binaires et ternaires à base de ciment Portland ordinaire (OPC), les cendres volantes pulvérisées (PFA) et les fumées de silice (FS) sur les

12% de fumée de silice rapportait les valeurs optimales de résistance. L’incorporation de FS a augmenté la résistance au jeune âge pour tous les mélanges, compensant la perte de résistance causée par l’incorporation de PFA. Les mélanges de béton contenant 30% PFA et plus avec ou sans FS ne pouvaient pas atteindre la résistance du

Khadiri et Al. [40] ont étudié le comportement mécanique des mortiers contenant à la fois des rte). Ils ont trouvé que la substitution du clinker par le calcaire

a donné des meilleures résistances mécaniques que celles des mortiers contenant des cendres volantes au jeune âge. Après 28 jours, le ciment contenant des cendres volantes a donné des résistances importantes. Du point de vue mécanique, ces auteurs ont opté pour un dosage optimal composé de 77.5% de clinker, 2% de gypse, 7.5% de cendres volantes et 13% de ca1caire. (Figure 2.1)

de l'âge [40]

Menendez et al. [41] ont étudié le développement de la résistance des liants ternaires contenant des fillers calcaires et du laitier. Ils ont trouvé que la combinaison des fillers calcaire et du laitier de haut


les fillers calcaire améliorent la résistance du ciment au jeune âge tandis que le laitier de haut fourneau améliore la résistance à long terme par la réaction pouzzolanique qui raffine les systèmes de pore. Ils ont montré que le mélange de ciment ternaire offre un avantage par rapport aux ciments binaires et aux ciments Portland sans ajouts. Ces auteurs ont trouvé une combinaison optimale renfermant 70% de ciment Portland, 20% de laitier et 10% de filler calcaire.

- L’étude expérimentale faite par S.Bhanja et B.Sengupta de l’université de Kolkata à l'inde sur l’influence de la fumée de silice sur les performances mécaniques des bétons à haute performance (B.H.P) [42] a révélé que la résistance optimale à 28 jours pour la compression à été détectée à un taux de substitution variant de 15 à 25% avec un rapport E/L = 0.26.

2.13. Influence des ajouts sur l'absorption (sorptivité)

- Tasdemir [43] a étudié les effets combinés des additions et des conditions de cure sur la sorptivité et la résistance à la compression du béton de CPA 42.5. Il a évalué le coefficient de sorptivité pour des bétons contenant des ciments avec les cendres volantes (FA), la poudre de grés (PS), la poudre de calcaire (LP) et de la fumée de silice (SF). Il a étudié aussi le coefficient de sorptivité et la résistance à la compression des bétons avec un CPA 32.5. Il a prouvé que les additions minérales sont bénéfiques pour l’augmentation et la réduction de l’absorption capillaire du béton.

- Tsivilis et Al.[44] ont étudié l’effet de l’addition du calcaire sur la sorptivité des bétons. Ils ont constaté que le béton contenant le ciment au calcaire a donné des valeurs de sotptivité légèrement plus basses, comparées au béton contenant le ciment sans ajout. Ils ont trouvé que la sorptivité du béton contenant le ciment au calcaire a varié de 0.220 à 0.238 mm/min05 avec l’augmentation du niveau de substitution du calcaire de 10 à 20%, alors que le béton contenant le ciment sans ajout a présenté une sorptivité de 0.237 mm/min0.5. Ces auteurs ont conclu que l’addition de calcaire affecte d’une manière positive l’absorption de l’eau du béton. Ils ont noté que le coefficient de sorptivité estimé évalue seulement les grands pores capillaires , en raison de la grande valeur de E/C des bétons étudies .

- Selon Khatib et Clay [45] l’absorption par l’action capillaire est un paramètre principal de la durabilité. Ils ont étudié l’absorption d’eau (WA) par immersion totale et par hauteur d’ascension capillaire de béton contenant des ciments à base de métakaolin (MK) (0-20%).


Les résultats trouvés par ces auteurs prouvent que la présence du MK est considérablement avantageuse en réduisant l’absorption d’eau par l’action capillaire. Ils ont trouvé une réduction systématique d’absorption par l’action capillaire avec l’augmentation du contenu de MK en béton. Cette réduction est encore soutenue par l’examen visuel des spécimens. L’absorption par immersion totale, cependant, tend à augmenter légèrement avec l’augmentation du contenu de MK. Entre 14 et 28 jours de cure, il y a légère augmentation d’absorption par immersion totale et par hauteur d’ascension capillaire pour tous les bétons de MK. Ils ont conclu que la substitution partielle du ciment par le MK réduit la pénétration de l’eau dans le béton par l’action capillaire.

2.14.Influence des ajouts vis-à-vis des attaques sulfates

- Yeginobali et Dilek [46] ont évalué la résistance aux deux types de fumées de silice, des fours de ferrosilicium (FeSi) et de silicoferrochromium (FeSiCr) en utilisant deux méthodes d’essais ASTM C452 (mesure de l’expansion des barres de mortier) et ASTM C1012 (mesure de changement de longueur des barres de mortier). Ils ont utilisé des spécimens de mortier qui ont été immergés séparément dans des solutions de 10% Na2SO4 et 8.4% MgSO4.

- Après avoir été soumis au changement de masse périodique, ces spécimens ont été testés à la compression à l’âge de 60 semaines pour évaluer leur détérioration relative vis-à-vis des spécimens gardés dans l’eau. Ils ont trouvé que les spécimens contenant la fumée de silice ont eu un plus petit changement de masse. Pour les spécimens immergés dans la solution 8.4% MgSO4 la perte de masse s’est produite presque au début.

L’addition de fumée de silice a augmenté l’importance des pertes masse. Ils ont trouvé aussi, selon les valeurs de la résistance à 60 semaines (tableau 2.2), que les spécimens immergés dans l’eau et dans les solutions de sulfate, la fumée de silice a encore eu un effet bénéfique dans la solution de Na2SO4 et un effet néfaste dans la solution MgSO4.


Tableau 2.2 : Résistance à la compression des spécimens [46].

- O’Farrell et coll. [47] ont étudié l’expansion des mortiers contenant de la brique broyée, exposés à une solution de 2.1% de sulfate de sodium (Na2SO4). Ils ont utilisé quatre types de briques dont les compositions chimiques et minéralogiques sont différentes. Ils ont trouvé que les briques dont la phase vitreuse a une teneur élevée en calcium (CaO) ou une faible proportion de phase vitreuse ne devraient pas être employés comme pouzzolanes, et les briques avec une proportion élevée en verre de faible teneur en calcium font des pouzzolanes très efficaces.

- Une étude faite par Janotka et Krajci [48] sur l’augmentation de la résistance aux sulfates des mortiers contenant 15% de zéolite (pouzzolane naturelle) au ciment, pour cela ils ont utilisé trois types de ciments : ciment Portland type CEM I 42.5 (PC), ciment résistant aux sulfates (SRPC), et un ciment à base de zéolite naturelle (PPC). Ils ont laissé les mortiers dans l’eau pure et dans une solution de 5% Na2SO4 pendant 365 jours. Ils ont constaté une diminution de 32.6% de la résistance à la compression des mortiers de PC immergés pendant 365 jours dans la solution Na2SO4 comparés à ceux conservés dans l’eau. En revanche, ils ont observé une augmentation de 10% et 2.6% de la résistance à la compression des mortiers de SRPC et de PPC respectivement.

Type de ciments+FS

Rc28 MPa

Rc (60 semaines) MPa

Dans l’eau 10% Na2SO4

8.4% MgSO4

NPC1+0% 36.5 64.8 52.5 57.3

NPC1+8% 42.5 66.7 60.8 40.9

NPC1+15% 53.5 73.2 66.9 30.1

NPC1+8% 38.3 56.9 49.2 40.8

NPC2+15% 38.3 74.1 64.4 40.6


- S.A. Hartshorn et coll. [49], identifient la présence de thaumasite après 126 jours d’exposition dans 1.8% de solution de MgSO4 d’un mortier de ciment Portland avec ajout de 35% de calcaire. En plus de la thaumasite ils trouvent aussi le gypse et la brucite sur la couche de surface ceci est révélé par les images électroniques, les rayons X et la DSC (analyse calorimétrique différentielle).

- Mulanga et coll [50] ont substitué le ciment Portland par l’addition des cendres volantes et ils ont suivi l’effet de cet ajout sur la résistance des mortiers aux attaques chimiques sulfatiques. Les échantillons ont été exposés à une solution de 5% Na2SO4. Ils ont trouvé, après 84 jours d’immersion, que les expansions des échantillons de mortiers contenant 30%, 40% et 50% de cendres volantes sont inférieures à l‘expansion des mortiers témoins.

- Selon l’étude de Torres et coll [51], l’incorporation des fillers calcaires comme substitution au ciment sans ajout a affecté négativement la résistance au sulfate de magnésium des éprouvettes de mortiers. En augmentant le pourcentage de substitution, le prisme de mortier est plus affecté par rapport au prisme contenant du ciment sans ajout. Selon Torres, ce comportement est du a la formation de la thaumasite qui est très importante dans les ciments contenant des fines calcaires. Les analyses aux rayons X ont montré l’accroissement du taux de la thaumasite en fonction de la quantité de fillers calcaire introduite.

- Turanli et coll [52] ont étudié l’effet de l’ajout de la pouzzolane naturelle de Turquie sur la résistance à l’attaque des sulfates combinée à un ciment hydraulique. Dans leurs travaux, ils ont suivi l’expansion (selon ASTM C1012) des barres de mortiers composées à partir des 4 combinaisons et immergées dans une solution de 5% de MgSO4 :

� PC (ciment Portland) ; � BC30 (70% ciment portland+30% pouzzolane) ; � BC45 (55% ciment portland+45% pouzzolane) ; � BC55 (45% ciment portland+55% pouzzolane) ;

D’après leurs résultats, ils ont montré l’effet bénéfique de l’ajout de la pouzzolane sur la résistance à l’expansion, due à l’attaque sulfatique , des éprouvettes de mortiers confectionnées avec des taux de pouzzolanes élevés. Il est à noter que la composition de la pouzzolane de Turquie est très proche de celle de béni-Saf. Après 36 semaines d’immersion dans la solution de sulfate de magnésium, le ciment contenant 55% de pouzzolane résiste mieux à l’attaque sulfatique.


D’après l’auteur, cette diminution de l’expansion est due à la fixation de l’hydroxyde de calcium Ca (OH)2 par la pouzzolane , ce qui réduit sa réactivité avec la solution de sulfate de magnésium et par conséquent influe sur la formation des produits expansifs (ettringite et thaumasite).

- Une étude expérimentale de S.T. Lee et coll. [53] a montré que la fumée de silice substituée à une partie de ciment a un effet bénéfique sur la perte de résistance due à l’attaque par les sulfates. L’incorporation de 5 à 10% de la fumée de silice comme substitution au ciment donne de meilleurs résultats de la résistance de la pâte de ciment durcie dus à l’attaque des sulfates.Ils ont traité l’effet de l’ajout de la fumée de silice sur la résistance des mortiers dans des environnements sulfatiques ; le sulfate de sodium et le sulfate de magnésium. Les différentes compositions des ciment sont : OPC (ciment Portland ordinaire) sans ajout et OPC avec 5%, 10%et 15% de fumée de silice. Ils ont conclu que le ciment avec la fumée de silice comme ajout présente moins de perte de résistance que le ciment sans ajout.

- Mangat et Khatib [54] ont étudié l’influence des cendres volantes, fumée de silice et laitier sur la résistance aux sulfates des bétons. Ils ont trouvé que la résistance aux sulfates de la matrice du béton s’améliore considérablement avec la substitution du ciment Portland ordinaire par 22 et 32% de cendres volantes, de 5 à 15% de fumée de silice et 80% de laitier granulé de haut fourneau.

- L’étude expérimentale faite par Y. Senhadji [55] a montré que la substitution de 15% de pouzzolane de Beni-Saf au ciment Portland artificiel (CPA) Zahana permet une réduction de perte de masse de 19% et de 3% des mortiers immergés respectivement dans une solution de 5% de Na2SO4 et 5% de MgSO4 par rapport aux mortiers contrôles pendant une période d’immersion de 180 jours.

- S. Mansour [56] a étudié l’effet des ajouts minéraux à savoir : la pouzzolane naturelle, la fumée de silice et le calcaire sur la résistance aux attaques sulfates des mortiers. Ils a suivi l’expansion (selon la norme ASTMC-1012) des barres de mortiers de dimensions 25x25x285 mm3 immergées dans deux solutions sulfatiques : 5% Na2SO4 et 5% MgSO4 pendant 28 semaines. Les ajouts ont été substitués à des taux différents au C.P.A provenant de la cimenterie de Oued-Sly (ECDE). Les différents résultas de l’étude sont résumés au tableau suivant (tableau 2.3).


Tableau 2.3 : Mesure d’expansion des barres de mortier [56]

2.15.Influences des ajouts vis-à-vis des attaques acides

- Janotka [57] a étudié l’influence de la Zéolite ( pouzzolane naturelle) sur l'attaque par ll'acide chlorhydrique (HCL).Il a utilisé la Zéolite comme ajout au ciment :

- ciment Portland ( PC) +sable Silicieux ( SS)

- ciment Portland ( PC ) + sable Zéolitique (SZ)

-ciment Zéolitique (ZC ) + sable Zéolitique (SZ)

- ciment Zéolitique (ZC) +sable Silicieux (SS)

- Il a trouvé que la résistance des spécimens de mortiers contenant le matériau zéolite (ZC+ZS, PC+ZS) par l’attaque de la solution de HCl de concentration 0.5% et 1.0% est supérieure à celle contenant les constituants siliceux (PC+SS, ZC+SS). Il a supposé que cela a été provoqué par la liaison chimique entre la CaO et la zéolite en réduisant le contenu de Ca(OH)2 dans les spécimens de mortier, en plus, le sable zéolite (ZS) neutralise les solutions de HCl et affaiblit ainsi leur effet néfaste sur la pâte de ciment durcie.

Notation C70P30LO C85POL15 C90POF10 C70P20L10 C70P20F10

Taux de substitution de l’ajout

30% pouzzolane

0% calcaire

0% pouzzolane 15% calcaire

0% pouzzolane 10% fumée de

silice


20% pouzzolane 10% fumée

de silice

Taux de réduction

d’expansion 5% Na2SO4

55%

36%

83%

40%

84%

Taux de réduction

d’expansion 5% MgSO4

45%

21%

63%

18%

64%


- L’étude faite par Sayamipuk [58] a montré l’influence du métakaolin sur la résistance des mortiers à l’attaque des acides (5% HCl et 5% H2SO4). Les pourcentages de substitution dans le poids pour les mortiers contenant le métakaolin ,immergés dans HCl étaient inférieurs à ceux immergés dans H2SO4. Plus le pourcentage de métakaolin augmente, plus la résistance à l’attaque acide est haute, la résistance de l’attaque acide a été réduite lorsque le rapport eau/liant diminuait.

