LISTE DES FIGURES Effet granulaire Effet physico-chimique et microstructural Effet chimique 21

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2 Remerciements Que toutes celles et tous ceux qui ont contribué de loin ou de près à ces travaux de recherche, trouvent ici le témoignage de ma plus sincère gratitude. Tout d'abord, un énorme et chaleureux merci à Jean-Louis Gallias, mon directeur de thèse, qui a su me faire partager son savoir-faire et sa rigueur scientifique qui m'ont été très précieux pour la réalisation des essais, l'analyse des résultats et la rédaction de ce mémoire. Merci pour sa très grande disponibilité, sa bonne humeur, ses encouragements et son soutien moral dans tes moments les plus difficiles de la thèse. Un grand merci à Jean-Pilippe Bigas pour avoir encadré et suivi ce travail, et pour ses discussions constructives et ses nombreux conseils. Merci beaucoup pour tout le temps qu'il m'a consacrée et pour tes nombreux encouragements. Je tiens également à remercier Richard Cabrillac qui a accepté de lire et de critiquer mon travail et qui m'a fait l'honneur de présider le jury. Je souhaite exprimer mes remerciements à Gilles Escadeillas et à Kamal Khayat pour l'intérêt qu'ils ont porté à ces travaux et pour avoir accepté la lourde tâche d'en être les rapporteurs. Je suis également très reconnaissante à François De Larrard de sa participation au jury. Enfin merci aux précieux amis que j'ai pu me faire à l'université de Cergy : Nathalie, Khadija et Vincent. Je les remercie pour leur écoute, leur gentillesse, leur soutien permanent et leurs encouragements jusqu'aux derniers moments. Les années passées ensemble resteront inoubliables. Enfin, je souhaite exprimer mes plus chaleureux remerciements à ceux qui ont été là en toutes circonstances et qui m'ont encouragée depuis toujours : mes parents, mes frères et sœurs, Abdelhakim, Rédha et Imad.

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4 Table des matières REMERCIEMENTS 3 LISTE DES FIGURES 9 LISTE DES TABLEAUX 15 CHAPITRE 1 SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE ACTION DES ADDITIONS MINERALES SUR LES MATERIAUX CIMENTAIRES Effet granulaire Effet physico-chimique et microstructural Effet chimique PRISE EN COMPTE DANS LA FORMULATION DES BETONS DE LA CONTRIBUTION DES ADDITIONS A L'ACTIMTE LIANTE Point de vue de la normalisation européenne et française Définition des caractéristiques des additions Utilisation des additions dans le béton Commentaires Point de vue des études récentes sur les additions minerales Prise en compte des additions sur la résistance en compression Commentaires 1.3 CONCLUSION CHAPITRE 2 METHODOLOGIE EXPERIMENTALE POUR L'EVALUATION DE LA CONTRIBUTION LIANTE DES ADDITIONS MINERALES DANS LES MORTIERS PRINCIPES DE LA METHODOLOGIE EXPERIMENTALE Règles de formulation des mortiers avec additions Détermination du besoin en adjuvant induit par les additions dans tes mortiers Critères de choix des matériaux et des configurations expérimentales 2.2 CARACTERISTIQUES DES MATERIAUX DE L'ETUDE Additions minérales Ciments Sable Adjuvant fluidifiant 2.3 MISE AU POINT DES FORMULATIONS Caractéristiques des mortiers de référence sans additions Mortiers adjuvantes Mortiers non adjuvantés

5 6 Table des matières Evaluation de l'action de l'adjuvant fluidifiant sur le besoin en eau et la porosité initiale des mortiers de référence Caractéristiques des mortiers avec additions Mortiers adjuvantés Mortiers non adjuvantés Evaluation de I'effet granulaire des additions par la modification du besoin en eau et du besoin en adjuvant des mortiers SYNTHESE 63 CHAPITRE 3 EFFET DES ADDITIONS MINERALES SUR LE BESOIN EN ADJUVANT ET SUR LE BESOIN EN EAU EFFET DES ADDITIONS MINERALES SUR LE BESOIN EN ADJUVANT Influence de la quantité et des caractéristiques des additions Influence du type de ciment Influence du dosage en liant EFFET DES ADDITIONS MINERALES SUR LE BESOIN EN EAU Influence de la quantité et des caractéristiques des additions Influence du type de ciment Influence du dosage en liant RELATION ENTRE LA MODIFICATION DU BESOIN EN ADJUVANT ET LA MODIFICATION DU BESOIN EN EAU CONCLUSION 85 CHAPITRE 4 CONTRIBUTION DES ADDITIONS MINERALES A LA POROSITE ET AUX RESISTANCES MECANIQUES PROCEDURES EXPERIMENTALES Confection des éprouvettes Détermination de la porosité ouverte Détermination des r8sistances mécaniques 4.2 ETUDE DE LA POROSITE Méthode d'analyse des résultats lnfluence de la quantité et des caractéristiques des additions lnfluence du type de ciment et de son dosage lnfluence de I'effet granulaire des additions Synthèse 4.3 ETUDE DES RESISTANCES MECANIQUES Méthode d'analyse des résultats lnfluence de la quantité et des caractéristiques des additions Résistance en compression Résistance en flexion Evaluation de la contribution des additions a la résistance en compression Evaluation sur la base du coefficient k

