Systèmes de liant alternatif

La durabilité des TRC peut être améliorée en substituant une partie du clinker par le laitier de hauts fourneaux, hydraulique latent, ou des matériaux pouzzolaniques ou encore en utilisant un liant alternatif. Ceci peut être effectué par la production de ciments composites contenant

ces matériaux ou par le malaxage de ces matériaux comme additifs minéraux dans la matrice durant sa production. Généralement, contrairement au béton armé, la diminution de la valeur du pH de la matrice, en raison des réactions pouzzolaniques, autrement dit la faible alcalinité de la matrice, a un effet positif sur la durabilité du renforcement non métallique. Ainsi, une forte teneur en pouzzolane peut être utilisée pour des matrices de TRC en comparaison avec celle des éléments en béton armé. Le facteur limitant est ici la durabilité de la matrice elle-même spécifiquement à l’égard de sa résistance aux cycles de gel-dégel. Dans les paragraphe suivants, divers matériaux pouzzolaniques, hydrauliques latents ou encore des liants alternatifs, sont brièvement présentés et évalués par rapport à leurs rôles dans les matrices des TRC.

a) Additifs minéraux

• Les fumées de silice sont des pouzzolanes très réactives composées de particules sphériques lisses de taille moyenne d’environ l00 nm. Lorsqu’elles sont utilisées dans des matrices à base de ciment, elles augmentent leur compacité. En outre, elles réagissent avec l’hydroxyde de calcium libéré lors de l’hydratation du ciment et se transforment en silicate de calcium hydraté, ce qui conduit à une densification élevée de la matrice, une grande résistance et une augmentation de la durabilité surtout vis à vis des agents chimiques agressifs. La dernière caractéristique est dûe principalement à la stabilité des produits résultants des réactions pouzzolaniques en comparaison avec l’hydroxyde de calcium. De plus, la microstructure dense des matrices a un effet positif sur la liaison entre la matrice et le renfort.

• Les cendres volantes se présentent sous la forme d’une poudre fine (10-30 µm) constituée principalement de particules vitreuses sphériques, non combustibles entraînées par les fumées lors de la combustion du charbon pulvérisé dans les chaudières des centrales thermiques. Les cendres volantes influent sur la rhéologie des pâtes de ciment. L’ajout de cendres volantes réduit le besoin en eau nécessaire à l’obtention d’une maniabilité équivalente pour une matrice sans cendres volantes : elles peuvent donc jouer un rôle de plastifiant. Compte tenu de leur finesse et de leur sphéricité, les cendres contribuent alors à la compacité de la matrice et donc améliorent ses performances mécaniques et sa résistance aux attaques chimiques. Cependant, ces cendres volantes retardent la prise de la matrice. Notons que seul le début de prise est retardé ; à partir du début de prise, le temps pour atteindre le durcissement final n’est pas modifié. Comme déjà indiqué ci-dessus, les réactions pouzzolaniques réduisent l’alcalinité de la solution interstitielle de la matrice des TRC et donc augmente la durabilité du renforcement du verre AR ou du basalte [9].

• La substitution d’une partie du clinker par les laitiers de haut-fourneau granulé, des matières formées lors de l’élaboration de la fonte à partir de minerai de fer, contribuent à l’amélioration des propriétés mécaniques de la matrice des TRC et sa durabilité ainsi qu’à la diminution de l’alcalinité de sa solution interstitielle. La nature hydraulique latente du laitier nécessite l’utilisation d’un agent d’activation pour pouvoir s’hydrater. La portlandite libérée par l’hydratation du Portland sert d’activateur du laitier, mais les performances mécaniques à court terme sont médiocres (temps de prise long, faibles résistances au jeune âge). Il est nécessaire d’utiliser un moyen supplémentaire pour l’activer : augmentation de la température de cure ou utilisation d’un agent activateur. A long terme, la matrice cimentaire avec laitier a une meilleure résistance mécanique et chimique par rapport à une matrice sans laitier. Cependant, la résistance aux cycles de gel et dégel diminue avec l’augmentation de la teneur en laitier de haut fourneau [9].

• Le métakaolin est une pouzzolane très réactive, il permet une augmentation de la résistance à la compression et à la flexion et améliore la liaison entre la matrice et le renfort. Comme les fumées de silice, son ajout permet d’avoir un matériau compact, d’améliorer la durabilité de la matrice et diminuer sa perméabilité. En outre, l’utilisation du métakaolin réduit le retrait [11]. • L’utilisation de filler calcaire contribue à l’amélioration de la stabilité du béton frais et augmente sa compacité. Puisqu’il est utilisé comme une addition inerte permettant de remplacer une partie du ciment, cela conduit à une réduction de la résistance et la durabilité. Pourtant, grâce à l’augmentation de la compacité de la matrice, cette diminution peut être partiellement compensée.

b) Liants alternatifs

Puisque le ciment Portland est considéré comme un matériau non écologique et produit un environnement fortement alcalin généralement nuisible aux textiles, des ciments alternatifs qui n’ont pas ces inconvénients ont été l’objet de recherche ces dernières années.

