Chapitre 2 : Programme de recherche
2.5 Optimisation des mélanges de bétons alcali-activés
Cette phase vise une optimisation préliminaire axée sur les besoins en chantier et donc, se limite à la résistance à la compression des bétons produits et à l’obtention d’une consistance adéquate qui se maintient dans le temps. Le béton produit doit également être en mesure de développer une résistance minimale de 20 MPa après 3 jours en conditions normalisées (23°C). Cette partie du projet a été réalisée dans le cadre des travaux de maîtrise qui ont précédé le présent projet doctoral.
2.5.1 Résistance en compression et module d’élasticité
Outre la température de cure désirée de 23°C, les échantillons utilisant des laitiers de haut fourneau ou une combinaison de laitier et cendres volantes sont conservés sous des conditions d’humidité relative à 50 et 100 % avant et après le démoulage jusqu’aux essais. Pendant la période de mûrissement, les échantillons sont recouverts d’une pellicule de plastique, et ce, afin d’éviter l’évaporation excessive de l’activant alcalin et maintenir un environnement stable. Pour les combinaisons de laitiers de haut fourneau et de cendres volantes, plusieurs mélanges sont préparés selon différentes proportions jusqu’à l’obtention d’un mélange pouvant durcir en moins de 24 heures à 23°C.
La résistance en compression est évaluée à 3, 7 et 28 jours. Les échantillons de béton sont préparés selon la norme CSA A23.2-3C où une cure modifiée est appliquée et les essais en compression sont réalisés selon les exigences de la norme CSA A23.2-9C.
Le module d’élasticité est évalué par l’entremise du Stiffness Damage Test (SDT). Pour ce faire, trois éprouvettes cylindriques sont préparées par mélange de béton et soumises à une cure humide à 23 °C jusqu’aux essais à 7 jours. Tous les détails de cet essai sont présentés au Chapitre 3.
2.5.2 Consistance dans le temps
La norme CSA A23.2-5C indique la procédure à suivre pour la réalisation des essais d’affaissement. Le but de cette étape est de caractériser l’évolution de la consistance des bétons alcali-activés en réalisant des mesures d’affaissement à 4, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 60, 70 et 80 minutes suivant la séquence de malaxage ou jusqu’à l’obtention d’un affaissement inférieur à 40 mm.
2.5.3 Réseau d’air dans la matrice durcie
Suite à l’obtention d’un béton pouvant durcir à 23°C et rencontrant les critères de résistance mécanique et de maniabilité fixés, la dernière étape de la phase d’optimisation consiste en l’obtention d’un réseau de bulles d’air adéquat dans le béton alcali-activé. Pour cette étape, trois agents entraineurs d’air sont utilisés soit le AirExtra®, le Eucon Air MAC12® et le MasterAir AE 210®. De ces trois adjuvants, celui offrant les meilleures performances par rapport au pourcentage d’air et à l’espacement moyen des bulles pour un dosage minimal est retenu pour la suite du projet. L’essai CSA A23.2-4C est utilisé afin de déterminer le pourcentage d’air du béton à l’état frais et l’essai ASTM C457 est utilisé afin d’identifier le pourcentage d’air et le facteur d’espacement moyen des bulles (Lbarre) sur le béton durci. Des valeurs seuils pour le pourcentage d’air entre 4 et
8 % et le facteur d’espacement moyen (< 200 μm) sont utilisées préalablement comme référence pour les mélanges destinés aux premiers essais au gel-dégel et à l’écaillage en présence de sels déglaçants. Dans le cas de performances insuffisantes face à ces essais, une réévaluation de ces seuils sera effectuée jusqu’à l’obtention de performances satisfaisantes face aux normes BNQ 2621- 905/2012 et ASTM C666/C666M.
