Influence des additions minérales sur les propriétés à l`état durci des

Influence des additions minérales sur les
propriétés à l’état durci des bétons
ordinaires à base de matériaux locaux
Z. Rahmouni 1, M.Belouadah2, N.Tebbal3
1
Université de M’sila, Algérie, [email protected]
2
Université de M’sila, Algérie, [email protected]
3
Université de M’sila, Algérie, [email protected]
RÉSUMÉ. Le béton est composé d'un mélange de deux constituants essentiels : le granulat
et la pâte. Le granulat se compose de sable et de gravier ou de pierre concassée. La pâte se
compose de liants (ciment portland avec ou sans ajouts cimentaires), d’eau et d’air. La pâte,
agissant comme une colle, durcit et forme une masse qui, du fait de la réaction chimique du
ciment et de l'eau (hydratation), prend la consistance de la roche, pour former ce qu’on
appelle le béton. Les adjuvants et les additions servent à amélioré certaines caractéristiques
du béton frais ou durci. Pour notre cas pratique, nous avons opté pour un ajout cimentaire
bien distinct en l'occurrence la poudre de marbre qui est une matière première locale,
recyclée, disponible, n'est pas chère et facile à broyer
Le but de notre travail est de donner une valeur ajoutée aux poudres minérales (poudre
de marbre) dans des bétons de qualité.
Plusieurs paramètres sont pris en considération dans cette étude, à savoir : L’effet des
fillers. L’effet de l’adjuvant et le rapport E/C, pour aboutir à la confection d’un béton à base
de matériaux locaux caractérisé par une bonne résistance, une porosité minimale et une
durabilité acceptable.
MOTS-CLÉS. Bétons ordinaires, fillers poudre de marbre, adjuvant, porosité, résistance
mécanique.
ABSTRACT. Concrete is composed of a mixture of two essential components: the aggregate
and the dough. The aggregate consists of sand and gravel or crushed stone and mostly
mineral additives. The paste consists of binders (Portland cement with or without SCMs),
water and air. The paste, acting as a glue, hardens and forms a mass which, because of the
chemical reaction of cement and water (hydration), takes on the consistency of the rock to
form the so-called concrete. For our case study, we opted for a supplementary cementing
material distinct in this case the marble powder, which is a local raw material, recycled,
available, is inexpensive and easy to grind. The aim of our work is to give value to mineral
powders (powdered marble) in quality concrete. This approach is based on the material
properties and its effect on the properties of hardened concrete strength porosity, several
parameters are considered, namely: The effect of filler, the effect of adjuvant and w/C,
leading to the production of concrete local materials characterized by good strength, porosity
and minimum acceptable durability.
KEYS WORDS. Ordinary concretes, marble powder fillers, adjuvant, Strength, porosity,
durability.
XXXe Rencontres AUGC-IBPSA
1.
Chambéry, Savoie, 6 au 8 juin 2012
2
Introduction
La formulation des bétons qui, pendant très longtemps, a reposé sur une simple
association ternaire ciment, eau et granulats, s’est progressivement compliquée au
point qu’un béton actuel comporte de façon courante cinq constituants: ciment, eau,
granulats, additions minérales et adjuvants. Cet accroissement du nombre de
constituants est, d’un point de vue pratique, très avantageux car il conduit,
généralement, à l’amélioration très significative des performances mécaniques,
physiques et durabilités des bétons.
L’incorporation des additions minérales est maintenant une technique importante
en améliorant les propriétés du béton telle que la fluidité, la résistance, la durabilité,
etc. ces additions minérales affectent de manière significative la rhéologie des
matériaux cimentaires à l’état frais, qui est directement relié avec le développement
de la résistance, la durabilité des matériaux durcis. Néanmoins, pour profiter
pleinement de ces avantages et ainsi choisir la meilleure solution permettant
d’optimiser la formulation, il est nécessaire de connaître les caractéristiques de ces
nouveaux composants (additions minérales et adjuvants) et leurs actions sur les
propriétés des bétons.
