UNIVERSITE DE CERGY-PONTOISE

Ecole Doctorale Sciences et Ingnierie

UNIVERSITE MENTOURI CONSTANTINE Facult des sciences de lingnieur

Dpartement de Gnie Civil

THESE

Prsente pour obtenir le grade de Docteur dEtat en Gnie Civil Spcialit : Matriaux de construction

N dordre :.. Srie :

CONTRIBUTION A LETUDE DE LA CINETIQUE DHYDRATATION AU JEUNE AGE DES BETONS A HAUTES RESISTANCES

Par

Mustapha CHEIKH-ZOUAOUI

Thme Soutenu le 02-07-2008.. Devant le jury compos de :

Rapporteurs : M. Mouloud BELACHIA, Professeur, Universit de Skikda (Algrie)

M. Yves DELMAS, Professeur, Universit de Reims (France)

Examinateurs : Mme Salima AGGOUN, Matre de confrences, Universit de Cergy-Pontoise (Encadreur) M. Nasreddine CHIKH, Professeur, Universit Mentouri de Constantine (Directeur de thse) M. Roger DUVAL, Professeur Emrite, Universit de Cergy-Pontoise (Directeur de thse) M. Hacne HOUARI, Professeur, Universit Mentouri de Constantine

Ddicace

A ma famille et particulirement mon pouse dont le soutien et les encouragements ininterrompues ont permis ce travail de voir le jour. A mes enfants Mohamed

Aymne, Loubna et Walid dont jai pris une grande part de leur temps afin daccomplir ce

travail, quils trouvent ici toutes mes reconnaissances et lexpression de toute ma gratitude.

Remerciements

Que toutes celles et tous ceux qui ont contribu de loin ou de prs ces travaux de recherche, trouvent ici le tmoignage de ma plus sincre gratitude.

Tout dabord, un norme et chaleureux merci Monsieur CHIKH Nasreddine, mon directeur de thse, qui a su me faire partager son savoir-faire et sa rigueur scientifique qui mont t trs prcieux pour la ralisation des essais, lanalyse des rsultats, la publication de mes articles et la rdaction de ce mmoire. Merci pour sa trs grande disponibilit, sa bonne humeur, ses encouragements et son soutien moral dans les moments les plus difficiles de la thse.

Un grand merci Salima AGGOUNE et Roger DUVAL pour avoir encadr et suivi ce travail, et pour leurs orientations constructives et leurs nombreux conseils. Merci beaucoup pour tout le temps quils mont consacr et pour les nombreux encouragements.

Je tiens galement remercier le Professeur Hacne HOUARI qui a accept de lire et de critiquer mon travail et qui ma fait lhonneur de prsider le jury.

Je souhaite exprimer mes remerciements Messieurs YVES DELMAS et BELACHIA Mouloud pour lintrt quils ont port ces travaux et pour avoir accept la lourde tche den tre les rapporteurs.

Enfin merci aux prcieux amis que jai pu me faire luniversit de Cergy : KADRI, ALBERT ainsi que tout le personnel administratif. Je les remercie pour leur coute, leur gentillesse, leur soutien permanent et leurs encouragements jusquaux derniers moments. Les annes passes ensemble resteront inoubliables.

Un grand merci aux prcieux amis de tous les jours : AZZIZ, MOHAMED, ALI, DJAMEL, AMAR, NABIL, NACIM, BRAHIM, RACHID, TAMOUD, KIKI .etc. Je les remercie pour leur coute, leur gentillesse, leur soutien permanent.

Un grand merci mon trs cher ami NADIR qui grce a son aide prcieuse jai pu accomplir ce travail. Un merci particulier tous les collgues du groupe GENISIDER et particulirement ceux de la filiale GESI

PREFA qui mont tout le temps soutenu par la mise a disposition de tout le matriel de laboratoire ainsi que les matriaux, quils trouvent ici ma plus sincre gratitude.

Enfin, je souhaite exprimer mes plus chaleureux remerciements ceux qui ont t l en toutes circonstances et qui mont encourag depuis toujours : mes parents, mes beaux parents mes frres et surs et mes beaux frres et belles soeurs.

Table des matires

REMERCIEMENTS DEDICACES LISTE DES FIGURES LISTE DES TABLEAUX NOTATIONS RESUME INTRODUCTION GENERALE 1 1 OBJET DE LA THESE 3 2 CONTENU DE LA THESE 4 CHAPITRE 1 SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE

6

1.1 INTRODUCTION 6 1.2 NOTION DE BASE 6 1.3 LES BETONS A HAUTES PERFORMANCES 8 1.3.1 OBTENTION DES BHP 10 1.3.2 RESISTANCE EN COMPRESSION DES BHP 11 1.4 ACTION DES ADDITIONS MINERALES SUR LES MATERIAUX

CIMENTAIRE 12

1.5 LES ADJUVANTS 13 1.5.1 INTERET DES ADJUVANTS 14 1.5.2 DIFFERENTS TYPES DADJUVANTS 14 1) LES SUPERPLASTIFIANTS HAUTS REDUCTEURS

DEAU 15

2) ACCELERATEURS DE PRISE ET DE DURCISSEMENT 17 1.6 CONCLUSION 26 CHAPITRE 2 ETUDE EXPERIMENTALE

29

2.1 INTRODUCTION 29 2.2 MATERIAUX UTILISES 29 2.3 METHODES DESSAIS 33 2.3.1 ESSAI DE PRISE 33 2.3.2 ESSAI DE RESISTANCE MECANIQUE 33 2.3.3 ESSAI DE MESURE DE LA CHALEUR

DHYDRATATION DES CIMENTS 34

CHAPITRE 3 INFLUENCE DES ADDITIONS ET SUBSTITUTIONS SILICEUSES SUR LES TEMPS DE PRISE ET LES RESISTANCES MECANIQUES DES PATES DE CIMENTS DE BASE

36

3.1 EFFET DE LA FUMEE DE SILICE (FS) SUR LE TEMPS DE PRISE ET LES RESISTANCES MECANIQUES

36

3.2 EFFET DE LHOMOGENEISATION SABLE SILICEUX (HS) SUR LES TEMPS DE PRISE ET LES RESISTANCES MECANIQUES

39

3.3 EFFET DU SABLE SILICEUX BROYE UTILISE COMME ADDITION SUBSTITUE AU CIMENT SUR LE TEMPS DE PRISE ET LES RESISTANCES MECANIQUES (SS)

41

Table des matires suite

3.4 COMPARAISON DES EFFETS DES DIFFERENTES ADDITIONS SUR LES TEMPS DE PRISE ET LES RESISTANCES MECANIQUES DES CIMENTS C1 ET C2

