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Congrs Franais de Mcanique Bordeaux, 26 au 30 aot 2013

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Influence de laddition du sable de dune en poudre au ciment sur les proprits des btons

S. Guettala(a, b)

, B. Mezghicheb

a. Dpartement de gnie civil, Universit de Djelfa, 17000 Djelfa, Algrie

b. Laboratoire de recherche en gnie civil LRGCB, Universit de Biskra, 07000 Biskra, Algrie

Rsum :

Ce travail exprimental a port essentiellement sur ltude de la possibilit dutiliser le sable de dune en poudre (SDP) comme addition partielle en masse au ciment Portland. L'incorporation du sable de dune en poudre, sous forme de substitution au ciment Portland permet dobtenir une nouvelle varit de ciment compos ayant des proprits physico-mcaniques suprieures celles du ciment Portland. Les rsultats obtenus montrent que la contribution de laddition du sable de dune en poudre lactivit liante du ciment rsulte essentiellement de trois effets : physique, physico-chimique et chimique. Ces effets agissent simultanment et de manire complmentaire sur les proprits des btons.

Abstract :

This experimental work has focused on studying the possibility of using dune sand powder (DSP) as part addition to Portland cement. The incorporation of dune sand powder as an alternative to Portland cement yields a new variety of cement compound with physico-mechanical properties superior to those of Portland cement. The results obtained show that the contribution of addition dune sand powder to the cement binding activity results primarily from three effects : physical, physico-chemical and chemical. These effects act simultaneously and in a complementary way on the properties of concretes.

Mots cls : Ciment Portland, Addition, Sable de dune en poudre (SDP), Ciment compos, Proprits des btons.

1 Introduction

Les additifs prsentent une activit liante croissant avec leur quantit, leur finesse, leur composition

minralogique et le type de ciment influe galement. En termes pratiques, cette activit liante se traduit par

un gain de rsistance [1]. Par leur finesse et par leur ractivit plus ou moins importante en prsence du

ciment, les additions minrales engendrent des modifications significatives sur les proprits des matriaux

cimentaires ltat frais et durci. Les mcanismes lorigine de ces modifications paraissent particulirement complexes, cependant plusieurs tudes rcentes [2, 3, 4 et 5] saccordent pour distinguer trois principaux effets des additions (un effet granulaire, un effet physico-chimique et un effet chimique). Le

sable de dune est un matriau d'une grande disponibilit en Algrie. Ce matriau est pratiquement non

exploit, malgr les ventuelles caractristiques qu'il peut prsenter. La contribution de laddition du sable de dune en poudre SDP lactivit liante du ciment rsulte essentiellement de deux effets : un effet physico-chimique et un effet chimique. Son rle est dune part de modifier le processus dhydratation du ciment ainsi que la structuration des produits hydrats et, dautre part, de ragir en milieu cimentaire pour former de nouveaux produits hydrats. Ces effets agissent simultanment et de manire complmentaire sur les

proprits des btons. Le troisime effet physique est leffet granulaire relatif aux modifications induites par la prsence des particules fines dans le squelette solide du mlange [6 et 7]. L'utilisation du ciment

prmlang au SDP est un excellent moyen pour diminuer les missions de dioxyde de carbone, amliorer

les rsistances en compression et mme la consistance du mlange frais (les ptes deviennent plus fluides).

Au bout de 28 jours, la rsistance en compression 5, 10 et 15% de SDP est suprieure celle du ciment de

rfrence CEM I. Le sable de dune en poudre joue un rle bnfique jusqu' des teneurs de 20% avec un

effet optimum pour un pourcentage de lordre de 5 10%. L'analyse par DRX a mis en vidence le rle pouzzolanique du SDP. En effet, la faible quantit de portlandite dtecte dans les ptes de ciment en

prsence du SDP, traduit la raction pouzzolanique partielle, qui contribue l'augmentation de la rsistance

en compression et qui amliore la compacit des ptes du ciment par trois effets : physique, physico-

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chimique et chimique. Les rsistances jeune ge se dveloppent cause de l'acclration de l'hydratation du

ciment combine leffet physique, tandis que celles moyen et surtout long terme se dveloppent grce la raction pouzzolanique [6 et 7]. A la lumire de ce qui a t voqu prcdemment, lobjectif recherch est dvaluer exprimentalement la contribution combine des effets physique, physico-chimique et chimique de laddition du SDP sur les proprits physiques et mcaniques des btons.