Cette partie est consacrée à la formulation, du béton témoin (sans poudre de
marbre) et autres bétons à base de différents dosages en poudre de marbre, et la
caractérisation des bétons que se soit à l'état frais ou durci. Tous les bétons sont
formulés sans utilisation d'adjuvant.
Cette étude s’inscrit dans cette optique et porte sur l’influence du taux de
substitution et de la nature des additions minérales sur la porosité, les résistances
mécaniques des bétons à l’état durci à différentes échéances. L'addition minérale
utilisée est la poudre de marbre naturelle qui se trouve en quantités considérables
dans l'ouest algérien et qu'il faut nécessairement valoriser. Pour cela nous avons
confectionné trois bétons à base de marbre (5, 7.5 et 10 %).
Les résultats obtenus seront exploités pour proposer des abaques et des
méthodes de mise en œuvre pour l’utilisation des matériaux locaux en tenant compte
de l’environnement local.
2.
Matériaux utilisés
2.1. Ciment
Le ciment utilisé pour la confection des bétons est un CPJ CEM II 42.5. Il a une
surface spécifique Blaine de 4120 cm²/g et une densité de 3,1 g/cm3. Les
compositions chimique et minéralogique du ciment sont données aux tableaux 1et 2.
3
Influence des additions minérales sur les propriétés des bétons à l’état durci
Tableau 1. La composition chimique du CPJ42, 5
Oxyde
SiO2
Al2O3
CaO
Fe2O3
MgO
SO3
Na2O
Teneur (%)
20.7
4.75
62.9
3.75
1.90
1.98
0.90
Tableau 2. Les caractéristiques minéralogiques du ciment CPJ 42.5
C3S
C2S
C3A
C4AF
Eléments
3CaOSiO2
2CaOSiO2
3CaAl2O3
4CaOAl2O3Fe2O3
Teneur%
59
14
6
100
2.2. Les granulats
Le sable utilisé est un sable d’origine éolienne provenant de l’oued (Maîtar) près
de la ville de Boussaâda.
Les graviers utilisés pour le béton, sont obtenus par concassage des roches de la
carrière COSIDER située à 25 km de M’sila en allant vers B.B.A.
La réparation granulaire des granulats, établie selon la norme NF P18-560, est
présentée par des courbes de la figure1.
Les propriétés physiques du granulat utilisé sont regroupées dans le tableau 3
Tableau 3. Les caractéristiques des granulats
Caractéristiques
Masse volumique
apparente
Masse volumique
absolue
d/D
Module de finesse
Equivalent de sable
Unité
Kg /m3
Sable
1.61
Gravillon
1.29
Gravier
1.36
Kg /m3
2.5
2.53
2.5
0/5
2.2
74.53
3/8
-
8/15
-
%
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Figure 1. La courbe granulométrique
2.3. Le super plastifiant
Le MEDAFLOW RE25 est un super plastifiant haut réducteur d’eau, il est conçu
à base de polymère de synthèse et son utilisation dans le béton permet l’obtention
d’un rapport E/C très bas. Ses caractéristiques sont regroupées dans le Tableau 4
Tableau 4. Caractéristique du super plastifiant MEDAFLOW RE 25
Forme
Couleur
liquide
ocre clair
PH
7
Densité
1.06±0.01
Teneur en
Extrait
chlore
sec
< 1g/l
25%
2.4. Les fillers
Les caractéristiques physiques et chimiques de la poudre de marbre utilisée sont
représentées dans les tableaux 5 et 6.
