MISE AU POINT ET CARACTERISATION DE MICROBETONS CONTENANT DE L’ARGILE :

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MISE AU POINT ET CARACTERISATION DE MICRO- BETONS CONTENANT DE L’ARGILE : INFLUENCE DU

TRAITEMENT THERMIQUE DE L’ARGILE SUR LES PROPRIETES DU MICRO-BETON

Abomey-Calavi, le 30 Août 2013

UNIVERSITE D’ABOMEY-CALAVI

ECOLE POLYTECHNIQUE D’ABOMEY CALAVI DEPARTEMENT DE GENIE CIVIL

MEMOIRE DE FIN DE FORMATION

En vue de l’obtention du diplôme d’ingénieur de conception en Génie Civil.

Option : Bâtiments et Travaux Publics

Thème du mémoire :

Maître de Mémoire : Dr. Ing. Adolphe D. TCHEHOUALI Maître-assistant des universités Enseignant chercheur à l’EPAC Présenté par :

Jesugnon Wilfried AHOUANMENOU

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Wilfried Jesugnon AHOUANMENOU i

Dédicaces

Au Dieu Tout Puissant qui veille constamment sur moi ; A mon père et ma mère, Samson et Marthe AHOUANMENOU;

A mes tuteurs Mamadou et Patricia ZAGRE et leur famille ; A ma chère amie Fadime Irma Gertrud ZALA ; A tous les acteurs de ma formation scolaire et universitaire ;

Aux Forces Armées Béninoises.

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Wilfried Jesugnon AHOUANMENOU ii

Remerciements

Il serait égoïste de prétendre que ce travail n’a été réalisé que par ma seule contribution. Ainsi mes remerciements s’adressent :

– Au Dr. Ing. Adolphe D. TCHEHOUALI, mon maître de mémoire, qui a su me faire partager son savoir et sa rigueur scientifique. Merci pour la très grande disponibilité et l’investissement dans ce travail. Merci pour tout.

– Au Professeur Clément BONOU, directeur adjoint de l’EPAC.

– Au Professeur Martin pépin AINA, chef du département de génie civil.

– A tous les professeurs de l’EPAC surtout à ceux du département de génie civil. Vous n’avez ménagé aucun effort à mettre à ma disposition votre savoir et votre savoir-faire : je vous dirai simplement qu’il y a plus de bien à donner qu’à recevoir.

– A M. Anicet HOUNKPATI pour nous avoir grandement ouvert les portes du lycée technique de KPONDEHOU.

– A M. Pierre AMIDA directeur général de la SCB ; à son directeur d’exploitation, M. Zacharie OKIRI ; à son chef laboratoire, M. Charles MALOMON et tout son personnel.

– A M. Agapi HOUANOU et à M. Valéry Kouandété DOKO pour leurs multiples conseils.

– A Christian ZOUNDJI pour le soutien renouvelé durant ma formation scolaire et universitaire.

– A tous les étudiants de la 6^e promotion d’ingénieurs de l’EPAC pour les divers apports durant ces cinq années de lutte passées à leurs côtés.

– Aux membres de mon groupe de recherche ; je veux nommer Bérenger, Charles, Christian, Franck, Marius, Polynice. Vous m’avez soutenu et vous avez créé autour de moi une atmosphère conviviale.

– A mes parents que je ne pourrai jamais remercier assez pour les grands sacrifices à mon endroit, regardez ce travail comme les prémices du fruit de vos investissements. Mille mercis.

– A mes frères et sœurs : Ezéchiel, Boris, Ruth, et Dorcas. Vous avez créé autour de moi une certaine harmonie qui a su m’encourager. Que ce travail vous serve d’exemple.

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Wilfried Jesugnon AHOUANMENOU iii

Remerciements

– A toi Fadime ZALA : tu as su m’épauler et m’inspirer constamment. La route a été certes longue, mais avec ta complicité, l’arrivée a été belle.

Sincèrement merci pour le soutien de tout ordre, et puisse notre histoire résister au temps.

– A toute la famille ZAGRE à Pissy au Burkina-Faso : Bien que tout petit, loin de mes parents et étranger dans un pays que je ne connaissais pas, vous m’avez chaleureusement accueilli durant ce séjour de sept ans. Vous avez créé autour de moi une atmosphère telle que je me sentais parmi les miens. Dieu n’est pas injuste pour oublier votre travail ni l’amour que vous avez manifesté à mon égard pour son nom.

– A toute la famille ZALA à Pissy au Burkina Faso. Merci pour vos conseils et l’attention à moi accordée.

– A toute la famille AWHANGBO pour leur hospitalité.

– A mes oncles et tantes pour leur soutien de tous ordres.

– A tous mes frères Anciens Enfants de Troupe bénino-burkinabé pour ces sept années d’échange et de partage.

– A tous ceux qui de près ou de loin sont intervenus d’une quelconque manière dans mon éducation et la réalisation de ce travail, je témoigne ma profonde gratitude.

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Wilfried Jesugnon AHOUANMENOU iv

Hommages

 Au président du jury pour l’honneur qu’il nous fait d’accepter présider ce jury.

 Aux membres du jury pour avoir consenti à consacrer leur temps à juger notre travail. Nous sommes certains que vos multiples apports contribueront à l’améliorer.

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Wilfried Jesugnon AHOUANMENOU v

Résumé

La présence d'argile dans les granulats à béton, surtout ceux alluvionnaires, se fait fréquemment remarquer. Les argiles ayant toujours été considérées comme des polluants des granulats, la réalisation d’un bon béton suppose l’utilisation de granulats exempts de fines argileuses.

Par ailleurs, la raréfaction des granulats classiques et le renchérissement du coût des matériaux de construction recommandent la recherche de nouveaux matériaux de plus en plus performants, élaborés à partir des intrants de proximité. Dans cette optique, un grand nombre de travaux récents ont rapporté que l’introduction de fines argileuses dans le béton ne créée pas toujours des nuisances au matériau élaboré, mais au contraire, peut améliorer certaines de ses caractéristiques dépendamment de la nature de l’argile, de sa teneur et du traitement thermique qui lui est appliqué.

Les investigations menées dans le cadre du présent mémoire ont pour but de mettre au point et de caractériser du micro-béton contenant de l’argile. Nous avons procédé à la détermination des caractéristiques physiques et mécaniques de bétons contenant de l’argile, en nous intéressant à deux argiles que l’on retrouve au BENIN : l’une prélevée à Sô-Ava dans le lac NOKOUE et l’autre extraite de la terre de barre prélevée à Abomey-Calavi. Nous avons opéré sur des micro-bétons faits de ciment, gravillon, sable et eau dans lesquels nous avons substitué une partie du sable par l’argile.

Les paramètres pertinents étudiés sont : La teneur en argile et le traitement thermique (séchage à 105°C et cuisson à 600°C et 1000°C).

Les résultats obtenus montrent que :

– un granulat contenant des fines argileuses séchées ou crues peut être utilisé dans le béton à condition de ne pas contenir une grande quantité de fines, l’influence des fines sur les propriétés du béton étant liée à la nature de l’argile ;

– le traitement thermique de l’argile améliore ses propriétés et affecte de façon significative les propriétés physiques et mécaniques du béton ;

– la cuisson de l’argile à 600°C confère au béton les meilleures résistances (jusqu’à 20% de gain par rapport au témoin, pour une substitution du sable par 15%

d’argile), faisant de cette température, celle optimale.

Mots clés : Argile, micro-béton, granulats, traitement thermique.

