Variation de la porosité avec le traitement thermique

g ) Jours Séchage (étuve à 60°C) Perte de masse : 7.0%+(-)0.2% Séchage (étuve à 60°C) Perte de masse : 20.5%+(-)0.5% Pâte de ciment E/C=0.5

Mortier E/C =0.5

Figure 3.1 – Perte de masse lors du séchage en étuve à 60^oC.

Figure 3.2 – Photo de gauche : éprouvette de pâte de ciment fissurée en surface (ou "auto-frettée") après séchage à 60oC, et photo de droite : éprouvette de mortier après séchage à 60oC (état de référence).

3.1.2 Variation de la porosité avec le traitement thermique

Le Tableau 4.46 présente les résultats de porosité obtenus par porosimétrie au mercure (MIP) en fonction de la température de traitement thermique T . Par rapport au mortier de référence, on constate une diminution de la porosité totale pour les mortiers chauffés à 105 et 200oC, ce qui parait étonnant, alors que la porosité croit au-delà, pour des traitements thermiques à 300 et 400oC. Les Figs. 3.3 et 3.4 représentent le volume cumulé normalisé en fonction du diamètre de pore et le diamètre moyen de pore du mortier normalisé en fonction de T . Contrairement aux valeurs de porosité totale, et comme on pouvait s’y attendre, on constate que le volume

3.1. EVOLUTIONS DE LA MICROSTRUCTURE 73

Échantillon Température maximale Masse à 60oC Masse après Perte de masse

(oC) (g) chauffage (g) (%) No7 60 158,44 - -No8 60 159,94 - -No28 300 158,02 154,19 2,4 No30 300 160,07 156,35 2,3 No26 400 160,44 154,77 3,5 No29 400 159,32 154,40 3,1

Table 3.1 – Perte de masse après un cycle de chauffage jusqu’à 300 ou 400^oC.

Température Porosité Porosité

(oC) à l’éthanol (%) au mercure (%) 60 12,96±0,14 13,39 105 13,06±0,91 12,77 200 14,39±0,48 12,49 300 14,95±0,33 15,12 400 15,45±0,95 15,44

Table 3.2 – Evolution de la porosité du mortier en fonction de la température de traitement thermique.

cumulé de pores (Fig. 3.3) augmente vers les plus grands diamètres avec l’augmentation de la température de traitement T , et la taille moyenne de pore augmente également avec T .

Le doute sur la mesure de porosité totale par MIP, corroboré par la littérature [42], et la difficulté à multiplier les essais de MIP (du fait de leur coût), nous a conduits à mesurer cette porosité par la méthode de saturation sous vide à l’éthanol. Avec cette méthode, la porosité moyenne du mortier à l’état sain vaut 12,96 % et elle augmente régulièrement avec la tempé-rature de traitement thermique T . Elle atteint 15,45 % après un traitement à 400oC, soit une augmentation d’environ 2,5 % par rapport à l’état sain, ce qui représente 19,2 % de la porosité initiale. Dans le Tableau 4.46, la valeur moyenne des trois résultats et l’écart maximum à la valeur moyenne sont présentés pour chaque température. La Fig. 3.5 récapitule l’évolution de la porosité en fonction de la température. Ces résultats montrent que le mortier est sensible à la température et que la structure poreuse subit d’importantes modifications, dans le sens d’un agrandissement progressif du réseau poreux avec T . Cette tendance est également confirmée par les résultats de perméabilité au gaz (propriété de transport convectif), voir Section 3.5.

3.1.3 Analyse thermogravimétrique

Comme expliqué dans [84, 103] et justifié dans [16], voir Chapitre 1, différentes phases sont présentes dans une pâte de ciment : il s’agit principalement des C-S-H (et des aluminates), puis (en proportion décroissante) de la Portlandite, de la calcite, de l’ettringite, etc. Ces différentes phases se décomposent suivant des gammes de températures relativement distinctes au cours du chauffage. Pour un mortier soumis à un chauffage jusqu’à 800-1000oC à une vitesse de chauf-fage constante (méthode dynamique), les auteurs s’accordent sur les gammes de température de

74 CHAPITRE 3. RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 60°C 105°C 200°C 300°C 400°C 0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000 V o lu m e c u m u lé n o rm a lis é d e s p o re s

Diamètre des pores (µm)

Figure 3.3 – Volume cumulé normalisé de pores pour des mortiers normalisés préalable-ment exposés à différentes températures (60, 105, 200, 300, 400oC).

0,035 0,04 0,045 0,05 0,055 0,06 0,065 0,07 0 100 200 300 400 500 D ia m è tr e m o y e n d e p o re s ( u m ) Température (°C)

Figure 3.4 – Diamètres moyens de pores pour des mortiers normalisés préalablement exposés à différentes températures (60, 105, 200, 300, 400oC).

décomposition des différentes phases de la pâte [103]. Après évaporation de l’eau libre autour de 100oC, les C-S-H (et aluminates) se décomposent à partir de 105oC (ou 145oC), et jusqu’à 400oC. Le pic de décomposition de l’ettringite se situe autour de 130oC [103]. Il est à noter que la température de début de décomposition de l’ettringite et des C-S-H est notamment modifiée

3.1. EVOLUTIONS DE LA MICROSTRUCTURE 75 12 12,5 13 13,5 14 14,5 15 15,5 16 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Ethanol (Points expérimentaux) Ethanol (valeur moyenne) Mercure P o ro s it é ( % ) Température (°C)

Figure 3.5 – Porosité par saturation à l’éthanol (valeur moyenne sur 3 tests et écart maximum), et porosité au mercure (MIP) en fonction de la température de traitement thermique.

en présence (ou non) d’eau liquide [5, 103]. La Portlandite Ca(OH)2 libère sa molécule d’eau à partir de 400oC et jusqu’à 600oC. La décarbonatation de CaCO3 a lieu à partir de 600oC et jusqu’à 800-1000oC.

