Formulation et propriété d`un béton adjuvante par

Formulation et propriété d’un béton adjuvante par polycarboxylate
M. Adjoudj1, 2 , K. Ezziane2 , El. Kadri3
1.
2.
3.
Centre universitaire de Tissemsilt, 38000 Tissemsilt (Algérie)
Laboratoire Géomatériaux, Université Hassiba Benbouali Chlef, Algérie
Laboratoire L2MGC, Université de Cergy Pontoise, France
Résumé La mise en place d’un béton nécessite beaucoup plus d’eau que le ciment en requiert
pour son hydratation. Il en résulte, dans le béton durci, une importante porosité qui cause une chute
de résistance et une dégradation de la durabilité du matériau. En ajoutant au béton frais de faibles
quantités d’adjuvants polymériques, appelés superplastifiants, on peut nettement réduire la quantité
d’eau nécessaire pour obtenir l’ouvrabilité désirée. Cette étude a pour but d’évaluer d’efficacité
d’un superplastifiants à base de polycarboxylates (PC) en présence d’un ciment composé (CEM
II). Les essais sur béton témoignent d’une ouvrabilité accrue avec le dosage en PC suivie par une
légère amélioration de la résistance mécanique et la densité. Le superplastifiant à base de
s’avère mieux adapté au ciment contenant de fillers ca ire ou les cas d’incompatibilité
disparaissent et le maintien de l’ouvrabilité est facilement maîtrisé.
Mots-clés : Superplastifiant, ciment, ouvrabilité, rhéologie, béton, résistance.
I. Introduction
L’apparition des bétons autoplaçants (BAP) et des bétons à hautes performances (BHP) est
fortement liée aux progrès réalisés dans le domaine des adjuvants et plus particulièrement
celui des superplastifiants (SP) [1,2]. Les superplastifiants permettent en effet de défloculer
les grains de ciment [3]; ils agissent par répulsion électrostatique en neutralisant les charges
électriques présentes à la surface des grains [4] et/ou par répulsion stérique en écartant les
grains les uns des autres, grâce à leurs chaînes moléculaires très longues [5]. L’eau
initialement piégée entre les flocs est de nouveau disponible pour l’hydratation ou pour
fluidifier le mélange. Il devient donc possible de fabriquer des bétons très fluides, même avec
moins d’eau qu’il en faut pour hydrater le ciment. Ceci conduit à fabriquer des bétons à faible
rapport E/C mais faciles à mettre en place [1].De même, l’efficacité d’un superplastifiant peut
être attribuée à la nature chimique de l’adjuvant formée de longues chaînes moléculaires qui
permettent de bien recouvrir les particules de ciment d'assurer une bonne dispersion. Ceci
est en conformité avec d’autres résultats [6] qui ont
que des superplastifiants
constitues de polymère avec des chaînes plus longues ont des possibilités de dispersion plus
élevées, alors que les polymères à chaînes plus courtes ont une influence plus prononcée sur
le retardement de prise. L’efficacité des adjuvants dé
nc essentiellement de leur nature
chimique mais aussi de leur masse molaire [7]. Des résultats similaires ont été observés [8] où
la viscosité d’un béton (BAP) est plus importante lors de la présence d’un superplastifiant
ayant un faible poids moléculaire.
L’augmentation des performances du béton grâce à l’introduction de superplastifiant est
importante dans plusieurs domaines ; résistances mécaniques initiales et finales élevées,
diminution de la porosité et amélioration de la durabi ité [9]. Il est bien établi que l'utilisation
de superplastifiant permet un gain de résistances mécaniques du fait de la réduction d’eau
[10].
II. Etude expérimentale
II.1. Matériaux utilises
Le ciment utilisé dans ce travail est un ciment portland composé (CEM II/42.5) contenant
13% de calcaire, produit par la cimenterie d'Oued Sly (Chlef) dont les caractéristiques
chimiques, minéralogiques et physiques sont portées sur le Tableau 1.
