Étude de la lixiviation des matériaux cimentaires avec ou sans fillers calcaires

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Annales du Bâtiment et des Travaux Publics, Juin 3, pp. 41-51, 2001-06-01

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Étude de la lixiviation des matériaux cimentaires avec ou sans fillers

calcaires

Catinaud, S.; Beaudoin, J. J.; Marchand, J.

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Étude de la lixiviation des matériaux ciment aires avec ou sans fillers

calcaires

N R C C - 4 5 0 1 6

C a t i n a u d , S . ; B e a u d o i n , J . J . ; M a r c h a n d , J .

J u n e 2 0 0 1

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Annales du Bâtiment et des Travaux Publics,

(3), Juin, pp. 41-51, June 01, 2001

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ｾ

ETUDE DE LA LIXIVIATION

ｾ

DES MATERIAUX CIMENTAIRES

AVEC OU SANS FILLERS CALCAIRES

S. CATINAUD"', J.J. BEAUDOIN", J. MARCHAND'

I

LMSC, IUP Genie Civil et Infrastructures, Neuville-sur-Oise

2

CRIB - Departement de Genie Civil, Universire laval, Quebec (Canada)

3

Institut de Recherche en Construction, CNRC, Onawa (Conadal

INTRODUCTION

L

e tenne fillers se

refere a

des particules (ajoutees

a

un

liant) obtenues par broyage fin ou concassage de

roches. Dans certains pays, ce type d'additions est utilise depuis des d6cennies comme remplacement d'nne partie

du ciment. Les fillers calcaires sont generalement addi-tionnes au moment de la production du ciment. Les

recherches

Menees

sur I'influence de I'utilisation de fillers

calcaires sur les proprietes des materiaux cimentaires ont

mantre que leur action est premierement due

a

un effet

'" physique [1]. Cepenrlant, I'existence de

reactions avec les

phases contenant des aluminates dans les materiaux cimen-taires a clairementetlS demontree {2]. De fines particules

［ｾＡ［Ｚ

calcaires ont aussi ete utilisees en tant que remplacement

: W:,de gypse pour les ciments Portland [3], Le fait que l'utili-';1,:',,sation de fillers calcaires puisse acceIerer l'hydratation des ·.';;:silicates de calcium anhydres presents dans Ie ciment a etc

c\tnis en evidence {4].

ＺｾＺｰｵｴｩｬｩｳ｡ｴｩｯｮ de fillers calcaires conduit

a

des produits qui "5.oot des proprietes mecaniques acceptables {I, 5].

ｾｾｾＧｵｴｩｬｩｳ｡ｴｩｯｮ

de ce type d'additions a un effet benefique sur

ＺＩｾｳ proprietes rMologiques

[n

Les elfets positifs peuyent

Ｇｾｾｰｬｩｱｵ･ｲ pourquoi des reglementations

a

travers Ie monde

ｾｮｴ pennis son utilisation. Les norrn,es europeennes autori-Jnt entre 0 et 35 % d'additions calcaires. Des debats sur la ustification de l'utilisation de fillers calcaires dans les

IN 2001

materiaux cimentaires existent cependant dans d'autres pays comme aux Etats-Unis.

Les cas pratiquesOll les structures en beton sont au contact de solutions salines agressives sont courants. Les cot1ts considerables engendres par la maintenance et la repara-tion d'ouvrages degrades expliquent l'interet apporte

a

la durabilite des materiaux cimentaires. L'etude de l'in-fluence du contact avec des eaux moins agressives (situa-tions de stockages de dechets nucleaires) presente egalement un interet. En general lorsqu'une attaque ｣ｨｩｾ

mique de la pate de ciment hydrate survient, la decalcifi-cation de la matrice se produit. Les mecanismes de decalcification induisent la dissolution des cristaux d'hy· droxyde de calcium Ca(OHh et la dissolution partielle des C-S-H (Ia phase liante) [6, 7, 8, 9, 10],

Les mecanismes de decalcification

a

la fois de l'hydroxyde de calcium et des C-S-H ont ete demierement beaucoup etudies [6, 7, 8, 9, 10]. En effet de nombreuses etudes s'in-teressent par exemple aux consequences du contact de materiaux cimentaires avec de l'eau distillee. L'eau､ｩｳｴｩｬｾ

lee est en effet la solution la plus simple (pas d'ions｣ｨｬｯｲｾ

ou sulfate) qui induise la dissolution de la matrice｣ｩｭ･ｮｾＮ

taire. Plusieurs techniques ont ete mises au point pour accelerer les cinetiques de degradation [6, 10, 11, 12J, Les donnees soulignent l'effet nefaste de la decalcification sur les proprietes mecaniques des materiaux cimentaires [6, 7, 8,9, 10, 11, 12, 13J,

Le cas sp6cifique de l'utilisation des fillers calcaires et son

influence sur la durabilit6 n' a pas ettS largement etudi6.

