EFFET DE L`ACTIVATION MECANIQUE DU LAITIER DE HAUT

85
Lebanese Science Journal, Vol. 7, No. 2, 2006
EFFET DE L'ACTIVATION MECANIQUE DU
LAITIER DE HAUT FOURNEAU SUR LE
COMPORTEMENT MECANIQUE DU MORTIER
A. Naceri et I. Messaoudene
Département de Génie Civil, Faculté des Sciences et Sciences de l’Ingénieur,
Université de M’sila, B.P. 166, Ichbilia, 28000 M’sila, Algérie
[email protected]
(Received 16 March 2006 - Accepted 2 October 2006)
RESUME
Le laitier de haut fourneau broyé est utilisé comme ajout minéral dans de nombreux
pays. En Algérie son dosage est limité entre 15 et 20% en remplacement de ciment à cause d’une
diminution significative de la résistance mécanique initiale. Dans ce travail expérimental, on a
fait varier, d’une part, le pourcentage du laitier dans le ciment (effet chimique) et, d’autre part,
la surface spécifique du ciment au laitier préparé (effet physique) par la méthode de substitution
(remplacement partiel du clinker par le laitier). D’après les résultats obtenus, il ressort :
* un mortier confectionné à partir d’un ciment composé contenant jusqu’à 30% de laitier
peut atteindre des résistances mécaniques (Rc et Rf) comparables à celles d’un témoin sans
laitier,
* l’activité hydraulique et l’augmentation de la surface spécifique du laitier granulé de
haut fourneau sont les principaux responsables de l’accroissement de résistance mécanique des
mortiers testés.
Mots clés : laitier, surface spécifique (finesse), mortier, comportement mécanique
ABSTRACT
Granulated blast-furnace slag is used as a supplementary cementitious material in
replacement of cement in many countries. In Algeria, its proportion is usually limited to 15-20%
of cement replacement owing to a significant decrease in early age mechanical strength. In this
experimental work, on the one hand, the percentage of the slag in cement (chemical effect) was
varied and, on the other hand, the specific surface of the slag cement prepared (physical effect)
by the method of substitution (partial replacement of the clinker by the slag) was also varied.
According to the experimental results, it follows :
* a mortar prepared from a composed cement containing until 30% of slag can reach
mechanical strengths (Rc and Rf) comparable to those of a witness without slag,
* the hydraulic activity and the increase in the specific surface of the granulated slag of
blast furnace are the principal persons in charge for the increase in the mechanical strengths in
the mortars tested.
Keywords : slag, specific surface (fineness), mortar, mechanical behaviour
Lebanese Science Journal, Vol. 7, No. 2, 2006
86
INTRODUCTION
L’addition du laitier de haut fourneau au ciment présente un intérêt économique dans
l’industrie du ciment et un intérêt technique dans le domaine de la construction. Le coût
énergétique de ce sous-produit est pratiquement nul, néanmoins il requièrt un peu plus d’énergie
de broyage que le clinker (Richardson & Haynes, 2001).
Le laitier granulé de haut fourneau s’obtient par refroidissement brusque par un courant
d’eau (jet d’eau), ce qui permet de freiner le processus de cristallisation et d’obtenir ainsi, un
matériau vitrifié et granulé (Behim et al., 2002). Ce mode de refroidissement transforme le laitier
liquide en un granulat fin (procédé ou mode de granulation du laitier) à grains déchiquetés de
dimensions inférieures à 5 mm, qui sera utilisé comme ajout au liant ou comme liant hydraulique.
La composition chimique du laitier de haut fourneau (laitier granulé) est proche de celle de
ciment portland artificiel (C.P.A), ce qui permet d’envisager son emploi en qualité de liant
comme ajout cimentaire (clinker + laitier).
Les facteurs déterminant l’hydraulicité du laitier granulé (matériau hydraulique latent)
sont : l’état vitreux, l’indice d’hydraulicité et les principaux constituants : le C2S et le C2AS
(Ergul et al., 2004 ; Huiwen et al., 2004).