- Roy et coll [59] ont étudié l’effet de fumée de silice, métakaolin, et cendres volantes sur la résistance chimique des mortiers. Pour simuler les conditions d’environnement chimiques, ces auteurs ont utilisé les produits chimiques suivants : 1% et 5% d’acide sulfatique (H2SO4), 1% d’acide chlorhydrique (HCl), 1% d’acide nitrique (HNO3), 5% d’acide acétique (CH3COOH) et 5% d’acide phosphorique (H2PO3). La résistance chimique a été évaluée par la mesure de la perte en poids des spécimens. Ils ont trouvé que les mortiers ont été relativement peu affectés par les environnements de 1% d’acide chlorhydrique, de 1% d’acide sulfatique et de 1% d’acide nitrique, mais ces mortiers ont montré une résistance faible à des concentrations acides plus élevées : environnements de 5% d’acide sulfatique, de 5% d’acide acétique et de 5% d’acide phosphorique. La résistance chimique se trouve nettement plus améliorée avec la fumée de silice qu’avec le métakaolin. A son tour, ce dernier, donne une meilleure résistance qu’avec les cendres volantes et diminue à mesure que le niveau de substitution augmente du niveau de 0-10% au niveau de 15-30%.

- L’étude faite par A.Ali Aichouba [16] a montré l’influence de l’ajout de la pouzzolane naturelle de Béni-Saf sur la résistance des mortiers à l’attaque des acides (1% HCl et 2% H2SO4). Elle a constaté qu’après 60 jours d’immersion, les mortiers qui contiennent différents pourcentages de la pouzzolane naturelle, augmentent leur aptitude à résister aux acides.

A 105 jours d’immersion, l’incorporation de 30% de pouzzolane naturelle réduit les pertes de masse de 61% par rapport au mortier contrôle. La perte de masse est due au fait que le ciment Portland après hydratation a libéré une partie considérable d’hydroxyde de calcium libre (CH) qui peut être lixiviée à l’extérieur quand elle est soumise à l’acide.

S. Mansour [56] a étudié l’effet des ajouts minéraux (pouzzolane naturelle, fumée de silice et fines calcaires) sur la résistance aux attaques acides des mortiers. Ils a suivi la perte de masse (selon NORME ASTMC-267) des spécimens de mortiers de dimensions 40x40x80 mm3 immergés dans deux solutions acides 1% HCl et 3% H2SO4 durant une période d’immersion de 180 jours.


La réduction de la perte de masse des spécimens des mortiers avec ajouts a été évaluée par rapport aux mortiers contrôles confectionnés à base de C.P.A provenant de la cimenterie de Oued-Sly (ECDE). Le tableau ( 2.4 ) résume les résultats de l’étude.

Notation C70P30LO C85POL15 C90POF10 C70P20L10 C70P20F10

Taux de substitution de l’ajout

30% pouzzolane

0% calcaire

0% pouzzolane

15% calcaire

0% pouzzolane 10% F.S


20% pouzzolane 10% F.S

réduction de perte masse 1% HCL

16% 34.6% 26% 6.3%

26.5%

réduction de perte masse 3% H2SO4

.. faible

f...f……f… 24% 40% 9.6% 19.4%

Tableau 2.4 : Réduction de perte masse des spécimens de mortier [56].

- Y.Senhadji [55] dans son étude a confirmé l’apport bénéfique des ajouts sur la résistance des mortiers aux attaques acides. Il a suivi la perte de masse des mortiers cubiques de dimensions 50x50x50 mm3 conservés dans trois milieux différents : 5% HCl, 5% H2SO4 et 5% CH3COOH pendant 28 jours. La réduction de perte de masse des mortiers a été évaluée par rapport aux mortiers contrôles formulés à base de C.P.A provenant de la cimenterie de Zahana. Les résultats de l’étude sont résumés au tableau ( 2.5 ).

Tableau 2. 5 : Réduction de perte de masse des mortiers cubiques [55]

Notation Taux de substitution de

l’ajout

Réduction de perte de masse en %

5% HCl 5% H2SO4 5% CH3COOH

MZ15 15% pouzzolane 8 37.3 30

MZ30 30% pouzzolane 19.4 58.2 32

MF15 15% fillers calcaire 7.1 2.1 2.2

MF30 30% fillers calcaire 8.7 5.3 5.3


-D .Achoura ,C.lanos , R.Jauber thie et B.Redjel [60] ont étudié l'influence d'une substitution partielle du ciment par du laitier de hauts fourneaux sur la résistance des mortiers en milieu acide . Pour cela ils ont utilisé un ciment Portland CEMI 52.5 de l'usine de Saint Pierre la cour (France) et du laitier de la région de Annaba (Algérie) ayant une surface spécifique blaine de 3300 cm2/g .Les rapports pondéraux sont : liant/ sable = 1/3, eau /liant = 0.5 et laitier / ciment =0.3 .Les solutions utilisées sont de différentes concentrations (0.1M -0.25M et 0.5M) et concernent les acides acétique , sulfurique , chlorhydrique et phosphorique . Les éprouvettes utilisées sont prismatiques de dimensions (4x4x16cm3) avec une durée de conservation dans les bains acides fixée à 2 mois . Le pH des différentes solutions a été suivi pendant la durée de conservations et son évolution est reportée au tableau (2. 6 )

Solution acide H2SO4 HCl H3PO4 CH3COOH H2O

Concentration (M)

0.10 0.25 0.50 0.10 0.25 0.50 0.10 0.25 0.50 0.10 0.25 0.50

Initial

1.10 0.80 0.60 1.10 0.90 0.70 1.50 1.40 1.25 3.00 2.70 2.40 6.50

Final

1.65 1.07 0.75 6.59 3.67 2.55 4.21 2.85 2.35 6.42 5.61 4.80 8.34

Tableau 2. 6 : Evolution du pH des solutions [60]

Pour mieux caractériser l’avancement de la dégradation, ils ont quantifie la perte de masse des échantillons et les variations massiques sont reportées aux tableau (2 .7 )

Solution acide H2SO4 HCl H3PO4 CH3COOH H2O

Concentration (M)

0.10 0.25 0.50 0.10 0.25 0.50 0.10 0.25 0.50 0.10 0.25 0.50

∆ m/ m (%)

0.30 5.55 15.3 0.03 1.70 5.00 0.00 1.07 4.00 0.16 1.25 3.70 0.00

Tableau 2. 7 : Evolution massique des éprouvettes [60]


L'étude a révèle l'apport bénéfique du laitier substitué au ciment sur la résistance des mortiers en milieu acide car la perte de masse n'excédait pas 5% pour les solutions à l'exception de

L'acide sulfurique qui se distinguait des autres avec une perte de masse importante ( 15% ) et ceci pour la concentration la plus élevée ( 0.5 M ) .

2.16 Conclusion

Un des arguments souvent avancé en faveur de l’utilisation des ajouts minéraux est qu’ils permettent d’économiser de l’énergie et de préserver les ressources naturelles comparées au ciment Portland. Cet argument est en partie juste, mais le principal argument en faveur de l’incorporation de ces matériaux dans les mortiers et bétons est en réalité qu’ils apportent des avantages techniques considérables. En effet, les ajouts minéraux actifs tels que : pouzzolane naturelle, fumée de silice, laitier de hauts fourneaux…etc., et inertes tels que : fillers calcaire ont un apport bénéfique sur les propriétés de durabilité des mortiers et bétons réalisés à base de ciments avec ajouts. Leurs substitutions à des taux optimaux bien étudiés aux différents ciments contribuent à la résolution de pas mal de problèmes de dégradations des bétons dans le domaine de Génie Civil. Les ajouts minéraux confèrent donc aux bétons et mortiers :

- Une diminution de perméabilité à l’eau. - Une diminution d’absorption à l’eau. - Une bonne résistance mécanique. - Une bonne résistance aux sulfates. - Une bonne résistance aux acides.

Chapitre III 51 Méthodes et matériaux utilisés

Chapitre III

Méthodes et matériaux utilisés

3.1 Introduction:

Dans le but de mettre en évidence l’influence des ajouts minéraux sur les propriétés mécaniques et sur la durabilité des mortiers confectionnés à base de ciment Portland artificiel (C.P.A) des essais physiques, chimiques, minéralogiques et mécaniques ont été effectués au sein des laboratoires suivants :

� Laboratoire L.A.B.M.A.T du département de Génie Civil de l’ENSET D’ORAN. � Laboratoire physique de la cimenterie de Zahana. � Laboratoire chimique de la cimenterie de Zahana. � Laboratoire de département de Génie Civil du Centre Universitaire mustapha

stambouli de Mascara. Remarque : La plupart des essais de caractérisation des matériaux ont été réalisés conformément aux normes AFNOR au sein du laboratoire LABMAT à l’ENSET D’ORAN sous des conditions climatiques T = 20 ± 2°C et une humidité relative HR = 43% à 55%.

3. 2 Le ciment :

Le ciment utilisé dans tous les essais est un ciment Portland artificiel C.P.A –CEMI 42.5-ES selon NA442-2000 [61] de surface spécifique blaine égale à 3139cm²/g provenant de la cimenterie de Zahana.

3.2.1 Caractéristiques physiques des pâtes de ciment

Les essais de caractérisation physique des différentes combinaisons sélectionnées pour la durabilité permettent de mesurer quelques caractéristiques importantes des pâtes de ciment à savoir :

- La consistance normale (E/C) (Norme : NF. EN. 196-3) [62] - Début et fin de prise (Norme : NF. EN. 196-3) [62]

-Consistance normale (Norme : NF. P15 358) [63]

L’essai de consistance permet de déterminer le pourcentage d’eau requis pour la fabrication d’une pâte de ciment de consistance normale. La pâte est dite de consistance normale lorsque

Chapitre III 52

la sonde de 10 mm de diamètre de l’appareil de Vicat s’enfonce à une profondeur de 10

secondes sous l’effet d’une charge totale de 300 g,

pourcentage de masse de ciment (voir fig 3.1).

essai de prise

Le début et la fin de prise sont déterminés à l’aide de l’aiguille de Vicat sur une pâte de consistance normale placée dans un moule tronconique d’ap

3.2.2 Composition chimique et minéralogique du ciment CPALes essais de composition du ciment ont été effectués au niveau du laboratoire de département

de chimie de la cimenterie de Zahana. Le calcul de la composition minéralogique principalement sur les équations de Bogue cicomposés du ciment. Les termes entre parenthèses représentent la proportion de l’oxyde concerné dans la masse totale du ciment.

Formules de Bogues :

C3S = 4.07(CaO)

C2S = 2.87(SiO2)

C3A = 2.65(Al2O

C4AF = 3.04 (Fe

3.3 Le Sable : Le sable est le constituant du squelette granulaire qui a le plus d’impact sur les

béton et du mortier [65]. Il joue un rôle primordial en réduisant les variations volumiques, les chaleurs dégagées et le prix de revient des bétons. Il doit


la sonde de 10 mm de diamètre de l’appareil de Vicat s’enfonce à une profondeur de 10

secondes sous l’effet d’une charge totale de 300 g, la teneur en eau est exprimée en de ciment (voir fig 3.1).

Figure 3.1 : Appareil de Vicat

Le début et la fin de prise sont déterminés à l’aide de l’aiguille de Vicat sur une pâte de consistance normale placée dans un moule tronconique d’après la norme NF P15-473 [64].

Composition chimique et minéralogique du ciment CPA Les essais de composition du ciment ont été effectués au niveau du laboratoire de département

de chimie de la cimenterie de Zahana. Le calcul de la composition minéralogique principalement sur les équations de Bogue ci-dessous ; donnant le pourcentage des principaux composés du ciment. Les termes entre parenthèses représentent la proportion de l’oxyde concerné dans

S = 4.07(CaO) – 7.6(SiO2) – 6.72(Al2O3) – 1.43(Fe2O3) – 2.85(SO

) – 0.75(C3S).

O3) – 1.69(Fe2O3).

2O3).

Le sable est le constituant du squelette granulaire qui a le plus d’impact sur lesbéton et du mortier [65]. Il joue un rôle primordial en réduisant les variations volumiques, les chaleurs dégagées et le prix de revient des bétons. Il doit être propre et ne pas contenir


la sonde de 10 mm de diamètre de l’appareil de Vicat s’enfonce à une profondeur de 10 ± 1 mm en 30

la teneur en eau est exprimée en

Figure 3.1 : Appareil de Vicat

Le début et la fin de prise sont déterminés à l’aide de l’aiguille de Vicat sur une pâte de consistance

Les essais de composition du ciment ont été effectués au niveau du laboratoire de département de chimie de la cimenterie de Zahana. Le calcul de la composition minéralogique du ciment est basé

; donnant le pourcentage des principaux composés du ciment. Les termes entre parenthèses représentent la proportion de l’oxyde concerné dans

2.85(SO3).

Le sable est le constituant du squelette granulaire qui a le plus d’impact sur les qualités du béton et du mortier [65]. Il joue un rôle primordial en réduisant les variations volumiques, les chaleurs


d’éléments nocifs. Il convient de se méfier de la présence de sables granitiques, de micas en paillettes, d’argiles, de sulfates…et dans le cas de sable concassé: des poussières, des plaquettes, des aiguilles.

Dans notre étude expérimentale, nous avons utilisé un sable concassé de fraction 0/3 de la carrière de (KRISTEL) de la région Ouest d’Oran. Avant son utilisation, nous avons effectué une correction granulaire de ce sable afin d’avoir une granulométrie continue conformément au fuseau du sable normalisé.

En vue de son utilisation dans la confection du mortier, le sable doit être soumis à des essais de laboratoire, à savoir l’analyse granulométrique, l’essai de l’équivalent de sable, l’essai au bleu de méthylène et l’analyse chimique. Avant d’exposer les différentes caractéristiques de notre sable, nous tenons à rappeler quelques spécifications des normes françaises concernant les sables. Il est préférable que la courbe granulométrique du sable appartienne au fuseau proposé pour la granularité optimale de sable à béton qui correspond à un module de finesse (MF) compris entre 2.2 et 2.8.

La teneur en sulfates doit être inférieure à 0.2% conformément à la norme NF EN 196-2[66]. La présence de sulfates dans les granulats est à l’origine de réactions expansives dues à la formation d’ettringite.

La norme NF P 18-583 [67]. stipule que le pourcentage des chlorures doit être indiqué par le fournisseur s’il est égale ou supérieure à 0.02%.

Le pourcentage d’éléments coquilliers dans un sable doit être inférieur ou égale à 5% conformément à la norme NF P 18-540 [68]. Si les éléments coquilliers sont en trop grandes proportions, ils peuvent diminuer sensiblement les résistances et l’ouvrabilité des bétons.

� Caractéristiques physiques et minéralogiques : Pour l’indentification physique du sable, nous avons réalisé les essais classiques suivants :

- L’analyse granulométrique selon la norme NF EN 933-2 [69]. Elle est caractérisée par les éléments suivants :

� Coefficient de courbure : défini par Cc = D30²/D10 . D60

Où D10, D30 et D60 représentent respectivement les diamètres des grains correspondant à 10%, 30% et 60% des tamisats cumulés.


