Diffraction des rayons X

Ce type d’analyse permet d’obtenir une idée de l’importance de chacun des hydrates présents dans une poudre. Il est cependant important de mettre en perspective les résultats obtenus. Le taux minimum de détection d’un composé est de 5 %, les composés mineurs ne sont pas détectés. Il est également important de noter que l’intensité des pics détectés varie beaucoup selon le degré de cristallisation d’un composé. Par exemple, le quartz est une phase très cristallisée qui fait apparaitre de très grands pics, et ce malgré une faible proportion. Il est possible de comparer dans le temps une même formulation de liant et de

suivre l’évolution des pics de détection. Cet essai se prête donc bien à une analyse comparative. Malgré toutes ces limitations, l’analyse par diffraction des rayons X permet d’obtenir de précieuses informations, en gardant toutefois à l’esprit les limites présentées. Les principaux composés détectés sont l’ettringite, les C3S, les C3A, le CaCO3 et la

stratlingite. Tel que prévu par la littérature, la phase la plus importante est l’ettringite, et ce, peu importe l’échéance observée. Ceci est conséquent avec le développement rapide des résistances observé. Puisque la présence de calcite est détectée 3h après le contact eau- ciment et que l’intensité et le nombre de pics observés est constant dans le temps, cela laisse présager qu’il s’agit d’un composé initialement présent, et non un composé développé par hydratation (probablement dans le ciment Portland1 (CSA 2008)). On observe également que l’ettringite semble se former principalement à partir des CA fournis par les CAC puisqu’aucun CA ne sont détectés.

Le point le plus important présenté par les résultats de DRX est le développement de la stratlingite, qui est initialement absent de la matrice cimentaire. Après 56j de cure, il est l’hydrate détecté le moins présent et à 120j il est le deuxième hydrate en importance détecté dans la matrice cimentaire, tout juste après l’ettringite. L’augmentation relative de la stratlingite correspond également à la diminution relative des C3S et des C3A présents. Il

semble donc que la formation de stratlingite entraine une consommation d’un ou de ces deux composées.

Avec les informations fournies par les résultats de DRX, il est possible de formuler une hypothèse sur la diminution suivie du regain des résistances mécaniques du mélange DRY basé sur le phénomène de conversion observé dans les CACs. Lors de l’hydratation des CACs, des hydrates métastables se forment si la température est inférieur à 60°C (Muller 2010). Par la suite, en présence de certains composés en excès ou dus à un traitement thermique, les hydrates se transforment toujours pour atteindre un état plus stable. Une température élevée favorise grandement cette transformation en fournissant de l’énergie qui accélère la conversion des hydrates. Selon la situation, la transformation des hydrates peut

s’accompagner d’une diminution de volume de 52% (adapté de (Muller 2010). En se transformant, les hydrates créent une porosité qui fait diminuer la résistance en compression. Lorsqu’un traitement thermique est appliqué, cette diminution de résistance mécanique se produit peu de temps après l’atteinte de la résistance maximale (Muller 2010). Puisque les échantillons testés ont été conservés dans une chambre à humidité et température contrôlée, aucun traitement thermique n’a été appliqué sur les carottes et ne peut donc être responsable d’un tel phénomène. L’hypothèse du composé en excès est donc le plus vraisemblable.

Il existe cependant une différence majeure entre les matrices ternaires et celles à base de CAC en ce qui attrait aux hydrates formés. Dans une matrice ternaire, l’hydrate principal, soit l’ettringite, est stable. D’après les résultats de DRX, ce n’est pas un hydrate, mais une phase minéralogique qui se dissout, soit les C3A. Puisque ce composé est au départ

anhydre, il ne contribue pas activement à la résistance en compression du béton en liant les différents composés. Ceci peut expliquer pourquoi la dissolution n’entraine pas une diminution aussi marqué des résistances mécaniques comme dans le cas des CAC où c’est l’hydrate principalement responsable de la résistance qui se dissous.

Ainsi, la dissolution des C3A commence entre 28j et 56j après le début de l’hydratation.

Cependant, cette dissolution n’est alors pas très importante et n’influence pas la résistance globale du système.

Entre 56 et 90j la dissolution des C3A devient très importante, faisant passer ce composé du

troisième composé d’importance présent à complètement absent. Cette dissolution créerait de la porosité qui affecterait négativement les résistances en compression du béton. Cette présence supérieure d’ions en solution permet la formation accrue de stratlingite. Cependant, ce nouvel hydrate ne permet pas de combler complètement la porosité créée par la dissolution du C3A.

À 120j, selon l’hypothèse avancée, la stratlingite a complètement comblé la porosité créée par la dissolution des C3A. En comblant la porosité, la stratlingite permet au béton de

récupérer ses résistances initiales, soit celle d’avant ce phénomène de pseudo-conversion. Cette augmentation de la quantité de stratlingite le fait passer du troisième composé en

importance au deuxième. Encore une fois, il est difficile de déterminer si les C3S se sont

dissous ou si la quantité de stratlingite créée est tout simplement plus importante que la proportion de C3S initialement présent.