L'6valuation de I'effel

benefique

ou

nefaste

de l'utilisation

de carbonate de calcium (Ie principal composant des fillers calcaires) sur la decalcification, et nne

reflexion

sur les､ｩｦｾ

ferents phenomenes qui surviennent semblent ponvoir apporter des elements supplementairespOUfla

comprehen-sion des attaques chimiques sur de tels

systemes.

Les resultalsde l'investigation sur l'influence de

l'utilisa-tion de fillers calcaires sur les mecamsmes de

decalcifica-tion sont presentes. Quatre principaux systemes (C3S,

C3S+C3A+CaS04.2H,O, C3S+C4AF+CaS04.2H,O et

ciment Portland) prepares avec divers pourcentages de

car-bonate de calcium (0, 5, 10 et 20

%)

ont

a

cette fin ete

hydrates et testes. Cette etude fait partie d'un programme de recherche global portant sur la comprehension de la durabilite des materiaux cimentaires exposes

a

des solu-tions salines.

ESSAIS EXPERIMENTAUX

Materiaux et preparation des melanges

Les surfaces specifiques des C3S, C3A, C"AF et CaC03

utilises dans cette etude valent respectivement 3000,3010, 3060 et 4600 cm2_{/g. L'addition calcaire utilisee, sous fonne}

de calcite, contient plus de 99 % de CaC03. La composiR

ｴｩｯｾＧＺｾ｜ｊ｣ｩｴｮ･ｮｴ Portland ordinaire utilise, type 10 selon la n ［ＺｾＧｍｾＬｴＬｩｯｮ canadienne, est donnee dans Ie tableauI.

ｾＱｾｾｾｈｰｲ･ｾｾｮｴ･

l"s

｣｡ｲｾ｣ｴ･ｲｩｳｴｩｱｵ･ｳ

des 16 differents

ｾｳｩＹｾ｜ＹｾｴｾｴｾｒＸｾｦＢＢｴｩｯｮｮ･ｳＮ

Les pates ont ete

pre-ｾｱｾｘｾｐｂｾｴｴｾｾｗｳｯｬｩ､･

de 0,5. De l'eau distillee a

HS,6e;,"L'

hydratation a eu lieu dans des cylindres de

plejdglass soigneusement scelles mis en rotation conti-nl1ellependant les premieres 24 heures. Apres Ie demouR

lage, des echantillons de I nun d'epaisseur ant ete scies et places dans une eau saturee en chaux pendant au moins plusieurs semaines. Les pates hydratees des trois premiers

types de melanges (C3S, C3S+C3A+CaS04.2H20 et

ciment Portland) ont subi une cure d'au minimum six

mois. Les pates composees de C3S+C4AF+CaS04·2H,O

CaCD₃sont restees quatre semaines en solution saturee en

chaux.

Caracterisatian de Vetat initial

des materiaux

•

A la fin de la periode de cure les caracteristiques micro-structurales des differents materiaux ont ete mises en 6viR

dence. Des analyses thennogravimetriques menees sur un thennogravimetre Du Pont 951 ant e16 conduites entre 20 et lOOO°C,

a

un taux de chauffage de lOoC/min aftn d'eva-luer la quantite d'eau non evaporable par unite de masse de solide initiale (autre que CaC03). Pour cela, environ 25 mg de materiau broye et

seeM

SallSvide a 105°C pendant trois heures ont ete utilises.

Les resultats de ces analyses sont resumes dans Ie tableau III. Les donnees presentees dans la colonne de droite correspondent a une estimation du degre d'hydrata-tion des pates en supposant que 0,25 g d'eau sont neces-saires pour hydrater completement 1 g (sans considerer Ie CaC03) de chacon des systemes anhydres et en se basant sur les quantites d'eau non evaporable mesurees.Letemps de cure r6duit pour les pates du systeme contenant du C4AF peut expliquer les valeurs mains importantes obte-nues dans ce casRlao

Des analyses de diffraction des rayons X et enthalpiques differentielles ant aussi ete conduites sur les echantillons en fin de periode de cure afin de caracteriser egalement l'etat initial avant toute degradation. Les analyses enthal-piques differentielles ant ete menees sur un systeme Du Pont en utilisant environ 20 mg de materiau seebe sous videa lO5°C pendant trois heures et broye. Un taux de chauffage de lOoC/min dans one atmosphere d'azote, jus-qu'a une temperature finale de 600°C a etc utilise pour les analyses. Un appareil Rigaku Geigerflux ｵｴｩｬｩｾ｟｡ｮｴ des radiations au cuivre a servi aux analyses de diffracUon des rayons X. Le diametre de la majorite des particules broyees etait compris entre 3 et 6 l-tm au entre 6

a

12 !lm. L'important nombre d'analyses de diffraction des rayons X a pennis de mettre en evidence des tendances grossieres

TABLEAU I : Analyse chimique et composition en terme de phases du ciment utilise.