� Coefficient d’uniformité : défini par : Cu = D60/D10

� Module de finesse (MF) : Il est égale au centième de la somme des refus cumulés exprimés en pourcentage sur les

différents tamis de la série : 0.16 – 0.315 – 1.25 – 2.5 – 5.

� Pourcentage de fines : Le pourcentage de fines (F) passant à travers le tamis de 0.08 mm est égale à :

F(%) = [(M1 – M2 + P)/M1)].100

M1 masse de la prise d’essai, en Kg.

M2 : masse séchée du refus à 0.08 mm, en Kg.

P : masse du tamisat dans le fond, en Kg.

� L’essai de l’équivalent de sable selon la norme NF P 18 598 [70]. On peut estimer qu’un équivalent de sable visuel inférieur à 65 ou E.S. piston inférieur à 60

correspond à un sable argileux présentant des risques de retrait ou de gonflement et doit être rejeté. Un sable pour lequel on a un E.S. visuel supérieur à 65 mais inférieur à 75 est très légèrement argileux pouvant présenter un retrait légèrement plus fort.

Les sables dont le E.S. visuel est compris entre 75 et 85 (ou E.S. piston compris entre 70 et 80) conviennent parfaitement pour des bétons de haute qualité. Enfin pour les sables présentant des valeurs supérieures, signe d’un manque presque total de fines argileuses, on peut craindre un défaut de plasticité du béton qui devra être compensé sans majoration du rapport E/C.

� La détermination de la masse volumique absolue et de la masse volumique apparente selon la norme NF P 18 555 [71].

� La détermination du pourcentage d’éléments coquilliers (pour les sables de mer) selon la nouvelle norme NF P 18 540 [68].

3.4 La pouzzolane naturelle La pouzzolane utilisée est une pouzzolane naturelle de provenance du gisement de Bouhamidi (Béni-Saf), extraite à la côte 210 m et fournie par la cimenterie de zahana en quantité suffisante pour nos besoins d’élaboration sur le plan expérimental. Cette pouzzolane est fournie sous forme de roches concassées de type pierre ponce et scorie de diamètres variant


de 5 à 10 mm. Pour pouvoir la substituer au ciment CPA de Zahana, nous avons d’abord procédé à son étuvage à 105 °C afin d’éliminer toute éventuelle humidité et faciliter son broyage. Nous l’avons ensuite complètement broyé puis passé au tamisage.

L’ensemble du tamisat du tamis de dimension 0.063 mm est récupéré et utilisé en substitution

au ciment à différentes propositions.

� composition chimique, minéralogique et physique de la pouzzolane Les analyses des compositions chimiques et minéralogiques moyennes de la pouzzolane naturelle issue du gisement de Bouhamidi, sont effectuées au laboratoire de la cimenterie de Zahana.

3.5 Fillers calcaire : - Dreux G. [72] a défini les fillers comme étant des produits obtenus par broyage fin ou par pulvérisation de certaines roches (calcaire, basalte..) naturelles, agissant principalement, grâce à une granularité appropriée, par leurs propriétés physiques sur certaines qualités du ciment (accroissement de maniabilité, diminution de perméabilité et de capillarité, réduction de la fissurabilité…….). Les fillers sont dits inertes, s’ils n’ont aucune action chimique sur les ciments en présence d’eau. Le calcaire se compose principalement de carbonate de calcium CaCO3 qui existe sous plusieurs formes polymorphiques : calcite, aragonite et vatérite [73].

Le calcaire peut contenir aussi SiO2, Al2O3, Fe2O3 ou le minéral accessoire qui est la dolomite CaMg (CO3)2. Le calcaire dolomitique contient un mélange de dolomite et de calcite.

- Le calcaire utilisé dons notre étude provient de la cimenterie de Zahana où sa composition chimique à été déterminée. L’ensemble du tamisat du tamis de dimension 0.063mm est récupéré et utilisé en substitution au ciment C.P.A à différents pourcentages.

3.6 La fumée de silice : - Les études sur le lien entre la granulométrie d’un béton et sa résistance mécanique ont conduit à proposer l’introduction d’une petite fraction d’éléments de taille plus réduite que celle des particules du ciment afin d’augmenter la résistance. Parmi les matériaux pouvant constituer ces éléments « fins », la fumée de silice qui présente un intérêt particulier car elle réagit chimiquement dans les mortiers et bétons en améliorant certaines propriétés telles que la maniabilité, la perméabilité,

l’adhérence, la résistance mécanique, la résistance au gel dégel .


- La fumée de silice (SIKACRETE HD Durabilité) utilisée dans notre étude est un additif de type ferro-silicium pour bétons en milieux agressifs provenant de l’entreprise SIKA.

- Les essais physiques et chimiques de la fumée de silice ont été effectués au laboratoire de la

cimenterie de Zahana.

3.7 Adjuvant : Pour la confection des éprouvettes de mortier avec un rapport E/C égal à 0.5, on a utilisé un adjuvant plastifiant réducteur d’eau (PLASTIMENT HP) provenant de l’entreprise SIKA avec un dosage de 2%

du ciment ,cet adjuvant est un liquide brun foncé, de densité égale à 1.185 ± 0.01 et un pH égal à 8 ± 1.

3.8 L’eau de gâchage :

- Toutes les eaux ne peuvent être utilisées pour gâcher les bétons et les mortiers, l’eau potable est toujours utilisable, mais dans certains cas l’eau contient des impuretés, ce qui nécessite une analyse chimique pour déterminer les impuretés qui s y trouvent. Ces impuretés son soit des composés chimiques qui peuvent être actifs vis-à-vis du ciment, des granulats ou des armatures, soit des particules en suspension qui sont indésirables.

- L’excès d’impuretés détériore les propriétés du béton : les propriétés physiques et mécaniques (prise et résistance), les propriétés esthétiques (tâches, efflorescences), la durabilité (corrosion des armatures).

- La teneur en chlorures admise ne doit pas dépasser 500mg. Les chlorures peuvent provenir de l’eau de gâchage, du ciment, des granulats et éventuellement de l’adjuvant. Les chlorures en faible proportion peuvent modifier légèrement la prise et le durcissement du ciment, par contre la forte proportion peut réagir avec le ciment et compromettre la durabilité du béton, leurs effets sont néfastes sur les armatures dont la corrosion provoque l’éclatement du béton.

Selon la norme NF P 18.325 [74] la quantité maximale des ions chlores est fixée aux valeurs suivantes :

� 1% pour les bétons non armés � 0.5% pour les bétons armés � 0.2% pour les bétons précontraints


- La norme NF P 18-303 [75] stipule que :

� Les matériaux en suspension doivent être inférieures à 0.5% de l’eau en masse pour le béton non armé. L’argile en suspension fait diminuer les caractéristiques mécaniques.

� Les matières organiques doivent être inférieures à 0.5% .Les micro algues diminuent les résistances et ont un effet d’entraînement d’air diminuant la compacité.

� Les sulfates doivent être inférieures à 0.1% pour le béton non armé. Ils réagissent avec le ciment pour former de l’ettringite qui s’accompagne de gonflement.

� Les nitrates doivent être inférieures à 0.05%. � Les sels de sodium (Na) et de potassium (K) doivent être inférieures à 0.1%. Ils

interviennent dans la rhéologie du béton, la prise du ciment et la durabilité du matériau durci.

� L’acidité en pH doit être supérieure à 4.

3.9 Formulation des mortiers : - Nous utiliserons des mortiers normaux, selon la norme NFP 15-403 [76] dont la composition est la suivante :

� 450g de liant, les ajouts étant toujours introduits en substitution du ciment. � 1350g de sable de carrière de Kristel.

Ceci correspond donc à un rapport sable/ciment égal à 3.

-Le taux de l’eau de gâchage à été maintenu constant pour l’ensemble des gâchées :E/C = 0.5,

et le dosage de l’adjuvant aussi : 2% du poids de ciment.

- Le mortier normal est réalisé à l’aide d’un malaxeur HOBART( fig 3.2) dans une cuve de cinq litres répandant aux caractéristiques de la norme NF P 15-411[77].

-Nous avons élaboré les séries d'éprouvettes suivantes :

� 70x70x70mm3 destinées pour l’essai de sorptivité (absorption capillaire). � 50x50x50mm3 destinées pour les essais de la résistivité aux attaques acides. � 40x40x160 mm3 destinées pour les essais mécaniques .

Chapitre III

Figure 3.2 : Malaxeur HOBART

La procédure de malaxage est celle préconisée dans la norme NF P 15

� Le liant (ciment seul + ajout préalablemenla vitesse de 140 tours/min pendant une minute.

� Le sable est ensuite ajouté.� Un malaxage de 3 minutes à la vitesse de 280 tours /min est réalisé.� Après l’arrêt du malaxage, on effectue un raclage manuel des pa� Enfin, le cycle se termine par un malaxage de trois minutes à 280 tours/min.

3.10 Maniabilité : - La maniabilité du mortier frais est déterminée à l’aide de l’étalement d’une quantité de mortier emplissant un tronc de cône de 80 mm à la basôté le moule et appliqué 15 coups à la table à chocs (fig 3.3) le diamètre de la galette nous renseigne sur l’ouvrabilité du mortier.

- L’étalement est détermine par la formule suivante

Où :

D1 : diamètre de la galette avant les chocs en cm.

D2 : la valeur moyenne des quatre différents diamètres de la galette après les chocs en cm.


Figure 3.2 : Malaxeur HOBART

La procédure de malaxage est celle préconisée dans la norme NF P 15-403 [76]:

Le liant (ciment seul + ajout préalablement malaxés) et l’eau de gâchage sont mélangés à la vitesse de 140 tours/min pendant une minute. Le sable est ensuite ajouté. Un malaxage de 3 minutes à la vitesse de 280 tours /min est réalisé. Après l’arrêt du malaxage, on effectue un raclage manuel des parois de la cuve.Enfin, le cycle se termine par un malaxage de trois minutes à 280 tours/min.

La maniabilité du mortier frais est déterminée à l’aide de l’étalement d’une quantité de mortier emplissant un tronc de cône de 80 mm à la base, 70 mm au sommet et 40mm de hauteur. Après avoir ôté le moule et appliqué 15 coups à la table à chocs (fig 3.3) le diamètre de la galette nous renseigne

L’étalement est détermine par la formule suivante :

∆E (%) =1

12

D

DD −

: diamètre de la galette avant les chocs en cm.

: la valeur moyenne des quatre différents diamètres de la galette après les chocs en cm.


t malaxés) et l’eau de gâchage sont mélangés à

rois de la cuve. Enfin, le cycle se termine par un malaxage de trois minutes à 280 tours/min.

La maniabilité du mortier frais est déterminée à l’aide de l’étalement d’une quantité de mortier e, 70 mm au sommet et 40mm de hauteur. Après avoir

ôté le moule et appliqué 15 coups à la table à chocs (fig 3.3) le diamètre de la galette nous renseigne

: la valeur moyenne des quatre différents diamètres de la galette après les chocs en cm.


Figure 3. 3 : Table à secousses

3.11 Essais Mécaniques :

3.11.1 Confection des éprouvettes :

On a utilisé des éprouvettes prismatiques 40 x 40 x 160 mm3 pour les essais de flexion et compression. Les mortiers normalisés ont été préparés selon les combinaisons suivantes :

- 15 combinaisons (180 spécimens) ont été préparées à partir de différents pourcentages d’ajout: pouzzolane naturelle « PZN » (0 - 40%) et calcaire « FC » (0 - 20%) avec un rapport E/C = 0.5 (tableau 3.1).

Notation Ciment

(%) Pouzzolane naturelle

(PZN) (%) Calcaire (FC)

(%) CPA 100 0.0 0.0

FC10

FC20

90 80

0.0 0.0

10 20

PZ10

PZ20

PZ30

PZ40

90 80 70 60

10 20 30 40

0.0 0.0 0.0 0.0

PZ10 FC10

PZ20 FC10

PZ30 FC10

PZ40 FC10

80 70 60 50

10 20 30 40

10 10 10 10

PZ10 FC20

PZ20 FC20

PZ30 FC20

PZ40 FC20

70 60 50 40

10 20 30 40

20 20 20 20

Tableau 3.1 : Les différentes combinaisons « CPA + PZN + FC »


- 11 combinaisons (132 spécimens) ont été préparées à partir de différents pourcentages d’ajout: pouzzolane naturelle « PZN » (0 - 40%) et fumée de silice « FS » (0 – 10%) avec un rapport E/C = 0.5 (tableau 3.2).

Notation Ciment (%) Pouzzolane naturelle (PZN) (%)

Fumée de silice (FS) (%)

CPA 100 0.0 0.0 FS5

FS10

95 90

0.0 0.0

5.0 10

PZ10 FS5

PZ20 FS5

PZ30 FS5

PZ40 FS5

85 75 65 55

10 20 30 40

5.0 5.0 5.0 5.0

PZ10 FS10

PZ20 FS10

PZ30 FS10

PZ40 FS10

80 70 60 50

10 20 30 40

10 10 10 10

Tableau 3.2 : les différentes combinaisons " CPA + PZN +FS "

3.11.2 Procédure d’essai: Les échantillons d’essais ont été confectionnés conformément à la Norme ENV 197-1[78] dans des moules prismatiques 40 x 40 x 160 mm3 et compactés mécaniquement à l’aide d’une table à choc. Une fois arasés, les moules contenant les échantillons sont couverts de film en plastique et stockés dans l’environnement de laboratoire sous une température de 20° ± 1°C et une humidité relative

d’environ55 ± 5%. Le démoulage est effectué après une durée de 24h et les échantillons sont conservés au laboratoire dans une eau saturée en chaux jusqu'au jour de l’échéance (fig 3.4) .

-Il est à noter que les essais mécaniques ont été effectues aux échéances de : 2 – 7 – 28 et 90 jours.

Chapitre III 61

Figure 3.4 : Eprouvettes prismatiques conservées dans une eau saturée en chaux

3.11.3 Résistance à la flexion :

- La mesure de la résistance à la flexion a été effectuée à l’aide d’un appareil IBERTEST pourvu d’un dispositif de flexion trois points (fig 3.5 ).

Figure 3.5 : Appareil IBERTEST (essai de flexion et compression )

- Pour chaque combinaison, 3 échantillons prischargement constante de 0.2 KN/s.

- Les essais de flexion sont réalisés sur l’appareil de flexion en plaçant l’éprouvette symétrique et centrée sur le plateau de la presse hydraulique puis une chargejusqu'à la rupture. La charge P en KN et la résistance à la flexion Rde l’appareil où l’on effectue la lecture.

- Les essais sont effectues conformément à la Norme NF P15



résistance à la flexion a été effectuée à l’aide d’un appareil IBERTEST pourvu d’un dispositif de flexion trois points (fig 3.5 ).


Pour chaque combinaison, 3 échantillons prismatiques 40 x 40 x 160 mm3 sont testés à une vitesse de chargement constante de 0.2 KN/s.

Les essais de flexion sont réalisés sur l’appareil de flexion en plaçant l’éprouvette symétrique et centrée sur le plateau de la presse hydraulique puis une charge continue est appliquée sur l’éprouvette jusqu'à la rupture. La charge P en KN et la résistance à la flexion Rf en MPa sont affichées sur l’écran de l’appareil où l’on effectue la lecture.

