Caractéristiques des liants bas pH

Cette sous partie de chapitre est consacrée aux compositions des deux liants de notre étude, ainsi qu’à leurs constituants, leurs origines et leurs propriétés physico-chimiques.

II.1.1.1. Composition des liants bas pH

Les liants ternaires des deux formules étudiées sont constitués de ciment et de deux additions pouzzolaniques, la fumée de silice commune aux deux, et les cendres volantes (TCV) ou le laitier (TL). Leurs compositions sont détaillées dans le Tableau II – 1.

Tableau II – 1 : Proportion des liants TCV et TL

TCV TL

Ciment CEM I 37,5% 20,0%

Fumée de silice 32,5% 32,5%

Cendres volantes 30,0% -

Laitier de haut fourneau - 47,5%

Comme évoqué en synthèse bibliographique les constituants sont choisis pour leur faible teneur en alcalins et leur teneur importante en silice. En effet, ces deux critères permettent d’assurer un pH faible de la solution interstitielle.

La caractérisation des matériaux est essentielle car dans l’optique d’une réalisation à très grande échelle, il est important de déterminer les facteurs associés à la variabilité des constituants ainsi que leur impact sur le béton formulé. L’origine de cette variabilité est double : elle peut d’être d’origine physique (conditionnement, granulométrie) et/ou d’origine chimique (composition chimique).

118

II.1.1.2. Présentation des constituants

Nous présentons ici successivement les différents constituants de ces liants. Leur fiche technique est consignée en Annexe 1.

II.1.1.1.1. Ciment

Le ciment Portland utilisé est un CEM I 52,5 PM ES CP2 de l’usine Lafarge du Teil conforme à la norme [NF 197-1, 2012]. Ce ciment a été sélectionné pour sa faible teneur en alcalins. Il est riche en C3S et pauvre en aluminates. Il a été choisi à partir des mêmes critères que ceux retenus lors des études de [Codina, 2007] et [Garcia et Verdier, 2009].

II.1.1.1.2. Fumée de silice

Certaines fumées de silice, dont celle utilisée la thèse de [Codina, 2007], peuvent présenter une floculation importante conduisant à des amas de dimensions bien supérieures à la centaine de micromètres. Ces amas difficiles à disperser se retrouvaient généralement intacts dans les pâtes durcies. Ce phénomène est moins prononcé sur béton à cause du cisaillement induit par les granulats. Une étude menée au CEA [Maubec, 2008] a montré que la teneur en portlandite, indicateur de réactivité, d’une pâte composée de liant binaire avec 40% de fumée de silice de Condensil était trois fois inférieure à celle d’une pâte avec la fumée de silice de Chryso®. Cette dernière utilisée dans la thèse de Codina a donc été remplacée par de la fumée de silice densifiée mécaniquement FS DM 95 de chez Condensil, mieux dispersée.

II.1.1.1.3. Cendres volantes

Les cendres volantes silico alumineuses sont fournies par Électricité De France (EDF). Elles proviennent de la centrale thermique de Cordemais. Elles sont certifiées selon la norme [NF EN-450, 2005]. La composition des cendres volantes est plus hétérogène que celle des autres constituants en raison des imbrûlés inhérents à leurs processus de fabrication. Ces imbrûlés sont poreux et ont une propension à absorber l’eau. Ces particules peuvent aussi atteindre des diamètres supérieurs à 100 µm.

119

II.1.1.1.4. Laitier de haut fourneau

Le laitier de haut fourneau est un laitier moulu fourni par ECOCEM. La facilité d’approvisionnement des constituants est aussi un des critères imposés par l’Andra. Le laitier Calcia utilisé dans la thèse de [Codina, 2007] n’étant plus disponible, nous avons donc opté pour un fournisseur reconnu sur le marché. Le produit répond à la norme européenne [NF EN 15167-1, 2006] relatives aux laitiers granulés de haut-fourneau moulus pour une utilisation dans les bétons, mortiers et coulis. La composition chimique est aussi similaire à celle du laitier de chez Calcia.

