Hydratation de la formulation à base de laitier de haut fourneau

L’étude microstructurale de la formulation à base de laitier de haut fourneau a montré une

bonne cohésion du système cimentaire mais également la présence de grains de laitier et de

clinker anhydres. L’hydratation du laitier ne semble donc pas totale à 90 jours. Les composés

minéralogiques présents dans le diagramme de diffraction des rayons X à 28 jours sont présentés dans le Tableau V-7. Ce tableau montre la présence des mêmes composés présents dans la formulation témoin à base de ciment uniquement.

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159 Tableau V-7 : Composés minéralogiques détectés pour F2 LHF à 28 jours

Ref. Composé Composé

(notation cimentaire)

Teneur nomination commentaire

A SiO₂ S ++++ Quartz ^Sable

normalisé

B Ca(OH)2 CH + Portlandite ^Ciment

hydraté C Ca₆ Al₂(SO₄)₃(OH)₁₂.26 H₂O C6AS3H32 Tr Ettringite ^Ciment hydraté D CaCO₃ C C Tr Calcite Ciment anhydre ou carbonatation de portlandite E Ca₃SiO₅ C3S Tr ^{Silicate de} calcium Ciment anhydre F Ca₈Al₄O₁₄CO₂.24H₂O CxAHy Tr Carboaluminates de calcium hydratés Ciment hydraté G ^{(K,Na)(Al,Mg,Fe)2(Si3.1Al0,9)O1}

0(OH)₂ Tr Muscovite ^Sable

normalisé

H KAl Si₃O₈ Tr Microline ^Sable

normalisé

I NaAlSi₃O₈ Tr Albite ^Sable

normalisé

J Al₂Si₂O₅(OH)₄ Tr Kaolinite ^Sable

normalisé

La formulation à base de laitier de haut fourneau présente, comme la formulation témoin, des traces de ciment anhydre (C3S). La même observation est faite à 90 jours.

La réaction d’hydratation du laitier de haut fourneau dans le cas d’une activation alcaline par

la chaux est présentée dans l’Equation V-10 :

C₅S₃A + 2C + 16H  3 C-S-H + C4AH₁₃ [Divet, 2006] Equation V-10 Dans ce cas, les hydrates formés par le laitier de haut fourneau sont du même type que ceux

rencontrés dans le cas de l’hydratation d’un ciment. On observe, d’après cette relation, que la stœchiométrie des C-S-H formés n’est pas indiquée et que l’hydratation du laitier de haut

160 fourneau ne forme pas de portlandite. Des études ont été réalisées sur le rapport C/S des

C-S-H. Il est admis que la stœchiométrie des C-S-H varie en fonction de la concentration, ou plus précisément de l’activité, en hydroxyde de calcium dans la phase aqueuse avec laquelle ils

sont en équilibre. Le rapport C/S du solide varie entre 0,66 et 2 en fonction de la concentration en calcium dans la solution en équilibre [Van Rompaey, 2006]. Tous les processus qui font intervenir des variations de concentration en chaux de la phase aqueuse, tels que les réactions qui consomment de la chaux (réaction pouzzolanique, carbonatation…), l’activation des laitiers par la chaux (ce qui est notre cas) ou les déplacements d’équilibre de solubilité de l’hydroxyde de calcium pourraient modifier les caractéristiques des C-S-H

formés. Ainsi, une baisse de la concentration en Ca(OH)2 provoque sa dissolution et des modifications du rapport C/S du C-S-H. Dans la réaction d’hydratation du laitier de haut

fourneau par activation calcique présenté dans l’Equation V-9 les C-S-H formés possèdent un

rapport C/S de 1. Les teneurs en C-S-H propres au laitier mesurées par la laitier de haut

fourneau seront calculées sur cette hypothèse d’un rapport C/S = 1.