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Wilfried Jesugnon AHOUANMENOU vi

Abstract

The presence of clay in combination with aggregates in concrete, especially alluvial aggregates is frequently pointed out. Clays having always been regarded as pollutants of the aggregates, the realization of good concrete supposes the use of aggregates free from argillaceous fines.

In addition, the scarcity of classical aggregates and the increase of the cost of building materials recommend the search of new increasingly powerful materials, elaborated from the local materials. Accordingly, a great number of recent works reported that the introduction of argillaceous fines into concrete created not always harmful effects to the worked out materials, but on the contrary, can improve its characteristics, dependently of the nature of the clay, its content and the thermic processing which is applied to it.

The purpose of the investigations carried out within the framework of the present report is to develop and to characterize micro-concretes containing clay. We proceeded to the determination of physical and mechanical characteristics of concretes containing clay, while being interested in two clays which are found in BENIN: one taken in Sô-ava in the lake NOKOUE and the other extracted from bar earth of Abomey-Calavi. We operated on micro-concretes made of cement, fine gravel, sand and water in which we substituted a part of sand for clay. The relevant parameters studied are: content of clay and thermic processing (drying at 105°C and cooking at 600°C and 1000°C).

The results obtained show that:

– An aggregate containing dried or raw argillaceous fines can be used in the concrete with the proviso of not containing a great quantity of fines, the influence of fines on the properties of concrete being related to the nature of clay ;

– The thermic processing of clay improves its properties and affects to a significant degree the physical and mechanical properties of the micro-concrete ;

– The cooking of clay with 600°C confers to the concrete best resistances (up to 20% of profit compared to the concrete of reference, for a substitution of sand by 15% of clay), making this temperature, that optimal.

Key words: Clay, micro-concrete, aggregates, thermic processing.

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Wilfried Jesugnon AHOUANMENOU vii

Table des matières

Dédicaces ... i

Remerciements ...ii

Hommages ... iv

Résumé ... v

Abstract... vi

Liste des sigles et abréviations ... x

Liste des figures ... xi

Liste des photos ... xiv

Liste des tableaux... xv

Introduction générale ... 1

Chapitre 1 : Synthèse bibliographique ... 3

Généralités sur les bétons et les additions minérales ... 3

1.1. 1.1.1. Le ciment ... 3

1.1.2. Les granulats ... 9

1.1.3. L’eau ... 10

1.1.4. Les adjuvants ... 11

1.1.5. Les additions minérales ... 12

Les argiles et le traitement thermique ... 16

1.2. 1.2.1. Les différents types d’argile ... 17

1.2.2. Influence du séchage (T ≤ 110°C) sur les propriétés des argiles ... 21

1.2.3. Influence de la cuisson (T>110°C) sur les propriétés des argiles .... 26

1.2.4. Influence des argiles sur les propriétés du béton ... 28

1.2.5. Conclusion ... 30

Chapitre 2 : Mise au point des micro-bétons contenant de l’argile traitée thermiquement ... 31

Les matériaux utilisés ... 31

2.1. 2.1.1. Le ciment ... 31

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viii Wilfried Jesugnon AHOUANMENOU

Table des matières

2.1.2. L’eau ... 31

2.1.3. Le sable ... 31

2.1.4. Le gravillon ... 32

2.1.5. Les argiles utilisées dans l’étude ... 33

Le matériel pour l’élaboration des micro-bétons ... 38

2.2. Formulation des micro-bétons ... 38

2.3. 2.3.1. Mise en œuvre des micro-bétons témoins ... 38

2.3.2. Mise en œuvre des micro-bétons contenant de l’argile ... 39

Mode de confection des micro-bétons ... 40

2.4. 2.4.1. Le malaxage ... 40

2.4.2. Le serrage du micro-béton ... 41

2.4.3. Le mûrissement du micro-béton ... 41

Chapitre 3 : Caractéristiques physiques et mécaniques des micro-bétons contenant de l’argile traitée thermiquement ... 42

Matériel et méthode ... 42

3.1. 3.1.1. Temps de prise et stabilité des mélanges ciments-argiles ... 42

3.1.2. Propriétés physiques ... 44

3.1.3. Propriétés mécaniques ... 47

Résultats et discussions ... 49

3.2. 3.2.1. Temps de prise et stabilité des mélanges ciments-argiles ... 49

3.2.2. Caractéristiques physiques ... 52

3.2.3. Caractéristiques mécaniques ... 61

Perspectives d’étude ... 73

3.3. 3.3.1. Comparaison de la maniabilité tenant compte du mode de traitement d’une part et du type d’argile d’autre part ... 73

3.3.2. Comparaison de la masse volumique des micro-bétons frais ... 74

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Wilfried Jesugnon AHOUANMENOU ix

Table des matières

3.3.3. Comparaison de la masse volumique absolue des micro-bétons durcis

... 75

3.3.4. Comparaison de la porosité ... 75

3.3.5. Comparaison des résistances mécaniques ... 76

Conclusion ... 81

Bibliographie ... 83

Annexe ... 91

Annexe A : Propriétés physiques des micro-bétons ... 92

A.1. Maniabilité ... 92

A.2. Masse volumique du micro-béton frais ... 92

A.3. Masse volumique absolue du micro-béton durci ... 93

A.4. Porosité ... 93

Annexe B : Propriétés mécaniques des micro-bétons ... 94

B.1. Résistance à la compression des micro-bétons à 7 jours ... 94

B.4. Résistance à la traction des micro-bétons à 7 jours ... 95

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Wilfried Jesugnon AHOUANMENOU x

Liste des sigles et abréviations

 A1 : Argile extraite au bord du lac NOKOUE.

 A2 : argile extraite de la terre de barre d’Abomey-Calavi.

 EPAC : Ecole Polytechnique d’Abomey-Calavi.

 Fc : Résistance à la compression.

 Fc7 : Résistance à la compression à 7 jours.

 Ft : Résistance à la traction.

 Ft7 : Résistance à la traction à 7 jours.

 MEB : Microscope électronique à balayage.

 MPa : Méga Pascal.

 SCB : Société des Ciments du Bénin.

 : masse volumique.

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Wilfried Jesugnon AHOUANMENOU xi

Liste des figures

Figure 1.1 - Appareil de VICAT muni de son aiguille. ... 6

Figure 1.2 – Représentation du tétraèdre SiO4^4-. ... 17

Figure 1.3 – Vue en perspective de la structure d’un feuillet tétraédrique arrangé selon un réseau hexagonal. ... 18

Figure 1.4 – Structure d’alumine octaédrique. ... 18

Figure 1.5 - Représentation en perspective d’une couche de kaolinite. ... 19

Figure 1.6 – Représentation schématique de la structure de la kaolinite. ... 19

Figure 1.7 - Représentation en perspective d’une structure de muscovite. ... 20

Figure 1.8 - Représentation en perspective d’une structure de smectite. ... 21

Figure 1.9 - Photographie MEB d’un empilement de plaquettes (kaolin traité à 1050°C). ... 27

Figure 2.1 – Courbe granulométrique du sable de DEKOUNGBE. ... 32

Figure 2.2 – Courbe granulométrique du gravillon. ... 33

Figure 2.3 – Abaque de plasticité de Casagrande. ... 35

Figure 2.4 – Courbe granulométrique du sable issu de la terre de barre. ... 35

Figure 3.1 – Schéma du principe de l’essai de traction par flexion. ... 48

Figure 3.2 – Schéma du principe de l’essai de compression. ... 49

Figure 3.3 – Variation des temps de début et fin de prise en fonction de la teneur en A1. ... 50

