Stabilité et durabilité des hydrates du système clinker sulfoalumineux-gypse

HAL Id: pastel-00512113

https://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00512113

Submitted on 27 Aug 2010

HAL is a multi-disciplinary open access

archive for the deposit and dissemination of

sci-entific research documents, whether they are

pub-lished or not. The documents may come from

teaching and research institutions in France or

abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est

destinée au dépôt et à la diffusion de documents

scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,

émanant des établissements d’enseignement et de

recherche français ou étrangers, des laboratoires

publics ou privés.

Tiffany Desbois

To cite this version:

Tiffany Desbois. Stabilité et durabilité des hydrates du système clinker sulfoalumineux-gypse.

Matéri-aux et structures en mécanique [physics.class-ph]. Ecole des Ponts ParisTech, 2009. Français.

�pastel-00512113�

DE

L'ÉCOLE NATIONALE DES PONTS ET CHAUSSÉES

Spé ialité: Stru tures et Matériaux

présentée par

Tiany DESBOIS

Sujet de lathèse :

Stabilité et durabilité des hydrates

du système linker sulfoalumineux - gypse

Soutenue le26 novembre 2009

devant lejury omposé de :

Gilles Es adeillas Rapporteur

Arezki Tagnit-Hamou Rapporteur

Amina Alaoui Examinateur

Jean-Louis Gallias Examinateur

Claude Haehnel Examinateur

Ahmed Loukili Examinateur

Alexandre Pavoine Conseiller s ientique

En premier lieu, je souhaite remer ier Robert Le Roy qui a a epté de diriger mon

travailainsiqu'Alexandre Pavoinequi m'aen adrée pendant es3années. Je leursaisgré

pourleurdisponibilité,leurspré ieux onseilsetlesidéesquiontdé ouléesdesfru tueuses

dis ussionsque nousavons eues.

Je tiens parti ulièrement àremer ierles membres demonjurydethèse.Toutd'abord,

AhmedLoukiliqui aa eptédeparti iperà e juryetqui l'aprésidé.Ensuite,mes

remer- iements vont aussi à mes deux rapporteurs, Arezki Tagnit-Hamou et Gilles Es adeillas,

pourletempsqu'ilsont onsa réàl'examendemontravailainsiquepourleursremarques.

Je suisre onnaissanteàJean-Louis Galliasd'avoirexaminé ettethèse etde l'intérêtqu'il

lui aporté. Enn, j'exprime magratitude à ClaudeHaehnel qui m'a a ueillie au seindu

CTG eta examiné ette thèse ainsi qu'àAmina Alaoui qui a permis à ette thèse devoir

lejour etaa epté de l'examiner.

Cettethèse CIFREs'estenparti dérouléeàl'entrepriseCTG.Je remer ie don Bruno

Le Rolland et André Roux qui l'ont suivie et se sont montrés réa tifs pendant toute sa

durée, ainsi qu'Anne-Marie Lebrunpour son aidedans mes démar hes administratives et

plusgénéralement l'ensemble dulaboratoire APS pour sona ueil.

Jetiens àremer ierAdélaïdeFeraille,Loï DivetetKaramSab.Adélaïdepour m'avoir

en adrée dans les premiers temps de ma thèse, m'avoir fait onan e et s'être montrée

disponible; également d'avoir ontinué par la suite à me soutenir. Loï pour, en plus de

m'avoira ueillie au sein dulaboratoire PCM, avoirsuivi ette thèse etavoir ontribué à

sonbon déroulement. Et enn Karam, pour m'avoir permis de réaliser mathèse dansde

bonnes onditions etm'avoir a ueillieau sein del'équipe Stru tures del'UMR Navier.

De nombreuses personnes extérieures à l'en adrement ont ontribué aux résultats de

ette thèse, réalisant des études dans leurs laboratoires. Je les remer ie pour le temps

qu'ellesyont onsa réainsiquepour leurdisponibilitéaussibienpour lesessaisque pour

mes questions. Je vais essayer de toutes les iter i i :Pierre Florian du CEMTHI-CNRS

d'Orléans, Catherine Malletdu LREPdu Bourget,Sabine Caréde l'UMRNavier, Gérard

Thierry Chaussadent du LCPC et Maurizio Mar hi du CTG Bergame. Je remer ie aussi

les te hni iens des équipesStru tures etDynamique de l'UMR Navier, euxdes divisions

PCMetBCC duLCPC, euxdu LREPdu Bourgetet euxdu CTG quiont parti ipé de

près oude loin à ette thèse.

Mon travail n'aurait pu êtremené sans l'aide de Christophe Bernard, de Bruno

Gior-dano,de Florent LespinasseetdeCharlène Castella.Je tiens i ià leurexprimerma

grati-tude pour leuraide ainsiquepourlabonne humeur durant les essais.

Je ne saurais terminer sans remer ier tous les do torants et post-do torants des

dif-férents laboratoires pour la bonne ambian e de travail et aussi pour leur soutien. Mer i

à Ali, Sylvain, Du , Hong Hai, Philippe, Guillaume, Fabio, Sahar et également Corinne,

Mohammad,Malika,Cyril,Laurent,LinaetArthurpourleursoutienpendantlesmoments

di ilesetl'aides ientiqueque ertainsm'ontapportée.Mer iégalementauxpermanents

du LAMI etdePCM.

Enn,ungrandmer iàmesparents,monfrèreetmasoeurainsiqu'auxautresmembres

de ma famille qui m'ont soutenue pendant es trois ans, lorsque je doutais. Mer i à mes

amis, dont MannaïgetPauline (mer iles lles!), qui m'ont en ouragée etpermisde tenir

Cette thèse s'ins rit dans un projet de re her he de solutions de bétons à impa ts

environnementaux réduits. Nousfo alisons laprésenteétudesurle linkersulfoalumineux

en mélange ave du gypse. Son bilan environnemental est plus favorable que elui des

linkers Portland (plus faibles émissions de

CO

2

et onsommation d'énergie, lors de la

produ tion).

Nousprésentonsdans emanus rituneétudeexpérimentaledu omportement

physi o- himiquedesliantsobtenusparmélangede linkersulfoalumineuxetdegypse,etdé rivons

lespropriétés onstru tivesde esderniers. L'hydratation du linker sulfoalumineuxétant

responsable de la formation d'ettringite, nous vérions la stabilité en milieu humide de

telles ompositions.

Dans un premier temps, nousavons identié les proportions de gypse pour lesquelles

le liant est stable en présen e d'eau, i.e.sans apparition de ssures à l'é helle

ma ros o-pique. Ce domaine de stabilité est inuen é favorablement par la maturité du matériau

au moment du onta t ave l'eau. Nousavons par ailleurs utilisé des plans d'expérien es

fa toriels an d'étudier l'inuen e de la teneur en al alins ainsi que elle de la

tempéra-ture:lesrésultatsrévèlent unbon omportementdu matériaupeusensible à esfa teurs,

dansun large domaine d'emploi. La ara térisationphysique de mortiersetde bétons est

omplétéeparuneétudedel'hydratation de esliants:lesuividupro essusd'hydratation

a montré que la ssuration des éprouvettes instables n'a pas pour origine la formation

supplémentaire d'hydrates. Pour nir, nousprésentons une étudede la rhéologie et de la

résistan e en ompression ainsi qu'une évaluation du risque de orrosion qui permettent

d'identier desdomainesd'emploi pour eliant.

Mots lés:Clinkersulfoalumineux, gypse,ettringite,gibbsite,retrait, expansion,

This thesis is part of a proje t aiming at the determination of a low environmental

impa t on rete. We fo us on mixes of sulfoaluminate linker and gypsum : this type of

mixture enables to minimize not only

CO

2

emissions but also energy wastes during the

produ tionpro ess ( ompared to Portland linkerprodu tions).

Wepresent inthis manus riptthe experimental study that wasperformedinorder to

determinethe physi o hemi albehaviourofthe binderobtainedbymixingsulfoaluminate

linker and gypsum and the onstru tive properties of su h mixtures; one of the main

hydration produ tofsulfoaluminate linkerbeingettringite,wealso studythestability of

su h mixturestoward humidmedium.

Werstidentifythe ompositions(gypsumper entage)ofthebinderthatleadtostable

on retesi.e.thatprodu e on retesamplesthatdonotshowanyma ros opi ra ksafter

being immersed in water; we also show that the stability domain is positively inuen ed

by the maturity rea hed by the material when the samples are immersed in water. We

useda omplete set of designed experiments inorder to study theinuen e of the alkalis

per entage and temperature : results show that the ompositions have a good behaviour

toward those variables, not very sensitive to these parameters. We furthermore study the

hydrationphenomenon ofthebindersandshowthatdamageoftheinstablesamplesisnot

dueto theformation ofnewhydrates.Wenallypresenta ompletestudyof therheology

and ompression resistan e of on rete samples plus an evaluation of the orrosion risks.

Thepresent work enables the identi ation oftheusedomain for thatbinder.