Pour le mortier, voir Fig. 3.6(a), et en bon accord avec la littérature [84, 103], on observe trois pics principaux dans la courbe de DTG : la principale décomposition, attribuée aux C-S-H, se produit à 150oC, plus précisément entre 90 oC et 240oC ; la déshydratation de la Portlandite Ca(OH)2 se situe autour de 440-450oC, et la décarboxylation de CaCO3 a lieu à 700-730oC. L’essai n.1 correspond à une perte de masse inférieure à celle de l’essai n.2. En effet, l’essai n.1 a été effectué sur un petit bloc de matériau, alors que le deuxième était en poudre. La surface d’échange disponible est beaucoup plus élevée pour l’échantillon en poudre, ce qui permet d’ac-célérer les réactions de décomposition au chauffage, d’où une perte de masse plus élevée.

Pour le béton CEM V, voir Fig. 3.6(b), les résultats obtenus lors des deux essais sur échan-tillons en poudre sont très proches. La perte de masse du béton à 400 oC est légèrement plus faible (de 7 %) que celle du mortier en poudre, avec une valeur de 6,7 % ±0,1 % pour le mortier, et de 6,2 % ±0,1 % pour le béton. Pourtant, il existe une différence sensible entre le béton et le mortier normalisé en terme de décomposition de phases avec la température : pour le béton, la perte d’eau liée au-dessus de 105oC a lieu sur une gamme beaucoup plus étendue que pour le mortier. En particulier, après un chauffage jusqu’à 200oC, similaire à celui des essais de perméa-bilité en température, le mortier perd 3,3 % ±0,1 % en masse de ciment, alors que le béton perd 2,7 % ±0,3 %, ce qui est inférieur de 18 % à la perte de masse du mortier.

En effet, la décomposition des C-S-H dans le béton est associée à plusieurs petits pics de DTG, voir Fig. 3.6(b). Ceci est interprété comme étant dû aux différences d’hydratation et de

76 CHAPITRE 3. RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX composition des C-S-H, entre le mortier confectionné à partir de CEM II et le béton CEM V. Pour le mortier normalisé CEM II, la courbe de DTG présente un pic principal, de grande amplitude, centré autour de 150oC, et correspondant à la décomposition des C-S-H. L’amplitude de ce pic de DTG est associé à une libération d’eau liée relativement importante sur une gamme de température assez réduite. Cette observation est liée à une stoechiométrie des C-S-H peu variable (i.e. relativement homogène). En revanche, les additifs du CEMV (cendres volantes et laitier de haut fourneau) provoquent une perte de masse suivant plusieurs pics de DTG de plus faible amplitude, et qui correspondent à une stoechiométrie des C-S-H plus variée. Par ailleurs, ces pics étant de petite amplitude, moins d’eau est libérée à température donnée par les C-S-H du béton CEM V, et ce, même si la perte de masse totale entre 105 et 400oC est similaire pour le mortier et le béton.

La structure moléculaire (ou stoechiométrie) des C-S-H montre que la teneur en eau d’une phase C-S-H est étroitement liée à son rapport calcium/silice (C/S). Dans la littérature, l’évalua-tion de la stoechiométrie des C-S-H naturels et les observal’évalua-tions sur le ciment hydraté montrent que la teneur en eau dans les C-S-H diminue avec le rapport (C/S) [59,119,120]. L’hydratation du ciment Portland ordinaire CEM I génère de grandes quantités de Portlandite, liées à un rapport (C/S) supérieur à 1,5-1,7 [119, 120]. La présence d’additions minérales telles que les laitiers ou les cendres volantes dans un mélange de ciment tel que le CEM V favorise des réactions pouzzo-laniques, et consomme la Portlandite, ainsi que de l’eau libre ou même liée, afin de former des phases C-S-H à plus faible (C/S) que dans le ciment Portland pur. Comme le rapport (C/S) est plus faible, la réaction pouzzolanique engage un processus de réaction avec l’eau. En conséquence, l’eau est liée plus étroitement à la structure. Il est alors plus difficile de déshydrater ces C-S-H et de libérer de l’eau de ces phases solides.

En bref, le béton CEM V possède moins d’eau liée dans chaque phase C-S-H, et il aura moins d’eau à perdre pour chacune de ces phases entre 145 et 400oC par rapport au mortier normalisé fait avec du CEM II, bien que les deux perdent au final des quantités équivalentes d’eau : la perte d’eau est beaucoup plus progressive pour le béton CEM V que pour le mortier CEM II. De même, l’absence de pic de décomposition (courbe DTG) entre 400 et 600oC témoigne que la composition du CEM V ne permet pas la formation de Portlandite : comme nous venons de l’expliquer, la réaction pouzzolanique transforme la Portlandite en C-S-H. Au contraire, les réactions chimiques au-dessus de 700oC ont une grande amplitude pour le béton CEM V, et ceci est expliqué par la décarbonatation de CaCO3, mais aussi, potentiellement, par la poursuite de la décomposition des C-S-H.

3.1. EVOLUTIONS DE LA MICROSTRUCTURE 77

Figure 3.6 – Résultats d’ATG pour (a) : le mortier normalisé étuvé à 60^oC. Les trois principaux pics de la dérivée du signal de perte de masse correspondent respectivement, en fonction de la température croissante, à la décomposition des C-S-H, de la Portlandite Ca(OH)2, de la calcite CaCO3. (b) : le béton CEMV de rapport (w/c)=0.48. Dans les deux cas, les dérivées de la perte de masse sont agrandies 300x. Les résultats correspondent à deux essais différents pour chaque matériau.

78 CHAPITRE 3. RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX