1 ER SÉMINAIRE NATIONAL DE GENIE CIVIL SOUK-AHRAS LES 22 et 23 OCTOBRE 2012 Effet du dosage en superplastifiant sur les caractéristiques des mortiers élaborés à base d additions minérales (à l état frais et à l état durci) DERABLA Riad 1 1 Département de Génie civil, université de 20 Aout 1955, Skikda Résumé : L utilisation des adjuvants dans les bétons et les mortiers a devenu une technique indispensable pour la majorité d applications. A cet effet, à travers ce travail expérimental on vise étudier l effet du dosage en superplastifiant MEDAPLAST SP 40 sur les caractéristiques à l état frais (étalement par la table à secousses) et à l état durci (résistance à la flexion et à la compression) des mortiers élaborés à base d additions minérales (laitier granulé, laitier cristallisé et filler calcaire). L influence de la teneur en addition (20 et 40 %) est aussi étudiée. Les résultats sont présentés et analysés. Mots-Clés : Laitier granulé, laitier cristallisé, fines de calcaire, étalement, mortier, résistance. 1. Introduction Le béton autoplaçant (BAP) est considérablement une technologie qui a été développée au cours des trois dernières décennies. La pratique courante pour obtenir l'autoplaçibilité du BAP est de limiter la teneur en agrégat grossier et la taille maximum et d'utiliser des rapports Eau/Poudre faibles avec des superplastifiants [1]. Lors de l incorporation des additions minérales fines et ultrafines dans le squelette d un mélange granulaire, il en résulte sur le plan rhéologique des pertes d ouvrabilité ou des besoins en eau excessifs et sur le plan des propriétés mécaniques des variations dans les résistances qui ne sont pas toujours positives lorsque les additions sont introduites dans les mélanges cimentaires en l absence d adjuvants fluidifiants [2]. Le mortier sert de base pour les propriétés d'ouvrabilité des BAP et ces propriétés pourraient être évaluées en examinant les mortiers autoplaçant (MAP) [3]. En fait, l'évaluation des propriétés des ajouts cimentaires est une partie intégrante de la conception des BAP [4]. L'objectif de cette étude est d'évaluer l'effet du dosage d'adjuvant chimique et de la nature et la teneur d addition minérale dans la performance des MAP. Selon les auteurs [5], l inconvénient d'additifs minéraux contre les adjuvants chimiques est la réduction de la résistance quand une partie du ciment est remplacée par des additions minérales. À cet égard, un superplastifiant (SP) et trois additions minérales micronisées, à savoir, le filler calcaire (FC), laitier cristallisé (LC) et laitier granulé (LG) ont été utilisés dans la préparation des ajouts cimentaires. L étude porte sur l essai d étalement à l état frais de la pâte du mortier élaboré et l essai de la résistance à la flexion et à la compression à l état durci réalisé sur des éprouvettes prismatiques 4 4 16 cm 3. 2. Matières premières 2.1. Ciment Le type de ciment utilisé dans ce travail de recherche, est un ciment portland composé CPJ CEM II 42,5 de la cimenterie de Hadjar Soud. Sa composition chimique est présentée dans le tableau 1. Sa densité, sa surface spécifique de Blaine (SSB), sa surface spécifique déterminée par diffraction laser (SSDL) et sa composition minéralogique sont données au tableau 2. 2.2. Laitier - 1 -