Cependant la présence de l’oxyde de fer dans le laitier fondu faciliterait la granulation
mais abaisserait la quantité ou le pouvoir hydraulique. Ainsi il faut veiller à ce que la présence de
l’oxyde de fer dans le laitier soit négligeable (opération de réduction).
Par ailleurs la propriété latente de l’hydratation du laitier granulé peut être mise en
évidence par la mesure du degré d’hydratation qui, à son tour, se détermine soit par (Oner et al.,
2003) :
- l’analyse qualitative des réactifs résiduels,
- la détermination de la quantité d’eau non évaporable, la chaux et le gypse libre,
- la mesure de la chaleur d’hydratation.
Toutes ces méthodes confirment la propriété latente de l’hydratation du laitier,
nécessitant l’emploi d’un bon activant chimique, thermique ou mécanique (Barnet et al., 2006).
Le ciment au laitier (C.P.J : ciment portland composé) s’hydrate plus lentement que le
ciment portland (C.P.A : ciment portland artificiel sans ajout) et se caractérise par un faible
dégagement de la chaleur d’hydratation ce qui rend son emploi préférable dans certains cas de la
pratique, béton de masse, bétonnage par temps chaud et dans les milieux agressifs (meilleure
résistance aux agressions chimiques).
Dans cette étude expérimentale, on a cherché à savoir si la substitution pondérale d’une
certaine quantité de clinker par le laitier granulé de haut fourneau permettrait d’obtenir des
ciments et des mortiers ayant des propriétés comparables ou plus performantes que celles des
ciments portland et des mortiers de base.
87
Lebanese Science Journal, Vol. 7, No. 2, 2006
MATERIAUX UTILISES
Laitier granulé
Le laitier granulé de haut fourneau d’El-Hadjar (Complexe Sidérurgie d’Annaba) est
obtenu par refroidissement par un jet d’eau (trempe à l’eau) et chute dans un grand bassin, il se
présente sous forme de sable de couleur grise claire, de granulométrie de 0 à 5 mm, dont la
composition chimique est donnée au Tableau 1.
Le laitier granulé de haut fourneau utilisé dans notre étude expérimentale est un silicoaluminate de calcium et de magnésium, il est constitué essentiellement de quatre oxydes qui
sont : (SiO2-Al2O3-CaO-MgO).
Les indices de basicité «Mb» indiquent si un laitier est basique ou acide. Les indices les
plus utilisés sont les suivants :
M b1 =
%CaO + % MgO
= 1,14
% SiO2
M b2 =
M b3 =
%CaO
= 1,04
% SiO2
%CaO + % MgO
= 1,01
% SiO2 + Al 2 O3
D'après l’indice de basicité du laitier (Mb > 1), le laitier est basique.
Il faut noter que les facteurs qui influent sur le pouvoir hydraulique du laitier granulé
sont en général au nombre de trois :
- la composition chimique (elle nécessite des quantités suffisantes en chaux et en
alumine),
- le degré de vitrification (dissolution des produits amorphes),
- la surface spécifique (surface de contact eau-laitier).
L’indice hydraulique (taux ou degré de vitrification : richesse du laitier en éléments
silicatés) sert d’indication de l’activité hydraulique du laitier de haut fourneau :
L’indice d’activité hydraulique (méthode de Keil) est calculé de la façon suivante :
α=
avec :
S p .F
1000
= 43,86 ≅ 44
Sp : surface spécifique de Blaine des fines du laitier (Sp = 2580 cm2/g),
F : pourcentage des fines du laitier (Friabilité : < 80µ dans notre cas : F = 17 %).
88
Lebanese Science Journal, Vol. 7, No. 2, 2006
Le Tableauu 1 donne la classification de l’indice d'activité hydraulique du laitier granulé
(le coefficient α varie en général entre 15 et 100) :
TABLEAU 1
Indice d'Activité Hydraulique du Laitier Granulé
α
Classe
Type de laitier
α < 15
15 < α < 40
40 < α < 55
55 < α < 85
85 < α < 100
α > 100

2
3
4
5
6
Laitier très pauvre
Laitier pauvre
Laitier acceptable
Laitier bon
Laitier très bon
Laitier excellent
Le laitier granulé d’El-Hadjar a un coefficient α moyen de 44 (laitier acceptable).