6 Table des matières Evaluation sur la base de l'amélioration relative de la résistance en compression Influence de l'effet granulaire des additions Synthèse 4.4 ETUDE DE LA RELATION ENTRE LA POROSITE ET LA RESISTANCE EN COMPRESSION 4.5 CONCLUSION CHAPITRE 5 EFFET DES ADDITIONS MINERALES SUR LES PROPRIETES DE TRANSFERT PROPRIETES DE TRANSFERT Milieu poreux - structure poreuse Absorption capillaire Description de l'essai Grandeurs associées Perméabilité à l'azote Description de l'essai Grandeurs associées Synthèse 5.2 OPTIMISATION DU PRECONDITIONNEMENT DES EPROUVErrES lnfluence du préconditionnement Mise au point d'un préconditionnement optimisé Effet de la dimension des éprouvettes Effet de la durbe de sbchage Synthése 5.3 ETUDE DES PROPRIETES DE TRANSFERT Cinétique de l'absorption capillaire Influence des paramètres de formulation Relation entre I'absorptivité et la perm6abilité au gaz Relations entre les propriétés de transfert et la porosité Relations entre les propriétés de transfert et la résistance en compression 5.4 CONCLUSION CHAPITRE 6 CONTRIBUTION DES ADDITIONS MINERALES A LA RESISTANCE CHIMIQUE DES MORTIERS 6.1 DEGRADATION DES MATERIAUX CIMENTAIRES PAR LE NITRATE D'AMMONIUM Mécanisme de dégradation Cinétique de dégradation Protocole expérimental adopté 6.2 INFLUENCE DE LA QUANTITE ET DES CARACTERlSTlQUES DES ADDITIONS 6.3 RELATIONS ENTRE LA RESISTANCE CHlMlQUE ET LES PROPRIETES DE TRANSFERT 6.4 RELATION ENTRE LA RESISTANCE CHIMIQUE ET LA POROSITE 6.5 RELATION ENTRE LA RESISTANCE CHIMIQUE ET LA RESISTANCE EN COMPRESSION

7 8 Table des matières 6.6 INFLUENCE DU DOSAGE EN CIMENT 6.7 CONCLUSION CONCLUSION GENERALE 21 9 PERSPECTIVES 225 BIBLIOGRAPHIE 227

8 Liste des figures Figure 1.1 : Amélioration de la consistance d'un béton en fonction du pourcentage de fumée de silice ajoutée pour différentes valeurs du rapport eaulliant selon Kwan [KWA Figure 1.2 : Réduction de la demande en eau apportée par l'introduction de deux cendres volantes 1 et 2 dans une formulation de béton selon Lewandowski [LEW Figure 1.3 : Variation du besoin en eau des pâtes CEM Il-addition à consistance normalisée en fonction de la teneur relative en addition [KAR Figure 1.4 : Schéma de principe du calcul des effets physico-chimique et microstructural et chimique (d'après Lawrence [LAW 001). 28 Figure 1.5 : Comparaison des effets de ta substitution massique et substitution volumique de 25% de ciment par la fumée de silice dans un mortier normal. 3 1 Figure 2.1 : Principes des formulations de mortiers avec additions à quantité d'eau et à consistance constante. 36 Figure 2.2 : courbes granulométriques des additions. 40 Figure 2.3 : Morphologie des grains des quatre additions. 41 Figure 2.4 : Variation du besoin en eau du mortier sans addition confectionné avec le ciment CEM I en fonction de la quantité d'adjuvant introduite (maniabilité maintenue constante à 10kIs). 47 Figure 2.5 : Réduction du besoin en eau des mortiers de référence par l'adjuvant fluidifiant Figure 2.6 : Relation entre la porosité initiale des mortiers de référence adjuvantés et non adjuvantés et leur besoin en eau. 52 Figure 2.7 : Variation du temps d'écoulement au maniabilimètre LCL en fonction de la quantité d'adjuvant des mortiers. 55 Figure 2.8 : Comparaison de la compacité des mortiers déterminée par deux modes de serrage : vibration et table à chocs. 57 Figure 2.9 : Variation de la porosité initiale en fonction du besoin en eau des séries de mortiers avec additions non adjuvantés. 59 Figure 2.10 : Variation du temps d'écoulement au maniabilimètre LCL en fonction de la quantité d'eau des mortiers. 60

9 10 Liste des fiaures Figure 2.11 : Mise en évidence de l'effet granulaire par la variation du besoin en eau des mortiers non adjuvantes en fonction de la quantité d'addition introduite. 6 1 Figure 2.12 : Mise en évidence de l'effet granulaire par la variation du besoin en adjuvant des mortiers en fonction de la quantité d'addition introduite. 63 Figure 3.1 : Variation du dosage en adjuvant fluidifiant des différentes séries de mortiers en fonction du dosage en addition minérale. 68 Figure 3.2 : lnfluence de la surface spécifique BET des additions sur la modification du besoin en adjuvant des mortiers. 70 Figure 3.3 : lnfluence du type de ciment sur la modification du besoin en adjuvant engendrée par les additions dans les mortiers. 72 Figure 3.4 : lnfluence du dosage en liant sur la modification du dosage en adjuvant engendrée par les additions dans les mortiers à quantité d'eau constante. 74 Figure 3.5 : lnfluence du dosage en liant sur la modification du dosage en adjuvant engendrée par les additions dans les mortiers à quantité d'eau constante. 76 Figure 3.6 : Besoin en eau des mortiers non adjuvantés en fonction du dosage en addition minérale. 78 Figure 3.7 : lnfluence du type de ciment sur la modification du besoin en eau engendrée par les additions dans les mortiers non adjuvantés. 80 Figure 3.8 : lnfluence du dosage en liant sur la modification du besoin en eau engendrée par les additions dans les mortiers non adjuvantés. 8 1 Figure 3.9 : Modification du besoin en eau en fonction de la modification du besoin en adjuvant engendrées par les additions dans les mortiers. 83 Figure 3.10 : Modification du besoin en eau en fonction de la modification du besoin en adjuvant engendrées par les additions dans les mortiers. 85 Figure 4.1 : Variation théorique de la porosité des mortiers durcis en fonction du taux de substitution du ciment par un matériau sans effets physico-chimique, microstructural ou chimique. 92 Figure 4,2 : Porosité ouverte à 28 jours des mortiers adjuvantés en fonction de la quantité d'addition minérale. 96 Figure 4.3 : Contribution des additions a la porosité des mortiers en fonction de la quantité d'addition minérale. 97

