Évaluation du comportement en durabilité de nouvelles matrices cimentaires pour l'obtention de bétons respectueux de l'environnement

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Évaluation du comportement en durabilité de nouvelles

matrices cimentaires pour l'obtention de bétons

respectueux de l'environnement

Mémoire

Charles Lafrenière

Maîtrise interuniversitaire en sciences de la Terre

Maître ès sciences (M.Sc.)

Québec, Canada

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Évaluation du comportement en durabilité de nouvelles

matrices cimentaires pour l’obtention de bétons

respectueux de l’environnement

Mémoire

Charles Lafrenière

Sous la direction de :

Benoît Fournier, Directeur de recherche

Josée Duchesne, Codirectrice de recherche

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Résumé

Le béton figure parmi les matériaux de construction les plus polluants compte tenu du grand volume utilisé chaque année. La production du ciment portland, l'ingrédient clé du béton, est très énergivore et le procédé de décarbonatation génère de grandes quantités de CO2. L'industrie du ciment est responsable

d'environ 5 à 7% des émissions mondiales de gaz à effet de serre. Dans ce contexte, la recherche de nouveaux liants pour la fabrication de bétons verts et durables est un domaine en constante expansion. L'objectif est de développer et proposer des alternatives à l'industrie. Les ciments composés (ciment + ajouts cimentaires alternatifs) et les liants de nouvelle génération appelés "géopolymères" représentent deux alternatives intéressantes. Toutefois, il est important d'évaluer leur comportement en durabilité pour que ces matériaux soient acceptés. Ce projet de recherche s'intéresse donc à l'évaluation du comportement en durabilité de ces deux alternatives.

La performance en durabilité de la poudre de verre mixte (PV) et d'une cendre volante de biomasse (CVK) contre l'alcali-réaction (RAG) a ainsi été évaluée par l'entremise d'essais d'expansion sur mortier (CSA A23.2-25A) et sur béton (CSA A23.2-14A) pour des niveaux de remplacement du ciment portland de 20% et 30%. Les résultats obtenus à ce jour montrent qu'à 20% et 30% de remplacement du ciment, ces deux ajouts cimentaires alternatifs ne rencontrent pas les exigences normatives à ce qui a trait à leur utilisation comme mesure préventive appropriée contre la RAG.

La performance des géopolymères a également été évaluée dans le but de se familiariser avec les différents paramètres de synthèse, mais aussi afin de déterminer la viabilité de ces systèmes en durabilité, plus précisément contre la RAG. Les résultats sur mortier et sur béton démontrent que la nature du matériau "source", la température et la durée de cure, le temps de malaxage, la nature et la concentration de la solution d'activation, ainsi que la présence d'humidité sont les paramètres qui ont le plus d'influence sur le développement des résistances mécaniques des géopolymères. Les résultats d'essai

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d’expansion face à l’alcali-réaction sont très variables et aucune tendance n'a été observée sur mortier, tandis que les résultats sur béton montrent une expansion excessive à long terme.

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Table des matières

RÉSUMÉ ... III TABLE DES MATIÈRES ... V LISTE DES FIGURES ... VIII LISTE DES TABLEAUX ... XV REMERCIEMENTS ... XVII

1. INTRODUCTION ... 1

1.1 MISE EN CONTEXTE ET PROBLÉMATIQUE ... 1

1.2 DÉFINITION DES OBJECTIFS DU PROJET ... 6

1.2.1 Volet 1 - Ajouts cimentaires alternatifs ... 8

1.2.2 Volet 2 - Géopolymères ... 8

1.3 PLAN DU DOCUMENT ... 9

2. REVUE DE LITTÉRATURE ... 10

2.1 GÉNÉRALITÉS ... 10

2.1.1 Réaction alcalis-granulat (RAG) ... 10

2.1.2 Réaction alcalis-silice (RAS) ... 11

2.1.2.1 Mécanisme réactionnel de la RAS ... 11

2.1.2.2 Conditions essentielles à la RAS ... 14

2.1.2.3 Mesures préventives contre la RAS ... 17

2.2 VOLET 1 – AJOUTS CIMENTAIRES ALTERNATIFS ... 19

2.2.1 Hydratation du ciment et des ajouts cimentaires ... 19

2.2.2 Cendres volantes de biomasse ... 21

2.2.2.1 Mode de combustion ... 22

2.2.2.2 Source du combustible ... 24

2.2.2.3 Propriétés physico-chimiques ... 25

2.2.2.4 Utilisation dans les systèmes cimentaires ... 27

2.2.2.5 Performance contre la réaction alcalis-silice ... 29

2.2.3 Poudre de verre ... 34

2.2.3.1 Composition chimique et minéralogique ... 35

2.2.3.2 Utilisation dans les systèmes cimentaires ... 35

2.2.3.3 Performance contre la réaction alcalis-silice ... 37

2.3 VOLET 2 - GÉOPOLYMÈRES ... 40

2.3.1 Définition ... 40

2.3.2 Réaction de géopolymérisation ... 41

2.3.3 Paramètres déterminants sur les propriétés mécaniques ... 43

2.3.3.1 Matériau source ... 43

2.3.3.2 Solution d'activation (activateur) ... 44

2.3.3.3 Conditions d'activation (température, durée et humidité relative) ... 49

2.3.4 Performance face à la réaction alcalis-silice (RAS) ... 54

2.4 SYNTHÈSE BIBLIOGRAPHIQUE ... 59

2.4.1 Ajouts cimentaires alternatifs ... 59

2.4.2 Géopolymères ... 60

3. MATÉRIAUX ET MÉTHODOLOGIE ... 62

3.1.1 Matériaux ... 62

3.1.1.1 Ciment et ajouts cimentaires ... 62

3.1.1.2 Granulats fins et grossiers ... 64

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3.1.2.1 Essai accéléré sur barres de mortier (CSA A23.2-25A-2014) ... 65

3.1.2.2 Essai d'expansion sur prismes de béton (CSA A23.2-14A-2014) ... 67

3.2.1 Matériaux ... 71

3.2.1.1 Solution alcaline (activateur) ... 72

3.2.1.2 Granulats fins et grossiers ... 73

3.2.2 Programme expérimental ... 74

3.2.2.1 Phase 1 - Optimisation sur cubes de mortier ... 75

3.2.2.2 Phase 2 - Optimisation sur éprouvettes de béton ... 78

3.2.2.3 Phase 3 - Durabilité des géopolymères face à l'alcali-réaction ... 85

3.2.2.4 Phase 4 - Microstructure des géopolymères ... 89

4. PRÉSENTATION DES RÉSULTATS ... 91

4.1.1 Poudre de verre (PV) ... 91

4.1.1.1 Granulat Ba ... 91

4.1.1.2 Granulat Su (Sudbury) ... 94

4.1.1.3 Granulat Sp (Spratt) ... 98

4.1.1.4 Résistance en compression ... 101

4.1.2 Cendre volante de biomasse (CVK) ... 102

4.1.2.1 Granulat Ba ... 102

4.1.2.2 Granulat Su (Sudbury) ... 105

4.1.2.3 Granulat Sp (Spratt) ... 108

4.1.2.4 Résistance en compression ... 111

4.2 VOLET 2 – GÉOPOLYMÈRES ... 113

4.2.1 Phase 1 - Optimisation sur cubes de mortier ... 113

4.2.1.1 Effet de la concentration de la solution alcaline (activateur) ... 113

4.2.1.2 Effet du temps de malaxage ... 117

4.2.1.3 Effet de la durée et de la température de la cure thermique ... 118

4.2.2 Phase 2 - Optimisation sur éprouvettes de béton ... 122

4.2.2.1 Laitier de haut fourneau (L2) ... 122

4.2.2.2 Cendres volantes (CVS et CVB) ... 125

4.2.3 Phase 3 - Durabilité des géopolymères face à l'alcali-réaction ... 128

4.2.3.1 Essai d'expansion sur barres de mortier (CSA A23.2-25A modifié) ... 128

4.2.3.2 Essai d'expansion sur prismes de béton (CSA A23.2-14A modifié) ... 132

4.2.4 Phase 4 - Microstructure des géopolymères ... 134

5. DISCUSSION ... 143

5.1.1 Poudre de verre (PV) ... 143

5.1.2 Cendre volante de biomasse (CVK) ... 147

5.2.1 Phase 1 - Optimisation sur cubes de mortier ... 150

5.2.1.1 Nature du matériau «source» ... 150

5.2.1.2 Effet de la concentration de la solution alcaline (activateur) ... 151

5.2.1.3 Effet de la durée et température de la cure ... 152

5.2.2 Phase 2 - Optimisation sur éprouvettes de béton ... 154

5.2.3 Phase 3 - Durabilité des géopolymères face à l'alcali-réaction ... 156

5.2.4 Phase 4 - Microstructure des géopolymères ... 159

6. CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS ... 162

6.1 CONCLUSIONS ... 162

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RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ... 170