Clinker portland
Le clinker de la cimenterie de Ain-El-Kébira (Wilaya de Sétif) est utilisé en qualité
d’activant et dont la composition chimique (Fluorescence aux rayons X) est présentée au
Tableau 2.
TABLEAU 2
Composition Chimique des Matériaux Utilisés (Fluorescence aux Rayons X)
Eléments
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
K2O
Na2O
SO3
C.L
P.F
Clinker
22,10
04,57
03,95
66,34
01,60
00,39
00,19
00,54
00,02
-
Laitier
38,52
05,13
01,93
40,20
03,75
00,40
01,53
00,03
-
Gypse
07,70
03,20
01,44
26,82
01,40
27,83
-
Sable
94,00
00,88
00,37
02,96
00,11
01,50
La composition minéralogique est déterminée selon la formule de Bogue (Tableau 3).
Du gypse naturel a été utilisé comme régulateur de prise pour la préparation du ciment
au laitier étudié.
89
Lebanese Science Journal, Vol. 7, No. 2, 2006
TABLEAU 3
Composition Minéralogique du Clinker selon la Formule de Bogue
Minéraux
Alite (C3S)
Bélite (C2S)
Célite (C3A)
Célite (C4AF)
Teneurs en (%)
65,70
14,15
05,42
12,03
Granulats fins (Sable)
Le sable utilisé dans cette étude provient des abords de l'oued Maïter. Cet oued est situé
entre les collines de Boussâada, entre lesquelles souffle un vent provenant du sud chargé de
grains fins.
Le sable de dune de Boussâada, siliceux avec grains roulés de formes arrondies et de
surfaces lisses. Il est caractérisé par sa finesse, sa granulométrie et son diamètre maximal
(grosseur maximale) qui n’excède pas 3,0 mm.
La Figure 1 présente la courbe granulométrique du sable testé en comparaison avec le
fuseau préférentiel prévu par la norme russe.
Les principales caractéristiques physiques des matériaux utilisés (sable de dune et laitier
granulé) sont regroupées dans le Tableau 4.
TABLEAU 4
Caractéristiques Physiques (Sable et Laitier)
Masse
spécifique
[γ]
en (kg/l)
Masse
volumique
[ρ]
Sable
Laitier
Matériaux
utilisés
en (kg/l)
Module
de
finesse
Mf
Equival
de
sable
(ESP/ESV)
Porosité
[P]
en
(%)
2,58
1,50
1,73
74/76
42
2,80
1,00
-
-
64
D’une part, le pourcentage du laitier dans le ciment (0%, 15%, 30% et 45%) a été varié,
et d’autre part, la surface spécifique du ciment au laitier préparé (3500 cm2/g et 4200 cm2/g)
aussi a été variée. Egalement les résultats des mortiers obtenus avec ceux du mortier témoin ont
été comparés afin de mettre en évidence les rôles physique et chimique de l’ajout (laitier granulé
de haut fourneau).
90
Lebanese Science Journal, Vol. 7, No. 2, 2006
0.00
Refus cumulés (%)
20.00
40.00
Sable de dune
60.00
80.00
100.00
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
Tamis (mm)
Figure 1. Courbe granulométrique du sable testé.
METHODE EXPERIMENTALE
Afin de bien mener ce travail, on a utilisé du clinker, du laitier et du gypse. On a procédé
à leur broyage à l’aide d’un broyeur jusqu’à l’obtention de la finesse désirée (3500 cm2/g et 4200
cm2/g) pour les différents dosages choisis (quatre mélanges différents). Les trois matériaux
(clinker + laitier + gypse) ont été broyés simultanément (en même temps) au laboratoire de
CETIM de Boumerdes à l’aide d’un broyeur dans le but d’assurer une bonne homogénéisation du
mélange préparé.
Le Tableau 5 représente le composition des mélanges des quatre types de ciments
préparés et étudiés. La technique d’ajout du laitier au ciment est la méthode par substitution
(remplacement) pondérale d’une certaine quantité de Clinker par du laitier de haut fourneau à
différents pourcentages d’addition au Clinker (0%, 15%, 30% et 45%).
