Composition chimique et minéralogique

La composition chimique et minéralogique du verre présente des propriétés intéressantes pour utilisation dans le béton. En effet, des travaux portant sur l'utilisation du verre finement broyé en substitution partiel du ciment dans le béton ont été effectués pour la première fois dans les années 1970 (Johnston 1974, Samtur 1974, Pattengil & Shutt 1973). Les résultats ont démontré que le verre est avant tout un matériau amorphe composé principalement de silice, ce qui en fait un matériau de choix pour utilisation comme matériau pouzzolanique dans le béton. Cependant, le verre contient une teneur en alcalis relativement élevée (10-16%), ce qui pourrait favoriser l’alcali-réaction dans un béton incorporant des granulats réactifs (Khmiri et al. 2013, Tagnit-Hamou & Tognonvi 2013). Selon les résultats d’une étude portant sur la composition chimique du verre se trouvant dans les matières résiduelles et recyclables, il a été démontré que la composition chimique du verre est très constante (Pereira-de-Oliveira et al. 2008).

2.2.3.2 Utilisation dans les systèmes cimentaires

Comme il a été mentionné précédemment, le verre peut être utilisé comme granulat ou comme ajout cimentaire dans le béton. La présente recherche s'intéresse plus spécifiquement à l'utilisation du verre sous forme de poudre finement broyée en remplacement partiel du ciment portland.

Certains auteurs ont observé que la résistance à la compression du béton diminue lorsque le niveau de remplacement du ciment par la poudre de verre augmente (Shayan et al. 2004, Shayan et al. 2006). Ils ont observé que les résistances à 28 jours sont inférieures à celles obtenues pour les mélanges de référence. Ils expliquent que l’obtention de tels résultats est due notamment à une plus faible teneur en ciment qui occasionne une légère augmentation du rapport eau/ciment « effectif ». Ils ont également démontré que le développement de la résistance à la compression est lent jusqu’à 28 jours, mais qu’à long terme, tous les mélanges incorporant de la poudre de verre ont atteint une résistance moyenne de 55 MPa, soit 15 MPa de plus que les mélanges de référence. Shayan et al. (2006) affirment aussi qu’un niveau de remplacement de 20% et 30% du ciment par de la poudre de verre n’a pas d’effet négatif sur les propriétés d’un béton conçu pour développer 40 MPa. Schwarz et al. (2008) ont aussi remarqué de faibles résistances à 28 jours. Selon ces mêmes auteurs, cette diminution de la résistance est plus importante lorsque le niveau de remplacement du ciment augmente. En général, une contribution importante des propriétés pouzzolaniques de la poudre de verre est notable à partir de 56 jours, générant alors des propriétés mécaniques presque similaires à celles du mélange de référence.

Selon les travaux de Khmiri et al. (2013), une augmentation de la finesse du verre mixte, lorsqu’utilisé comme ajout cimentaire, se traduirait par une plus grande demande en eau. Cette demande en eau serait comparable à ce qui est généralement obtenue pour une fumée de silice. L’ouvrabilité des bétons incorporant de la poudre de verre mixte serait donc influencée par la finesse et le niveau de remplacement de la poudre de verre. Shayan et al. (2006) ont utilisé de la poudre de verre (finesse Blaine = 800 m2/kg) en remplacement partiel (20%-30%) du ciment dans un béton avec un rapport eau/ciment de 0,49. Ils ont observé qu’une augmentation du niveau de remplacement diminue l’ouvrabilité des bétons du fait que la surface spécifique de la poudre de verre serait

inférieure à celle du ciment (Shayan et al. 2006). Ces résultats concordent avec ceux de Gallias et al. (2000) et Yamamoto et al. (2007).

2.2.3.3 Performance contre la réaction alcalis-silice

L’utilisation de la poudre de verre mixte comme matériau pouzzolanique en présence de granulats réactifs dans le béton a certes soulevé certains questionnements considérant sa forte teneur en alcalis (10-16%). Plusieurs études ont été réalisées à ce sujet.

Selon les travaux de Shayan et al. (2004), l'utilisation du verre broyé en remplacement du granulat fin nuit grandement à la durabilité des bétons face à la RAS. Cependant, une autre étude menée par Shayan et al. (2006) a démontré que lorsque la poudre de verre est finement broyée et utilisée en remplacement du ciment, l'expansion due à la RAS est diminuée. Ils expliquent qu'à un niveau de remplacement allant jusqu'à 30%, la mise en solution des alcalis est trop faible. L'efficacité de la poudre de verre serait fortement reliée au niveau de remplacement (Serpa et al. 2013, Shi et al. 2004). En effet, Shi et al. (2004) ont observé que l'utilisation de la poudre de verre permet une réduction de l'expansion, mais que celle-ci n'est pas aussi importante comparativement à l'efficacité d'une cendre volante classée F ou à faible teneur en alcalis, pour un même taux de remplacement.