Keywords :Sulfoaluminate linker, gypsum, ettringite, gibbsite,shrinkage, expansion,

Introdu tion générale 21

1 Bibliographie 25

1.1 L'é o- on eption . . . 28

1.1.1 Généralités . . . 28

1.1.2 Le iment Portland dansl'é o- on eption . . . 29

1.1.3 Réduirel'impa t environnemental desmatériaux imentaires. . . 32

1.1.4 Durabilitédesbétons. . . 35

1.2 Le iment sulfoalumineux . . . 37

1.2.1 Historique . . . 37

1.2.2 Constituantsdu iment sulfoalumineux. . . 39

1.2.3 Bilanenvironnementaldu iment sulfoalumineux.Comparaisonave un iment Portland . . . 44

1.3 L'hydratation du iment sulfoalumineux . . . 45

1.3.1 Généralitéssurl'hydratation d'unliant hydraulique . . . 45

1.3.2 Réa tions d'hydratation des prin ipales phases du linker sulfoalu-mineux . . . 46

1.3.3 Leshydrates prin ipaux . . . 48

1.3.4 Hydratationdumélange linkersulfoalumineux- gypse. . . 54

1.3.5 Eetde latempérature surl'hydratation . . . 57

1.3.6 Con lusion . . . 60

1.4 Propriétés etappli ationsdu iment sulfoalumineux . . . 60

1.4.1 Variations volumiquesd'un iment sulfoalumineux . . . 60

1.4.2 Propriétés mé aniques des matériaux à base de linker sulfoalumi-neux . . . 64

1.4.3 Durabilité . . . 66

1.4.4 Appli ationsétudiées . . . 68

1.5 Con lusion. . . 71

2 Matériaux et te hniques expérimentales 73 2.1 Matériaux . . . 75

2.1.1 Clinkerssulfoalumineux . . . 75

2.1.2 Gypse . . . 82

2.1.3 Matériauxgranulaires . . . 83

2.2 Formulation despâtesde iment,des mortiersetdesbétons . . . 83

2.2.1 Rapport eausur liant. Domained'étude etnotations . . . 83

2.2.2 Formulation du liant par mélange de linker et de gypse. Domaine d'étude etnotations . . . 84

2.2.4 Formulationetméthode demalaxage desmortiers . . . 85

2.2.5 Formulationetméthode demalaxage desbétons . . . 85

2.3 Te hniques expérimentales . . . 86

2.3.1 Résistan eà la ompressiondesmortiers etdesbétons . . . 87

2.3.2 Déformationslongitudinales despâtesde iment,desmortiersetdes bétons . . . 90

2.3.3 Cara térisation rhéologiquedes matériaux . . . 91

2.3.4 Cara térisation de la inétiquede dur issement . . . 92

2.3.5 Cara térisation de lami rostru ture par laméthode de gammaden-simétrie . . . 93

2.3.6 Détermination de laporositéa essible àl'eau . . . 95

2.3.7 Cara térisation himique desmatériaux . . . 95

2.3.8 Examens mi ros opiquesau mi ros ope éle tronique àbalayage . . 99

2.4 Ré apitulatifdes formules étudiées . . . 100

3 Domainede stabilité dimensionnelle 105 3.1 Contexte etenjeux . . . 107

3.2 Étude exploratoire . . . 107

3.3 Inuen ede laformulation etdes onditions detraitement sur lastabilité . 110 3.3.1 Rapporteau/liant . . . 110

3.3.2 Rapportn . . . 111

3.3.3 Maturitédu matériau etstabilité . . . 124

3.3.4 Con lusion . . . 126

3.4 Inuen esurla stabilitéde latempérature etdes al alins . . . 126

3.4.1 Mise enpla e duplan d'expérien es . . . 127

3.4.2 Étude desréponses . . . 130

3.4.3 Dis ussion . . . 144

3.5 Con lusionsur ledomaine destabilité . . . 145

4 Pro essus d'hydratation du linker sulfoalumineux 147 4.1 Suivis desréa tions d'hydratation . . . 149

4.1.1 Suivide laréa tiond'hydratation delayeelimite . . . 150

4.1.2 Suivide laréa tiond'hydratation delabélite . . . 171

4.1.3 Degré d'hydratation despâtes de iment . . . 172

4.1.4 Détermination de la saturation en eau des pâtes au moment de la ssuration . . . 174

4.1.5 Con lusionetproposition de mé anismede gonement . . . 177

4.2 Conrmationdes mé anismesd'hydratation àl'originede l'expansion . . . 178

4.2.1 Au jeune âge . . . 180

4.2.2 Après 230 joursen onditions ellée . . . 184

4.3 Con lusionssurl'hydratation etlesmé anismesd'hydratationàl'originedu gonement. . . 192

5 Propriétés onstru tives du linker sulfoalumineux 195 5.1 Comportement rhéologiqueen fon tion de laformulation . . . 197

5.1.1 Inuen edes rapports eau/liantetn surlarhéologie . . . 198

5.1.2 Inuen edu rapportn etdelaquantité d'al alinssurlarhéologie . . 201

5.1.3 Con lusion . . . 203

5.3.1 Inuen edurapport nsurlarésistan e en ompression. . . 206

5.3.2 Inuen e oupléedurapportnetdutauxd'al alinssurlarésistan e en ompression . . . 210

5.3.3 Inuen e ouplée durapportn,du tauxd'al alins etdela tempéra-turesurlarésistan e en ompression . . . 211

5.3.4 Con lusion . . . 213

5.4 Comportement de es matériauxen onditions ambiantes . . . 213

5.5 Comportement desa iersdans esmatériaux, vis-à-vis dela orrosion . . . 214

5.5.1 Démar he expérimentale . . . 215

5.5.2 Essaisde orrosion . . . 217

5.5.3 Con lusionsurla orrosion . . . 219

5.6 Con lusion. . . 219

Con lusionet perspe tives 221

1.1 Bassinsprodu teurs degypse en Fran e[57℄ . . . 42

1.2 Courbe alorimétrique de l'hydratation du iment [54℄ . . . 46

1.3 Stru turedu ristald'ettringite[95℄:(a)Unepartiedela olonne,dansl'axe

de proje tion (1120). Les symboles A et B représentent l'atome

O

d'une

molé ule

H

2

O

et les er les ave O représentent les atomes

O

des groupes

OH

.Lesatomes

Al

et

Ca

sontindiqués pardes er lesnoirsde petitetaille

etdeplusgrandetaille.(b)Proje tionselonleplanab.Lespolygonesetles

triangles représentent respe tivement les olonnesetles haînes. . . 49

1.4 Courbesd'analyses thermiques delagibbsite [129 ℄ . . . 53

1.5 Hydratationd'ungraintypiquede linkerCSA(a)quandl'hydratation

om-men e,(b)à lande lapremière période d'hydratation [131 ℄ . . . 55

1.6 S héma dupro essus d'hydratation du iment CSAà 25C[131 ℄ . . . 56

1.7 Évolutiondela haleurd'hydratation dansles24premièresheurespourune

pâte de iment omposée de 83% de linker LG et 17% de gypse, ave un

rapport

e/c

de 0,44 onservée à25C[131 ℄ . . . 57

1.8 Courbes d'analyses thermiques diérentielles réalisées sur des é hantillons

de

C

4

A

3

S

¯

hydratés [103 ℄ . . . 58

1.9 Évolutiondel'intensitédesraiesprin ipalesdeyeelimite, degypse,

d'ettrin-giteet demonosulfoaluminate, obtenue par dira tométrie desrayons X,à

25Cen haut àgau he, à55Cen haut à droite et à85C enbas[131℄. . . . 59

1.10 Distribution des taillesde pores umulés pour des pâtes (

e/c

de 0,44) ave

des ures de 24 heures à 25, 55 et 85C. Le degré d'hydratation (%) a été

estimépar Zhang etGlasseretindiqué lelongdes ourbes [131 ℄ . . . 60

1.11 S héma représentant lepro édéd'expansion [103℄ . . . 64

1.12 Développement de larésistan e en ompression de béton SAC ( iment

sul-foalumineux) etFAC ( iment ferroalumineux) à 20C en pour entagede la

résistan eà28jours.Lesdonnéessurlesbétonsàbasede linkerd'aluminate

de al ium et à base de linker Portland sont indiquées pour omparaison

[107 ℄ . . . 66

1.13 Évolutiondesrésistan esen ompressiondesmatériauxsulfoalumineux

onte-nant diérentsajouts, ave (a)en onditionsappeléesDRYet(b)en

ondi-tions appeléesWET [115 ℄ . . . 69

1.14 Variations dimensionnelles desmatériaux sulfoalumineux ontenant les

dif-férentsajouts[115 ℄ . . . 70

2.1 Diagrammede dira tométrie desrayonsXobtenupour lerésidu insoluble 78

2.2 Diagrammede dira tométrie desrayonsXobtenupour leCSA1 . . . 80

2.3 Diagrammede dira tométrie desrayonsXobtenupour leCSA2 . . . 81

2.5 Squelette granulaire desbétons . . . 86

2.6 Montagede l'essaide ompressiondu béton . . . 88

2.7 Prin ipe dubâti de résistan een exion [9℄ . . . 89

2.8 Prin ipe dubâti de résistan een ompression[9℄ . . . 89

2.9 Dispositiondes plotset extensomètre . . . 90

2.10 S hémade laméthode dedétermination de l'aaissement au mini- ne . . . 91

2.11 Dispositifde mesureau nede Marsh . . . 92

2.12 Courbe dedétermination de lavis osité (pour un ajustage de10mm) . . . . 92

2.13 ValiseBTPULS omportant3voiesémetteurs/ré epteurs.Un ylindre

φ11cm×

h22cm

mest ouplé à lavoie1 [117℄ . . . 93

2.14 S hémad'une éprouvette ave ir uitde refroidissement [117 ℄ . . . 93

2.15 Appareillage delagammadensimétrie . . . 94

2.16 Essai de gammadensimétrie sur des éprouvettes de pâtes de iment de di-mension

4 × 4 × 16cm

3

entre lehaut del'éprouvette (80

mm

)etlemilieude l'éprouvette (0

mm

) . . . 95

2.17 Prin ipe de laloide Bragg. . . 97

2.18 Retour del'aimantation à sonétatd'équilibre . . . 98

2.19 Poirede diusion deséle trons in idents . . . 99

3.1 Expansionlongitudinaledesbétonsau oursdutemps-Débutdesmesuresà 25heures-B485-54etB485-75 nesontpasprésentés arilsontssuréavant la se onde mesure. Les é art-types obtenus pour es mesures sont ompris entre33

