Formulation et propriété d un béton adjuvante par polycarboxylate

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1 Formulation et propriété d un béton adjuvante par polycarboxylate M. Adjoudj 1, 2, K. Ezziane 2, El. Kadri Centre universitaire de Tissemsilt, 38 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 []. 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 [].

2 II. Etude expérimentale II.1. Matériaux utilises Le ciment utilisé dans ce travail est un ciment portland composé (CEM II/42.) 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. Tableau 1 Caractéristiques du ciment CEM I 2. N CP2 Ciment Caractéristiques Composition SiO2 Al 2 O3 Fe 2 O3 CaO SO3 MgO K 2 O Na 2 O Chimique ,8,74.81,11 Composition C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF Minéralogique Composition Physique Début de prise Fin de prise Expansion (mm) Finesse de Blaine (cm 2 /g) 3hmn h4mn 1 36 Pour la présente étude, Deux types de superplastifiants ont été utilisés, ils sont fournis par l entreprise GRANITEX et commercialisés sous les noms Médaplast (4) à base de résines mélamines noté SP1; et le Médaflow () 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. Extrait sec % 39% Couleur Opaque Dark chestnut Le sable utilisé et un sable d oued de fraction /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 (8/1) 2, ,

3 9 8 Tamisat cumulé (%) 7 6 4,1,1 1 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 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-. Une balance électronique avec une précision de.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.6,.8, 1., 1.2, 1. et 2% du poids de ciment. Ces mélanges sont confectionnés par quatre rapports E/C de.4,.4,.et.. La température adoptée pour cette étude est de C. 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 SP % % % %.6,.8, 1., 1.2, 1., 2,.6,.8, 1., 1.2, 1., 2,

4 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. 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 Procédure de malaxage et mode d introduction du superplastifiant Malaxeur Durée Opérations Vitesse lente -6S Introduire le Ciment Vitesse lente 1S Verser (2/3E) Vitesse rapide 18S Verser (1/3E+SP) min Préparation de l essai III. 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. et 2% de dosage pour les différentes combinaisons de ciment et de superplastifiant (SP1). affaissement(cm) 1 (C-SP1)E/C=,4 (C-SP1)E/C=,4 (C-SP1)E/C=, (C-SP1)E/C=, affaissement(cm) 1 (C-SP2)E/C=,4 (C-SP2)E/C=,4 (C-SP2)E/C=, (C-SP2)E/C=,, 1 1, 2 2, Dos a ge e n s upe rpa ls tifiant ( %) a) SP1 b) SP2 Figure 2. Effet du dosage en superplastifiant sur l'affaissement d'un béton pour un rapport E/C=.., 1 1, 2 2, Do s a ge e n s upe rpals tifia nt ( %)

5 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=.. 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. 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 cm. C-SP1(E/C=,) C-SP2(E/C=,) affaissement (cm) 1,6 1 1,2 1, 2 2,2 Dos age e n s upe rplas tifiant (%) Figure 3. Influence du type de superplastifiant sur l'affaissement d'un béton pour un rapport E/C=.. 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.6% aucun affaissement n est mesurable au dessous d un rapport E/C de.. 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.

6 affaissement (cm) 1 SP1=,6 SP1=1 SP1=1,2 SP1=1, SP1=2 SP1=2,2 affaissement (cm) 1 SP2=,6 SP2=1 SP2=1,2 SP2=1, SP2=2 SP2=2,2,3,4,4,,,6 E/C,3,4,4,,,6 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 a et b montrent la variation de la résistance à la compression en fonction du dosage en SP1 confectionnés avec un rapport E/C égal.. On n observe que la valeur de la rés à la compression. 6 6 Résistance à la compréssion MPa 4 SP1=1,2% SP1=1,% SP1=2% SP1=2,2% Résistance à la compréssion MPa 4 7 jours 28 jours Te mps en jours, 1 1, 2 2, Do s age e n s up e rp las tifia n t (%) a) SP1 b) SP1 Figure. Variation de la résistance à la compression d un béton adjuvanté par SP1