Les travaux de Phillips et al. (1972) ont démontré que le verre pouvait être incorporé jusqu'à 35% dans la composition du béton en combinaison avec du ciment de faible teneur en alcalis, sans en affecter la performance mécanique et la durabilité. Johnston (1974) a aussi démontré que seul l'usage de ciment à faible teneur en alcalis ou d'un taux élevé de pouzzolanes, telles les cendres volantes de classe F, permettaient d'obtenir de bonnes performances mécaniques tout en limitant les expansions dues à la RAS à long terme lorsque du verre est utilisé comme granulat.

De plus, de nombreuses études portant sur l'incorporation du verre dans le béton ont indiqué qu'une dimension des particules de verre plus petite permet de contrôler l'expansion due à la RAS (Idir et al. 2010, Shayan et al. 2004, Dyer & Dhir 2001, Meyer & Baxter 1997). Des travaux de Zidol (2009) portant sur l'effet de la poudre de verre de finesse similaire à celle du ciment sur l’expansion de barres de mortier incorporant des granulats réactifs (CSA A23.2-25A), ont montré des expansions plus faibles que celle du témoin. Cet auteur a en effet remarqué une diminution de l'expansion avec des taux de remplacement jusqu'à 30%, taux à partir duquel l'expansion des barres semble stagner. Cependant, l'expansion est demeurée supérieure à 0,10%.

Les travaux de Samtur (1974) et de Pattengil & Shutt (1973) ont établi que la taille des particules de verre doit être inférieure à 75 µm pour obtenir une bonne activité pouzzolanique. Idir et al. (2011) rapportent que l'activité pouzzolanique de la poudre de verre augmente avec sa finesse et que jusqu'à 40% de poudre de verre de finesse égale à 540 m2_{/kg (40 µm) peuvent remplacer le ciment dans}

le béton sans compromettre ses propriétés mécaniques. Nasser & Soroushian (2012) soutiennent également que le verre finement broyé inhibe la RAS dans le béton. Pour Oliveira et al. (2008), qui ont étudié l'effet du verre broyé de différentes finesses, les mortiers fabriqués avec des particules de verre de taille comprise entre 45 et 75 µm sont moins susceptibles à l'expansion due à la RAS que ceux incorporant des particules de verre d’une finesse supérieure à 75 µm. Le Tableau 2.4 présente quelques résultats de travaux évaluant la performance de la poudre de verre face à la RAS, selon l’information relevée dans la littérature. Ces résultats ne portent toutefois que sur l’utilisation de l’essai accéléré sur barres de mortier, ce qui peut ne pas offrir une évaluation de l’efficacité réelle de la poudre de verre face à l’alcali-réaction.

Tableau 2.4: Résultats obtenus concernant l’efficacité de la poudre de verre (en remplacement

du ciment portland) à contrecarrer la RAS, selon la littérature.

Auteurs Essai / Matériaux Résultats

Matos & Sousa- Coutinho (2012) ASTM C1567 Sable: CEN Reference Sand Poudre de verre (< 50 µm) Expansion à 14 jours : Référence (100% ciment) = 0,18% 10% de remplacement du ciment = 0,13% 20% de remplacement du ciment = 0,04%

Shi & Zheng (2007)

ASTM C1260 CSA A23.2-25A Granulat: Calcaire siliceux (Spratt) Poudre de verre (< 100 µm) Expansion à 14 jours : Référence (100% ciment) = 0,55% 10% de remplacement du ciment = 0,40% 20% de remplacement du ciment = 0,22% 30% de remplacement du ciment = 0,12% 50% de remplacement du ciment = 0,08%

Serpa & al. (2013)

ASTM C1567 Granulat: Quartzite Poudre de verre (< 125 µm) Expansion à 14 jours : Référence (100% ciment) = 0,20% 5% de remplacement du ciment = 0,13% 20% de remplacement du ciment = 0,13% Expansion à 28 jours: Référence (100% ciment) = 0,35% 5% de remplacement du ciment = 0,21% 20% de remplacement du ciment = 0,20%