Figure 3.4 – Variation des temps de début et fin de prise en fonction de la teneur en A2. ... 50

Figure 3.5 – Variation de la consistance du micro-béton en fonction de la teneur en A1. 53 Figure 3.6 – Variation de la consistance du micro-béton en fonction de la teneur en A2. 53 Figure 3.7 – Variation de la masse volumique du micro-béton frais en fonction de la teneur en A1. ... 55

Figure 3.8 – Variation de la masse volumique du micro-béton frais en fonction de la teneur en A2. ... 55

Figure 3.9 - Variation de la masse volumique absolue du micro-béton durci en fonction de la teneur en A1. ... 57

Figure 3.10 – Variation de la masse volumique absolue du micro-béton durci en fonction de la teneur en A2. ... 57

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Wilfried Jesugnon AHOUANMENOU xii

Liste des Figures

Figure 3.11 – Variation de la porosité en fonction de la teneur en A1. ... 59 Figure 3.12 – Variation de la porosité en fonction de la teneur en A2. ... 59 Figure 3.13 – Variation de la résistance à la compression à 7, 28 et 60 jours en fonction de la teneur en A1-105. ... 62 Figure 3.14 – Variation de la résistance à la compression à 7, 28 et 60 jours en fonction de la teneur en A1-600. ... 62 Figure 3.15 – Variation de la résistance à la compression à 7, 28 et 60 jours en fonction de la teneur en A1-1000. ... 63 Figure 3.16 – Variation de la résistance à la compression à 7, 28 et 60 jours en fonction de la teneur en A2-105. ... 65 Figure 3.17 – Variation de la résistance à la compression à 7, 28 et 60 jours en fonction de la teneur en A2-600. ... 65 Figure 3.18 – Variation de la résistance à la compression à 7, 28 et 60 jours en fonction de la teneur en A2-1000. ... 66 Figure 3.19 – Variation de la résistance à la traction à 7, 28 et 60 jours en fonction de la teneur en A1-105. ... 68 Figure 3.20 – Variation de la résistance à la traction à 7, 28 et 60 jours en fonction de la teneur en A1-600. ... 68 Figure 3.21 – Variation de la résistance à la traction à 7, 28 et 60 jours en fonction de la teneur en A1-1000... 69 Figure 3.22 – Variation de la résistance à la traction à 7, 28 et 60 jours en fonction de la teneur en A2-105. ... 70 Figure 3.23 – Variation de la résistance à la traction à 7, 28 et 60 jours en fonction de la teneur en A2-600. ... 71 Figure 3.24 – Variation de la résistance à la traction à 7, 28 et 60 jours, en fonction de la teneur en A2-1000... 71 Figure 3.25 - Variation de la consistance du micro-béton en fonction du type d’argile. .. 74 Figure 3.26 - Variation de la masse volumique du micro-béton frais en fonction du type d’argile. ... 75 Figure 3.27 – Variation de la masse volumique absolue du micro-béton durci en fonction du type d’argile. ... 76 Figure 3.28 – Variation de la porosité en fonction du type d’argile. ... 76

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xiii Wilfried Jesugnon AHOUANMENOU

Liste des Figures

Figure 3.29 – Variation des résistances à la compression à 7 jours en fonction du type d’argile. ... 77 Figure 3.30 – Variation des résistances à la traction à 7 jours en fonction du type d’argile.

... 77 Figure 3.31 - Variation des résistances à la compression à 28 jours en fonction du type d’argile. ... 78 Figure 3.32 - Variation des résistances à la traction à 28 jours en fonction du type d’argile. ... 78 Figure 3.33 - Variation des résistances à la compression à 60 jours en fonction du type d’argile. ... 79 Figure 3.34 - Variation des résistances à la traction à 60 jours en fonction du type d’argile. ... 79

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Wilfried Jesugnon AHOUANMENOU xiv

Liste des photos

Photo 2.1 – Four de marque NABARTHERM. ... 36

Photo 2.2 – Aspects de l’argile A1 en fonction du traitement thermique ... 37

Photo 2.3 – Aspects de l’argile A2 en fonction du traitement thermique. ... 37

Photo 3.1 – Appareil de LE CHATELIER. ... 43

Photo 3.2 – Table à secousses. ... 45

Photo 3.3 – Presse mécanique de marque ELE INTERNATIONAL. ... 47

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Wilfried Jesugnon AHOUANMENOU xv

Liste des tableaux

Tableau 1.1 – Tableau des constituants chimiques du ciment (Govin, 2004). ... 4

Tableau 1.2 – Exigences mécaniques et physiques définies en termes de valeurs caractéristiques (NF EN 197-1). ... 8

Tableau 1.3 –Tableau des valeurs de la constante diélectrique (Mitchell, 1976). ... 24

Tableau 2.1 – Nomenclature des argiles thermiquement traitées. ... 37

Tableau 2.2 – Nomenclature des micro-bétons. ... 39

Tableau 2.3 – Composition des micro-bétons. ... 40

Tableau 3.1 – Mélanges ciment-argile pour les essais de prise et de stabilité. ... 44

Tableau 3.2 – Variation de l’expansion des pâtes de ciment contenant A1. ... 51

Tableau 3.3 – Variation de l’expansion des pâtes de ciment contenant A2. ... 51

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Wilfried Jesugnon AHOUANMENOU 1

Introduction générale

Le béton est l’un des matériaux les plus utilisés dans le domaine du génie civil, et son histoire nous révèle qu’il est en perpétuelle évolution. Dans ce sens, de nombreuses recherches sont menées sur le béton pour lui conférer de nouvelles aptitudes pour faire face aux nouveaux défis. La formulation classique des bétons qui, pendant très longtemps, s’était reposée sur une simple association ternaire ciment, eau et granulats, a connu une évolution remarquable au point où les bétons d’aujourd’hui ne sont plus composés seulement de ces trois constituants. On en compte quatre voire cinq : ciment, eau, granulats, additions minérales et adjuvants. L’addition de substances minérales au béton pour accroître ses performances est un ancien principe, mais ce qui est souvent recherché est l’additif le plus adéquat se trouvant dans nos alentours immédiats pour éviter ou limiter l’importation de matériaux. Au nombre de ces additions minérales, nous avons le laitier vitrifié moulu de haut fourneau, les cendres volantes, les fumées de silice, les fillers calcaires, les schistes calcinés, les pigments et les matériaux pouzzolaniques. Certaines de ces additions sont obtenues à base d’argile traitée thermiquement et affectent de manière significative les propriétés des matériaux cimentaires à l’état frais comme à l’état durci.

Autrefois, les sables utilisés dans le béton au Bénin provenaient essentiellement des sols minéraux bruts et des sols peu évolués du cordon littoral. Ces sols sont généralement sableux et grossiers, faciles à laver et leur analyse granulométrique montre l’absence totale d’éléments fins (Azontonde, 1991). Mais, vu les dispositions écologiques prises pour lutter contre l’érosion côtière, il a été question de remplacer ces sables par des sables issus de roches massives, ou de terrasses alluvionnaires contenant souvent de l’argile généralement considérée comme nuisible au béton. De plus, la raréfaction des matériaux et le renchérissement des coûts, consécutifs à l’épuisement des ressources locales (granulats classiques), renforce l’exigence de développer de façon continue la recherche en vue de mettre au point de nouveaux matériaux de plus en plus performants en utilisant les matériaux de proximité.

Les argiles sont des matières premières naturelles et abondantes qui sont utilisées depuis la plus haute antiquité. De nos jours, les domaines d’utilisation sont variés et nous pouvons noter le domaine du génie civil dans lequel ces argiles sont très utilisées soit comme additions minérales, soit comme granulats, soit comme matériaux pour la réalisation d’agglomérés. Les matières premières argileuses séchées et traitées thermiquement se consolident. La cuisson a pour conséquence une modification

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Introduction générale

importante de la microstructure. De nombreux auteurs (Sersale, 1980; Pichon, Gaudon, Benhassain, & Eteradossi, 1996; Kara Ali & Gallias, 1998; Kari, 2002; Bessa-Badreddine, 2004; Nonat, 1994; Collins & Sanjayan, 1999) se sont focalisés sur l’influence des additions minérales en substitution au ciment sur les propriétés des bétons et sont arrivés à la conclusion que, dans certaines proportions, elles amélioraient ces propriétés. D’autres (Unikowski, 1982; Moukwa, Lewis, Shah, & Ouyang, 1993; Pike, 1992; Ben, 2009;

N'DAH, 2012; Fam & Santamarina, 1996) ont étudié l’influence des argiles comme ajouts aux granulats et sont eux aussi arrivés à la conclusion que, selon le type d’argile et les proportions de ces dernières, elles amélioraient ou pas certaines propriétés des bétons.

Mais ils n’abordent pas de façon précise l’influence du traitement thermique des fines argileuses sur les propriétés du béton.

Ainsi, pour répondre à un souci économique et technique, ce travail est consacré à l’étude des caractéristiques physiques et mécaniques de béton élaboré en y introduisant, comme compléments granulaires et en doses contrôlées, une certaine quantité d’argile traitée thermiquement. Le mémoire est structuré en trois chapitres.

Le premier chapitre fait état des connaissances sur le sujet en présentant tout d’abord les généralités sur les bétons et les additions minérales. Ensuite il décrit les argiles, leur traitement thermique et leur influence sur les propriétés des bétons.

Le deuxième chapitre s’intéresse à la mise au point de micro-bétons en mettant en exergue, les matériaux, le matériel et la description des méthodes utilisées pour la réalisation des essais et la confection des éprouvettes.

Le troisième chapitre quant à lui, traite de la caractérisation du micro-béton sous l’influence de certains paramètres tels que le type d’argile, la teneur en argile et l’état des argiles (séché ou cuit) après traitement thermique.

Enfin viendront les grandes conclusions et les perspectives offertes par ce travail.

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Chapitre 1 : Synthèse bibliographique

1. Chapitre 1 : Synthèse bibliographique

Dans ce chapitre, l’état de l’art sur le matériau béton sera fait en mettant l’accent sur les bétons contenant les additions minérales en général et les fines argileuses en particulier. Le chapitre est structuré en deux sous chapitres que sont : les généralités sur les bétons et les additions minérales ; les argiles, leur traitement thermique et leur influence sur les propriétés du béton.

Généralités sur les bétons et les additions 1.1.

minérales

Le béton est composé d'un mélange de deux constituants essentiels : les granulats et la pâte. Les granulats se composent de sable, de gravier ou de pierre concassée. La pâte se compose de liants (ciment portland par exemple avec ou sans ajouts cimentaires), d’eau et d’air. La pâte, agissant comme une colle, durcit et forme une masse qui, du fait de la réaction chimique du ciment et de l'eau (hydratation), prend la consistance d’une roche, pour former ce qu’on appelle le béton. Les adjuvants et les additions servent à améliorer certaines caractéristiques du béton frais ou durci. Chacun de ces composants joue un rôle bien précis dans le mélange (Walther & Miehlbradt, 1990).

1.1.1. Le ciment

Le ciment est un liant hydraulique, c'est-à-dire un matériau minéral finement moulu qui, gâché avec de l'eau, forme une pâte qui fait prise et durcit par suite de réactions et de processus d'hydratation, et qui, après durcissement, conserve sa résistance et sa stabilité même sous l'eau.

Les constituants du ciment 1.1.1.1.

Les ciments dits courants sont décrits, définis, classés et spécifiés dans la norme (NF EN 197-1, février 2001).Tous contiennent du clinker, en proportion très variable, de 95 % éventuellement pour un CEM I, à 5 % possible pour un CEM III/C, selon leur type.

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Chapitre 1 : Synthèse bibliographique

Le clinker résulte de la cuisson d’un mélange approprié de calcaire et d’argile, en proportions respectives moyennes de 80 % et 20 %. Extraits de carrières le plus souvent distinctes, ces matériaux sont intimement mélangés par broyage fin pour constituer ce qu’on appelle le « cru », dont l’aspect est celui d’une farine blanche.

Il est ensuite procédé au préchauffage puis à la cuisson du cru, dans un four rotatif cylindrique de longueur 100 m environ, légèrement incliné sur l’horizontale.Ce traitement thermique, d’une durée de l’ordre d’une heure, imposé au mélange entraîne la décarbonatation du calcaire (aux alentours de 900 °C) puis un phénomène dit de clinkérisation (vers 1450 °C). Il est suivi d’un refroidissement énergique permettant de recueillir le clinker sous forme de nodules de dimensions centimétriques. Les quatre principaux constituants du ciment portland sont :

– Les silicates bicalciques (Bélites) : 2 CaO.SiO2 ou par abréviation C2S ; – Les silicates tricalciques (Alites) : 3 CaO.SiO2 ou par abréviation C3S ; – Les aluminates tricalciques (Célites) : 3 CaO.Al2O3 ou par abréviation C3A ;

– Les alumino-ferrites tétracalciques (Célites) : 4 CaO.Al2O3.Fe2O3 ou par abréviation C4AF.

Le Tableau 1.1 nous montre que les silicates de calcium C3S et C2S représentent à peu près 75% de la masse du ciment (Govin, 2004). Les caractéristiques granulaires du ciment sont exprimées par sa granulométrie et sa finesse de mouture. Cette finesse de mouture appelée aussi surface spécifique de Blaine peut atteindre 4000 cm²/g pour les ciments à forte résistance au jeune âge (Andriamanantsilavo, 2003; Bastide, 1993).

Tableau 1.1 – Tableau des constituants chimiques du ciment (Govin, 2004).

Constituants Silicate tricalcique

Silicate bicalcique

Aluminate tricalcique

Aluminoferrite

tétracalcique Gypse Formule

chimique 3CaO.SiO2 2CaO.SiO2 3CaO.Al2O3 4CaO.Al2O3.Fe2O3 CaSO4.2H2O Notation

cimentaire C3S C2S C3A C4AF

C S H^ 2

Teneur (%) 50 - 65 15 - 20 8 - 10 7 - 10 2

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Hydratation du ciment, prise et durcissement 1.1.1.2.

1.1.1.2.1. Hydratation du ciment

On désigne par hydratation du ciment, l’ensemble des réactions chimiques qui se produisent entre l’eau de gâchage et les différents minéraux du ciment (C2S, C3S, C4AF, C3A, et le sulfate de calcium), dont les atomes présentent des liaisons insaturées qui, au contact de l’eau, sont le siège de nombreuses réactions d’adsorption, d’hydrolyse, de dissolution, de solvatation et enfin de cristallisation des différents minéraux hydratés (Regourd, 1982). Les réactions d’hydratation des différents minéraux du clinker et d’ajouts chimiquement actifs se présentent sous forme de réactions exothermiques et sont responsables de la prise et du durcissement des matériaux cimentaires (Andriamanantsilavo, 2003).