Le laitier granulé (LG) et le laitier cristallisé (LC) utilisés sont ceux du complexe sidérurgique d El Hadjar (W. Annaba). Le (LG) est obtenu après refroidissement brusque avec de l eau alors que le (LC) est obtenu après refroidissement à l air ambiant. Après leur broyage on a eu les caractéristiques physiques données au tableau 2. Leurs compositions chimiques (tableau 1) ont été fournit par le laboratoire de chimie de la cimenterie de Hadjar Soud. Leurs courbes granulométriques sont schématisées sur la figure 1. La qualité du laitier est appréciée par deux modules M b et M a [6]. Le tableau 4 donne le module de Basicité (M b ) calculé par la formule (1) et les deux modules d Activité (M a ) et (α) calculés par les formules (2) et par la formule de Keil (3) respectivement. Avec F : pourcentage des fines du laitier < 80µ (Friabilité). M b %CaO+ %MgO = (1) %SiO + %Al O 2 2 %Al O 3 2 M a = (2) %SiO2 SSB F α = (3) 1000 L indice (M b ) des deux laitiers déterminé par la relation (1) indique qu'ils sont basiques [7]. L indice d activité M a est acceptable alors que (α > 100) indique qu ils sont très active [8]. Tableau 1 : Composition chimique des matières premières CaO SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 MgO K 2 O Na 2 O SO 3 PAF C 59-62 22-24 5,3 6,0 3,0-4,0 1,5-1,8 < 0,9 < 0,7 1,8-2,2 -- LG 42,77 41,23 7,89 1,38 4,60 0,94 00 0,34 -- LC 34,93 33,92 6,62 4,98 5,74 0,52 0,52 0,39 -- FC 56,18 0,43 0,08 0,09 0,26 0,01 0,07 0,03 42,85 S1 0,62 95,21 1,12 0,55 0,04 0,46 0,10 00 -- S2 56,73 3,71 0,23 0,20 1,18 0,02 0,07 0,09 37,77 Tableau 2 : Composition minéralogique et caractéristiques physiques du ciment et des additions. C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF SSB SSDL M Densité b M a F α (cm²/g) (cm²/g) (%) (%) (%) (%) Clinker 55-65 10-18 10-12 10-12 3.16 3629 6560 92,12 LG 2.92 3000 4570 0,96 0,191 67,63 203 LC 2.73 3960 21900 1,00 0,195 80,25 318 FC 2.40 5540 4520 100 2.3. Filler calcaire (FC) Le filler calcaire (ultrafin UF5) utilisé est un Carbonate de Calcium (CaCo 3 = 98 %) du gisement de l ENG (Entreprise Nationale des Granulats d El-Khroub W. Constantine). Sa composition chimique est donnée dans le tableau 1 et sa courbe granulométrique est illustrée sur la figure 1. Sa densité, sa SSB et sa SSDL sont rassemblées dans le tableau 3. Figure 1 : Distribution granulométrique du ciment et des additions minérales.
2.4. Adjuvant (SP) Le super plastifiant MEDAPLAST SP 40 produit par la société de Granitex (W. Alger) a été utilisé. C est un haut réducteur d eau pour le béton prêt à l emploi conforme à la norme EN 934-2. Il se caractérise par une densité de 1,20 ± 0,01, un ph = 8, une teneur en ions chlore 1g/l, un extrait sec de 40 %. La plage d utilisation recommandée varie de 0,6 à 2,5 % du poids du liant. 2.5. Sable On a utilisé deux types de sable pour la confection des différents bétons d'étude: - Sable siliceux 0/1 (noté S1) de la région de Oued Zhor (W. Skikda) de module de finesse M f = 1.66 et d équivalent de sable à vue 78,04% et au piston de 73,68%. Sa densité apparente et sa densité absolue sont respectivement 1.46 et 2.5. - Sable calcaire concassé 0/4 (noté S2) de la carrière de Boucelba (W. Guelma) de module de finesse M f = 3.51 d équivalent de sable à vue 76,29% et au piston de 70,97%. Sa densité apparente et sa densité absolue sont respectivement 1.49 et 2.56. Les résultats de l analyse granulométrique (NF P18-560) sont présentés sur la figure 2 et les valeurs de l analyse chimique sont données au tableau 1. Figure 2 : Analyse granulométrique des granulats. 