Propriétés physiques

D’un point de vue macroscopique, le ciment et les additions minérales se présentent sous la forme de matériaux pulvérulents. Le ciment est de couleur grise. La poudre de verre mixte (verre non trié par couleur) apparait blanche lorsqu’elle est broyée à une finesse similaire au ciment. Les CVK ont une teinte de couleurs allant du gris au beige. La SSA#1 étant plutôt grise, Les SSA#2 apparaissent assez humide (9 % d’eau) et prennent plutôt l’aspect d’une terre contenant des matières organiques. Les sédiments du Lyvet SED prennent une couleur ocre lorsqu’ils sont calcinés.

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Figure 3-1 : Photo des matériaux cimentaires.

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Figure 3-2 : Cliché MEB de poudre de verre.

(a) (b)

Figure 3-3 : CVK (a) particules irrégulières et sphérique (b) carbone résiduel(Xie 2009).

(a) (b)

Figure 3-4 : Clichés MEB des SSA#1 (a, b).

(a) (b)

II.1 Morphologie des matériaux

Les clichés MEB des additions sont représentatifs de la globalité de chacun des matériaux étudiés. Nous nous intéresserons ici uniquement à la morphologie des additions. Les analyses chimiques EDS locales sont détaillées en annexe B. La poudre de verre (figure 3-2) est un matériau vitreux. Il présente des particules anguleuses non poreuses et de composition chimique homogène. Les CVK (figure 3-3), les SSA (figure 3-4) et les sédiments sont des cendres issues de traitements thermiques compris entre 650 et 850 °C. Les matériaux n’ont pas atteint une température suffisante pour être vitrifiées et présenter la forme sphérique typique des cendres volantes de classe C et F (ASTM C618-03 2003) ou V et W (NF EN 197-1 2009). Même si, notamment dans les CVK et SSA, certaines particules peuvent ponctuellement entrer en fusion pendant la calcination, phénomène qui se traduit par une forme sphérique, la majorité des grains sont de forme irrégulière et présentent une certaine porosité. Cette morphologie est attribuée à une agglomération, voire un léger frittage, au cours de la calcination. Des traces de carbone résiduel ont été relevées dans les cendres volantes de papeteries, ce qui peut être problématique dans le cas d’utilisation d’entraineur d’air dû à l’adsorption rapide de l’adjuvant sur le carbone amorphe (Paillere 2004).

II.2 Granulométrie

Les additions ont été caractérisées par granulométrie laser. La figure 3-6 présente les courbes obtenues. À partir de ces mesures, les valeurs remarquables ont été déterminées (tableau 3-1). La poudre de verre présente un diamètre moyen (d0,5) similaire au ciment. En revanche, la granulométrie est moins étalée et la fraction fine apparait plus importante que pour le ciment. La courbe granulométrique des CVK fait apparaitre une discontinuité. Deux familles sont ainsi présentes : la première, inférieure à 2 µm représente 40% du volume de CVK. La seconde famille, 2 µm à 200 µm, constitue le reste de la cendre. Il faut toutefois rester prudent avec les volumes calculés car la précision de la granulométrie est assez faible en deçà du micron. Les SSA#1 présentent une granulométrie relativement plus grossière que le ciment. Cela peut être dû à un léger frittage des particules au cours du procédé de calcination. La granulométrie est similaire à ce qu’ont déterminé (Monzo et al. 1996), mais sont faibles que celles sur lesquelles (Tamboue 1995) avait travaillé. À l’inverse, malgré une calcination préalable, la granulométrie du SED est relativement plus faible que celle du ciment, cela est dû au fait que le matériau a été tamisé au préalable.

Tableau 3-1 : Granulométrie des additions, valeurs remarquables.

Échantillon GU PDV CVK SSA#1 SSA#2 _SED

d0,1 (µm) 23 4,8 0,1 4,4 1,2 1,8

d0,5 (µm) 15,0 12,5 6,4 28,8 10,5 13,2

d0,9 (µm) 32,7 24,9 63,6 73,1 44,0 43,8

La granulométrie du liant peut avoir un impact sur la demande en eau des mélanges. Une augmentation de l’étendue granulométrique, à surface spécifique identique, tend à diminuer le volume d’eau nécessaire à disperser les fines alors qu’une granulométrie serrée tend à

l’augmenter. En effet, avant de participer à la séparation et à la lubrification des grains l’eau doit remplir les vides inters granulaires. Le volume de ces vides peut diminuer avec l’utilisation d’un filler. Toutefois, l’utilisation de filler de grande surface spécifique ou de grande porosité peut limiter l’effet associé à l’empilement granulaire, à cause d’une adsorption voire d’une absorption d’eau supérieure. Il peut ainsi y avoir compétition entre la demande en eau associée à la granulométrie et la demande en eau liée à l’adsorption ou l’absorption d’eau.