C'est l'hydratation des silicates de calcium qui participe le plus au développement de la résistance mécanique en produisant les silicates de calcium hydratés. Par contre, les aluminates de calcium accélèrent la prise et dégagent une forte chaleur d’hydratation initiale ce qui accélère la prise et le durcissement mais fragilise la matrice cimentaire (Aitcin, Neville, & Acker, 1997; Kosmatka, Panarese, Gissing, & Macleod, 1995).

Plusieurs théories ont été développées concernant l’hydratation du ciment dont l’une par LE CHATELIER en 1882 et l’autre par MICHAELIS en 1893. D’après LE CHATELIER (Bastide, 1993) trois phénomènes concomitants concourent au phénomène de prise d’une pâte de ciment :

– La dissolution des constituants du ciment dans l’eau ;

– La formation de solutions sursaturées par rapport aux différents hydrates ;

– La précipitation et la cristallisation de ces hydrates dans les vides inter- granulaires.

D’après les travaux scientifiques réalisés par MICHAELIS (Regourd, 1982) la formation colloïdale d’hydrosilicate de chaux est le seul phénomène caractéristique et important de la prise et du durcissement de tous les liants hydrauliques calcaires.

1.1.1.2.2. Prise et durcissement

On nomme par prise, le phénomène de raidissement de la pâte de ciment qui passe progressivement de l’état fluide à l’état raffermi d’un solide, même si la résistance mécanique est encore très faible.

(22)

Les phénomènes chimiques, physiques et physico-chimiques de la prise se déroulent durant les premières heures après le gâchage. Le début de prise survient généralement quelques minutes à quelques heures après le gâchage; il s’apprécie à l’aide de l’essai d’enfoncement par l’aiguille VICAT (Figure 1.1).

Le durcissement quant à lui se manifeste dès la fin de la prise et s’accompagne d’un accroissement important mais progressif au cours du temps des résistances mécaniques ; d’où la nécessité scientifique et normative de mesurer ou contrôler cette résistance Rc (résistance à la compression) à un âge spécifié; la référence principale des normes et règles techniques étant 28 jours, soit quatre semaines.

Figure 1.1 - Appareil de VICAT muni de son aiguille.

Classification des ciments 1.1.1.3.

1.1.1.3.1. Classification suivant la composition

La norme (NF EN 197-1, février 2001) définit et présente les spécifications de 27 ciments courants et de leurs constituants. Ces ciments sont regroupés en cinq types principaux selon la teneur des constituants autres que le gypse ajouté ou non au clinker à savoir :

(23)

– CEM I : Ciment Portland Artificiel ; – CEM II : Ciment Portland composé ; – CEM III : Ciment de haut fourneau ; – CEM IV : Ciment pouzzolanique ;

– CEM V : Ciment composé (aux laitiers et aux cendres).

Ces ciments diffèrent par le type et la teneur de l’ajout incorporé dans le but de modifier certaines de leurs propriétés en raison des conditions environnementales et mécaniques (Dreux & Festa, 1998). Les différents types d’ajouts normalisés sont :

– Laitier granulé de haut fourneau (S): (NF P 18-506, 1992) ; – Matériaux pouzzolaniques (P, Q): (NF EN 197-1, février 2001);

– Cendres volantes (V, W): (NF EN 450, 1995);

– Schiste calciné (T) ; (NF EN 197-1, février 2001) ; – Filler calcaire (L, LL) : (NF P 18-508, 1994);

– Fumée de silice (D) : (prEN 13263, 1998).

1.1.1.3.2. Classification suivant les résistances à la compression

La norme européenne (NF EN 197-1, février 2001) répartit les ciments courants en trois classes de résistance, 32,5 – 42,5 – 52,5, définies par la valeur minimale de la résistance normale à la compression mesurée à 28 jours conformément à la norme (NF EN 196-1, Août 1995) et exprimée en MPa. Pour les ciments de classes 32,5 et 42,5, il est fixé une valeur maximale de la résistance normale à 28 jours, comme indiqué dans le Tableau 1.2. Pour chaque classe de résistance courante, deux classes de résistance à court terme sont définies, une classe avec résistance à court terme normale (ordinairement indiquée par la lettre N) et une classe de résistance à court terme élevée (indiquée par la lettre R).

(24)

Tableau 1.2 – Exigences mécaniques et physiques définies en termes de valeurs caractéristiques (NF EN 197-1).

Désignation de la classe

de résistance

Résistance à court

terme (MPa) Résistance courante à 28 jours

(MPa)

Temps de début

de prise (min)

Stabilité (mm) à 2 jours à 7 jours

32,5 N - 16

32,5 52,5 75

10

32,5 R 10 -

42,5 N 10 -

42,5 62,5 60

42,5 R 20 -

52,5 N 20 -

52,5 - 45

52,5 R 30 -

1.1.1.3.3. Classification suivant le type d’environnement

Selon certains environnements spéciaux où les ciments peuvent se trouver (Baron, Olivier, & Weiss, 1996), on distingue :

– Le ciment PM : conforme à la norme (NF P 15-317, 1995), c’est un ciment courant résistant à l'eau de mer, et possédant des caractéristiques physiques et chimiques complémentaires (teneur limitée en aluminate tricalcique) qui lui donnent une résistance accrue à l'agression des ions sulfate en présence d'ions chlorure, au cours de la prise et ultérieurement.

– Le ciment ES : conforme à la norme (XP P 15-319, septembre 1995), c’est un ciment courant résistant aux eaux sulfatées, et présentant des teneurs limitées en aluminate tricalcique (C3A) afin d’avoir une résistance accrue à l'agression des ions sulfate au cours de la prise et ultérieurement.

– Le ciment CP : conforme à la norme (NF P 15-318, septembre 1995), et utilisé pour béton précontraint, on en distingue deux types qui différent par leur teneur en ions sulfure SO42- :

 Ciments de la classe CP2 contenant moins de 0,2 % d'ions sulfure et recommandés pour la précontrainte par pré-tension.

 Ciments de la classe CP1 contenant moins de 0,7 % d'ions sulfure et recommandés pour la précontrainte par post-tension.

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La norme (NF EN 197-1, février 2001) retient également des critères de conformité autres que les résistances : temps de début de prise, stabilité, teneurs en sulfates ou en chlorures.

1.1.2. Les granulats

Les granulats sont selon la norme (XP P 18-540, octobre 1997), l’ensemble des grains de dimensions comprises entre 0 et 125 mm. Matériaux inertes en principe, ils peuvent favoriser certaines réactions d’hydratation de certains minéraux du clinker et c’est l’exemple des silicates tricalciques C3S en présence de filler d’origine calcaire. Ils peuvent être d’origine naturelle (sables et graviers de mer et de rivière), artificielle (argile expansée, polystyrène expansé) ou issus du recyclage de déchets de l’industrie (laitier de haut fourneaux). Ils constituent l’ossature du béton et occupent 70 à 80 % environ du volume d’un béton.

Leur utilisation pour la confection d’un béton est motivée par le faible coût volumique, par une meilleure durabilité et stabilité volumétrique par rapport au mélange ciment-eau (Neville, 1992). En effet, la nature, la quantité, la forme, la granulométrie, la propreté, l’état de surface et le type de granulats sont des facteurs qui influencent les caractéristiques du béton, aussi bien à l’état durci qu’à l’état frais. Les principales divisions granulométriques des granulats données par la norme (XP P 18-540, octobre 1997) sont les suivantes :

– fillers 0/D où D < 2 mm avec au moins 70 % de passant au tamis de 0,063 mm ; – sablons 0/D où D ≤ 1 mm avec moins de 70 % de passant au tamis de 0,063

mm ;

– sables 0/D où 1 < D ≤ 6,3 mm ; – graves 0/D où D > 6,3 mm ;

– gravillons d/D où d ≥ 1 et D ≤ 125 mm ; – ballasts d/D où d ≥ 25 mm et D ≤ 50 mm.