ANNEXES ... 185

ANNEXE A - Spectres de diffraction des rayons-X (DRX) ... 186

ANNEXE B - Séquence de malaxage (essais sur mortiers et bétons) ... 199

ANNEXE C - Calculs visant la préparation des solutions d'activation ... 202

ANNEXE D - Valeurs d'étalement et d'expansion sur mortier (Volet 1 - ACA) ... 204

ANNEXE E - Propriétés physiques et valeurs d'expansion sur béton (Volet 1 - ACA) ... 209

ANNEXE F - Valeurs d'étalement et de résistance en compression sur mortier ... 215

(Volet 2 - Géopolymères) ... 215

ANNEXE G - Résistance en compression sur éprouvettes de béton ... 217

(Volet 2 - Géopolymères) ... 217

ANNEXE H - Valeurs d'expansion sur mortier et béton (Volet 2 - Géopolymères) ... 219

ANNEXE I - Détermination du facteur d'espacement ASTM C457 (Volet 2 - Géopolymères) ... 222

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Liste des figures

Figure 1.1: Expansion à 2 ans d'éprouvettes de béton incorporant un granulat réactif (Calcaire Spratt) et 25% de cendres volantes de différentes teneurs en CaO et Na2Oeq (Thomas 2011). ... 3 Figure 1.2: Modèle descriptif de la réaction de géopolymérisation (Shi et al. 2011) ... 5 Figure 1.3: Plan expérimental du projet de maîtrise ... 7 Figure 2.1: Mécanisme chimique de la RAS (Glasser 1992) (granulat siliceux à gauche et pâte de

ciment à droite). ... 12 Figure 2.2: Intensité de la RAS en fonction de l'humidité relative (Poole 1992). ... 17 Figure 2.3: Expansion à 2 ans d’éprouvettes de béton incorporant un granulat réactif (calcaire

Spratt), et ce en fonction du niveau de remplacement du ciment par des ajouts

cimentaires (Thomas 2011). ... 18 Figure 2.4: Schématisation de l'hydratation du ciment portland ... 20 Figure 2.5: Combustion sur lit fluidisé (adapté de Miller & Tillman (2008)). ... 22 Figure 2.6: Composition chimique des cendres volantes de biomasse (Adapté de Robi 2011). .. 27 Figure 2.7: Expansion (%) en fonction du temps (jours) (Esteves et al. 2012). Le granulat utilisé

est un sable fin réactif d'origine quartzitique. Deux cendres volantes de biomasse (BFA1 et BFA2) ont été utilisées à 20% et 30% de remplacement du ciment. Des mélanges incorporant 10% de métakaolin avec 20% de CV ont également été

effectués (20BFA1 + 10MK et 20BFA2 + 10MK). ... 31 Figure 2.8 : Expansion (%) à 28 jours en fonction du rapport Ca/Si à l'essai accéléré d'expansion

sur barres de mortier (Esteves et al. 2012). ... 32 Figure 2.9: Expansion (%) à 14 et 28 jours pour différents mélanges de mortier contenant une

cendre volante de biomasse (avec ou sans métakaolin) (Esteves et al. 2012). Le granulat utilisé est un sable fin réactif d'origine quartzitique. Deux cendres volantes de biomasse (BFA1 et BFA2) ont été utilisées à 20% et 30% de remplacement du ciment. Des mélanges incorporant 10% de métakaolin avec 20% de CV ont également été effectués (20BFA1 + 10MK et 20BFA2 + 10MK). ... 33 Figure 2.10: Mode de récupération du verre en fonction de sa couleur (Adapté de Tagnit-Hamou

& Tognonvi 2013) ... 34 Figure 2.11: Réaction de géopolymérisation (Shi et al. 2011). ... 43 Figure 2.12: Résistance en compression mesurée sur cubes de mortier (ASTM C109) en

fonction de la molarité de la solution d’activation (NaOH) (Ryu et al. 2013). Activation alcaline d’une cendre volante avec une solution de NaOH et Na2SiO3 dont le rapport massique est de 1:1. La concentration du NaOH prend les valeurs de 6M (courbe noir), 9M (courbe bleu) et 12M (courbe rouge). Les échantillons sont demeurés dans leurs moules durant la cure de 24 heures à 60oC suivit de 24 heures à 23oC ± 2oC et 50% d’humidité relative (température ambiante). Suite à la cure, les échantillons ont été enveloppés d’une pellicule de plastique jusqu’à échéance. ... 45 Figure 2.13: Résistance en compression obtenue sur béton en fonction de la concentration de la

solution d’activation de NaOH (Joseph & Mathew 2012). ... 46 Figure 2.14: Résistance en compression mesurée sur cubes de mortier, et ce en fonction du

matériau source, de la molarité du NaOH et du rapport solution:liant. a) Cendres volantes b) Laitiers de haut fourneau (Ravikumar & al. 2010). Les échantillons ont été démoulés 24 heures après leur confection. Ils ont ensuite suivit une cure de 48

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Figure 2.15: Résistance en compression de courbes de mortier en fonction du rapport

NaOH:Na2SiO3 de la solution d’activation (Ryu et al. 2013) : 100% de NaOH (courbe bleu claire), 100% de Na2SiO3 (courbe noir). Rapport massique NaOH:Na2SiO3 égal à 0,33 (courbe bleu), 1 (courbe rouge) et 3 (courbe mauve). Les échantillons sont demeurés dans leur moule durant la cure de 24 heures à 60oC suivie de 24 heures à 23oC ± 2oC et 50% d’humidité relative (température ambiante). Suite à la cure, les échantillons ont été enveloppés d’une pellicule de plastique jusqu’à échéance. ... 48 Figure 2.16: Résistance en compression sur béton à 7 jours en fonction de la température de

cure (Joseph & Mathew 2012). La durée de la cure est de 24 heures. ... 50 Figure 2.17: Résistance en compression sur béton à 7 jours en fonction de la durée de la cure

(Joseph & Mathew 2012). ... 51 Figure 2.18: Résistance en compression à 14 jours en fonction de la durée de la cure (Oh et al.

2010). La courbe Slag_N représente l’activation d’un laitier de haut fourneau avec du NaOH. La courbe FAC_NW représente l’activation d’une cendre volante de classe C avec une solution NaOH/Na2SiO3. La courbe FAF_N représente l’activation d’une cendre volante de classe F avec du NaOH. La courbe FAC_N représente l’activation d’une cendre volante de classe C avec du NaOH. ... 52 Figure 2.19: Effet du type de cure sur la résistance en compression (Kovalchuk & al. 2007)

(essais réalisés sur cubes de mortier). Cure à l’air libre (DC). Cure dans une chambre à vapeur et température contrôlée (SC). Cure dans un sac hermétique (CCM). ... 54 Figure 2.20: Expansion de barres de mortier à l'essai ASTM C1260. a) OPC1 et FA1 (100%

granulat modérément réactif); b) OPC2 (100% granulat réactif); c) OPC3 et FA3 (90% granulat modérément réactif + 10% granulat réactif). Images des barres de mortiers d) OPC1 à 90 jours; e) FA1 à 90 jours; f) OPC 3 à 56 jours (Garcia-Lodeiro et al. 2007). Les échantillons (respectivement dans leurs moules) ont été mis dans une étuve à 85oC pour 20 heures. Ils ont été démoulés suite à cette cure. ... 56 Figure 2.21: Expansion à l'essai ASTM C1260 (Fernandez-Jimenez et al. 2007). Granulat: grès

arkosique. La courbe OPC représente le mélange 100% ciment. La courbe AAFAN représente l’activation alcaline d’une cendre volante de classe F avec du NaOH 8M. La courbe AAFAW représente l’activation de la même cendre volante de classe F avec une solution 85% NaOH 8M et 15% Na2SiO3. La température et la période de cure utilisée correspond à 20 heures dans une étuve à 85oC. ... 57 Figure 2.22: Expansion en fonction du temps (jours) à l'essai sur prismes de béton (ASTM

C1293) a) Bétons de géopolymères, b) Bétons de ciment portland (Bakharev & al. 2001). ... 59 Figure 3.1: A) Mesure d’expansion longitudinale à l'aide d'un comparateur de longueur; B)

Contenants entreposés dans l'étuve à 80oC. ... 67 Figure 3.2: A) Montage utilisé pour l'entreposage des prismes de béton; B) Prise de mesure à

l'aide de comparateurs de longueur. ... 70 Figure 3.3: A) Malaxage du mortier; B) Moulage des cubes de mortier. ... 76 Figure 3.4: Montage utilisé lors des conditions d'activation B et C (i.e. cure humide à l'étuve). ... 77 Figure 3.5: Résistance à la compression à 3, 7 et 28 jours. ... 78 Figure 3.6: Échantillons de bétons de géopolymères à base de : A) Cendre volante CVB; B)

