CHAPITRE I : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
2. Ciment avec ajout de fumée de silice
2.2. L’influence de l’ajout de fumée de silice sur la microstructure
fumée de silice sera plus homogène et plus dense.
2.2.1. Effet sur la porosité de la pâte
L’ajout de FS dans une pâte de ciment développe une structure poreuse plus fine que celle des pâtes de ciment ordinaires [DUR 95] [HOO 92]. La porosité volumique totale, n’a pas nécessairement diminué, mais les grands pores semblent subdivisés en de plus petits pores [YOG 87]. La figure I-17 [FEL 85] juxtapose les distributions porosimétriques au cours de l’hydratation de trois pâtes de même rapport E/Liant de 0,25 (liant = ciment + FS) avec 0, 10 et 30% de FS. Au cours du temps, la porosité diminue pour les trois pâtes traduisant le développement des hydrates. La porosité ne varie pas beaucoup pour la pâte avec 10% de FS entre 28 et 180 jours suggérant que la réactivité de la FS au-delà de 28 jours est plus faible, et ce qui rejoint ce qui a été dit précédemment dans la section (§I- A-2.1.3.) sur la haute réactivité de la FS. Le diamètre seuil ou le rayon critique des pores capillaires (défini précédemment dans§I-A-1.3.1.-pores capillaires et correspondant au point à partir duquel le volume cumulé de mercure intrus augmente brusquement), quant à lui, diminue avec l'ajout de la fumée de silice et dès les premiers jours d’hydratation. Ce diamètre seuil plus faible est dû aux particules de FS présentes dans la porosité qui, réagissent, subdivisent les pores et comblent ainsi une partie de la porosité par des produits de réaction plus dense [IGA 05]. Khan [KHA 03] montre aussi que la porosité est réduite avec l’ajout de FS, mais il considère que cette réduction devient marginale et moins importante à partir de 10% de substitution du ciment par de la FS. Il suggère par la suite que l’optimum de performances (faible porosité et perméabilité) est atteint avec un pourcentage de substitution du ciment entre 8 et 12% de FS.
Chapitre I : Etude bibliographique
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En présence de FS, la porosité des hydrates est également plus densifiée. Les C-S-H pouzzolaniques formés à partir de la réaction de la fumée de silice (qu’on appellera par la suite C-S-H (P)) possèdent un rapport molaire C/S et une quantité d’eau liée plus faibles [TAY 97] [LUP 93] [SEL 82] et une structure plus dense [MOR 92] que les C-S-H conventionnels produits de l’hydratation du ciment Portland. Basé sur une série de mesures d’adsorption/désorption sur des pâtes de ciment sans et avec 10% de FS, Baroghel-Bouny [BAR 98] a montré que la porosité des C-S-H pouzzolaniques est plus faible (de 19%) comparé à la porosité des C-S-H conventionnels (de 28%) estimé par [8]. D’autres études [LUP 93] [MUL 15] [ROSS 15] montrent que le rapport C/S dans les matériaux avec ajout de FS, varie de 0,9 à 1,3, selon le degré d’hydratation et la teneur en FS, tandis qu’en absence de FS, ce rapport est autour de 1,6-1,7.
Le seuil de percolation de ces deux phases (pores capillaires et C-S-H) reste lui inchangé et ne varie pas beaucoup avec l’ajout de FS comme le montre les résultats de simulation numériques de Bentz (Figure I-18) [BEN 00].
Figure I-17 : Distribution de la taille des pores de pâtes (E/Liant = 0.25) avec
3 teneurs en FS [FEL 85] (a) 0% de FS (b) 10% de FS (c) 30% de FS.
Chapitre I : Etude bibliographique
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Figure I-18 : Percolation de la phase capillaire (à gauche) et des C-S-H (à droite) en présence de FS
2.2.2. Effet sur la porosité de l’ITZ
La fumée de silice est un adjuvant très efficace pour l’amélioration des propriétés du béton et en particulier l’amélioration de la qualité de l’auréole de transition, connue comme étant une zone de faiblesse dans la matrice du béton [RIC 92] [ODL 86] [NEU 63]. La FS augmente la force de liaison et l’énergie de rupture entre le granulat et la pâte [MIT 94] [SID 11] en rendant cette zone plus dense [AIT 98], et en améliorant significativement sa structure et sa composition comme le montrent les études de [GOL 89] [MON 86]. L’évolution de la structure au niveau de l’ITZ est schématisée dans
la figure I-19. Il est intéressant de noter la diminution de la quantité de Ca(OH)2 et l’amélioration
générale entre le liant et les agrégats.
En effet, comme on l’a vu dans le paragraphe précèdent (§I-A-1.3.2.), la portlandite (amorphe ou cristallisée) se trouve en forte concentration sous forme de couches dans l’auréole de transition, ou en bordure des bulles d’air [BAR 94]. La FS va donc réagir autour des granulats pour former des C- S-H et combler ainsi la porosité de l’ITZ [XUA 09] [XIE 92]. Rossignolo dans [ROS 09] a montré que l'utilisation de 10% de fumée de silice a provoqué une réduction de 36% de l'épaisseur ITZ, par rapport au béton de référence. Les travaux de Monteiro et Mehta [MONT 86] [MON 88] décrivent une réduction de l'épaisseur d’ITZ de 50 µm, dans les bétons ordinaires, à des valeurs inférieures à 10 µm, dans les bétons avec FS.