La norme (XP P 18-540, octobre 1997) prescrit les caractéristiques essentielles des granulats destinés aux bétons hydrauliques. Ces caractéristiques sont les suivantes pour :

– Le gravier : Grains de dimensions allant de 1 à 125 mm. D’après la norme (P 18- 891, septembre 1990), l’essai de propreté des graviers consiste à déterminer le pourcentage d’éléments < 0,5 mm. Ce pourcentage de vase et argiles éliminées lors de l’essai doit être ≤ 1,5% pour gravillons n’ayant pas subi de concassage, et

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≤ 3% pour ceux concassés. La granularité du gravier est fixée par le D prescrit ou admissible pour le béton à préparer et l’absorption d’eau fixée à une valeur maximale de 5% pour les bétons hydrauliques selon la norme (NF P 18-541, Août 1994).

– Le sable : Grains de dimensions allant de 0 à D où 1 < D ≤ 6,3 mm. Selon la norme (NF EN 933-8, 1998), sont préférables les sables ayant un Equivalent de Sable (ES) compris entre 75 et 85 % (Walther & Miehlbradt, 1990) et une granularité définie principalement par les paramètres suivants :

 teneur en fines (passant au tamis 0,08mm) ≤ 12% ;

 le module de finesse compris entre 1,8 et 3,2 ; le meilleur compromis résistance-maniabilité-maintien de l’homogénéité se situe à 2,5 ± 0,35 environ;

 une bonne continuité de la courbe granulométrique est nécessaire pour la maniabilité du béton (NF P 18-541, Août 1994).

– Les fillers : Grains de dimensions allant de 0 à D où D < 2 mm avec au moins 70

% de passant au tamis 0,063 mm d’après la norme (XP P 18-540, octobre 1997).

1.1.3. L’eau

Selon la norme (NF EN 1008, juillet 2003), l’eau est un ingrédient essentiel du béton qui joue deux fonctions principales. L’une consistant à conférer au béton sa maniabilité à l’état frais et l’autre assurant l’hydratation des grains de ciment pour la prise et le durcissement. La quantité d’eau utilisée ou plus précisément le rapport eau/ciment a une forte influence sur la porosité du béton, sa perméabilité, ses résistances mécaniques, sa durabilité, sa microstructure, et sa cinétique d’hydratation, etc. (Petrov, 2003). L'eau de gâchage peut avoir plusieurs origines, mais seule l’eau potable est présumée conforme aux exigences de la norme (NF EN 1008, juillet 2003), les autres comme l’eau récupérée de la fabrication de bétons, eaux d'origine souterraine, eaux naturelles de surface et eaux de rejet industrielles, eau de mer et eaux saumâtres, doivent être soumises à des essais de contrôle préliminaire.

(27)

1.1.4. Les adjuvants

L’usage des adjuvants s’est généralisé dans l’élaboration des bétons depuis plusieurs décennies. Selon la norme (NF EN 934-2, septembre 2002), les adjuvants sont des produits chimiques organiques ou inorganiques, se présentant le plus souvent sous forme liquide à température ordinaire. Ils sont incorporés à faible dose (moins de 5 % de la masse du ciment), en général lors du malaxage et destinés à améliorer les propriétés d’un béton, d’un mortier ou d’un coulis, à l’état frais ou durci. Chaque adjuvant est ainsi désigné par sa fonction principale et peut en outre présenter une ou plusieurs fonctions concomitantes appelées fonctions secondaires qui peuvent entrainer parfois des effets non directement recherchés. Les grandes familles de fonctions remplies peuvent être rangées en trois catégories à savoir la modification de l’ouvrabilité du béton frais, la modification de la cinétique de la prise et/ou du durcissement et la modification d’autres propriétés.

Comme adjuvants, on distingue :

– Les plastifiants : Conduisant à une augmentation de l’ouvrabilité sans diminuer les résistances mécaniques à terme ;

– Les plastifiants/réducteurs d'eau : élaborés à partir de lignosulfonates (composé benzénique, coproduit de l’industrie du bois), ou de dérivés de naphtalène et conduisant, à même ouvrabilité, à une augmentation des résistances mécaniques par une réduction de la teneur en eau.

– Les superplastifiants/hauts réducteurs d'eau : qui provoquent un accroissement très important de l’ouvrabilité tout en autorisant une réduction supplémentaire de la teneur en eau.

– Les rétenteurs d'eau : obtenus à partir d’agents colloïdaux ou dérivés de la cellulose, ils régulent l’évaporation précoce de l’eau (avant hydratation), favorisant la stabilité du mélange fluide et réduisant le ressuage.

– Les entraîneurs d'air : élaborés à partir de substances tensioactives, ils provoquent la formation dans le béton, de microbulles d’air restant uniformément réparties dans la masse. La présence de microbulles crée un réseau connecté par recoupement des capillaires, améliorant la résistance au gel du béton durci.

– Les accélérateurs de prise : dérivés de la soude, de la potasse ou de l’ammoniaque ; ils diminuent les temps de début et de fin de prise.

– Les accélérateurs de durcissement : Ils accélèrent le développement des résistances initiales.

(28)

– Les retardateurs de prise : produits à base de lignosulfonates, hydrates de carbone, oxydes de zinc ou de plomb ; ils augmentent les temps de début et de fin de prise.

– Les hydrofuges de masse : Ils conduisent à une diminution de l’absorption capillaire, améliorant l’étanchéité à l’eau du béton ; et sont élaborés à partir d’acides gras (graisses animales), de leurs stéarates (sels de l’acide stéarique) ou d’agents fluidifiants.

Il existe aussi d’autres adjuvants comme : les raidisseurs pour béton projeté, les adjuvants pour coulis d’injection, les adjuvants pour mortier stabilisé, les colorants, les inhibiteurs de corrosion, les générateurs de gaz (Dreux & Festa, 1998; Aitcin & Baron, 1996; Bernier, 2005).

1.1.5. Les additions minérales

Une addition minérale est définie par la norme européenne (NF EN 206, Avril 2004) comme étant un matériau minéral finement divisé utilisé dans le béton afin d’améliorer certaines propriétés ou pour lui conférer des propriétés particulières. La norme européenne (NF EN 206, Avril 2004) considère deux types d’additions :

– Le type I : additions quasiment inertes ;

– Le type II : additions à caractère pouzzolanique ou hydraulique latent.

Comme additions de type I nous avons :

– Les fillers conformes à la prénorme (prEN 12620, 2000);

– Les pigments conformes à la norme (EN 12878).

– Comme additions de type II, nous avons :

– Les cendres volantes conformes à la norme (NF EN 450, 1995);

– Les fumées de silice conformes à la norme (prEN 13263, 1998).

Laitier granulé de haut fourneau 1.1.5.1.

Conformément à la norme (NF P 18-506, 1992), il est obtenu par refroidissement rapide du laitier fondu provenant de la fusion du minerai de fer dans un haut fourneau. Il contient au moins deux tiers en masse de laitier vitreux et présente des propriétés hydrauliques après avoir subi une activation convenable. Le rapport massique

2

a g

i

C O M O S O

 doit être supérieur à 1,0 d’après la norme.