µm/m

et62

µm/m

selon laformulation . . . 108

3.2 Représentation graphiquela ourbe enS [38 ℄ . . . 109

3.3 Photo du mortier M485-76 à l'âge de 7 jours, de dimension

7 × 7 × 28cm

3

démouléà 24heures puis immergé . . . 111

3.4 Suivi des déformations longitudinales de mortiers onservés en ondition s ellée(moyennesur3éprouvettesave représentation dudoubleé art-type pour haque formule).Début desmesures à24 heures. . . 112

3.5 Suivi des déformations longitudinales de pâtes de iment (moyenne sur 3 éprouvettes et représentation pour haque formule du double é art-type), démoulées à 4heures, onservéesen onditions ellée . . . 113

3.6 Suividesdéformationslongitudinalesdesmatériaux, onservésen ondition s ellée,en fon tion durapport n . . . 114

3.7 Retraits endogènes mesurés à partir de 24 heures sur mortiers en fon tion desCLC al ulées . . . 117

3.8 Évolutionde laCLC etdesdéformationsendogènesvolumiques enfon tion du temps (CEMIe/l=0,35, iment n) [33 ℄. . . 118

3.9 Exemple dessuration à l'é héan ede 3jours surlemortier

4 × 4 × 16cm

3

M445-60 . . . 119

3.10 Propagation de ssures sur le mortier M445-60 entre 7 et 13 jours, de di-mension

4 × 4 × 16cm

3

démouléà24 heurespuis onservéenenvironnement humide. . . 120

3.11 Suivi des déformations longitudinales de mortiers immergés à 24 heures (moyenne sur 3 éprouvettes de dimension

4 × 4 × 16cm

3

, représentation du doubleé art-typemoyen pour haque formulation) . . . 121

3.12 Évolution de la masse des mortiers immergés à 24 heures (moyenne sur 3

éprouvettes de dimension

4 × 4 × 16cm

3

é art-3.13 Gonement moyen de pâtes de iment, démoulées à 4 heures et immergées

(moyenne sur 3 éprouvettes de dimension

4 × 4 × 16cm

3

, ave k le double

é art-type moyen) . . . 122

3.14 Variation massique despâtesde iment démoulées à4 heures et immergées

(moyennesur3éprouvettesdedimension

4×4×16cm

3

).L'é art-typemoyen

de es mesuresest de0,04% . . . 123

3.15 Domaines de stabilité déterminés suite aux résultats obtenus sur mortiers

(M)etsurpâtesde iment (P) . . . 124

3.16 Suivi des déformations longitudinales des mortiers démoulés à 24 heures,

onservés en ondition s ellée puis immergés à 240 jours pour M200-60,

M366-60 et M445-60 et 470 jours pour M519-60 et M587-60. Les doubles

é art-typesmoyens ont été indiquéspour haqueformulation . . . 125

3.17 Vis osité des pâtes de iment dont les formulations orrespondent à elles

dupland'expérien esfa toriel.Lavis osité aété al uléeàpartirdutemps

d'é oulement au nede Marsh[111 ℄ (temps enmin).. . . 129

3.18 Formulesréaliséesdanslepland'expérien eset omportementvis-à-visdela

ssuration lors de l'immersion des mortiers, en fon tion de latempérature,

dutaux d'al alinsajoutéetdu rapportn. . . 130

3.19 Suivi des déformations longitudinales d'éprouvettes de mortier immergées,

démoulées après48 heuresde traitement thermique . . . 131

3.20 Variationmassiquemoyennedesmortiersimmergés,démoulésaprès48heures

detraitement thermique . . . 132

3.21 Variationdimensionnelledeséprouvettess ellées,démouléesaprès48heures

detraitement thermique . . . 133

3.22 Expansion desmortiers immergés, démoulés après 48 heures de traitement

thermique . . . 134

3.23 Importan e des fa teurs et de leurs intera tions sur l'expansion à 10 jours

(à gau he) età100 jours(à droite) . . . 137

3.24 Retraitendogènedesmortiersdémoulésaprès48heuresdetraitement

ther-mique . . . 140

3.25 Expansion des mortiers immergés instables, démoulés après 48 heures de

traitement thermique. Les er les noirs orrespondent auxmoments où les

mortiersont ssurés . . . 142

3.26 Variationmassiquedesmortiersinstables,démoulésaprès48heuresde

trai-tement thermique . . . 143

3.27 Variation longitudinale desmortiersen fon tion deleur prise de masse . . . 143

3.28 Variationdimensionnelledesmortiersinstables onservésen onditions ellée

aprèsledémoulage suivant les 48heures de traitement thermique . . . 144

4.1 Évolution des intensités des raies prin ipales de la yeelimite, du gypse et

de l'ettringite obtenues par dira tométrie des rayons X sur des pâtes de

iment onservées en ondition s ellée, à gau he pour l'étude de Zhang et

Glasser[131 ℄ etàdroite pour l'étudede Bernardoet al. [31℄ . . . 150

4.2 Avan ement de la onsommation de layeelimite au ours dutemps, lors de

onservations en ondition s ellée (à gau he) et en environnement humide

(à droite) . . . 151

4.3 Avan ement de la onsommation de l'anhydrite au ours dutemps, lors de

4.4 Avan ementdela onsommationdugypseau oursdutemps,lorsde

onser-vations en onditions ellée (àgau he)etenenvironnement humide(à droite)154

4.5 Évolutionde laformationd'ettringiteau oursdutemps (en%delamasse

de lapâte), lorsde onservations en onditions ellée (à gau he)eten

envi-ronnement humide(à droite) . . . 156

4.6 Diagramme d'analyse thermique de la pâte P200-60 à 1 jour, onservée en environnement humide après sondémoulageà 4heures . . . 157

4.7 Évolution des pertes d'eau liée de la gibbsite au ours du temps, lors de onservations en ondition s ellée (à gau he) et en environnement humide (à droite) . . . 158

4.8 Courbes d'analyses thermiques de la pâte P445-60 à l'âge de 4h obtenues ave une montéeen température de 2C/minen haut et10C/min en bas. . 160

4.9 Observations au MEB . . . 162

4.10 Observations au MEB . . . 163

4.11 Observations au MEB . . . 164

4.12 Observations au MEB . . . 165

4.13 Représentationentroisdimensionsdusystème

CaO−Al

2

O

3

−CaSO

4

−H

2

O

à 25Créalisée par Damidotet Glasser[51℄ . . . 166

4.14 Diagrammesimpliédusystème

CaO−Al

2

O

3

−CaSO

4

−H

2

O

à25Créalisé par Divet[53℄ . . . 167

4.15 Remplissage des pores des pâtes P200-60 (à gau he) etP445-60 (à droite) onservées en onditions ellée (mêmegrossissement) àl'âge de 1 jour . . . 167

4.16 Spe tresdesphasespuressus eptiblesde omposerlespâtesde iment,ainsi quele spe treobtenu pourle linkerCSA2. . . 169

4.17 Spe tresdes pâtes de iment P151-60, P200-60 et P445-60 obtenus par ré-sonan emagnétiquenu léairedel'aluminium

27

_Al

à 1jour.Lesspe tresdu hautnemontrentpasdesimulation(typiquement enrouge)alorsqu'elleest représentée surlesdeux spe tresdubas. . . 170

4.18 Évolutiondelaquantitédebélitedanslespâtesde imentau oursdutemps (en % de la pâte de iment), lors de onservations en ondition s ellée (à gau he)eten environnement humide (à droite) . . . 171

4.19 Degréd'avan ementdel'hydratationdespâtesde imentd'aprèslaméthode d'analysed'images . . . 173

4.20 Densité entre le haut de l'éprouvette etle milieu de elle- i pour les dié-rentes pâtesde iment auxdiérentes é héan es demesure . . . 176

4.21 Évolution de l'expansion des mortiers M200-60 et M445-60 immergés, au ours dutemps . . . 179