Le Tableau V-8 présente les teneurs en C-S-H et en portlandite relevées pour les formulations à base de laitier de haut fourneau entre 2 et 90 jours, les courbes d’analyse thermiques sont présentées dans l’annexe K. Dans le cas des teneurs en C-S-H de la formulation de mortier, nous prenons en compte l’apport en C-S-H du ciment, sous la forme C1,7SH4, représentant

50% du liant et en CSH formés à partir du laitier de haut fourneau, représentant l’autre partie

du liant.

Tableau V-8 : Evolution des teneurs en C-S-H et en portlandite de la formule F2 LHF

Composition

C-S-H Portlandite

Ciment (pour C1,7SH4)

Laitier LHF

(pour CSH) ^total Eau

% Teneur % Eau % Teneur % Eau % Teneur % Eau % ^{Teneur %} F2 – J2 1,175 13,71 1,175 8,09 2,35 21,80 0,61 2,51 F2 – J7 1,1 12,83 1,1 7,58 2,20 20,41 0,69 2,84 F2 – J28 1,515 17,68 1,515 10,44 3,03 28,11 0,65 2,67 F2 – J90 1,605 18,73 1,605 11,06 3,21 29,78 0,77 3,17

La Figure V-9 présente les évolutions en C-S-H et en portlandite pour la formulation à base de laitier de haut fourneau et la formulation témoin à base de ciment uniquement.

161 Figure V-9 : Evolution des teneurs en C-S-H et en portlandite pour F1 CEM I et F2 LHF

La Figure V-9 montre que le laitier de haut fourneau, qui présente un développement des résistances mécaniques proche de celui de la formule à base de ciment, présente également une quantité de C-S-H proche de la formulation témoin. La substitution de ciment par du

laitier a eu peu d’effet sur la quantité de C-S-H formés, ce qui montre que le laitier produit

lui-même des C-S-H qui sont responsables du développement des résistances mécaniques du mortier. La teneur en portlandite reste environ 50% plus faible que pour la formulation

témoin, ce qui montre que le laitier ne consomme pas de portlandite. L’activation du laitier est

produite par cette portlandite qui, au sein du système, impose un pH permettant d’activer le laitier en dissolvant le gel d’alumine, responsable de l’hydraulicité latente du laitier. Cette

faible teneur en portlandite induit également un type de C-S-H différent entre ceux formés par le ciment et ceux formés par le laitier.

Le degré d’hydratation des formulations 1 et 2 (formulation témoin et formulation à base de laitier de haut fourneau) peut être estimé à partir de la perte relative de masse ΔMeau d’hydratation correspondant à la déshydratation des composés hydratés du béton (eau liée, mesurée entre la température ambiante et la fin de la décomposition d’eau relative à la portlandite), tels que les

C-S-H, l’ettringite et la portlandite [LCPC 58, 2011]. Le degré d’hydratation est obtenu en divisant la perte relative de masse (ΔMeau d’hydratation) par la quantité d’eau qui serait nécessaire

pour avoir une hydratation complète du ciment dans le béton. Cette quantité E_mortier(∞) est égale, pour une formulation sans laitier, au produit de la teneur en ciment (C) du mortier, par un coefficient, Eciment(∞), correspondant au ciment seul. Le degré d’hydratation (α) d’un

mortier sans laitier est donc égal à :

Equation V-11

De même, pour un mortier avec laitier, la quantité E_mortier(∞), est égale à :

E_mortier(∞) = C.E_ciment(∞) + L.E_laitier(∞) Equation V-12 Avec :

162 C et L : teneur en ciment et en laitier dans le mortier ;

E_ciment(∞): quantité d’eau nécessaire à l’hydratation complète du ciment dans le mortier ;

E_laitier(∞): quantité d’eau nécessaire à l’hydratation complète du laitier dans le mortier. Le degré d’hydratation d’un mortier avec laitier est égal à :

Equation V-13

Les teneurs en ciment (C) et en laitier (L) du mortier sont calculées et présentées dans le Tableau V-9. La perte relative de masse ΔMeau d’hydratation étant exprimée par rapport à la masse de mortier sec, il convient d’exprimer la teneur en ciment et en laitier de la même façon dans

le cas de mélanges binaires. Le coefficient Eciment(∞) est calculé à partir de la composition minérale du ciment (Tableau V-10) et à partir des formules de bogue.