(29)

Cendres volantes (V, W) 1.1.5.2.

Conformes à la norme (NF EN 450, 1995), ce sont des produits pulvérulents de grande finesse, provenant du dépoussiérage des gaz des chaudières des centrales thermiques (Bastide, 1993). On distingue deux familles de cendre volantes :

– Cendres volantes siliceuses (V) : Ce sont des particules sphériques ayant des propriétés pouzzolaniques ; constituées essentiellement de silice (SiO2) réactive et d'alumine (Al2O3) ainsi que d'oxyde de fer (Fe2O3) et autres composants. La teneur en oxyde de calcium (CaO) < 10% en masse, la teneur en silice (SiO2) réactive > 25 % en masse.

– Cendres volantes calciques (W) : Elles présentent des propriétés hydrauliques et/ou pouzzolaniques ; contenant une teneur en oxyde de calcium (CaO) réactif

> 10% en masse, le reste étant de la silice (SiO2) réactive, de l'alumine (Al2O3), de l'oxyde de fer (Fe2O3) et d'autres composants.

Schiste calciné (T) 1.1.5.3.

Conforme à la norme (NF EN 197-1, février 2001), il est produit dans un four spécial à une température avoisinant les 800 °C. Composé de silicate bicalcique et d'aluminate monocalcique, ainsi que de petites quantités de chaux libre et de sulfate de calcium, le schiste calciné finement broyé présente, outre des propriétés pouzzolaniques, des propriétés fortement hydrauliques.

Filler calcaire (L, LL) 1.1.5.4.

Conforme à la norme (NF P 18-508, 1994), c’est un matériau très finement broyé.

Il a pour rôle de remplir les vides entre les sables et les graviers, tout en présentant une certaine activité physico-chimique en favorisant l’hydratation des silicates tricalciques (Dreux & Festa, 1998). La teneur en calcaire (CaCO3) ≤ 75 % en masse, la teneur en argile ≤ 1,20 g/100 g, la teneur totale en carbone organique (TOC) < 0,20 % en masse pour (LL) et < 0,50 % en masse pour (L).

Fumée de silice (D) 1.1.5.5.

Conforme à la norme (prEN 13263, 1998), elle provient de la réduction de quartz de grande pureté par du charbon dans des fours à arc électrique et est formée de particules sphériques contenant au moins 85 % en masse de silice amorphe.

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C’est une poudre d’une extrême finesse de 15000 à 25000 m²/kg, ce qui lui donne la capacité de se placer dans les interstices des grains de ciments en diminuant la demande en eau du mélange (effet filler). Mais son dosage est limité à 10% de la masse du ciment pour protéger les armatures dans le béton (problème de PH) (Aitcin, 2001;

Chanvillard, 1999).

Matériaux pouzzolaniques 1.1.5.6.

1.1.5.6.1. Définition

Conformes à la norme (NF EN 197-1, février 2001), ce sont des substances naturelles ou artificielles siliceuses ou silico-alumineuses, ou une combinaison de celles-ci contenant de l'oxyde de fer (Fe2O3) et d'autres oxydes ; mais la teneur en SiO2 réactif doit être au moins égale à 25 % en masse. Lorsqu’ils sont finement broyés, ils réagissent à température ambiante, en présence d'eau, avec l’hydroxyde de chaux CaOH pour donner naissance à des composés nouveaux, stables, peu solubles dans l’eau et possédant des propriétés liantes (Venuat, 1989). On distingue :

– Pouzzolane naturelle (P) : matériau provenant des volcans ou des roches sédimentaires, et ayant naturellement des propriétés pouzzolaniques, il est composé de silice, d’alumine et d’oxyde de fer ;

– Pouzzolane naturelle calcinée (Q) : matériau provenant des volcans, des argiles, des schistes ou des roches sédimentaires, activés thermiquement.

1.1.5.6.2. Propriétés

Les pouzzolanes sont des roches "acides" ayant des teneurs élevées en silice et en alumine (entre 70 et 80% pour les deux composants ensemble), puis en fer, en alcalins, en magnésie et en chaux.

Les pouzzolanes naturelles d’origine sédimentaire ont des teneurs en silice encore plus élevées (cas des squelettes siliceux de micro-organismes). Les quantités de chaux sont limitées, ce qui explique par ailleurs, la capacité des pouzzolanes à fixer la chaux (Sersale, 1980; Pichon, Gaudon, Benhassain, & Eteradossi, 1996).

Les pouzzolanes sont formées surtout d’éléments vitreux. Elles sont plus au moins réactives. La réactivité est l’aspect chimique de fixation de la chaux. L’activité pouzzolanique s’explique par une attaque lente de la silice et de l’alumine des pouzzolanes

(31)

par l’hydroxyde de chaux. Des tests chimiques basés sur la quantité de chaux absorbée ou sur sa vitesse de fixation ne suffisent pas pour déterminer la réactivité pouzzolanique.

Tous les matériaux appelés « pouzzolanes » ne possèdent pas forcément cette propriété de fixation de chaux. On peut dans certains cas, activer les pouzzolanes par certains procédés :

– ajouts de produits chimiques ; – broyage à une finesse plus élevée ; – traitement thermique.

En plus des propriétés ci-dessus citées, on remarque aussi :

– Les propriétés hydrauliques : la pouzzolane réagit avec l’eau, en présence d’une quantité suffisante de chaux, pour former des hydrates stables, peu solubles et résistants à long terme.

– Les propriétés physiques de remplissage : en plus de leur effet pouzzolanique, elles jouent un rôle de remplissage des pores des produits hydratés et de correcteurs granulaires, ce qui améliore la compacité et diminue la perméabilité.

Influence des additions minérales sur les propriétés 1.1.5.7.

du béton

Par leur finesse et par leur réactivité plus ou moins importante en présence du ciment, les additions minérales engendrent des modifications significatives sur les propriétés des matériaux cimentaires à l’état frais et durci. A l’état frais, la présence des additions minérales modifie la structure du squelette granulaire et les frictions entre les composants solides dans la phase liquide. Au cours de la prise et du durcissement, les particules des additions interagissent dans le processus d’hydratation du ciment en modifiant la structure des produits hydratés et pour certaines peuvent réagir chimiquement en milieu cimentaire pour former de nouveaux produits hydratés qui présentent un caractère liant supplémentaire.

Les mécanismes à l’origine de ces modifications paraissent particulièrement complexes. Cependant plusieurs études (Baron & Olivier, 1997; Cyr, 1999; Lawrence, 2000; Lawrence, Cyr, & Ringot, 2003; Cyr, Lawrence, & Ringot, 2006; Kari, 2002), s’accordent pour distinguer trois principaux effets des additions minérales dans un matériau cimentaire.

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– Un effet granulaire résultant des modifications apportées par l’addition sur la structure granulaire du matériau en présence d’eau et éventuellement d’adjuvant et qui agit sur les propriétés rhéologiques et la compacité des matériaux cimentaires à l’état frais (Collins & Sanjayan, 1999; Bajou, Youjun, & Qianlian, 2000; Kronlof, 1994; Zhang & Han, 2000) ;

– Un effet physico-chimique et microstructural engendré par les multiples interactions entre les particules de l’addition et le processus d’hydratation du ciment, et qui agit sur l’évolution de l’hydratation du ciment au cours de la prise et du durcissement (Lilkov, Dimitrova, & Petrov, 1997; Hanna, 1987; Ramlchan, Thomas, & Hooton, 2004; Memon, Radin, Zain, & Trottier, 2002; Caré, Linder, Baroghel Bouny, De Larrard, & Charonnat, 2002; Husson, 1991) ;

– Un effet purement chimique propre à certaines additions en milieu cimentaire (essentiellement présent dans le cas des additions du type II selon la norme (NF EN 206, Avril 2004)), qui agit au cours de l’hydratation du ciment et qui interagit fortement avec l’effet physico-chimique et microstructural (Appa Rao, 2001;

Demirboga, 2003).