43

3.4.1 CIMENT C1 43 3.4.1.1 TEMPS DE PRISE 43 3.4.1.2 RESISTANCE MECANIQUE 44 3.4.2 CIMENT C2 46 3.4.2.1 TEMPS DE PRISE 46 3.4.2.2 RESISTANCE MECANIQUE 47 3.5 CONCLUSION 48 CHAPITRE 4 INFLUENCE DU NITRATE DE CALCIUM COMME ACCELERATEUR DE PRISE SUR LES PATES DE CIMENTS

49

4.1 MELANGE A BASE DE CIMENT C1 49 4.1.1 TEMPS DE PRISE 49 4.1.2 RESISTANCE MECANIQUE 54 4.2 MELANGE A BASE DE CIMENT C2 59 4.2.1 TEMPS DE PRISE 59 4.2.2 RESISTANCE MECANIQUE 64 4.3 CONCLUSION 70 CHAPITRE 5 INFLENCE DES ALCANOLAMINES COMME ACCELERATEURS DE DURCISSEMENT SUR LES PATES DE CIMENTS

71

5.1 EFFET DU DOSAGE EN TRIETHANOLAMINE (TEA) 71 5.1.1 MELANGES A BASE DE CIMENT C1 71 5.1.1.1 TEMPS DE PRISE 71 5.1.1.2 RESISTANCES MECANIQUES 76 5.1.2 MELANGES A BASE DE CIMENT C2 85 5.1.2.1 TEMPS DE PRISE 85 5.1.2.2 RESISTANCES MECANIQUES 91 5.2 EFFET DU DOSAGE EN TRIISOPROPANOLAMINE (TIPA) 98 5.2.1 MELANGES A BASE DE CIMENT C1 98 5.2.1.1 TEMPS DE PRISE 98 5.2.1.2 RESISTANCES MECANIQUES 104 5.2.2 MELANGES A BASE DE CIMENT C2 112 5.2.2.1 TEMPS DE PRISE 112 5.2.2.2 RESISTANCES MECANIQUES 117 5.3 CONCLUSION 124

Table des matires suite

CHAPITRE 6 ETUDE DES COMBINAISONS DADJUVANTS SUR LES PATES DE CIMENTS

6.1 EFFET DU DOSAGE EN TEA COMBINE AU NITRATE DE CALCIUM (NC)

126

6.1.1 MELANGES A BASE DE CIMENT C1 126 6.1.1.1 TEMPS DE PRISE 126 6.1.1.2 RESISTANCE MECANIQUE 131 6.1.2 MELANGES A BASE DE CIMENT C2 137 6.1.2.1 TEMPS DE PRISE 137 6.1.2.2 RESISTANCE MECANIQUE 142 6.2 EFFET DU DOSAGE EN TIPA COMBINE AU NITRATE DE

CALCIUM (NC)

147

6.2.1 MELANGES A BASE DE CIMENT C1 147 6.2.1.1 TEMPS DE PRISE 147 6.2.1.2 RESISTANCE MECANIQUE 151 6.2.2 MELANGES A BASE DE CIMENT C2 157 6.2.2.1 TEMPS DE PRISE 157 6.2.2.2 RESISTANCE MECANIQUE 161 6..3 CONCLUSION 168 CHAPITRE 7 MESURE DE LA CHALEUR DHYDRATATION DES MELANGES DE BASE AVEC ADJUVANTS

169

7.1 CALCUL DE LA CHALEUR DHYDRATATION 170 1) CALCUL DE LA CHALEUR CUMULEE DANS LE

CALORIMETRE AU TEMPS t 170

2) CALCUL DE LA CHALEUR DISSIPEE VERSLE MILIEU AMBIANT

171

3) MESURE DE LA QUANTIT2 DE CHALEUR DEGAGEE PAR LA PATE DE CIMENT

171

7.2 ANALYSE ET DISCUSSION DES RESULTATS 172 7.2.1 RESULTATS EN TERME DE TEMPERATURES 172 7.2.2 RESULTATS EN TERME DE CHALEUR

DHYDRATATION 175

7.3 CONCLUSION 177 CHAPITRE 8 SYNTHESE DES RESULTATS OBTENUS SUR LES RESISTANCES MECANIQUES DES MELANGES AVEC ADJUVANTS

178

8.1 MELANGES A BASE DE CIMENT C1 178 8.2 MELANGES A BASE DE CIMENT C2

183 8.3 CONCLUSION 188

Table des matires suite

CHAPITRE 9 INFLUENCE DU NITRATE DE CALCIUM ET DES ALCANOLAMINES (TEA, TIPA) SUR LES PROPRIETES DES MORTIERS NORMALISES

190

9.1 PREPARATION DES MORTIERS 190 9.2 ESSAI AU MANIABILIMETRE LCPC 192 9.3 TEMPS DE PRISE ET RESISTANCES MECANIQUES 196 9.3.1 EFFET DU NITRATE DE CALCIUM 197 9.3.2 EFFET DE LA TRETHANOLAMINE 198 9.3.3 EFFET DE LA TRISOPRPANOLAMINE 199 9.3.4 EFFET DE LA COMBINAISON NITRATE DE CALCIUM-

TRIETHANOLAMINE 201

9.3.5 EFFET DE LA COMBINAISON NITRATE DE CALCIUM-TRIISOPROPANOLAMINE

202

9.3.6 COMPARAISON ENTRE LEFFET DE LA TRIETHANOLAMINE ET LA TRIISOPROPANOLAMINE

204

9.4 CONCLUSION 206 COCLUSION GENERALE 207 212 REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES

ANNEXES

Liste des figures

Figure 1.1: Reprsentation schmatique du mcanisme de durcissement 7

Figure 1.2 : Effet du rapport E/L sur la chaleur de trois jours d'hydrations des ptes de liant

8

Figure 1.3 : Effet du rapport E/L sur le taux exothermique d'hydrations des ptes

9

Figure 1.4 : Effets du super plastifiant sur l'lvation de la temprature des ptes

9

Figure 1.5 : Courbes de la temprature en fonction du temps pour les chantillons avec une seule addition minrale 9 Figure 1.6 : Courbes la temprature en fonction du temps pour les chantillons avec double et triple addition minrale 10 Figure 1.7 : Effet des combinaisons dadditions sur la chaleur dhydratation pour une

chance de trois jours

10

Figure 1.8: Illustration schmatique du blocage des sites ractifs par les molcules dun super plastifiant

16

Figure 1.9: Illustration schmatique de linfluence des super plastifiants sur la formation des hydrates

17

Figure 1.10 : Influence dun acclrateur de prise sur le temps de prise et la rsistance la compression court terme mesure sur un mortier normalis conserv 5 et 20C

20

Figure 1.11: Rsistance la compression, 16 et 20 heures, de btons avec et sans acclrateur

21

Figure 1.12: Evolution de la temprature mesure au cur dprouvettes 16x32cm

22

Figure 1.13 : Courbe Temprature / temps de durcissement pour des btons avec des dosages quivalents de nitrate, d'actate soluble et de formiate de fer de calcium compar au bton de rfrence