II.1.1.3. Propriétés physico-chimiques des constituants

Le Tableau II – 2 présente la composition chimique et les propriétés physiques des différents constituants des liants bas pH TCV et TL.

Tableau II – 2 : Propriétés physico-chimiques des constituants du liant

Les compositions chimiques des constituants ont été déterminées par spectrométrie à torche plasma ICP (OES Optima 7000DV) et par chromatographie ionique (Diamex Type ICS 3000) pour les sulfates. La finesse des constituants a été évaluée par granulométrie laser (CILAS 1090 LD) en mode « voie humide ». Le liquide utilisé pour la granulométrie du ciment est l’éthanol afin d’éviter l’hydrolyse qui risque de biaiser les résultats. Pour les additions pouzzolaniques, l’eau a été utilisée. Avant la mesure, un bain ultrason est appliqué

CEM I Fumée de silice Cendres volantes Laitier

CaO 67,30 0,80 5,12 44,00 SiO2 22,10 96,50 51,90 36,10 Al2O3 3,19 0,21 25,20 10,70 Fe2O3 2,27 0,16 6,06 0,41 MgO 0,95 0,29 1,29 7,25 MnO 0,04 0,02 0,04 0,41 Na2O 0,10 0,17 0,87 0,25 K2O 0,23 0,52 2,20 0,43 TiO2 0,14 <0,05 1,28 0,55 P2O5 0,07 0,09 0,32 <0,05 Sulfates 2,37 0,24 0,70 0,20 Perte au feu 1,64 2,74 2,51 <0,10 D10 3,9 5,1 2,2 2,2 D50 16,2 20,8 15,3 12,0 D90 37,9 46,1 59,3 28,7 Dmoy 19,0 23,6 24,0 13,8 Blaine 3500 17500 2300 4500 BET - 23000 - - Composition Chimique (% massique) Granulométrie (µm) Surface spécifique (cm²/g)

120 sur les poudres pendant 60 secondes pour mieux séparer les particules et tenter accéder à la granulométrie intrinsèque du constituant.

Globalement, la teneur en silice amorphe des constituants est importante. Elle est indispensable pour atteindre un pH inférieur à 11 [Cau-dit-Coumes et al., 2006]. La finesse des constituants présente un diamètre moyen proche de celui du ciment. Sur plusieurs fumées de silice commercialisées, [St John, 1994] mesure des diamètres moyens variant de 10 µm à 100 µm à la granulométrie laser au lieu de diamètres inférieurs à 1 µm comme observés à la microscopie électronique. En général, le diamètre mesuré à la granulométrie laser devrait correspondre au diamètre des sphères de fumée de silice si celles-ci étaient « déconnectées » les unes des autres. Or, la dispersion de la fumée de silice en un assemblage de sphères isolées n’est pas possible en raison de liens (charges surfaciques) aux points de contact entre deux sphères qui les fusionnent entre elles. Ces chaînes qui peuvent agglomérer jusqu’à des centaines de sphères sont responsables de la stabilité de ces floculats et s’opposent à la dispersion, même avec l’application d’un ultrason. Il est également possible de caractériser la finesse d’un constituant par sa surface spécifique. Ce paramètre est important car il impacte l’écoulement des suspensions (surface de contact de la solution interstitielle et de l’absorption du superplastifiant). On peut l’évaluer par la méthode de Blaine ou par la méthode BET. La méthode de Blaine peut ne pas donner des résultats significatifs pour les liants qui contiennent des matières ultrafines. Elle permet cependant d’obtenir un ordre de grandeur de la finesse du constituant. La méthode BET permet par l’absorption de N2 de comptabiliser la totalité des aspérités et la porosité accessible des grains comme surfaces disponibles. Nous observons que les surfaces spécifiques des cendres volantes et du laitier sont proches de celle du ciment, ce qui est concordant avec les résultats de la granulométrie laser. En revanche, la surface spécifique de la fumée de silice est très largement supérieure à celle du ciment ce que ne met pas en évidence la granulométrie laser.