Chapitre 1 : Synthèse bibliographique
1.1.5. Les additions minérales
Une addition minérale est définie par la norme européenne (NF EN 206, Avril 2004) comme étant un matériau minéral finement divisé utilisé dans le béton afin d’améliorer certaines propriétés ou pour lui conférer des propriétés particulières. La norme européenne (NF EN 206, Avril 2004) considère deux types d’additions :
– Le type I : additions quasiment inertes ;
– Le type II : additions à caractère pouzzolanique ou hydraulique latent.
Comme additions de type I nous avons :
– Les fillers conformes à la prénorme (prEN 12620, 2000);
– Les pigments conformes à la norme (EN 12878).
– Comme additions de type II, nous avons :
– Les cendres volantes conformes à la norme (NF EN 450, 1995);
– Les fumées de silice conformes à la norme (prEN 13263, 1998).
Laitier granulé de haut fourneau 1.1.5.1.
Conformément à la norme (NF P 18-506, 1992), il est obtenu par refroidissement rapide du laitier fondu provenant de la fusion du minerai de fer dans un haut fourneau. Il contient au moins deux tiers en masse de laitier vitreux et présente des propriétés hydrauliques après avoir subi une activation convenable. Le rapport massique
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Cendres volantes (V, W) 1.1.5.2.
Conformes à la norme (NF EN 450, 1995), ce sont des produits pulvérulents de grande finesse, provenant du dépoussiérage des gaz des chaudières des centrales thermiques (Bastide, 1993). On distingue deux familles de cendre volantes :
– Cendres volantes siliceuses (V) : Ce sont des particules sphériques ayant des propriétés pouzzolaniques ; constituées essentiellement de silice (SiO2) réactive et d'alumine (Al2O3) ainsi que d'oxyde de fer (Fe2O3) et autres composants. La teneur en oxyde de calcium (CaO) < 10% en masse, la teneur en silice (SiO2) réactive > 25 % en masse.
– Cendres volantes calciques (W) : Elles présentent des propriétés hydrauliques et/ou pouzzolaniques ; contenant une teneur en oxyde de calcium (CaO) réactif
> 10% en masse, le reste étant de la silice (SiO2) réactive, de l'alumine (Al2O3), d'aluminate monocalcique, ainsi que de petites quantités de chaux libre et de sulfate de calcium, le schiste calciné finement broyé présente, outre des propriétés pouzzolaniques, des propriétés fortement hydrauliques.
Filler calcaire (L, LL) 1.1.5.4.
Conforme à la norme (NF P 18-508, 1994), c’est un matériau très finement broyé.
Il a pour rôle de remplir les vides entre les sables et les graviers, tout en présentant une certaine activité physico-chimique en favorisant l’hydratation des silicates tricalciques (Dreux & Festa, 1998). La teneur en calcaire (CaCO3) ≤ 75 % en masse, la teneur en argile ≤ 1,20 g/100 g, la teneur totale en carbone organique (TOC) < 0,20 % en masse pour (LL) et < 0,50 % en masse pour (L).
Fumée de silice (D) 1.1.5.5.
Conforme à la norme (prEN 13263, 1998), elle provient de la réduction de quartz de grande pureté par du charbon dans des fours à arc électrique et est formée de particules sphériques contenant au moins 85 % en masse de silice amorphe.
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C’est une poudre d’une extrême finesse de 15000 à 25000 m2/kg, ce qui lui donne la capacité de se placer dans les interstices des grains de ciments en diminuant la demande en eau du mélange (effet filler). Mais son dosage est limité à 10% de la masse du ciment pour protéger les armatures dans le béton (problème de PH) (Aitcin, 2001;
Chanvillard, 1999).
Matériaux pouzzolaniques 1.1.5.6.
1.1.5.6.1. Définition
Conformes à la norme (NF EN 197-1, février 2001), ce sont des substances naturelles ou artificielles siliceuses ou silico-alumineuses, ou une combinaison de celles-ci contenant de l'oxyde de fer (Fe2O3) et d'autres oxydes ; mais la teneur en SiO2 réactif doit être au moins égale à 25 % en masse. Lorsqu’ils sont finement broyés, ils réagissent à température ambiante, en présence d'eau, avec l’hydroxyde de chaux CaOH pour donner naissance à des composés nouveaux, stables, peu solubles dans l’eau et possédant des propriétés liantes (Venuat, 1989). On distingue :
– Pouzzolane naturelle (P) : matériau provenant des volcans ou des roches sédimentaires, et ayant naturellement des propriétés pouzzolaniques, il est composé de silice, d’alumine et d’oxyde de fer ;
– Pouzzolane naturelle calcinée (Q) : matériau provenant des volcans, des argiles, des schistes ou des roches sédimentaires, activés thermiquement.
1.1.5.6.2. Propriétés
Les pouzzolanes sont des roches "acides" ayant des teneurs élevées en silice et en alumine (entre 70 et 80% pour les deux composants ensemble), puis en fer, en alcalins, en magnésie et en chaux.