Laitier de haut fourneau L2. ... 79 Figure 3.7: Essai d'affaissement des bétons de géopolymères. A) Cendre volante CVB; B) Laitier

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Figure 3.8: Montages utilisés lors de l'activation des éprouvettes de béton à l'étuve. A) Condition A : éprouvette laissée à l’air libre. B) Condition C : éprouvettes dans leur moule placées dans un sac hermétique. C) Condition D : éprouvette démoulée et conservée dans un contenant hermétique en présence d’une source d’humidité. ... 83 Figure 3.9: Montage utilisé lors de l'activation à l'étuve des éprouvettes de béton A) cylindres; B)

prismes. ... 89 Figure 4.1: Expansion (%) en fonction du Temps (jours). Essai accéléré sur barres de mortier

(CSA A23.2-25A/28A). Granulat Ba. Poudre de verre (PV), cendre volante à haute teneur en alcalis (CVN), silice amorphe pulvérisée (FS) et cendre volante de type F (CVM) en remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque courbe représente la moyenne obtenue sur 3 barres. ... 92 Figure 4.2: Expansion (%) à 14 et 28 jours. Essai accéléré sur barres de mortier (CSA

A23.2-25A/28A. Granulat Ba. Poudre de verre (PV), cendre volante à haute teneur en alcalis (CVN), silice amorphe pulvérisée (FS) et cendre volante de type F (CVM) en

remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque résultat représente la moyenne obtenue sur 3 barres. ... 93 Figure 4.3: Expansion (%) en fonction du Temps (semaines). Essai sur prismes de béton (CSA

A23.2-14A/28A). Granulat Ba. Poudre de verre (PV), cendre volante à haute teneur en alcalis (CVN), silice amorphe pulvérisée (FS) et cendre volante de type F (CVM) en remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque courbe représente la moyenne obtenue sur 3 prismes. ... 94 Figure 4.4: Expansion (%) en fonction du Temps (jours). Essai accéléré sur barres de mortier

(CSA A23.2-25A/28A). Granulat Su. Poudre de verre (PV), cendre volante à haute teneur en alcalis (CVN), silice amorphe pulvérisée (FS) et cendre volante

« conventionnelle » de type F (CVM) en remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque courbe représente la moyenne obtenue sur 3 barres. ... 95 Figure 4.5: Expansion (%) à 14 et 28 jours. Essai accéléré sur barres de mortier (CSA

A23.2-25A/28A). Granulat Su. Poudre de verre (PV), cendre volante à haute teneur en alcalis (CVN), silice amorphe pulvérisée (FS) et cendre volante « conventionnelle » de type F (CVM) en remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque résultat représente la moyenne obtenue sur 3 barres. ... 96 Figure 4.6: Expansion (%) en fonction du Temps (semaines). Essai sur prismes de béton (CSA

A23.2-14A/28A). Granulat Su. Poudre de verre (PV), cendre volante à haute teneur en alcalis (CVN), silice amorphe pulvérisée (FS) et cendre volante « conventionnelle » de type F (CVM) en remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque courbe

représente la moyenne obtenue sur 3 prismes. ... 97 Figure 4.7: Expansion (%) en fonction du Temps (jours). Essai accéléré sur barres de mortier

(CSA A23.2-25A/28A). Granulat Sp. Poudre de verre (PV), cendre volante à haute teneur en alcalis (CVN), silice amorphe pulvérisée (FS) et cendre volante

« conventionnelle » de type F (CVM) en remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque courbe représente la moyenne obtenue sur 3 barres. ... 99 Figure 4.8: Expansion (%) à 14 et 28 jours. Essai accéléré sur barres de mortier (CSA

A23.2-25A/28A). Granulat Sp. Poudre de verre (PV), cendre volante à haute teneur en alcalis (CVN), silice amorphe pulvérisée (FS) et cendre volante « conventionnelle » de type F (CVM) en remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque résultat représente la moyenne obtenue sur 3 barres. ... 100 Figure 4.9: Expansion (%) en fonction du Temps (semaines). Essai sur prismes de béton.

Granulat Sp. Poudre de verre (PV), cendre volante à haute teneur en alcalis (CVN), silice amorphe pulvérisée (FS) et cendre volante de type F (CVM) en remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque courbe représente la moyenne obtenue sur 3

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Figure 4.10: Valeurs de résistance en compression à 28 jours obtenues pour les mélanges de béton (type CSA A23.2-14A/28A). Granulats Ba, Su et Sp. Poudre de verre (PV), cendre volante à haute teneur en alcalis (CVN) et silice amorphe pulvérisée (FS) en remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque résultat représente la moyenne obtenue sur 2 cylindres. ... 102 Figure 4.11: Expansion (%) en fonction du Temps (jours). Essai accéléré sur barres de mortier

(CSA A23.2-25A/28A). Granulat Ba. Cendre volante de biomasse (CVK), cendre volante de type F (CVM) et cendre volante à haute teneur en calcium (CVP) en remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque courbe représente la moyenne obtenue sur 3 barres. ... 103 Figure 4.12 : Expansion (%) à 14 et 28 jours. Essai accéléré sur barres de mortier (CSA

A23.2-25A/28A). Granulat Ba. Cendre volante de biomasse (CVK), cendre volante de type F (CVM) et cendre volante à haute teneur en calcium (CVP) en remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque résultat représente la moyenne obtenue sur 3 barres. ... 104 Figure 4.13: Expansion (%) en fonction du Temps (semaines). Essai sur prismes de béton (CSA

A23.2-14A/28A). Granulat Ba. Cendre volante de biomasse (CVK), cendre volante de type F (CVM) et cendre volante à haute teneur en calcium (CVP) en

remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque courbe représente la moyenne obtenue sur 3 prismes. ... 105 Figure 4.14: Expansion (%) en fonction du Temps (jours). Essai accéléré sur barres de mortier

(CSA A23.2-25A/28A). Granulat Su. Cendre volante de biomasse (CVK), cendre volante de type F (CVM) et cendre volante à haute teneur en calcium (CVP) en remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque courbe représente la moyenne obtenue sur 3 barres. ... 106 Figure 4.15: Expansion (%) à 14 et 28 jours. Essai accéléré sur barres de mortier (CSA

A23.2-25A/28A). Granulat Su. Cendre volante de biomasse (CVK), cendre volante de type F (CVM) et cendre volante à haute teneur en calcium (CVP) en remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque résultat représente la moyenne obtenue sur 3 barres. ... 107 Figure 4.16: Expansion (%) en fonction du Temps (semaines). Essai sur prismes de béton (CSA

A23.2-14A/28A). Granulat Su. Cendre volante de biomasse (CVK), cendre volante de type F (CVM) et cendre volante à haute teneur en calcium (CVP) en

remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque courbe représente la moyenne obtenue sur 3 prismes. ... 108 Figure 4.17: Expansion (%) en fonction du Temps (jours). Essai accéléré sur barres de mortier

(CSA A23.2-25A/28A). Granulat Sp. Cendre volante de biomasse (CVK), cendre volante de type F (CVM) et cendre volante à haute teneur en calcium (CVP) en remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque courbe représente la moyenne obtenue sur 3 barres. ... 109 Figure 4.18: Expansion (%) à 14 et 28 jours. Essai accéléré sur barres de mortier (CSA

A23.2-25A/28A). Granulat Sp. Cendre volante de biomasse (CVK), cendre volante de type F (CVM) et cendre volante à haute teneur en calcium (CVP) en remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque résultat représente la moyenne obtenue sur 3 barres. ... 110 Figure 4.19: Expansion (%) en fonction du Temps (semaines). Essai sur prismes de béton (CSA

A23.2-14A/28A). Granulat Sp. Cendre volante de biomasse (CVK), cendre volante de type F (CVM) et cendre volante à haute teneur en calcium (CVP) en

remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque courbe représente la moyenne obtenue sur 3 prismes. ... 111

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Figure 4.20: Valeurs de résistance en compression à 28 jours obtenues pour les mélanges de béton (type CSA A23.2-14A/28A). . Granulats Ba, Su et Sp. Cendre volante de biomasse (CVK), cendre volante de type F (CVM) et cendre volante à haute teneur en calcium (CVP) en remplacement du ciment à 20% et 30%. Chaque résultat représente la moyenne obtenue sur 2 cylindres. ... 112 Figure 4.21: Résistance en compression à 3, 7 et 28 jours pour la condition d'activation B.