2.6 Durabilité des bétons alcali-activés
La phase d’évaluation de la durabilité des bétons alcali-activés de ce projet de recherche vise directement l’obtention d’un matériau stable et efficace à long terme selon les ressources disponibles et les conditions climatiques du Québec. Dans un premier temps, la présence de plusieurs sources de granulats potentiellement réactifs sur le territoire québécois et la nature fortement alcaline des systèmes alcali-activés justifient l’évaluation du potentiel expansif de ces bétons. Dans un deuxième temps, dans le contexte climatique du Québec, il est pertinent d’évaluer le comportement des bétons alcali-activés face aux cycles de gel-dégel et à l’épandage de sels de déglaçage. Les mélanges offrant les meilleures performances dans la phase d’optimisation feront l’objet des différents essais de la phase de durabilité. Très peu de données sont disponibles concernant l’effet de ces différents phénomènes de détérioration dans la littérature pour les bétons alcali-activés. À cet égard, les essais utiles à l’évaluation de ces phénomènes, adaptés aux matériaux cimentaires, doivent dans certains cas être modifiés pour évaluer correctement les bétons alcali- activés en tenant compte de leurs caractéristiques.
2.6.1 Retraits de dessiccation
La stabilité volumétrique des bétons est une caractéristique importante à maîtriser pour la conception d’infrastructures afin de prévenir l’apparition de fissuration pouvant affecter négativement la durabilité et l’intégrité du matériau. De ce fait, les phénomènes de retrait hygrométrique sont traités dans ce projet.
2.6.1.1 Mesure du retrait chimique sur pâtes alcali-activées
L’estimation du retrait chimique de pâtes alcali-activées est effectuée suivant la norme ASTM C1608 conçue pour l’évaluation du retrait chimique sur pâte hydraulique de ciment portland. Quatre mélanges (deux échantillons par mélange) sont testés et les résultats sont comparés au retrait chimique d’une pâte témoin de ciment portland dont le rapport eau-liant est de 0.50.
2.6.1.2 Mesure du retrait endogène sur pâtes alcali-activées
L’estimation du retrait endogène de pâtes alcali-activées est effectuée suivant la norme ASTM C1698 conçue pour l’évaluation des déformations endogènes dans les pâtes et mortiers de ciment portland. Cinq mélanges (deux échantillons par mélange) sont testés et les résultats sont comparés au retrait endogène d’une pâte témoin de ciment portland dont le rapport eau-liant est de 0.50. Ces essais sont effectués sur des pâtes alcali-activées dont le précurseur est une combinaison de cendres volantes et laitier. Différentes teneurs en eau ajoutée et proportions en cendres volantes sont évaluées afin d’en déterminer l’effet sur l’ampleur du retrait endogène.
2.6.1.3 Mesure du retrait de séchage sur bétons alcali-activés
L’estimation du retrait de séchage de bétons alcali-activés est effectuée suivant la norme ASTM C157 conçue pour l’évaluation de la variation volumétrique de mortiers et bétons durcis à base de ciment portland. Quatre mélanges (six échantillons par mélange) sont testés. Les échantillons consistent en des prismes à base carrée de 100 par 100 mm à la base et de 285 mm en longueur. Après une période de 23½ ± ½ heures suivant le malaxage, les échantillons sont retirés des moules et leur longueur mesurée. Ils sont ensuite placés dans de l’eau saturée en chaux pour une période de 28 jours (incluant le temps dans les moules) à une température de 23 ± 2 °C. Suivant cette période de cure, trois échantillons par mélange sont conservés dans l’eau saturée en chaux et les trois autres sont placés à l’air libre à 50% d’humidité relative et 23 ± 2 °C. Les mesures de variation de longueur sont effectuées à 8, 16, 32 et 64 semaines (incluant la période de cure de 28 jours) dans le cas des échantillons conservés dans l’eau de chaux et après 4, 7, 14 et 28 jours et 8, 16, 32 et 64 semaines pour les échantillons à l’air libre.