10 Liste des figures 11 Figure 4.4 : lnfluence du type de ciment sur la contribution des additions à la porosité ouverte des mortiers. 1 O0 Figure 4.5 : lnfluence du dosage en ciment sur la contribution des additions à la réduction de la porosité ouverte des mortiers. 1 O1 Figure 4.6 : Contribution des additions minérales à la réduction de la porosité des mortiers adjuvantés en fonction de la modification du besoin en eau des mortiers non adjuvantés. 102 Figure 4.7 : Représentation schématique de la contribution de I'addition à I'amélioration de la résistance en compression des mortiers durcis en fonction du taux de substitution du ciment Figure 4.8 : Variation de la résistance en compression à 28 jours des mortiers adjuvantés en fonction de la quantité d'addition Figure 4.9 : Variation relative de la résistance en compression à 28 jours des mortiers adjuvantés en fonction du taux de substitution du ciment par l'addition. 110 Figure 4.10 : Variation de la résistance en flexion à 28 jours des mortiers adjuvantés en fonction de la quantité d'addition. 112 Figure 4.11 : Relation entre la résistance relative en compression et en flexion à 28 jours des mortiers adjuvantes. 113 Figure 4.12 : Coefficient k des additions calculé à partir du modèle de Bolomey en fonction du taux de substitution du ciment par l'addition. 115 Figure 4.13 : Contribution des additions minérales à I'amélioration relative de la résistance en compression à 28 jours des mortiers en fonction du taux de substitution du ciment. 118 Figure 4.14 : Influence du type de ciment sur I'amélioration relative de la résistance en compression à 28 jours des mortiers. 120 Figure 4.15 : Variation de la résistance en compression à 28 jours en fonction de la quantité d'eau contenue dans le mortier figure 4.16 : Réduction de la résistance en compression relative entre les morüers adjuvanté et non adjuvanté de composition analogue en fonction de la différence de la quantité d'eau dans leur composition. 124 Figure 4.17 : Variation de la résistance en compression à 28 jours des mortiers non adjuvantés en fonction du facteur de compacité de Bolomey. 125

11 12 Liste des figures Figure 4.18 : Variation de la résistance en compression à 28 jours des mortiers non adjuvantés en fonction de la quantité d'addition. 127 Figure 4.19 : Confrontation résultats expérimentaux et modèles de la relation porositb-résistance en compression des bétons selon Kumar [KUM Figure 4.20 : Variation de la résistance en compression à 28 jours en fonction de la porosité accessible à l'eau des mortiers Figure 4.21 : Variation de la résistance en compression à 28 jours en fonction de la contribution du couple ciment-addition à la réduction de la porosité des mortiers. 133 Figure 4.22 : Relation entre la contribution des additions a l'amélioration de la résistance en compression et la contribution au remplissage de la porosité des mortiers à 28 jours. Figure 5.1 : Représentation schématique d'un solide poreux. 141 Figure 5.2 : Illustration de la tortuosité du béton traversée par un fluide (d'après Perraton [PER 921)- 142 Figure 5.3 : Répartition des pores dans le béton [BAL Figure 5.4 : Dispositif expérimental de l'essai d'absorption capillaire. 144 Figure 5.5 : Représentation schématique de la cinétique d'absorption d'eau. 146 Figure 5.6 : Schéma de principe du perméamètre à air (d'après Kolleck [KOL 891). 148 Figure 5.7 : Profil des vitesses d'un gaz dans un capillaire Figure 5.8 : Relation entre perméabilité apparente et I'inverse de la pression moyenne d'écoulement. Evaluation, par extrapolation, de la perméabilité intrinsèque (d'après Dranchuck et Sadiq [DRA 651) Figure 5.9 : Relation théorique entre la perméabilité à I'eau et celle aux gaz, pour différents paliers de pression, dérivée de l'équation de Klinkenberg (d'après Barnforth [BAM Figure 5.10 : Relation entre perméabilité apparente et I'inverse de la pression moyenne d'écoulement Figure 5.11 : La perméabilité des BHP en fonction du taux de saturation pour différentes configurations expérimentales [AFR 97b] Figure 5.12 : Représentation schématique de la pénétrabilité d'un gaz dans la porosité d'un béton [NIL

12 Liste des figures 13 Figure 5.13: Coefficients d'absorption capillaire en fonction de la racine carrée du temps des trois éprouvettes du mortier Cl H+50%CA pour la configuration expérimentale Nol Figure 5.14: Front d'absorption capillaire au sein des éprouvettes de modier Cl H+50%QZ Figure 5.15: Effet de la durée de séchage sur les mesures des coefficients d'absorption sur des éprouvettes cp 11x8 cm Figure 5.16 : Variation du coefficient d'absorption en fonction de la racine carrée du temps de l'ensemble des formulations de mortiers riches en liant. 172 Figure 5.17 : Variation du coefficient d'absorption en fonction de la racine carrée du temps de l'ensemble des formulations de mortiers pauvres en liant. 173 Figure 5.18 : Variation de I'absorptivité à 4 heures des mortiers en fonction du dosage en addition minérale Figure 5.19 : Variation de la perméabilité des mortiers en fonction de la teneur en addition minérale. 177 Figure 5.20 : Variation de I'absorptivité en fonction de la perméabilité de l'ensemble des formulations de mortiers Figure 5.21 : Variation de I'absorptivité à 4 heures en fonction de la porosité ouverte des mortiers. 180 Figure 5.22 : Influence de l'addition de laitier et de cendres volantes sur l'évolution des caractéristiques porométriques des pâtes au cours du temps (d'après Feldman [FEL Figure 5.23 : Variation de la perméabilité des mortiers en fonction de leur porosité ouverte Figure 5.24 : Diagrammes schématiques montrant tes différents cas de figures de la relation entre la porosité et la perméabilité ABB Figure 5.25 : Variation de I'absorptivité en fonction de la réduction de la porosité par I'hydratation du couple ciment-addition Figure 5.26 : Variation de la perméabilité en fonction de la réduction de la porosité par l'hydratation du couple ciment-addition. 186 Figure 5.27 : Variation de I'absorptivité à 4 heures des mortiers en fonction de la résistance en compression à 28 jours. 189 Figure 5.28 : Variation de la perméabilité des mortiers en fonction de la résistance en compression 28 jours. 1 90