Cendres volantes de type F (CVS, CVB) et cendre volante à haute teneur en calcium (CVP). La condition B consiste à conserver les échantillons pendant 24 heures à température de la pièce (23oC), sous une jute humide, puis de les activer à 80oC dans une étuve pendant 48 heures. Les échantillons étaient alors conservés dans les moules et placés dans un contenant hermétique avec de l'eau au fond et un grillage en plastique pour empêcher les moules de toucher à l'eau. ... 114 Figure 4.22: Résistance en compression à 3, 7 et 28 jours pour la condition d'activation C.

Cendres volantes de type F (CVS, CVB) et cendre volante à haute teneur en calcium (CVP). La condition C consiste à activer les échantillons en les chauffant directement dans une étuve à 80oC pendant 48 heures suivant le moulage des échantillons. Les échantillons étaient alors conservés dans les moules et placés dans un contenant hermétique avec de l'eau au fond et un grillage en plastique pour empêcher les moules de toucher à l'eau. ... 115 Figure 4.23: Résistance en compression à 3, 7 et 28 jours pour la condition d'activation B.

Laitiers de haut fourneau L1, L2 et L3. La condition B consiste à conserver les échantillons pendant 24 heures à température de la pièce (23oC), sous une jute humide, puis de les activer à 80oC dans une étuve pendant 48 heures. Les échantillons étaient alors conservés dans les moules et placés dans un contenant hermétique avec de l'eau au fond et un grillage en plastique pour empêcher les moules de toucher à l'eau. ... 116 Figure 4.24: Résistance en compression à 3, 7 et 28 jours pour la condition d'activation C.

Laitiers de haut fourneau L1, L2 et L3. La condition C consiste à activer les

échantillons en les chauffant directement après le moulage dans une étuve à 80oC pendant 48 heures suivant le moulage des échantillons. Les échantillons étaient alors conservés dans les moules et placés dans un contenant hermétique avec de l'eau au fond et un grillage en plastique pour empêcher les moules de toucher à l'eau. ... 117 Figure 4.25: Résistance en compression à 3, 7 et 28 jours en fonction du temps de malaxage.

Essais sur mortier incorporant le laitier de haut fourneau L3. Condition d'activation C. La condition C consiste à activer les échantillons de mortier frais en les chauffant dans une étuve à 80oC pendant 48 heures immédiatement après le moulage des échantillons. Les échantillons étaient alors conservés dans les moules et placés dans un contenant hermétique avec de l'eau au fond et un grillage en plastique pour empêcher les moules de toucher à l'eau. ... 118 Figure 4.26: Résistance en compression de cubes de mortier après 3, 7 et 28 jours, et ce en

fonction de la durée et température de la cure thermique (Condition A - 24 heures à 23oC, Condition B - 24 heures à 23oC + 48 heures à 80oC, Condition C - 48 heures à 80oC). Laitiers de haut fourneau L1, L2 et L3. Les solutions d’activation sont du 4M (N4) ou 8M (N8) NaOH. ... 121 Figure 4.27: Résistance en compression de cubes de mortier après 3, 7 et 28 jours, et ce en

fonction de la durée et température de la cure thermique (Condition A - 24 heures à 23oC, Condition B - 24 heures à 23oC + 48 heures à 80oC, Condition C - 48 heures à 80oC). Cendres volantes de type F (CVS, CVB) et cendre volante à haute teneur en calcium (CVP). Les solutions d’activation sont du 4M (N4) ou 8M (N8) NaOH. ... 121 Figure 4.28: Résistance en compression d’éprouvettes de béton après 24 heures et 3 jours en

(13)

24 heures à 23oC + 48 heures à 80oC (air libre), Condition C-48 - 24 heures à 23oC + 48 heures à 80oC (pellicule de plastique) et Condition D-48 - 24 heures à 23oC + 48 heures à 80oC (plat hermétique)). Laitier de haut fourneau L2 activé avec du NaOH 8N. ... 124 Figure 4.29: Résistance en compression d’éprouvettes de béton après 3 et 7 jours en fonction

des conditions d'activation (Condition C-24 - 24 heures à 23oC + 24 heures à 80oC (pellicule de plastique), Condition C-48 - 24 heures à 23oC + 48 heures à 80oC (pellicule de plastique), Condition D-24 - 24 heures à 23oC + 24 heures à 80oC (plat hermétique) et Condition D-48 - 24 heures à 23oC + 48 heures à 80oC (plat

hermétique)). Laitier de haut fourneau L2 activé avec du NaOH 8N. ... 124 Figure 4.30: Résistance en compression d’éprouvettes de béton après 3 et 7 jours, et ce en

fonction des conditions d'activation (Condition C-24 - 24 heures à 23oC + 24 heures à 80oC (pellicule de plastique) et Condition C-48 - 24 heures à 23oC + 48 heures à 80oC (pellicule de plastique)). Cendres volantes de type F (CVS et CVB) activées avec du NaOH 8N. ... 127 Figure 4.31: Résistance en compression d’éprouvettes de béton après 3 et 7 jours en fonction du

rapport Na2SiO3/NaOH 8N. Cendre volante de type F (CVS) activée selon la

condition C-24 - 24 heures à 23oC + 24 heures à 80oC (pellicule de plastique). .... 127 Figure 4.32: Expansion (%) en fonction du Temps (jours). Essai accéléré sur barres de mortier.

Granulat Su. Laitiers L1 et L2 activés par du NaOH 8N selon la condition A (24 heures à 23oC sous une jute humide) sur mortier. ... 129 Figure 4.33: Expansion (%) en fonction du Temps (jours). Essai accéléré sur barres de mortier.

Granulat Sp. Laitiers L1 et L2 activés par du NaOH 8N selon la condition A (24 heures à 23oC sous une jute humide) sur mortier. ... 130 Figure 4.34: Expansion (%) en fonction du Temps (jours). Essai accéléré sur barres de mortier.

Granulat Nm. Laitiers L1 et L2 activés par du NaOH 8N selon la condition A (24 heures à 23oC sous une jute humide) sur mortier. ... 130 Figure 4.35: Expansion (%) de barres de mortier après 14, 28, 77 et 150 jours de conservation

dans la solution de 1N NaOH à 80oC. Granulats Su, Sp et Nm. Mélange de référence (100% ciment). Laitiers L1 et L2 activés avec du NaOH 8N selon la

condition A (24 heures à 23oC sous une jute humide) sur mortier. ... 131 Figure 4.36: Expansion (%) à ce jour en fonction du Temps (semaines). Essai sur prismes de

béton. Granulats Su, Sp et Nm. Cendre volante de type F (CVB) activée avec du NaOH 8N selon la condition D-48 (24 heures à 23oC + 48 heures à 80oC dans un plat hermétique). ... 133 Figure 4.37: Cendre volante de type F (CVB). Solution d'activation N8. Condition B - 24 heures à

23oC + 48 heures à 80oC. A) Micrographies à 15x et 100x de grossissement. B) Micrographie à 1000x de grossissement et analyses EDS. ... 136 Figure 4.38: Cendre volante de type F (CVS). Solution d'activation N8. Condition B - 24 heures à

23oC + 48 heures à 80oC. A) Micrographies à 20x et 100x de grossissement. B) Micrographies à 1000x de grossissement et analyses EDS. ... 137 Figure 4.39: Laitier de haut fourneau L2. Solution d'activation N8. Condition B - 24 heures à 23oC

+ 48 heures à 80oC. A) Micrographies à 20x et 100x de grossissement. B)

Micrographies à 1000x de grossissement et analyses EDS. (EDS_1 est un grain de sable). ... 138 Figure 4.40: Cendre volante CVB. Solution d'activation N8W2.5 (Na2SiO3/NaOH 8N égal à 2,5).