Les essais sont effectues conformément à la Norme NF P15-471[79]



résistance à la flexion a été effectuée à l’aide d’un appareil IBERTEST pourvu d’un


sont testés à une vitesse de

Les essais de flexion sont réalisés sur l’appareil de flexion en plaçant l’éprouvette symétrique et continue est appliquée sur l’éprouvette

en MPa sont affichées sur l’écran

Chapitre III 62

3.11.4 Résistance à la compression

- La résistance à la compression des mortiers a été évaluée sur les six demi primes issues de la flexion trois-points. Le demi prisme est centré entre les deux plateaux de l’appareil IBERTEST (fig 3.5) et un chargement est effectué à une vitesse constante de 0.5 KN/s jusqu'à la rupture. On effectue la lecture de la charge d’écrasement P en KN et la résistancel’appareil.

- Les essais sont effectués conformément à la Norme NF P 15

3.12 Essais de Durabilité3.12.1 L’absorption d’eau (Sorptivité)

- Cet essai mesure le taux d’absorption de l’eau par succions capillnon saturées, mises en contact avec de l’eau sans pression hydraulique.

- Avant les mesures de la Sorptivité, les spécimens seront prés conditionnés dans l’étuve à environ 105°C jusqu'à une masse constante. L’essai de Sorpremontée capillaire d’une éprouvette cubique 70 x 70 x 70 mmbac contenant de l’eau suivant le schéma indiqué à la figure (3.6) de sorte que l’eau ne touche l’éprouvette que d’une hauteur de 5mm de la profondeur du bac, le reste de l’éprouvette est préalablement imperméabilisé par une résine époxydique sur toutes les autres faces. On mesure alors l’augmentation de la masse de l’éprouvette en fonction du temps à 1, 4minutes.

Figure 3.6 Schéma du dispositif de l’essai d’absorption


3.11.4 Résistance à la compression :

La résistance à la compression des mortiers a été évaluée sur les six demi primes issues de la flexion points. Le demi prisme est centré entre les deux plateaux de l’appareil IBERTEST (fig 3.5) et un

chargement est effectué à une vitesse constante de 0.5 KN/s jusqu'à la rupture. On effectue la lecture de la charge d’écrasement P en KN et la résistance à la compression Rc en MPa sur l’écran de

Les essais sont effectués conformément à la Norme NF P 15-471[79].

Essais de Durabilité : 3.12.1 L’absorption d’eau (Sorptivité)

Cet essai mesure le taux d’absorption de l’eau par succions capillaires des éprouvettes de mortier, non saturées, mises en contact avec de l’eau sans pression hydraulique.

Avant les mesures de la Sorptivité, les spécimens seront prés conditionnés dans l’étuve à environ 105°C jusqu'à une masse constante. L’essai de Sorptivité détermine le taux ou vitesse d’absorption par remontée capillaire d’une éprouvette cubique 70 x 70 x 70 mm3 placée sur de petits supports dans un bac contenant de l’eau suivant le schéma indiqué à la figure (3.6) de sorte que l’eau ne touche

uvette que d’une hauteur de 5mm de la profondeur du bac, le reste de l’éprouvette est préalablement imperméabilisé par une résine époxydique sur toutes les autres faces. On mesure alors l’augmentation de la masse de l’éprouvette en fonction du temps à 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49 et 64

Figure 3.6 Schéma du dispositif de l’essai d’absorption


La résistance à la compression des mortiers a été évaluée sur les six demi primes issues de la flexion points. Le demi prisme est centré entre les deux plateaux de l’appareil IBERTEST (fig 3.5) et un

chargement est effectué à une vitesse constante de 0.5 KN/s jusqu'à la rupture. On effectue la lecture en MPa sur l’écran de

aires des éprouvettes de mortier,

Avant les mesures de la Sorptivité, les spécimens seront prés conditionnés dans l’étuve à environ tivité détermine le taux ou vitesse d’absorption par

placée sur de petits supports dans un bac contenant de l’eau suivant le schéma indiqué à la figure (3.6) de sorte que l’eau ne touche

uvette que d’une hauteur de 5mm de la profondeur du bac, le reste de l’éprouvette est préalablement imperméabilisé par une résine époxydique sur toutes les autres faces. On mesure alors

, 9, 16, 25, 36, 49 et 64


- Les résultats de l’essai d’absorptivité des différents mortiers, sont présentés en traçant toutes les droites lissées sur les segments d’augmentation des masses des éprouvettes en fonction de la racine carrée du temps.

L’équation de ces droites a la forme : tSAQ =/

Q : La quantité d’eau absorbée en (cm3) ;

A : La surface du spécimen en contact avec l’eau (cm²) ;

t : Le temps (s) ;

S : Le coefficient de Sorptivité du spécimen (cm/s1/2).

- La mesure de la Sorptivité est un moyen simple et facile qui permet de caractériser la cinétique d’absorption des matériaux. Plus la sorpitivité est élevée, plus le matériau est susceptible à être rapidement envahi par le liquide en contact. C’est aussi une propriété qui caractérise la disposition des pores du matériau qui absorbent et transmettent l’eau par capillarité.

3.12.2 Attaque des mortiers par les acides : � Procédure de l’essai : - Pour la caractérisation de la résistance chimique, des éprouvettes cubiques de mortier

50 x 50 x 50 mm3 ont été confectionnées selon la Norme ENV 197-1[78]. Démoulées à 24 heures, les éprouvettes ont été conservées dans l’eau à 20° ± 2°C jusqu'à 28 jours. Après 28 jours de cure sous l’eau, les éprouvettes sont pesées pour déterminer leurs masses avant l’attaque chimique puis elles sont immergées dans les différentes solutions suivantes ( fig 3.7)

� 5% d’acide sulfurique (H2SO4) ; � 3% d’acide sulfurique (H2SO4) ; � 5% d’acide nitrique (HNO3) ; � 3% d’acide nitrique (HNO3) ; � L’eau témoin.

- La résistance due aux agressions chimiques des éprouvettes immergées dans ces solutions acides est évaluée selon la Norme ASTM C 267-96 [80].

Chapitre III 64

Figure 3.7 : Eprouvettes cubiques 50x50x50mm

- Les éprouvettes sont nettoyées 3 fois avec l’eau douce pour éliminer le mortier altéré puis laissées sécher pendant 30mn. Ensuite on procède à la pesée des éprouvettes avec une balance de précision de 0.01g (fig 3.8 ). Cette opération est effectuée à 1l’immersion dans la solution

- Les solutions d’attaque sont renouvelées chaque 30 jours pour l’acide sulfurique (5% et 3%) et chaque 14 jours pour l’acide nitrique (5% et 3% ) de telleun.

- Le degré de l’attaque est évalué par la formule de perte de masse suivante

Perte de masse (%) = [(M1

Avec M1 : masse des éprouvettes avant immersion.

M2 : masse des éprouvettes apr

Figure 3.8 : Balance de précision 0.01 g


Figure 3.7 : Eprouvettes cubiques 50x50x50mm3 immergées dans la solution acide

Les éprouvettes sont nettoyées 3 fois avec l’eau douce pour éliminer le mortier altéré puis laissées sécher pendant 30mn. Ensuite on procède à la pesée des éprouvettes avec une balance de précision de

pération est effectuée à 1-7- 14 -21- 28- 35- 42- 49 et 56 jours après

Les solutions d’attaque sont renouvelées chaque 30 jours pour l’acide sulfurique (5% et 3%) et chaque 14 jours pour l’acide nitrique (5% et 3% ) de telle façon à maintenir un pH constant et égale à

Le degré de l’attaque est évalué par la formule de perte de masse suivante :

Perte de masse (%) = [(M1- M2)/M1)] x 100

masse des éprouvettes avant immersion.

: masse des éprouvettes après immersion.

Figure 3.8 : Balance de précision 0.01 g


gées dans la solution acide

Les éprouvettes sont nettoyées 3 fois avec l’eau douce pour éliminer le mortier altéré puis laissées sécher pendant 30mn. Ensuite on procède à la pesée des éprouvettes avec une balance de précision de

49 et 56 jours après

Les solutions d’attaque sont renouvelées chaque 30 jours pour l’acide sulfurique (5% et 3%) et façon à maintenir un pH constant et égale à


� Formulation des mortiers : - Pour les essais de durabilité et en se basant sur les résultats des essais mécaniques à 28 jours, on a sélectionné les huit combinaisons performantes suivantes :

� Ciments binaires ( fig 3.9 ): - CPA : 100% CPA + 0% ajout (combinaison témoin)

- FC10 : 90% CPA + 10% calcaire

- PZ30 : 70% CPA + 30% pouzzolane naturelle

- FS10: 90% CPA + 10% fumée de silice

� Ciments ternaires ( fig 3.10 ):

- PZ10 FC10: 80% CPA + 10% pouzzolane naturelle + 10% calcaire

- PZ10 FC20 : 70% CPA + 10% pouzzolane naturelle + 20% calcaire

- PZ10 FS5 : 85% CPA + 10% pouzzolane naturelle + 5% fumée de silice

- PZ20 FS10 : 70% CPA + 20% pouzzolane naturelle + 10% fumée de silice

Figure 3.9 : Etat d'échantillons pour Figure 3.10 : Etat d'échantillons pour

ciments binaires ciments ternaires

- Les mortiers utilisés pour les essais de durabilité confectionnés selon les combinaisons choisies sont récapitulés au tableau (3. 3) pour les ciments binaires et au tableau ( 3.4 ) pour les ciments ternaires.

- Nous utilisons les notations suivantes pour les différents mortiers étudies :

- MCPA : Mortier confectionné avec 100% CPA + 0% ajout (mortier contrôle)

- MFC10 : Mortier confectionné avec 90% CPA + 10% calcaire

- MPZ30 : Mortier confectionné avec 70% CPA + 30% pouzzolane naturelle

- MFS10: Mortier confectionné avec 90% CPA + 10% fumée de silice.


- MPZ10FC10 : Mortier confectionné avec 80%CPA+10% pouzzolane naturelle + 10% calcaire

- MPZ10FC20 : Mortier confectionné avec70%CPA+ 10% pouzzolane naturelle + 20% calcaire

- MPZ10FS5 :Mortier confectionné avec 85%CPA+10%pouzzolane naturelle+5%fumée de silice

- MPZ20FS10 : Mortier confectionné avec70%CPA+20%pouzzolane naturelle+10%fumée de silice

Notation Sable

(g)

Ciment CPA (g)

Pouzzolane naturelle (g)

Calcaire (g)

Fumée de silice (g)

Eau (cm3) Adj (%)

MCPA MFC10

MPZ30

MFS10

1350 1350 1350 1350

450 405 315 405

- -

135 -

- 45 - -

- - -

45

225 225 225 225

2 2 2 2

Tableau 3.3 : Mortiers aux ciments binaries

Notation Sable

(g) Ciment CPA (g)

Pouzzolane naturelle (g)

Calcaire (g)

Fumée de silice (g)

Eau (cm3) Adj (%)

MCPA MPZ10FC10

MPZ10FC20

MPZ10FS5

MPZ20FS10

1350 1350 1350 1350 1350

450 360 315

382.5 315

- 45 45 45 90

- 45 90

- -

- - -

22.5 45

225 225 225 225 225

2 2 2 2 2

Tableau 3.4 : Mortiers aux ciments ternaires

3.13 Résultats des essais préliminaires

- Nous présentons dans cette partie, tous les résultats expérimentaux des différents essais réalisés sur les matériaux utilisés au cours du processus expérimental.


3.13.1 Ciment CPA

- La composition chimique du ciment CPA utilisé dans tous les essais ainsi que sa composition minéralogique sont données respectivement aux tableaux (3.5) et (3.6)

Elément SiO2 AL2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 K2O Na2O P.F R.I % 21.35 4.59 5.52 63.89 1.37 2.72 0.41 0.13 2.47 0.22

Tableau 3.5 : Composition chimique du ciment CPA

C3S C2S C3A C4AF CaO libre 47.15 25.69 2.84 16.78 2.32

Tableau 3.6 : Composition minéralogique du ciment CPA

3.13.2 Caractéristiques physiques des pâtes de ciment :

- Les essais de consistance et les essais de début et fin de prise effectués sur les différentes

pâtes ont aboutit aux résultats récapitulés au tableau (3.7).

Combinaison Consistance% Début de

prise Fin de prise Ajout utilisé

CPA FC10

PZ30

FS10

24 25.2 27.1 27.8

2 H :55 mn 2 H : 40 mn 3 H : 33 mn 2 H : 10 mn

3 H :52 mn 3 H : 20 mn 4 H : 15 mn 2 H : 45 mn

- 10% calcaire

30% pouzzolane 10% fumée de silice

PZ10FC10

PZ10FC20

PZ10FS5

PZ10FS10

26.3 26.8 27.3 28.4

2 H :45 mn 2 H : 35 mn 2 H : 30 mn 2 H : 20 mn

3 H :25 mn 3 H : 28 mn 3 H : 15 mn 3 H : 05 mn

10% pouzzolane + 10% calcaire 10% pouzzolane + 20% calcaire 10% pouzzolane + 5% f. silice 20% Pouzzolane + 10% f. silice

Tableau 3.7 : Caractéristiques physiques des pâtes de ciment.


- A partir de ces résultats, nous constatons que l’incorporation des ajouts minéraux comme substituant au ciment CPA à des taux différents modifie en premier lieu leurs besoins en eau car il y a une augmentation de consistance des liants avec ajouts en comparaison avec le ciment sans ajout, cela est du à l’effet filler de ces ajouts ainsi qu’à leurs grandes surfaces spécifiques. L’incorporation de ces derniers peut aussi modifier le processus d’hydratation des liants soit en accélérant ou en retardant le temps de prise.

3.13.3 Le sable :

- Les paramètres physiques du sable de carrière (après correction) sont résumés dans le tableau (3.8).

Paramètres physiques Valeurs Masse volumique absolue (g/cm3) 2.77

Masse volumique apparente (g/cm3) 1.60 Coefficient d’uniformité Cu 17.75 Coefficient de courbure Cc 0.74

Equivalent de sable

Visuel (%) 68.90 Piston (%) 67.30

Module de finesse 2.61 Pourcentage de fines (%) 20.82 Eléments coquilliers (%) Nul Impuretés prohibées (%) Nul

Valeur du bleu de méthylène « VB » 1.27

Tableau 3.8 : Caractéristiques physiques du sable de carrière de KRISTEL

les courbes granulométriques avant et après correction du sable de carrière utilisé sont données à la figure ( 3.11 ) .


Figure 3.11 : Courbes granulométriques du sable utilisé avant et après correction [55].

� Analyse chimique du sable de carrière : - La composition chimique du sable effectuée au laboratoire de la cimenterie de Zahana est illustrée dans le tableau (3.9).