2.6.2 Comportement face à la réaction alcalis-silice (RAS)
2.6.2.1 Expansion sur prismes de béton
Les échantillons préparés afin d’évaluer le comportement des bétons alcali-activés face à la RAS sont des prismes de 75x75x300 mm, conformément à l’article 5.1 de la norme CSA A23.2-14A. Pour chaque mélange, trois prismes et trois cylindres sont préparés pour les essais d’expansion et de résistance en compression (trois jours) respectivement. Le conditionnement des prismes est réalisé à 23°C et 100 % H.R. pour les 24 heures précédant le début de l’essai d’expansion. Pour les cylindres destinés aux essais de résistance en compression, ces conditions sont maintenues jusqu’à la réalisation des essais à 3, 7 et 28 jours.
Suite à la cure initiale de 24 heures, les prismes sont placés dans des chaudières de plastique fermées à 100 % d’humidité relative dans une chambre de conditionnement maintenue à 38°C. Étant des bétons constitués de liants alternatifs, l’essai s’échelonne sur 2 ans et est réalisé en observant un protocole modifié de la norme CSA A23.2-14A/28A. Étant donné que les bétons testés sont activés via une solution fortement basique, l’ajout d’alcalis en solution en addition lors du gâchage est écarté.
2.6.2.2 Évaluation de l’endommagement du béton
Des observations pétrographiques utilisant la technique du Damage rating index (DRI) sont effectuées sur des échantillons de bétons alcali-activés affectés par la réaction alcalis-silice. Les échantillons sélectionnés sont analysés au terme de l’essai CSA A23.2-14A/28A modifié. Pour ce faire, un des trois prismes testés est sélectionné et coupé en deux sur le sens de la longueur. Une des faces sciées est alors soumise à un polissage très fin. Un quadrillage composé de carrés de 1 cm² est ensuite tracé sur la surface polie et chaque carré est ensuite examiné au binoculaire afin de comptabiliser les différents symptômes de détérioration. Ainsi, la quantité comptabilisée de chaque symptôme de détérioration est multipliée par son facteur de pondération respectif et additionnée afin d’obtenir l’indice d’endommagement (DRI) du béton ajustée à une surface de référence de 100 cm2. Tous les détails sont présentés aux chapitres 3,4 et 5.
2.6.3 Durabilité au gel
2.6.3.1 Résistance aux cycles de gel-dégel
La détermination de la résistance à la fissuration interne des bétons alcali-activés lorsque soumis à des cycles de gel-dégel est réalisée selon la norme ASTM C666/C666M. Trois échantillons par mélange sont testés en conditions saturées et soumis à des cycles thermiques entre -18°C et 4°C jusqu'à concurrence de 300 cycles pour chacune des éprouvettes testées, à moins que la perte d'intégrité de l'éprouvette n'en empêche la poursuite avant. Après chaque tranche de 36 cycles de gel-dégel, des mesures de fréquence transversale sont effectuées.
2.6.3.2 Résistance à l’écaillage en présence de sels déglaçants
L’essai de résistance à l’écaillage du béton soumis à des cycles de gel-dégel en contact avec des sels déglaçants est réalisé en observant un protocole modifié de la norme BNQ 2621-905. La procédure de fabrication des éprouvettes respecte l’article B.3.3 de la norme. Deux éprouvettes prismatiques offrant une surface d’exposition d’au moins 500 cm2
de béton testé. Le processus de conditionnement suit l’article B.3.4 de la norme BNQ. Suite au conditionnement, l’essai se déroule en tout point selon les exigences de la norme BNQ 2621-905 avec des mesures de masse des débris détachés des surfaces testées après 7, 21, 35 et 56 cycles de gel-dégel. L’essai est également réalisé avec des séries de corps d'épreuves additionnelles des mêmes mélanges, mais avec des surfaces d'essai respectivement moulées et sciées, afin d’évaluer si la finition manuelle des surfaces exposées aux sels déglaçants influence l’écaillage final des échantillons.