Figure 3-6 : Granulométrie des additions (a) volume cumulé (b) fréquence en volume.

II.3 Densité et surface Blaine

La densité, la surface Blaine ainsi que la surface spécifique BET des échantillons ont été mesurés, et sont récapitulées dans le tableau 3-2. Une densité de 3,15 est typique d’un ciment. Les additions minérales présentent une densité comprise entre 2,5 (poudre de verre) et 2,9 (cendres volantes de Kruger). La densité, représentant la masse volumique des matériaux, est principalement utile pour la formulation des bétons par la méthode des volumes absolus. Les additions n’impactent pas réellement la densité d’un béton puisque ce sont les granulats, dont le dosage est bien supérieur au ciment, et surtout l’air (occlus, entrainé ou contenu dans d’éventuels granulats légers) qui fait varier significativement la densité du béton. En revanche,

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.01 0.1 1 10 100 vo lum e cum ulé ( %) Diamètre (µm)

GU PDV SSA#1 SSA#2 SED CVK

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.01 0.1 1 10 100 fré qu ence en vo lum e (%) Diamètre (µm)

lors d’une substitution cimentaire massique, comme c’est le cas dans notre étude, une diminution de la densité du liant entraine une augmentation du volume de liant.

La surface Blaine caractérise la surface spécifique des grains et est mesurée à partir de la perméabilité à l’air de l’empilement granulaire. La surface Blaine est utilisée par les cimentiers car la mesure est aisée et la surface est considérée comme représentative de la réactivité du ciment. La surface spécifique BET représente également une surface spécifique mais elle est mesurée à partir de l’adsorption d’azote. Le volume BJH est calculé à partir de la surface de l’hystérésis du cycle d’adsorption/désorption d’azote et représente le volume de mésopores.

La surface spécifique BET du ciment est de 1,25 m²/g. Sa surface Blaine de 394 m²/kg peut être considérée comme une valeur typique d’un ciment GU. Les surfaces spécifiques des additions sont globalement dans le même ordre de grandeur que celles du ciment. La surface spécifique BET de la poudre de verre est légèrement inférieure à celle du ciment. La granulométrie des matériaux étant similaire, ce résultat traduit une faible porosité du matériau, d’ailleurs confirmé par un plus faible volume mésoporeux. La poudre de verre devrait donc demander moins d’eau que le ciment. Les CVK, les SSA ainsi que les SED présentent une surface spécifique supérieure au ciment, autant en terme de surface Blaine que de surface BET. Cela est généralement attribué à la morphologie irrégulière et à la porosité ouverte des matériaux. Le volume absorbé au cours du cycle adsorption/désorption calculé par la méthode BJH est d’ailleurs relativement grand. La surface BET mesurée sur les SED et surtout les CVK peut également être corrélée à la plus faible granulométrie du matériau.

Tableau 3-2 : Densité, surface Blaine et BET et volume d'azote adsorbé des matériaux.

Échantillon GU PDV CVK SSA#1 SSA#2 SED

Densité 3,15 2,54 2,9 2,72 2,76 2.50

S. Blaine (m²/kg) 394 440 600-800 670 1587 480

S. spécifique BET (m²/g) 1,25 0,70 3,60 5,20 15,20 15,00

Volume BJH (cm3/g) 3,1 1,5 5,2 12,3 14,8 15,8

La surface spécifique des matériaux impacte généralement la rhéologie des pâtes en accroissant la demande en eau du mélange et en modifiant les interactions électrostatiques des particules en suspension lorsqu’elle est associée à une diminution de la granulométrie. On peut donc s’attendre à un faible impact de la poudre de verre sur les propriétés à l’état frais lorsqu’elle est intégrée à un béton. En revanche, les CVK et les SSA sont reconnus pour affecter l’ouvrabilité des bétons, voire nécessiter l’utilisation d’adjuvants réducteurs d’eau (Monzo et al. 1996; Xie 2009). Le même comportement est donc à prévoir pour le SED. Dans le cas de matériaux pouzzolaniques, la surface spécifique impacte également leur réactivité. Une plus grande finesse implique une meilleure réactivité, apportant de meilleures performances aux bétons. La finesse de broyage de la PDV a fait l’objet d’études détaillée par (Zidol 2009; Idir 2009). Une surface Blaine de l’ordre de 400 m²/kg permet une bonne réactivité de l’addition.