Les pouzzolanes naturelles d’origine sédimentaire ont des teneurs en silice encore plus élevées (cas des squelettes siliceux de micro-organismes). Les quantités de chaux sont limitées, ce qui explique par ailleurs, la capacité des pouzzolanes à fixer la chaux (Sersale, 1980; Pichon, Gaudon, Benhassain, & Eteradossi, 1996).
Les pouzzolanes sont formées surtout d’éléments vitreux. Elles sont plus au moins réactives. La réactivité est l’aspect chimique de fixation de la chaux. L’activité pouzzolanique s’explique par une attaque lente de la silice et de l’alumine des pouzzolanes
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par l’hydroxyde de chaux. Des tests chimiques basés sur la quantité de chaux absorbée ou sur sa vitesse de fixation ne suffisent pas pour déterminer la réactivité pouzzolanique.
Tous les matériaux appelés « pouzzolanes » ne possèdent pas forcément cette propriété de fixation de chaux. On peut dans certains cas, activer les pouzzolanes par certains procédés :
– ajouts de produits chimiques ; – broyage à une finesse plus élevée ; – traitement thermique.
En plus des propriétés ci-dessus citées, on remarque aussi :
– Les propriétés hydrauliques : la pouzzolane réagit avec l’eau, en présence d’une quantité suffisante de chaux, pour former des hydrates stables, peu solubles et résistants à long terme.
– Les propriétés physiques de remplissage : en plus de leur effet pouzzolanique, elles jouent un rôle de remplissage des pores des produits hydratés et de correcteurs granulaires, ce qui améliore la compacité et diminue la perméabilité.
Influence des additions minérales sur les propriétés 1.1.5.7.
du béton
Par leur finesse et par leur réactivité plus ou moins importante en présence du ciment, les additions minérales engendrent des modifications significatives sur les propriétés des matériaux cimentaires à l’état frais et durci. A l’état frais, la présence des additions minérales modifie la structure du squelette granulaire et les frictions entre les composants solides dans la phase liquide. Au cours de la prise et du durcissement, les particules des additions interagissent dans le processus d’hydratation du ciment en modifiant la structure des produits hydratés et pour certaines peuvent réagir chimiquement en milieu cimentaire pour former de nouveaux produits hydratés qui présentent un caractère liant supplémentaire.
Les mécanismes à l’origine de ces modifications paraissent particulièrement complexes. Cependant plusieurs études (Baron & Olivier, 1997; Cyr, 1999; Lawrence, 2000; Lawrence, Cyr, & Ringot, 2003; Cyr, Lawrence, & Ringot, 2006; Kari, 2002), s’accordent pour distinguer trois principaux effets des additions minérales dans un matériau cimentaire.
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– Un effet granulaire résultant des modifications apportées par l’addition sur la structure granulaire du matériau en présence d’eau et éventuellement d’adjuvant et qui agit sur les propriétés rhéologiques et la compacité des matériaux cimentaires à l’état frais (Collins & Sanjayan, 1999; Bajou, Youjun, & Qianlian, 2000; Kronlof, 1994; Zhang & Han, 2000) ;
– Un effet physico-chimique et microstructural engendré par les multiples interactions entre les particules de l’addition et le processus d’hydratation du ciment, et qui agit sur l’évolution de l’hydratation du ciment au cours de la prise et du durcissement (Lilkov, Dimitrova, & Petrov, 1997; Hanna, 1987; Ramlchan, Thomas, & Hooton, 2004; Memon, Radin, Zain, & Trottier, 2002; Caré, Linder, Baroghel Bouny, De Larrard, & Charonnat, 2002; Husson, 1991) ;
– Un effet purement chimique propre à certaines additions en milieu cimentaire (essentiellement présent dans le cas des additions du type II selon la norme (NF EN 206, Avril 2004)), qui agit au cours de l’hydratation du ciment et qui interagit fortement avec l’effet physico-chimique et microstructural (Appa Rao, 2001;
Demirboga, 2003).
Les argiles et le traitement thermique 1.2.
Les argiles sont des silicates d’alumine plus ou moins hydratés (n SiO2 Al2O3 n’
H2O) de taille inférieure à 2 microns, présentant une structure cristalline dont l’écartement des plans est caractéristique des différents types d’argile (Leprun & Roy-Noël, 1976). Il s’agit de matériaux instables et hétérogènes à différentes échelles. A l’échelle macroscopique, elles sont souvent associées à d’autres minéraux (quartz, feldspath, micas). A l’échelle microscopique, elles présentent une structure en feuillet. Les particules argileuses ont un comportement particulier, et deux sols ayant une même répartition granulométrique caractéristique des argiles peuvent présenter des propriétés très différentes. Il faut donc aller plus loin dans la description de ces matériaux et faire notamment une analyse minéralogique. L’argile peut se retrouver dans la nature à l’état pur ou mélangée à certains sols. C’est le cas de la terre de barre, (barro : argile sableuse à l’état humide en portugais) définie comme une formation plus ou moins meuble, de couleur rouge à brun rouge. Elle est légèrement ’’collante’’ et peut en fonction de la zone et de la profondeur renfermer une plus ou moins grande quantité d’argile.