Composition Teneurs en (%) SiO2 2.35 CaO 45.70 Fe2O3 0.29 MgO 1.89

AL2O3 0.74 SO4 //

perte au feu 42.48 matières organiques //

Tableau 3.9 : Analyse chimique du sable de carrière

3.13.4 La pouzzolane - Les caractéristiques physiques de la pouzzolane naturelle d’origine volcanique extraite du gisement de Bouhamidi (Beni Saf) sont illustrées dans le tableau (3.10) suivant :

0 ,0 1 0 ,1 1 1 00

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

Poi

ds c

umul

é en

(%

)

D iam ètre é q u iva le n t e n (m m )

s a b le a v a n t c o rre c t io n s a b le a p rè s c o rre c t io n c o u rb e fu s e a u m in im a le c o u rb e fu s e a u m a x im a le

0 ,0 1 0 ,1 1 1 00

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

Poi

ds c

umul

é en

(%

)

D iam ètre é q u iva le n t e n (m m )

s a b le a v a n t c o rre c t io n s a b le a p rè s c o rre c t io n c o u rb e fu s e a u m in im a le c o u rb e fu s e a u m a x im a le

0 ,0 1 0 ,1 1 1 00

2 0

4 0

6 0

8 0

1 0 0

Poi

ds c

umul

é en

(%

)

D iam ètre équ iva len t en (m m )

s a b le a v a n t c o rre c tio n s a b le a p rè s c o rre c tio n c o u rb e fu s e a u m in im a le c o u rb e fu s e a u m a x im a le


Caractéristiques physiques Unité Valeurs masse volumique apparente masse volumique absolue surface spécifique Blaine

pouzzolannicite absorption porosité humidité

perte au feu

g/cm3 g/cm3 cm²/g

% % % % %

0.98 2.75 3560 85

58.70 57.10 2.50 5.60

Tableau 3.10 : Caractéristiques physiques de la pouzzolane

-Le tableau (3.11) illustre à son tour la composition chimique de la pouzzolane naturelle.

Composants Teneurs en % SiO2

AL2O3 CaO

Fe2O3 MgO SO4

Cl Perte au feu

45.21 17.85 9.99 9.84 4.38

- -

3.91

Tableau 3.11 : Composition chimique de la pouzzolane

3.13.5 Les fines calcaires : - Les fines calcaires utilisées dans nos essais proviennent de la cimenterie de Zahana. Elles sont broyées à une finesse de 3900 cm²/g. Leur analyse chimique effectuée au laboratoire de la cimenterie citée ci-dessus est illustrée au tableau (3.12).


Elément Si O2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O CL PF Teneur en %

0.99 3.78 0.19 51.67 0.35 0.06 - - - 42.25

Tableau 3.12 : Composition chimique des fines calcaires

3.13.6 La fumée de silice : - Les tableaux (4.13) et (4.14) présentent respectivement les caractéristiques physiques et la composition chimique de l’ajout fumée de silice utilisé dans nos essais expérimentaux.

Caractéristiques physiques Valeurs

masse volumique apparente (g/cm3) surface spécifique B.E.T (cm²/g)

densité type

couleur

0.60

18.000 2.1

Ferro silicium grise

Tableau 3.13 : Caractéristiques physiques de la fumée de silice

Elément Si O2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O CL PF Teneur en

% 88.10 0.84 1.49 5.39 1.50 0.08 0.52 0.06 - 1.70

Tableau 3.14 : Composition chimique de la fumée de silice

3.13.7 L’eau de gâchage : - L’eau de gâchage utilisée dans la confection des mortiers est l’eau potable du robinet. Son

Analyse chimique est présentée au tableau ( 3.15) :


Composants Unité Valeurs chlorures (cl) mg/l 128

matière en suspension mg/l 0.29 matières organiques (M .O) mg/l 0.18

sulfates (SO4) mg/l 192.12 nitrates (NO3) mg/l -

sodium (Na) mg/l - potassium (K) mg/l -

magnésium (Mg) mg/l 52 calcium (Ca) mg/l 88

oxyde de carbone (CO2) mg/l 2.31 bicarbonates (CO3H) mg/l 137

carbonates (CO3) mg/l - oxygène (O2) mg/l 7.62

pH - 7.91

Tableau 3.15 : Composition chimique de l’eau de gâchage

- Etant donné que les valeurs trouvées sont conformes à celles exigées par la norme en vigueur, l’eau de gâchage ne présente donc aucune nocivité quand à son utilisation pour la confection des mortiers.

3.13.8 Caractérisation des mortiers frais :

- Les caractéristiques des mortiers frais sélectionnés pour la durabilité sont présentés au tableau ( 3.16).


Nomination Ajout utilisé (%) E/C Etalement (%) MCPA MFC10

MPZ30

MFS10

0% 10% calcaire

30% pouzzolane 10% fumée de silice

0.5 0.5 0.5 0.5

85.5 90.5

96 55.8

MPZ10 FC10

MPZ10 FC20

MPZ10 FS5

MPZ20 FS10

10% pouzzolane + 10% calcaire 10% pouzzolane + 20% calcaire

10% pouzzolane + 5% fumée de silice 20% pouzzolane + 10% fumée de silice

0.5 0.5 0.5 0.5

83 98 76 57

Tableau 3-16 : Résultats de la maniabilité des mortiers

- D’après les résultats expérimentaux présentés au tableau ci-dessus, l’incorporation des ajouts minéraux affecte la maniabilité des mortiers confectionnés. En effet, la pouzzolane naturelle et le calcaire augmentent la maniabilité en rendant la gâchée du mortier, liquide à très liquide, par contre la fumée de silice fait chuter cette maniabilité et la gâchée du mortier confectionné devient plastique.

3.14 Conclusion :

- Les essais physiques, les analyses chimiques et les analyses minéralogiques effectués dans les différents laboratoires donnent une idée générale sur les caractéristiques principales des matériaux servant à la formulation des mortiers qui seront étudiés au chapitre suivant du point de vue mécanique et durabilité.

- La connaissance de ces caractéristiques nous aide d’une façon significative à commenter les résultats des essais expérimentaux.

Chapitre IV 74 Résultats et discussions

Chapitre IV

Résultats et Discussions

4.1 Introduction - Nous présentons dans ce chapitre les résultats des différents essais effectués sur les mortiers confectionnées selon les différentes combinaisons d’ajouts (Pouzzolane Naturelle – Calcaire et Fumée de silice).

- Ces résultats portent sur les résistances mécaniques (compression et flexion) aux échéances 2 - 7- 28 et 90 jours, sur l’absorption capillaire (sorptivité) à 28 et 90 jours ainsi que sur la résistance de ces mortiers aux attaques acides.

4.2 Essais mécaniques 4.2.1 Mortiers aux ciments binaires

- Les mortiers aux ciments binaires sont formulés selon les combinaisons suivantes à base de CPA et d’ajouts minéraux :

- Mortier contrôle � combinaison : CPA - Ajout calcaire � combinaisons : FC10 – FC20 - Ajout Pouzzolane naturelle � combinaisons : PZ10 – PZ20 – PZ30 et PZ40 - Ajout Fumée de silice � combinaisons : FS5 – FS10

4.2.1.1 Résistance à la compression :

4.2.1.1.1 Effet de la pouzzolane naturelle :

- La figure (4.1) présente l’évolution de la résistance à la compression des mortiers contenant différentes substitutions de la pouzzolane naturelle. D’après cette figure ; on remarque que ces mortiers développent des résistances qui restent toujours inférieures à celle du mortier contrôle et cela à tous les ages. Au jeune âge (2 jours) les résistances de ces mortiers sont faibles par rapport à celle du mortier contrôle. En effet à 2 et 7 jours les résistances des mortiers contenant 30% de pouzzolane représentent 52% et 73% respectivement de celle du mortier contrôle. A long terme ces mortiers ( 30% PZN ) développent des résistances comparables à celle du mortier contrôle . En effet les résistances de ces derniers représentent 89% et 91% de celle du mortier contrôle aux ages de 28 et 90 jours respectivement .Ceci peut être attribué à l'activité pouzzolanique qui est lente au jeune age et se développe à long terme.


Les mortiers élaborés avec 40% de pouzzolane développent des résistances très faibles par rapport à celle du mortier contrôle au jeune et à long terme .

0 20 40 60 80 1005

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

0 % 10 % 20 % 30 % 40 %

Rés

ista

nce

à la

com

pres

sion

(M

Pa)

Age (jours)

Figure 4 .1: Evolution de la résistance à la compression

en fonction de l'age des mortiers contenant la pouzzolane

La figure (4.2) présente l’effet du taux de substitution de la pouzzolane sur la résistance à la compression des mortiers aux différentes échéances. D’après cette figure, on remarque que les résistances à la compression des mortiers élaborés avec les différents taux de substitution de la pouzzolane restent toujours inférieures à celle du mortier contrôle et cela pour tous les âges. Au jeune âge, l’augmentation du dosage de la pouzzolane a un effet négatif sur la résistance à la compression, en effet elle passe d’un écart de 45 % à 48 % à l’âge de 2 jours et d’un écart de 6 % à 27 % à l’âge de 7 jours par rapport à celle du témoin pour des dosages en pouzzolane allant de 10 à 30%. Cet écart a tendance à diminuer en fonction du temps car il passe de 17 % à 11 % à l’âge de 28 jours et de 18 % à 10 % à l’âge de 90 jours pour les mêmes taux de substitution (10 – 30 %) d’où l’effet positif du taux de pouzzolane à long terme. S.Mansour dans son étude a trouvé une réduction de 15% de résistance à la compression à l' âge 90 jours d'un mortier contenant 30% de pouzzolane par rapport au mortier contrôle avec un rapport E / L = 0.5 [56] . Avec les mêmes conditions, Targan et al

[ 81 ] ont trouvé une réduction de résistance à la compression de 11% ce qui se rapproche au résultat trouvé par notre étude et qui est de l’ordre de 10 %.


- La substitution de 30% de pouzzolane s’avère la plus efficace pour les résistances des mortiers à long terme (90 jours) et ceci est attribué à l’activité pouzzolanique de l’ajout pouzzolane naturelle qui consiste à fixer la portlandite Ca (OH)2 libérée par l’hydratation du CPA pour donner naissance à des silicates de calcium hydratés C-S-H supplémentaires de deuxième génération occupant un espace important de la matrice cimentaire et contribuant ainsi au développement de la résistance. La chute de résistance pour les mortiers contenant 40% de la pouzzolane naturelle peut être attribuée à la quantité insuffisante de la chaux libérée au cours de d’hydratation du ciment CPA et par conséquent à des réactions chimiques incomplètes.

0 10 20 30 405

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60 2j 7j 28j 90j

Rés

ista

nce

à la

com

pres

sion

(M

Pa)

Pourcentage de la PZN (%)

Figure 4.2: Effet de la pouzzolane sur la résistance à

la compression des mortiers

4.2.1.1.2 Effet du calcaire :

- La figure(4.3) présente l’évolution de la résistance à la compression des mortiers contenant des taux de substitution (10 – 20%) de calcaire en fonction de l’âge.On remarque d’après cette figure, que les résistances de ces mortiers augmentent avec le taux de substitution du calcaire mais restent inférieures à celle du mortier contrôle et cela pour tous les âges. Au jeune âge (02 jours), la résistance du mortier avec 10% de calcaire est très comparable à celle du mortier contrôle, par contre, elle est atténuée de 50% par rapport au mortier contrôle pour le taux de 20 % . A 7 et 28 jours , la résistance diminue avec l'augmentation du pourcentage du calcaire.


-A long terme (90 jours), on note une réduction importante de résistance pour la substitution de 20% de calcaire comparativement à celle de 10% de calcaire.

0 20 40 60 80 1005

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

0 % 10 % 20 %

Rés

ista

nce

à la

com

pres

sion

(M

Pa)

Age (jours)

Figure 4-3: Evolution de la résistance à la compression

en fonction de l'age des mortiers contenant le calcaire

La figure( 4.4) présente l’effet du calcaire sur la résistance à la compression des mortiers aux différentes échéances. A 2 jours, la différence de 8% de résistance pour le dosage de 10%, s’avère négligeable comparativement à celle de 50% pour la substitution de 20% de calcaire, ce qui la rend comparable à celle du mortier contrôle, résultat trouvé par les chercheurs EL Khadiri et al [40] pour un mortier contenant 13% de calcaire. S. Mansour dans son étude a montré que la substitution de 10% de calcaire fait augmenter la résistance des mortiers de 5% à 2 jours comparativement à celle du mortier contrôle [56]. Cette approche de résistance au jeune âge pour le mortier contrôle et celui contenant 10% de calcaire, peut être attribuée selon plusieurs chercheurs à la réaction qui se produit entre le calcaire et le C3A du ciment CPA pour former un carboaluminate de calcium hydraté qui se précipite dans les pores et à l’accélération de l’hydratation des C3S due à la présence des particules de calcaire. La substitution de 10% de calcaire au ciment CPA semble la plus performante comparativement à celle de 20%, car elle réduit la perte de résistance de (50% à 8%) à 2 jours, de (32% à 15 %) à 7 jours, de (16 % à 3 %) à 28 jours et de (16 % à 3 %) à 90 jours et cela par rapport à la résistance du mortier contrôle.


0 5 10 15 20

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60 2j 7j 28j 90j

Rés

ista

nce

à la

com

pres

sion

(M

Pa)

Pourcentage du calcaire (%)

Figure 4-4: Effet du calcaire sur la résistance à


4.2.1.1.3 Effet de la fumée de silice : - L’évolution de la résistance à la compression des mortiers contenant la fumée de silice à des taux différents en fonction de l’âge est illustrée à la figure ( 4.5). D’après cette figure, on remarque que les résistances des mortiers contenant 5% et 10% de fumée de silice sont presque comparables à celle du mortier contrôle à 2 et 7 jours et représentent 92 % et 96 % respectivement de cette dernière , cela est du à la réaction pouzzolanique qui se développe très tôt.

A 28 jours , on note une augmentation des résistances de ces mortiers qui dépassent celle du mortier contrôle avec des taux de 7 % et 14 % respectivement pour les mortiers contenant 5 % et 10 % de fumée de silice

Along terme ( 90 jours ) le taux d'augmentation de la résistance continue à se développer et atteint les valeurs de 13 % et 27 % pour les mêmes mortiers .


0 20 40 60 80 10015

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

0 % 5 % 10 %

Rés

isita

nce

à la

com

pres

sion

(M

Pa)

Age (jours)


en fonction de l'age des mortiers contenant la fumée de silice

L’influence de la fumée de silice sur la résistance à la compression des mortiers à différentes échéances est illustrée à la figure (4.6). D’après cette figure, on peut remarquer que la résistance à la compression des mortiers augmente au fur et à mesure que le pourcentage de la fumée de silice augmente quelque soit l’âge des mortiers. En effet la résistance du mortier avec 5% de FS passe d’un taux de 7 % par rapport à celle du mortier contrôle à l’âge de 2 jours à un taux de 19 % à l’âge de 90 jours, par contre la résistance du mortier avec 10% de FS passe d’un taux de 4 % par rapport à celle du mortier contrôle à l’âge de 2 jours à un taux de 27 % à l’âge de 90 jours .

La fumée de silice joue un rôle bénéfique sur la résistance à la compression des mortiers à court et à long terme ( 2 et 90 jours ). Ce gain de résistance est du à la forte pouzzolanicité de la fumée de silice qui prend place très rapidement et vient consommer la portlandite produite par l’hydratation du ciment et à sa très grande surface spécifique d’où l’effet filler entre les grains du ciment, ce qui rend la pâte plus homogène et plus compacte.


0 2 4 6 8 1010

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70 2j 7j 28j 90j

Rés

ista

nce

à la

com

pres

sion

(M

Pa)

Pourcentage de la fumée de silice (%)

Figure4-6: Effet de la fumée de silice sur la résistance à


4.2.1.2 Résistance à la flexion :

4.2.1.2.1 Effet de la pouzzolane naturelle :

La figure (4.7) illustre l’effet de la pouzzolane naturelle sur la résistance à la flexion des mortiers aux différents âges : 2 – 7 – 28 et 90 jours. On observe des réductions systématiques des résistances des mortiers aux âges 2 et 7 jours au fur et à mesure que le pourcentage de la pouzzolane augmente.

Effectivement, cette réduction de résistance passe de 35 % par rapport au mortier contrôle à 39 % à l’âge de 2 jours, de 5 % à 33 % à l’âge de 7 jours si la substitution en pouzzolane augmente de 10% à 40 %. A l’âge de 28 jours et pour une substitution allant de 10 à 30 %, les résistances à la flexion sont comparables.

Le taux de réduction de résistance des mortiers avec ajout pouzzolane par rapport au mortier contrôle tend à décroître à long terme d’une façon considérable car il passe de (35 % à 14 %), de (36 % à 12 %), de (38 % à 7 %) et de (39 % à 14 %) pour les âges allant de 2 à 90 jours et cela pour les substitutions de 10% , 20% , 30% et 40% respectivement. Cela est du à l’activité pouzzolanique de l’ajout qui est faible au jeune âge (2 et 7 jours) et tend à s’accroître à long terme (28 et 90 jours).


0 10 20 30 402

4

6

8

10

12 2j 7j 28j 90j

Rés

ista

nce

à la

flex

ion

(MP

a)


Figure 4-7: Effet de la pouzzolane sur la résistance à

la flexion des mortiers

4.2.1.2.2 Effet du calcaire

La figure (4-8) illustre l’effet du calcaire sur la résistance à la flexion des mortiers aux différents âges : 2 – 7 – 28 et 90 jours. On observe des réductions systématiques de résistance de plus en plus que le taux de substitution au calcaire augmente et cela pour tous les âges. Effectivement, cette réduction de résistance à la flexion par rapport au mortier contrôle augmente de (6 % à 40 %) à 2jours, de (11 % à 24 %) à 7jours , de (7 % à 12 %) à 28 jours et de (3 % à 12 %) à 90 jours pour une substitution au calcaire allant de 10 à 20%. A 2 jours, la résistance du mortier contenant 10% de calcaire est comparable à celle du mortier contrôle par contre elle diminue à 7 et 28 jours de 11 % et 7 % respectivement. S.Mansour dans son étude a montré qu'il y a une augmentation de résistance à la flexion de 7% des mortiers contenant 10% de calcaire à l'âge de 2 jours et une réduction de 12% à l'âge de 28 jours . Il est à noter que la substitution de 20% tend à faire décroître la résistance à la flexion comparativement à celle du mortier contrôle d’une façon considérable quelque soit l’âge du mortier.

Clhapitre IV 82 Résultats et discussions

0 5 10 15 202,02,53,03,54,04,55,05,56,06,57,07,58,08,59,09,5

10,010,511,011,512,0 2j 7j 28j 90j

Rés

ista

nce

à la

flex

ion

(MP

a)

Pourcentage du calcaire (%)

Figure 4-8: Effet du calcaire sur la résistance à

la flexion des mortiers

4.2.1.2.3. Effet de la fumée de silice

L’effet de la fumée de silice sur la résistance à la flexion des mortiers aux différents âges : 2 – 7 – 28 et 90 jours est illustré à la figure (4.9)

Aux âges de 2 et 7 jours, les résistances à la flexion des mortiers contenant la fumée de silice restent comparables à celle du mortier contrôle malgré que le taux de substitution augmente de 5 à 10%, par contre ces résistances augmentent avec l’augmentation de la substitution aux âges de 28 et 90 jours.

Effectivement le taux d'augmentation de la résistance à la flexion passe de 10 % par rapport au mortier contrôle à 19 % si la substitution en fumée de silice augmente de 5 à 10 % et cela à l’âge de 90 jours.

L’incorporation de la fumée de silice au ciment CPA s’avère très bénéfique même au jeune âge car elle permet une augmentation de résistance à la flexion par rapport à celle du mortier de (6 % à 2 jours) à (9 % à 7jours ) pour le dosage de 5% et de (3 % à 2jours ) à (5 % à 7jours ) pour le dosage de 10%, ce qui témoigne l’effet positif de la fumée de silice sur la cinétique de l’hydratation du ciment au jeune âge.


0 2 4 6 8 104,04,55,05,56,06,57,07,58,08,59,09,5

10,010,511,011,512,012,513,013,514,0 2j 7j 28j 90j

Rés

ista

nce

à la

flex

ion

(MP

a)

Pourcentage de la fumée de silice (%)

Figure 4-9: Effet de la fumée de silice sur la résistance à La flexion des mortiers

4.2.2. Mortiers aux ciments ternaires : Les mortiers aux ciments ternaires sont formulés selon les combinaisons suivantes à base de CPA et d’ajouts minéraux :

- Mortier contrôle � combinaison : CPA

-Ajouts : pouzzolane + calcaire � combinaisons : PZ10 FC10 – PZ20 FC10 – PZ30 FC10 –

PZ40 FC10 – PZ10 FC20 - PZ20 FC20 – PZ30 FC20 et PZ40 FC20

-Ajouts : pouzzolane + fumée de silice � combinaisons : PZ10 FS5 – PZ20 FS5 –PZ30 FS5 PZ40 FS5 – PZ10 FS10 – PZ20 FS10 – PZ30 FS10 et PZ40 FS10

4.2.2.1. Résistance à la compression :

4.2.2.1.1 Effet du couple pouzzolane naturelle/calcaire

L’influence des différentes combinaisons CPA/ PZN/ FC sur la résistance à la compression des mortiers aux différentes échéances est présentée à la figure (4.10). Aux jeunes âges

(2 et 7jours ), les résistances des mortiers contenant la pouzzolane tendent à décroître avec l’augmentation du pourcentage du calcaire d’où l’effet non bénéfique de l’incorporation de ce dernier à court terme. A 28 jours, les mortiers contenant (10 à 30%) de pouzzolane et (10 à 20%) de calcaire développent des résistances à la compression un peu meilleures qui tendent à se rapprocher de celle du mortier contrôle. En effet les combinaisons des mortiers contenant

(80% CPA/ 10% PZN/ 10% FC) et (70% CPA/ 10% PZN/ 20% FC) s’imposent comme


les plus performantes à cet âge. A long terme (90 jours) les mortiers confectionnés avec (10 à 30%) de pouzzolane et (10 à 20%) de calcaire comme ajouts substitués au ciment CPA développent des résistances très comparables à celle du mortier contrôle ça ne laisse que le taux de 20% de calcaire réduit un peu leurs résistances. Les résultats de notre étude s'approchent beaucoup de ceux élaborés par S.Mansour, qui dans son étude a montré que le mortier contenant la combinaison (70% CPA/ 20% PZN / 10% FC ) développe une résistance comparable à celle du mortier contrôle aux âges de 28 et 90 jours [56]. La faiblesse des résistances à la compression contenant à la fois de la pouzzolane et du calcaire au jeune âge peut être attribuée à la contribution du calcaire à accélérer l’hydratation du ciment d’une part et à la réaction pouzzolanique tardive de la pouzzolane d’autre part. Par contre à long terme, la réaction pouzzolanique atteint un niveau élevé en produisant des gels de C-S-H de deuxième génération qui remplissent les pores et améliorent la résistance.


pour différentes combinaisons CPA / PZN / FC

0 10 20 30 400

5

10

15

20 02 jours

Rés

ista

nce

à la

com

pres

sion

(M

Pa)


0% CAL 10% CAL 20% CAL

0 10 20 30 400

5

10

15

20

25

30

35

4007 jours

Rés

ista

nce

à la

com

pres

sion

(MP

a)


0% CAL 10% CAL 20% CAL

0

10

20

30

40

50

6028 jours

30 4020100

Rés

ista

nce

à la

com

pres

sion

(M

Pa)


0 % FC 10 % FC 20 % FC

0

10

20

30

40

50

60 90 jours 0 % FC 10 % FC 20 % FC

403020100

Rés

ista

nce

à la

com

pres

sion

(MP

a)



4.2.2.1.2 Effet du couple pouzzolane naturelle / fumée de silice :

La figure (4.11) présente l’influence des différentes combinaisons CPA/PZN/FS sur la résistance à la compression des mortiers aux différents âges : 2-7-28 et 90 jours. A 2 jours, la résistance à la compression des mortiers contenant uniquement de la fumée de silice à des taux de 5 et 10% qui était comparable à celle du mortier contrôle, vient d’être affectée par l’incorporation de la pouzzolane naturelle à des taux de (10 à 40%). A 7 jours, les mortiers élaborés selon les combinaisons de (5 à 10%) de FS et de (10 à 20%) de PZN développent des résistances à la compression comparables à celle du mortier contrôle. A 28 jours, une augmentation des résistances à la compression des mortiers confectionnés avec (5-10%) FS et (10 - 20 -30%) PZN est remarquée sans toutefois dépasser celle du mortier contrôle et les combinaisons (85% CPA/ 10% PZN/ 5% FS) et (70% CPA/ 20% PZN/ 10% FS) s’avèrent les plus efficaces à cet âge. Ce résultat est approuvé par l"étude faite par S.Mansour qui confirme que le mortier contenant la combinaison (70% CPA/ 20% PZN/ 10% FS) développe une résistance comparable à celle du mortier contrôle [56].A long terme (90 jours), la contribution de la FS avec un niveau de 10% tend à affecter positivement la résistance à la compression des mortiers contenant (10 à 30%) de PZN qui dépasse largement celle du mortier contrôle.

La performance de la résistance à la compression des mortiers due à l’addition de l’ajout FS avec un taux de 10% et à l’ajout pouzzolane naturelle avec un taux de (10 à 30%) comme substitution au ciment CPA peut être attribuée au rôle bénéfique au sein de la matrice cimentaire dont la conséquence est l’amélioration de l’adhérence pâte-granulats avec la formation d’une zone de transition moins poreuse

L’incorporation de la PZN et de la FS au ciment CPA donne naissance à un rôle complémentaire de l’effet filler et l’effet pouzzolanique de ces deux ajouts. L’effet filler réduit la porosité de la zone de transition d’où une structure plus dense et plus compacte et par conséquent une meilleure résistance. L’effet pouzzolanique quand à lui contribue à la formation des gels de C-S-H par fixation de la portlandite libérée au cours de l’hydratation du ciment d’où une structure plus dense et par conséquent une augmentation de la résistance.



Pour différentes combinaisons CPA / PZN / FS

4.2.2.2. Résistance à la flexion :

4.2.2.2.1. Effet du couple pouzzolane naturelle / calcaire :

L’évolution de la résistance à la flexion des mortiers confectionnés selon les différentes combinaisons CPA / PZN / FC est présentée à la figure (4.12). Au jeune âge (2 et 7 jours), l’incorporation du calcaire à des taux (10 – 20%) réduit nettement la résistance à la flexion des mortiers contenant la pouzzolane naturelle. A 28 jours, cette résistance s’améliore et la combinaison (80% CPA/10% PZN/ 10% FC ) fait preuve de satisfaction. A long terme (90 jours), les mortiers à base de 10% de calcaire et (10 à 20%) de pouzzolane développent des résistances à la flexion comparables à celle du mortier contrôle sans toutefois la dépasser et la combinaison (80% CPA/10% PZN/ 10% FC ) semble la plus efficace.

0 10 20 30 400

5

10

15

20

02 jours

Rés

ista

nce

à la

com

pres

sion

(M

Pa)


0% FS 5% FS10% FS

0 10 20 30 400

5

10

15

20

25

30

35

40

07 jours

Rés

ista

nce

à la

com

pres

sion

(MP

a)


0% FS 5% FS10% FS

0

10

20

30

40

50

6028 jours

403020100

Rés

ista

nce

à la

com

pres

sion

(MP

a)


0 % FS 5 % FS 10 % FS

0

10

20

30

40

50

60

70 90 jours

403020100

Rés

ista

nce

à la

com

pres

sion

(MP

a)


0 % FS 5 % FS 10 % FS


Figure 4-12: Evolution de la résistance à la flexion

Pour différentes combinaisons CPA / PZN / FC

4.2.2.2.2. Effet du couple pouzzolane naturelle/fumée de silice :

La figure (4.13) illustre l’évolution de la résistance à la flexion des mortiers confectionnés selon les combinaisons CPA/PZN/FS. Au jeune âge (2 et 7 jours) la résistance à la flexion des mortiers contenant uniquement de la fumée de silice à des taux de 5 et 10% qui était presque similaire à celle du mortier contrôle, se trouve atténuée grâce à l’incorporation de la pouzzolane avec un taux allant de 10 à 40%. A 28 jours, cette résistance s’améliore surtout pour les mortiers contenant (10 à 30%) de pouzzolane et la combinaison (70% CPA/20% PZN/ 10%FS) semble la plus satisfaisante. A long terme (90 jours) les mortiers à base de (10 à 30%) de pouzzolane et 10% de fumée de silice développent des résistances à la flexion performantes mais restent en tout cas inférieures à celle du mortier contrôle et la combinaison qui semble la plus efficace est celle qui combine (80% CPA/ 10% PZN/ 10%FS).

0 10 20 30 400

1

2

3

4

5

02 jours

Rés

ista

nce

à la

flex

ion

(MP

a)


0% FC 10% FC 20% FC

0 10 20 30 400

2

4

6

8

1007 jours

Rés

ista

nce

à la

flex

ion

(MP

a)


0% FC 10% FC 20% FC

1 2 3 4 5

0

2

4

6

8

10

12 90 jours

403020100

0 % FC 10 % FC 20 % FC

Rés

ista

nce

à la

flex

ion

(MP

a)

Pourcentage de la PZN (%)0

2

4

6

8

10

1228 jours

403020100

Rés

ista

nce

à la

flex

ion

(MP

a)


0 % FC 10 % FC 20 % FC


Figure 4-13: Evolution de la résistance à la flexion

Pour différentes combinaisons CPA /PZN / FS

4.2.2.3. Comparaison entre les différents couples :

Les combinaisons qui semblent donner les meilleures résistances mécaniques pour les couples PZN / FC sont :

- 10% de pouzzolane naturelle et 10% de calcaire. - 10% de pouzzolane naturelle et 20% de calcaire.

Et pour les couples PZN / FS sont :

- 10% de pouzzolane naturelle et 5% de fumée de silice.