13 14 Liste des fiaures Figure 5.29 : Corrélation entre la perméabilité de bétons, réalisés avec des ciments composés aux cendres volantes ou au laitier, et leur résistance mécanique (d'après Lawrence [LAW 861). 191 Figure 6.1 : Zonation d'une pate de ciment Portland (EIC=0,4) après dégradation à I'eau déionisée a ph7 [ADE 921, C-S-Hd=C-S-H décalcifiés. 198 Figure 6.2 : Evolution de l'épaisseur dégradée en fonction de la racine carrée du temps (d'après Carde [CAR 961). 200 Figure 6.3 : Profondeur dégradée par la solution de nitrate d'ammonium en fonction du dosage en addition. 204 Figure 6.4 : Variation de ta profondeur dégradée en fonction de I'absorptivité a 4 heures Figure 6.5 : Variation de la profondeur dégradée en fonction de la perméabilité. 207 Figure 6.6 : Profondeur dégradée par la solution de nitrate d'ammonium en fonction de la porosité ouverte à l'eau. 209 Figure 6.7 : Profondeur dégradée par la solution de nitrate d'ammonium en fonction de la réduction de la porosité Figure 6.8: Profondeur dégradée par la solution de nitrate d'ammonium en fonction de la résistance en compression à 28 jours. 213 Figure 6.9 : Profondeur dégradée par la solution de nitrate d'ammonium en fonction du dosage en ciment. 215

14 Liste des tableaux Tableau 1.1 : Coefficient de prise en compte des additions dans la formulation du béton lorsqu'un ciment de type CEM I est utilisé, selon la norme EN Tableau 1.2 : Coefficient de prise en compte des additions dans la quantité de liant équivalent lorsqu'un ciment de type CEM I est utilisé, selon la norme P Tableau 2.1 : Caractéristiques minérales, granulaires et texturales des additions. 39 Tableau 2.2 : Composition chimique et minéralogique des additions. 40 Tableau 2.3 : Caractéristiques granulométriques des additions. 40 Tableau 2.4 : Caractéristiques physiques et mécaniques des ciments. 42 Tableau 2.5 : Composition chimique des ciments (%). 43 Tableau 2.6 : Composition minéralogique du clinker selon Bogue. 43 Tableau 2.7 : Parametres de formulation des mortiers de référence adjuvantés (à consistance et A quantité d'eau fixées). 45 Tableau 2.8 : Composition des mortiers de référence non adjuvantés (à consistance fixée). -50 Tableau 2.9 : Parametres de formulation des séries de mortiers adjuvantés avec additions. -53 Tableau 2.10 : Paramètres de formulation des mortiers non adjuvantés avec additions. 58 Tableau : configurations expérimentales des mortiers adjuvantés et non adjuvantés. 6 5 Tableau 4.1 : Capacité de remplissage de la porosité des mortiers de référence par l'hydratation du ciment à 28 jours. 94 Tableau 4.2 : Coefficients d'amélioration relative de la résistance en compression, m. 119 Tableau 4.3 : coefficients d'amélioration relative de la résistance en compression des mortiers non adjuvantés, m. 126 Tableau 5.1 : Configurations expérimentales étudiées. 161 Tableau 5.2 : Effet de la dimension des éprouvettes (configurations expérimentales 1 et 2) Tableau 5.3 : Perte de masse et absorptivité des formulations de la configuration expérimentale n

15 16 Liste des tableaux Tableau 5.4 : Effet de la durke de séchage sur des éprouvettes 0 11x8 cm. 167 Tableau 6.1 : Produit de solubilité des principaux hydrates du ciment durci (d'après Karnali [KAM 031). 199

16 CHAPITRE 1 SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE L'objectif de cette synthèse bibliographique est de passer en revue les connaissances actuelles les plus pertinentes sur l'action des additions minérales dans les matériaux cimentaires afin d'éclaircir en particulier la façon dont elles contribuent à l'activité liante du ciment et comment cette contribution liante est prise en compte dans les méthodes de formulation des mortiers ou des bétons avec additions minérales. Notre recherche bibliographique s'appuie sur les études les plus récentes dans le domaine ainsi que sur la normalisation française et européenne dont la lecture critique a permis de dégager les principaux arguments sur lesquels nous appuyons notre approche méthodologique pour la formulation des mortiers incorporant des additions minérales. Les données bibliographiques spécifiques concernant le rôle des additions minérales sur les propriétés physiques et de transfert des matériaux cimentaires ainsi que sur les paramètres de durabilité, sont présentées et analysées dans les chapitres correspondants (chapitres 4,5 et 6). 1.1 ACTION DES ADDITIONS MINERALES SUR LES MATERIAUX CIMENTAIRES La norme européenne EN (NF P ) de février 2002 définit les additions comme des a matériaux minéraux finement divisés utilisés dans le béton afin d'améliorer certaines de ses propriétés ou pour lui conférer des propriétés particulières B. L'action des additions conceme aussi bien I'état frais que I'état durci du béton. En premier lieu, a I'état frais, la présence des additions modifie la structure du squelette granulaire du matériau et les frictions entre les composants de la suspension solide dans la phase liquide. En second lieu, au cours de la prise et du durcissement, les particules des additions interagissent dans le processus d'hydratation du ciment et peuvent modifier ta structuration des produits hydratés. En troisième lieu, certaines additions ont la capacité de réagir chimiquement en milieu cimentaire pour former de nouveaux produits hydratés qui présentent un caractère liant additionnel à celui résultant de l'hydratation du ciment et que les anglo-saxons précisent sous le