3. Protocole expérimental Le programme expérimental comporte l étude de l effet du dosage en superplastifiant sur l étalement par la table à secousses des mortiers élaborés à base des additions minérales (laitier granulé, laitier cristallisé et filler calcaire) à des teneurs de 20 et 40 %. La pâte du mortier est obtenue en malaxant les différents constituants avec un malaxeur normalisé suivant la procédure décrite par la norme NF EN 196.1. Les caractéristiques des mortiers ont été étudiées à l état frais et à l état durci. Des éprouvettes prismatiques de mortiers 4 4 16 cm 3 ont été confectionnées afin de les testées par des essais mécaniques (résistance à la flexion et à la compression). La composition des mortiers (tableau 3) est choisie de 4 façons : Une composition du mortier vibré normal sans addition (3 parties de sable + 1 partie de liant + 0,5 partie d eau) (MV-R-N); Une composition du mortier vibré sans addition qui compose le béton formulé par la méthode de Dreux Gorisse (MV-R-DG); Une composition du mortier autoplaçant de référence (MAP-R) avec (SP) entre 0 et 2,1 %; Une composition du mortier autoplaçant avec un taux (T%) d addition (MAP-T%-A) avec (SP) entre 1,5 et 2,1 %. Les MAP sont des mortiers qui composent des BAP formulés suivant les recommandations de l AFGC. Le liant est composé par le ciment et l addition : L = C + A. 4. Caractérisation des mortiers à l'état frais et à l état durci L essai réalisé pour caractériser nos mortiers à l état frais concernent l étalement (D) (moyenne des deux valeurs diagonales Dxx et Dyy) de la pâte du mortier déterminé en utilisant la table à secousses (Flow test table). A l état durci, il s agit des essais à l âge de 28 j de la résistance à la flexion (R f ) et les deux morceaux résultants sont ensuite écrasés à la compression (R c ). Les mortiers de référence (sans addition et sans adjuvan) ont été préparés
avec E/L = 0,5 et les mortiers élaborés (additionnés et adjuvantés) avec E/L = 0,42. Les résultats obtenus sont présentés et interprétés. Tableau 3 : Composition des mortiers élaborés (kg). C A E S1 S2 S/C E/C E/L A/A+C SP sat MV-R- N 450 0 225 675 675 3,0 0,50 0,50 0 -- MV-R- DG 430 0 215 227 416 1,5 0,50 0,50 0 -- MAP-R 430 0 215 380 389 1,8 0,50 0,50 0 1,8 MAP20LG 430 86 215 356 365 1,7 0,50 0,42 0,17 1,6 MAP40LG 369 148 215 356 365 2,0 0,58 0,42 0,29 1,6 MAP20LC 430 86 215 356 365 1,7 0,50 0,42 0,17 1,6 MAP40LC 369 147 215 356 365 2,0 0,58 0,42 0,29 1,7 MAP20FC 430 86 215 356 365 1,7 0,50 0,42 0,17 1,6 MAP40FC 362 145 211 356 365 2,0 0,58 0,42 0,29 1,7 5. Discussion et interprétation 5.1. Mortier sans addition Avec l emploi de (SP), l augmentation de son dosage implique automatiquement une augmentation de l étalement du mélange du MAP-R (figure 3). Arrivant à un dosage optimum dit dosage de saturation (dans ce cas SP sat = 1,8 %), l étalement diminue car la pâte est saturée et au-delà l apparition de la désagrégation débute. A partir de la figure 4, sans emploi de l adjuvant (SP), le MAP-R et MV-R-DG s étalent presque de la même valeur mais supérieure à celle du MV-R-N. C est le rapport S/C qui entre en jeu. Le MAP-R et le MV-R-DG présentent des S/C faibles (1.8 et 1.5 respectivement). Ce rapport est élevé (S/C=3) pour le MV-R-N qui fait que l absorption de l eau par les grains du sable est importante. Alors la quantité d eau libre est limitée et la pâte devient moins fluide. Le ciment est toujours besoin d une quantité d eau suffisante pour qu il s hydrate d une manière correcte et puisse ainsi développer de bonnes résistances. Vu auparavant l inconvénient du rapport S/C élevé, la matrice cimentaire devient pauvre en eau ce qui influe négativement sur la résistance à la compression obtenue à 28 j. Une relation de proportionnalité inverse peut être affirmée entre D (S/C) et entre R C (S/C). Figure 3: Effet du dosage en (SP) sur l'étalement (D) du mortier MAP(R). Figure 4: Effet du rapport S/C sur l'étalement (D) et la résistance des mortiers témoins