22

Figure 1.14: Les profils de pntration de laguille de Vicat dans les ptes de ciment du type I & II de l'ASTM avec diffrents Dosages de CN 5C et 7C [43]

24

Figure 1.15 : La corrlation linaire entre l'efficacit d'acclration de 1,55 % d'additions de CN sur diffrents ciments et leur teneur de blite a 5C [43]

24

Figure 2.1 : Appareil de Vicat automatique (presse hydraulique) 33 Figure 2.2 : Dispositif de mesure de la rsistance 34 Figure 2.3 Dispositif exprimental de mesure de la quantit de chaleur 35 Figure 3.1 : Effet de la fume de silice sur le temps de prise des mlanges base de ciment C1 37 Figure 3.2 : Effet de la fume de silice sur lvolution des rsistances des mlanges base de ciment C1 37 Figure 3.3 : Effet de la fume de silice sur le temps de prise des mlanges base de ciment C2 38 Figure 3.4 : Effet de la fume de silice sur lvolution des rsistances des mlanges base de ciment C2 38 Figure 3.5: Effet de lhomognisation sable-ciment C1 sur le temps de prise 39 Figure 3.6 : Effet de lhomognisation sable- ciment C1 sur lvolution des rsistances 39

I

Figure 3.7: Effet de lhomognisation sable-ciment C2 sur le temps de prise 40 Figure 3.8 : Effet de lhomognisation sable-ciment C2 sur lvolution des rsistances 40 Figure 3.9 : Effet du sable siliceux comme addition sur le temps de prise du ciment C1 41 Figure 3.10: Effet du sable siliceux comme addition sur lvolution des rsistances du ciment C1 41 Figure 3.11 : Effet du sable siliceux comme addition sur le temps de prise du ciment C2 42 Figure 3.12 : Effet du sable siliceux comme addition sur lvolution des rsistances du ciment C2 42 Figure 3.13: Comparaison entre les effets des diffrentes additions sur le temps de prise du ciment C1 43 Figure 3.14 : Comparaison entre les effets des diffrentes additions sur lvolution des rsistances du ciment C1 43 Figure 3.15: Comparaison entre les effets des diffrentes additions sur le temps de prise du ciment C2 avec le taux de 7.5% 44 Figure 3.16 : Comparaison entre les effets des diffrentes additions sur lvolution de la rsistance du ciment C2 avec le taux de 7.5%

45

Figure 3.17 : Comparaison entre les effets des diffrentes additions sur le temps de prise du ciment C1 avec le taux de 10% 46

Figure 3.18 : Comparaison entre les effets des diffrentes additions sur lvolution des rsistances du ciment C1 avec le taux de 10%

46

Figure 3.19 : Comparaison entre les diffrentes additions sur le temps de prise du ciment C2 avec le taux de 10% 47 Figure 3.20: Comparaison entre les diffrentes additions sur lvolution des rsistances du ciment C2 avec le taux de 10% 47 Figure 4.1 : Effet de NC sur le temps de prise - Mlange M1-1 49 Figure 4.2 : Effet de NC sur le temps de prise -Mlange M2-1 50 Figure 4.3 : Effet de NC sur le temps de prise - Mlange M3-1 50 Figure 4.4 : Effet de NC sur le temps de prise - Mlange M7-1 51 Figure 4.5 : Effet de NC sur le temps de prise - Mlange M8-1 51 Figure 4-6 : Effet de NC sur le temps de prise - Mlange M12-1 52 Figure 4.7 : Effet de NC sur le temps de prise - Mlange M13-1 53 Figure 4.8 : Effet de NC sur lvolution des rsistances mcaniques - Mlange M1-1 54 Figure 4.9 : Effet de NC sur lvolution des rsistances mcaniques -Mlange M2-1 54 Figure 4.10 : Effet de NC sur lvolution des rsistances mcaniques - Mlange M3-1 55 Figure 4.11 : Effet de NC sur lvolution des rsistances mcaniques- Mlange M7-1 55 Figure 4.12 : Effet de NC sur lvolution des rsistances mcaniques - Mlange M8-1 56 Figure 4.13 : Effet de NC sur lvolution des rsistances mcaniques - Mlange M12-1 56 Figure 4.14 : Effet de NC sur lvolution des rsistances mcaniques Mlange M13-1 57 Figure 4.15: Synthse des rsistances mcaniques la compression simple des mlanges

base de ciment C1 sous leffet de NC 58

Figure 4.16 : Effet de NC sur le temps de prise - Mlange M4-1 59 Figure 4.17: Effet de NC sur le temps de prise - Mlange M5-1 59 Figure 4.18 : Effet de NC sur le temps de prise - Mlange M6-1 60 Figure 4.19 : Effet de NC sur le temps de prise - Mlange M9-1 60 Figure 4.20 : Effet de NC sur le temps de prise -Mlange M10-1 61

II

Liste des figures (suite)

Figure 4.21: Effet de NC sur le temps de prise - Mlange M14-1 61 Figure 4.22 : Effet de NC sur le temps de prise - Mlange M15-1 62 Figure 4.23 : Effet de NC sur lvolution des rsistances mcaniques - Mlange M4-1 64 Figure 4.24 : Effet de NC sur lvolution des rsistances mcaniques - Mlange M5-1 65 Figure 4.25 : Effet de NC sur lvolution des rsistances mcaniques - Mlange M6-1 65 Figure 4.26 : Effet de NC sur lvolution des rsistances mcaniques - Mlange M9-1 66 Figure 4.27 : Effet de NC sur lvolution des rsistances mcaniques - Mlange M10-1 66 Figure 4.28 : Effet de NC sur lvolution des rsistances mcaniques - Mlange M14-1 67 Figure 4.29: Effet de NC sur lvolution des rsistances mcaniques - Mlange M15-1 67 Figure 4.30 : Synthse des rsistances mcaniques la compression simple des mlange base de ciment C2 sous leffet

de NC 69

Figure 5.1 : Effet du dosage en TEA sur le temps de prise -Mlanges M1-2 & M1-4 71 Figure 5.2 : Effet du dosage en TEA sur le temps de prise - Mlanges M2-2 & M2-4 72 Figure 5.3 : Effet du dosage en TEA sur le temps de prise -Mlanges M3-2 & M3-4 73 Figure 5.4 : Effet du dosage en TEA sur le temps de prise - Mlanges M7-2 & M7-4 73 Figure 5.5 : Essai de prise ; Effet du dosage en TEA -Mlanges M8-2 & M8-4 74 Figure 5.6 : Effet du dosage en TEA sur le temps de prise - Mlanges M12-2 & M12-4 74 Figure 5-7 : Essai de prise ; Effet du dosage en TEA -Mlanges M13-2 & M13-4 75 Figure 5.8 : Effet du dosage en TEA sur le dveloppement des rsistances -Mlanges M1-2 & M1-4 77 Figure 5.9 : Effet du dosage en TEA sur le dveloppement des rsistances - Mlange M2-2 & M2-4 77 Figure 5.10 : Effet du dosage en TEA sur le dveloppement des rsistances - Mlange M3-2 & M3-4 78 Figure 5.11 : Effet du dosage en TEA sur le dveloppement des rsistances - Mlange M7-2 & M7-4 79 Figure 5.12 : Essai de rsistance ; Effet du dosage en TEA -Mlange M8-2 & M8-4 79 Figure 5.13 : Effet du dosage en TEA sur le dveloppement des rsistances -Mlanges M12-2 & M12-4 80 Figure 5.14 : Effet du dosage en TEA sur le dveloppement des rsistances -Mlanges M13-2 & M13-4 81 Figure 5.15 : Synthse des rsistances mcaniques la compression simple des mlanges a base de ciment C1, effet de