17 18 Synthèse bibliographique terme de (( supplementary cementitious materials D. De plus, ces différents aspects de l'action des additions peuvent intervenir de manière simultanée rendant particulièrement difficile l'évaluation de la contribution des additions minérales aux performances des matériaux cimentaires. Toutefois, pour une première analyse de l'action des additions minérales, nous pouvons distinguer trois principaux effets que nous développons par la suite : - un effet granulaire agissant sur les propriétés rhéologiques et la compacité des matériaux cimentaires à l'état frais, - un effet physicochimique et microstructural agissant sur l'évolution de l'hydratation du ciment au cours de la prise et du durcissement, - un effet chimique agissant également au cours de I'hydratation du ciment et interagissant fortement avec I'effet physico-chimique et microstructural. L'effet granulaire concerne toutes les modifications induites par la présence de particules fines ou ultrafines au sein du squelette solide du mélange cimentaire frais en présence d'eau et éventuellement d'adjuvant. D'une part, ces modifications résultent de la capacité d'empilement des particules de l'addition avec les autres grains solides du mélange et, d'autre part, de l'intensité des frictions entre les particules de I'addition et les autres grains solides du mélange. Ainsi, I'effet granulaire agit dès le malaxage sur toutes les étapes de la mise en œuvre des matériaux cimentaires avec additions (le transport, la mise en place et le serrage) et influe sur la densité du squelette granulaire ainsi que sur la capacité d'écoulement et la stabilité des mélanges frais. Lorsque les particules des additions modifient peu les frictions intergranulaires dans les mélanges cimentaires, l'effet granulaire peut avoir des conséquences favorables dans la mesure où les particules des additions parviennent à remplir les porosités du squelette granulaire (ciment et granulat), et a libérer l'eau habituellement contenue dans les espaces intergranulaires. Cet arrangement favorable optimisé conduit, soit à l'amélioration de la consistance du mélange frais du moment que la quantité d'eau reste constante (figure 1.1), soit a la réduction de la quantité d'eau nécessaire pour obtenir une consistance donnée (figure 1.2). Dans t'hypothèse où la quantité d'eau est diminuée, la compacité du mélange et ses performances mécaniques sont améliorées.

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20 Chapitre 1 21 granulaire et, par voie de conséquence, influe sur le processus d'hydratation du ciment ainsi que sur le développement et l'intensité des effets physico-chimique, microstructural et chimique des additions minérales. I.I.2 EFFET PHYSICO-CHIMIQUE ET MICROSTRUCTURAL L'effet physico-chimique et microstructural concerne les modifications induites par la présence des particules d'additions minérales sur le processus d'hydratation du ciment et sur la structuration des produits hydratés. II n'est plus à démontrer [FEL 851 [GUT 901 [NEV 001 [KAR 021, que les additions jouent le rôle de sites de nucléation préférentiels au cours des réactions d'hydratation du ciment, permettant une meilleure répartition des produits hydratés et conduisant ainsi à une structuration plus efficace de la matrice cimentaire. Pour les additions calcaires, par exemple, il semble que la présence de carbonate de calcium (CaC03) favoriserait l'hydratation du C3S dès les premiers instants et ceci d'autant plus que les particules sont fines et que la quantité de CaC03 est grande (jusqu'à 15 à 20% en masse) [CAR OOj [JIA 961. Quant aux additions siliceuses, les particules de quartz, par exemple, pourraient constituer des sites préférentiels de nucléation en particulier pour la cristallisation des cristaux de portlandite [BEN 991. Ainsi la présence de l'addition provoque une accélération des réactions d'hydratation du ciment, ceci d'autant plus que les particules sont fines [CAR 001. Toutefois, cet effet tend à devenir négligeable aprés 28 jours [HUS 911. II en résulte que l'effet physico-chimique et microstructural des additions minérales agit essentiellement sur l'évolution des résistances mécaniques aux jeunes âges et sur les propriétés physiques et microstructurales des matériaux cimentaires durcis EFFET CHIMIQUE L'effet chimique concerne la capacité des additions, caractérisées par des propriétés pouzzolaniques etlou hydrauliques, à réagir avec l'eau et les constituants anhydres ou hydratés du ciment pour former de nouvelles phases minérales qui contribuent à la résistance mécanique au même titre que les produits hydratés du ciment. Cet effet bénéfique est fonction de nombreux

21 22 Synthèse bibliographique paramètres et peut se manifester à différents Ages en fonction de la composition chimique ou minéralogique de l'addition, de sa surface spécifique et du type de ciment. La réaction pounolanique concerne principalement les fumées de silice, les cendres volantes siliceuses (classe F), les pouzzolanes naturelles ou les schistes calcinés. La silice amorphe présente dans ces différentes additions réagit, en présence d'eau, avec la portlandite formée durant l'hydratation du ciment pour former des silicates de calcium hydratés C-S-H suivant la réaction suivante : - En pratique x 1,15 VAL 991. II faut noter que les parücules les plus fines du quartz (considéré a priori comme inerte en milieu cimentaire) dont te diamètre est inférieur à 5 pm peuvent également présenter une activité pouuolanique similaire [BEN 991. Par ailleurs, pour les additions calcaires, la calcite (CaC03) réagit avec les aluminates du ciment (C3A, C&HI3) en présence d'eau pour former un mono-carboaluminate de calcium hydraté du type C3A. CaC HzO, cristallisant en fines plaquettes hexagonales [OLL 971. L'activitb hydraulique concerne plus particulierement les laitiers de haut fourneau et les cendres volantes calciques (classe C) qui, en raison du caractère basique du milieu cimentaire, peuvent produire des C - S - H dont le rapport C / S diffère de celui des C - S - H issus de la réaction pouuolanique. Toutefois, certaines additions peuvent présenter un effet chimique défavorable. En effet, il est rapporté que certaines cendres volantes peuvent avoir un effet retardateur de l'ordre d'une ou plusieurs heures sur la prise du ciment, probablement en raison de la libération de sulfates (so~-) présents à la surface des particules de cendres volantes. Ainsi, seul le début de prise est décalé, l'intervalle de temps entre la prise et le durcissement restant inchangé. Ce retard peut être avantageux dans le cas d'un bétonnage par temps chaud ; dans le cas contraire il peut être nécessaire d'utiliser un accélérateur de prise [NEV 001. II en résulte que l'effet chimique, lorsqu'il est favorable, est complémentaire à l'effet physicochimique et microsttuctural. Son action sur les propriétés du matériau durci se mesure par la modification du volume et de la nature des produits hydratés formés. Néanmoins, leur forte synergie empêche toute distinction claire entre ces deux effets. Pour cette raison, ces deux effets

