Comportement rhéologique et mécanique des mortiers a

8ème séminaire technique de Lafarge
13 - 14 Décembre 2011 - Mercure, Alger
COMPORTEMENT RHEOLOGIQUE ET MECANIQUE DES MORTIERS A BASE
D’AJOUTS CIMENTAIRES
M .N.OUDJIT 1, M. OULD AHMED1, A.BELLAL2 & K. ARROUDJ1
1- Laboratoire Bâtis dans l’Environnement (LBE), Faculté de Génie Civil, U.S.T.H.B
2- Centre des Etudes Technologiques de l’Industrie des Matériaux de construction (CETIM). Boumerdes
[email protected], [email protected]
Résumé:
Les recherches actuelles visent la production des éco-bétons afin de parvenir au développement
durable. Ces bétons répondent aux doubles exigences économiques et écologiques tout en
assurant une meilleure durabilité. La modification de la matrice cimentaire, par incorporation des
ajouts cimentaires, permet d’améliorer la microstructure des bétons et par conséquent, améliorer
la compacité et les performances de ces bétons.
Un béton durable est un béton compact (présentant une faible porosité ouverte) dont les
constituants de qualité ont été bien choisis conformément aux normes.
Cet article a pour but d’étudier l’effet du laitier de haut fourneaux (issu du complexe sidérurgique
d’El Hadjar) et de la pouzzolanique naturelle de Béni-Saf sur les propriétés rhéologiques et
mécaniques des mortiers.
Il a été constaté que le mortier à base de laitier présente un bon comportement rhéologique et
mécanique que celui à base de pouzzolane. La structure vitreuse des particules du laitier et sa
faible finesse comparativement à celle de la pouzzolane ont permis de réduire considérablement
le besoin en eau ainsi que la chaleur d’hydratation tout en améliorant les résistances mécaniques.
Une résistance mécanique élevée (de l’ordre de 70MPa) par ajout de 25% de laitier, sous forme
de substitution au ciment, a été atteinte.
A l’inverse du laitier, la pouzzolane n’a pas présenté un effet bénéfique en terme de résistance
mécanique. Ceci est dû, non seulement à sa structure cristalline mais aussi à sa composition
chimique.
Mots clés :
Besoin en eau, Laitier des hauts fourneaux, Pouzzolane naturelle, Réactivité
pouzzolanique, Résistance mécanique, Structure minéralogique.
Introduction
Faire parvenir au développement durable dans le génie civil est le but visé par plusieurs
recherches de par le monde. Une tonne de ciment produite génère une émission de l’ordre de 0,9
tonne de CO2. [1, 2] .L’une des façons de réduire cette émission et la consommation d’énergie
pour l’industrie du ciment est d’introduire des ajouts cimentaires par substitution. Ces ajouts sont
généralement des déchets industriels ou gisements naturels présentant un caractère
pouzzolanique. Ils permettent de densifier la matrice cimentaire par fixation de la portlandite
libérée lors de l’hydratation du ciment. Par conséquent aboutir à des bétons durables économiques
et écologiques [3,4]
La composition chimique du laitier des hauts fourneaux (voisine à celle du ciment) et son mode
d’obtention, lui permet de posséder un caractère pouzzolanique hydraulique latent. Ce qui
augmente ces performances et le rend plus intéressant comme ajout cimentaire [5,6]
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13 - 14 Décembre 2011 - Mercure, Alger
La demande sans cesse de ciment, en Algérie, nous a motivé à analyser l’effet du laitier sur le
comportement rhéologique et mécanique des mortiers normalisés.
De ce fait une étude comparative a été établie entre des mortiers à base de laitier de hauts
fourneaux et d’autres à base de la pouzzolane naturelle.
Caractéristiques et identification des matériaux utilisés
Les matériaux utilisés dans cette étude sont d’origine locale, à savoir :
 Ciment CRS CEM I 42.5 de densité 3,15 et de finesse 3653 cm 2 /g , produit par LafargeAlgérie.
 Laitier de Haut fourneau d’El-Hadjar (LHF) d’une densité de 2,97 et broyé à une finesse de
5000 cm 2 /g.
 Pouzzolane naturelle du gisement de Bouhamidi « Beni Saf » (PZ) d’une densité de 2,83 et
broyée à une finesse de 6000 cm 2 /g.
 Sable normalisé conforme aux normes EN 196-1, ISO 679 et ISO 9002.