TEA 83

Figure 5-16 : Effet du dosage en TEA sur le temps de prise -Mlanges M4-2 & M4-4 85 Figure 5.17: Effet du dosage en TEA sur le temps de prise - Mlange M5-2 & M5-4 86 Figure 5.18 : Effet du dosage en TEA sur le temps de prise - Mlanges M6-2 & M6-4 86 Figure 5.19 : Effet du dosage en TEA sur le temps de prise - Mlanges M9-2 & M9-4 87 Figure 5.20 : Effet du dosage en TEA sur le temps de prise - Mlange M10-2 & M10-4 87 Figure 5.21 : Essai de prise ; Effet du dosage en TEA -Mlange M14-2 & M14-4 88 Figure 5.22 : Effet du dosage en TEA sur le temps de prise - Mlanges M15-2 & M15-4 89 Figure 5.23 Effet du dosage en TEA sur le dveloppement des rsistances -Mlanges M4-2 & M4-4 91 Figure 5.24 Effet du dosage en TEA sur le dveloppement des rsistances -Mlanges M5-2 & M5-4 92 Figure 5.25 : Effet du dosage en TEA sur le dveloppement des rsistances -Mlange M6-2 & M6-4 92

III

Figure 5.26 : Effet du dosage en TEA sur le dveloppement des rsistances -Mlanges M9-2 & M9-4 93 Figure 5.27 : Effet du dosage en TEA sur le dveloppement des rsistances -Mlanges M10-2 & M10-4 94 Figure 5.28 : Effet du dosage en TEA sur le dveloppement des rsistances -Mlanges M14-2 & M14-4 94 Figure 5.29 Effet du dosage en TEA sur le dveloppement des rsistances -Mlange M15-2 & M15-4 95 Figure 5.30 : Synthse des rsistances mcaniques la compression simple des mlange base de ciment C2 sous leffet

de TEA 97

Figure 5.31 : Effet du dosage en TIPA sur le temps de prise - Mlanges M1-6 & M1-8 98 Figure 5.32 : Effet du dosage en TIPA sur le temps de prise - Mlanges M2-6 & M2-8 99 Figure 5.33 : Effet du dosage en TIPA sur le temps de prise - Mlanges M3-6 & M3-8 100 Figure 5.34 : Effet du dosage en TIPA sur le temps de prise - Mlanges M7-6 & M7-8 100 Figure 5.35 : Effet du dosage en TIPA sur le temps de prise - Mlanges M8-6 & M8-8 101 Figure 5.36 : Effet du dosage en TIPA sur le temps de prise - Mlanges M12-6 & M12-8 101 Figure 5.37 : Effet du dosage en TIPA sur le temps de prise - Mlanges M13-6 & M13-8 102 Figure 5.38 : Effet du dosage en TIPA sur le dveloppement des rsistances - Mlange M1-6 & M1-8 104 Figure 5.39 : Effet du dosage en TIPA sur le dveloppement des rsistances - Mlange M2-6 & M2-8 104 Figure 5.40 : Effet du dosage en TIPA sur le dveloppement des rsistances -Mlanges M3-6 & M3-8 105 Figure 5.41: Effet du dosage en TIPA sur le dveloppement des rsistances - Mlanges M7-6 & M7-8 106 Figure 5.42 : Effet du dosage en TIPA sur le dveloppement des rsistances - Mlanges M8-6 & M8-8 106 Figure 5.43 : Effet du dosage en TIPA sur le dveloppement des rsistances -Mlanges M12-6 & M12-8 107 Figure 5.44 : Effet du dosage en TIPA sur le dveloppement des rsistances -Mlanges M13-6 & M13-8 108 Figure 5.45 : Synthse des rsistances mcaniques la compression simple des mlanges base de ciment C1 sous leffet

de TIPA 110

Figure 5.46 : Effet du dosage en TIPA sur le temps de prise - Mlanges M4-6 & M4-8 112 Figure 5.47 : Effet du dosage en TIPA sur le temps de prise - Mlanges M5-6 & M5-8 113 Figure 5.48 : Effet du dosage en TIPA sur le temps de prise - Mlange M6-6 & M6-8 113 Figure 5.49: Effet du dosage en TIPA sur le temps de prise - Mlange M9-6 & M9-8 114 Figure 5.50 : Effet du dosage en TIPA sur le temps de prise - Mlanges M10-6 & M10-8 114 Figure 5.51 : Effet du dosage en TIPA sur le temps de prise - Mlanges M14-6 & M14-8 115 Figure 5.52: Effet du dosage en TIPA sur le temps de prise - Mlanges M15-6 & M15-8 115 Figure 5.53 : Effet du dosage en TIPA sur le dveloppement des rsistances -Mlanges M4-6 & M4-8 117 Figure 5.54 : Effet du dosage en TIPA sur le dveloppement des rsistances - Mlanges M5-6 & M5-8 117 Figure 5.55 : Effet du dosage en TIPA sur le dveloppement des rsistances -Mlanges M6-6 & M6-8 118 Figure 5.56 : Effet du dosage en TIPA sur le dveloppement des rsistances -Mlanges M9-6 & M9-8 119 Figure 5.57 : Effet du dosage en TIPA sur le dveloppement des rsistances -Mlanges M10-6 & M10-8 119 Figure 5.58 : Effet du dosage en TIPA sur le dveloppement des rsistances -Mlanges M14-6 & M14-8 120 Figure 5.59 : Effet du dosage en TIPA sur le dveloppement des rsistances -Mlanges M15-6 & M15-8

120

IV

Liste des figures (suite)

Figure 5.60 : Synthse des rsistances mcaniques la compression simple des mlange base de ciment C2 sous leffet de TIPA