TABLEAU II : Compo.i60n en unilll de moss. de 10 por6. sollde de. melong•• contenont C

%

de CoCo.

II•• val.urs d. C

%

.onl 0,5 10 ou 20),

TABLEAU III : Quann"d'eou non 'voporable de. dive" mohl,ioux el dog,' d'hydratolion corre.pondant.

TABLEAU IV : Composition des diverse5 pcites d'apres les analyses thermiques ef DRX,

au A repre.ente Co4A1203(C0310,sIOHj.l , .5H20

et

BCo4A1206C03.' 1H20.

TABLEAU V: Volumetotol de pore. el volume de pore. donI Ie diom_1re est plu. potil que SOnm

!%to,5

%1.

sur les variations des quantitesde phases dans les mate-"riaux, Les mentions qui sont faites sur les intensit6s de pies

sont caracteristiques des observations. Elies ne sont pas qualitatives. La vitesse de scan choisie 6taitde 56/min. Les ,echantillons

utilises,

enlevesde la solution,etaientbroyes

dans un mortier avec Ie volume minimal d'eau distillee

necessaire

a

un broyage aise. Ainsi les phenomenes

d'eva-ｾ［ｊｕｉｎ 2001

poration et de carbonatationetaient minimises, Les

com-positions des pates des differents systemes d6duites des

resultats conjoints des analyses thenniques et de

diffrac-tion des rayons X sont synthetisees dans Ie tableau IV. La mise en evidence de CaC03 dans les echantillons de mate-riaux ne contenant pas d'addition de carbonate de calcium provient d'un phenomene de carbonatation.

43

I

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］ＭｾＮＢＬ

:2

10

-+-

C,S

o

..

C,S+C,A+Gypse

23

5

,.

,....

Ciment Portland

-0- ｃＳｾＧｩ｜ＡｃＴａｆＫＮｇｹｰｳ･ 10

%deCaC0

3 20 15

composition des materiaux (dissolution de phases solid apparition de complexes ou de produits bien cristall' Les procedures suivies sont les m8mes que celles dec' prec6demment, lars de la description de la caracterisatio initiale des materiaux dans leur etat de reference en fin periode de cure et avant immersion, Les analyses ont faites sur des echantillons taus d'epaisseur 1 rom, Des mesures de changement de longueur ont ete menees de petits echantillons (environ 5x25,5xlnnn). Un exlemio' metre optique de Tuckennan a servi

a

lire des variations longueur avec une precision de 2,1Q-6 mm1mm [14J, Quelques observations sur un microscope electronique balayage Cambridge Stereoscan 8250 equipe d'un metre a dispersion d' energie des rayons X ant e16 Les echantillons ont ete seches sous vide

a

environ 60°C pendant plusieurs heures avant d'8tre metallises avec de l'or.

Dissolution de I'hydroxyde de calcium

Les pourcentages massiques d'hydroxyde de calcium ini-tialement present dans les diverses pates hydratees sont presentes sur la figure 1,

Ces valeurs ont ete obtenues d'apres les analyses thenno-gravimetriques. Pour une composition donnee, Ie pourcen-tage present est fonction en partie du degre d'hydratation du materiau (voir Tableau III). Pour une masse equivalente

RESULTATS

5

o

o

30

A la fin de la periode de cure, des echantillons scies､Ｇ･ｮｾ

viron 1 mm d'epaisseuront ete immerges dans de I'eau dis-tillee. Des soins particuliers ont ete apportes a I'utilisation de volumes importants de solution en comparaison avec la masse d'echantillon immerge. Puisque Ie rapport volume de solution/volume de l'echantillon etait suffisamment important, les solutions n'ont pas ete renouvelees.

Immersion en eau distillee

Procedures experimentales

Afin d'obtenir les distributions en tailles des pores des dif-fe-rents mate-riaux, un porosimetre a mercure (de la compa-gnie American Instruments) a ete utilise. Les intrusions se sont faites a des pressions allant jusqu'a 387 MPa, Les echantillons etaient secMs sous vide a 105°C pendant trois heures avant la mesure. Le tableau V presente pour chacun des 16 differents materiaux la valeur de porosite totale airtsi que Ie pourcentage volumique de pores dont Ie dia-metre est plus bas que 50nm. L'addition de CaC03 contri-bue a augmenter la porosite totale, notamment par Ie biais d'une augmentation des pores dont Ie diametre est plus important que 50nm.

Les cinetiques de degradation ant ete estimees d'apres des mesures varices effectuees apres des periodes de 10, 20, 40 et 90 jours d'immersion, Des analyses de diffraction des rayons X et des analyses enthalpiques differentielles ont e16 effectuees pour determiner toute modification de la

Figure 1 : Cantenu initial enPartiandite,de. 16 dillerente. piite. hydra• •

a

10 lin de 10 periode de Cure

.tovont/limmer.ian en eau di.tilliHJ.