4.22 VariationdimensionnelledesmortiersM200-60,M366-60etM445-60 onser-véspendant 230jours en ondition s ellée puisimmergés . . . 180

4.23 Va uolesà 3jours rempliesd'ettringite, àgau he pour M200-60et à droite pourM445-60 . . . 181

4.24 Mortiers à 14 jours, àgau he pour M200-60 età droite pour M445-60ave desin lusions degypse entourées . . . 181

4.25 Diagramme d'analysesthermiques dumortier M200-60à 1 jour . . . 182

4.26 Pertes de l'eauliée dela gibbsitedansles mortiersrapportée à lamassede l'é hantillon . . . 183

4.27 Évolution despertes d'eauobtenues par analyses thermiques :à gau he, la

4.28 Évolutionde laporosité desmortiersau oursdu temps . . . 187

4.29 Pâtes de iment des mortiers présentant des phases anhydres (phases de

ouleur laire),del'ettringite(phasede ouleurgrise)etlaphasenonvisible

auparavant (phase de ouleur noire) . . . 188

4.30 Diagrammesd'analysesthermiquesdesmortiersM366-60etM445-60àl'é héan e

de258 jours . . . 189

4.31 Diagrammesdedira tométriedesrayonsXdumortierM445-60auxé héan es

de233 (trait ontinu) etde258 jours (traitpointillé),entre6 et25Å . . . . 190

4.32 Comparaisondesdiagrammes de résonan emagnétiquenu léaire de

M445-60après230 joursen onditions elléepuis immergépendant28 joursetde

e même mortieruniquement immergé . . . 191

5.1 Aaissement normalisé des mortiers Portland (mesure au ne d'Abrams)

etdesmortiersCSA(mesure au mini- ne), enfon tion du rapport e/l . . . 200

5.2 Vis osités des pâtes de iment de rapport e/l=0,70, al ulées à partir du

temps d'é oulement au ne de Marsh([111 ℄) . . . 202

5.3 Aaissement moyen desmortiersautemps 0en fon tiondurapportnetde

laquantité d'al alinsajoutés, rapport e/l=0,70 . . . 203

5.4 Détermination de la transition entre l'état liquide et l'état solide des

mor-tiers, d'aprèsles mesures de lavitesse de lapropagation desondes

ultraso-noresetde latempérature interne . . . 205

5.5 Résistan esen ompressiondesmortiersentre1et28jours,pourunrapport

e/lde 0,60 . . . 207

5.6 Résistan esen ompressiondesmortiers en fon tion durapportn, pour un

rapporte/lde 0,60 . . . 208

5.7 Résistan esen ompressionde haqueéprouvettedebétonentre1et180jours209

5.8 Résistan es en ompression des mortiers entre 1 et 180 jours, démoulés à

48h,ave unrapporte/l de0,70. . . 210

5.9 Résistan es en ompression des mortiersà 28 et 180 jours, démoulées à 48

heuresaprès untraitement thermique . . . 211

5.10 Importan e des fa teurs et de leurs intera tions sur la résistan e en

om-pressionà 28 jours(à gau he) età180 jours (àdroite) . . . 212

5.11 Déformationsdesmortiers onservésen onditions ambiantes . . . 214

5.12 Dispositionde la ellule d'essai[10 ℄ . . . 216

5.13 Variation de la densité de ourant partiel anodique d'un métal passivant

ave le potentiel. . . 217

1.1 Statistiquesrelativesà l'industrie imentièrefrançaisepour l'année2006 . . 29

1.2 Convention imentaire . . . 30

1.3 Ciments ourantsrépondantsà lanorme NFEN197-1 [6 ℄ . . . 30

1.4 Quantités de

CO

2

émises lors de la formation des onstituants du linker Portland, horsfon tionnement del'usine . . . 31

1.5 Méthodesde mesuresdire tes desindi ateursde durabilité [19℄ . . . 36

1.6 Classesetvaleurslimitesrelativesauxindi ateursdedurabilité.Lesvaleurs indiquées orrespondent à des mesures réalisées selon les méthodes itées dansle Tab. 1.5 sur des éprouvettes onservées dansl'eau pendant 3 mois aprèsle oulage [19℄ . . . 37

1.7 Compositions himiques etminéralogiquesdes linkers[128 ℄ . . . 38

1.8 Réa tionslors de lafabri ation du linker sulfoalumineux[101℄ . . . 40

1.9 Composition minéralogique prin ipale du linker sulfoalumineux [12℄ . . . . 40

1.10 Quelques ompositions minéralogiques (%massique) du linker sulfoalumi-neux[12℄. . . 41

1.11 Mélangesde linkersulfoalumineuxetdegypseoud'anhydrite étudiésdans lalittérature. . . 43

1.12

CO

2

émislorsde laformation desdiérentes phases [13℄ . . . 45

1.13 Ciment omposéde83%de linkerLGetde17%degypse,utiliséparZhang etGlasser[131℄ . . . 54

1.14 Compositions himiquesetminéralogiques des linkers utiliséspar les dié-rentsauteurs . . . 65

1.15 Propriétés desdiérentsmatériaux selonles auteurs . . . 65

1.16 Composition du linkerétudié par Anda etGlasser[15℄ . . . 67

1.17 Propriétés dediérents imentssulfoalumineux[121 ℄ . . . 68

2.1 Analysesélémentairesdes linkerssulfoalumineuxobtenuesparuores en eX 76 2.2 Analysesélémentairespar spe trométrie d'émission atomique . . . 77

2.3 Analysesélémentaires par spe trométrie d'émission atomique du résidu in-solubledu CSA1 . . . 78

2.4 Analysesdephasesdesdeuxlotsde linkersulfoalumineux,ainsiquenesses de es linkers . . . 79

2.5 Composition du gypseSULYKAL DHBLEU . . . 82

2.6 Composition granulométrique du sable deréféren eCEN [9℄ . . . 83

2.7 Granulométrie desgranulats sili euxPalvadeau . . . 83

2.8 Ré apitulatifdeste hniques expérimentales utiliséesau oursde lathèse . . 87

2.9 Porosité a essibleà l'eau enfon tion de latempérature desé hage . . . 95

2.10 Phasesettempérature de déshydratation . . . 96

2.12 Ré apitulatifdes formules de mortierréalisées pendant lathèse . . . 102

2.13 Ré apitulatifdes formules de pâtede iment réalisées pendant lathèse . . . 103

3.1 Limitesdu domaine de stablité . . . 110

3.2 Rapports e/lxés etdésignations desmortiers (voir paragraphe 2.2.1 pour

ladénitionde e/l) . . . 110

3.3 Massesmolairesetdensités desphases intervenant dansl'hydratation de la

yeelimite . . . 115

3.4 Massesmolairesetdensités desphases intervenant dansl'hydratation de la

bélite. . . 116

3.5 Contra tionsdeLeChatelierthéoriquesdesdiérentesréa tionsd'hydratation116

3.6 CLC théorique desdiérentesformulesde mortiersainsiqueretrait mesuré

pour es mêmesmortiers, fabriqués ave le linker CSA1 . . . 117

3.7 Observations des ssurespour les diérentes formulations . . . 119

3.8 Comportement desmortiers avant etaprès leurs immersions(en

µm/m

) . . 125

3.9 Niveauxdes fa teursétudiés . . . 128

3.10 É art-typesdesexpérien esetdesmodèlesainsiqueprobabilitédumanque

d'ajustement desmodèles,pour lesmodèles à 10et 100jours . . . 139

4.1 Quantitésd'ettringite sus eptibles d'êtreforméesenenvironnement humide

omptetenudesquantitésdeyeelimite onsomméesdans etenvironnement

etquantitésd'ettringite formées dans etenvironnement, auxé héan es de

4 et24heures . . . 157

4.2 Phaseshydratéesperdantleureauliéelorsdesanalysesthermiques,en

fon -tion delatempérature . . . 158

4.3 % d'eau liée de la gibbsite à 1 jour en environnement humide, d'après les

analysesthermiquesetaprès al uls,en onsidérantlaquantitédeyeelimite

onsommée . . . 159

4.4 Mi roporosité(%)déterminéepar analysed'imagesobtenuesaumi ros ope

éle tronique à balayage despâtes de iment . . . 168

4.5 Quantitésdephases(en%de lamassedepâtede iment)à1jour obtenues

parDRX,RMNde

27

_Al

ouparATD/ATGave unemontéeentempérature

de 10C/min. . . 170

4.6 Degré d'hydratation (%) des pâtes de iment à 1 jour en fon tion des

mé-thodesutilisées . . . 174

4.7 Retraits endogènesdesmortiersainsiquerésultatsobtenus d'aprèsles

ana-lyses thermiques de esmortiers (%),après230 jours en ondition s ellée . . 185