Tableau 5. Les caractéristiques physiques du marbre
Caractéristique
Poudre <80µm
Nature
pétrographique
structure
Calcaire
microcristallin
Microcristalline
couleur
blanche
Mv
kg/m3
650
Surface
spécifique
cm2/g
3448
5
Influence des additions minérales sur les propriétés des bétons à l’état durci
Tableau 6. La composition chimique de la Poudre de marbre
Oxyde
SiO2
Ca0
MgO
Fe2O3
Al2O3
Na2O3
K2O
So3
1.47
55.3
0.01
0.14
0.35
0.12
0.04
0.01
Perte
au feu
42.56
2.5. L’eau de gâchage
L’eau de gâchage utilisé est une eau de robinet.
3.
Étude expérimentale
La méthode utilisée pour la formulation des bétons est celle de DREUX.
Nous avons opté à une substitution d'une partie de ciment par une autre de
poudre de marbre selon les dosages suivants :
• Béton témoin (sans poudre du marbre)
•
Béton à 5% de la poudre de marbre _ 80µm
•
Béton à 7.5% de la poudre de marbre _ 80µm
•
Béton à 10% de la poudre de marbre _ 80µm
Tableau 7. Composition du béton avec adjuvant, et du béton avec ajout
Fluidité
Composition du béton
E/C
Béton
Ciment
kg/m3
Eau
kg/m3
Sable
kg/m3
G 3/8
kg/m3
BT
357.5
215.36
651.83
142.63
968.94
0.6
0BF5%
339.62
215.36
651.83
142.63
968.94
0.591
0BF7.5%
321.75
215.36
651.83
142.63
968.94
0.600
0BF10%
339.62
215.36
651.83
142.63
968.94
0.607
2%BF5%
339.62
215.36
651.83
142.63
968.94
0.49
2%BF7.5%
321.75
215.36
651.83
142.63
968.94
0.5
2%BF10%
321.75
215.36
651.83
142.63
968.94
0.47
G 8/16
kg/m3
-
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3.1. Performance mécanique
Des éprouvettes 10x10x10 cm3 sont conservées dans l'eau à une température de
20 à 23°C jusqu'à 28 jours.
Des essais d’écrasement ont été réalisés aux âges (7, 28 et 90j. La résistance est
calculée selon la formule :
Rc = Fc / S
[1]
3.2. Performances de durabilité
La porosité est un facteur qui influence plusieurs caractéristiques de matériaux à
base de ciment. Elle régit notamment la résistance et la perméabilité, facteurs
primordiaux dans l’évaluation de la durabilité. L’objectif est de déterminer le
pourcentage du volume des pores internes sur l’interconnexion des pores. La
méthode utilisée est celle de la norme (ASTMC642). Son avantage réside dans sa
simplicité et le peu de moyens nécessaires à son utilisation.
4.
Discutions des résultats
4.1. La fluidité en fonction de type de béton
Les résultats de la variation de type du béton en fonction du rapport E/C sont
illustrés graphiquement sur la figure 2. On remarque que le rapport E/C des bétons
de fillers est presque stable dans les trois types de béton avec de poudre de marbre
par rapport au béton témoin.
Le rapport E/C diminue en fonction de pourcentage de l’adjuvant utilisé.
Figure 2. La fluidité du béton adjuvanté à 2% avec de poudre de marbre.
4.2. La résistance à la compression
A partir des résultats obtenus, on remarque une grande perturbation dans la
Influence des additions minérales sur les propriétés des bétons à l’état durci
7
résistance [une augmentation de la résistance à la compression pour le 0BF7.5% et
une diminution de résistance pour le 0BF10%]. Cette variation se stabilise et devient
presque la même pour tout les bétons à partir de 14ème jours. On remarque aussi que
le 0BF10 n’atteint pas la résistance souhaitée. Dans les 7 premiers jours la résistance
à la compression atteint presque 70% de la résistance a 28 jours du béton témoin.
Le résultat obtenu indique que la formulation (2%BF7.5%) donne la meilleure
résistance à la compression, alors que la formulation (0BF5%) donne une résistance
plus forte que les bétons avec des pourcentages de 7.5% et 10%.
Le béton avec (2%BF5%) se stabilise mieux que les formulations (2%BF7.5%)
et (2%BF10%).
