Les matériaux pouzzolaniques

Une pouzzolane est un matériau siliceux ou aluminosiliceux qui, sous forme finement divisée et en présence d’humidité, réagit chimiquement avec l’hydroxyde de calcium libéré par l’hydratation du ciment Portland pour former des silicates de

calcium hydratés et autres composés cimentaires. Les cendres volantes, les laitiers de

haut fourneau réduits en poudre, les fumées de silice et les pouzzolanes naturelles,

telles que les schistes calcinés, les argiles calcinées ou les métakaolins, sont des matériaux qui, lorsqu’ils sont utilisés avec le Ciment Portland ou les ciments mélangés (Annexe 1), contribuent aux propriétés du béton durci du fait de leur activité

hydraulique ou pouzzolanique ou les deux [Kosmatka et al, 2003]. Les pouzzolanes et

supplémentaires ou adjuvants minéraux [Kosmatka et al, 2003].

Les cendres volantes de charbon sont des sous-produits de la combustion du

charbon pulvérisé dans les usines de production d’énergie électrique. Elles sont

largement utilisées dans le béton. Elles contiennent principalement de la silice, de l’alumine, du fer et du calcium. Les autres constituants présents sont le magnésium, le soufre, le sodium, le potassium et le carbone. Les composés cristallins sont présents

en petites quantités. La densité relative spécifique des cendres volantes de charbon est

généralement comprise entre 1,9 et 2,8 et la couleur est généralement grise ou beige.

Les cendres volantes de classe F et classe C d’ASTM C 618 (AASHTO M 295)

sont couramment utilisés comme adjuvants pouzzolaniques pour le béton général

[Kosmatka et al, 2003]. Les matériaux de catégorie F sont généralement des cendres

volantes à teneurs faibles en calcium (moins de 10 % de CaO) avec un contenu en

carbone généralement inférieur à 5 %. Les matériaux de classe C sont souvent des

cendres volantes à haute teneur en calcium (10 à 30 % de CaO) avec un contenu en

carbone inférieur à 2 %. Beaucoup de cendres de classe C, lorsqu’elles sont

mélangées à de l’eau, vont s’hydrater et durcir en moins de 45 minutes. Les cendres volantes sont utilisées dans environ 50 % du béton prêt à l’emploi. Les cendres volantes de classe F sont souvent utilisées à des dosages variant de 15 à 25 % en

masse de matériaux cimentaire complet, et les cendres volantes de classe C sont

utilisées à des dosages compris entre 15 et 40 % en masse de matériaux cimentaire

[ACI Committee 232, 1996]. La formulation varie avec la réactivité des cendres et les

effets souhaités sur le béton. Les cendres d’incinération de boue d’épuration, qui sont l’objet de notre étude, ont une composition relativement similaire à celle des cendres volantes de charbon. Elles peuvent être classifiées selon leur contenu en calcium soit

en classe C, soit en classe F.

Les laitiers de haut fourneau granulés, aussi appelés ciments de laitiers, sont

fabriqués à partir de laitier de haut fourneau de fer. Ils correspondent à un ciment

hydraulique non métallique contenant essentiellement des silicates et des

dans un haut fourneau. Lorsque les laitiers de haut fourneau granulés sont utilisés

dans le béton général en Amérique du nord, ils constituent généralement entre 30 et

45 % de la matière cimentaire dans le mélange. Pour certains bétons de laitier, ce

dernier représente 70 % ou plus du contenu [Kosmatka et al, 2003] (CEM III cf.

Annexe 1).

La fumée de silice, appelée aussi microsilice ou fumée de silice condensée, est un

sous-produit qui est utilisé comme une pouzzolane. Ce sous-produit est le résultat de

la réduction du quartz de haute pureté avec le charbon dans un four à arc électrique dans la fabrication du silicium ou d’alliage de ferrosilicium. La fumée de silice condensée est essentiellement composée de dioxyde de silicium (généralement plus de

85 %) non cristallisé (amorphe). Le dioxyde de silicium est extrêmement fin avec des

particules de moins de 1 μm de diamètre (diamètre moyen d’environ 0,1 μm), soit

environ 100 fois plus petites que les particules de ciment moyen. La fumée de silice

est commercialisée sous forme de poudre, ou plus généralement à l’état liquide. La

fumée de silice est utilisée à raison de 5 à 10 % en masse de la matière totale

cimentaire [Kosmatka et al, 2003]. Elle est utilisée dans les applications où un haut degré d’imperméabilité est nécessaire et en béton de haute résistance.

Les pouzzolanes naturelles ont été utilisées pendant des siècles. Le terme “pouzzolane” provient d’une cendre volcanique exploité à Pouzzoles, village situé près de Naples, en Italie, suite à l’éruption du Vésuve en 79 après JC. Cependant, l’utilisation de cendres volcaniques et d’argile calcinée remonte à 2000 avant JC et plus tôt dans d’autres cultures. Beaucoup de constructions en béton pouzzolanique romaines, grecques, indiennes et égyptiennes peuvent encore être vues aujourd’hui,

attestant de la durabilité de ces matériaux. L’expérience nord-américaine avec des

pouzzolanes naturelles remonte aux projets de travaux publics au début du 20^ème

siècle, comme les barrages, où les pouzzolanes naturelles ont été utilisées pour contrôler l’élévation de la température de béton de masse et fournir des matériaux cimentaires. En plus de contrôler l’échauffement, les pouzzolanes naturelles ont été utilisées pour améliorer la résistance aux attaques des sulfates, et sont parmi les

premiers matériaux à atténuer la réaction alcali-silice. Les pouzzolanes naturelles les

plus couramment utilisées aujourd’hui sont les matériaux traités thermiquement dans

un four, puis broyés en fine poudre. Elles comprennent des argiles calcinées, des

schistes calcinés et des métakaolins. Elles peuvent être utilisées en remplacement

partiel du ciment, généralement en gamme de 15 à 35 % [Kosmatka et al, 2003], pour

améliorer la résistance aux attaques des sulfates, contrôler la réactivité d’alcali-silice

et réduire la perméabilité.

Il y a des similitudes entre tous ces matériaux : pour la plupart, ce sont des

sous-produits d’autres procédés industriels. Leur utilisation est donc judicieuse est

souhaitable non seulement du point de vue environnementale (valorisation de

sous-produits et conservation de l’énergie), mais aussi pour les bénéfices techniques qu’ils apportent au béton. Ces matériaux peuvent être utilisés en complément ou en remplacement partiel du ciment dans le béton, selon les propriétés des matériaux et l’effet désiré sur le béton.