4.8 Porositéa essible àl'eau (%) desmortiers . . . 185

5.1 Compositionsdemortiersetdepâtesde imentdontle omportement

rhéo-logique estétudié.Les massessont données en

gramme

. . . 198

5.2 Aaissementdesmortiersautemps0,mesuréave laméthodedumini- ne,

pourdes rapportse/l variables . . . 199

5.3 Aaissements des mortiers au temps 0 mesurés ave la méthode du

mini- ne, pour un rapporte/lde 0,60 . . . 200

5.4 Comparaisondel'aaissementdesmortiersM485-54etM587-60, lesmasses

sont données en

gramme

. . . 201

5.5 Rapports n et taux d'al alins utilisés lors de l'étude de l'inuen e de es

5.7 Mortiersdont letemps de prise aétédéterminé . . . 204

5.8 Âge (en

min

) de la transition liquide - solide dans les mortiers selon la

méthode de détermination . . . 205

5.9 Mortiersdontles ara téristiquesmé aniquessontdéterminéesentre1et28

jours . . . 207

5.10 Valeurs étudiéesdu rapportnetdu tauxd'al alins . . . 210

5.11 É art-types expérimentaux et du modèle ainsi queprobabilité du manque

d'ajustement du modèle, pour les modèles à28 et180 jours . . . 213

5.12 Composition himique de l'a ierdoux en%massique . . . 215

5.13 Intervallestypiquesdupotentielde orrosiondel'a ierderéféren een

fon -tiondu béton[58 ℄. . . 216

5.14 Risquede orrosion en fon tion dupotentielde orrosion[44 ℄ . . . 217

5.15 Intensités mesurées par les diérentesméthodes(en

µA/cm

2

Le proto ole de Kyoto, bientt relayé par elui de Copenhague, ratié par plusde 150

paysetentréenvigueurenfévrier2005,viseàlutter ontreleré hauement limatiqueen

réduisant les émissions de gaz arbonique. Celui- i prévoit une rédu tion globalede 5,2%

des émissions de

CO

2

des pays industrialisés d'i i à 2012, par rapport aux émissions de

1990. Pour ela, plusieurs a tions sont mises en ÷uvre dans le se teur industriel an de

développerde nouvelles solutions visant à minimiser les impa ts tels que :lapollutionde

l'airetles émissionsde

CO

2

,la onsommationdesressour es.

Laprodu tionmondialeannuellede iment estde2,6.

10

9

_tonnes

.Pourproduire e

ma-tériau,l'industrie imentièreémetdesquantitésimportantesde

CO

2

,représentant d'après

nosestimations7%dutotalmondialdesémissionsdedioxydede arboneanthropogénique.

En eet, le iment est onstitué de linker, de gypse et d'éventuels ajouts omme le

lai-tier de haut fourneau etles endres volantes. La uisson à 1500C desmatières premières

du linker est responsable de lamajorité desémissions de

CO

2

.Lors de ette uisson, le

al aire sedé arbonate, rejetant du

CO

2

dont laproportion représente60%desémissions

liéesà laprodu tion du iment.

Les so iétés imentaires se sont don engagées dans le adre de l'asso iation des

en-treprisespour larédu tion de l'eet deserre (AERES)à diminuerles émissions nettes de

28,6% de 1990 à 2010. Parmi les pistes envisagées, elle de la rédu tion des émissions de

CO

2

pendant la phasede linkérisation esttrès prometteuse arelle onstitue une sour e

d'innovation importante. De nombreuses études sont don a tuellement menées pour

dé-velopper des liants sus eptibles de se substituer partiellement ou totalement au linker

Portland (a tuellement leplusutilisé).Le linkersulfoalumineuxreprésentel'unedesvoies

exploréesdufaitdesonfaible oûten dioxydede arbone émislorsdesadé arbonatation.

Ce type de linkerpeutêtremélangéave du gypse.Le mélangepermetderéduireles

émissionsdedioxydede arboneetéventuellement devaloriserdessous-produits ommele

phosphogypse(gypseissudel'industrieduphosphore).L'hydratation de e mélangeestun

pro essusmaîtrisé lorsque les proportions entre esproduits orrespondent auxquantités

juste né essaires à la onsommation de ha un d'entre eux, par réa tion ave l'eau. En

revan he, lorsque la quantité de gypse est supérieure à ette valeur st÷ hiométrique, des

desgonementsnonmaîtrisésde emélangelimitentfortementlere oursà e linkerpour

valoriser lephosphogypse.

Cette thèse a deux obje tifs. Le premier porte sur la détermination des fa teurs

exo-gènes pouvant provoquer les gonements du linker sulfoalumineux en mélange ave le

gypse. Le se ond obje tif est de omprendre le mé anisme réa tionnel d'hydratation du

linker sulfoalumineux lorsqu'il est mélangé ave des proportions variables de gypse. À

terme, la ompréhension de e mé anisme devrait permettre d'élaborer des solutions

in-dustrielles viables.

Pour yrépondre, lerapportest divisé en inq hapitres.

Lepremier hapitreprésentel'étudebibliographiqueave lesbasesné essairesàla

om-préhensiondusujet.Ainsi,leprin ipedel'é o- on eptionestprésentéave sonappli ation

aux matériaux imentaires. Ce i permet de mettre en avant l'intérêt de l'utilisation du

iment sulfoalumineux. Par la suite, nousprésentons e iment ave sonhistorique et ses

onstituants. Nous revenons ensuite en détails sur son hydratation, an d'établir quelles

sont les onnaissan esa tuellesetlespointsmanquantsouàdévelopper.Enn, nous

résu-mons lesprin ipales appli ationsdes bétons sulfoalumineux.

Le se ond hapitre regroupe les informations utiles à la ompréhension des méthodes

d'essais que nous avons utilisées. Ainsi, nous présentons tout d'abord les matériaux

uti-lisés, à savoir les linkers utilisés durant la thèse ave leurs ara térisations, le gypse, le

sable et les granulats. Les expérien es portant sur des pâtes de iment, des mortiers et

des bétons, les formulations de es matériaux ainsi que les méthodes de malaxage et de

miseenpla esontrenseignées.Leste hniquesde ara térisationemployéessontégalement

dé rites.Pour haque typede ara térisation himique,aprèsune des riptionduprin ipe,

son intérêt dansle as des iments est présenté. Ce hapitre setermine par des tableaux

ré apitulatifsprésentant lesformules étudiéesave leurs ompositions massiques,ainsique

les essaismenés sur esformules.

Comme nous l'avons indiqué pré édemment, ette thèse a deux obje tifs prin ipaux.

Les investigations menéespour atteindre ha un de es obje tifssont présentées

respe ti-vement dansles hapitres 3et4.

Le hapitre3présentelesrésultatsobtenus surla ara térisation ma ros opiquede es

matériaux, à savoirquels sont lesfa teursexogènes inuençant la stabilitédimensionnelle

dessystèmes linkersulfoalumineux-gypse.Pour ela,nouspartons d'unepremièreétude

portant sur des bétons ave des quantités variables d'eau et de gypse. Cette étude a été

lan ée avant lathèse,ave laréalisation deséprouvettes. Puis,durant lathèse,nousavons

suivi l'évolution dimensionnelle de eséprouvettes onservées dansun environnement

hu-mide (humiditérelative supérieureà90%).Àpartir despremiers résultatsquenousavons

obtenus sur esbétons,nousavons iblé plus pré isément lesfour hettes d'ajout de gypse

et d'eau semblant pertinentes pour ette thèse. Les études suivantes, pour des raisons de

logistique, ont été réalisées sur des mortiers, ave dans ertains as des véri ations sur

pâtesde iment.Nousavonsalorsétudiésl'inuen edelaformulationetdes onditionsde

traitement,àsavoirdumilieude onservation etdelamaturité,surlastabilité

l'inuen e surlastabilitéde latempérature etdesal alins.

Après esétudesprésentéesdansla hapitre3quinousontpermisdexerundomaine

de stabilité dimensionnelle de es matériaux ainsi que les onditions né essaires à ette

stabilité, nous nous sommes intéressés aux auses de l'instabilité. Le hapitre 4 reprend

don les résultats obtenus surl'hydratation des mélanges linker sulfoalumineux - gypse.

Dans la première partie, nous présentons une étude sur l'hydratation de es systèmes en

faisantvarierlaquantitédegypse ainsiquelemilieude onservation, esdeuxparamètres

ayant étéidentiés ommeimportantsvis-à-visdelastabilité.Cetteétudemenéeaujeune

âge, entre 4 heures et 14 jours, s'est appuyée sur l'utilisation de plusieurs te hniques de

ara térisation telles que la dira tométrie des rayons X et la résonan e magnétique

nu- léaire.Elle a ainsipermis lesuivi desréa tions d'hydratation ainsi quela propositionde

mé anismesde gonement. La deuxièmepartie de e hapitre est onsa réeà la

onrma-tionde esmé anismes, ave deux étudessur mortiers, uneau jeune âge etune après230

joursde onservation en ondition s ellée.

Ledernier hapitre omplèteles hapitrespré édents,ave ladéterminationde

proprié-tés onstru tivesde essystèmes.Plusieurs ara téristiquesontétédéterminéespourjuger

desutilisationsenvisageables :le omportement rhéologiqueenfon tion delaformulation,

la transition uide-solide, les résistan es en ompression, le omportement de es

maté-riauxen onditionsambiantes.À haque fois,plusieurs paramètres sontétudiéstels quele

rapport net latempérature. Enn, une étude portant sur la orrosion de l'a ier dans es

matériauxest présentée. Suite à es résultats, nousproposons plusieurs appli ations pour

esmélanges linkersulfoalumineux- gypse.

