Propriétés aux états frais et durcissant

Avant le coulage des éprouvettes, la maniabilité de mortiers composés de 75% de ciment Portland CEM I 52,5 N et 25% de cendres volantes a été évaluée en mesurant le temps d'écoulement au maniabilimètre LCL selon la norme NF P 15-437 [1987]. L'ouvrabilité est définie comme étant la capacité d'un mélange à son écoulement en vibration : plus le temps d'écoulement est élevé, moins l'ouvrabilité est bonne. La Figure B3- 7 rapporte les temps d’écoulement obtenus pour les mélanges suivants :

- 100% CEM I 52,5 N,

- 75% CEM I 52,5 N + 25% CVSS,

- 75% CEM I 52,5 N + 25% CPG,

- et 75% CEM I 52,5 N + 25% CP.

Il est généralement observé qu'une substitution partielle du ciment Portland par des cendres volantes dans des mélanges de béton ou de mortier améliore l’ouvrabilité en réduisant la demande en eau [Yu et al. (2012)]. Cet effet dépend de la qualité des cendres volantes et de la quantité de ciment remplacé [Yu et al. (2012), Owens (1979)], il peut être expliqué par trois mécanismes: l'adsorption des fines particules de cendres volantes sur les grains de ciment empêchant la formation de flocs de particules piégeant de l'eau; la forme sphérique et une surface lisse des particules de cendres volantes qui réduisent le frottement entre les particules et l'effet de tassement des particules avec des particules de cendres volantes qui remplissent les vides [Malhotra and Mehta (2012)].

Les résultats de maniabiltié obtenus ici dépendent du type de cendres volantes utilisé en complément du ciment. En accord avec la bibliographie et les résultats de caractérisation

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Partie B : procédures expérimentales et matériaux utilisés

Tem p s d 'é cou leme n t (s)

observés, le mortier contenant 25% CP montre une amélioration de la maniabilité avec le meilleur temps d'écoulement (2,5 secondes) [Ramezanianpour (2014), Malhotra and Mehta (2012), Jiang and Malhotra (2000)]. Le mortier de référence et le mortier contenant 25% CPG ont le même temps d'écoulement (5 secondes) tandis que le mortier préparé avec 25% CVSS a le temps d'écoulement le plus élevé (13 secondes).

Ces différences pourraient s’expliquer directement par la forme et la taille des particules de cendres volantes mais aussi indirectement avec la teneur en imbrûlés qui influe sur ces paramètres. Comme observé dans le Tableau B3- 2, les CVSS ont la plus forte PAF (27,9%), justifiant un plus grand nombre de particules de carbone imbrûlées dans le mortier, ce qui pourrait favoriser l’absorption de l'eau dans leur porosité interne supérieure. Les cendres CPG ont une valeur inférieure de PAF (19,3%), mais encore relativement élevé par rapport aux cendres normalisées CP (3,2%).

L'ouvrabilité du mortier préparé avec CPG est, cependant, tout à fait acceptable car semblable à celle du mortier de référence. L'effet limité des particules de carbone imbrûlées sur la maniabilité dans ce cas pourrait être expliquée par la forme et la taille des particules. En effet, les cendres CPG ont de nombreuses petites particules sphériques (voir Tableau B3- 2 et Figure B3- 6), conduisant à un effet positif sur la maniabilité et limitant ainsi les effets négatifs dus à la présence de particules de carbone imbrûlées.

Contrairement aux autres cendres volantes, les particules de CVSS ont tendance à être plus grandes (Tableau B3- 2) et de formes irrégulières (Figure B3- 6), ajouté à cela le volume élevé d’imbrûlés qui dégrade d’autant plus la maniabilité du mortier.

14 12 10 + 226% 8 6 4 - 50% 2 0

Figure B3- 7 : Temps d’écoulement au maniabilimètre LCL de mortiers contenant 25% de cendres volantes

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Chapitre B-3: Les Cendres Volantes Spreader Stoker (CVSS)

Pour aller plus loin dans la compréhension des résultats de maniabilité, une analyse granulomorphologique a été effectuée sur les différentes cendres volantes, afin de fournir plus d'informations sur la présence et la concentration de particules sphériques. Cette méthode utilise un microscope optique couplé à un logiciel d'analyse d'images pour générer des informations concernant les tailles et formes de particules. Pour les essais, une masse constante (environ 3 mg) de chacune des cendres volantes a été analysée, ce qui justifie que le nombre de particules analysé pour chaque échantillon n'a pas été le même car cela va dépendre de la densité apparente des particules.