Les argiles et le traitement thermique 1.2.

Les argiles sont des silicates d’alumine plus ou moins hydratés (n SiO2 Al2O3 n’

H2O) de taille inférieure à 2 microns, présentant une structure cristalline dont l’écartement des plans est caractéristique des différents types d’argile (Leprun & Roy- Noël, 1976). Il s’agit de matériaux instables et hétérogènes à différentes échelles. A l’échelle macroscopique, elles sont souvent associées à d’autres minéraux (quartz, feldspath, micas). A l’échelle microscopique, elles présentent une structure en feuillet. Les particules argileuses ont un comportement particulier, et deux sols ayant une même répartition granulométrique caractéristique des argiles peuvent présenter des propriétés très différentes. Il faut donc aller plus loin dans la description de ces matériaux et faire notamment une analyse minéralogique. L’argile peut se retrouver dans la nature à l’état pur ou mélangée à certains sols. C’est le cas de la terre de barre, (barro : argile sableuse à l’état humide en portugais) définie comme une formation plus ou moins meuble, de couleur rouge à brun rouge. Elle est légèrement ’’collante’’ et peut en fonction de la zone et de la profondeur renfermer une plus ou moins grande quantité d’argile.

(33)

1.2.1. Les différents types d’argile

Les groupes d’argiles les plus connus sont : – Les kaolinites ;

– Les illites ; – Les smectites.

Quant aux minéraux interstratifiés, ce sont des mélanges réguliers ou non de feuillets de minéraux argileux simples.

Les éléments de base dans la structure des minéraux argileux sont de deux types:

des tétraèdres de silice (Figure 1.2) et des octaèdres d'alumine (Figure 1.4) dont les ions Si et Al peuvent être remplacés par d'autres ions de rayons ioniques similaires et pouvant entrer dans une structure tétraédrique ou octaédrique. Ainsi Si⁴⁺peut être remplacé par Al³⁺ et Al³⁺ peut être remplacé par Mg²⁺ ou Fe³⁺.

Le premier élément de base est constitué d'un atome de silicium de valence (+4) entouré par quatre atomes d'oxygène de valence (-2). Dans la structure en feuillet présentée sur la Figure 1.3, il reste pour chaque élément de base, une charge négative sur l'oxygène supérieur, qui peut atteindre un état d'équilibre s'il fixe un ion H⁺.

Figure 1.2 – Représentation du tétraèdre SiO4^4-.

Le deuxième élément de base est constitué d'un atome d'aluminium équidistant de six atomes d'oxygène ou hydroxyles, selon une coordination octaédrique présentée sur la Figure 1.4.

(34)

Ces deux éléments peuvent s'assembler en feuillets que l'on symbolisera par un trapèze pour les tétraèdres (de silicium) et par un rectangle pour les octaèdres (d'aluminium ou autre).

Figure 1.3 – Vue en perspective de la structure d’un feuillet tétraédrique arrangé selon un réseau hexagonal.

Figure 1.4 – Structure d’alumine octaédrique.

Les kaolinites 1.2.1.1.

La formule générale du groupe des kaolinites est (Si2) (Al2)O5(OH) 4 (Grim R. E., 1968). Les feuillets Si et Al sont fortement liés du fait de l'oxygène qu'ils mettent en commun (Figure 1.5). Les faces inférieures des feuillets Si sont chargées par des oxygènes, et les faces supérieures des feuillets Al par des groupes hydroxyles OH-, ce qui permet la création de liens hydrogènes puissants entre les couches successives. Les

(35)

feuillets presque en contact empêchent les molécules d'eau, dont le diamètre de 2,7 Å est important, de pénétrer.

En microscopie électronique, les minéraux de kaolinite se présentent sous forme de plaquettes hexagonales correspondant à un empilement de 103 à 106 feuillets élémentaires parfois remarquablement bien développées (Figure 1.6); cependant on constate certaines déformations et en particulier des élongations. D'autre part, les cristaux peuvent manifester des altérations plus ou moins marquées, se traduisant par une exfoliation des feuillets ou une corrosion du cristal.

Figure 1.5 - Représentation en perspective d’une couche de kaolinite.

Figure 1.6 – Représentation schématique de la structure de la kaolinite.

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Les Illites 1.2.1.2.

Les couches de ces minéraux sont constituées de deux feuillets de tétraèdres Si qui mettent en commun leur oxygène avec une couche d'octaèdres d'Al au milieu, (Figure 1.7). L'équilibre électrique est assuré par un nombre adéquat de (OH)^- et (O^2-). Quand Si⁴⁺ est remplacé par Al³⁺, de gros ions K⁺ viennent s'intercaler entre les couches pour assurer l’électroneutralité.

En microscopie électronique, les illites sont caractérisées par de très fines particules de quelques centaines d'Angströms de diamètre, souvent équidimensionnelles mais, pouvant s'allonger légèrement dans certains cas et prendre la forme de lattes.

Figure 1.7 - Représentation en perspective d’une structure de muscovite.

Les smectites 1.2.1.3.

La caractéristique essentielle de ce minéral (Figure 1.8) est de posséder entre des couches de même constitution que l’illite un certain nombre de couches d’eau, si bien que la distance entre deux couches est très variable. Cette capacité d’absorption d’eau est réversible ; le matériau gonfle et peut atteindre plusieurs fois son volume sec. Plusieurs substitutions sont possibles, surtout dans la couche octaédrique, et peuvent créer un déficit de charge annihilé par l’adsorption d’ions extérieurs Na⁺ ou Ca²⁺.

En microscopie électronique, les smectites se présentent sous la forme de feuillets très étendus ayant souvent un aspect fripé ou des bords enroulés. La taille des particules est nettement inférieure au micromètre, et leur épaisseur est très faible, quelques dizaines d’Angströms, c’est à dire ici quelques feuillets.

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Figure 1.8 - Représentation en perspective d’une structure de smectite.

1.2.2. Influence du séchage (T ≤ 110°C) sur les propriétés des argiles

Les variations de la température et de la pression entrainent des changements de propriétés des interactions entre les grains du sol. Les minéraux argileux les plus sensibles à la température sont les argiles gonflantes (smectites) qui se transforment dès 40°C en interstratifiés illite-smectite. En effet, la couche de base de cette argile est identique à celle des illites [3 feuillets (Si-Al-Si)], mais le lien entre les couches successives est assuré par de l'eau en quantité variable. Les faibles liens retenant cette eau entre les couches favorisent la déshydratation sous des températures modérées. On assiste fréquemment à une transformation progressive en illite, pour autant que la teneur en potassium (K) soit suffisante pour créer un lien intercouche typique de ce minéral. Cette transformation entraîne des changements de composition des eaux interstitielles et un effondrement de la texture.

Entre 70 et 80° C, la destruction de la kaolinite peut déjà être déclenchée dans les sédiments argileux sous pression (Dunover de Segnonzac, 1970). Ce minéral persiste pourtant au-delà de 200°C. La kaolinite se transforme probablement en chlorite entre 150 et 200°C. S'il y a beaucoup de potassium et un pH élevé, la kaolinite se transforme en illite (Henley, 1959).