123

Figure 6.1 : Effet de NC combin au TEA sur le temps de prise -Mlanges M1-3 & M1-5 126 Figure 6.2 : Effet de NC combin au TEA sur le temps de prise - Mlange M2-3 & M2-5 127 Figure 6.3 : Effet de NC combin au TEA sur le temps de prise - Mlange M3-3 & M3-5 127 Figure 6.4 : Effet de NC combin au TEA sur le temps de prise - Mlange M7-3 & M7-5 128 Figure 6.5 : Effet de NC combin au TEA sur le temps de prise - Mlanges M8-3 & M8-5 128 Figure 6.6 : Effet de NC combin au TEA sur le temps de prise - Mlange M12-3 1 M12-5 129 Figure 6.7 : Effet de NC combin au TEA sur le temps de prise - Mlanges M13-3 & M13-5 129 Figure 6.8: Effet de NC combin au TEA sur lvolution des rsistances - Mlanges M1-3 & M1-5 131 Figure 6.9 : Effet de NC combin au TEA sur lvolution des rsistances - Mlanges M2-3 & M2-5 132 Figure 6.10 : Effet de NC combin au TEA sur lvolution des rsistance - Mlanges M3-3 & M3-5 132 Figure 6.11 : Effet de NC combin au TEA sur lvolution des rsistances - Mlanges M7-3 & M7-5 133 Figure 6.12 : Effet de NC combin au TEA sur lvolution des rsistances - Mlanges M8-3 & M8-5 133 Figure 6.13 : Effet de NC combin au TEA sur lvolution des rsistances Mlanges M12-3 &M12-5 134 Figure 6.14 : Effet de NC combin au TEA sur lvolution des rsistances - Mlange M13-3 & M13-5 135 Figure 6.15 : Effet de NC combin au TEA sur le temps de prise - Mlanges M4-3 & M4-5 137 Figure 6.16 : Effet de NC combin au TEA sur le temps de prise - Mlanges M4-3 & M4-5 138 Figure 6.17 : Effet de NC combin au TEA sur le temps de prise - Mlanges M5-3 & M5-5 138 Figure 6.18 : Effet de NC combin au TEA sur le temps de prise - Mlange M6-3 & M6-5 139 Figure 6.19: Effet de NC combin au TEA sur le temps de prise - Mlanges M9-3 & M9-5 139 Figure 6.20 : Effet de NC combin au TEA sur le temps de prise - Mlange M10-3 & M10-5 140 Figure 6.21 : Effet de NC combin au TEA sur le temps de prise - Mlanges M14-3 &M14-5 140 Figure 6.22 : Effet de NC combin au TEA sur le temps de prise - Mlanges M15-3 & M15-5 142 Figure 6.23 : Effet de NC combin au TEA sur lvolution des rsistances - Mlanges M4-3 & M4-5 142 Figure 6.24 : Effet de NC combin au TEA sur lvolution des rsistances - Mlanges M5-3 & M5-5 143 Figure 6.25 : Effet de NC combin au TEA sur lvolution des rsistances - Mlanges M6-3 & M6-5 144 Figure 6.26 : Effet de NC combin au TEA sur lvolution des rsistances - Mlanges M9-3 & M9-5 144 Figure 6.27 : Effet de NC combin au TEA sur lvolution des rsistances - Mlanges M10-3 & M10-5 145 Figure 6.28 : Effet de NC combin au TEA sur lvolution des rsistances - Mlanges M14-3 & M14-5 145 Figure 6.29 : Effet de NC combin au TEA sur lvolution des rsistances - Mlange M15-3 & M15-5 147 Figure 6.30 : Effet de NC combin TIPA sur le temps de prise - Mlanges M1-7 & M1-9 148 Figure 6.31 : Effet de NC combin TIPA sur le temps de prise - Mlanges M2-7 & M2-9 148 Figure 6.32 : Effet de NC combin TIPA sur le temps de prise - Mlanges M3-7 & M3-9 149 Figure 6.33 : Effet de NC combin TIPA sur le temps de prise - Mlanges M7-7 & M7-9 149 Figure 6.34 : Effet de NC combin TIPA sur le temps de prise - Mlanges M8-7 & M8-9 150 Figure 6.35 : Effet de NC combin TIPA sur le temps de prise - Mlanges M12-7 & M12-9 150

V

Figure 6.36: Effet de NC combin TIPA sur le temps de prise - Mlanges M13-7 & M13-9 152 Figure 6.37 : Effet de NC combin TIPA sur lvolution des rsistances - Mlanges M1-7 & M1-9 152 Figure 6.38: Effet de NC combin TIPA sur lvolution des rsistances - Mlanges M2-7 & M2-9 153 Figure 6.39 : Effet de NC combin TIPA sur lvolution des rsistances - Mlanges M3-7 & M3-9 153 Figure 6.40 : Effet de NC combin TIPA sur lvolution des rsistances - Mlanges M7-7 & M7-8 154 Figure 6.41 : Effet de NC combin TIPA sur lvolution des rsistances - Mlanges M8-7 & M8-9 154 Figure 6.42 : Effet de NC combin TIPA sur lvolution des rsistances - Mlanges M12-7 & M12-9 155 Figure 6.43 : Effet de NC combin TIPA sur lvolution des rsistances - Mlanges M13-7 & M13-9 157 Figure 6.44 : Effet de NC combin TIPA sur le temps de prise - Mlanges M4-7 & M4-9 157 Figure 6.45: Effet de NC combin TIPA sur le temps de prise - Mlanges M5-7 & M5-9 158 Figure 6.46: Effet de NC combin TIPA sur le temps de prise - Mlange M6-7 & M6-9 158 Figure 6.47: Effet de NC combin TIPA sur le temps de prise - Mlanges M9-7 & M9-9 159 Figure 6.48: Effet de NC combin TIPA sur le temps de prise - Mlanges M10-7 & M10-9 159 Figure 6.49 : Effet de NC combin TIPA sur le temps de prise - Mlanges M14-7 & M14-9 160 Figure 6.50: Effet de NC combin TIPA sur le temps de prise -Mlanges M15-7 & M15-9 161 Figure 6.51: Effet de NC combin TIPA sous leffet de NC+TIPA - Mlanges M4-7 & M4-9 162 Figure 6.52: Effet de NC combin TIPA sur lvolution des rsistances - Mlanges M5-7 & M5-9 162 Figure 6.53: Effet de NC combin TIPA sur lvolution des rsistances - Mlange M6-7 & M6-9 163 Figure 6.54: Effet de NC combin TIPA sur lvolution des rsistances - Mlange M9-7 & M9-9 164 Figure 6.55 : Effet de NC combin TIPA sur lvolution des rsistances - Mlanges M10-7 & M10-9 164 Figure 6.56 : Effet de NC combin TIPA sur lvolution des rsistances - Mlange M14-7 & M14-9 165 Figure 6.57: Effet de NC combin TIPA sur lvolution des rsistances - Mlanges M15-7 & M15-9 Figure 6.58 : Synthse des rsistances mcaniques la compression simple des mlange base de ciment C2 sous leffet

de NC+TIPA 167

Figure 7.1 : Dispositif exprimental de la calorimtrie 169 Figure 7.2 Dispositif exprimental de mesure de la quantit de chaleur 172 Figure 7.3 (a). Evolution de la temprature en fonction du temps (Ciment C1). 173 Figure 7.3 (b). Evolution de la temprature en fonction du temps pendant 24 heures (Ciment C1). 173 Figure 7.4 (a). Evolution de la temprature en fonction du temps (Ciment C2) 174 Figure 7.4 (b). Evolution de la temprature en fonction du temps pendant 24 heures (Ciment C2). 174