La Figure B3- 8 représente le paramètre de circularité en fonction du diamètre des différentes particules de chacune des cendres volantes ainsi que leur distribution granulométrique en nombre de particules. La circularité est définie comme étant le rapport du périmètre réel équivalent au périmètre d'une particule, où le périmètre équivalent est le périmètre d'un disque ayant la même surface que la particule (cf. Chapitre B-1 : Méthodes Partie Granulomorphologie). La Figure B3- 9 représente la fréquence cumulée de la population par rapport à la circularité pour les différentes cendres volantes.

On peut voir à partir des graphiques de la circularité en fonction du diamètre des particules (Figure B3- 8) que les cendres CP semblent être plus sphériques que les CVSS et les CPG, avec moins de particules ayant une circularité inférieure à 0,90 (moins de particules angulaires). De plus, les particules plus grandes semblent être moins sphériques et on remarque que les points ont une tendance à se décaler vers la droite du graphique (vers les plus grands diamètres) lorsque la circularité diminue.

Les résultats de fréquence cumulée des populations montrent qu'une proportion plus élevée de particules CP présentent une circularité allant de 0,95 à 1,00, ce qui signifie qu'elles sont proches d'une forme sphérique. Il y a pour les cendres CP, CPG et CVSS respectivement 68,4%, 60,2%, 46,8% de particules avec une circularité entre 0.95 et 1. La différence de morphologie observée, notamment du paramètre de circularité, entre les trois cendres volantes testées pourrait être une explication raisonnable à l'augmentation du temps d'écoulement lors de l'utilisation CVSS (en plus de la teneur en imbrûlés). Ces résultats sont de plus en accord avec les observations d’analyse au MEB.

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Partie B : procédures expérimentales et matériaux utilisés

CP CPG

CVSS

Figure B3- 8 : Circularité versus diamètre des particules (ronds) et distribution de particules en nombre (triangles) des cendres étudiées par granulomorphologie (CVSS en rouge, CPG en bleu et CP en vert)

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Chapitre B-3: Les Cendres Volantes Spreader Stoker (CVSS)

Les observations précédentes sur la maniabilté des mortiers vont dans le sens des mesures de temps de prise normalisés réalisées sur des pâtes de ciment Portland / cendres volantes selon la norme NF EN 196-3 [2005]. On peut voir dans le Tableau B3- 3 que les temps de prise des pâtes de ciment avec 25% de cendres volantes sont supérieurs à la référence (ciment Portland CEM I 52,5 N). La pâte de ciment à base CPG respecte de justesse les exigences règlementaires en termes de temps de prise [EN 450-1 (2012)] (il ne doit pas être plus de deux fois supérieurs au temps de la pâte de référence avec 100% du ciment d'essai). Néanmoins on constate un dépassement de 18 minutes pour la pâte de ciment à base de CVSS. Ces résultats peuvent être expliqués par des mécanismes différents [Coutand et al. (2006)] :

- un effet de dilution du ciment étant donné que les pâtes contiennent 25% de ciment en

moins que la référence, ce qui entraîne une diminution de la quantité d'hydrates formés dans les premières heures;

- une augmentation du rapport E/C (consistance normalisée) en raison de la forte

demande en eau, connu pour avoir un effet sur le temps de prise;

- un effet nocif des cendres volantes elles-mêmes lié à la présence d'éléments mineurs

(tels que Zn, P, ...) ou des particules de carbone imbrûlées perturbant l'hydratation du ciment [Arliguie et al. (1982)].

Tableau B3- 3 : Consistance normalisée (en E/C) et temps de prise sur des pâtes de ciment contenant 25% de cendres volantes en comparaison avec une référence contenant 100% de CEM I 52.5 N

Mélanges E/C Temps de prise limite règlementaire de la

(h) NF EN 450-1 (h) [2012]

CEM I 52.5 N 0.31 2.4

75%CEM I 52.5 N+25%CVSS 0.39 5.1 4.8

(2xReference value)

75%CEM I 52.5 N+25%CPG 0.37 4.7