Ciment
Composition
Chimique
Composition
Minéralogique
Composition
Physique
Tableau 1 Caractéristiques du ciment CEM I 52.5 N CP2
Caractéristiques
SiO2
Al2 O3 Fe2 O3 CaO SO3 MgO K2 O
Na2 O
21.14
5.66
3.27 62.30 1,58 0,74 0.81
0,11
C3 S
C2 S
C3 A
C4 AF
41.8
33.3
5.1
10.7
Finesse de
Début de prise
Fin de prise
Expansion (mm)
Blaine
(cm2 /g)
3h5mn
5h45mn
1
3600
Pour la présente étude, Deux types de superplastifiants ont été utilisés, ils sont fournis par
l’entreprise GRANITEX et commercialisés sous les noms Médaplast (40) à base de résines
mélamines noté SP1; et le Médaflow (30) à base de polycarboxylate, le Tableau 2 présente
quelques caractéristiques de ces deux produits.
Tableau 2 Caractéristique du superplastifiant
Superplasticizer
SP1
SP2
Molécule
polycarboxylate Lignosulfonate
Form
liquid
liquid
PH
7
9.5
Extrait sec
20 %
39%
Couleur
Opaque
Dark chestnut
Le sable utilisé et un sable d’oued de fraction 0/4 mm dont la courbe granulométrique est
reportée à la figure 1.Ce sable est utilisé comme un matériau inerte, ajouté
les essais de
la chaleur d’hydratation afin de réduire la quantité de ciment dans le mélange, et réduire en
conséquence la quantité de la chaleur dégagée. Le grav utilisé provient d’une Carrière de la
société Algérienne des Granulats (ALGRAN) sise à Oued
(Chlef), Les caractéristiques
physiques des gravillons sont représentées dans le Tableau 3.
Tableau 3 Caractéristiques physiques des gravillons
Désignation
Mv absolue (g/cm 3 ) Teneur en fines
Absorption
(%)
d’eau (%)
Grav (8/15)
2,63
23
1,20
100
90
Tamisat cumulé (%)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,01
0,1
1
10
Tamis (mm)
Figure 1. Courbes granulométriques du sable
II.2. Matériels utilises
Les propriétés rhéologiques varient énormément selon le mode de malaxage et le dosage
des constituants employés. Avant tout travail, le mode de malaxage doit être désigné selon les
moyens disponibles et la quantité du béton à préparer. Le béton a été gâché dans un malaxeur
à axe vertical de 50 litre de capacité. Cet appareil normalisé, sur lequel se basent pratiquement
toutes les normes pour la préparation du béton. L’ouvrabilité des mélanges de bétons a été
mesurée par l’essai d’affaissement conformément à la norme NFP 18-305. Une balance
électronique avec une précision de 0.1g a été utilisée pour mesurer les ingrédients et la
préparation des différents bétons.
II.3. Composition des bétons
Une série de mélange (sable, gravier, ciment et l’eau) est préparée en combinant le ciment à
base du calcaire avec les deux types de superplastifiants pour donner deux couples à étudier.
Ces combinaisons représentent les deux mélanges contenant C -SP1, C -SP2, et qui
représentent des teneurs en superplastifiant SP varient de 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 1.5 et 2% du poids
de ciment. Ces mélanges sont confectionnés par quatre rapports E/C de 0.4, 0.45, 0.5et 0.55.
La température adoptée pour cette étude est de 20C°. En supposition, les mesures
rhéologiques sont effectuées avant tout dégagement de
due à l'hydratation des
différentes phases du ciment. Le Tableau 4 présente les compositions des différents mélanges
effectués.
Table 4 Composition des bétons
Superplastifiant
Ciment (kg)
Sable (kg)
gravier (kg)
E/C
SP1
SP2
4
6.41
11.66
0.40%
0.6, 0.8,
0.6, 0.8,
4
6.41
11.66
0.40%
1.0, 1.2,
1.0, 1.2,
4
6.41
11.66
0.40%
1.5, 2,0
1.5, 2,0
4
6.41
11.66
0.40%
II.4. Procédure expérimentale
La procédure de malaxage et le mode d'introduction du
perplastifiant utilisé pour
fabriquer les bétons sont illustrés dans le Tableau 5. Le superplastifiant est ajouté au début u
malaxage avec la dernière tranche de l'eau de gâchage ui correspond généralement au début
de la période dormante.