Tableau V-9 : Teneurs en ciment et en laitier des différents mortiers Teneur en ciment du mortier sans laitier 22,2 %

Teneur en ciment du mortier avec laitier 11,1 % Teneur en laitier du mortier avec laitier 11,1 %

Tableau V-10 : Composition minérale du ciment anhydre et calcul des différents coefficients pour la

mesure du degré d’hydratation par analyse thermique

Composant anhydre

Composition du ciment anhydre selon Bogue

Masse d’eau nécessaire à l’hydratation

complète de chaque composant (%) Par unité de masse

du composant

Par unité de masse du ciment anhydre C3S 47,5 % 24,0 % 11,4 % C2S 23,1 % 21,0 % 4,8 % C3A 9,8 % 40,0 % 3,9 % C4AF 6,7 % 37,0 % 2,5 % Autres (ajouts) 12,9 % - -

Masse d’eau nécessaire à l’hydratation complète du ciment

(par unité de masse du ciment anhydre) ^{22,6 %}

La masse d’eau nécessaire à l’hydratation complète du laitier est déterminée à partir de la stœchiométrie de la réaction d’hydratation d’un ciment au laitier avec un activateur alcalin, en

163 Dans cette relation, la formule simplifiée est obtenue à partir des principaux éléments présents dans le laitier (CaO, SiO₂ et Al₂O₃) qui participent à l’hydratation.

C₅S₃A + 2C + 16H  3 C-S-H + C4AH₁₃ [Divet, 2006] Equation V-14

Dans ce cas, la masse d’eau nécessaire à l’hydratation complète du laitier de haut fourneau

(par unité de masse du laitier anhydre) est égale à 42% [Hyvert, 2010]. On note que les

calculs sont réalisés avec l’hypothèse que l’échantillonnage respecte bien la formulation initiale (c’est-à-dire trois parts de sable pour une part de liant composée soit uniquement de ciment soit d’un mélange ciment/laitier en proportion 50/50). Le Tableau V-11 présente les

résultats du calcul du degré d’hydratation.

Tableau V-11 : Perte de masse en % relative à l’eau liée aux produits d’hydratation pour F1 et F2 et calcul du degré d’hydratation pour F1 et F2 aux différentes échéances

F 1 100% CEM I F 2 50% LHF ΔMeau d’hydratation (%) α (%) ΔMeau d’hydratation (%) α (%) 2j 4,02 80 3,90 54 7j 4,64 93 3,75 52 28j 5,67 114 4,90 68 90j 5,62 113 5,29 73

Les degrés d’hydratation calculés pour la formulation témoin F1 sont supérieurs à 100%. La mesure de l’eau liée correspondant aux produits d’hydratation présente donc un problème. Le séchage des mortiers à 40°C, dont le but est d’enlever l’eau non liée à l’hydratation sans dégrader les hydrates les moins stables (l’ettringite se décomposant à 80°C), n’a pas été

suffisant, ce qui donne une surévaluation de l’eau liée aux hydrates. Cependant, les deux

formulations peuvent être comparées sans tenir compte des valeurs numériques (comparaison semi-quantitative). La formulation témoin présente un degré d’hydratation très fort, dès les

premiers jours puis tend à se stabiliser à 28 jours, à la différence de la formulation à base de

laitier de haut fourneau, qui présente un degré d’hydratation plus faible aux premiers jours et

qui évolue moins vite que la formulation témoin. La différence entre le degré d’hydratation du

laitier de haut fourneau et celui de la formulation témoin a été également observée par MEB,

où l’observation microstructurale des formulations par imagerie MEB a révélé que de

nombreux grains de laitier de haut fourneau sont toujours anhydres après 90 jours

d’hydratation. Pour la formulation à base de laitier de haut fourneau, l’hydratation du mortier

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