TABLEAU 5
Composition des Mélanges des Quatre Types de Ciments Etudiés
Types
de
ciments
Clinker
Laitier
Gypse
(%)
(%)
(%)
1ère Finesse
(cm2)/g
F1 ou S.S.B1
C.P.A
C.P.J1
C.P.J2
C.H.F
95
80
65
50
0
15
30
45
5
5
5
5
3500
3500
3500
3500
2ère Finesse
(cm2/g)
F2 ou
S.S.B2
4200
4200
4200
4200
91
Lebanese Science Journal, Vol. 7, No. 2, 2006
Le mortier étudié (Tableau 6) dans ce travail expérimental est un mortier normal avec
C/S = 1/3 et E/C = 0,5. Les propriétés physiques étudiées sont : la consistance normale et le
temps de début et de fin de prise déterminées par l’essai de Vicat des pâtes pures des ciments
préparés (clinker + laitier + gypse + Eau) à deux finesses de mouture différentes (3500 cm2/g et
4200 cm2/g). Les propriétés mécaniques étudiées des mortiers préparés sont la résistance à la
compression et à la flexion sur des éprouvettes normalisées 4 x 4 x 16 cm3. Après démoulage à
24 heures d’âge, les éprouvettes sont conservées dans un environnement humide (20°C et 100%
HR) et ce jusqu’à l’âge de l’essai de flexion à 7, 28 et 90 jours. Les deux bouts de chaque
éprouvette seront testés en compression afin de déterminer la résistance du mortier pour chaque
dosage en laitier pour différents âges.
TABLEAU 6
Composition du Mortier Etudié
Ciment préparé
(Clinker + Laitier + Gypse)
Sable de dune
(g)
Eau de gâchage
(l)
Finesse du ciment
(cm2/g)
450
1350
225
3500 et 4200
RESULTATS EXPERIMENTAUX
Influence de la quantité du laitier et de la finesse du ciment au laitier sur la consistance et la
prise
D’après les résultats obtenus (Figures 2, 3 et 4), on remarque que l’augmentation du
pourcentage du laitier a un double effet :
- augmentation de la quantité d’eau nécessaire pour avoir une consistance normale de la pâte du
liant,
- retardement du temps de prise.
On remarque aussi que l’addition progressive du laitier se traduit par une augmentation
de la quantité d’eau en fonction du pourcentage d’ajout utilisé. Cela peut être dû à la porosité du
laitier ajouté.
De même, on remarque que les temps de début et de fin de prise augmentent
proportionnellement avec l’augmentation de la quantité d’ajout de laitier. Cela s’explique par le
fait que la réaction chimique est retardée à court terme. Ce qui veut dire aussi que la cinétique
d’hydratation du liant devient de plus en plus lente en fonction de l’augmentation de la quantité
du laitier ajouté. Par conséquent les cristaux de CSH (élément responsable du phénomène de
durcissement de la pâte) existent uniquement en faible quantité aux très jeunes âges.
L’augmentation de la finesse de mouture du liant contribue à une augmentation de la
consistante de la pâte de ciment avec ou sans ajout. Cela est dû au fait que la surface de
mouillage du liant augmente au fur et à mesure que le ciment étudié est broyé plus finement.
92
Lebanese Science Journal, Vol. 7, No. 2, 2006
On remarque aussi, que l’augmentation de la surface spécifique du ciment étudié avec ou
sans ajout ralentit le temps de prise (raccourcissement des délais de prise). En effet, les particules
très fines adhèrent les unes aux autres et déclenchent le phénomène de prise de la pâte de ciment.
Ainsi l’effet de la grande surface spécifique sur l’accélération de la réaction pouzzolanique réagit
avec la portlandite pour former d’autres cristaux supplémentaires de CSH.
27
Besoin en eau (%)
26
25
1ère finesse (3500 cm2/g)
2ème finesse (4200 cm2/g)
24
23
0
10
20
30
40
50
Teneur en laitier (%)
Figure 2. Evolution de la consistance normale de la pâte de ciment en fonction
de la teneur en laitier et de la finesse de mouture du ciment.