22 Chapitre 1 23 peuvent &tre associés dans une notion unique plus large qui est celle de la contribution des additions minérales à I'activité liante du ciment. Dans la suite de ce travail, nous parlerons, donc, de contribution des additions à l'activité liante ou plus simplement de contribution liante des additions pour désigner la synergie des effets physico-chimique, microstructural et chimique sur les propriétés des matériaux cimentaires durcis. 1.2 PRISE EN COMPTE DANS LA FORMULATION DES BETONS DE LA CONTRIBUTION DES ADDITIONS A L'ACTIVITE LIANTE Les performances finales des matériaux cimentaires avec additions minérales (résistances mécaniques, propriétés physiques et performances de durabilité) dépendent de l'ampleur et du caractère (favorable ou défavorable) des trois effets décrits précédemment. Cependant, la majorité des études récentes sur le rôle des additions minérales ainsi que la normalisation actuelle se centrent essentiellement sur la contribution des additions à I'activité liante résultant de la synergie de I'effet physico-chimique et microstructural et de I'effet chimique sans tenir compte de l'ampleur et du caractère de I'effet granulaire. Nous proposons, donc, dans ce paragraphe de faire le point sur la prise en compte de la contribution liante des additions dans la formulation des bétons tant du point de vue du cadre réglementaire que du point de vue des études réalisées sur la formulation des mélanges cimentaires avec additions. Les relations entre la contribution à I'activité liante et I'effet granulaire des additions seront abordées dans la suite POINT DE VUE DE LA NORMALISATION EUROPEENNE ET FRANÇAISE Définition des caractéristiques des additions ta norme européenne EN (NF P ) de février 2002, distingue les additions en deux types : celles quasiment inertes (de type 1) et celles à caractère pouzzolanique ou à caractère hydraulique latent (de type il).

23 24 Synthèse bibliographique Comme additions de type I sont considérés en premier lieu les fillers dont les caractéristiques spécifiques sont déteminées par la pré-nome pren (2000) ainsi que les pigments pour le béton conformes à la norme EN Comme additions de type II sont considérées les fumées de silice conformes à la pré-norme pren (1998) et les cendres volantes conformes à la norme EN 450. Par ailleurs, le cadre normatif français propose six matériaux minéraux répondant a la définition (( additions pour béton hydraulique )) a savoir : P Additions de type I selon la norme EN Les additions calcaires (NF P l8308), - Les additions siliceuses (NF P ), - Les fillers (NF P ), > Additions de type II selon la norme EN : - La fumée de silice (NF P ), - Les cendres volantes de houille (NF P 18505), - Le laitier vitrifié moulu de haut fourneau (NF P ), Utilisation des additions dans le béton La norme européenne EN sur le béton définit les conditions de prise en compte des additions minérales en substitution partielle du ciment dans la formulation des bétons. Elle définit deux concepts : le concept du coefficient k et le concept de performances Aquivalentes. En ce qui concerne le premier concept, cette nome définit un coefficient forfaitaire, k, de prise en compte des additions minerales qui spécifie des valeurs limites applicables à la composition et aux propriétés du béton concernant la teneur en ciment minimale, le rapport EIC maximal à respecter selon les classes d'exposition de l'ouvrage. Ainsi, en présence d'addition, le rapport eaulciment est remplacé par le rapport eaul(ciment + k addition). Ce coefficient est déterminé pour les cendres volantes et les fumées de silice avec tous les types de ciments. Dans le cas où le ciment utilisé est de type CEM 1, des valeurs du coefficient de prise en compte sont déterminées dans la normalisation spécifique (tableau 1.1).

24 Chapitre 1 25 Tableau 1.1 : Coefficient de ri se en com~te des additions dans la formulation du béton lorssu'un ciment de type CEM I k t utilisé, selon la norme EN Type de l'addition Cendres volantes (CW Coefficient k 0'2 0'4 conditions particulières teneur relative CV/(CV + C) < 33% c+cv>c* si le ciment est CEM 132,s si le ciment est CEM I 42,5 et classes supérieures teneur relative FS/(FS + C) 5 11 % Fumées de silice (FS) C + k FS > C&~,"d si environnements exposés à la carbonatation ou au gelldégel et E/C > 0,45 pour les autres environnements si EIC > 0,45 si E/C < 0,45 Par ailleurs, la norme française P sur le béton prét à l'emploi permet d'étendre le concept du coefficient k aux laitiers de haut fourneau, additions calcaires et aux fiilers siliceux lorsque ces additions sont substituées à un ciment de type CEM I classe 42,5 et supérieure. Ce coefficient détermine, ainsi, la quantité d'addition qui participe avec le ciment et au m&me titre que lui dans la notion du liant équivalent L, qui est défini comme suit : Où : C est la quantité du ciment dans le béton (kglm3), F est la quantité d'addition dans le béton (kglrns), k est un coefficient de prise en compte des additions dans le liant vis à vis de la durabilité, dépendant de la nature et de la teneur relative de l'addition, du type de ciment, et du dosage en eau. Tableau 1.2 : Coefficient de prise en compte des additions dans la quantité de liant équivalent lorçqu'un ciment de type CEM I est utilisé, selon la norme P T e de l'addition Coefficient k conditions articulières Laitier vitrifié moulu catégorie B Additions calcaires 0,25 indice d'activité i28 10,71 Fiilers siliceux

25 26 Synthbse bibliographique Le tableau 1.2 présente des valeurs du coefficient de prise en compte des additions qui différent de celles retenues dans le cadre de la norme EN En ce qui concerne, enfin, le concept de performance équivalente, ta norme européenne EN stipule que le béton avec addition minérale doit présenter des performances similaires à celles d'un béton de référence sans addition, en particulier vis$-vis des agressions de l'environnement et de sa durabilité. Elle fournit également des recommandations pour les limites applicables à la composition et aux propriétés du béton en fonction de la dasse d'exposition Commentaires Les différences constatées entre les définitions européennes et françaises, aussi bien sur la classification que sur la notion d'activité liante obligent le formulateur ou le prescripteur à effectuer un choix délicat parmi les notions présentées dans le cadre réglementaire. En effet, la norme EN stipule que le concept du coefficient k peut être appliqué à d'autres types de ciment et aussi à d'autres types d'addition dans la mesure ou l'aptitude a l'emploi est établie. Cependant, aucune méthodologie n'est proposée permettant d'établir cette aptitude à I'emploi. Sur ce point, la norme française P18-305, qui étend le domaine d'application du coeficient k aux laitiers de haut fourneau et aux additions calcaires, s'appuie sur des valeurs limites minimales d'un indice d'activité hydraulique h pour les premiers et d'un indice d'activité i pour les secondes. Ces deux indices sont définis à partir du rapport des résistances en compression à certains âges (7, 28 ou 90 jours) entre un mortier où l'addition a été introduite en substitution massique du ciment et un mortier normal de référence sans addition. Cependant, le taux de substitution du ciment est de 50% pour les laitiers et de 25% pour les additions calcaires. De plus, aucune relation entre l'indice d'activité i et le coefficient k n'est établie. II en résulte, donc, que le contexte normatif actuel ne propose pas de cadre méthodologique rigoureux et unique pour désigner le coefficient k d'un nouveau couple ciment-addition. De plus, aucune méthodologie expérimentale parmi les plus récentes ne tient compte de l'effet granulaire engendré par les additions. Pourtant, cet effet peut influencer significativement les indices d'activité obtenus. En effet, en l'absence d'une modification de la quantité d'eau du mortier avec addition par rapport au mortier de référence (selon la méthodologie normative actuelle), l'effet granulaire d'une addition s'il est fortement défavorable se traduira par une modification des propriétés théologiques agissant directement sur la capacité de serrage du mortier frais et