2 Matriaux

- Il sagit ici dun broyage du sable de dune, aprs en procde au tamisage. Le choix dune addition par rapport une autre est en gnral, aprs la disponibilit locale des cots acceptables, fait en fonction de la

teneur leve en silice. Nous avons utilis un sable de dune de la rgion de Biskra. Du point de vue chimique

la constatation importante signaler est la prsence dun fort pourcentage en silice SiO2 qui est suprieur 74%, et par consquent le sable de dune de Biskra est un sable siliceux. Nous avons analys par

diffractomtrie aux rayons X le SDP, pour mettre en vidence sa nature minralogique. Les rsultats

montrent que le SDP prsente une structure siliceuse cristallise du type low-quartz. La masse volumique

apparente = 1300 kg/m3, la masse volumique des grains = 2770 kg/m

3 et la surface spcifique = 4000 cm/g.

- Le ciment utilis est un CEM I de classe 42.5 MPa. Il rsulte du broyage du clinker avec environ 5% du

gypse, pour la rgularisation de la prise. Le clinker est celui de la cimenterie de Ain-Touta (Batna). L'analyse

chimique du clinker montre qu'il est conforme la norme NFP 15-301. La masse volumique apparente =

1120 kg/m3, la masse volumique des grains = 3050 kg/m

3 et la surface spcifique = 3200 cm/g.

- Leau utilise est leau potable (eau du robinet) qui contient peu de sulfate et dont la temprature est de 20 1C, sa qualit est conforme aux prescriptions de la norme NFP 18-404.

- Le sable utilis provient de la rgion de Biskra (Rivire dOued-Djedi). La courbe granulomtrique du sable sinscrit dans le fuseau recommand. Lanalyse granulomtrique est donne sur la FIG. 1. La masse volumique apparente = 1440 kg/m

3, la masse volumique des grains = 2500 kg/m

3, le module de finesse =

2,37 (prfrentiel), l'quivalent de sable (ES vue) = 73 (sable lgrement argileux de propret admissible

pour btons de qualit courante) et l'quivalent de sable (ES piston) = 68.

- Nous avons utilis des pierres concasses de fractions 7/15 et 15/25 de la rgion de AIN-TOUTA (Batna).

La courbe granulomtrique est prsente sur la FIG. 1. La masse volumique apparente = 1420 kg/m3, la

masse volumique des grains = 2610 kg/m3 et le coefficient de Los Angeles = 21% (dur).

FIG. 1 Courbe granulomtrique du sable et gravier

3 Formulation des btons

L'optimisation de la formulation des btons s'appuie sur plusieurs critres qui doivent faire lobjet dun compromis: la consistance, la rsistance, la durabilit et l'conomie. Devant la multiplicit des mthodes

utilises pour dterminer la composition des btons, on a utilis celle qui semble tre la moins connue. Cest

8 9 2 3 4 5 6 7 8 9 2 3 4 5 6 7 8 9 2 30.10 1.00 10.00

OUVERTURES DES MAILLES (mm)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

PA

SS

AN

TS

CU

MU

LE

S (

%)

Sable

Gravier

Fuseau

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3

la mthode de B. Scramtaiv. Cette mthode repose sur le fait que la somme des volumes absolus des

matriaux dorigine dans un mtre cube est gale au volume de la composition du bton dam [8]. On dsire raliser un bton dont la rsistance moyenne Rb28j = 63 MPa et dont la consistance est telle que son affaissement au cne soit de 7 0.5 cm. Dans tous les essais le rapport E/L 0.4, A = 0.6, Dmax = 25 mm et

S/G = 0.42. Les compositions des trois mlanges de btons sont reportes dans le TAB.1

BO : Bton ordinaire base de CEM I

B10 : Bton base de CEM I + 10% SDP

B20 : Bton base de CEM I + 20% SDP

TAB. 1 Compositions des btons en (kg/m3)

4 Rsultats et discussions

4.1 Proprits physiques

4.1.1 Consistance

Il est important de connatre les proprits du bton ltat frais avant prise et durcissement. Parmi ces proprits, la consistance qui peut se dfinir comme la facilit de la mise en uvre des btons. Lessai daffaissement au cne dAbrams norme NF P 18-451 est actuellement en usage dans le monde entier ; il fournit des mesures fiables, de variabilit restreinte. En fonction des affaissements obtenus, la classe de

consistance des diffrents btons est plastique (laffaissement varie de 5 9 cm).