- 20% de pouzzolane naturelle et 10% de fumée de silice.

0 10 20 30 400123456789

10111213141516 02 jours

Rés

ista

nce

à la

flex

ion

(MP

a)


0% FS 5% FS 10% FS

0 10 20 30 400

2

4

6

8

10

12

14

16 07 jours

Rés

ista

nce

à la

flex

ion

(MP

a)


0% FS 5% FS 10% FS

1 2 3 4 5

0

2

4

6

8

1 0

1 2

1 4

1 62 8 jo u rs

4 03 02 01 00

Rés

ista

nce

à la

flex

ion

(MP

a)

P o u rc e n ta g e d e la P Z N (% )

0 % F S 5 % F S 1 0 % F S

1 2 3 4 5

0

2

4

6

8

1 0

1 2

1 4

1 6

9 0 jo u rs

4 03 02 01 00

Rés

ista

nce

à la

flex

ion

(MP

a)

P o u r c e n ta g e d e la P Z N (% )

0 % F S 5 % F S 1 0 % F S


4.2.2.4. Corrélation entre la résistance à la compression et la résistance à la flexion :

Plusieurs formules empiriques reliant la résistance à la compression et celle à la flexion ont été proposées dans la littérature, la plupart ayant la forme suivante:

Rf = k.Rac (4.1)

Avec Rf : Résistance à la flexion.

Rc : Résistance à la compression.

k et a des coefficients.

Dans notre étude, la corrélation entre la résistance à la compression et la résistance à la flexion pour les différents mortiers est régie par les relations suivantes :

- Mortiers aux ciments binaires : Rf = 0.61 Rc0.73 (4.2)

- Mortiers aux ciments ternaires :

Couplage CPA/PZN/FC : Rf = 0.48 Rc0.73 (4.3)

Couplage CPA/PZN/FS : Rf = 0.55 Rc0.63

(4.4)

4.3. Essais de durabilité :

En se basant sur les résultats des essais mécaniques, les mortiers confectionnés selon les combinaisons donnant des valeurs optimales de résistance mécanique à l’âge de 28 jours, ont été optés pour les essais de durabilité. Ces mortiers sont désignés comme suit :

� Mortiers aux ciments binaires : MCPA: 100% CPA + 0% ajout (mortier contrôle).

MFC10 : 90% CPA + 10% calcaire.

MPZ30 : 70% CPA + 30% pouzzolane naturelle.

MFS10 : 90% CPA + 10% fumée de silice.

� Mortiers aux ciments ternaires : MPZ10 FC10 : 80% CPA + 10% pouzzolane naturelle + 10 % calcaire.

MPZ10 FC20 : 70% CPA + 10% pouzzolane naturelle + 20% calcaire.

MPZ10 FS5 : 85% CPA + 10% pouzzolane naturelle +5% fumée de silice.

MPZ20 FS10 : 70% CPA + 20% pouzzolane naturelle + 10% fumée de silice


4.3.1 Essai d’absorption capillaire (sorptivité) : La figure (4.14) présente l’influence des ajouts minéraux sur l’absorption d’eau des mortiers aux ciments binaires à l’âge de 28 et 90 jours. On remarque : que l’incorporation de la pouzzolane et le la fumée de silice à des taux de 30% et 10% respectivement au ciment CPA est très avantageuse puis qu’elle permet une réduction importante d’absorption capillaire. Dans ce cas, les pores dans la pâte durcie et les interfaces entre cette dernière et les agrégats sont remplis par ces ajouts et les pores capillaires sont réduits, par contre l’incorporation de 10% de calcaire au ciment a un effet négligeable sur la sorptivité.

L’efficacité de ces ajouts par rapport au mortier contrôle à 28 et 90 jours est présentée à la figure (4.15). On remarque que la réduction de l’absorption causée par les ajouts augmente à l’âge de 90 jours. En effet elle passe de (52, 35% à 54, 82%) pour 30% de PZN, de (32, 20% à 48,80%) pour 10% de FS et de (4.33% à 12.65%) pour 10% de calcaire et cela de 28 à 90 jours. Y.Senhadji dans son étude a confirmé que l'incorporation de 30% de pouzzolane et 30% de fines calcaires diminuent l'absorption d'eau des mortiers de 36% et 49% respectivement et cela à 90 jours [55]. Cette augmentation de réduction d’absorption à 90 jours peut être attribuée au développement de la réaction pouzzolanique des ajouts dans le temps.

0

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

Sor

ptiv

ité (c

m/s

0.5 )x

10-3

28 jours

MCPAMFC10

MPZ30

MFS10

00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

MCPAMFC10

MPZ30

MFS10

Sor

ptiv

ité (c

m/s

0.5 )x

10-3

90 jours

Figure4-14: Effet des ajouts minéraux sur l'absorption

des mortiers à 28 et 90 jours


Figure 4-15: Efficacité des ajouts minéraux sur l'absorption


La figure (4.16) présente l’influence des ajouts minéraux sur l’absorption d’eau des mortiers aux ciments ternaires à l’âge de 28 et 90 jours. On remarque que l’incorporation du couple (pouzzolane / fumée de silice) est très efficace comparativement au couple (pouzzolane / calcaire) à court et à long terme.

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

Sor

ptiv

ité (c

m/s

0.5 )x

10-3

90 jours

MCPA MPZ10FC10

MPZ10FC20 MPZ10FS5

MPZ20FS10

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

MCPA MPZ10FC10

MPZ10FC20

MPZ10FS5

MPZ20FS10

Sor

ptiv

ité (

cm/s

0.5 )x

10-3

28 jours

Figure 4-16: Effet des ajouts minéraux sur l'absorption des mortiers à 28 et 90 jours

0

0

20

40

60

80

100

120

140

67.80

47.65

95.67

Mortier controle

Sor

ptiv

ité re

lativ

e (%

)

28 jours

MFC10 MPZ30

MFS10

0

20

40

60

80

100

120

140 MFC10

MPZ30

MFS10

51.2045.18

87.35

Mortier controle

Sor

ptiv

ité re

lativ

e (%

)

90 jours


La figure(4.17) illustre l’efficacité des couples des ajouts sur l’absorption d’eau par rapport au mortier contrôle à 28 et 90 jours.On remarque qu’à long terme (90 jours) l’absorption d’eau est influencée positivement par la présence des ajouts minéraux puisqu’elle est atténuée par rapport à son taux de 28 jours.En effet le couple (10%PZN / 10 à 20% FC) qui provoquait une diminution d’absorption de (12.27% à 18.05%) à 28 jours continue à la diminuer à 90 jours avec un taux variant de (16.87% à 24.09%).La même constatation est attribuée au couple (10 à 20% PZN / 5 à 10% FS) puisqu’il fait augmenter la diminution de l’absorption de (28.88% - 36.82%) à 28 jours à (36.82% - 40.96%) à 90 jours. L'étude de S.Mansour sur l'absorptivité des bétons montre que l'incorporation de la combinaison (20% PZN/ 10%FC) réduit la sorptivité de 31% et la combinaison (20% PZN / 10% FS) la réduit de 38%[56]. Ces résultats témoignent clairement que l’incorporation de 20% PZN et 10% FS au ciment CPA améliore considérablement l’absorption d’eau des mortiers confectionnés selon cette combinaison à court et à long terme.

Figure4-17: Efficacité des ajouts minéraux sur l'absorption


0

20

40

60

80

100

120

140

63.1871.12

81.9587.73

Mortier controle

Sor

ptiv

ité re

lativ

e (%

)

28 jours

MPZ10FC10

MPZ10FC20

MPZ10FS5

MPZ20FS10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140 MPZ10FC10

MPZ10FC20

MPZ10FS5

MPZ20FS10

59.0467.47

75.9183.13

Mortier controle

Sor

ptiv

ité re

lativ

e (%

)

90 jours


4.3.2. Attaque par les acides :

4.3.2.1. Attaque avec 5% d’acide sulfurique :

La figure (4.18) montre l’évolution de la perte de masse des mortiers aux ciments binaires et ternaires immergés dans 5% H2SO4 de 1 à 56 jours.On constate une perte permanente de masse concernant ces mortiers au cours du temps dans la solution d’acide sulfurique.

- Pour les mortiers aux ciments binaires :

Après 24 heures d’immersion, les mortiers avec (10%FC) et (10% FS) présentent une résistance faible contrairement au mortier avec (30% PZN) qui montre une aptitude de résistance provoquant une réduction de perte de masse de 3.92% par rapport au mortier contrôle (100% CPA).A partir de 7 jours et jusqu’à 56 jours, les mortiers avec (10%FC) et (30% PZN) augmentent leur aptitude à résister à l’attaque par l’acide sulfurique. Les réductions de la perte en masse de ces mortiers à 56 jours d’attaque par rapport au mortier contrôle sont respectivement 21% et 21.50%. S.Mansour dans son étude a montré que l'incorporation de30%de pouzzolane ,15% de calcaire et 10% de fumée de silice réduisent respectivement les pertes de masse de 16% , de 35% et de 26% par rapport au mortier contrôle dans la solution de 1% HCl à 180 jours [56] .Yamato et al [81] ont trouvé que l'incorporation de 10% de fumée de silice provoque une réduction de perte de masse de 50% par rapport au béton témoin dans une solution de 2% HCl à 200 jours .

- Pour les mortiers aux ciments ternaires :

Après 24 heures d’attaque, les seuls mortiers qui montrent une résistance sont bien les mortiers avec (20% PZN / 10% FS) et (10% PZN / 20% FC) dont les réductions de perte de masse sont de 32% et de 55% respectivement par rapport au mortier contrôle.Aux échéances de: 7 – 21 – 35 et 56 jours le mortier avec (10% PZN / 20% FC) présente une résistance continue dans le temps et permet une réduction de perte de masse évaluée à 50.16% par rapport au mortier contrôle .L'incorporation de (20% PZN / 10% FC) et (20%PZN / 10% FS) réduisent respectivement les pertes de masse de 6.3% et de 26.5% par rapport au mortier contrôle dans la solution de 1% HCl à 180 jours [56] .


1 2 3 4 50

2

4

6

8

10

12

14

1 j 7 j 21 j 35 j 56 j

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te d

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(%)

Période d'immersion des mortiers aux ciments binair es (jours)

MCPA MFC10

MPZ30

MFS10

1 2 3 4 50

2

4

6

8

10

12

1 j 7 j 21 j 35 j 56 j

Per

te d

e m

asse

(%)

Période d'immersion des mortiers aux ciments ternai res (jours)

MCPA MPZ10FC10

MPZ10FC20

MPZ10FS5

MPZ20FS10

Figure 4.18: Variation de la perte de masse des mortiers en fonction de la période d'immersion

dans 5 % H2SO4


4.3.2.2. Attaque avec 3% d’acide sulfurique (3% H2SO4) :

Les variations de la perte de masse des mortiers aux ciments binaires et ternaires immergés dans la solution 3% d’acide sulfurique de 1 à 56 jours sont présentés à la figure (4.19). Pour les mortiers aux ciments binaires :

Après 24 heures d’immersion dans la solution de 3% d’acide sulfurique les mortiers avec ajouts montrent une résistance par rapport au mortier témoin.

Cette résistance est plus apparente pour le mortier contenant 30% de PZN à tous les ages car il permet une réduction de perte de masse de 65 % après un jour d'immersion et de 33 % après 56 jours et cela par rapport au mortier témoin .

L'incorporation de 30% de pouzzolane ,15%de calcaire et 10% de fumée de silice réduisent respectivement les pertes de masse de 75% , de 24% et de 40% par rapport au mortier contrôle dans la solution de 3% H2 SO4 à 180 jours [56].

Pour les mortiers aux ciments ternaires :

Les mortiers avec ajouts développent une résistance avec des taux différents de perte de masse évaluée à 5 % pour le mortier avec (20% PZN / 10% FS), à 10 % pour le mortier avec (10% PZN / 5% FS) et à 45 % pour le mortier avec (10% PZN / 20 % FC ) par rapport au mortier contrôle et cela après 1 jour d’immersion.

Le mortier avec (10% PZN/ 20% FC) continue à augmenter son aptitude de résister à l'attaque à tous les ages provoquant une réduction de perte de masse de 65 % par rapport au mortier de référence à l’âge de 56 jours.

La même constatation peut être attribuée au mortier avec (10% PZN / 10% FC) mais avec un niveau de résistance réduit car la réduction de perte de masse n’est que de 40% environ par rapport au mortier contrôle.

L'incorporation de (20%PZN / 10% FC) et (20% PZN / 10% FS) ont provoqué respectivement des pertes de masse de 9.6% et de 19.4% par rapport au mortier contrôle dans la solution de 3% H2SO4 à 180 jours [56].


1 2 3 4 50

1

2

3

4

5 MCPA MFC10

MPZ30

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1 j 7 j 21 j 35 j 56 j

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(%)


1 2 3 4 50

1

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3

4

5 MCPA MPZ10FC10

MPZ10FC20

MPZ10FS5

MPZ20FS10

1 j 7 j 21 j 35 j 56 j

Per

te d

e m

asse

(%)


Figure 4-19: Variation de la perte de masse des mortiers en fonction de la période d'immersion dans 3 % H2SO4


4.3.2.3. Attaque avec 5% d’acide nitrique (5% HNO3) :

La figure (4.20) illustre la variation de la perte de masse des mortiers aux ciments binaires et ternaires immergés dans la solution 5% d’acide nitrique aux échéances: 1- 7- 21- 35 et 56 jours.


Les mortiers avec (10% FS) et (10% FC) présentent une résistance à l’agression chimique causée par la solution de 5% d’acide nitrique après 24 heures d’immersion.

Cette résistance se traduit par une réduction de perte de masse de 40 % et de 31 % par rapport au mortier de référence MCPA pour les mortiers avec (10%FS) et (10% FC) respectivement.

A 56 jours, ces 2 mortiers continuent toujours à résister à l’attaque chimique et développent une réduction de perte de masse de 26 % pour le mortier avec (10% FS) et de 19 % pour le mortier avec (10% FC)

Il est à noter que la résistance du mortier avec (30% PZN) reste négligeable à l’attaque par l’acide nitrique.


Après 24 heures d’immersion dans la solution 5% d’acide nitrique, la résistance des mortiers avec (10% PZN / 5 % FS) et avec (20% PZN / 10 % FS) est marquée par un taux de réduction de perte de masse évalué à 28 % et à 24 % respectivement par rapport au mortier de référence.

Ces 2 mortiers continuent à résister au fil du temps et provoquent une réduction de perte de masse de 16 % pour le mortier avec (10% PZN / 5% FS) et 11 % pour le mortier avec (20% PZN / 10 % FS) à l’âge de 56 jours et cela toujours par rapport au mortier de référence.

Il est à noter que les mortiers avec (10% PZN / 10% FC) et avec (10 % PZN / 20 % FC) développent une résistance négligeable à l’attaque par l’acide nitrique.