 Un superplastifiant MEDAPLAST SP 40 à base de Poly naphtalène Sulfonate « PNS » produit
par GRANITEX (Algérie). Il présente un pH = 1,8 et un extrait sec de 40%.
Les compositions chimiques et minéralogiques des matériaux utilisés sont résumées dans les
tableaux suivants (1 et 2).
Tableau 1 : Composition chimique des poudres anhydres.
Elément
Ciment « C »
Laitier « LHF »
Pouzzolane
« PZ »
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3
20,31 3,81
4,79 62,81 2,29 2 ,28
37,11 7,58
2,57 39,79 5,68 1,96
47,45 16,39 10,14 9,45 4,94 0,02
Na2O
0,14
0,18
CaO
«l»
0,608
/
K2O
0,41
0,63
4,00
/
1,98
Ins
ClP.F
1,60 0,015 2,910
/
0,007 4,22
/
/
2,59
Comparativement au laitier, la pouzzolane naturelle présente des taux de silice et d’alumine plus
élevés. De plus, la quantité remarquable des alcalins (6% en Na2O + K2O) pourra éventuellement
conduire à la détérioration du béton selon le phénomène d’alcali-silice. Ce phénomène résulte de
l’action des alcalins solubles sur une certaine forme de silice réactive en présence d’eau.
Tableau 2 : Composition minéralogique du ciment (Bogue)
Elément
C4AF C3A C3S βC2S
% pondéral
15
2
60
13
Le ciment utilisé est un ciment à forte teneur en Alite « ciment Alitique », c’est un ciment à hautes
résistances initiales. Sa teneur en C3A est faible, ce qui permet de réduire le dégagement de
chaleur lors de son hydratation et le rendre plus résistant aux agents agressifs.
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Figure 1 : Diffractogramme X du ciment utilisé
Figure 2 : Diffractogramme X du Laitier
L’analyse par diffraction aux rayons X du laitier et de la pouzzolane, figures 1 et 2, montre que le
laitier présente une structure amorphe (traduite par la présence du halo correspondant à la
Méllilite). La pouzzolane, quant à elle, présente une structure semi cristallisée traduite par la
présence des pics de l’Abradorite, l’Hématite et la Diopside. Ces résultats sont en accord avec
ceux constatés par analyses au MEB. Les particules de la pouzzolane présentent une forme
angulaire les rendant moins maniables.
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Figure 3 : Diffractogramme X de la pouzzolane naturelle
(a) :Laitier « LHF »
(b) :Pouzzolane« PZ
»
Figure 4 : Vues par MEB des ajouts utilisés
L’analyse chimique et minéralogique du laitier a permis de déduire son taux de vitrification à 98%.
Protocole expérimental
Les essais réalisés ont été effectués sur des pâtes de ciment et des mortiers à différents taux
d’ajouts (par substitution au ciment).
La nomenclature des mélanges du liant est résumée dans le tableau suivant :
Tableau 3 : Nomenclature de la partie liante
Composant
C0
15LHF
20 LHF
25 LHF
15 PZ
20 PZ
25 PZ
Ciment
(%)
100
85
80
75
85
80
75
156
LHF (%)
¨PZ (%)
0
15
20
25
0
0
0
0
0
0
0
15
20
25
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Essai de consistance et besoin en eau (Consistance Vicat)
E/L
Cet essai a été effectué sur des pâtes de ciment afin de déterminer le besoin en eau pour une
consistance normale.
0,275
0,27
0,265
0,26
0,255
0,25
0,245
0,24
0,235
0
LHF
15
20
25
% d 'ajout
PZ
Figure 5 : Besoin en eau des pâtes à base d’ajouts pour une consistance normale.
L’exigence en eau des pâtes à base d’ajout, pour une consistance normale, est plus faible que
celui de la pâte témoin. A l’inverse au laitier « LHF », la présence de la pouzzolane « PZ »
nécessite un besoin d’eau important vue sa forme angulaire et sa finesse plus élevée. Les
particules fines du LHF viennent remplacer l’eau présente dans les pores intergranulaires du
squelette solide. Ce qui engendre une réduction considérable du besoin en eau [7]
Essai de prise (Vicat)
L’essai de prise à l’aide de l’appareil Vicat a été effectué sur des pâtes de ciment (avec et sans
ajouts) malaxées à un rapport E/L = 0,27.
250
Fin de prise (mn)
Début de prise (mn)
300
200
150
100
50
0
0%
PZ
LHF
15%
20%
400
350
300
250
200
150
100
50
0
25%
0%
% d'ajout
PZ
LHF
15%
20%
25%
% d'ajout
Figure 6 : Temps de début et fin de prise des différentes pâtes étudiées.
Pour un rapport E/L constant, la pouzzolane n’a pas présenté un effet significatif sur le temps de
prise. Quand au laitier, l’effet lubrifiant des fines a engendré un retard de prise considérable. Ce
qui confirme l’essai de consistance [1, 2, 8].
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Dosage en superplastifiant (point de saturation)
Le point de saturation est le dosage au-delà duquel le superplastifiant n’a plus d’effet sur les
propriétés rhéologiques du coulis, de la pâte de ciment. Il est déterminé par le rhéomètre AR 2000.
Le principe de cet essai est de faire varier le dosage en superplastifiant jusqu’à atteindre un
coulis à une viscosité plastique constante en fonction du gradient de vitesse (comportement
newtonien)
L’essai a été effectué sur des coulis à un rapport E/L= 0,35.
Un dosage de 2% a été retenu pour tous les mortiers (avec et sans ajouts).
Essai de maniabilité sur mortier :
Les mortiers analysés sont des mortiers normalisés à un rapport Sable/ Liant = 3, malaxés
avec un rapport E/L = 0,35 et un dosage en SP de 2%.
Temps d'écoulement (s)
La forme irrégulière des particules des ajouts a permis d’avoir plusieurs points de contact. Ce
qui a engendré un ralentissement de l’écoulement des mortiers. Tous les mortiers présentent
un caractère fluide (le temps d’écoulement est inférieure à 10 secondes quel que soit le %
d’ajout)
10
8
6
4
2
0
0%
PZ
LHF
15%
20%
25%
% d'ajout
Figure 7 : Temps d’écoulement des différents mortiers
158
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Chaleur d’hydratation (Calorimètre Langavant)
L’essai a été réalisé sur trois mortiers seulement (Témoin, 20% LHF et 20% PZ).
Chaleur d'hydratation (J/g)
40
30
20
10
0
30
60
90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
Temps [mn]
Ciment
Ciment+PZ
Ciment+LHF
Figure 8: Chaleur d’hydratation dégagée durant les premières 06 heures d’hydratation
Chaleur d'hydratation
(J/g)
250
200
150
100
50
0
0
50
100
Temps [Heures]
Ciment
Ciment+PZ
Ciment+LHF
Figure 9: Chaleur d’hydratation dégagée durant 5 jours d’hydratation.
A l’inverse du laitier, la pouzzolane engendre un fort dégagement de chaleur. Ceci est expliqué
par sa grande finesse, forte teneur en aluminates et à la présence de la chaux vive non
combinée.
Cette réduction considérable de la chaleur est constatée durant les premières
heures. Cependant la chaleur dégagée par le laitier tend à augmenter au bout de 5 jours suite à
l’activation du laitier par la chaux libérée lors de l’hydratation du ciment.
Le retard de prise des pâtes à base de laitier est attribuable à celui de l’hydratation de C3S. Ce
qui est traduit par l’apparition tardive du second pic du flux de chaleur.
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Flux de la chaleur (J/g.h)
8ème séminaire technique de Lafarge
13 - 14 Décembre 2011 - Mercure, Alger
18,00
16,00
14,00
12,00
10,00
8,00
6,00
4,00
2,00
0,00
0
20
40
60
Temps [Heures]
Ciment temoin
Ciment + PZ
Ciment + LHF
Figure 10 : Flux de chaleur des mortiers
Résistance à la compression
Afin de mettre en évidence l’incidence des ajouts sur l’évolution de la résistance à la
compression, un indice d’activité pouzzolanique a été déterminé selon l’expression suivante :
IA = 100 x Rm / Rt
Rm : Résistance en compression du mortier à base d’ajout.
Rt: Résistance en compression de mortier témoin (sans ajout).
Cet indice a été évalué aux différents âges (7, 28 et 50 jours d’hydratation).
Aucune amélioration de résistance mécanique des mortiers à base de PZ n’a été constatée. Un
faible indice d’activité a été enregistré à 60 jours (94%).
La présence de 20% et 25% du laitier engendre une réduction de la résistance à 7 jours.