Ainsi, le mélange DRY subirait un processus de dissolution-recristallisation très lent, qui touche les C3A (et peut-être les C3S) créant ainsi une porosité plus élevée le temps que la

stratlingite se cristallise et vienne combler la porosité.

Il reste cependant de nombreuses questions sans réponse. Une de celles-ci est pourquoi les C3A, des composés généralement très réactifs, se solubilisent si tard dans l’hydratation. Il

est également difficile de déterminer si les C3S se solubilisent ou encore qu’elle est

l’évolution dans le temps des composés non détectables par DRX. Les essais au DRX et les essais de compression ont été réalisés à des intervalles relativement longs après les premiers 28 j. Avec les données générées, il est donc impossible de dire si la baisse de résistance observée à 97 j est un minimum ou si le mélange est déjà en train de regagner ces résistances en compression. Une autre question restée sans réponse est l’influence du rapport E/L sur les résultats de DRX. Puisqu’il est impossible de spécifier un rapport E/L lorsque le béton projeté par voie sèche est employé, le rapport E/L de la pâte utilisée pour réaliser l’essai de DRX et le mélange ternaire projeté ont de très grande chance d’être différent. L’étude de l’hydratation de ce type de matrice est encore très préliminaire, la variation sur la formation des hydrates du rapport E/L est inconnue.

Ainsi, plusieurs études complémentaires seraient nécessaires afin de trouver les réponses aux points mentionnés et aux nombreuses interrogations n’ayant pas été citées.

5.7 Conclusion

Le mélange ternaire développé (DRY) présente des résistances en bas âge supérieures aux mélanges commerciaux. Le développement des résistances du mélange DRY est beaucoup plus rapide que tous les autres types de systèmes testés dans le cadre de cette maîtrise (ciment de sulfoaluminate de calcium et ciment Portland). Le mélange ternaire avec cendre volante (CV-33) possède également des résistances en compression très performant en bas âge, supplantant largement les mélanges commerciaux de 1h à 3h. Les essais avec un liant

ternaire majoritairement à base d’OPC (TERN) ont confirmé les résultats de la Phase 1 selon lesquels les formulations majoritairement à base d’OPC sont moins performante au jeune âge que leurs contreparties à base de CAC. Ainsi, à partir des résultats obtenus, il est possible d’affirmer que l’utilisation de liants à base d’OPC-CAC- ̅ majoritairement CAC en béton projeté par voie sèche, produit des bétons aux résistances en jeune âge inégalées par tout autre type de liants cimentaire facilement disponible sur le marché.

Chapitre 6 - Conclusion

6.1 Introduction

Le projet de recherche entrepris à travers cette maîtrise avait comme objectif de développer un mélange de béton projeté par voie sèche ayant de très hautes résistances initiales et un comportement postfissuration optimisé. Pour ce faire, trois phases expérimentales ont été réalisées. La Phase 1 s’est attardée à la détermination de la formulation optimisée (résistance en compression et stabilité volumique) d’un liant à base OPC-CAC- ̅ sur des échantillons de mortier. La Phase 2 a porté sur la projection de béton projeté par voie sèche contenant un haut volume de fibre. Finalement, la Phase 3 s’est concentrée sur la production de béton projeté à ultra haute résistance initiale.

Ce chapitre présente les conclusions générales de ce projet de recherche. Les principales questions que ce projet a engendrées ainsi que des pistes de futures recherches y étant rattachées sont amenées par la suite.

6.2 Conclusions générales

Phase 1 : Assemblage d’un liant pour béton projeté

La première phase de ce projet a été consacrée exclusivement à la formulation de mélange de mortier équivalent. Les nombreuses formulations à l’essai ont permis d’approfondir le comportement des liants OPC-CAC- ̅ et d’identifier le meilleur candidat pour la phase de projection de béton par voie sèche. Les principales conclusions de cette phase sont :

 La réalisation de plusieurs formulations de mortier OPC-CAC- ̅ à partir de deux types de sulfate de calcium a permis de dresser un tableau général du développement des résistances mécaniques associé à ces liants, avec des résultats aussi tôt que 3h après le contact eau-liant.

 Les résultats démontrent une grande sensibilité des proportions OPC-CAC- ̅ sur le comportement des mortiers produits; cela est d’autant plus vrai que l’on s’approche de la limite expansive (figure 3.6).

 Les formulations non expansives démontrant les meilleures résistances en compression au jeune âge (3h) sont la 40/40/20 avec sulfate de calcium anhydre et la 20/50/30 avec sulfate de calcium hémihydrate.