Condition B - 24 heures à 23oC + 48 heures à 80oC. A) Micrographies à 15x et 100x de grossissement. B) Micrographies à 1000x de grossissement et analyses EDS. (EDS_2 correspond à l'analyse d'une particule de cendre volante). ... 140

(14)

Figure 4.41: Cendre volante de type F (CVS). Solution d'activation N8W2.5 (Na2SiO3/NaOH 8N égal à 2,5). Condition B - 24 heures à 23oC + 48 heures à 80oC. A) Micrographies à 20x et 100x de grossissement. B) Micrographies à 1000x et 10 000x de

grossissement et analyses EDS. C) Micrographie à 1000x et 10 000x de

grossissement et analyses EDS. ... 141

(15)

Liste des tableaux

Tableau 2.1: Roches et minéraux susceptibles de RAS (Fournier & Bérubé 2000). ... 15

Tableau 2.2: Principales phases du ciment portland (Bertolini 2004). ... 19

Tableau 2.3: Composition chimique de cendres volantes de biomasse selon la littérature. ... 26

Tableau 2.4: Résultats obtenus concernant l’efficacité de la poudre de verre (en remplacement du ciment portland) à contrecarrer la RAS, selon la littérature. ... 39

Tableau 3.1: Propriétés chimiques et physiques des matériaux du volet 1 (% masse). ... 62

Tableau 3.2: Principales phases cristallines des matériaux du volet 1. ... 64

Tableau 3.3: Composition et propriétés physiques des granulats réactifs utilisés dans le volet 1 (adapté de Villeneuve 2011). ... 64

Tableau 3.4: Proportion des mélanges de mortier du volet 1 (AC : ajout cimentaire). ... 65

Tableau 3.5: Matrice des mélanges de mortier du volet 1. ... 66

Tableau 3.6: Dimensions et masses requises de matériaux granulaires pour un mélange sur barres de mortier (ASTM C1260-2014). ... 66

Tableau 3.7: Formulations des mélanges pour l'essai sur prismes de béton du volet 1 (CSA A23.2-14A-2014, CSA A23.2-28A-2014). ... 68

Tableau 3.8: Dimensions et masses requises pour le granulat grossier dans un mélange sur prismes de béton (CSA A23.2-14A-2014). ... 69

Tableau 3.9: Composition chimique et densité des matériaux « cimentaires » du volet 2 (% masse). ... 71

Tableau 3.10: Principales phases cristallines des matériaux « cimentaires » du volet 2. ... 72

Tableau 3.11: Identification et description des différentes solutions d'activation. ... 73

Tableau 3.12: Origine, composition et propriétés physiques des granulats réactifs du volet 2 (adapté de Villeneuve 2011). ... 74

Tableau 3.13: Matrice d'essai de la phase 1 Optimisation sur cubes de mortier. Le détail des conditions est présenté au tableau 3.14. ... 75

Tableau 3.14: Conditions d'activation pour la phase 1 Optimisation sur cubes de mortier (ASTM C109). ... 77

Tableau 3.15: Formulations des bétons de géopolymères pour la phase 2 Optimisation sur éprouvettes de béton. ... 80

Tableau 3.16: Conditions d'activation pour la phase 2 Optimisation sur éprouvettes de béton. ... 81

Tableau 3.17: Matrice d'essais pour la phase 2 Optimisation sur éprouvettes de béton. Le détail des solutions et des conditions d’activation est présenté aux tableaux 3.11 et 3.16, respectivement. ... 84

Tableau 3.18: Dosage des mélanges sur barres de mortier (CSA A23.2-25A modifié). ... 86

Tableau 3.19: Dosage des mélanges sur prismes de béton (CSA A23.2-14A modifié). ... 88

Tableau 3.20: Échantillons de la phase 1 sélectionnés pour examen au MEB. ... 90

Tableau 3.21: Échantillons de la phase 2 sélectionnés pour examen au MEB. ... 90

(16)

(17)

Remerciements

La réalisation de ce projet de maîtrise n'aurait pas été possible sans l'appui de plusieurs personnes de grande influence. Je tiens particulièrement à remercier mon directeur de recherche, M. Benoît Fournier, ing. Ph.D. Son expertise, sa grande générosité de son temps, ses judicieux conseils et ses multiples encouragements ont fait de ce projet une expérience très enrichissante. Je tiens également à remercier ma co-directrice, Mme Josée Duchesne, ing. Ph.D., pour sa grande disponibilité et pour l'ensemble des connaissances techniques qu'elle a su partager pour mener à la réussite de ce projet. L'influence de ces deux personnes a été très bénéfique dans mon développement en tant qu'ingénieur et je leur en suis très reconnaissant.

Je souhaite remercier tous ceux qui ont participé à mon projet. Je pense ici aux professeurs et au personnel technique du Département de Géologie et Génie Géologique de l'Université Laval, du Centre de Recherche sur les Infrastructures en Béton (CRIB), du Ministère des Transports du Québec (MTQ), ainsi que ceux du Département de Génie Civil de l'Université Laval et de l’Université de Sherbrooke. Un remerciement tout particulier aux auxiliaires de recherche, étudiants gradués, collègues de bureau qui ont été d'une aide précieuse.

J'aimerais remercier mes parents, Louis et Céline, pour leurs multiples encouragements, mais aussi d'avoir cru en mon plein potentiel. Sans vous, je n'aurai pas pu me rendre où je suis maintenant. Je vous en suis très reconnaissant.

Finalement, je tiens à remercier ma compagne de travaux d'équipe / ma très bonne amie / mon amoureuse, Sarah. Chaque moment ensemble me rappelle comment tu participes à mon bonheur et à mon épanouissement. Merci pour tes nombreux encouragements.

(18)

1. Introduction

1.1

Mise en contexte et problématique

Le béton est un des matériaux de construction les plus utilisés dans le monde, avec une production annuelle d'environ 1 m3_{par personne (Gartner 2004).}

Cependant, le béton figure parmi les plus polluants compte tenu du très grand volume utilisé. En effet, la production du ciment portland, un ingrédient essentiel du béton, requiert une importante source d'énergie et sa fabrication génère de grandes quantités de CO2. Pour chaque kilogramme (kg) de ciment, une quantité

de CO2 variant de 0,66 à 0,82 kg est émise (Turner & Collins 2013, Huntzinger &

Eatmon 2009). La majorité du CO2 est produite lors de la réaction de

décarbonatation (CaCO3) dans le four. À elle seule, l'industrie du ciment est

responsable d'environ 5 à 7% des émissions mondiales de gaz à effet de serre (Damtoft et al. 2008, Meyer 2009). Face à cette situation, il devient important de développer des nouveaux liants plus respectueux de l'environnement dans le but de proposer à l'industrie des alternatives intéressantes tout en conservant les aspects de performance, de facilité de mise en place, du coût de production et de durabilité.

L'une des différentes options permettant de réduire l’empreinte environnementale de la production du béton, et faisant l’objet de nombreuses études, est de remplacer une partie du ciment portland par des ajouts cimentaires correspondant souvent à des sous-produits industriels. L'utilisation d'ajouts cimentaires comme les cendres volantes, les laitiers de haut fourneau et les fumées de silice améliore généralement la performance du béton, et permet aussi, dans certains cas, de contrôler la réaction alcalis-granulat (RAG). La RAG est une réaction chimique qui se produit dans le temps entre les hydroxydes alcalins (Na+, K+, OH-) de la solution interstitielle du béton (pH > 12,54) et certaines phases minérales présentes au sein des granulats. La RAG se divise en deux catégories; la réaction silice (RAS) et la réaction

(19)

alcalis-

carbonate (RAC). La réaction alcalis-silice, qui est la forme la plus commune, se produit dans le béton entre les ions hydroxyles (OH-) de la solution interstitielle et certaines phases minérales siliceuses des granulats. Un ensemble de paramètres et de conditions permet à la RAS de produire un gel qui, en présence d'eau, va gonfler, induisant ainsi des forces internes d'expansion, de la fissuration et une détérioration prématurée du béton.

Au fil des années, les connaissances acquises au niveau du comportement des ajouts cimentaires face à la RAS dans le béton se sont grandement améliorées. Les experts s'entendent généralement sur le fait que l'efficacité des ajouts cimentaires à contrecarrer la RAS tient à leur capacité à réduire le pH de la solution interstitielle du béton sous un seuil critique qui est fonction, entre autres, du degré de réactivité du granulat à contrôler (Thomas 2013). Par contre, le comportement de certains ajouts cimentaires alternatifs comme par exemple de la poudre de verre mixte (PV) ou bien une cendre volante provenant de la combustion de biomasse (CVK), nécessite encore beaucoup d'investigations. En effet, la poudre de verre est majoritairement composée de silice et contient plus de 13% d'alcalis (Na2O équivalent), ce qui peut présenter un risque de contribuer

au développement de la RAS dans des bétons incorporant des granulats réactifs. D'un autre côté, la cendre volante de biomasse (CVK) contient seulement 1,61% d'alcalis, mais sa teneur en calcium est de 30,1%. La Figure 1.1 montre que la teneur en calcium et la teneur en alcalis des cendres volantes sont des facteurs qui influencent fortement leur capacité à prévenir la RAS, principalement de par leur efficacité plus limitée à réduire le pH de la solution interstitielle sous le seuil critique mentionné précédemment (du moins dans les niveaux de remplacement conventionnels). Il devient donc essentiel de procéder à des essais sur bétons incorporant ces deux matériaux afin d'évaluer leur potentiel à prévenir ou promouvoir l'expansion associable à la RAS en présence de granulats réactifs.