"

de materiau initiale (solide+'eatl)" les differences des contenus en moles de calciurilpr6sentes, dependant de la nature du materiau, peuvent egaIeJrie:hi expliquer les diffcM rences observees entre les divers <systenies.

Le taux de dissolution de l'hydtoxyde de calcium dans les pates

a

base de C3S n'est pasiIlfluehce deｦ｡ｾｯｮ importante par Ie contenu en CaC03 (figllre2). Ced est realise sur toute la periode qui a etc necessaire pour atteindte la dis-solution complete de tout l'hydroxyde de calcium initiale-ment present. Le tanx de dissolution de la portlandite est par contre acceIere par la presence de CaC03 pour les pates contenant du C3S, C3A et gypse. La distinction entre les pates avec ou sans addition est nette apres 10 jours d'immersion en eau distillee. Durant les 40 premiers jours d'immersion, Ie tanx initial de dissolution est similaire pour les echantillons contenant 5 ou 20 % de CaC03. Par contre apres 40 jours d'immersion, l'utilisation de 20

%

d'addition a accelere deｦ｡ｾｯｮ significative ce taux. Les pates preparees

a

partir du dment Portland ordinaire ont subi une dissolution de la Portlandite

a

un taux en fonc-tion du temps bien mains important. Durant les 10 pre-miers jours d'immersion; la presence de carbonate de calcium ne semble pas avoir d'influence. Par la suite, Ie taux de dissolution estｬ｣Ｎｾｧ･ｲ･ｭ･ｮｴ augmente dans Ie cas de l'utilisation de CaC03.

La dissolution tatale de la Portiandite a ete observee apres une periode d'immersion de 20 jours seulement pour les pates contenant du C3S, C4AF et gypse. Ceci correspond

a

un taux de dissolution particulierement significatif. Dne parosite globalement plus importante de ces pates et des

diffusions d'ions plus rapides

a

travers elles peuvent expliM quer one part de ce constat.

Les taux de dissolution durant les dix premiers jours d'im-mersion pour un materiau contenant un pourcentage donne de carhonate de calcium sont ordonnes de fat;on croissante pour les pMes de ciment, de C,S+C,A+gypse, de C,S et enfin de C,S+C4AF+gypse.

Formation additionnelle de calcite

Lecontenu en calcite a

e16

estime quaHtativement d'apres les analyses DRX. Des estimations quantitatives predses n'ont pu etre realisees puisque l'utilisation d'etalon n'a pas ete employee. Cependant Ie nombre important d'analyses ont pennis d'avoir une idee du contenu approximatif de calcite presente.

Les analyses DRX conduites sur les pates avant toute immersion en eau distillee d6rnontrent une augmentation la plus significative avec Ie pourcentage de CaC03 utilise dans Ie cas des pates du systeme C3S - CaC03. L'intensit6 du pic principal de la calcite dans les echantillons des pates de C,S-CaCO, vaut ainsi 87, 197, 387 et 647 pour respec-tivement, 0, 5 10 ou 20 % de CaC03. Pour les pates des autres systemes, la difference des intensites des pics de cal-citepOUfles pates incorporant0,5ou10% d'addition est moins importante, les intensites restant dans un meme ordre de grandeur. Cette observation peut etre en partie explicable par Ie fait que ces pates contiennent des｡ｬｵｭｩｾ

nates, qui peuvent reagir directement avec Ie carbonate de calcium ajoute.

2001

Figure 2 : Contenus en Portlandite dansI••p8tes hydl'Gt8es du system. C"s • CaC03 en fonction d. la dum d'immersion

en ecrudistill...

4S

90

80

70

60

-+- C

3

S

- •. C

₃

S+5%CaC0

₃ --&-

C

₃

S+10%CaC0

₃ - 0-.

C

₃

S+20%CaC0

₃

50

40

Temps enjours

30

",

_.

'._'

..

20

10

30

.,

₂₅

'"'"

oj

8 20

a

_Q.,

'$.

₁₅

[J

N

@'

10

'<a'

u

5

0

0

Phases AFm et AFt

ｉｾｾｊ［ＺｧＬｾｾＧ［ＺＧｾｾＺ

pourcentage de carbonate de calcium

i ies pAtes dll systeme C3S+C3A+Gypse - CaCO,

22 18

,.

29 10jours 10 22 • 18

contiennent environ 2,5 fois plus de moles d'aluminate que de sulfate (sur la base d'une marne masse de solide, non hydrate, et d'eau). Dne meme caracteristique existe pour les pAtes

a

_{base de C3S+C4AF+Gypse - CaC03. Cependant} la difference entre les contenus en aluminate et sulfate est moins importante (rapport de 1,8). Le contenu en moles de sulfate est plus important que celui des aluminates pour les pates de ciment (rapport de 1,1). La phase AFro (monosul-foaluminate de calcium hydrate) a un ratio molaire alumi-nate/sulfate plus important que celui de la phase AFt correspondante (Ettringite).