Figure 7.5 : Evolution de la chaleur dgage pendant 24 heures dhydratation (Ciment C1) 176

Figure 7.6 : Evolution de la chaleur dgage pendant 24 heures dhydratation (Ciment C2) 176 Figure 8.1 : Comparaison des effets des adjuvants sur lvolution des rsistances du mlange M1 (C1) 178 Figure 8.2 : Comparaison des effets des adjuvants sur lvolution des rsistances du mlange M2 (C1+7.5%FS) 179 Figure 8.3 : Comparaison des effets des adjuvants sur lvolution des rsistances du mlange M3 (C1+10%FS) 180 Figure 8.4 : Comparaison des effets des adjuvants sur lvolution des rsistances du mlange M7 (C1+7.5%HS) 180 Figure 8.5 : Comparaison des effets des adjuvants sur lvolution des rsistances du mlange M8 (C1+10%HS) 181

VI

Liste des figures (suite)

Figure 8.6 : Comparaison des effets des adjuvants sur lvolution des rsistances du mlange M12 (C1+7.5%SS) 182 Figure 8.7: Comparaison des effets des adjuvants sur lvolution des rsistances du mlange M13 (C1+10%SS) 182 Figure 8.8 : Comparaison des effets des adjuvants sur lvolution des rsistances du mlange M4 (C2) 183 Figure 8.9 : Comparaison des effets des adjuvants sur lvolution des rsistances du mlange M5 (C2-7.5%FS) 184 Figure 8.10 : Comparaison des effets des adjuvants sur lvolution des rsistances du mlange M6 (C2-10%FS) 184 Figure 8.11 : Comparaison des effets des adjuvants sur lvolution des rsistances du mlange M9 (C2-7.5%HS) 185 Figure 8.12 : Comparaison des effets des adjuvants sur lvolution des rsistances du mlange M10 (C2-10%HS) 186 Figure 8.13 : Comparaison des effets des adjuvants sur lvolution des rsistances du mlange M14 (C2-7.5%SS) 187 Figure 8.14 : Comparaison des effets des adjuvants sur lvolution des rsistances du mlange M15 (C2-10%SS) 187 Figure 9.1 : Effet de NC sur le temps dcoulement du mortier base de ciment C1 194 Figure 9.2 : Effet du dosage en alcanolamines TEA et TIPA sur le temps dcoulement des mortiers base de ciment C1 194 Figure 9.3 : Effet du dosage en alcanolamines TEA et TIPA combin 1% NC sur le temps dcoulement des mortiers base

de ciment C1 194

Figure 9.4 : Effet de NC sur le temps dcoulement du mortier base de ciment C2 195 Figure 9.5 : Effet du dosage en alcanolamines TEA et TIPA sur le temps dcoulement des mortiers base de ciment C2 195 Figure 9.6: Effet du dosage en alcanolamines TEA et TIPA combin 1% NC sur le temps dcoulement des mortiers base

de ciment C2 195

Figure 9.7: Effet de NC sur le temps de prise du mortier Mo1-1 197 Figure 9.8 : Effet de NC sur lvolution des rsistances mcaniques du mortier Mo1-1 197 Figure 9.9: Effet de NC sur le temps de prise du mortier Mo2-1 197 Figure 9.10: Effet de NC sur lvolution des rsistances mcaniques du mortier Mo2-1 197 Figure 9.11: Effet de TEA sur le temps de prise du mortier Mo1 198 Figure 9.12 : Effet de TEA sur lvolution des rsistances mcaniques du mortier Mo1 198 Figure 9.13: Effet de TEA sur le temps de prise du mortier Mo2 198 Figure 9.14: Effet de TEA sur lvolution des rsistances mcaniques du mortier Mo2 198 Figure 9.15: Effet de TIPA sur le temps de prise du mortier Mo1 199 Figure 9.16: Effet de TIPA sur lvolution des rsistances mcaniques du mortier Mo1 199 Figure 9.17: Effet de TIPA sur le temps de prise du mortier Mo2 200 Figure 9.18: Effet de TIPA sur lvolution des rsistances mcaniques du mortier Mo2 200 Figure 9.19: Effet de combinaison NC+ TIPA sur le temps de prise du mortier Mo1 201 Figure 9.20: Effet de la combinaison NC+TEA sur lvolution des rsistances mcaniques du mortier Mo1 201 Figure 9.21: Effet de la combinaison NC+ TEA sur le temps de prise du mortier Mo2 202 Figure 9.22: Effet de la combinaison NC+ TIPA sur lvolution des rsistances mcaniques du mortier Mo2 202 Figure 9.23 : Effet de la combinaison NC+TIPA sur le temps de prise du mortier Mo1 203 Figure 9.24 : Effet de la combinaison NC+TIPA sur lvolution des rsistances mcaniques du mortier Mo1 203 Figure 9.25: Effet de la combinaison NC+ TIPA sur le temps de prise du mortier Mo2 203 Figure 9.26: Effet de la combinaison NC+ TIPA sur lvolution des rsistances mcaniques du mortier Mo2 203

VII

Figure 9.27: Comparaison entre leffet de TEA et TIPA sur le temps de prise du mortier Mo1 204 Figure 9.28 : Comparaison entre leffet de TEA et TIPA sur lvolution des rsistances mcaniques du mortier Mo1 204 Figure 9.29:Comparaison entre leffet de TEA et TIPA sur le temps de prise du mortier Mo2 205 Figure 9.30 : Comparaison entre leffet de TEA et TIPA sur lvolution des rsistances mcaniques du mortier Mo2 205

VIII

Liste des Tableaux

Tableau 1.1 : Comparaison de diffrents acclrateurs sur le temps de fin de prise et la rsistance 3 et 28 jours dun bton de rapport E/C=0.55 dos 310 kg de CPA-CEM I par m3 [28].