• Le ciment à haute teneur en alumine (HAC), appelé aussi ciment d’aluminate de calcium (CAC) ou ciment alumineux, a été étudié dans le cadre du projet de recherche allemand SFB 532 comme étant un autre liant possible pour la matrice de TRC [12]. Ce ciment est obtenu en faisant réagir à haute température de la chaux (ou oxyde de calcium) et de l’alumine (ou oxyde d’aluminium). Il se caractérise par un durcissement rapide et une grande résistance au jeune âge, alors il peut être intéressant pour la préfabrication des éléments de TRC où un temps de démoulage court est désiré. Après leur mélange avec de l’eau, les ciments alumineux atteignent dans les 24 heures jusqu’à 90% de leur résistance finale. Bien que les études ont montré la possibilité d’utilisation ce ce type de ciment comme liant principal, la procédure de mélange reste complexe et le dosage en plastifiant et stabilisant demande une grande précision. Néanmoins, certains mélanges à base de CAC ont montré une amélioration de la durabilité des TRC en verre AR [13]. En outre, ils présentaient des résistances élevées au jeune âge, souhaitables dans le processus de production industrielle.

• Les ciments de phosphate inorganique ou Vubonite (IPC) ont été récemment développés comme un liant alternatif notamment dans le cas d’utilisation des renforts en verre. Le terme Vubonite est issu de la contraction de VUB (Vrije Universiteit Brussel) et Wollastonite. Le premier étant le lieu où le liant a été dévelopé, et le deuxième étant la roche de composition chimique CaSiO₃ à partir de laquelle est fabriqué le liant. Ces ciments sont généralement acides à l’état frais et neutre après durcissement. Les fibres de verre non AR peuvent être utilisées comme renfort dans ces conditions. Contrairement aux matrices précédemment détaillées, la Vubonite n’est pas un liant hydraulique, elle résulte en effet du mélange d’une poudre de si-licate de calcium et d’une phase aqueuse acide (acide phosphorique). Le sisi-licate de calcium réagit avec les ions métalliques de l’acide phosphorique présents dans la phase aqueuse. Il se forme une matrice minérale dotée d’une structure réticulaire 3D [14]. La Vubonite est compo-sée de 82.5 doses de poudre pour 100 doses d’acide phosphorique. L’ouvrabilité relativement importante du matériau autorise divers processus de production industrielle. Cependant, cette matrice ne permet pas le moulage au contact de TRC directement sur des faces verticales ou en sous-face des structures. La Vubonite fait partie des matrices inorganiques non dangereuses car elle ne dégage aucun Composé Organique Volatile (COV) acteur de l’augmentation des Gaz à Effet de Serre (GES). De plus, la Vubonite est labellisée A1 (incombustible) dans l’EuroClass.

• Les matrices constituées de géopolymères sont chimiquement très résistantes, notamment aux environnements acides, qui sont très agressifs pour d’autres types de matrices [15]. Ainsi, les TRC fabriqués avec des géopolymères pourraient être utilisés pour des réparations ou comme des couches de protection au lieu des résines de polymère. En outre, ils présentent de petites déformations de retrait, une grande résistance à la traction, et une grande résistance au feu. Cependant, les recherches concernant ce type de ciment notamment en ce qui concerne son utilisation en tant que liant de la matrice des composites TRC, sont très récentes et encore peu nombreuses.

• Récemment, l’utilisation des liants ettringitiques a été étudiée notamment dans le cas des renforts de verre E. Ce type de liant, dont le principal hydrate formé est de l’ettringite, présente la particularité d’être exempt d’hydroxyde de calcium (i.e. Chaux), ce qui permet de limiter les risques de corrosion des fibres de verre E. Des essais de vieillissement accélérés des composites dans des bains à 50˚C (et 70˚C) ont été réalisés. Les observations en microscopie électronique des fibres de verre E prélevées dans la matrice montrent que les fibres ne sont pas attaquées. Les performances mécaniques des composites sont équivalentes à celles des composites renforcés avec des fibres alcalis – résistantes [16]. L’une des propriétés d’un liant ettringitique est qu’il est adapté pour durcir et monter rapidement en résistance ce qui le différencie notamment des ciments Portland [16], [17].

c) Matrices chargées de polymère

L’ajout des polymères à la matrice cimentaire, permet de modifier la résistance mécanique (résistance en traction et en compression), d’améliorer l’adhérence fibre-matrice et d’augmenter la durabilité du composite. Il existe deux manières d’additionner du polymère au mortier : par imprégnation du mortier durci (Polymer Impregnated Concrete, PIC) ou en ajoutant le polymère directement dans la formulation du mortier (sous forme de poudre en la mélangeant au liant ou directement sous forme de liquide lors du malaxage), (Polymer Modified Concrete, PMC).

Imprégnation du mortier par polymère (PIC) : cette méthode permet d’augmenter le module

d’élasticité, la résistance en traction et celle en compression et permet aussi une diminution de son fluage. Cependant, elle est coûteuse et technologiquement complexe à mettre en œuvre.

Modification du ciment par polymère (PMC) : contrairement à la méthode précédente, la

PMC est très facile à mettre en œuvre mais elle engendre une réduction du module d’élasticité ainsi que la résistance à la traction et celle en compression de la matrice. Cependant, cette méthode peut s’avérer intéressante car généralement dans le cas des composites TRC, le mortier est utilisé en tant que matrice, donc ce ne sont pas les caractéristiques mécaniques du mortier qui comptent mais plutôt son adhérence avec le renfort.