Les notations A et B sur les figures 3 et 4 se referent res-pectiveroent, comme dans Ie tableau IV,

a

l'hemicarbo-aluminate de calcium hydrate et au monocarbol'hemicarbo-aluminate de calcium hydrate. Les analyses pour les pates de C3S+C,A+Gypse contenant 10 et20% de CaC03 otaient similaires. La merne remarque peut etre faite pour les pates de ciment contenant 5 et 10 % de CaC03.

En presencede _{CaC03, la presence de}

monosulfoalumi-nate de calcium hydrate n' a pas ete mise en evidence dans les pates de reference contenant du C3A, C3S et du gypse. De l'Ettringite, de l'hemicarboaluminate (en quantite faible) .et du monocarboaluminate de calcium hydrate etaient par contre presents (tableau IV). Les echantillons ne contenant pas d'addition de CaC03 ont subi de la car-bonatation (intensite accrue des pies representatifs de la presence de calcite sur les graphes des analyses DRX) durant l'immersion en eau distillee. Le roonosulfolaumi-nate de calcium hydrate non seuleroent subsiste mais sa quantite croit dans les echantillons immerges en eau distil-lee. Les formations d'hemicarboaluminate et de

monocar-,.

29 10 22 • 18

,.

29

ANNALES DU BATIMENT ET DES TRAVAUX PUBLICS 10

Figure3 : Analyse.DRX.surI•• pate, d.ｃＳｓＫｃｾＫｧｹｰＮ･ (Ontendnt0, 5 e; 20%_{tI. CaC03}

"pre.

diffe,.",.. periode. d'lmmer,lon en .au di,till••.

L..-.-:-'

ＭｾＢａ｟Ｇｆ｟ｭ｟Ｎ

ＭＭＭＺ］Ｍ］ｾ

ｬＮＮＮＮＮＺ｣ＺＭ］ＭＺＭ］｟ａ｟ｆｾｴ

=:-:::::-1

L . . . I

｟ｾ

_ _A_F_t _ ｃＳｓＫｃｾＫｇｹｰｳ･ＫｏＥｃ｡ｃＰＳ ｃＳｓＫｃｾＫｇｹｰｳ･ＫＵＥｃ｡ｃＰＳＺ ｃＳｓＫｃｾＫｇｹｰｳ･ＫＲＰＥｃ｡ｃｏｊ

I

700 300 800 900 600 200 100 1000

'.

0-;; 500

i

... 400

Les pAtes du systeme C3S - CaC03 subissent les pius importantes formations de nouvelle calcite pendantl'ｩｭｾ

mersion en eau disti1l6e. La calcite suppIementaire apparait

principalement pendant les 20 premiersjauIsd'immersion en eau distillee. Ce systeme correspond

a

la plus

impor-tantequantitede Ca(OH)z presente qui· puissereagiravec Ie CO2 pour fonner par carbonatation de la calcite

(figure 1). L'augmentation en terme d'intensit6 de pic de

calcite des analyses DRX ne semble pas influencee de

ｦ｡ｾｯｮ importante par Ie pourcentage d'addition

utilisee.

Pour les autres

pates

des autres

systemes,

la formation de nouvelle calcite semble etre accrue lorsque Ie pourcentage utilise d'additionde carbonate de calcium augmente. Les

differences sont particulierement importantes entre les

pates ne contenant pas ou contenant 5 % d'addition. Dans Ie cas des pates des systemes C3S+C3A+gypse -CaC03 et ciment - -CaC03 la formation de nouvelle calcite intervient durant toute la periode d'immersion. Pour les pAtes du systeme C3S+C4AF+gypse - CaCO,. une aug-mentation significative intervient durant les 20 premiers jonrs d'immersion. Les taux de dissolution de la Portlandite et Ie taux de formation de nouvelle calcite pourraient donc atre eventuellement relies. Pour les pates sans addition, la presence d'aluminates dans Ie materiau peut egalement influer sur les quantites de calcite formee durant l'immersion dans de l'eau distillee.

boaluminate de｣｡ｬ｣ｩｵｭｨｹ｣ｴｲｾＨＶｩＨＩＧｾｦＶｴＶ 6galement obser-v6es d' apres les analysesｊＡＩｬｬ＿Ｇｴ｣ＺＺｾｴ｜･ observation suggere que !'immersion dans deｲｾｾ｜ｬ､ｊＡｴｕｬＶ･ｦ｡ｶｯｲｩｳ･ la libera-tion de plus d'aluminate,Cela:,peut:8tre du

a

un

change-ment desolubilite des phases,:s>base'd'aluminate due en partie

a

nne diminution de<la,concentration en calcium

dans la solution. En presence demonosulfoaluminate de

calcium hydrate, de l'hemkarboaluminate de calcium

hydrate se forme plutot que du monocarboaluminate de calcium hydrate. L'inverse semble se produire quand de }'Ettringite plutot que du

monosulfoaluminate

de calcium hydrat6 est present (voir tableau IV). los piltes

a

base de

ciment et CaC03 ne subissent pas de formation significa-tive de monocarboaluminate de calcium hydrate. Le

contenu en Ettringite semble croftre Iegerement durant

l'

immersion en eau

distillee.