Les trois types de béton atteignent une résistance plus élevée par rapport au
béton témoin.
L’adjuvant utilisé est un accélérateur de durcissement où la résistance à 28 jours
du béton (témoin) peut être atteinte dès la première semaine, ce qui permet
pratiquement de faire un décoffrage précoce, c’est un avantage très importe de cet
adjuvant.
Figure 3. L’effet du filler sur la résistance mécanique du béton adjuvanté à 2%.
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4.3. L’essai de la porosité
Figure 4a. L’effet de la porosité en fonction de l’âge du béton non adjuvanté.
Figure 4b. L’effet de la porosité en fonction de l’âge du béton adjuvanté.
Les résultats présentés sur les figures 4a et 4b, montrent la variation de la
porosité en fonction de temps (paramètre dosage en marbre). On remarque que la
porosité du BT et les bétons de fillers de marbre diminue en fonction de l’âge. Par
exemple La porosité du BT à diminuer de 47.74% à 28j par rapport à 14j, alors que
la porosité du 0BF5% à diminuer de 43.37% à 28j par rapport à 14j.
- La porosité du 0BF7.5% diminue de 26.45% à 28j par rapport à 14j.
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- La porosité du 0BF10% diminue de 24.23% à 28j par rapport à 14j.
La figure 4b montre aussi que, la porosité de 2%d’adjuvant avec 5% de filler de
marbre diminue de 47.65% à 28j par rapport à 14j. Alors que pour le 2%BF7.5%
on remarque une diminution de porosité de 53.67 à 28j par rapport à 14j. La
porosité de 2%BF10% diminue de 41.52% à 28j. Dans le béton avec adjuvant la
diminution de la porosité est remarquable dans tous les types de béton.
5.
Conclusion
Les résultats obtenus dans cette étude nous ont permis d’aboutir aux
conclusions suivantes :
•
On peut dire que la porosité diminue en fonction de l’augmentation du
pourcentage de fillers et diminue aussi en fonction de l’augmentation du
pourcentage d’adjuvant (super-plastifiant) qui ne dépasse pas 4% de la
masse de ciment.
•
La formulation (0BF5%) donne un béton de bonne résistance que les autres
formulations qui subisse une augmentation puis une diminution de
résistance avant de se stabiliser à la résistance souhaitée.
•
La résistance du béton à la traction par flexion de la formulation (0BF10%)
est plus faible par rapport aux autres formulations.
•
L’adjuvant utilisé réduit la porosité du béton, cette réduction est engendrée
par une augmentation de la résistance.
•
L’utilisation de filler de marbre et de l’adjuvant réduit la quantité de l’eau
de gâchage et améliore l’ouvrabilité du béton.
6. Référence bibliographique
[BAR 99] Baron J. et J.P. Olivier " les bétons : bases et données pour leur formulations
Edition, Eyrolles- Paris - 1999.
[BAR 92] Jacques BARON, Jean-Pierre OLLIVIER, « Introduction à la durabilité du béton
», la durabilité des bétons, Presses de l’école nationale des Ponts et chaussées, ISBN 285978-184-6 Paris 1992.
[DUV 92] R. Duval «La durabilité des bétons vis –à vis des eaux agressives »-La durabilité
Des bétons, Presse de l’école nationale de ponts chaussés, 1992, ISBN/2-86978
[GEO 92] George DREUX, Jean FESTA, « Nouveau guide du béton et ses constituants »,
Edition Eyrolles, Huitième édition, ISNB 2-212-10231-3. 186- 6, Paris 1992.
XXXe Rencontres AUGC-IBPSA
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[TAR 03] S. Targan, A. Olgun, Y. Erdogan and V. Sevinc «Influence on natural pozzolan,
colematite ore waste, bottom ash and fly ash on the properties of Portland cement "
Cement and Concrete Research, Vol 33, pp 1175 – 1182 – 2003.
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