7 III.. Résistance mécanique(sp2) 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. MPa en ajoutant respectivement 1, 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. Résistance à la comprssion MPa 4 1% 1,% 1,% 2,% 1 Temps en jours, 1 1, 2 2, a) SP1 b) SP2 Résistace a la compressions MPa Figure 6. Variation de la résistance à la compression d un béton adjuvanté par SP2 4 Dosage en superplastifiant 7 jours 28 jours 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. 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.6 et 1.2 à 1. 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

8 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 (.1%).Ceci explique la performance du superplastifiant SP2 avec ce type de ciment. L'incorporation de SP1 (figures a et b) 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.% pour un mortier de ciment adjuvanté testé à 1, 1 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 [1]. 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. Références [1] Aïtcin.P-C,Jiang.S,"L interactionciment/superplastifiant.",cas des polysulfonate, Bulletin des Laboratoires des Ponts et Chaussées, N 233, 1, pp [2] Bury.M A, Christensen.B J,"The role of innovative chemical admixtures in producing selfconsolidating concrete", Proceedings of the first American conference on the design and use of self-consolidating concrete, Novembre, 2,pp

9 [3] Daimon.M, Roy.D.M, "Rheological properties of cement mixes: methods preliminary experiments and adsorption studies", Cement and Concrete Research, vol. 8, 1978, pp [4] Jolicoeur.C, Sharman.J, Otis.N, Lebel.A, Simard.M-A, Page.M, "The influence of temperature on the rheological properties of super-plasticized cement pastes", th International Conference on Superplasticizer and Other Chemical Admixtures in Concrete, SP-173, 1997, pp [] Neubauer.C.M, Yang.M, Jennings.H.M, "Interparticle potential and sedimentation Behavior of cement suspention": Effects of admixture, Advanced Cement Based Materials, vol. 8(1), 1998,pp [6] Lin.F, Meyer.C,"Hydration kinetics modeling of Port fects of curing temperature and applied pressure ", cement a concrete research, vol 39,9,pp. 26. [7] Kadri.E.H, Aggoun.S,De Schutter,Ezziane.K, "Combined of chemical nature and fineness of mineral powders on Portland cement hydration", materials and structures, vol 43,,pp [8] Khayat. K.H, Yahia. A, "Effect of welan gum-high-range water reducer", Combination on Rheology of Cement Grouts, ACI Materials journal,1997. [9] Amezanianpour.A,"Engineering properties and morphology of pozolanic cimentconcrete", Ph.D. Dissertation, Department of Civil Engineering, University of Leeds, [] Henning. O., Goretzki. I,"Effect of plasticizers on the degree of hydration", RILEM Int.Conf. Concrete at Early age, Assn.Amicales des ing ieur, Paris, 1982, pp [11] Djezzar, M., "Contribution à l étude de la compatibilité ciment superplastifiant dans les béton à hautes performances." Thèse de Magister, Centre Universitaire de Chlef(Algerie), [12] Adjoudj, M., "Pert d eficacité d un superplastifiant en présence d un ciment composé et sous une température élevée " Thèse de Magister, Université de Chlef,(Algérie),. [13] Reknes, "Reduction of viscosity concrete with modified lignosulphonate", Proceedings of the 1st international RILEM Symposium, Stockholm, 1999, pp [14] Brandstetr.J,Polcer.J,Kratky.J,Holesinsky.R,Havlica.J,"Possibilities of use of isoperibolic calorimetry for assessing the hydration behavior of cementitious systems", cement and concrete research,31,1, pp [1] Puertas. F, Santos. H, Palacios. M, Martinez-Ramirez.S, "Polycarboxylate superplasticiser admixtures: effect on hydration, microstructure and rheological behaviour in cement pastes", Advances in Cement Research, vol 17, No. 2, April, pp