26 Chapitre 1 27 consécutivement sur la compacité du mortier durci et ses caractéristiques mécaniques, indépendamment de l'activité liante de I'addition. La conclusion qui ressort de l'analyse du contexte normatif actuel est que la contribution liante de certaines additions en présence de ciments de type CEM I est prise en compte dans la formulation par le biais d'un coefficient k forfaitaire. Cependant, d'importants obstacles méthodologiques subsistent pour élargir le concept de coefficient k à de nouveaux couples ciment-addition POINT DE VUE DES ETUDES RECENTES SUR LES ADDITIONS MINERALES Habituellement, la formulation des bétons sans additions est basée sur des relations empiriques qui relient les paramètres de formulation et les caractéristiques du béton. En France, les méthodes les plus utilisées telles que celle de Dreux [DRE 901 ou celle de Faury [FAU 531 permettent de définir la composition d'un béton courant à partir des exigences requises pour la résistance en compression et la consistance ou le dosage en ciment. Ces méthodes sont tout à fait adaptées lorsque l'on souhaite comparer des formulations en fonction de la variation des caractéristiques d'un composant du mélange par exemple la classe du ciment ou la granulométrie des granulats. Néanmoins, ces méthodes n'intègrent pas les notions liées à la durabilité du matériau vis-à-vis de son environnement. A ce jour, la formulation des mélanges avec additions minérales pose encore de nombreuses questions bien que des études approfondies aient vu le jour au cours de ces dernières années essayant de proposer des méthodologies de formulation prenant en compte la présence des additions minérales. L'objectif général de ces approches est d'optimiser leur quantité ou de définir des critères que I'addition doit présenter pour obtenir les propriétés rhéologiques et mécaniques requises pour le béton Prise en compte des additions sur la résistance en compression Lawrence [LAW 001 a proposé un schéma de principe pour t'évaluation de l'effet physicochimique et microstructural et de l'effet chimique sur la résistance en compression des mortiers présenté sur la figure 1.4. Ce schéma s'appuie sur l'étude de la contribution liante de trois additions minérales : les fillers calcaires, les fillers siliceux et les cendres volantes, et sur leur contribution à la résistance en compression à partir d'essais sur mortier. Chaque addition est

27 28 Synthèse bibliographique introduite en substitution massique du ciment en conservant le rapport massique eaul(cirnent + addition) constant. Un quartz grossier, désigné d'office sans contribution liante, est défini comme addition de référence, dont la résistance en compression (frf) qui sert de base de réff exion pour évaluer les effets chimique et physico-chimique des autres additions. L'effet physico-chimique (Af4) des additions présumées chimiquement inertes (quartz fin) est évalué comparativement aux mortiers a base de l'addition de référence. L'effet chimique (Af,) des cendres volantes est détermine comparativement aux mortiers avec une addition chimiquement inerte de même finesse que les cendres volantes. 1 Résistance fp Mortier avec addition activé Mortier avec addition chimiquement inerte & finesse identique à celle de l'addition active 4- Mortier avec addition de réfërence Figure 1.4 : Schéma de principe du calcul des effets physico-chimique et microstnictural et chimique (d'après Lawrence [LAW 001). Cette étude montre ainsi que la valeur du coefficient de prise en compte k des additions varie en fonction de l'âge et des paramétres de formulation (la nature, la finesse et la quantité d'addition, le type et le dosage en ciment, les dosages en eau et en granulats). Plusieurs études antérieures [CYR 001 [GOP 951 [BAB 961 confirment ce point de vue. II en ressort donc que le principe d'une valeur forfaitaire pour le coefficient k de prise en compte de la contribution liante des additions sur la résistance en compression des bétons semble inadapté et ne permet pas de prendre en compte t'ampleur et la variabilité des modifications induites par la présence des additions dans les mélanges cimenfaires. Une approche expérimentale différente a été proposée par Kara-Ali [KAR OZ] sur le même sujet. Ele concerne 18 additions minérales couvrant un large spectre de propriétés et porte sur l'influence des additions minérales sur le besoin en eau et les caractéristiques mécaniques des