Phase 2 : Béton projeté par voie sèche avec haut volume de fibre

La deuxième phase de ce projet s’est attardée à la production d’un béton projeté par voie sèche offrant un comportement écrouissant. Pour arriver à produire un béton avec ce comportement, différents mélanges contenant de hauts volumes de fibres ont été préparés en laboratoire. Les principales conclusions de cette phase sont les suivantes :

 Il est très difficile d’incorporer de haut volume de fibre en utilisant l’équipement du laboratoire du CRIB de l’Université Laval. La quantité de fibre présente ne peut simplement pas passer dans le système rotor-boyau.

 La projection de haut volume de fibre serait probablement plus facile avec un équipement adapté ou spécialisé.

Phase 3 : Béton projeté à ultra haute résistance initiale

La troisième phase de ce projet visait la projection d’un béton projeté par voie sèche possédant de (très) hautes résistances initiales. Les objectifs complétés au cours de cette phase sont de déterminer si l’équipement et les techniques usuelles de béton projeté permettent de produire un béton homogène, ainsi que de caractériser le béton projeté à base d’OPC-CAC- ̅. Afin de caractériser efficacement et valider le béton produit, 5 bétons projetés commerciaux aux résistances mécaniques élevées en jeune âge ont été projetés dans le laboratoire, permettant une comparaison entre le béton développé et ce qui est disponible sur le marché. Les points qui suivent présentent les principales conclusions de la

Phase 3 :

 La projection d’un béton projeté par voie sèche à partir de la formulation déterminée à la Phase 1 a permis de produire un béton homogène avec de l’équipement conventionnel et suivant les règles de bonne pratique du béton projeté usuel.

 Les résistances mécaniques au jeune âge du béton produit sont très supérieures à ce qui est présentement disponible en pratique; des résistances en compression de 12 MPa à 1h et de 35 MPa à 3h ont été obtenues tandis que la résistance finale de 50 MPa est obtenue après une (1) seule journée.

 Le béton produit présente une diminution de ces résistances mécaniques, qui est par la suite comblée (entre 90j et 150j). Une hypothèse expliquant ce phénomène est une dissolution très lente du C3A anhydres (principalement de 56 à 90j) ce qui

augmente la porosité de la matrice d’où une perte de résistances mécaniques. Par la suite, il y aurait une cristallisation de stratlingite qui vient combler la porosité engendrée par la dissolution du C3A, recouvrant les résistances perdues. Cette

hypothèse est toutefois très préliminaire compte tenu de la complexité du système étudié.

 Le module élastique du béton projeté produit est similaire à un béton projeté classique à base de ciment Portland.

 L’essai d’absorption a permis de démontrer que le béton produit est sensible aux hautes températures.

 Le béton projeté produit est pour le moment non résistant au gel-dégel et doit être modifié s’il est soumis à ce phénomène.

6.3 Recherches futures

De par sa nature exploratoire, ce projet de recherche a soulevé de nombreuses questions qui nécessitent des études plus approfondies.

Un premier aspect touche évidemment le béton projeté par voie sèche à haut volume de fibres. Quelques pistes de solutions ont été mentionnées à la fin du chapitre 4, mais une étude plus approfondie est nécessaire. Bien que les délais ne le permettaient pas dans le cadre de cette maîtrise, l’incorporation de fibres directement à la sortie de la lance à l’aide d’une pièce d’équipement supplémentaire par laquelle le boyau de projection passe est une avenue très intéressante pour un futur projet. La projection de béton écrouissant aurait de grands avantages dans de nombreux domaines de construction et des réparations.

L’utilisation de liants OPC-CAC- ̅ dans le béton projeté a soulevé une myriade de questions liées à l’hydratation de ces systèmes. En plus des nombreuses hypothèses présentées dans ce travail qui doivent être confirmées, par exemple le phénomène de « pseudo conversion », de nombreuses questions persistent avant l’utilisation dans un contexte réel de ce type de liant en béton projeté. Une des plus importantes est l’influence de la cure sur les résistances mécaniques obtenues. Dans le milieu minier, il est connu que la cure du béton projeté est très limitée (ou tout simplement inexistante). Puisque les molécules d’ettringite incorporent beaucoup d’eau, il serait très intéressant d’explorer et vérifier l’évolution réelle des résistances mécaniques dans ce un environnement sec. Il est également incontournable de réaliser une étude approfondie de la durabilité et de la robustesse de ce type de liant cimentaire avant son utilisation sur le terrain. Bien que peu important pour le domaine du support de terrain et minier, la durabilité est très importante dans le domaine des réparations. Une étude plus approfondit du comportement à haute température de ces matrices est également nécessaire suite à l’expansion observé lors de l’essai d’absorption.

Avec les résultats obtenus au cours de cette maîtrise, les futures recherches en béton projeté devront nécessairement tenir compte des liants OPC-CAC- ̅. Ces liants ont démontré un potentiel qui se doit d’être étudié plus en profondeur afin de permettre de répondre plus efficacement aux besoins de l’industrie qui sont grandissant.

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