Les piltes de C3S+C"AF+Gypse-CaC03 (dans leur etat de reference) eontlennent de I'Bttringite, dans un degnS limite. L'imrnersion en eau distillee ne modifie pas ce fait. Cependant, meme si Ie rapport aluminate/sulfate duｭ｡ｴ･ｾ

dan est important, une quantite significative de C4AF non hydrate subsiste (visible d'apres les analysesDRX),due

a

un degre d'hydratation limite de ces pfttes. L'hydratation du C4AF est plus lente que celle du C3A. La consideration

du rapport molaire aluminate/sulfate disponibles (pour nSagir) semble plus appropriee que celle du rapport molaire aluminate/sulfate reel comrne mentionne par Kuzel [15]. La presence de carbonate de calCiumempeche laｴｲ｡ｮｳｦｯｲｾ

mation d'Ettringite en monosulfoaluminate de calcium hydrate

a

cause de la fonnation de carboaluminates [16]. Cependant, ceci semble s' appliquer pour une certaine gamme de rapports aluminate/sulfate. Les contenus en

monosulfoaluminate et carboaluminate de calcium hydrate augmentent quand la pftte est immergee en eau distillee. Cependant, les quantites d'aluminate et de sulfate restent sensiblement identiques lors de l'utilisation de CaC03 aux divers pourcentages. II apparait done que non seulement Ie rapport molaire des ces deux especes ioniques estｩｭｰｯｲｾ

tant, mais qu'egalement la nature et Ie moment ou apparait une fonne de carbonate de calcium dans Ie mareriau sont importants.

La fonne que revet Ie carbonate lorsqu'un materiau cimen-taire subit de la carbonatation depend du temps ecoule depuis Ie debut de la carbonatation, du degre de｣｡ｲ｢ｯｮ｡ｴ｡ｾ

tion et de la presence ou del'absence de Portlandite dans Ie mareriau [17]. Si ce produit n'est pas present, du mono-carboaluminate et de la calcite sont formes ｳｵ｣｣･ｳｳｩｶ･ｾ

ment. Sinon, de I'hemicarboaluminate de calcium hydrate apparait avant Ie monocarboaluminate. L'hemicarbo-alumnate de calcium hydrate pourrait etre instable lorsque la concentration en calcium en solution diminue.

Cette hypothese expliquerait pourquoi du monocarbo-aluminate de calcium hydrate apparait dans la pftte de C3S, C3A et gypse (sans addition de CaCO,) lorsque la Portlandite a totalement disparue (figure 3). Dans Ie cas de l'addition de carbonatedecalcium, Ie contenu deｭｯｮｯｾ

carboaluminate (et de I'hemicarboaluminate de calcium hydrate pour Ia pftte contenant 5 % de CaC03) augmente puis decroit des que Ia Portlandite est totalement dissoute. Le meme phenomene semble exister pour la pftte de ciment contenant20%de CaC03 (figure 4). Dans ces cas, Oll la presence d'Ettringite ne se materialise pas par des quanti-tes tres importanquanti-tes, de I'aluminate doit doucetre libere en solution. La dissolution du carboalumiuate de calcium

1 A_F_'_ _

-1

c....

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--III

-_-_A_F' _

Figure4t AnQly••• DRX ...ur I....

"a""

d. elment Portland confenant01 10.t 20%de CaC03

apmdiHerentesperiod.s dl_{immers10n entHlUdistille..}

47

22 18

"

20 10 22 •

"

"

20

J'O

jours 10 22 • 18

"

20 90 jours Ciment+O%CaC03 10 "0 300

'"

'"

,,'

100 '00 1000 ｾ

j

$00 ,5 400

hydrate peut correspondre

a

la formation de nouvelle｣｡ｬｾ

cite, qui ne se forme pas

a

partir d'une reaction avec Ie CO2

atmospherique mais qui provient d'une transformation de produit et qui ramene finalement de la calcite initialement additionnee sous sa forme originelle. Cela peut expliquer pourquoi, meme si Ie processus de carbonatation est simi· laire pour les differentes pates, I' augmentation de calcite presente dans les echantillons est d'autant plus importante lors de l'immersion dans de l'eau distillee que la pate contient plus d'addition de CaC0310rs de sa preparation.