5.2. Effet du dosage en (SP) sur l étalement du mortier Il est évident que l'augmentation du dosage en (SP) conduit automatiquement à un accroissement de l'étalement (D) (figure 5). Au-delà d'un dosage dit dosage de saturation (SP sat ), l'étalement diminue et ensuite augmente mais avec l'apparition du phénomène de resuage. Çàd qu'il y a désagrégation de la pàte, l'eau se sépare de la matrice interstitielle et s'étale presque seul suivi par le reste des constituants. La nature et la réactivité de l'addition minérale joue un role primordiale dans cette histoire. Les laitiers sont réactifs et absorbent de l'eau alors que les fillers calcaires sont inertes. A cet effet, les laitiers s'étalent moins que les fillers calcaires. Figure 5: Effet du dosage en (SP) et de la nature en addition sur l'étalement (D) des mortiers 5.3. Effet du dosage en (A) sur l étalement du mortier A partir de la figure 6, lorsque le pourcentage de fines de calcaire augmente dans le mortier, l'étalement diminue. Ceci pourrait être expliqué par l'augmentation de la finesse et de la surface spécifique des granulats fins en raison de l'augmentation de la teneur en fines et donc plus d'eau est nécessaire pour mouiller la surface des particules, ce qui peut engendre une perte conséquente de l ouvrabilité, de même que rapporté par [9] et [10]. Figure 6: Effet du dosage en addition sur l'étalement (D) des mortiers 5.4. Effet du dosage en (SP) sur les résistances des mortiers La figure 7 montre clairement que l utilisation des superplastifiants et des additions fines dans les mortiers augmente considérablement les résistances des mortiers car ils permettent d avoir une struture plus dense et plus compacte. Figure 7: Effet du dosage en (SP) sur les résistances des mortiers
Avec un taux d addition de 20 %, l augmentation du dosage en (SP) conduit systématiquement à une diminution des résistances (R f ) et (R c ) des mortiers. Ces résistances sont toujours meilleures avec 20 % de (LG). Avec 20 % de (FC), il est possible d avoir des résistances qui dépassent celles des mortiers avec 20 % de (LC). Avec 40 % d addition, toujours le (LG) garrantie les meilleures résistances. Vu son caractère inerte, le (FC) est convinqu par le (LC) qui est réactif et qui a pu développer des niveaux de résistances proches de ceux atteintes avec du (LG). 5.5. Effet du dosage en addition sur les résistances des mortiers A partir de la figure 8, par rapport à la résistance du mortier sans addition et sans adjuvant (MAP-R-SP0%), on peut constater que: Avec du (FC), un taux de 20 % est un optimum pour avoir un mortier de bonne résistance. Même constat fait par [11] qui trouve qu un pourcentage de 10 % de calcaire est optimal pour aboutir à des performances maximales (résistances et durabilité) du ciment composé. Au delà de ce pourcentage, son effet est néfaste. Avec du (LC), le compromis entre un taux de 20 % et un dosage en (SP) inférieur à 1.6 %, et entre un taux de 40 % et un dosage en (SP) supérieur à 1.6 % peuvent garantir de bonnes résistances. Avec du (LG), les deux teneurs utilisés sont avantageux. Un taux de 20 % permet d'avoir des résistances supérieures que celles obtenues avec 40 %. Figure 8: Effet du dosage en addition sur les résistances des mortiers 5.6. Effet du dosage en addition sur les résistances des mortiers Pour la correlation D R c (figure 9), on peut inscrire les constatations suivantes : Avec du filler calcaire, si l augmentation du dosage en (SP) implique un accroissement de l étalement il y aura d autant un accroissement de la résistance, et le contraire est juste surtout autour du dosage de saturation. Donc on peut dire qu une relation de proportionnalité existe entre D R c. C est le caractère inerte de l addition qui impose ce résultat. Cette constatation est inverse avec les deux teneurs (20 et 40 %) pour les laitiers ( LC et LG) qui sont réactifs. Il y a une proportionnalité inverse entre l étalement (D) et la résistance à la compression (R c ). Figure 9: Correlation entre l étalement et la résistance des mortiers (D R c )