260
250
240
Début de prise (min)
230
220
210
200
190
180
1 è re fin e s s e (3 5 0 0 c m 2 /g )
2 è m e fin e s s e (4 2 0 0 c m 2 /g )
170
160
150
140
130
0
10
20
30
40
50
T e n e u r e n la itie r (% )
Figure 3. Evolution du temps de début de prise de la pâte de ciment en fonction
de la teneur en laitier et de la finesse de mouture du ciment.
93
Lebanese Science Journal, Vol. 7, No. 2, 2006
380
370
360
350
Fin de prise (min)
340
330
320
310
300
1ère finesse (3500 cm2/g)
2ème finesse (4200 cm2/g)
290
280
270
260
250
0
10
20
30
40
50
Teneur en laitier (%)
Figure 4. Evolution du temps de fin de prise de la pâte de ciment en fonction
de la teneur en laitier et de la finesse de mouture du ciment.
Influence de la quantité du laitier et de la finesse du ciment au laitier sur le comportement
mécanique des mortiers
Dans cette partie du travail, nous avons étudié en premier lieu l’effet de la variation de la
quantité de laitier ajouté au ciment (clinker + laitier) à différents pourcentages 0%, 15%, 30% et
45% et en second lieu l’effet de la finesse (surface spécifique) du ciment préparé (3500 cm2/g et
4200 cm2/g).
D’après les résultats obtenus, on constate que l’incorporation ou l’addition progressive
du laitier granulé de haut fourneau dans le ciment entraîne une diminution des résistances
mécaniques pour la finesse de 3500 cm2/g. Cela s’explique par le fait que l’incorporation du
laitier dans le ciment entraîne systématiquement une réduction des minéraux C3S et C2S. Ces
derniers, sont donc les deux principaux minéraux qui assurent le développement des résistances à
court et à moyen terme.
Toutefois, à l’âge de 28 jours et de 3 mois (Figures 5 et 6) les mortiers contenant jusqu’à
30% du laitier avec une finesse de 3500 cm2/g atteindront des résistances comparables à celles
d’un mortier témoin sans ajout.
Contrairement à la quantité de 45%, la présence d’un taux de remplacement ≥ à 30%
de laitier, nous permettra d’obtenir un ciment de classe acceptable et faire ainsi une économie de
clinker.
94
Lebanese Science Journal, Vol. 7, No. 2, 2006
Pour joindre l’économie à la résistance, on a procédé à l’augmentation de la finesse de
mouture du ciment préparé à différents pourcentages de laitier de 3500 cm2/g à 4200 cm2/g.
D’après les résultats, on constate que les mortiers contenant 15% de laitier avec une
finesse de l’ordre de 4200 cm2/g ont des résistances mécaniques supérieures à celles d’un mortier
témoin et ce quelque soit l’âge d’essai (à 28 jours et à 3 mois).
L’augmentation de la surface spécifique de 3500 cm2/g à 4200 cm2/g améliore nettement
les résistances mécaniques pour le mortier contenant jusqu’à 30 % de laitier (résistances
comparables à celles d’un mortier témoin).
La faiblesse de résistances aux jeunes âges peut être compensée par la mouture très fine
du laitier, sinon elle ne peut être compensée qu’avec le temps.
Ce résultat confirme le rôle physique du laitier finement broyé qui consiste à remplir les
vides entre les grains de ciment (de l’ordre du micron). Ce remplissage fait augmenter la
compacité du mortier et par conséquent sa résistance.
Aussi, il ne faut pas négliger le rôle chimique du laitier qui consiste à améliorer la
microstructure de la pâte en fixant la Portlandite Ca(OH)2 libérée par l’hydratation du ciment,
cette dernière se présente sous forme de plaquettes de faibles résistances. Cette réaction
pouzzolanique donne naissance à un deuxième silicate de calcium hydraté supplémentaire (C-SH),
principal
responsable
du
durcissement
de
la
pâte
de
ciment
[ C a (OH ) 2 + S i O2 + H 2 O → CSH ].