28 Chapitre 1 29 mélanges cimentaires. L'auteur a choisi de travailler à caractéristiques rhéologiques constantes afin de mettre en évidence l'effet granulaire des additions minérales sur le besoin en eau des pâtes, des coulis et des mortiers. L'introduction des additions minérales est réalisée en substitution volumique afin de pouvoir comparer la densité de l'empilement des grains solides dans les différents mélanges. La contribution liante des additions est estimée indirectement en se basant sur des modèles prédictifs de résistances en compression proposés par Bolomey et Féret, et en prenant en compte les perturbations engendrées par ces additions sur la compacité de la matrice cimentaire. Les résultats confirment ceux obtenus par Lawrence quant Li l'impossibilité de définir un coefficient d'activité unique qui tienne compte des effets physico-chimique et éventuellement chimique des additions sur la résistance en compression des mortiers et des bétons. Autrement dit, la prise en compte des additions dans les modèles prédictifs pour la résistance en compression doit prendre en considération plusieurs caractéristiques des additions en plus de la nature du ciment, des principaux paramètres de formulation des bétons et de t'âge Commentaires II est important de noter en premier lieu que chaque étude parmi celles évoquées précédemment propose des méthodes expérimentales de formulation propres, les différences se situant particuliérement au niveau du mode d'introduction des additions minérales. II est donc difficile de comparer les résultats de ces études pour en tirer des informations quantitatives précises concernant la contribution liante des additions. En effet, dans la grande majorité des études publiées, et ceci conformément aux textes normatifs, l'introduction des additions minérales dans le mélange est effectuée en substitution massique du ciment. Dans ce cas, si la masse volumique absolue de I'additton est plus faible que celle du ciment, ce qui est généralement le cas, le volume absolu du liant (ciment+addition) croît proportionnellement au taux de substitution du ciment par I'addition. Si de plus, le rapport massique eaulliant reste constant, le rapport volumique eaulliant diminue et consécutivement la porosité du mélange frais. En conséquence, les modifications dans la matrice cimentaire sont d'autant plus importantes que le taux de substitution du ciment par I'addition augmente et que l'écart entre la masse volumique absolue du ciment et celle de I'addition est significatif. Ces modifications volumiques influent directement sur les résistances mécaniques. Elles ne peuvent être évitées que lorsque les additions sont introduites en substitution volumique du ciment.

29 30 Synthèse bibliographique Afin d'illustrer nos propos, nous avons choisi un exemple de comparaison entre la substitution de 25% de la masse du ciment et la substitution de 25% du volume absolu du ciment par une fumée de silice dans un mortier normal sans modifier la quantité d'eau (fgure 1.5). Pour cet exemple, nous considérons que le ciment est de type CEM I de masse volumique absolue, pc, égale à kglrn3, la masse volumique réelle du sable, ps, égale à 2650 kglm3, et la masse volumique absolue de la fumée de silice, p ~ égale, à 2200 kglm3. Nous rappelons que le mortier normal est constitué de 225 g d'eau (désignée E), de 450 g de ciment (C) et de 1350 g de sable (S). Le volume absolu de chaque composant du mortier est calculé par le rapport masse du wmposantlmasse volumique absolue ou réelle du composant. Nous constatons que lors de la substitution massique du ciment par la fumée de silice, le volume absolu du mortier augmente de 1,7% environ (de 879,6 à 894,4 cfi) alors que le rapport volumique eaulsolide diminue de 2,2% environ (de 225/(879,6-225) = 0, /(894,4-225) = 0,336 ). Ces variations deviennent quatre fois plus importantes si l'on fait abstraction du sable et on considère uniquement la matrice cimentaire du mortier (eau+ciment+addition). En revanche, dans le cas de la substitution volumique du ciment par l'addition, le volume absolu du mortier et le rapport volumique eaulsolide restent inchangés. Dans ce cas, la compacité du squelette granulaire et la porosité de la matrice cimentaire restent comparables à celles du mortier sans addition. Dans cette configuration, il devient alors possible de quantifier la contribution des additions à l'activité liante du ciment en comparant les performances du mortier avec additions à celles du mortier sans addition.

30 - - II* II * " Il. Il..- a à M B. O 0 a 8 E E c4 > > a" a" c-4 n n - n a a a a M M M M m a 0000 O O O V I O N - -

31 32 Synthèse bibliographique II est important de noter en second lieu que le mode d'introduction des additions n'est pas le seul obstacle pour la comparaison des études publiées. En effet, toutes les données de la littérature s'accordent pour constater qu'indépendamment du mode d'introduction, I'effet granulaire des additions modifie les propriétés rhéologiques des mélanges frais. Dès les premières études [SHA 951 [ZHA 951 [BAI 991 [COL 991 [DHI 881 [GAL 001 [KAR 021, I'effet des additions minérales sur le besoin en eau des mélanges cimentaires à caractéristiques rhéologiques constantes a été mis en évidence, conduisant selon les cas, soit à une augmentation, soit à une réduction de la quantité d'eau nécessaire au gachage. En conséquence, la compacité du squelette granulaire des mélanges est directement modifiée. D'autres études ont montré que la fluidité ou la consistance des mélanges étaient sensiblement modifiées si la quantité d'eau du mélange était maintenue constante [KWA 001. Dans ce cas, ce sont les conditions de mise en place et de serrage qui sont modifiées et indirectement la compacité du mélange frais dans les moules. II en résulte donc que la comparaison du comportement des mélanges avec et sans additions du point de vue quantitatif rend indispensable la maîtrise de I'effet granulaire des additions. II s'agit donc de tenir compte de la capacité d'empilement des particules de l'addition avec les autres composants solides du squelette granulaire mais également de l'intensité des frictions de ces particules en présence d'eau. La finesse et la morphologie des particules sont les principales caractéristiques influentes. En général, l'augmentation du besoin en eau ou la diminution de la capacité d'écoulement des mélanges cimentaires induites par les additions sont en pratique maîtrisées par l'utilisation d'adjuvants fluidifiants [ZHA 951 [BAI 991 [COL 991 [NEH 981 [FER 011. Ces derniers permettent de réduire les frictions entre les composants solides du mélange et de rompre les Rocs des particules les plus fines. Ils limitent ainsi la quantité de l'eau piégée dans les vides interstitiels et augmentent I'ouvrabilité du matériau. Bien que l'utilisation des adjuvants fluidifiants soit courante dans les bétons à hautes performances ou dans les bétons autoplapnts, la maîtrise du besoin en eau et de la fluidité des formulations reste basée sur l'expérience. Pour atteindre un état de fluidification donné, certains auteurs utilisent une quantité d'adjuvant de routine quelle que soit la formulation étudiée et ajustent la quantité d'eau en conséquence. D'autres fixent la quantité d'eau et modifient la quantité d'adjuvant de manière à obtenir la maniabilité souhaitée. Suivant les cas, l'adjuvant fluidifiant peut-être sous dosé ou surdosé. On ne dispose pas actuellement de relation entre I'effet granulaire des additions et les besoins en adjuvantation.