La pratique normalisée CSA A23.2-27A (2014) propose une série de mesures pour contrecarrer les risques de RAS dans le béton. Une approche dite

(20)

prescriptive donne aux ingénieurs la possibilité de choisir les mesures préventives à adopter (i.e. contrôle de la teneur en alcalis du mélange de béton, proportion d'ajouts cimentaires) en effectuant une analyse de risques selon le degré de réactivité du granulat proposé, la nature de la structure à construire, sa durée de vie utile et les conditions d'exposition auxquelles elle sera soumise. Cette méthode prescriptive ne peut toutefois être appliquée pour des ajouts cimentaires à haute teneur en alcalis (i.e. poudre de verre) ou riches en calcium (i.e. cendre volante CVK). L'efficacité de tels produits doit alors être évaluée par l'entremise d'essais de laboratoire, dont les procédures sont détaillées dans la pratique normalisée CSA A23.2-28A (2014).

Figure 1.1: Expansion à 2 ans d'éprouvettes de béton incorporant un granulat réactif (Calcaire

Spratt) et 25% de cendres volantes de différentes teneurs en CaO et Na2Oeq (Thomas 2011).

Une autre avenue pour fabriquer des bétons "verts" consiste à remplacer totalement le ciment par des liants/systèmes de nouvelle génération. L'activation alcaline de certains résidus industriels, tels que les cendres volantes et les laitiers de haut fourneau, présente un fort potentiel à titre de liants alternatifs. Pour décrire cette activation, le terme "géopolymère" est couramment employé

(21)

dans la littérature (Davidovits 1991). La raison pour laquelle il y a actuellement un grand intérêt pour les géopolymères est que ce sont des liants qui peuvent développer des propriétés similaires au ciment portland, malgré une synthèse bien différente. La substitution du ciment portland par les géopolymères dans le béton permettrait de réduire les émissions de CO₂ de 26 à 80% (Duxson et al. 2007, Habert et al. 2010, McLellan et al. 2011). Toutefois, une récente étude suggère que la réduction serait plutôt d'environ 9% (Turner & Collins 2013). La synthèse des géopolymères diffère totalement des matrices cimentaires. Pour les systèmes cimentaires, la formation de la microstructure dépend du processus d'hydratation du ciment avec l'eau, qui produit des hydrates (i.e. C-S-H, sulfoaluminates de calcium, Ca(OH)2) permettant de développer la résistance

mécanique. La synthèse des géopolymères consiste en une réaction de géopolymérisation entre un matériau riche en SiO₂, Al₂O₃_{et une solution} fortement alcaline. La Figure 1.2 présente un modèle proposé par Shi et al. (2011). Au contact de la dite solution, les verres "réactifs" riches en Si et Al du matériau "source" sont attaqués et dissout par les ions alcalins pour produire des monomères (aluminates et silicates). Ces monomères se réorganisent par la suite pour former des hydrates (C-(A)-S-H) et/ou un produit de réaction riche en sodium (N-A-S-(H)), sous forme de gel. Plus la réaction progresse, plus il se produit une densification du gel, ce qui entraîne la formation d'une structure tridimensionnelle composée majoritairement de tétraèdres de silicium et d'aluminium (Shi et al. 2011).

(22)

Figure 1.2: Modèle descriptif de la réaction de géopolymérisation (Shi et al. 2011)

À ce jour, plusieurs recherches ont été effectuées pour comprendre la synthèse des géopolymères (Bakharev et al. 1999, Palomo et al. 1999, Xu & Van Devanter 2000, Lee & Van Devanter 2002, Criado et al. 2005, Fernandez-Jimenez & Palomo 2005, Kovalchuk et al. 2007, Criado et al. 2010, Oh & al. 2010). Cependant, peu de données sont disponibles sur le comportement de ces nouveaux liants en durabilité. Étant donné que ce sont des nouveaux liants, ils doivent faire l'objet d'une évaluation du développement de leurs propriétés mécaniques et de leur performance face aux principaux mécanismes d'endommagement du béton. En effet, les géopolymères sont activés par une solution très riche en alcalis; il est alors intéressant et important d'effectuer des essais pour évaluer leur potentiel à résister à la RAS lorsqu’utilisés dans des bétons incorporant des granulats réactifs.

(23)

1.2 Définition des objectifs du projet

L'objectif global de ce projet de recherche est d'évaluer la performance en durabilité de bétons conçus à partir de liants alternatifs sélectionnés pour ce projet. De façon plus précise, ce projet de recherche tente d'une part de déterminer si des bétons fabriqués avec ces liants alternatifs sont davantage propices au développement de la réaction alcalis-granulat en raison des caractéristiques spécifiques de leurs compositions chimiques respectives et, d'une autre part, d'évaluer leur influence sur la prévention ou non de la RAG en présence de granulats réactifs. Ce projet est alors divisé en deux volets, soit l'utilisation d'ajouts cimentaires alternatifs en substitution partielle du ciment portland (Volet 1) et l'utilisation de matrices à base de géopolymères en remplacement total du ciment portland (Volet 2). Des objectifs spécifiques ont ainsi été développés pour chacun de ces volets. La Figure 1.3 présente le plan expérimental proposé.

(24)

(25)

1.2.1 Volet 1 - Ajouts cimentaires alternatifs

Ce volet s'intéresse à l'évaluation de l'efficacité des ajouts cimentaires alternatifs riches en alcalis (poudre de verre mixte) ou riches en calcium (cendre de biomasse) pour contrecarrer la RAS, et ce dans des systèmes binaires (ciment + ajouts). Des essais accélérés d'expansion sur barres de mortier et sur prismes de béton serviront à vérifier si ces liants alternatifs (à des niveaux de remplacement du ciment de 20% et 30%) ont le potentiel de contrer la RAS malgré une composition d'apparence défavorable.

Le comportement de la poudre de verre (PV) sera comparé à celui d'une cendre volante riche en alcalis (CVN) et d'un verre sans alcalis (FS). L'efficacité de la cendre volante (CVK) sera comparée à celle obtenue avec une cendre volante riche en calcium (CVP) et une cendre volante (CVM) qui a déjà démontré sa performance à contrôler la RAS (Fournier et al. 2004). L'ensemble des résultats pour ce volet permettront d'établir l'efficacité relative de la poudre de verre (PV) et de la cendre volante de biomasse (CVK) à contrôler la RAS dans le béton. 1.2.2 Volet 2 - Géopolymères

Ce volet consiste à contribuer au développement de bétons de géopolymères, et ce, en évaluant leurs propriétés mécaniques et leur performance face à la RAS. Rappelons que ce type de liant est obtenu par l'activation de matériaux riches en SiO2, Al2O3 (cendres volantes) ou en SiO2, CaO (laitiers de haut fourneau) à

l'aide d'une solution fortement alcaline. Il existe actuellement très peu de données disponibles quant aux formulations et aux conditions de fabrication permettant d'obtenir des bétons de géopolymères qui offriront une résistance adéquate face à la RAS.

Pour se familiariser avec ces liants de nouvelle génération, des formulations seront d'abord optimisées par l'entremise d'essais de résistance en compression sur mortier et béton. Ceci impliquera, entre autres, la mise au point de conditions

(26)

expérimentales optimales pour le développement de matrices de géopolymères offrant de bonnes résistances en compression. Des essais accélérés d'expansion sur barres de mortier et sur prismes de béton seront ensuite réalisés pour vérifier le comportement de ces nouveaux liants face à la RAS. L'ensemble des résultats pour ce volet permettront d'approfondir nos connaissances concernant la synthèse et l'efficacité de ces nouveaux liants à résister aux différents mécanismes d'endommagement du béton.

1.3 Plan du document

La structure de ce mémoire comporte six chapitres. Le premier est consacré à une introduction générale permettant de situer le projet dans son contexte tout en précisant la problématique et les objectifs visés. Le deuxième chapitre présente une revue de la littérature sur les deux types de liants alternatifs sélectionnés pour le projet. Le chapitre 3 décrit le programme expérimental, incluant la caractérisation des matériaux utilisés et les essais effectués lors de ce projet. Les chapitres 4 et 5 se concentrent sur la présentation et l'analyse des résultats pour chacun des essais. Finalement, les conclusions et recommandations du projet sont énoncées au chapitre 6, et sont suivies des annexes et des références bibliographiques.

(27)

2. Revue de littérature

Cette revue de littérature couvre tout d’abord les aspects du processus d’endommagement précoce du béton face au phénomène de la réaction alcalis-granulat (RAG). Dans un premier temps, les différents types de RAG sont décrits pour ensuite insister sur les mécanismes réactionnels, les conditions essentielles et les mesures préventives qui sont normalement utilisées pour contrer cette réaction. Par la suite, il est question de l’utilisation des ajouts cimentaires dans le béton tout en portant une attention particulière sur les ajouts cimentaires alternatifs, plus spécifiquement les cendres volantes de biomasse et la poudre de verre mixte (Volet 1). Ensuite, une section est dédiée aux géopolymères. Plus précisément, l’historique, les paramètres importants de la réaction de géopolymérisation et l'efficacité de ces nouveaux liants à contrer la RAG sont des sujets abordés (Volet 2).