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1.2.1. Les différents types d’argile
Les groupes d’argiles les plus connus sont : – Les kaolinites ;
– Les illites ; – Les smectites.
Quant aux minéraux interstratifiés, ce sont des mélanges réguliers ou non de feuillets de minéraux argileux simples.
Les éléments de base dans la structure des minéraux argileux sont de deux types:
des tétraèdres de silice (Figure 1.2) et des octaèdres d'alumine (Figure 1.4) dont les ions Si et Al peuvent être remplacés par d'autres ions de rayons ioniques similaires et pouvant entrer dans une structure tétraédrique ou octaédrique. Ainsi Si4+peut être remplacé par Al3+ et Al3+ peut être remplacé par Mg2+ ou Fe3+.
Le premier élément de base est constitué d'un atome de silicium de valence (+4) entouré par quatre atomes d'oxygène de valence (-2). Dans la structure en feuillet présentée sur la Figure 1.3, il reste pour chaque élément de base, une charge négative sur l'oxygène supérieur, qui peut atteindre un état d'équilibre s'il fixe un ion H+.
Figure 1.2 – Représentation du tétraèdre SiO44-.
Le deuxième élément de base est constitué d'un atome d'aluminium équidistant de six atomes d'oxygène ou hydroxyles, selon une coordination octaédrique présentée sur la Figure 1.4.
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Ces deux éléments peuvent s'assembler en feuillets que l'on symbolisera par un trapèze pour les tétraèdres (de silicium) et par un rectangle pour les octaèdres (d'aluminium ou autre).
Figure 1.3 – Vue en perspective de la structure d’un feuillet tétraédrique arrangé selon un réseau hexagonal.
Figure 1.4 – Structure d’alumine octaédrique.
Les kaolinites 1.2.1.1.
La formule générale du groupe des kaolinites est (Si2) (Al2)O5(OH) 4 (Grim R. E., 1968). Les feuillets Si et Al sont fortement liés du fait de l'oxygène qu'ils mettent en commun (Figure 1.5). Les faces inférieures des feuillets Si sont chargées par des oxygènes, et les faces supérieures des feuillets Al par des groupes hydroxyles OH-, ce qui permet la création de liens hydrogènes puissants entre les couches successives. Les
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feuillets presque en contact empêchent les molécules d'eau, dont le diamètre de 2,7 Å est important, de pénétrer.
En microscopie électronique, les minéraux de kaolinite se présentent sous forme de plaquettes hexagonales correspondant à un empilement de 103 à 106 feuillets élémentaires parfois remarquablement bien développées (Figure 1.6); cependant on constate certaines déformations et en particulier des élongations. D'autre part, les cristaux peuvent manifester des altérations plus ou moins marquées, se traduisant par une exfoliation des feuillets ou une corrosion du cristal.
Figure 1.5 - Représentation en perspective d’une couche de kaolinite.
Figure 1.6 – Représentation schématique de la structure de la kaolinite.
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Les Illites 1.2.1.2.
Les couches de ces minéraux sont constituées de deux feuillets de tétraèdres Si qui mettent en commun leur oxygène avec une couche d'octaèdres d'Al au milieu, (Figure 1.7). L'équilibre électrique est assuré par un nombre adéquat de (OH)- et (O2-). Quand Si4+ est remplacé par Al3+, de gros ions K+ viennent s'intercaler entre les couches pour assurer l’électroneutralité.
En microscopie électronique, les illites sont caractérisées par de très fines particules de quelques centaines d'Angströms de diamètre, souvent équidimensionnelles mais, pouvant s'allonger légèrement dans certains cas et prendre la forme de lattes.
Figure 1.7 - Représentation en perspective d’une structure de muscovite.
Les smectites 1.2.1.3.
La caractéristique essentielle de ce minéral (Figure 1.8) est de posséder entre des couches de même constitution que l’illite un certain nombre de couches d’eau, si bien que la distance entre deux couches est très variable. Cette capacité d’absorption d’eau est réversible ; le matériau gonfle et peut atteindre plusieurs fois son volume sec. Plusieurs substitutions sont possibles, surtout dans la couche octaédrique, et peuvent créer un déficit de charge annihilé par l’adsorption d’ions extérieurs Na+ ou Ca2+.
En microscopie électronique, les smectites se présentent sous la forme de feuillets très étendus ayant souvent un aspect fripé ou des bords enroulés. La taille des particules est nettement inférieure au micromètre, et leur épaisseur est très faible, quelques dizaines d’Angströms, c’est à dire ici quelques feuillets.
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Figure 1.8 - Représentation en perspective d’une structure de smectite.