19

Tableau 2-1. Proprits physiques et analyse chimique des ciments 30

Tableau 2.2 Combinaisons dadjuvants 31 Tableau 2.3. Composition chimique de la fume de silice 31

Tableau 2.4: Numrotation des mlanges

32

Tableau 4.1 : Rcapitulatif des temps de prise des mlanges base de ciment C1 sous leffet de NC

53

Tableau 4.2 : Rcapitulatif des temps de prise des mlanges base de ciment C2 sous leffet de NC

57

Tableau 4.3 : Rcapitulatif des rsistances mcaniques la compression simple des mlanges base de ciment C1 sous leffet de NC

63

Tableau 4.4 : Rcapitulatif des rsistances mcaniques la compression simple des mlange a base de ciment C2 sous leffet de NC

68

Tableau 5.1 : Rcapitulatif des temps de prise des mlange base de ciment C1 sous leffet de TEA

76

Tableau 5.2 : Rcapitulatif des temps de prise des mlanges base de ciment C2 sous leffet de TEA

82

Tableau 5.3 : Rcapitulatif des rsistances mcaniques la compression simple des mlanges a base de ciment C1, effet de TEA

90

Tableau 5.4 : Rcapitulatif des rsistances mcaniques a la compression simple des mlange base de ciment C2 sous leffet de TEA

96

Tableau5.5 : Rcapitulatif des temps de prise des mlange base de ciment C1 sous leffet de TIPA

103

Tableau5.6 : Rcapitulatif des temps de prise des mlanges base de ciment C2 sous leffet de TIPA

109

Tableau5.7 : Rcapitulatif des rsistances mcaniques la compression simple des mlanges a base de ciment C1 sous leffet de TIPA

116

Tableau5.8 : Rcapitulatif des rsistances mcaniques la compression simple des mlange base de ciment C2 sous leffet de TIPA

122

Tableau 6.1 : Rcapitulatif des temps de prise des mlange base de ciment C1 sous leffet de la combinaison NC+TEA

130

Tableau 6.2 : Rcapitulatif des temps de prise des mlanges base de ciment C2 sous leffet de la combinaison NC + TEA

136

viii

Liste des Tableaux

Tableau 6.3 : Rcapitulatif des rsistances mcaniques la compression simple des mlanges base de ciment C1 sous leffet de la combinaison de NC+TEA

141

Tableau 6.4 : Rcapitulatif des rsistances mcaniques la compression simple des mlange base de ciment C2 sous leffet de NC+TEA

146

Tableau 6-5 : Rcapitulatif des temps de prise des mlange base de ciment C1 sous leffet de la combinaison NC+TIPA

151

Tableau 6-6: Rcapitulatif des temps de prise des mlanges base de ciment C2 sous leffet de la combinaison NC+TIPA

156

Tableau 6-7: Rcapitulatif des rsistances mcaniques la compression simple des mlanges base de ciment C1 sous leffet de NC+TIPA

161

Tableau 6.8: Rcapitulatif des rsistances mcaniques la compression simple des mlange base de ciment C2 sous leffet de NC+TIPA

166

Tableau 9.1 : composition du mortier de rfrence 190 Tableau 9.2 Identification des mlanges de mortiers normaliss tudis 191 Tableau 9.3 : Rsultat des temps dcoulement au maniabilimtre 193 Tableau 9.4 : Rcapitulatif des rsultats de prise et de rsistance mcanique des diffrents mlanges de mortiers 196

ix

NOTATIONS

C (J.h-1. C-1) : la capacit thermique totale du calorimtre et de lprouvette KSCN : Sulfocyanate de potassium LiSCN : Sulfocyanate de lithium

bes mmm ,, , tant respectivement les masses du sable, de leau et de la boite mortier vide

mc(g) : la masse de ciment contenu dans lprouvette Mnm : Mlange n n pour la combinaison n m HS : mlange sable siliceux substitu au ciment ciment,homognis et rebroy ensemble SS : mlange sable siliceux broy substitu au ciment- ciment FS : fume de silice NaSCN : Sulfocyanate de sodium NC : Nitrate de Calcium R : Rsistance mcanique en compression Rrf : Rsistance mcanique en compression de rfrence T : Temprature T : Temps Tdp : temps de dbut de prise TEA : trithanolamine TfP : temps de fin de prise TIPA : Triisopropanolamine t (h) : la dure de lhydratation, (J.h-1. C-1) : le coefficient de dperdition thermique totale du calorimtre, (C) : lchauffement de lprouvette, linstant t.

= it Temps (h) coul entre la mesure de lchauffement linstant i et la mesure prcdente linstant i-1moyi = chauffement moyen (C) dans lintervalle considr,

=+= moybamoy ii . Coefficient moyen de dperdition thermique totale du calorimtre dans ce mme intervalle.

x

Rsum La prvision de la rsistance court terme du bton est essentielle dans le domaine du gnie civil. En effet la confection dun bton ayant la meilleure rsistance mcanique possible au jeune ge est ncessaire pour rpondre aux impratifs de construction actuels (dcoffrage rapide, mise en prcontrainte le plus tt possible, btonnage par temps froid,.). Le dveloppement de tels btons passe, en gnral par lutilisation dadjuvants associs des additions minrales pouzzolaniques parmi lesquelles la fume de silice. Or ce sous-produit de lindustrie du silicium et des alliages ferro-siliceux devient onreux du fait de sa capacit limite de production dans les pays industrialiss mais reste inexistant dans certains dautres pays. Dans ce travail de recherche, nous proposons dautres substituts la fume de silice associs des techniques de substitution particulires. En parallle, nous proposons lintroduction, dune combinaison dadjuvants acclrateurs de prise-acclrateurs de durcissement afin de rpondre aux objectifs damliorer des temps de prise et de durcissement du bton ainsi que de sa rsistance mcanique au jeune ge. Nos rsultats montrent que lutilisation dalcanolamines combines au nitrate de calcium dans des mlanges cimentaires comportant du sable siliceux broy et homognis avec le ciment conduit une amlioration considrable des rsistances mcaniques toutes les chances notamment aux trs jeune ges (1 et 3 jours) et apporte une rduction importante des temps de prise. Nos rsultats montrent que les performances obtenues dpendent galement du type de ciment utilis notamment de sa composition en ferro-aluminates. Abstract Predicting the short-term strength of concrete is essential in the field of civil engineering. To meet some building requirements (quick formwork removal, earlier prestressing, concreting in cold weather ), it is necessary to make concrete that has the best possible mechanical strength at a young age. The development of this type of concrete requires generally the use of admixtures associated with pozzolanic mineral additions such as silica fume. However this by-product, from the silicon and silica-ferrites alloys industry, still has a high cost owing to its limited production in the industrialised countries and non-availability in the others countries. In this research work, we propose others substitutes to silica fume and the use of special substitution techniques. In addition, combinations of setting and hardening accelerators are considered so as to improve both setting and hardening concrete time as well as the mechanical strength at early age. The results obtained show that the use of alkanolamine combined with calcium nitrate in cement mixes containing siliceous sand grinded and homogenised with cement produced a significant improvement in the mechanical strength at all stages particularly in the early ages (1 and 3 days) and also provided an important reduction in the setting time. Our results indicate that these performances are also dependant on the type of cement used mainly its alumino-ferrites composition.