2.1 Généralités

2.1.1 Réaction alcalis-granulat (RAG)

La réaction alcalis-granulats (RAG) est une des causes principales de détérioration précoce du béton de ciment utilisé dans la construction d’infrastructures au Québec. La RAG, qualifiée de « cancer du béton », est un terme généralement utilisé pour décrire une réaction chimique qui se produit entre les hydroxydes alcalins de la solution interstitielle présente dans les pores de la pâte de ciment hydratée et certaines phases minérales réactives présentes au sein des granulats (Fournier & Bérubé 2000). Cette réaction entraîne la création de contraintes internes qui engendrent de la microfissuration, de l’expansion et de la macrofissuration de surface et, ultimement, une réduction significative de la durée de vie utile de l’ouvrage. Ce type de réaction touche un grand nombre d’ouvrages au Québec, au Canada et à travers le monde. Selon les observations réalisées sur divers cas, les méthodes de réparation ou de mitigation s’avèrent souvent peu durables et sont donc un des principaux défis reliés à la gestion des infrastructures affectées par la RAG (Thomas et al. 2013).

(28)

La RAG se divisent en deux catégories : la réaction alcalis-silice (RAS) et la réaction alcalis-carbonates (RAC). Ces deux réactions diffèrent de par les mécanismes et les phases minérales qui sont impliqués. De ces deux réactions, la plus commune est la RAS. La présente recherche s’intéresse essentiellement à cette dernière.

2.1.2 Réaction alcalis-silice (RAS)

La RAS se produit entre les hydroxydes alcalins (OH-, K+, Na+) contenus dans la solution interstitielle de la pâte de ciment hydraté et certaines phases minérales siliceuses des granulats. Les prochaines sections décrivent la séquence réactionnelle, les conditions nécessaires au développement et au maintien de la RAS ainsi que les mesures préventives qui sont normalement utilisées pour prévenir et contenir cette réaction.

2.1.2.1 Mécanisme réactionnel de la RAS

Le mécanisme réactionnel de la RAS s’effectue généralement en trois (3) étapes. Ces dernières sont basées sur différents modèles qui ont été proposés par certains auteurs (Dent Glasser & Kataoka 1981, Dron & Brivot 1992, Wang & Gillot 1991, Poole 1992). Les trois étapes correspondent à:

1. La dissolution de la silice réactive;

2. La formation d’un produit de réaction silico-calco-alcalin amorphe ou cristallin;

3. Le processus d’expansion ou maturation du produit de réaction silico-calco-alcalin.

La première étape de la réaction est la dissolution de la silice par rupture des liaisons Si-OH (silanols) suite à l’attaque des ions hydroxyles (OH-) selon l’équation suivante :

(29)

En effet, la silice à la surface des granulats n’est pas directement dissoute par les ions alcalins (Na+, K+), mais plutôt par les ions hydroxyles (OH-) contenus dans la solution interstitielle. Les ions alcalins contribuent initialement à maintenir la concentration en ions hydroxyles (OH-) élevée dans la solution et plus tard à la formation du gel silico-alcalin expansif (Figure 2.1).

Figure 2.1: Mécanisme chimique de la RAS (Glasser 1992) (granulat siliceux à gauche et pâte

de ciment à droite).

Ensuite, la pénétration des ions hydroxyles dans la structure de la phase siliceuse provoque la rupture des liaisons Si-O-Si (siloxanes) selon l’équation suivante :

(2)

La rupture des liaisons silanols et siloxanes provoque un déséquilibre chimique au niveau des charges ioniques (charge terminale négative associée à l’oxygène). Les ions alcalins (Na+_{, K}+_{) qui diffusent simultanément dans la}

(30)

calcium (Ca2+) mène à la précipitation d’un gel polymérisé de composition silico-calco-alcaline.

Le gel expansif ainsi formé est principalement composé d’ions Na+ et K+ pouvant être remplacés par des ions Ca2+. L’incorporation des ions Ca2+ au gel de réaction libère alors une partie des ions alcalins dans la solution interstitielle et ceux-ci sont à nouveau disponibles pour maintenir la réaction et créer de nouveaux produits expansifs (Thomas 2001).

Plusieurs études ont conclu que la présence de calcium sous forme d'hydroxyde de calcium (Ca(OH)2), joue un rôle important dans la RAS, mais que le

mécanisme est encore mal compris. Selon Wang & Gillott (1991), la portlandite (Ca(OH)2) serait un réservoir d'ions OH- qui permettrait de maintenir le pH de la

solution interstitielle élevé. Une concentration élevée en calcium empêcherait la diffusion de la silice à distance des granulats réactifs (Chatterji 1979, Chatterji & Clausson-Kass 1984). En l'absence de calcium, la silice demeurerait dissoute dans la solution sans causer de dommage (Thomas 1998, Diamond 1989). De ces études, il est évident que la présence de calcium est importante pour que la réaction se produise et/ou que l’expansion soit provoquée. Une réduction de la concentration en calcium, par consommation de la portlandite (Ca(OH)2) par des

ajouts cimentaires par exemple, permettrait de diminuer l'expansion de la RAS par fixation des alcalis lors de la production de gel stable (C-S-H).

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2.1.2.2 Conditions essentielles à la RAS

L’initiation, le développement et le maintien de la RAS dans le béton n’est possible que lorsque trois (3) conditions sont présentes. Les conditions essentielles sont les suivantes :

• Des granulats incorporant de la silice réactive;

• Un contenu élevé en alcalis dans la solution interstitielle du béton; • Une humidité relative élevée (e.g. H.R. > 80%).

À ces conditions s’ajoute la température qui est un facteur déterminant quant à la vitesse de réaction.

1. Les granulats incorporent de la silice réactive

La silice (SiO2) est présente dans plusieurs types de roches. Par contre, ce ne

sont pas toutes les formes de silice qui réagissent chimiquement avec la solution interstitielle du béton, du même coup ce ne sont pas tous les granulats siliceux qui peuvent subir la RAS. L'indice de solubilité et la structure cristalline de la silice sont deux aspects qui expliquent la différence de réactivité des granulats siliceux. Le Tableau 2.1 présente les principales phases minérales et les roches susceptibles de réagir avec les ions hydroxyles et alcalins contenus dans la solution interstitielle de la pâte de ciment hydratée (Fournier & Bérubé 2000).

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Tableau 2.1: Roches et minéraux susceptibles de RAS (Fournier & Bérubé 2000).

Types Roches Minéraux instables en milieu alcalin

Magmatiques Granites

Granodiorites

• Quartz à réseau déformé, présentant une extinction ondulante

• Minéraux feldspathiques altérés

Rhyolites Dacites Andésites Basaltes

• Présence de verres siliceux ou de verres basaltiques plus ou moins dévitrifiés

• Présence de tridymite, de cristobalite ou d’opale Obsidiennes

Tufs volcaniques

• Verres riches en silice plus ou moins dévitrifiés, souvent microfissurés

Métamorphiques Gneiss

Mica-schistes

• Quartz à extinction ondulante • Minéraux feldspathiques et

micacés altérés Quartzites

Cornéennes

• Présence de quartz à extinction ondulante ou de quartz

microfissuré

Sédimentaires Grès

Quartzites

• Ciment siliceux mal cristallisé

Grauwackes Schistes quartzeux

• Présence de quartz micro- à cryptocristallin

Calcaires Dolomies

• Présence de quartz micro à cryptocristallin

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2. Un contenu élevé en alcalis dans la solution interstitielle du béton

La concentration en ions alcalins (Na+, K+) dans la solution interstitielle est généralement fonction de la teneur en alcalis du ciment utilisé (Diamond 1989). Par contre, des sources autres que le ciment peuvent contribuer à augmenter la teneur en alcalis dans la solution interstitielle du béton et, du même coup, augmenter le risque de RAS. Les granulats, les environnements marins et l'utilisation de cendres volantes à forte teneur en alcalis en sont quelques exemples (Gillott & Rogers 1994, Duchesne & Bérubé 1994). La teneur totale en alcalis dans le ciment est normalement exprimée en Na2Oéq. et est déterminée

par l'expression suivante:

% Na2Oéq. = % Na2O + (0,658 x % K2O)

3. Une humidité relative élevée (H.R. > 80%)

La présence d’eau est requise pour le développement d’expansion excessive associable à la RAS. L’eau joue essentiellement deux rôles:

• Permet la diffusion des espèces ioniques (OH-, Na+, K+, Ca2+); • Se combine au gel silico-calco-alcalin expansif.