Tableau 5
Procédure de malaxage et mode d’introduction du superplastifiant
III.
Malaxeur
Durée
Opérations
Vitesse lente
Vitesse lente
Vitesse rapide
0-60S
120S
180S
5min
Introduire le Ciment
Verser (2/3E)
Verser (1/3E+SP)
Préparation de l’essai
Résultats et interprétations
III .1. Effet du dosage en superplastifiant
L’effet du dosage en superplastifiants sur l’ouvrabilité de béton a été évalué par le cône
d’abrams juste après le malaxage. L’incorporation d’un superplastifiant au béton a entraîné
une modification de l’ouvrabilité, chacun selon son dosage et sa nature chimique. Les figures
2a et 2b présentent l’évolution de l’affaissement pour différent dosage de superplastifiants
(SP1), (SP2) et différent rapport (E/C).Comme on pouvait s’y attendre, l’ouvrabilité augmente
avec le dosage en eau et en superplastifiant. En variant le dosage en superplastifiant, on
s’aperçoit qu’à partir d’un certain point, que l’on nomme point de saturation, Il n’y a plus
d’amélioration de l’ouvrabilité. Ce point se situe entre 1.5 et 2% de dosage pour les
différentes combinaisons de ciment et de superplastifiant (SP1).
30
30
(C-SP1)E/C=0,40
(C-SP1)E/C=0,45
(C-SP1)E/C=0,50
(C-SP1)E/C=0,55
(C-SP2)E/C=0,40
(C-SP2)E/C=0,45
(C-SP2)E/C=0,50
(C-SP2)E/C=0,55
25
20
affaissement(cm)
affaissement(cm)
25
15
10
5
20
15
10
5
0
0
0,5
1
1,5
2
Do s a g e e n s upe rpa ls tifia nt ( %)
2,5
0,5
1
1,5
2
2,5
Do s a g e e n s upe rpa ls tifia nt ( %)
b) SP2
a) SP1
Figure 2. Effet du dosage en superplastifiant sur l'affaissement d'un béton pour un rapport
E/C=0.55.
III .2. Effet du type de SP
La figure 3, présente l’influence du type de superplastifiant sur l'affaissement d'un béton
pour un rapport E/C=0.55. Le béton acquit une ouvrabilité acceptable pour un dosage
supérieur à 1% pour les deux types de produits. Le superplastifiant SP2 est plus performant
avec ce ciment en lui attribuant plus de fluidité par
à SP1. L’ouvrabilité avec le SP2
trouve ses valeurs les plus élevées dans la plage du dosage située entre 1.2 et 2% où l’écart
maximal atteint 6.5 cm pour un dosage 1.2%. Au -delà de 2%, l’effet des deux types de
superplastifiants convergent et leur contribution avoisine une ouvrabilité légèrement
supérieure à 20cm.
30
C-SP1(E/C=0,55)
affaissement
(cm)
25
C-SP2(E/C=0,55)
20
15
10
5
0
0,6
1
1,2
1,5
2
2,2
Do s ag e e n s upe rpla s tifia nt (%)
Figure 3. Influence du type de superplastifiant sur l'affaissement d'un béton pour un
rapport E/C=0.55.
III .3. Effet du rapport E/C
Le rapport E/C présente une influence capitale sur l’ouvrabilité du béton. Cette influence
change de comportement lorsque le béton est adjuvanté par un superplastifiant où
l’ouvrabilité du béton reste contrôlée par le dosage,
type de superplastifiant et le rapport
E/C. Les figures 4a et 4b illustrent les résultats obtenus au cône d’Abrams et qui montrent une
ouvrabilité accrue avec le rapport E/C et le dosage de chaque adjuvant.