4.1.2 Porosit volumique

Gall [9] indique que la porosimtrie leau peut tre une mthode plus raliste que la porosimtrie par intrusion de mercure. En effet, la porosimtrie leau prend en compte la micro-porosit capillaire (c--d. les pores dont le diamtre moyen est compris entre 0,8 et 2 m) ainsi que la porosit des C-S-H (volume interfoliaire) car leau peut pntrer dans des espaces dune taille de 0,5 m. A partir du volume de lprouvette, on peut alors calculer sa porosit volumique reprsentant le rapport de son volume poreux son volume total. Sur une base exprimentale, soit par la pese hydrostatique dune prouvette sature, on dtermine alors le volume total de lprouvette (fraction poreuse et solide) et on calcule ainsi sa porosit volumique, exp partir de la relation suivante :

exp (%) = ((Msss Msche) / (Msss Meau)) 100 % (1)

O :

exp : Porosit volumique tablie exprimentalement par pese hydrostatique, excluant le volume dair pig et/ou entran (%);

Msss : Masse de l'prouvette sature, superficiellement sche (g);

Msche : Masse sche de lprouvette (g); Meau : Masse de l'prouvette sature, superficiellement sche, pese dans leau (g).

La procdure d'valuation de la porosit est la suivante : Les prouvettes sont sches dans une tuve

105C pendant 24 heures, puis immerges dans l'eau pendant 48 heures, l'chantillon est mis ensuite dans un

bain d'eau bouillante pendant 5 heures, les prouvettes sont retires pour tre peses l'air et l'eau (pese

hydrostatique). La mthode utilise dans ce test est celle tablie par ASTM dsignation C 624 [10]. La

porosit est estime aprs 28 et 180 jours de durcissement sur des prouvettes cubiques de (101010) cm3. Les rsultats obtenus sont reprsents sur la FIG. 2.

Btons

Constituants BO B10 B20

Eau/liant 0.52 0.49 0.46

Ciment 350 315 280

Sable 0/5 538 538 538

Gravier 7/15 446 446 446

Gravier 15/25 828 828 828

10% Sd - 35 -

20% Sd - - 70

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4

FIG. 2 Porosit accessible leau des btons en fonction du temps

La porosit du matriau est le premier indicateur de la durabilit, car la porosit est le sige des agressions

extrieures : plus le matriau est poreux, plus la pntration dagents est facilite, et donc plus sa durabilit est limite. Les rsultats montrent que : 28 jours de durcissement, la porosit du bton B10 est infrieure

celle des autres btons, ce qui est expliqu par la bonne qualit de linterface mortier/gravier. 180 jours, la porosit diminue pour atteindre les valeurs reprsentes sur la FIG. 2, laddition du 10 % SDP a provoqu une rduction de lordre de 32% de la porosit par rapport celle du bton ordinaire. Les btons amliorent leur porosit long terme, ce qui confirme la continuation des ractions dhydratation, conduisant ainsi au dveloppement de la structure interne par la production de nouveaux produits dhydratation qui prcipitent pour fermer les pores dj existant dans la structure, en faisant diminuer le nombre de gros pores et

augmenter celui des petits pores. Pour le bton B20, une croissance de la porosit de lordre de 9.6% moyen terme (28 jours). Par contre long terme (180 jours) une rduction de lordre de 12.5% celle du BO.

4.1.3 Interface mortier/gravier

Linterface mortier/gravier est souvent dcrite comme une zone dont lpaisseur, variable de 10 50 m, dpend principalement des proprits pouzzolaniques des additions minrales. Cette zone prsente une forte

porosit ce qui induit des caractristiques mcaniques mdiocres. Il est souvent avanc que ladhsion entre le gravier et le mortier conditionne la rsistance mcanique des btons [11 et 12].

Pour examiner la zone de transition interfaciale 180 jours des btons BO et B10, nous avons procd un

agrandissement (200) partir dun MEB sur surfaces polies. Les analyses ont t faites au laboratoire de luniversit de Biskra. Le microscope lectronique balayage utilis pour ce travail est un JEOL JSM 6390 LV quip dune microsonde pour lanalyse en slection dnergie.

