ROLE DES ADDITIONS MINERALES SUR LE DEVELOPPEMENT MICROSTRUCTURAL

Les travaux relatés dans ce paragraphe ont été réalisés afin de préciser le développement de la microstructure de la pâte au cours de l’hydratation du ciment en présence ou non d’additions minérales, par des mesures d’intrusion au mercure d’échantillons à divers âges. Ces mesures établissent ainsi la distribution porosimétrique des matériaux.

La figure I.A.5 juxtapose les distributions porosimétriques de trois pâtes de même rapport E/C ou E/L, à base de ciment ordinaire, de cendres volantes et de laitiers. Aux jeunes âges (jusqu’à 28 jours), la porosité est plus faible pour la pâte de ciment ordinaire. Au cours du temps la porosité diminue dans les trois pâtes traduisant le développement des hydrates. La porosité ne varie plus beaucoup pour la pâte de ciment ordinaire entre 28 jours et un an, contrairement aux pâtes contenant des additions où les réactions d’hydratation sont actives. Au bout d’un an, les pâtes à base de ciment composé présentent de plus faibles porosités. L’affinement de leur microstructure est repéré par l’écart entre les points S1 et S2 qui repèrent le diamètre de pore critique à un jour et un an.

Pandey et ses coauteurs [Pandey et al., 2000] étudient des mortiers contenant cinq ajouts différents (10% de substitution) : laitiers de hauts fourneaux, cendres volantes, deux types de fillers calcaires, laitiers aux phosphores. Un mortier de contrôle est utilisé ne contenant que du ciment Portland ordinaire. Nous ne rapporterons que les propos concernant les cendres volantes et les laitiers de hauts fourneaux.

Les mortiers à base de cendres volantes présentent après 7 jours de cure humide des valeurs de porosité élevées : de nombreux pores ont un diamètre moyen de 350 nm, ce qui correspond aux vides autours des particules de cendres volantes. A 28 jours, la plupart des pores ont un diamètre compris entre 100 et 200 nm, le diamètre de pore moyen est diminué à 150 nm. Il faut attendre 90 jours de cure pour que les mortiers à base de cendres volantes aient des porosités comparables à celles de mortiers à base de ciment Portland ordinaire du même âge, caractérisés par des pores de diamètre variant entre 50 et 100 nm (diamètre moyen 75 nm).

Pandey et al. trouvent dans les mortiers contenant des laitiers de hauts fourneaux âgés de 7 jours des pores de diamètre compris entre 200 et 500 nm pour un diamètre moyen de 350 nm. Les pores de plus de 200 nm de diamètre sont habituellement rapidement comblés par les produits d’hydratation du ciment Portland ordinaire, mais ils restent dans ce cas vides car les réactions d’hydratation des laitiers sont très lentes. A 28 jours le diamètre moyen est de 150 nm, il est abaissé à 75 nm après 90 jours.

Figure I.A. 5 : Influence des additions minérales sur la structure poreuse au cours du temps d’après [Feldman, 1983].

Cette tendance est confirmée par des mesures sur les bétons [Ramezanianpour et al., 1995] : après 28 jours de cure humide c’est le béton à base de ciment ordinaire (E/C = 0,5) qui a la plus faible porosité, suivi ensuite par les béton aux laitiers (E/L = 0,5, respectivement 50% et 25% de laitiers), la plus forte porosité revenant au béton contenant des cendres volantes (E/L = 0,5, 25% de cendres volantes). Ces valeurs de porosité diminuent ensuite au cours du temps, dans des proportions moindres pour le béton à base de ciment ordinaire qui devient le plus poreux : après 180 jours de cure humide, les bétons à base de 25% de cendres et 50% de laitiers sont les moins poreux, suivis par celui à base de 25% de laitiers et le béton de contrôle.

Hooton [Hooton, 1984] remarque que les laitiers semblent diminuer la porosité des pâtes de ciment aux jeunes âges plus que les cendres volantes. Il attribue cet effet à l’importante taille de la porosité des cendres volantes qui tant qu’elles n’ont pas réagi additionnent leur porosité à celle de la pâte.

Les porosités mesurées par intrusion au mercure lors des travaux de Cook et al. ou encore Pandey et al. donnent des porosités globales plus importantes pour pâtes mâtures contenant des cendres et/ou des laitiers, que les pâtes à base de ciment ordinaire [Cook et al., 1987], [Pandey

et al., 2000]. Ceci serait dû à la multiplicité de petits pores : avec 20% de cendres volantes la plupart des pores ont un rayon inférieur à 25nm, mesurables que sous importantes pressions d’intrusion de mercure. A cela pourrait s’ajouter un artéfact de mesure (phénomène connu sous le nom de « bouteille d’encre ») lié à l’accumulation des produits des réactions pouzzolaniques en bordures d’entrée de gros pores qui seraient ainsi comptabilisés comme des petits pores. Parallèlement, les mesures réalisées aux très jeunes âges révèlent de grandes variations dans les distributions de tailles de pores, surtout pendant les 28 premiers jours quand intervient la segmentation capillaire des pores de plus gros diamètres.

La principale observation est que la microstructure des matériaux cimentaires s’affine au cours du temps par le tapissage des parois des pores capillaires et des pores crées lors de la disparition de la portlandite par les produits des réactions pouzzolaniques et d’hydratation des laitiers. Cette diminution de la porosité est graduelle, intrinsèque à la cinétique de réaction d’hydratation plus lente en présence d’additions. La réaction d’hydratation du ciment ordinaire étant rapide, sa microstructure prend forme dès les premiers jours contrairement à la pâte de ciment composé.

2.2. DEPENDANCE DES PROPRIETES PHYSIQUES A LA MICROSTRUCTURE