Cemémoiresetermineparles on lusionsillustrantletravailquiaétéréalisé,intégrant

les réponses à haque obje tif que nous avons mises en avant, ainsi que les utilisations

possibles de es matériaux. Enn, nous indiquons des perspe tives qui ouvrent sur les

Bibliographie

Ce hapitre est onsa ré à la bibliographie.

Il reprend les notions d'é o- on eption ainsi que l'appli ation de ette notion aux

ma-tériaux imentaires. La durabilité des bétons qui fait partie intégrante de l'é o- on eption

est abordée. Le iment sulfoalumineux ave son historique, ses onstituants, sa pla e dans

la démar he d'é o- on eption, est présenté. Ainsi, ses avantages dans la diminution des

émissions de dioxyde de arbone et dans la diminution de l'énergie onsommée, relatifs à

la fabri ation du linker, sont misen avant.

Lasuiteabordel'hydratationde esmatériaux.Lesréa tionsd'hydratationsontdé rites

ainsi que le rle des diérents onstituants sur les propriétés, en parti ulier l'ettringite et

lagibbsite.Enn, ettesynthèsebibliographique résume quellessontles prin ipales

proprié-tés des bétons formulés ave du linker sulfoalumineux en s'intéressant notamment à la

Sommaire

1.1 L'é o- on eption . . . 28

1.1.1 Généralités . . . 28

1.1.2 Le imentPortlanddansl'é o- on eption . . . 29

1.1.2.1 Généralitéssurle imentPortland . . . 29

1.1.2.2 Impa tsenvironnementauxasso iésàlafabri ationd'un

imentPortland . . . 31

1.1.3 Réduirel'impa tenvironnementaldesmatériaux imentaires . . 32

1.1.3.1 Réduirel'impa t environnemental du imenten

substi-tuantune partiedu linker . . . 33

1.1.3.2 Réduire l'impa t environnemental du béton en

optimi-sant la on eption des éléments en béton en réduisant

leurtaille . . . 34

1.1.3.3 Con lusion . . . 34

1.1.4 Durabilitédesbétons . . . 35

1.2 Le imentsulfoalumineux . . . 37

1.2.1 Historique. . . 37

1.2.1.1 Re her hes sur les linkers sulfoalumineux produits en

Chine . . . 38

1.2.1.2 Les imentsexpansifs . . . 39

1.2.2 Constituantsdu imentsulfoalumineux . . . 39

1.2.2.1 Le linkersulfoalumineux . . . 39

1.2.2.2 Legypse . . . 41

1.2.2.3 Lesmélanges linkersulfoalumineux-gypse . . . 43

1.2.3 Bilan environnemental du iment sulfoalumineux. Comparaison

ave un imentPortland . . . 44

1.2.3.1 Bilanénergétique . . . 44

1.2.3.2 Émission de

CO

2

. . . 44

1.3 L'hydratation du imentsulfoalumineux . . . 45

1.3.1 Généralitéssurl'hydratationd'unlianthydraulique . . . 45

1.3.2 Réa tionsd'hydratationdesprin ipalesphasesdu linker

sulfoa-lumineux . . . 46

1.3.2.1 Réa tionsd'hydratationdelayeelimite . . . 46

1.3.2.2 Réa tionsd'hydratationdelabélite . . . 48

1.3.3 Leshydratesprin ipaux . . . 48

1.3.3.1 L'ettringite . . . 49

1.3.3.2 Lagibbsite . . . 52

1.3.4 Hydratationdumélange linkersulfoalumineux-gypse . . . 54

1.3.4.1 Mé anismed'hydratation . . . 54

1.3.4.2 Comportement alorimétriquedu imentsulfoalumineux:

évolutiondela haleurd'hydratation . . . 56

1.3.5 Eetdelatempératuresurl'hydratation . . . 57

1.4.1 Variationsvolumiquesd'un imentsulfoalumineux . . . 60

1.4.1.1 Retrait . . . 60

1.4.1.2 Expansion . . . 61

1.4.2 Propriétés mé aniquesdes matériaux àbase de linker

sulfoalu-mineux . . . 64 1.4.3 Durabilité . . . 66 1.4.3.1 Perméabilité . . . 66 1.4.3.2 Atmosphère ri heen

CO

2

. . . 67 1.4.3.3 pH delasolutioninterstitielle . . . 67 1.4.3.4 Corrosion . . . 68 1.4.3.5 Gel . . . 68 1.4.3.6 Con lusion . . . 68 1.4.4 Appli ationsétudiées. . . 68 1.5 Con lusion . . . 71

1.1 L'é o- on eption

1.1.1 Généralités

Dès 1987, la ommission mondiale sur l'environnement et le développement dénit le

on eptdedéveloppementdurable omme:ledéveloppementdurableestundéveloppement

qui répondaux besoinsduprésentsans ompromettre la apa ité des générationsfuturesde

répondre auxleurs.Deux on eptssontinhérentsà ettenotion :le on ept debesoins,et

plus parti ulièrement des besoins essentiels des plus démunis, à qui il onvient d'a order

la plus grande priorité, etl'idée des limitationsque l'état denos te hniqueset denotre

or-ganisationso ialeimpose surla apa ité del'environnementàrépondre auxbesoinsa tuels

et à venir [124 ℄.

Lesdiérentsdomainesd'appli ationdudéveloppementdurablesontl'énergie,le

trans-portetl'industrie.Plusieurs pointssont à mettreen ÷uvredanslese teur industriel:

 limiter lesémissions polluantes;

 travailler surlere y lage de sous-produits;

 proposer dessolutions quiprotègent l'environnement.

L'analysede y ledevie onsisteàmesurerlesressour esné essairespourfabriquerun

produitouundispositifdestinéaubâtimentetàquantierlesimpa tssurl'environnement

de ette fabri ation.

GonzalezM.J.etNavarroJ.G.[69℄sesontintéressésau y ledeviedela onstru tion.

En eet, les trois prin ipaux se teurs de dépense d'énergie dans un pays sont la

onsom-mation pour la maintenan e et la limatisation des bâtiments, le transportet l'industrie.

Le dioxyde de arbone (

CO

2

) émisdansl'atmosphère intervient lors de diérentes phases

du y le de vie de la onstru tion : lors de la produ tion des matériaux et des produits,

lors de la onstru tion du bâtiment lui-même, lors de l'exploitation, lors des rénovations,

lors desréhabilitations quiont lieu au ours dutemps, jusqu'àladémolition nale.

La produ tion des matériaux est l'une des étapes importantes du y le de vie de la

onstru tion. Nousavonsretenu deux ritèresde développementdurable :les émissionsde

CO

2

etla onsommation d'énergie.

Ainsi, la fabri ation du iment représente une part importante des émissions de

CO

2

auniveaumondial. D'aprèsledépartement àl'énergiedesÉtats-Unis(EnergyInformation

Administration), lesémissionsmondialesde

CO

2

pour l'année2006 étaientde29milliards

de tonnes, ave une augmentation de 0,6 milliards de tonnes par an. La produ tion de

iment pour ette même année était de 2,565 milliards de tonnes, d'après le syndi at

françaisdel'industrie imentière.De efait,étantdonnéqu'enmoyenne0,83tonnede

CO

2

sont rejetée par tonne de iment produit (estimation de 2008 de l'agen e internationale

de l'énergie), il est possible d'estimer que les quantités de

CO

2

émises par l'a tivité de

l'industrie imentière orrespondentà7%dutotal mondialdesémissionsde

CO

2

asso iées

à l'a tivité humaine. Les émissions de

CO

2

, lors de ette fabri ation, proviennent des

matériaux etdes ombustibles utilisés. Ces émissions brutessont issues [40℄ pour :

 5%desbiomasses (dont les farines),

 7%des ombustibles desubstitution,

 27%des ombustibles fossiles,

 61%de ladé arbonatation du al aire.

Ledeuxième ritère on ernela onsommationd'énergieliéeàlafabri ationdu iment.

Quelques hires relatifs à l'énergie onsommée en Fran e en 2006 pour la produ tion

du iment et extraits des statistiques du syndi at français de l'industrie imentière sont

indiqués dansleTab.1.1.

Produ tionde iment-Année2006(enmilliersdetonne) 22268

unité TJ

Consommationéle trique (1GWh=3600GJ) 2716 GWh 9778

Consommationde harbon (1t=26GJ) 260 milliersdet 6760

Consommationde okedepétrole (1t=32GJ) 1012 milliersdet 32384

Consommationdefuellourd (1t=40GJ) 29 milliersdet 1160

Consommationdegaz 389

Consommation de ombustibles

desubstitution

24134

Consommationtotale 74605

Consommationpar tonnede

i-mentproduite

3,35GJ/t

Tab. 1.1Statistiques relativesà l'industrie imentière françaisepour l'année2006

D'après es hires,la onsommationd'énergierelativeàlaprodu tiondu iment

repré-sentequasiment5%dela onsommationtotaled'énergiedel'industrie française(1.570.800

TJen 2006)et0,7% de l'énergietotale onsommée en Fran e.