Pour des dosages faibles de 0.6% aucun affaissement n’est mesurable au dessous d’un
rapport E/C de 0.5. Plus le dosage augmente plus la plage d’affaissement mesurable s’étend
jusqu’à des rapports E/C plus faibles. Pour les deux superplastifiants, l’ouvrabilité est
linéairement proportionnelle au rapport E/C pour une faible teneur en SP. Lorsque le dosage
en superplastifiant augment la relation perd de sa linéarité et tend vers des ouvrabilités limites
pour des E/C élevés.
30
30
SP1=0,6
SP1=1
SP1=1,2
SP1=1,5
SP1=2
SP1=2,2
20
(cm)
15
25
SP2=0,6
SP2=1
SP2=1,2
SP2=1,5
SP2=2
SP2=2,2
15
affaissement
(cm)
20
affaissement
25
10
10
5
5
0
0
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
0,35
0,4
0,45
0,5
0,55
0,6
E/C
E/C
a) SP1
b) SP2
Figure 4. Evolution de l’affaissement pour différent dosage de superplastifiants et différent
rapport (E/C).
III .4. Résistance mécanique(SP1)
La résistance à la compression d’un béton adjuvante est une caractéristique principale des
propriétés mécaniques des bétons car le béton résiste
à la compression. Les figures 5 a
et 5 b montrent la variation de la résistance à la compression en fonction du dosage en SP1
confectionnés avec un rapport E/C égal 0.55. On n’observe que la valeur de la rés
à la
compression .
60
MPa
à la compréssion
50
40
30
SP1=1,2%
SP1=1,5%
SP1=2%
SP1=2,2%
20
10
Résistance
Résistance
à la compréssion
MPa
60
0
50
40
30
7 jours
20
28 jours
10
0
0
7
14
21
Te mps e n jours
a) SP1
28
35
0,5
1
1,5
2
Do s a g e e n s up e rp la s tifia n t (%)
b) SP1
Figure 5. Variation de la résistance à la compression d’un béton adjuvanté par SP1
2,5
III .5. Résistance mécanique(SP2)
MPa
50
a la compressions
40
30
20
1%
1,20%
1,50%
2,20%
10
Résistace
Résistance
à la comprssion
MPa
L'incorporation du polycarboxylate désigné par SP2 au béton a amélioré l'ouvrabilité de ce
dernier tout en améliorant sa résistance à la compression. Les figures 7c et 7d illustrent la
variation de la résistance à la compression en fonction de la teneur en superplastifiant. Après
l'ajout du polycarboxylate, on remarque une nette amélioration de la résistance à la
compression au jeune âge et à long terme. A 28 jours, résistance du béton passe de 37.7 à
39.3, 41 et 43.5 MPa en ajoutant respectivement 1, 1.2 1.5 et 2.2 % de SP2. La résistance
enregistrée pour le mélange de faible dosage en SP2 reste toujours inférieure à celle donnée
par le mélange de dosage élevée pour tous les âges. Ce qui montre une meilleure compatibilité
du superplastifiant (SP2) avec ce type de ciment.