Conséquence de la réduction de la partie active des minéraux du clinker.
A partir du 28ème jour d’hydratation, une amélioration considérable des résistances est constatée
(70 MPa pour les mortiers à base de 25% LHF). Ceci est dû à l’interaction entre l’activation du
laitier et à son activité pouzzolanique traduite par l’augmentation du dégagement de chaleur.
La diminution de la concentration de la solution interstitielle à 60 jours a influencé sur l’activité du
laitier. Ce qui est traduit par une légère diminution de l’indice d’activité.
160
13 - 14 Décembre 2011 - Mercure, Alger
70
102
60
100
50
98
I A [%]
R c [Mpa]
8ème séminaire technique de Lafarge
40
30
20
96
94
92
10
90
0
0% PZ
7 Jours
0% PZ
15% PZ 20 % PZ 25 % PZ
28 Jours
7 Jours
60 Jours
15% PZ 20 % PZ 25 % PZ
28 Jours
60 Jours
140
80
70
60
50
40
30
20
10
0
120
100
I A [%]
R C [Mpa]
Figure 11 : Evolution de la résistance et de l’indice d’activité des mortiers à base de PZ
80
60
40
20
0
0% LHF 15 % LHF20 % LHF25 % LHF
7 Jours
28 Jours
0% LHF
60 Jours
7 Jours
15 % LHF 20 % LHF 25 % LHF
28 Jours
60 Jours
Figure 12 : Evolution de la résistance et de l’indice d’activité des mortiers à base de LHF
Conclusion
Cette étude a pour but de valoriser les déchets industriels et les gisements naturels dans le
domaine de la construction.
La structure minéralogique (semi cristalline) de la pouzzolane ainsi que sa composition chimique
(forte présence des aluminates et de chaux) sont les principales causes des comportements
rhéologique et mécanique des mortiers.
Ces comportements se traduisent par :
- Un effet granulaire défavorable traduit par besoin en eau important
- Un dégagement de chaleur important (aux premières heures d’hydratation) pouvant
engendrer des fissurations initiales.
- Une Chute de résistance mécanique en fonction du pourcentage de substitution.
Tandis que le laitier, de par sa structure amorphe et son caractère hydraulique latent, une
amélioration du comportement rhéologique a été constaté (réduction du besoin en eau).
L’interaction de l’effet pouzzolanique et du pouvoir hydraulique dans le cas du remplacement de
25% du ciment par du laitier a permis de réduire considérablement le dégagement de chaleur
pendant les premières heures d’hydratation. Ce qui conduit à éviter le risque de fissuration initiale.
Les mortiers à base de 25% LHF présentent de bonnes résistances mécaniques
comparativement au témoin se traduisant par un double avantage économique et écologique tout
en garantissant une meilleure.
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8ème séminaire technique de Lafarge
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Référence :
[1] P. C.AÏTCIN « Bétons Hautes Performances » Edition Eyrolles, 2001.
[2] M. SARIC-CORIC et P. C. AÏTCIN « Bétons à hautes performance à base de ciments
composés du laitier et de la fumée de silice » Journal Canadien du Génie Civil, 30, 414-428
(2003)
[3] H.F.W. Taylor, The Chemistry of Cements, Academic Press, London and New York, 1990
[4] Korpa.A, Kowald.T et Trettin.R : Hydration behavior, structure and morphology of hydratation
phases in advanced cement-based systems containing micro and nanoscale pozzolanic
additives. Cement and Concrete Researsh, 38,PP: 955-962, 2008
[5] ROPER H., « Composition, morphologie, hydratation et propriétés adhésives de quelques
laitiers granulés », 7ème Congrès International de la Chimie du Ciment, Paris, volume 2,
thème 3, 1980, p 13 – 17
[6] M.BEHIM « sous produits industriels et développement durable : réactivité, rôle et durabilité
des laitiers d’El Hadjar dans les matériaux à matrice cimentaire » Doctorat d’état Université de
Badji Mokhtar, 2005 ANNABA.
[7] A. BESSA « Etude de la contribution des additions minérales aux propriétés physiques
mécaniques et de durabilité des mortiers » Thèse de doctorat de l’université de Cergy
Pontoise, 2004.
[8] Ferraris.C.F, Obla.K.H et Hill.R: The influence of mineral admixtures on rheology of cement
paste and concrete , Cement and Concrete Researsh, 31,PP: 245-255 , 2001
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