1 è re fin e s s e (3 5 0 0 c m 2 /g ) à 7 jo u rs
2 è m e fin e s s e (4 2 0 0 c m 2 /g ) à 7 jo u rs
1 è re fin e s s e (3 5 0 0 c m 2 /g ) à 2 8 jo u rs
2 è m e fin e s s e (4 2 0 0 c m 2 /g ) à 2 8 jo u rs
1 è re fin e s s e (3 5 0 0 c m 2 /g ) à 9 0 jo u rs
2 è m e fin e s s e (4 2 0 0 c m 2 /g ) à 9 0 jo u rs
Résistance à la compression (MPa)
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
T e n e u r e n la itie r (% )
Figure 5. Résistance à la compression du mortier en fonction de la teneur
en laitier et de la finesse du ciment.
95
Lebanese Science Journal, Vol. 7, No. 2, 2006
Résistance à la flexion (MPa)
8
6
4
1 è re fin e s s e (3 5 0 0 c m 2 /g ) à 7 jo u rs
2 è m e fin e s s e (4 2 0 0 c m 2 /g ) à 7 jo u rs
1 è re fin e s s e (3 5 0 0 c m 2 /g ) à 2 8 jo u rs
2 è m e fin e s s e (4 2 0 0 c m 2 /g ) à 2 8 jo u rs
1 è re fin e s s e (3 5 0 0 c m 2 /g ) à 9 0 jo u rs
2 è m e fin e s s e (4 2 0 0 c m 2 /g ) à 9 0 jo u rs
2
0
0
10
20
30
40
50
T e n e u r e n la itie r ( % )
Figure 6. Résistance à la flexion du mortier en fonction de la teneur
en laitier et de la finesse du ciment.
CONCLUSION
Ce travail montre que l’incorporation progressive du laitier granulé entraîne une
diminution des résistances mécaniques. Toutefois, à l’âge de 28 jours et 90 jours, les mortiers
contenant jusqu’à 30% du laitier avec une finesse de 3500 cm²/g atteindront des résistances
comparables à celles d’un mortier témoin sans ajout. Contrairement à la quantité de 45%, la
présence d’un taux de remplacement ≥ 30% du laitier, permet d’obtenir un mortier de résistance
acceptable et faire ainsi une économie de clinker.
Les mortiers contenant 15% de laitier avec une finesse de l’ordre de 4200 cm²/g ont des
résistances mécaniques supérieures à celles d’un mortier témoin. L’augmentation de la surface
spécifique de 3500 cm²/g à 4200 cm²/g améliore les résistances mécaniques pour le mortier
contenant jusqu’à 30% de laitier (résistances comparables à celles d’un mortier témoin).
REMERCIEMENTS
Les auteurs adressent leurs remerciements au Directeur du Laboratoire du Centre des
Etudes Technologiques et de l’Industrie des Matériaux de Boumerdes (C.E.T.I.M) pour le soutien
matériel et financier apporté à ce travail.
REFERENCES
Barnett, S.J., Soutsos, M.N., Millard, S.G. & Bungey, J.H. 2006. Strength development of
mortars containing ground granulated blast-furnace slag : Effect of curing temperature
and determination of apparent activation energies. Cement and Concrete Research, 36:
434-440.
Behim, M., Redjel. B. & Jauberthie, R. 2002. Réactivité du laitier de haut fourneau d’Annaba en
substitution partielle du ciment. Journal de Physique IV, 12 : 223-228.
Lebanese Science Journal, Vol. 7, No. 2, 2006
96
Ergul, Y., Cengiz Duran, A. & Alaettin, K. 2004. High strength lightweight concrete made with
ternary mixtures of cement fly ash silica fume and scoria aggregate. Turkish Journal of
Engineering and Environmental Sciences, 28: 95-100.
Huiwen, W., Zhonghe, S. & Zongshou, L. 2004. Analysis of geometric characteristics of GGBS
particles and their influences on cement properties. Cement and Concrete Research,
34: 133-137.
Oner, M., Eadogdu, K. & Gunlu, A. 2003. Effect of components fineness on strength of blast
furnace slag cement. Cement and Concrete Research, 33: 463-469.
Richardson, J.T.G. & Haynes, D.J. 2001. Slag bound materials in composites roads. Society of
Chemical Industry, 5: 1-16.