0
0
5
10
15
20
Temps en jours
a) SP1
25
30
50
40
30
20
7 jours
10
28 jours
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
Dosage en superplastifiant
b) SP2
Figure 6. Variation de la résistance à la compression d’un béton adjuvanté par SP2
IV. Discussion
Les superplastifiants sont ajoutés aux pâtes de ciment, aux mortiers et aux bétons pour
augmenter leur maniabilité à E/C constant ou pour diminuer leur E/C à fluidité constante. En
augmentant le dosage en superplastifiant, on atteint un point de saturation qui représente la
quantité de superplastifiant au -delà de laquelle il n’y a plus d’effet mesurable additionnel sur
la fluidité du béton. A partir de ce point, tout ajout complémentaire de superplastifiant n'a plus
qu'un effet très faible sur l'ouvrabilité. Pour des raisons économiques, il n'est pas intéressant
d'aller au -delà de ce dosage, car l'effet est marginal pour un co croissant. Les résultats
représentés sur les figures 2a et 2b montrent que le point de saturation se situe entre 1.5 et 2 %
de dosage pour les différentes combinaisons de ciment de superplastifiant. Ceci confirme
les résultats trouvés par plusieurs chercheurs [11,12], où le dosage de saturation de Médaplast
et de Médafluide passe de 0.6 et 1.2 à 1.5 et 2 % respectivement pour le ciment de Chlef. Les
variations de la maniabilité d’un béton en fonction du dosage en superplastifiant ont mis en
évidence que l’augmentation du dosage d’un des superplastifiants n’a plus d’influence sur
l’ouvrabilité du béton à partir d’une certaine valeur. Cette caractéristique est maintenant bien
connue et confirmée par plusieurs recherches [13]; il
du dosage à saturation. La
détermination de ces dosages pour chaque superplastifiant montre que ces derniers se
comportent d’une façon différente suivant le type de c
et le rapport E/C. Il est évident
que le type et la composition de l’adjuvant, et même s mode d’action, influent fortement
sur son efficacité et sur son dosage de saturation. Comme on peut remarquer, dans la figure 3,
que l’affaissement de SP2 et plus importante que celle de SP1 quelque soit le dosage en
superplastifiant. En effet, certains travaux [8] ont prouvé, à partir de l'analyse d'eau
interstitielle, que les ciments riches en C 3 A consomment un grand nombre des polymères
supplémentaires de superplastifiant dans les premières minutes d'hydratation. La demande
élevée en SP2 constatée pour le ciment Chlef est due probablement à la forte teneur en C 3 A
(5.1%).Ceci explique la performance du superplastifiant SP2 avec ce type de ciment.
L'incorporation de SP1 (figures 5a et 5b) au ciment composé à base de calcaire a provoqué
une chute de résistance significative, cette dégradation est constatée pour tous les échantillons
et à tous les âges. Le taux d'absorption élevé observé sur les éprouvettes contenant ce
polymère justifie cette chute de résistance où sa présence affecte les propriétés mécaniques du
béton. Ceci confirme les résultats Brandstetr et al. [14] qui ont déclaré que l'efficacité du
superplastifiant à base de résine mélamine est observée à des faibles concentrations ou une
résistance maximale est obtenue juste avec un dosage de 0.5% pour un mortier de ciment
adjuvanté testé à 1, 15 et 28 jours.
Par contre une meilleure résistance est obtenue pour les mélanges adjuvantés en SP2
(figures 6a et 6b) à tous les âges ce qui permet de justifier l’activité de ce produit à favoriser
l’hydratation du ciment et à améliorer la microstructure. Ceci concorde avec les résultats
d’ouvrabilité qui ont abouti à un béton très ouvrable conduisant ainsi à de meilleures
résistances. Ceci est conforme aux résultats de Puertas et al [15]. Qui ont affirmé que
l’utilisation de superplastifiant à base de polycarboxylate à des faibles concentrations
améliore la résistance à la compression en diminuant la porosité de la pâte. Cette résistance
peut atteindre des valeurs supérieures à celles obtenues pour un béton à faible dosage.
V.
Conclusion
L'incorporation des superplastifiants au béton modifie largement l’ouvrabilité de ce
dernier, ses propriétés mécanique et son comportement rhéologique selon le type et la quantité
du polymère utilisé.
• Le superplastifiant à base de PC s’avère mieux adapté u ciment contenant de fillers
calcaire ou les cas d’incompatibilité disparaissent et le maintien de l’ouvrabilité est
facilement maîtrisé.
• Les essais sur béton témoignent d’une ouvrabilité accrue avec le dosage en PC suivie
par une légère amélioration de la résistance mécanique et la densité.
• En ce qui concerne la résistance à la compression, le
iant (SP1) est
incompatible avec ce type de ciment .Ce superplastifiant provoque une chute de
résistance. Par contre, l’emploi du superplastifiant(SP2) augmente considérablement la
résistance à la compression.
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