Mesures de changements de longueur

Les mesures de changements de longueur observes sur des echantillons des differentes pates immerges en eau distillee sont presentees sur les figures 5a

a

5d. Chaque figure illustre pour un type donne de pAte, l'influence deｬＧ｡､､ｩｾ

tion de CaC03. La figure 5a montre que la superposition des phenomenes de decalcification et de carbonatation conduit

a

une expansion globale des pates deｃＳｓｾｃ｡ｃＰＳＧ

Le processus de carbonatation n'a jamais ete associe

a

un phenomene d'expansion, La decalcification de l'hy-droxyde de calcium et des C-S-H peut cependant corresw pondre a de I'expansion. Excepte pour la pate contenant 10 % de CaC03, l'expansion est rapidement stabilisee apres environ 12 jours d'immersion. La valeur finale de l'expansion subite decroit 16gerement avec l'utilisation de CaC03 dans Ie materiau.

Les pates du systeme ciment Portland.CaC03 (excepte

pour la pate contenant 10 % de CaC03) demontrent Ie meme type de comportement, ｣Ｇ･ｳｴｾ｡ｷ､ｩｲ･ une expansion initiale suivie par une stabilisation (figure 5b). La pate contenant 10 % de CaC03 subit une faible expansion lors de l'immersion a proprement parler, suivie par un retrait continuo Cependant, l'amplitude de l'expansion ｧｬｯ｢｡ｬ･ｾ

ment subie apres stabilisation depend largement du centage de CaC03 utilise dans Ie materiau,

Les changements de longueur des echantillons des pates de C,S+C,A ou C.,AF+gypse-CaCO, n'ont pas Ole enregis. tres sur des periodes d'immersion aussi importantes. Cependant, on note que Ie taux d'expansion est toujours significatif apres 40 jours d'immersion pour la pate de C,S+C,A+Gypse sans CaCO,.

Vne comparaison des courbes correspondant

a

I'utilisation de 10 % de CaCO, des figures 5a

a

5c revele un compor-tement particulier. En effet, Ie taux d'expansion pOUf ces pates reste significatif durant tout Ie temps de l'immersion. Les courbes enregistrees pour les autres materiaux ne pos-sedent pas la m€me particularite. Les observations au M.E,B. sur ces 6chantillons n'ont pas revele la presence de phases expansives telles que des sulfoaluminate ou carboa-luminate de calcium hydrate.

Pour les pates de C,S+C,A+Gypse-CaCO, il apparalt qu'additionner 5 % de CaC03 conduit a l'initiation d'un nouveau phenomene qui se traduit par une augmentation de l' expansion subie en comparaison avec la pate sans addition. L'utilisation de plus de CaC03 conduit par contre a une expansion plus faible. Le pOUfcentage de CaC03 requit pour induire nne diminution d'expansion du mate-riau correspond sans doute

a

un pourcentage situe entre 10 et 20%,

La presence ou l'absence des phases AFro or AFt ne sem-blent pas pouvoir apporter une explication singuliereｶｩｳｾ｡ｷ

vis du comportement observe. Cependant, I' ordre de gran· deur des expansions subies par les echantillons des pates deｃＳｓＫｃＴａｆＫｇｹｰｳ･ｾ CaC03est plus important que celui des autres piltes. La presence de ｃｾ pourrait done induire un comportement significativement different. La liberation d'energie provenant de la dissolution de phases solides et les perturbations des CwS-H dues aux effets du

Figure 50 : InFluence du (0(03 sur I•• changement. d. longueur d••

pate.

de(35.

ANNALES DU BATIMENT ET DESTRAVAUXPUBUCS

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1-10%CaC03 ..

I - - -20% CaC03

3,*

40

50

Temps enjours

20

10

o

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0.07

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ｾ

5

0.05

ｾ

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0.03

ｾ

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ｾ

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40

40

Temps en jours

30

3D

Temps enjours

...

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20

20

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O"C C03

'

,

-

"

a

Pates de Ciment Portland

- •

'5% CaC03

-10%CaC03

..., _, ... • '20%

Cae03

10

10

.

.

.... ···'···C··

Figure 5b : Influence au C"C03 sur I•• chttngements de longueur de.

pate.

d. cimenf Pornand.

Figure 5c :Inlluenc. duCOC03 .urIe.changementsdelongueurde.

pate.

d.ｃＳｓＫｃｾＫ･［ｹｰＮ･Ｎ

-0,03

o

ｾ

ｾ

0,01

ｾ

§

0,01

15

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-0.01

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c.;

-0.03

0

2001

Figure 5d : Influence du CQC03 sur les changements de longueur des pates d.ｃＳｓＫｃｾｆＫｇｹｰＮ･Ｎ

I

I

l

90

80

70

60

50

ANNALES DU BATIMENT ET DESTRAVAUXPUBLICS

pour reagir) semble avoir un r6le determinant dans la nature des sulfoaluminates de calcium hydrates fonnes. La presence d'hemicarboaluminate ou de monocarboalumi-nate de calcium hydrate depend respectivement de la for-mation preferentielle du monosulfoaluminate de calcium hydrate ou de l'Ettringite.