L’humidité relative à l’intérieur d’un béton est fonction du rapport eau/ciment initial et des conditions hydriques externes auquel il est soumis. Une humidité relative comprise entre 80% et 100% permet le développement de la RAS (Poole 1992). L’intensité de la réaction et de l’expansion varie directement avec le niveau d'humidité relative présente dans le béton. La Figure 2.2 montre que pour une humidité relative inférieure à 70%, l’expansion est négligeable.

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Figure 2.2: Intensité de la RAS en fonction de l'humidité relative (Poole 1992).

2.1.2.3 Mesures préventives contre la RAS

Pour prévenir la RAS dans le béton, il faut absolument agir sur au moins une des trois conditions nécessaires au développement et au maintien de la réaction. Éviter l'utilisation de granulats réactifs, utiliser des ciments à faible teneur en alcalis ou limiter la teneur en alcalis par m3 de béton, ou encore contrôler les conditions d'exposition du béton à l'humidité sont, entre autres, des mesures préventives qui peuvent être utilisées. Par ailleurs, il existe des mesures préventives qui non seulement contrôlent la RAS, mais qui améliorent également les performances du béton. C'est le cas de l'utilisation de quantités suffisantes de certains ajouts cimentaires comme les cendres volantes, laitiers de haut fourneau et la fumée de silice (Duchesne & Bérubé 1994, Thomas 2013).

Plusieurs études ont démontré que l’utilisation d’ajouts cimentaires selon un dosage adéquat et en fonction de la réactivité du granulat à contrer, peut permettre de réduire l’expansion sous un niveau acceptable (Thomas 2011, Thomas 2013, Duchesne & Bérubé 1994). En effet, la Figure 2.3 montre qu'à différents niveaux de remplacement du ciment par des ajouts cimentaires, il est

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possible d'obtenir une expansion inférieure à 0,040% à deux ans à l'essai d'expansion sur prismes de béton, limite proposée dans la pratique normalisée CSA A23.2-28A.

Figure 2.3: Expansion à 2 ans d’éprouvettes de béton incorporant un granulat réactif (calcaire

Spratt), et ce en fonction du niveau de remplacement du ciment par des ajouts cimentaires (Thomas 2011).

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2.2 Volet 1 – Ajouts cimentaires alternatifs

2.2.1 Hydratation du ciment et des ajouts cimentaires

Le ciment portland est un matériau dont le comportement en présence d’eau est fort complexe. Il est obtenu par broyage du clinker, produit par la cuisson d'un mélange contenant du calcaire, de l'argile et autres matières premières. Du gypse est ajouté au clinker lors du broyage pour permettre la régularisation de la réaction d'hydratation du ciment. À l'état anhydre, le ciment portland est principalement composé des cinq (5) phases présentées au Tableau 2.2.

Tableau 2.2: Principales phases du ciment portland (Bertolini 2004).

Phases Composition Abréviation Proportion

Silicate tricalcique 3CaO.SiO2 C3S 45-60%

Silicate bicalcique 2CaO.SiO2 C2S 5-30%

Aluminate tricalcique 3CaO.Al2O3 C3A 6-15%

Aluminoferrite tétracalcique 4CaO.Al2O3.Fe2O3 C4AF 6-8%

Gypse CaSO4.2H2O CS 3-5%

Ces phases jouent un rôle déterminant dans l'hydratation du ciment portland, car elles sont principalement responsables d'une série de réactions chimiques qui mènent au durcissement de la pâte de ciment. La prise initiale du ciment est le résultat du contact entre l'eau et les aluminates tricalciques (C3A), produisant des

hydrates d'aluminate de calcium (i.e. ettringite). Le durcissement de la pâte de ciment est ensuite assuré par l'hydratation des silicates de calcium (C2S et C3S).

Les principaux produits de réaction ainsi formés sont le silicate de calcium hydraté (gel de C-S-H) et l'hydroxyde de calcium (portlandite ou Ca(OH)2)

(Kosmatka et al. 2011). Les C-S-H, qui sont en plus grande quantité (50 à 60% du volume de la pâte hydratée), sont responsables de la résistance mécanique

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du béton. Contrairement aux C-S-H, la portlandite représente la partie faible de la pâte de ciment hydratée. La Figure 2.4 illustre la réaction d'hydratation du ciment portland.

Figure 2.4: Schématisation de l'hydratation du ciment portland

De nos jours, les ajouts cimentaires sont couramment employés dans les mélanges de béton. Ce sont souvent des résidus industriels qui peuvent être combinés au ciment portland dans le but d'améliorer la résistance mécanique et la durabilité des bétons. En effet, l'ajout de ces matériaux engendre une densification de la matrice cimentaire, ayant pour effet de diminuer le nombre, la dimension et la connectivité des pores capillaires. De plus, les ajouts cimentaires peuvent contrôler la RAS s'ils sont bien dosés et du type approprié en fonction de la réactivité du granulat à contrer (Detwiler 2002, Fournier 1997, Rogers et al. 2000). Les cendres volantes, les laitiers de haut fourneau, la fumée de silice et les pouzzolanes naturelles sont les ajouts cimentaires parmi les plus utilisés dans le domaine.

Les résidus pouzzolaniques sont décrits comme un matériau siliceux ou silico-alumineux, plus ou moins calcique, qui, intrinsèquement, possède peu ou pas de

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réagit chimiquement avec l'hydroxyde de calcium (portlandite) pour former des composés hydrauliques (ASTM C595). La réaction entre un matériau pouzzolanique, l'eau et la portlandite générée lors de l'hydratation du ciment portland s'appelle la réaction pouzzolanique. Il faut noter que certains ajouts cimentaires comme les cendres volantes à haute teneur en calcium et les laitiers de haut fourneau possèdent davantage des propriétés hydrauliques, c'est-à-dire qu'ils ont la capacité de s'hydrater à défaut de participer à la réaction pouzzolanique.

2.2.2 Cendres volantes de biomasse

L'industrie des pâtes et papiers génère une quantité importante de déchets. Le recyclage et l'élimination de ces déchets est difficile, car ceux-ci se retrouvent généralement sous forme de boues de désencrage. Récemment, des études ont démontré que le produit formé suite à la calcination de ces boues présentait des propriétés pouzzolaniques intéressantes (Pera & Amrouz 1998, Frias et al. 2008, Garcia et al. 2008). La calcination de ces boues, aux environs de 700oC à 750oC, et ce pendant une période de 2 à 5 heures, permettrait la formation de métakaolin pouvant être utilisé comme ajout cimentaire (Pera & Amrouz 1998). Les travaux de Frias et al. (2008) arrivent à la même conclusion, comme quoi une température de calcination supérieure à 650oC serait nécessaire pour l'obtention d'une activité pouzzolanique comparable à celle d'une fumée de silice. Entre-temps, l'industrie des pâtes et papiers a commencé à utiliser les boues comme combustible pour minimiser l'impact environnemental lié à leur mise en décharge. La combustion des boues permet en effet de produire une partie de l'énergie nécessaire au bon fonctionnement de l'usine, tout en recyclant les déchets. Par contre, cette solution a entraîné la production d'un nouveau déchet; les cendres volantes de biomasse. Celles-ci sont bien différentes des cendres volantes conventionnelles et du matériau pouzzolanique produit par la calcination des boues de désencrage. Elles proviennent non seulement d'un mode de combustion différent, mais aussi d'une source de combustible différente.

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2.2.2.1 Mode de combustion

Contrairement aux cendres volantes conventionnelles qui proviennent de la combustion du charbon dans les centrales thermiques, les cendres volantes de biomasse sont produites par la combustion de boues de désencrage sur un lit fluidisé. Ce mode de combustion consiste à rendre un mélange de particules solides et d'air homogène afin qu'il se comporte comme un fluide (Robi 2011). Il existe deux modes de combustion sur lit fluidisé; 1) la combustion sur un lit bouillonnant et 2) la combustion sur un lit circulant (Figure 2.5).

Figure 2.5: Combustion sur lit fluidisé (adapté de Miller & Tillman (2008)).

La combustion sur un lit fluidisé bouillonnant consiste à propulser les particules solides vers le haut du lit à l'aide d'un jet d'air provenant de la base du four. Le jet d'air permet d'emmener les particules en suspension sur le lit, mais permet aussi la formation de bulles d'air dans le lit. Grâce à la poussée d'Archimède, les bulles ont tendance à monter, créant ainsi le mouvement fluide (Lavta-Somppi et al. 1998). Ce mode de combustion utilise un lit stationnaire, c'est-à-dire que la vitesse du fluide à l'intérieur du four est d'environ 1 mètre/seconde (Latva-Somppi 1998). La température à l'intérieur du four varie entre 800oC et 850oC et