1 2 3 4 50

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MFS10

1 j 7 j 21 j 35 j 56 j

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(%)


1 2 3 4 50

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30 MCPA MPZ10FC10

MPZ10FC20

MPZ10FS5

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1 j 7 j 21 j 35 j 56 j

Per

te d

e m

asse

(%)


Figure 4.20: Variation de la perte de masse des mortiers en fonction de la période d'immersion dans 5 % HNO3


4.3.2.4. Attaque avec 3% d’acide nitrique (3% HNO3) :

Les variations de perte de masse des mortiers aux ciments binaires et ternaires immergés dans la solution 3% d'acide nitrique de 1à 56 jours sont présentées à la figure (4. 21)


Après 24 heures d’immersion, le mortier avec (30% PZN) développe une résistance négligeable par contre les mortiers avec (10%FC) et (10% FS) marquent une résistance considérable traduite par une réduction de perte de masse de 20 % et de 42 % respectivement et cela par rapport au mortier contrôle.

Cette aptitude de résister à l’agression chimique se prolonge dans le temps et provoque une réduction de perte de masse évaluée à 15 % pour le mortier avec ( 10% FC ) et à 38 % pour le mortier avec ( 10% FS ) à l’âge de 56 jours.


Les mortiers avec (10% PZN / 10% FC) et (10% PZN/ 20% FC) restent inefficaces à l’attaque par l’acide nitrique puisqu’ils présentent des résistances négligeables par rapport au mortier contrôle de 1 à 56 jours.

Ce qui est tout à fait le contraire pour les mortiers avec ( 10% PZN / 5% FS ) et ( 20% PZN / 10% FS ) qui montrent des résistances appréciables à court et à long terme.

En effet cette constatation se traduit par une réduction de perte de masse de 17 % à 24 heures et de 13 % à 56 jours pour le mortier avec (10% PZN / 5% FS) par rapport au mortier de référence, et de 18%à 24 heures et 10 % à 56jours pour le mortier avec (20% PZN / 10% FS) toujours en comparaison avec le mortier de référence.

4.3.3. Comparaison entre les différentes attaques acides :

4.3.3.1. Entre solution à 5% et 3% d’acide sulfurique :

D’après les résultats cités précédemment, on peut énumérer les constatations suivantes :

- Ce sont les mêmes mortiers aux ciments binaires et ternaires qui présentent une résistance à la solution d’acide sulfurique (5% et 3%) mais à des taux différents.

- La résistance à l’attaque d’acide sulfurique varie proportionnellement avec la concentration de la solution à long terme (56 jours) et inversement proportionnelle au jeune âge (1jour ) pour les mortiers aux ciments binaires.


- La résistance à l’attaque d’acide sulfurique varie proportionnellement avec la concentration de la solution au jeune âge (1jour) et inversement proportionnelle à long terme (56 jours) pour les mortiers aux ciments ternaires.

1 2 3 4 50

2

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14 MCPA MFC10

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1 j 7 j 21 j 35 j 56 j

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1 2 3 4 50

2

4

6

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14 MCPA MPZ10FC10

MPZ10FC20

MPZ10FS5

MPZ20FS10

1 j 7 j 21 j 35 j 56 j

Per

te d

e m

asse

(%)


Figure 4.21: Variation de la perte de masse des mortiers en fonction de la période d'immersion dans 3% HNO3


4.3.3.2. Entre solution à 5% et 3%d’acide nitrique :

- L’augmentation de concentration de la solution d’acide nitrique n’influe pas sur la nature des mortiers binaires et des mortiers ternaires résistants à l’agression chimique.

- La résistance à l’attaque d’acide nitrique varie proportionnellement avec la concentration de la solution pour les mortiers aux ciments binaires et ternaires à court et à long terme.

4.3.3.3. Entre solution d’acide sulfurique (5%) et solution d’acide nitrique (5%) :

- Le mortier avec (10% FC) résiste aux deux solutions et avec presque le même taux de résistance par rapport au mortier contrôle.

- Le mortier avec (10% FS) qui présentait une résistance faible à la solution d’acide sulfurique résiste d’une façon très efficace à la solution d’acide nitrique contrairement au mortier avec (30% PZN).

- Pour les mortiers aux ciments ternaires avec (10% PZN / 20% FC) et (10% PZN / 10% FC) qui présentaient une résistance importante à la solution d’acide sulfurique sont faiblement résistants à la solution d’acide nitrique contrairement aux mortiers avec (10% PZN / 5% FS) et (20% PZN / 10%FS).

4.4. Observations visuelles :

Les observations visuelles des mortiers en contact avec les acides sont un moyen d’évaluation de la détérioration des propriétés et dégradations de l’aspect extérieur des spécimens.

4.4.1. Attaque par l’acide sulfurique (H2SO4) :

Après 56 jours de conservation dans la solution d’acide sulfurique, les échantillons ont un aspect plus ou moins dégradé comparativement aux échantillons conservés en eau douce Fig. (4.22). En effet la surface des mortiers est un peu décapée et recouverte d’une couche blanchâtre plus tapissante (formation gypseuse) et les grains de sable sont un peu déchaussés.

Chapitre IV

Figure 4.22 : Etats d'échantillons après 56 jours d'immersion

à gauche: eau douce à droite : solution d'acide sulfurique

4.4.2. Attaque par l’acide nitrique (HNO

Après 56 jours de conservation dans la solution d’acomparativement aux échantillons conservés en eau douce (Fig. 4.23).La surface des mortiers est très décapée par formation de cavités (alvéoles), ceci peut être du à la grande

solubilité du sel formé (Nitrate de calcium) après réaction de l’acide nitrique avec la portlandite libérée lors de l’hydratation du ciment et à sa grande lixiviation à l’extérieur.La surface est recouverte d’une couche jaunâtre avec coloration rouille qui semble due à la présencecristallisé

Figure 4.23 :Etats d'échantillons après 56 jours d'immersion

à gauche: eau douce à dr

102 Résultats et discussions



4.4.2. Attaque par l’acide nitrique (HNO3) :

Après 56 jours de conservation dans la solution d’acide nitrique, les échantillons ont un aspect dégradé comparativement aux échantillons conservés en eau douce (Fig. 4.23).La surface des mortiers est très décapée par formation de cavités (alvéoles), ceci peut être du à la grande

Nitrate de calcium) après réaction de l’acide nitrique avec la portlandite libérée lors de l’hydratation du ciment et à sa grande lixiviation à l’extérieur.La surface est recouverte d’une couche jaunâtre avec coloration rouille qui semble due à la présence d’hydroxyde de fer mal


à gauche: eau douce à droite : solution d'acide nitrique




cide nitrique, les échantillons ont un aspect dégradé comparativement aux échantillons conservés en eau douce (Fig. 4.23).La surface des mortiers est très

Nitrate de calcium) après réaction de l’acide nitrique avec la portlandite libérée lors de l’hydratation du ciment et à sa grande lixiviation à l’extérieur.La surface est recouverte

d’hydroxyde de fer mal


oite : solution d'acide nitrique

Chapitre IV

4.4.3. Comparaison visuelle entre les deux attaques

La comparaison visuelle des dégradations des mortiers exposés aux attaques de la solution d’acide sulfurique et la solution d’acide nitrique

Tableau 4.1: Comparaison visuel

Figure4.24: états d'échantillons après 56 jours d'immersion

à gauche: solution d'acide sulfurique à droite : solution d'acide nitrique

Solution d’acide sulfurique

- Réduction peu importante du volume de l’échantillon

- Surface blanchâtre - Surface tapissante - Surface peu décapée avec des grains

de sable peu déchaussés


4.4.3. Comparaison visuelle entre les deux attaques :

La comparaison visuelle des dégradations des mortiers exposés aux attaques de la solution d’acide sulfurique et la solution d’acide nitrique est récapitulée au tableau (4.1) et illustrée à la figure (4.24).

Tableau 4.1: Comparaison visuelle des dégradations entre les deux attaques .



Solution d’acide sulfurique Solution d’acide nitrique

Réduction peu importante du volume

Surface peu décapée avec des grains able peu déchaussés

- Réduction très importante du volume de l’échantillon

- Surface jaunâtre à coloration rouille - Surface avec formation de cavités- Surface très décapée avec un

déchaussement important des grains de sable

Résultats et discussions

La comparaison visuelle des dégradations des mortiers exposés aux attaques de la solution d’acide est récapitulée au tableau (4.1) et illustrée à la figure (4.24).

le des dégradations entre les deux attaques .



Solution d’acide nitrique

Réduction très importante du volume de

Surface jaunâtre à coloration rouille Surface avec formation de cavités Surface très décapée avec un déchaussement important des grains de


4.5. Conclusion :

A la lumière de ce qui précède, on remarque que l’incorporation des ajouts minéraux inertes (calcaire) et actifs (Pouzzolane – Fumée de silice) au ciment CPA, contribue d’une façon positive sur les performances mécaniques et la durabilité des mortiers binaires et ternaires confectionnés selon les différentes combinaisons avec ces ajouts. Ils permettent une amélioration de la résistance mécanique des mortiers qui égale ou sur passe celle du mortier contrôle à court et à long terme, réduisent l’absorption capillaire en diminuant la porosité de la pâte de ciment durcie et augmentent la résistivité de ces mortiers envers les attaques des milieux acides sulfuriques et nitriques.

105 Conclusions générales et perspectives

CONCLUSIONS GENERALES ET PERSPECTIVES

Introduction

L’étude entreprise dans ce mémoire, nous indique qu’il est possible d’exploiter les résidus industriels tels que le Laitier d’EL Hadjar, les gisements de ressources naturelles telles que la pouzzolane de Béni -Saf et les différents gisements de calcaire existant en Algérie pour produire les ciments ternaires dans notre pays. Ces derniers présentent des intérêts incontestables du point de vue technique, économique, écologique et du point de vue durabilité envers les différentes attaques chimiques. Cette approche qui consiste à unir divers matériaux cimentaires (ciment Portland artificiel + ajouts) se montre de plus en plus réceptive à la nouvelle façon d’élaborer des bétons et mortiers. Les résultats expérimentaux menés à travers cette étude permettent de dégager les conclusions générales et les perspectives pour des futurs travaux de recherche suivants .

Conclusions générales :

Les résultats obtenus dans cette recherche peuvent mener aux conclusions générales suivantes :

- Bien que la résistance à la compression au jeune âge des mortiers est réduite par l'incorporation de la pouzzolane naturelle, cette dernière s’améliore en fonction du temps et atteint son optimum à long terme. L’incorporation d'un taux de pouzzolane naturelle au CPA s’avère efficace puisque la résistance du mortier devient comparable à celle du mortier témoin.

- L’incorporation de 10% de calcaire au ciment CPA permet au mortier de développer une résistance comparable à celle du mortier témoin au jeune âge, par contre son effet semble négatif à long terme.

- Le taux de (5 – 10%) de fumée de silice a un effet très efficace sur la résistance à la compression des mortiers à court et à long terme. Ce gain de résistance pour un dosage de 10% est marqué par un taux de 32% à l’âge de 90 jours par rapport à la résistance du mortier de référence.

- Les mortiers ternaires élaborés avec les ajouts : pouzzolane / calcaire présentent des résistances comparables à celle du mortier de référence à court et à long terme et le couple [(10 – 30%) pouzzolane / 10% calcaire] semble le plus performant. Cela est du


Aux rôles complémentaires joués par ces deux ajouts à court et à long terme car les effets bénéfiques de l’un permettent de compenser les inconvénients que pourraient présenter l’autre.

- L’incorporation de (10 à 30%) pouzzolane / 10% fumée de silice affecte positivement la résistance à la compression des mortiers ternaires élaborés selon cette combinaison à court et à long terme. La contribution à l’amélioration de la résistance peut être attribuée à la compensation des effets bénéfiques de ces deux ajouts.

- Les taux de 30% de pouzzolane et 10% de fumée de silice affectent positivement l’absorption capillaire des mortiers binaires. Cette affection positive peut être attribuée à l’effet filler de la fumée de silice suite à sa très grande surface spécifique et à la formation des gels C-S-H suite à la réaction pouzzolanique de l’ajout pouzzolane à long terme d’où réduction de la porosité de la pâte cimentaire et par conséquent diminution de l’absorption capillaire. Pour les mortiers ternaires, les résultats trouvés confirment l’apport bénéfique apporté par le couple (20% PZN / 10% FS) sur l’absorption capillaire.

- L’introduction des ajouts minéraux améliore le comportement des matériaux à matrice cimentaire dans les environnements acides, ces derniers contribuent à la densification de la pâte de ciment durcie, à l’amélioration de la zone de transition pâte – granulat et à la consommation de la portlandite et formation des gels C-S-H.

- L’incorporation de 10% de calcaire et de 30% de pouzzolane naturelle au ciment CPA améliore la résistance des mortiers aux attaques d’acide sulfurique quelque soit la concentration. Pour les mortiers ternaires, l’incorporation de (10% PZN / 10 à 20% FC) semble la plus performante.

- La résistance à l’attaque d’acide nitrique quelque soit sa concentration, est améliorée grâce à l’addition de 10% de fumée de silice et 10% de calcaire pour les mortiers binaires et pour les mortiers ternaires le couple (10 – 20% PZN ) / ( 5 – 10 FS) fait preuve de satisfaction.

- D’un point de vue comparatif entre l’attaque d’acide sulfurique et l’attaque d’acide nitrique, les résultats de notre étude, mènent aux constatations suivantes :

� L’incorporation de 10% de calcaire améliore à la fois la résistance aux attaques des deux solutions.


� La fumée de silice avec un taux de 10% et la pouzzolane avec un taux de 30% ont un rôle inverse aux attaques des deux solutions.

� L’incorporation du couple (10% PZN / 10 à 20% FC) améliore la résistance à l’attaque d’acide sulfurique par contre elle l'affaiblit vis -à - vis à l’attaque d’acide nitrique.

� L’efficacité de la résistance du couple (10 à 20% PZN / 5 à 10% FS) à l’attaque d’acide nitrique (HNO3) est affectée négativement vis-à-vis à l’attaque d’acide sulfurique ( H2SO4 ).

Perspectives et recommandations :

A la lumière des conclusions rapportées précédemment, nous recommandons quelques perspectives et axes de recherches suivantes :

- L'influence d’autres types d’ajouts minéraux disponibles en Algérie sur la résistance mécanique et la durabilité des mortiers et bétons.

- Etude de la faisabilité économique de l’utilisation des ciments ternaires dans l’industrie du ciment.

- Contribution des ajouts minéraux aux attaques chimiques (acides et sulfuriques) des ciments ternaires.

- Etude des effets des ajouts minéraux sur le comportement rhéologique des mortiers et bétons. - L’effet des paramètres tels que : cure – rapport E/C – adjuvants - sur la durabilité des mortiers

et bétons. - L’influence des ajouts minéraux sur le comportement rhéologique des mortiers et bétons dans

les milieux chimiques.

108 Références bibliographiques [1] M Venuat – La pratique des ciments, mortiers et bétons – Tome 1 : « Caractéristiques des liants et des bétons, mise en œuvre des coulis et mortiers » - édition2 – Collection Moniteur. – 277p-1989.

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Influence Des Ajouts Mineraux Sur Les Resistances Mecaniques