Pour cela, les chantillons sont dabord coups et polis afin de prsenter une surface plane. La qualit des analyses est donc directement lie la qualit du polissage. La surface analysable est de (22) cm

2 et

l'paisseur de l'chantillon ne doit pas dpasser 1.5 cm. Les photos obtenues au MEB et la microanalyse

lmentaire par spectromtrie X sont prsentes sur les FIGS. 3a et 3b.

a. Bton ordinaire base de CEM I

0

2

4

6

8

10

12

28 jours 180 jours

Po

ro

sit

(%

)

BO B10 B20

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5

b. Bton base de CEM I + 10% SDP

FIG. 3 Observation au MEB de la zone de transition interfaciale et la microanalyse lmentaire par spectromtrie X

Les FIGS. 3a et 3b reprsentent respectivement lobservation au MEB du point de contact mortier/gravier des btons BO et B10. On peut voir que, la zone de transition interfaciale est presque inexistante pour le

bton B10, le mortier est en contact direct avec le gravier. Inversement, une microfissure spare le mortier du

gravier pour le bton ordinaire et la fissuration amorce au sein du mortier. La microstructure des btons se

diffrencie essentiellement au niveau du degr de dcollement linterface mortier/gravier. Pour le bton B10, La raction pouzzolanique permet daugmenter la rsistance linterface mortier/gravier. En effet, la portlandite cristallise la surface des graviers, la raction avec le SDP permet de consommer celle-ci et de

crer des hydrates de type C-S-H II semi-cristallis de deuxime gnration bien lis aux graviers. La microanalyse lmentaire par spectromtrie X montre que le rapport (CaO/SiO2) plus faible dans le cas du

bton B10 de lordre de (1.11) par rapport celui du bton ordinaire de lordre de (1.58). Selon [13 et 14], cette diminution du rapport (CaO/SiO2) traduit parfaitement la fixation de la portlandite par le sable de dune

en poudre (raction pouzzolanique).

4.2 Proprits mcaniques

Dans cette partie, il sagit des essais de compression, flexion et traction par fendage sur des prouvettes cubiques, prismatiques et cylindriques, respectivement [8]. On a confectionn trois sortes de btons BO, B10

et B20, chaque srie comprend trois chantillons. Les prouvettes ont t conserves leau pour viter tout change deau avec lextrieur, la temprature a t maintenue constante 20 1C. Les rsultats obtenus des rsistances 7, 28, 90 et 180 jours, sont illustrs sur la FIG. 4.

FIG. 4 Rsistance la compression, flexion et traction par fendage des btons en fonction du temps

Pour tous les btons la rsistance en compression augmente progressivement avec l'ge de conservation dans

l'eau, ce qui peut s'expliquer par le dveloppement du phnomne d'hydratation du ciment en fonction du

temps en prsence d'une humidit suffisante (FIG. 4). Cela est d la cintique de la raction dhydratation du ciment et de la raction du SDP avec la portlandite. La prsence du SDP acclre la raction dhydratation du ciment Portland. Cet effet acclrateur sur lhydratation, combin leffet de remplissage d leur

0

10

20

30

40

50

60

7 28 90 180 7 28 90 180 7 28 90 180

Compression Flexion Traction par fendage

Temps (Jours)Rsi

sta

nce (

MP

a)

BO

B10

B20

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finesse, peut conduire de meilleures rsistances des btons. La rsistance en compression, montre que le

bton B10 est clairement suprieur aux btons BO et B20, ce qui permet galement de rduire la teneur en

ciment pour une rsistance et un affaissement donns. Cette dernire caractristique est trs intressante du

point de vue conomique, tant donn que le ciment est lingrdient le plus cher dans la composition des btons. Un autre avantage est qu'il permet au bton de poursuivre lamlioration de ses performances mcaniques mme aprs la priode de 28 jours. Leffet du SDP sur la rsistance la flexion et la traction par fendage est similaire celui de la rsistance la compression. On a remarqu aussi que la rsistance la

traction est environ 10 fois plus faible que la rsistance la compression. Les rsistances en compression des

btons sont inversement proportionnelles la porosit. La contribution du SDP lamlioration de la rsistance en compression est beaucoup plus significative que celle sur le remplissage de la porosit. Le SDP influe sur cette contribution qui semble tre le rsultat dun effet structurant amliorant la solidit mcanique des liaisons mortier/gravier que le rsultat dun effet quantitatif sur le volume des produits hydrats forms.