Nostravauxportentsurle linkersulfoalumineux.Pour ara térisersonintérêt

environ-nemental, nous omparonsles quantitésde

CO

2

émises etd'énergie onsommées au ours

de son élaboration ave elles d'un linker Portland. Cette appro he n'est pas omplète

maisdonne desindi ations sur l'impa t relatif de esproduits vis-à-vis duré hauement

limatique.

1.1.2 Le iment Portland dans l'é o- on eption

Le iment leplus ouramment utilisé estle iment Portland.Le matériau à labasede

e iment est le linkerPortland. Les ara téristiques de e dernier sont don présentées.

La omposition de e iment, qui fait l'objet d'une norme, est donnée. Enn son bilan

d'émission dedioxyde de arbone ainsiqueson bilanénergétiquesontdis utés.

1.1.2.1 Généralités sur le iment Portland

Le iment est omposéprin ipalement de linker.Lafabri ationdu linkersefaitselon

un pro édé ontinu qui se divise en inq étapes :l'extra tion des matières premières des

arrières, lapréparationdu ru,la uisson,lebroyage etle onditionnement.

Le linkerleplus utiliséaumondeestle linkerPortland. Celui- iestfabriquéàpartir

d'un mélange d'environ 80% de al aire et de 20% d'argile, haué dans un four jusqu'à

1450C pour permettre la linkérisation.La sili e, pour unkaolin par exemple, représente

environlamoitié de l'argileen pour entage massique. Dansle produit uit, 'est-à-dire le

linker, la haux

CaO

estreprésente entre 64et70%.

Pour simplier les é ritures, la notation qui sera utilisée par la suite est la notation

Notation himique Notation imentaire

CaO

C

Al

2

O

3

A

SiO

2

S

SO

3

S

¯

F e

2

O

3

F

H

2

O

H

Tab.1.2 Convention imentaire

Lesprin ipalesphases omposantle linkerPortland sont

 l'alite:

C

3

S

;

 labélite:

C

2

S

;

 l'aluminate de al ium:

C

3

A

;

 l'aluminoferritetétra al ique (ou ferrite):

C

4

AF

.

Elles sont en quantités diérentes selon le linker utilisé. En eet, il n'existe pas un

linkertypemaisunemultitudede linkers.Le imentPortland estobtenuenbroyant à

une nessedonnéeunmélangede e linkerave dugypseetd'éventuels ajoutstelsquele

al aire etlafumée de sili e (ou mi rosili e). Les iments ourants répondent à lanorme

NFEN 197-1 defévrier 2001 [6℄.Ilssont lassés en inq atégories, voir Tab.1.3.

Notation Clinker Autres Constituants

onstituants se ondaires

CimentPortland CEMI 95-100 0 0-5

CimentPortland CEMII/A 80-94

6 − 20

(1)

0-5

omposé CEMII/B 65-79

21 − 35

(1)

0-5

Ciment dehaut CEMIII/A 35-64

36 − 65

(2)

0-5

fourneau CEMIII/B 20-34

66 − 80

(2)

0-5

CEM III/C 5-19

81 − 95

(2)

0-5

Ciment CEM IV/A 65-89

11 − 35

(3)

0-5

pouzzolanique CEMIV/B 45-64

36 − 55

(3)

0-5

Ciment omposé CEMV/A 40-64

18 − 30

(4)

0-5

18 − 30

(5)

CEMV/B 20-38

31 − 50

(4)

0-5

31 − 50

(5)

(1)Lesautres onstituantssont:lelaitierdehautfourneau,lespouzzolanesnaturelles,les endresvolantes

sili euses,les endresvolantes al iques,less histes al inés,le al aireetenproportionlimitéeà10%les

fuméesdesili e.

(2)Lesautres onstituants orrespondentaulaitierdehautfourneau.

(3)Lesautres onstituants orrespondentauxpouzzolanesnaturelles,aux endresvolantesetenproportion

limitéeà10%auxfuméesdesili e.

(4)Lesautres onstituants orrespondentaulaitierdehautfourneau.

(5)Lesautres onstituants orrespondentauxpouzzolanesnaturellesetaux endresvolantessili euses.

1.1.2.2 Impa ts environnementauxasso iés à la fabri ationd'un iment

Port-land

Les deux ritères que nous avons retenus pour déterminer les impa ts

environnemen-tauxasso iés àlafabri ation du iment Portland sont la onsommationénergétiqueet les

émissions de

CO

2

.

Bilan énergétique asso ié à la fabri ationd'un iment Portland

La onsommation énergétiqueliée à lafabri ation du linkerest très variable selon la

apa ité des lignes de produ tion, l'âge de es lignes et le type de pro édé. Une enquête

[78℄ réalisée par l'Institut de l'Energie et de l'Environnement de la Fran ophonie, basé à

Québe , sur un é hantillon d'environ 150 usines, montreque la onsommation alorique

est omprise entre3000 et8000 kJ/kgde linker.La onsommationéle trique estquantà

elle ompriseentre70 et160kWh/tonne de iment etestprin ipalement liéeauxbroyages

desmatièrespremièresetdu linker.

Émissions de

CO

2

asso iées à la fabri ation d'un iment Portland

Lesémissions de

CO

2

lors delafabri ation du iment proviennent à 61%desmatières

premièresetà 39%des ombustibles [40℄.

Matières premières

Les quantités de

CO

2

émises par les prin ipaux onstituants du linker Portland du

faitde ladé arbonatation sontindiquées dansleTab.1.4 et issuesde [13℄.

CO

2

émis

Composé Réa tion deformation pour 1tonne

du omposé

fabriqué

Alite

3CaCO

3

+ SiO

2

→ Ca

3

SiO

5

+ 3CO

2

579kg

Bélite

2CaCO

3

+ SiO

2

→ Ca

2

SiO

4

+ 2CO

2

511 kg

Célite

3CaCO

3

+ Al

2

O

3

→ (CaO)

3

Al

2

O

3

+ 3CO

2

489kg

Ferrite

4CaCO

3

+ F e

2

O

3

+ Al

2

O

3

→

362kg

(CaO)

4

Al

2

O

3

F e

2

O

3

+ 4CO

2

Tab. 1.4  Quantités de

CO

2

émises lors de la formation des onstituants du linker

Portland, horsfon tionnement de l'usine

À partir de es données, Alaoui et al. [13℄ ont déterminé la quantité de

CO

2

qui est

émise lors de lafabri ation d'un linkerPortland omposé à20% de

C

2

S

,à 60%de

C

3

S

,

à 10% de

C

3

A

et à 10% de

C

4

AF

. Ainsi, pour produire une tonne de linker, 535 kg de

CO

2

sont émispar dé arbonatation.

Combustibles

La quantité de

CO

2

émise par les ombustibles fossiles utilisés dansle pro édé de

la uissonpar voie sè he et la uisson par voie humide [62 ℄. La uissonpar voie sè he est

réalisée dans un four rotatif onstitué essentiellement d'un tube ylindrique. Une amme

deplusieursdizainesdemètresdelongueurestobtenueeninje tantlessubstan es

ombus-tiblesdansletube.Le ru ir ulealors ensensinversedelaammedansletube,montant

progressivement en température. Cette ir ulation estrenduepossible parl'in linaison du

tube quiestde 3à 4%.Lesé hanges de haleur entrele ruetl'air haud permettent une

e a ité énergétique. La uisson par voie humide onsiste à réaliser une pâte onstituée

d'eau et des matières premières du linker. Celle- i est ensuite introduite dans des fours

rotatifs de grande longueur. Comme pour la voie sè he, les fours sont in linés de 3 à 4%

etlapâte ir uleen sensinversede laamme, permettant sa uissonprogressive. Ce

pro- édé permet d'utiliser des dé hets plus diversiés qu'en voie sè he, omme les boues de

sédiments.Cependant,sa onsommationénergétiqueestélevée,l'eaudevantêtreévaporée.

Les émissions de

CO

2

liées aux ombustibles ainsi que la onsommation d'énergie

peuvent êtreréduites deplusieurs manières[63 ℄ :

 Améliorer l'isolationdesfours.

 Réduire lestemps etles températures de linkérisation.

 Réduirelefa teurdelasaturationen hauxdufour.Ce iestréalisableenfabriquant

du linkerave desquantitésd'alite plus faiblesetde béliteplus importantes.

Lesénergies alternatives sesont développées, permettant leur utilisation lors de la

fa-bri ationdu linker.Ainsi, ertaines imenteriesfon tionnent enpartieave del'éle tri ité

issuede l'énergiethermique etdel'éolien.

Desinvestissementsontétéréalisésauniveaueuropéen pouraméliorerlerendement de

ombustion desfours[48 ℄. La ommission européenneestime don queseulement 2,2% de

diminution desémissions de

CO

2

issues de la ombustion peuvent en oreêtre obtenus.