Le taux de dissolution de I'hydroxyde de calcium depend largement de la composition de la pate et de ses proprietes de transfert, lieesaux caracteristiques porosimetriques. Pour les pates contenant des aluminates, Ie taux de disso-lution de la Portlandite influence la fonnation de produits

a

base de carbonate. II apparait qui plus est que Ie mono-carboaluminate de calcium hydrate peutｾｴｲ･ reconverti en calcite sans la fonnation additionnelle de sulfoaluminate de calcium hydrate. Durant I' immersion dans de I' eau dis-tillee, des aluminates sont done eventuellement relaches en solution.

Les changements de longueur induits par les phenomenes de decalcification et de carbonatation､･ｰ･ｮ､ｾＬｬｬｴ､･ la｣ｯｭｾ

position du materiau immerge. DOllze -:des;.,::-quatorze courbes presentees correspondentit.de

ﾷｲ･ｾｦｮＢＧｓｩｯｮＮ

Cette expansion depend du pourcentage de CaC03 utilise. L'utilisation de C4AF induit des expansions plus imporM

tantes. Cependant, dueit.une difference de degre d'hydra-tation de ces pates, la resistance mecanique de ces pates .etait moins developpee. Les trois autres types de pates ont demontre des expansions duｭｾｭ･ ordre de grandeur. La complexite de l'influence du contenu en CaC03 .sur les changements de longueur des pates

a

base de ciment Portland immergees dans de I'eau distillee suggere que la stabilite volumique de ces systemes est la superposition de phenomenes varies. Le comportement des C-S-H dans ce processus doit etre important. Un comportement singulier a ete observe pOUf les pates de C3S, C3S+C3A+gypse et de

40

Temps enjours

30

20

10

.-o

t

0.07

ii

a

0.05

ｾ

§

0.03

ｾ

ｾ

0.01

Ql

i·0.01

Ol

..c

(.;.0.03

lessivage pourraient joner un role important sur la stabilite volumique des patesirnmergees dans de l'

eall

distil16e.

Ob.ervatlons Ciu

ME8

Ａｾｾｾｩｾｾｩ［ｾｾｾ［ｾ［ｾｂｨｾｩｪｴｪ｜｜､ｾｓ

bnl montre que

Ｇｐｾｾｾｍｴ｜ｾｐｊ＿ｾｲｳＮ･ｮ

solution d'e.u distillee

ＢＬｰｾＬｴＺｴｾｾ｢｡Ｎ､ｯｮｳ

importantes. Uoe augmentation

iosH6

du' materiau

et

un

changement de

fa micro

w

strlJc!ure des ｃｾｓｍ H semblent intervenir. Les diff6rentes

porosites

initiales (tableau V) induisent des

caract.eris-tiques mecaniques initiales differentes. Uoe diminution des propri6tesmecaniques est done induiteparl'immersion en eall distillee puisqu' i1 semble que Ia porasite eroit. Des valeurs de resistances differentes des diverses matrices contribuent sans aucun doute aux differences de change-ments de longueur enregistrees. Une expansion plus importante n'induit pas forcement que les contraintes internes crees ontete plus importantes. Cependant, Ie com-portement des pates contenant 10

%

_{de CaC03 est}

singu-lier alors que les caracteristiques porosimetriques ne sont pas systematiquement differentes. Ce1a suggere que la difM

ference des caracteristiques mecaniques dues

a

la presence de CaC03 ne soit pas la sourcea priorides changements de longueur. 11 est evidemment difficile de separer les effets mecaniques et chimiques (toujours interdependants) lorsque les causes des instabilites volumiques sont

recher-chees.

Le rapport molaire aluminate/sulfate introduit dans la pate (correspondant

a

des aluminates et sulfates disponibles

CONCLUSION

ciment contenant 10

%

de CaCO" La possible incorpora-tion de CaCO, au sein des phasesｨｹ､ｲ｡ｴｾｳ

a

base de sili-cate et Ie degre de reversibilit6 de, ce processus offre une

possible explication ｱｵ｡ｾｴ＾ｾＧＬＺｊＬＧＺｾｰｾｾＮｾｾ｣ｾＧＬｾ･ l' addition de

CaC03 sur la stabilite ｶｯｬｵｭｬｱｾｾＧＺＨＬｩｾｳＬＬＧｭ｡ｴ･ｲｩ｡ｵｸ

cimen-taires inunerges en solution､Ｇ･ｴｬＮｵＴｩｳｾｩＱｬ･･Ｌ

Remerciements

Les auteurs sont reconnaissants au Conseil de Recherches

en Sciences Naturelles et en

Genie

du Canada et au

gOll-vemement de 1a province de Quebec (Fonds FCAR) pour

leur scutien financier pour ce travail. Ils souhaitent

egale-ment remercierR.E. Myers, G. Chan and G.M. Polomark

pOUf leur aide. Mme

1.

Duchesne, professeur, est aussi

remercieepOUfses commentaires avises.

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