5. Conclusion

A la lumire des essais raliss, on peut affirmer que l'utilisation du ciment prmlang au sable de dune en

poudre est un excellent moyen pour diminuer les missions de dioxyde de carbone, amliorer les proprits

physiques et mcaniques des btons. L'utilisation du sable de dune en poudre amliore globalement la

structure poreuse des btons et contribue aussi la densification de l'interface mortier/gravier. De ce fait, le

sable de dune en poudre modifie les proprits mcaniques, ce qui permet une nette augmentation de la

durabilit des btons. Ces rsultats justifient bien lintrt que prsente la valorisation du sable de dune.

References

[1] Bessa A., Etude de la contribution des additions minrales aux proprits physiques mcaniques et de

durabilit des mortiers. Thse de Doctorat de l'universit de Cergy Pontoise, 2004.

[2] Benezet J.C., Benhassaine A., Influence de la taille des particules sur la ractivit pouzzolanique de

poudres de quartz. Bulletin des laboratoires des Ponts et Chausss, n. 219, 17-28, 1999.

[3] Kara Ali R., Influence des additions minrales sur le besoin en eau et les rsistances mcaniques des

mlanges cimentaires. Thse de Doctorat de l'universit de Cergy Pontoise, 2002.

[4] Lawrence P., Cyr M., Ringot E., Mineral admixtures in mortars, effect of type, amount and finesses of

fine constituents on compressive strength. Cement and Concrete Research (Elsevier) vol.35 (6), 1092-1105,

2005.

[5] Cyr M., Lawrance P., Ringot E., Efficiency of mineral admixtures in mortars, quantification of physical

and chemical effects of fine admixtures in relation with compressive strength. Cement and Concrete

Research (Elsevier) vol.36 (2), 264-277, 2006.

[6] Guettala S., Mezghiche B., Compressive strength and hydration with age of cement pastes containing

dune sand powder. Construction and Building Materials (Elsevier) vol. 25(3), 1263-1269, March 2011.

[7] Guettala S., Mezghiche B., Mellas M., Influence of addition dune sand powder to cement, on the

properties physical-mechanical and deformability of concrete. Asian Journal of Civil Engineering (Building

and Housing) vol. 13(6), 765-781, December 2012.

[8] Mezghiche B., Les essais de laboratoire des matriaux de construction. Publication Universitaire Biskra,

120, 2005.

[9] Gall C., Effect of drying on cement-based materials pore structure as identified by mercury intrusion

porosimetry. A comparative study between oven-, vaccum-, and freezedrying. Cement and Concrete

Research (Elsevier) vol.31 (10), 1467-1477, 2001.

[10] AFPC-AFREM., Durability of concretes, Recommended methods for measurement of quantities

associated with the durability, Compte rendu des Journes Techniques du 11 et 12 Dcembre, Toulouse,

France, 283, 1997.

[11] Liao K.Y., Chang P.K., Peng Y.N. and Yang C.C., A study on characteristics of interfacial transition

zone in concrete. Cement and Concrete Research (Elsevier) vol.34 (6), 977-989, 2004.

[12] Gao J.M., Qian C.X., Liu H.F., Wang B. and Li L., ITZ microstructure of concrete containing GGBS.

Cement and Concrete Research (Elsevier) vol.35 (7), 1299-1304, 2005.

[13] Baron J., Ollivier J.P., La durabilit des btons. Press de lcole national des ponts et chausses, 1992. [14] Carles-Gibergues A., Grandet J., Ollivier J. P., Evolution dans le temps de l'aurole de transition de

ptes contenant des ajouts. Laboratoire de Gnie Civil I.N.S.A. Colloque international Toulouse France, 17-

18-19 Novembre, liaisons ptes de ciment- matriaux associs, RILEM, 1982.

1 Introduction2 Matriaux3 Formulation des btons4 Rsultats et discussions4.1 Proprits physiques4.1.1 Consistance4.1.2 Porosit volumique4.1.3 Interface mortier/gravier4.2 Proprits mcaniques5. Conclusion

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