CARACTERISATION DES MORTIERS A BASE DES FINES DU QUARTZ

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1 CARACTERISATION DES MORTIERS A BASE DES FINES DU QUARTZ K.ARROUDJ, M. OULD AHMED, M. LANEZ &M.N. OUDJIT Laboratoire Bâtis dans l Environnement (LBE), Faculté de Génie Civil, U.S.T.H.B arroudjkarima@yahoo.fr ; mohnadoudj@yahoo.fr; Résumé: L introduction des additions minérales siliceuses dans la production cimentaire permet, en plus du gain écologique et économique, une amélioration des performances des bétons. Cette amélioration est due essentiellement à la fixation de la portlandite libérée lors de l hydratation du ciment par les fines siliceuses, en formant des silicates de calcium hydratés plus denses et par conséquent une matrice cimentaire plus compacte. Cette recherche, s inscrit dans le cadre de la valorisation du sable de dune dans l industrie cimentaire en Algérie. A cet effet, des pâtes et mortiers de ciment, à base de sable de dunes broyé ont été analysés. La substitution pondérale au ciment de 15%, 2% et 25 % a permis de réduire la quantité de chaleur dégagée et éviter les risques de fissuration initiale. La présence de fines particules amorphes du quartz, rend le sable de dune réactif. Ce qui est traduit par une amélioration de la résistance mécanique du mortier (de l ordre de 66 MPa en présence de 25% de Sable de dune). Mots clés : Sable de dunes, Réactivité pouzzolanique, Structure minéralogique, Besoin en eau, Maniabilité, Résistance mécanique 85

2 Introduction Un ajout cimentaire pouzzolanique est, par définition, tout matériaux possédant la faculté de se combiner avec la Portlandite libérée lors de l hydratation du ciment pour former des C-S-H. Ces nouveaux produits sont à l origine de l amélioration de la microstructure de la matrice cimentaire. L activité pouzzolanique des ajouts a été toujours associée à la présence d une phase amorphe produite lors du broyage. De ce fait, le quartz broyé à structure cristalline est considéré généralement comme inerte chimiquement. [1, 2, 3, 4] Cependant, plusieurs recherches actuelles ont montré que le quartz broyé présente une activité pouzzolanique dite «partielle». Cette réactivité est principalement liée à la présence des fines particules amorphes adsorbées sur les particules cristallines.[5,6,7,8] L objet de cette contribution est la valorisation du sable de dune (très abondant au Sud Algérien) dans la production cimentaire, en analysant le comportement des mortiers normalisés ; par substitution au ciment de 15%, 2% et 25% de quartz broyé. Procédure expérimentale : Les matériaux utilisés dan cette étude sont d origine locale. - Un ciment produit de la cimenterie Lafarge de type CPA-CEM I 42,5 (CRS) d une densité de 3,15 et de finesse (SSB) de 3653 cm 2 /g. - Un Sable de dune de la région de Bousaâda d une densité de 2,4 broyé à une finesse de 58 cm 2 /g. - Un superplastifiant «MEDAPLAST SP 4» à 4% d extrait sec. - Un Sable normalisé conforme aux normes EN 196-1, ISO 679 et ISO 92. Les compositions chimiques et minéralogiques des poudres utilisées sont résumées dans les tableaux 1 et 2. Tableau 1 : Compositions chimiques des poudres utilisées Elément SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO SO 3 Na 2 O CaO «l» K 2 O Ins Cl - P.F Ciment 2,31 3,81 4,79 62,81 2,29 2,28,14,68,41 1,6,1489 2,91 SD 73,5 3,97,43,66,8,6, , ,64 Tableau 2 : Composition de bogue du ciment Elément C 4 AF C 3 A C 3 S βc 2 S % pondéral L analyse minéralogique par DRX du sable de dune broyé présentée dans la figure 1, montre que ce sable présente une structure cristallisée du type Low-Quartz. Les grains du sable se présentent sous formes de deux populations dont la première renferme les fines particules amorphes adsorbées sur de grosses particules cristallisées (2 ème population). Comme illustré dans la figure 2. 86

3 Figure 1 : Diffractogramme X du sable de dune broyé Essais sur pâtes de ciment Figure 2 : Vue par MEB des particules du sable de dune broyé Quatre variantes de pâtes de ciment ont été analysées : Une pâte de ciment témoin et trois pâtes de ciment à base de quartz (contenant successivement 15%, 2% et 25% de SD par remplacement au ciment ). Essai de consistance et besoin en eau: Cet essai consiste à déterminer la quantité d eau nécessaire à une consistance normale des différentes pâtes. 87

4 Temps (Minutes) E/L 8ème séminaire technique de Lafarge,277,275,273,271,269,267,265,263,261 ciment C + 15% SD C + 2% SD C + 25% SD Figure 3 : Besoin en eau pour une consistance normalisée Essai de prise L essai de prise a été effectué à l aide de l appareil de Vicat sur des pâtes malaxée à un rapport E/C =, Ciment C + 15 % SD C + 2 % SD C + 25 % SD Début de prise (mn) Fin de prise (mn) Figure 4 : Début et fin de prise des différentes pâtes analysées. Essai sur mortiers : Les mortiers testés sont des mortiers normalisés avec et sans ajout. Le point de saturation du superplastifiant a été déterminé à l aide du rhéomètre. Un dosage en superplastifiant de 2% à été retenu pour tous les mortiers. Essai de maniabilité Le temps d écoulement des différents mortiers (déterminé par l essai au maniabilimètre LCPC) est résumé dans la figure suivante : 88

5 Chaleur d'hydratation (J/g) Chaleur d'hydratation (J/g) Temps (Secondes) 8ème séminaire technique de Lafarge M M (15 SD) M (2SD) M (25SD) Figure 5 : Temps d écoulement en fonction du % de SD. Chaleur d hydratation (Calorimètre Langavant) : La détermination de la chaleur dégagée des différents mortiers durant les premières heures a été établit à l aide du calorimètre Langavant comme présenté dans les figures 6,7 et Temps ( minutes) Ciment temoin Ciment +15%SD Ciment + 2%SD Ciment + 25%SD Figure 6 : Quantité de chaleur dégagée durant les 6 premières heures d hydratation Temps (Heures) Ciment temoin Ciment +15%SD Ciment + 2%SD Ciment + 25%SD Figure 7: Quantité de chaleur dégagée pendant 5 jours d hydratation 89

6 Résistance (MPa) Indice d'activité (%) Flux de chaleur (J/g.h) 8ème séminaire technique de Lafarge 18, 16, 14, 12, 1, 8, 6, 4, 2,, Temps en heure Ciment temoin Ciment +15%SD Ciment + 2%SD Ciment + 25%SD Figure 8 : Effet du SD sur le flux de chaleur Essais mécaniques Les essais de résistance mécanique à la compression ont été effectué sur des éprouvettes prismatique (4x4x16) cm 3. L évolution de l activité pouzzolanique peut être analysée par calcul de l indice d activité pouzzolanique (IA). C est le rapport entre la résistance en compression du mortier à base d ajout ( m ) et celle du mortier témoin ( t ) IA= 1 X m / t M M(15 SD) M (2SD) M (25 SD) 7 j 28 j 6 j M M (15 SD) M (2 SD) M (25 SD) 7 j 28 j 6 j Figure 9 : Résistance à la compression et indices d activité des différents mortiers 9

7 Discussion : Besoin en eau et rhéologie des mortiers: A l exception des pâtes à base de 15% de SD. La présence des fines du quartz nécessite une quantité d eau supplémentaire pour une consistance constante. La forme irrégulière des particules du quartz engendre une modification de l intensité de friction entre les grains solides [9]. Cet effet granulaire défavorable est corrigé par l introduction du superplastifiant. Ceci est traduit par l augmentation du temps d écoulement des mortiers en présence du quartz et par conséquence une amélioration de la maniabilité des mortiers. Prise et hydratation : La présence des fines de quartz n a pas affecté, d une façon significative, le temps de début de prise. Contrairement au temps de fin de prise qui est retardé. Durant les premières heures d hydratation, les mortiers à base de 15% et 2% de quartz dégagent plus de chaleur que le témoin. Ce qui traduit par l accélération de la cinétique d hydratation. La présence de 25% du quartz réduit la partie active et par conséquence réduit le flux de chaleur correspondant au deuxième pic lié à l hydratation de C 3 S. Au bout de cinq jours d hydratation une augmentation de la chaleur d hydratation est constatée en présence de 15 et 2% de quartz. Résultat de l amélioration de la cinétique d hydratation. Comportement mécanique : Aux jeunes âges, les mortiers à base du quartz présentent des résistances plus faibles que celles du témoin. Et ce dû à la réduction de partie active. Le remplacement de 25 % du ciment par les fines du quartz permet d obtenir une résistance supérieure à celle du mortier à 2% de quartz (malgré qu elle soit inférieure à celle du témoin aux jeunes âges). A long terme, Les mortiers à base de 25% de quartz développent des résistances supérieures à celles du témoin (au voisinage de 66 Mpa à 6 jours). Cette augmentation de résistance est due, d une part à l effet physique de remplissage des fines du quartz. Et à l effet pouzzolanique de la 1 ère population des fines, de l autre part. Cette population ayant une structure amorphe adsorbée sur les particules cristalline, contribue à la formation des C-S-H par fixation de la portlandite libérée lors de l hydratation du ciment. Ce qui traduit l amélioration de l indice d activité pouzzolanique (17% à 28 jours). A 6 jours d hydratation, l indice d activité pouzzolanique des mortiers à base de 25% de quartz diminue, il atteint une valeur de 15%. Les fines du quartz adsorbées à la surface des particules cristallines ont été consommées. La 2 ème population des particules cristallisées est inerte. Elle est impliquée dans la formation du squelette granulaire et contribue à la compacité de la matrice cimentaire [5, 6]. 91

8 Conclusion : Cette étude nous ont permis d aboutir aux conclusions suivantes : - Vue leur forme irrégulière, les fines du quartz présentent un effet granulaire défavorable (besoin en eau plus important) qui peut être corrigé par introduction du superplastifiant qui permet d améliorer la maniabilité des mortiers. - Le broyage du sable de dune permet d obtenir des populations de fines amorphes adsorbées à la surface des particules cristallines du quartz. Ce qui confère au quartz un caractère pouzzolanique. La structure cristallisée du quartz n est pas un obstacle à la réactivité pouzzolanique (il ne peut pas être considérer comme ajout inerte). - Le replacement de 25% du quartz au ciment permet d obtenir des éco- mortiers : mortiers économiques, écologiques et durables à faible dégagement de chaleur. Ce qui réduit le risque de fissurations initiales. Références bibliographiques : [1] R.L. Sharma et S.P.Pandey «Influence of mineral additives on the hydration characteristics of ordinary Portland cement». Cement and Concrete Researsh. 29. PP: [2] P.C Aïtcin. «Bétons : haute performance». Editions Eyrolles.21 [3] M.Collepardi. «The new concrete». Edition: Grafiche Tintoretto. 26 [4] E.H. Kadri, A. Aggoun, G. De Shutter et K.Ezziane «Combined effect of chemical nature and fineness of mineral powders on Portland cement hydration». Materials and structures, Volume 43 N 5. PP 665_ [5] J.C Benezet et A. Benhassaine ; «Influence de la taille des particules sur la réactivité pouzzolanqiue de poudres de quartz». Bulletin LCPC, 219, pp 17-28, [6] J.C Benezet et A. Benhassaine ; «Contribution des populations granulométriques d une poudre lors de la réaction pouzzolanqiue en pâte de chaux». Bulletin LCPC, 235, pp 59-67, 21 [7] M.N.Oudjit; K.Arroudj, M.Lanez, A. Bali,and A.Tagnit-Hamou «Pozzolanic Reactivity of Siliceous Wastes» 12ème congrès international sur la chimie des ciment, Montréal, Canada, 27 [8] A. Zenati, K. Arroudj, M. Lanez, M.N. Oudjit «Influence of cementitious additions on rheological and mechanical properties of reactive powder concretes» Physics Procedia volume 2 PP , 29 [9] A. BESSA «Etude de la contribution des additions minérales aux propriétés physiques mécaniques et de durabilité des mortiers» Thèse de doctorat de l université de Cergy Pontoise, 24 92