D’autres études comme [SCR 88] (Figure I-20) montrent qu’avec l’ajout de FS, la porosité de l’ITZ diminue fortement : on n’observe presque plus d’auréole de transition (ou son épaisseur est inférieur à 5μm), alors que dans un béton CEM I, cette auréole de transition a une épaisseur de 25μm. Avec une aussi faible épaisseur d’ITZ, les auréoles de transition resteront isolées et ne commenceront à être connectés que dans des mortiers avec des teneurs volumiques en sable très importantes (> 50%) [OLL 95] (Voir la Figure I-12).
La densification de la structure porale au niveau de la pâte et de l’interface granulat/pâte en présence de FS se traduit par une amélioration de la résistance mécanique [BENTU 87] [MAZ 04] [WIL 95] [WON 05] [LOL 81] et une diminution des propriétés de transports (§I-B-2.1.).
Chapitre I : Etude bibliographique
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2.2. Résumé
Grâce à sa grande finesse, sa forte teneur en silice et sa structure essentiellement vitreuse, la fumée de silice non-densifiée constitue un produit hautement pouzzolanique. Elle réagit avec la portlandite pour produire des C-S-H appelés pouzzolaniques (C-S-H(P)), moins poreux [BAR 98], plus denses [MOR 92] et plus riche en silice (rapport C/S plus faible) [TAY 97] [LUP 93] [SEL 82] que les C-S- H conventionnels formés à partir de l'hydratation du ciment Portland (réf. §I-A-1.2.2.). Par conséquent, la quantité d'hydrates augmente, ce qui augmente à la fois la résistance et réduit la perméabilité en densifiant la matrice cimentaire. Outre cet effet pouzzolanique, la fumée de silice peut également jouer le rôle de filler grâce à la finesse de ses particules lisses qui glissent et pénètrent dans la porosité du matériau.
L’ajout de FS dans une pâte de ciment engendre une structure poreuse plus fine que celle des pâtes avec ciment Portland. La porosité volumique totale, elle, n’a pas nécessairement diminué, mais les grands pores semblent subdivisés en de plus petits pores [YOG 87]. Le diamètre seuil des pores capillaires (correspondant au point à partir duquel le volume cumulé de mercure augmente brusquement), diminue du fait du tapissage des parois capillaires par les particules de FS, et de la subdivision de la porosité par des produits d’hydratation plus denses (§I-A-2.2.1).
Au niveau de l’ITZ, la FS augmente la force de liaison et l’énergie de rupture entre le granulat et la pâte [MIT 94] [SID 11] en rendant cette zone plus dense [AIT 98], et en améliorant significativement sa structure et sa composition [GOL 89] [MON 86]. Cet ajout est considéré comme très efficace pour la réduction de l’épaisseur de l’ITZ de plusieurs dizaines de µm dans un béton ordinaire à quelques µm dans un béton avec FS (§I-A-2.2.2). Avec une aussi faible épaisseur d’ITZ, les auréoles de transition resteront isolées et ne peuvent percoler que pour des mortiers à fortes teneurs en sable (> 50%).
Nous verrons dans le Chapitre II que la fumée de silice est très rarement utilisée sous sa forme non- densifiée à cause de sa manutention difficile, et qu’elle est plutôt conditionnée sous forme densifiée dans la plupart du temps ou sous forme de suspension. Ces conditionnements engendrent souvent la formation d’agglomérats, réduisant ainsi l’efficacité de la FS mal dispersée dans le matériau cimentaire.
Figure I-19 : Effet de la FS sur la structure de l’interface ITZ [BENT 87] : (a) et (b) étant respectivement le béton frais et durci sans FS
et (c) et (d) respectivement le béton frais et durci en présence de FS.
Figure I-20 : Evolution de la porosité au voisinage des granulats mise en évidence de l’effet de la FS
Chapitre I : Etude bibliographique
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Partie B : Propriétés de transport dans les matériaux
poreux
Les transferts de matière dans des milieux poreux tels que les matériaux cimentaires peuvent s’effectuer selon deux processus généraux, différenciés par la nature de leur moteur :
Le transfert d’un fluide sous l’effet d’un gradient de pression appelé convection (ou
perméation) et mis en équation par la loi de Darcy. Deux principales grandeurs sont associées à ce mode de transfert: la perméabilité au gaz et la perméabilité à l’eau.
Le transport d’éléments sous l’effet d’un gradient de concentration appelé diffusion et mis en
équations par les lois de Fick. Des espèces telles des ions (Cl-) ou des molécules (eau tritiée
HTO, O2, CO2) vont se déplacer en raison de mouvements aléatoire de la zone la plus
concentrée vers la moins concentrée. Le paramètre associé à la diffusion est le coefficient de diffusion de l’espèce diffusante.
La perméabilité et le coefficient de diffusion sont utilisés en génie civil comme indicateurs de
durabilité des matériaux cimentaires [ASS 04]. La pénétration des gaz agressifs comme le CO2 ou
l’oxygène O2 ou des ions comme le chlorure Cl-, en milieu saturé ou partiellement saturé, sont
responsables de la corrosion des armatures dans les bétons armés.
Les transferts de matière au sein des matériaux cimentaires résultent essentiellement de la diffusion de radionucléides en phase liquide [RIC 92]. La diffusion intervient dans tous les cas : de manière générale, c’est le phénomène prépondérant dans la dégradation des matériaux à base de liants hydrauliques. Selon l’état des connaissances actuelles, il apparaît que la diffusion est largement prépondérante devant la convection, au moins en milieu saturé, ce qui est le cas dans l’étude du comportement à long terme de ces matériaux dédiés au stockage.
La diffusion au sein des matériaux complétement saturés correspond également au cas le plus défavorable au sens de la rétention des radionucléides. La mesure du coefficient de diffusion en conditions saturées permet d’accéder à une valeur enveloppe du coefficient de diffusion qui permet de réaliser des études de sûreté robuste sur le stockage des déchets radioactifs.