6. Conclusion Les résultats obtenus à travers cette étude nous ont permis d aboutir aux conclusions suivantes : L utilisation des superplastifians et des additions minérales fines a devenu une technique indispensable pour obtenir des mortiers et des bétons répondants aux besoins et aux exigences constructives (facilité de mise en œuvre et bonne qualité). C est le temps des mortiers autoplaçant (MAP) et des bétons autoplaçant (BAP). Une combinaison adéquate des deux matières (SP et A) peut sans doute améliorer la performance des matériaux élaborés. La détermination du dosage de saturation de (SP) et le choix convenable du rapport S/C ont des conséquences positives sur les caractéristiques des mortiers que ce soit à l état frais ou à l état durci. L incorporation des additions minérales comme matières cimentaires est influencé par leur nature, leur finesse et leur teneur par rapport au ciment. Le filler calcaire est une addition minérale ultrafine et inerte, il est recommandé de l utilisé à des taux limités (dans notre cas 20 %). Les laitiers sont réactifs, ayant des finesses élevées on peut parvenir à les adopter avec des teneurs importants ( 40%). Une corrélation existe entre certaines caractéristiques des mortiers à l état frais (étalement) et à l état durci (résistance). Donc il faut les étudier avec soin pour en réussir en tous les cas. Bibliographie [1] Okamura H. et Ozawa K., Mix-design for self-compacting concrete, Concr Libr JSCE, 25, 107 20. 1995 [2] Boudchicha A., Gallias J. L. et Mezghiche B., Utilisation d une nouvelle approche méthodologique pour l évaluation de l effet des additions minérales sur les propriétés des mélanges cimentaires, Colloque CMEDIMAT Oran, 06 et 07 Décembre, 2005. [3] Domone P. L. et Jin J., Properties of mortar for self-compacting concrete. In: Skarendahl A, Petersson O, editors. Proceedings of the 1 st international RILEM symposium on self-compacting concrete, 109 20, 1999. [4] EFNARC, Specification and guidelines for self-compacting concrete. European Federation for Specialist Construction Chemicals and Concrete Systems, Norfolk, UK, English ed., February 2002. [5] Sahmaran M., Christianto H. A. et Ozgur Yaman I., The effect of chemical admixtures and mineral additives on the properties of self-compacting mortars, Cement & Concrete Composites, 28, 432 440, 2006. [6] Chabi S., Mezghiche B. et Guettala H., Etude de l influence des additions minérales actives sur le comportement mécanique des ciments et mortiers, Courrier du Savoir N 5, université de Biskra, pp. 03-08, 2004. [7] Dreux G. et Festa J., Nouveau guide du béton et ses constituants, Edition Eyrolles, 1998. [8]: Léa F.M., The chemistry of cement and concrete, Chemical publishing Co. Inc. New York, N.Y. 1971. [9] Bosiljkov V.B., SCC mixes with poorly graded aggregate and high volume of limestone filler, Cement & Concrete research, 33, 1279-1286, 2003. [10] Benabed B., Kadri E. H., Azzouz, L. et Kenai S., Properties of self-compacting mortar made with various types of sand, Cement & Concrete Composites, 34, 1167-1173, 2012. [11] Boubekeur T., Boulekbache B. et Makhelouf A., Influence du laitier sur les propriétés des ciments à base de calcaire, Symposium International sur la Construction en Zone Sismique (SICZS_2010), Université de Chlef, 26 27 octobre, 2010.