Con lusion

Une quantité importante de dioxyde de arbone est rejetée dans l'atmosphère lors de

la fabri ation du linker. De plus, elui- i né essite beau oup d'énergie pour sa

linkéri-sation, du fait de la température élevée né essaire pour que les réa tions aient lieu. Des

améliorationsont étéréaliséesau niveau européen surles émissionsdedioxyde de arbone

provenant des ombustibles. Les eorts se portent don maintenant sur lafabri ation du

iment.Eneet,leproto oledeKyotoquiaétératié parplusde150paysetestentréen

vigueuren2005viseàlutter ontrele hangement limatiqueenréduisantlesémissionsde

gaz arbonique.Lesdiérentspaysl'ayantsigné,dontlaFran e,sesontengagésàdiminuer

d'i ià 2012 les émissionsde

CO

2

de 5,5%par rapport auxémissionsde 1990.

1.1.3 Réduire l'impa t environnemental des matériaux imentaires

Lesmatériaux imentaires ont unimpa t environnemental important ave un

dégage-mentimportant de

CO

2

etune onsommationélevée d'énergie.

Deuxstratégiesenvironnementalesprésentent unintérêt enFran epour diminuer

l'im-pa t environnemental de es matériaux, ompte tenu des installations [75 ℄. La première

onsiste à substituerune partie du linkerPortland par des additions minérales,

permet-tant la rédu tion du oût environnemental. La deuxième onsiste à réduire le volume de

1.1.3.1 Réduirel'impa tenvironnementaldu imentensubstituantunepartie

du linker

Une des stratégies a tuellement explorées, omme indiquée pré édemment, onsiste

à substituer une partie du linker par des additions minérales [75℄. L'utilisation de es

additionsdansle bétonfait l'objetd'un adrenormatif.

Eneet,lanormeNFEN197-1[6℄en adre l'utilisationdes endresvolantesissuesdes

entrales thermiques au harbon, des laitiers de haut fourneau issus de l'industrie du fer

et de l'a ier, des pouzzolanes naturelles, des llers al aires et de la fumée de sili e. La

proportion de es additions pouvant être substituée au linker Portland est don dénie

(Tab. 1.3). L'étude de es additions avait été réalisée avant leur normalisation, pour des

raisonsé onomiquesplus qu'environnementales. Ellessont utiliséesdansdes asdiérents

enfon tion de leurs propriétés physiquesou deleurs propriétés ou natures himiques [75℄.

Elles peuvent aussiavoir une fon tion de harge, en remplissant par exemple laporosité.

Ces additions ont ependant desin onvénients. En eet, elles sont soumises aux

u tua-tions é onomiques [42 ℄. Par exemple, l'arrêt des a iéries en période de rise diminue la

disponibilitédeslaitiersdehaut fourneau.Deplus,pour lafuméedesili e,sadisponibilité

diminue,augmentantson oûtdéjàimportant.Demême,les endresvolantessontdemoins

enmoinsutiliséesenFran edufaitdelafermetureprogressivedes entralesthermiquesau

harbon [42 ℄.Malgrétout, esadditions ontinuent defairel'objetd'études ommel'étude

de Habert et al. [74 ℄ sur l'eet des minéraux se ondaires des pouzzolanes naturelles sur

leur a tivitépouzzolaniqueetles études de Mounanga et al. sur l'a tivation thermique et

le omportement au jeune âge de liants omposésà forte ettrès forte teneurs en addition

minérale [96 , 97 ℄.

D'autres additions sont à l'étude, à des stadesplus ou moins avan és. Ainsi, le

méta-kaolin a fait l'objet de nombreux travaux [18, 32 , 42℄. La normalisation de e produit en

Fran e est à l'étude. Dans d'autres pays, aux États-Unis notamment [21, 20 ℄, e produit

estdéjà utilisé pourformulerdes bétons.Il provient dela al ination delakaolinite entre

600et800C.Cetteadditionrejettemoinsde

CO

2

dansl'atmosphèrequelaprodu tionde

iment.Une tonnede métakaolin produite rejette175

kg

de

CO

2

[42℄.D'aprèsAndriolo et

al. [17 ℄, elle présenteégalement un intérêt vis-à-vis de saréa tivité pouzzolanique qui est

supérieureà elledes endresvolantes, delafuméedesili eetdeslaitiersdehautfourneau.

Elleamèneégalement uneamélioration desrésistan es.Pour unesubstitutionde15%,une

augmentationde27%estobservéeaprès7joursd'hydratation[83℄.Cependant,laréa tivité

pouzzolanique de ette addition est longue, ses eets n'étant visibles qu'après un temps

longd'hydratation [42℄.Lesmatériauxfabriquésave dumétakaolinné essitentdon selon

Cassagnabère et al. [42 ℄ une ure à température élevée pour a tiver la pouzzolani ité et

ainsiaugmenter les performan es mé aniquesau jeune âge.

Desétudesmenéesdepuisquelquesannéesportentsurl'utilisation deliantsalternatifs.

Parmi eux- i se trouve le linker bélitique. Celui- i est à l'origine des iments du même

nom,ilaétéétudiépour sonintérêt environnemental, permettantlarédu tiondel'énergie

dueàla linkérisation[106 ℄.Ilaégalementétéétudiépourlesto kagedesdé hetsradioa tifs

notamment par Guerrero et al. [71 , 72℄. Un autre liant alternatif étudié depuis quelques

années est la fritte de verre, obtenue par une omposition de verre portée à fusion et

trempée dansun baind'eau froide an de laréduire en granulés.Ce liant est utilisé dans

lesbétonsàhautesperforman es, ommepeuvent l'êtreles endresvolantes, lesfuméesde

1.1.3.2 Réduire l'impa t environnemental du béton en optimisant la

on ep-tion des éléments en béton en réduisant leur taille

La deuxième stratégie environnementale onsiste à augmenter larésistan emé anique

d'unbéton, equirevientàaugmentersesémissionsde

CO

2

/m

3

debétonproduit.

Cepen-dant,pour ertains éléments enbéton, ilest possible de diminuer laquantité de béton en

augmentantlespropriétés mé aniquesde edernier.Ce hoixpeut onduireàune

diminu-tion des quantités de

CO

2

émises pour une même unité fon tionelle. Trois études menées

sur ettestratégie sont présentées.

La première étude est elle de Bouhaya et al. [34℄. Les auteurs se sont intéressés à la

rédu tiondesvolumesdebétonutilisésenréalisantunpontmixtebois-bétonave unbéton

ultra hauteperforman e. Ils ont établil'analyse de y le de vie de e pont. Deux aspe ts

ont été étudiés : la onsommation d'énergie et l'émission de

CO

2

. Ils ont montré que la

partielaplusimportantedel'énergieest onsomméedurantlaphasedeprodu tion(73,4%

de la quantité totale). Le bois qui est utilisé dans e pont a un impa t environnemental

positif.Deplus,enre y lantleboisàlandelaviedupont,larédu tiondesémissionsde

CO

2

est en oreplus importante etéviteune dépensed'énergie importantepour lebrûler.

La rédu tion du volume de béton en réalisant un ouvrage mixte présentedon un intérêt

environnemental évident.

Ladeuxièmeétudeest elledeHabertetal.[75 ℄.Lesauteurs ont étudié ettestratégie

en l'appliquant à des exemples d'utilisation du béton, an d'estimer s'il était préférable

d'utiliser moins de béton mais du béton ave une résistan e plus importante. Pour ela

ils ont pris trois éléments omme exemples : un élément horizontal qui se supporte tout

seul, un élément horizontal qui supporte une harge et un élément verti al qui supporte

une harge. Ainsi, ils ont montré que doubler larésistan e en ompression, en faisant les

hangementsstru turauxadéquats,permetdediminuerlesémissionsde

CO

2

jusqu'à30%.

Enn, la troisième étude est elle de Belhak et al. [26 ℄. Cette étude d'optimisation a

été menée surdes ponts. L'obje tif de leur étudea étéd'optimiser lastru ture d'unpont

en prenant en ompte l'aspe tstru turel etl'aspe t environnemental, par la méthode des

algorithmesgénétiques.Par etteméthodeetentenant omptedu ahierdes hargesétabli

pour le pont en question, un ompromis peut être trouvé entre l'obtention despropriétés

désirées (résistan e) etlerespe tde l'environnement (impa ts énergétiqueet limatique).

Lerésultatde etteétudemontrequ'ilestpréférabled'utiliserunbétonde lasse120

M P a

pour réaliserunpont mixte bois-béton.

Ces troisétudes montrent l'intérêt de ette stratégie dansla diminution desémissions

de

CO

2

etdela onsommationd'énergie.

1.1.3.3 Con lusion

Les rédu tions d'émissions de

CO

2

par l'utilisation des additions minérales et par la

diminution desvolumes de béton utilisés restent toutefois limitées. Par es stratégies, les

émissions de

CO

2

enFran epeuvent êtrediminuées d'environ40% [75℄.Cependant, ette

rédu tionreste éloignéedel'obje tifxéparleplanfrançaisd'a tionsurle limatquivise

une rédu tiondesémissions par 4 d'i i2050.Ce fa teur4 estun on ept quipré onise de

multiplier pardeuxlebien-êtreen divisant par deuxl'utilisation desressour esnaturelles.

Pourque etobje tifsoitatteint,unerupturete hnologiqueave le linkerPortland a tuel

seradon né essaire. Celle- ipourra onsisteràutiliserde nouveaux linkersémettant une

faible quantité de

CO

2

.