XI

INTRODUCTION GENERALE

Les btons hydrauliques ncessitent toujours des temps dattente pour quils puissent acqurir leurs rsistances finales par un durcissement naturel. Cela constitue lun des principaux inconvnients dans lutilisation de ce matriau. La notion " Economie " nenglobe pas seulement les gains en matriaux mais galement les dlais de ralisation ce qui rend les temps dattente pour le durcissement naturel des btons de plus en plus incompatibles avec les chantiers et les usines de prfabrication. Lacclration des cadences de travail impose par les producteurs exige de trouver les moyens et les techniques ncessaires afin damliorer rapidement les temps de prise et de durcissement de ce matriau ainsi que sa rsistance mcanique la compression au jeune ge conduisant llaboration de btons hautes performances (B.H.P). Ainsi depuis une vingtaine dannes ce matriau dutilisation massive lchelle mondiale connat un dveloppement spectaculaire. Utiliss depuis longtemps dans les pays dAmrique du nord et dEurope, les btons hautes performances sont devenus dusage courant dans la construction des ouvrages spciaux (ponts, viaducs, centrales nuclaires etc.).

Cela ncessite videment des moyens qui permettent non seulement dacclrer la prise mais galement le durcissement. Si le traitement thermique reste le moyen le plus efficace pour obtenir les rsistances critiques, il est trs important de tenir compte des contraintes environnementales. Principalement dans les climats tel que le cas de lAlgrie, ce problme de laugmentation de la rsistance trs jeune ge a dj t abord et les rsultats de rcentes recherches ont montr que pour cela il suffisait de :

1. Diminuer autant que possible le rapport Eau/Liant en additionnant au liant des super plastifiants rducteurs deau,

2. Ajouter des matriaux pouzzolaniques dont la fume de silice est le compos minral rcent le plus utilis,

3. Slectionner en un lieu donn le couple liant / fluidifiant le plus efficace tant du point de vue rhologie (perte daffaissement) que du point de vue rsistance mcanique,

4. Trouver des granulats suffisamment rsistants et adhrents pour retarder le plus possible lapparition de fissures imprvisibles au sens de la mcanique de la rupture lorsque le bton est soumis des efforts croissants.

Lobtention de btons avec des rsistances suffisantes aux jeunes ges ncessite videment des moyens parmi lesquels on peut citer :

1

Introduction gnrale

1. Lemploi dadjuvants acclrateurs de prise et de durcissement, 2. La rduction de la quantit deau de gchage associ une mise en place approprie, 3. Lessorage par aspiration de leau, 4. Le traitement thermique du bton.

De nombreux composs chimiques ont t utiliss comme acclrateurs de prise, le plus courant et le plus ancien tant le chlorure de calcium. Or lutilisation de ce produit peut conduire des problmes de corrosion des aciers de bton arm et surtout prcontraint. Cest ce qui a conduit de nombreux chercheurs dvelopper dautres types dadjuvants ne contenant pas de chlorure.

Dodson [1] a donn une synthse de sels acclrateurs qui ne contiennent pas de chlorure et a dcouvert en 1968 que le nitrate de calcium Ca(NO3)2 vrifie les critres dacclrateur de prise et constitue un inhibiteur de corrosion trs efficace pour les aciers de bton. Il a t propos en 1981 comme acclrateur de prise non corrosif dans les formulations de bton en conjonction avec la trithanolamine.

Sous-produit de lindustrie du silicium et des alliages ferro-siliceux, la fume de silice a t utilise comme matriau pouzzolanique ajout au bton au dbut des annes 70 en Norvge. La fume de silice se prsente sous forme de particules sphriques trs fines, environ 100 fois plus petites que le ciment et elle est constitue presque entirement de silice amorphe avec au minimum 90 % de SiO2. Son utilisation sest rpandue rapidement soit en remplacement partiel du ciment soit comme addition en vue damliorer certaines proprits spcifiques. Lajout de fume de silice permet lamlioration des proprits mcaniques du bton (rsistance en compression, traction, flexion, module dlasticit, fluage, adhrence avec les aciers etc.). Cette amlioration est due la diminution consquente de la porosit capillaire induisant en particulier une faible permabilit du bton aux flux gazeux ou liquide. La microstructure devient plus compacte ce qui accrot les performances du bton vis vis des diffrentes attaques, Il en rsulte donc des effets dordre physique ou mcanique dus la finesse des matriaux et des effets chimiques conscutifs la nature siliceuse amorphe.

Lamlioration des caractristiques des btons donc peut tre atteinte par :

le traitement thermique en choisissant bien comme il le faut un cycle dtuvage mais ce mode peut provoquer des fissurations suite un dysfonctionnement des lectrovannes de vapeur ou le bouchage de certains orifices de la tuyauterie qui peut provoquer une mauvaise rpartition de la chaleur sur les lments tuver. Ce procd reste trs coteux suite lutilisation dautres accessoires ncessitant beaucoup dnergie.

2

Lutilisation des additions minrales dont la fume de silice est le produit le plus utilis par les pays dAmrique du nord et dEurope mais ce produit ncessite lutilisation de superplastifiants pour procurer au bton une certaine maniabilit. Son effet sur le jeune ge nest pas favorable pour les lments prfabriqus qui ncessitent un dcoffrage rapide car il prolonge le temps de prise et par consquent une chute de rsistance court terme, ajout tout cela son industrie est inexistante en Algrie et donc demande beaucoup de temps pour son importation avec des prix onreux.

Lutilisation des adjuvants acclrateurs de prise compatibles avec les ciments utiliss. Plusieurs chercheurs ont essay des acclrateurs de prise tel que le chlorure de calcium, le nitrate de calcium, le formiate de calcium mais pour certains qui contiennent des ions chlorures leur utilisation se limite aux dallages en bton et aux lments prfabriqus sans armatures.

Lutilisation des adjuvants acclrateurs de durcissement tel que les alcanolamines mais gnralement ces produits dont le dosage est ts difficilement matrisable ajouts individuellement nont pas deffets sur lamlioration des rsistances au jeune ge par contre, leur effet est remarquable moyen et long terme (au del de 7 jours).

1. OBJET DE LA THESE

La caractrisation de la pte de ciment ou du mortier de ciment au jeune ge ncessite sans

doute de prendre en compte tous les paramtres susceptibles dinfluer sur son comportement. Or, cela ncessite un trs grand nombre dessais quil nous est impossible dtudier tous la fois, de ce fait on sest limit aux paramtres dtude suivants ; Effet des additions minrales sur les caractristiques de prise et durcissement des ciments, Linfluence du nitrate de calcium sur le temps de prise et les rsistances mcaniques des ciments

de base et de ces mmes ciments avec additions siliceuses en observant deux modes pour le sable siliceux : la substitution par du sable broy dune partie de ciment (SS) et le malaxage sec et le rebroyage du mlange ciment-sable (HS),

Linfluence du dosage en trithanolamine sur le temps de prise et les rsistances mcaniques des ciments de base et de ces mmes ciments avec additions siliceuses selon les deux modes prcdents relatifs lintroduction du sable siliceux,

Linfluence du dosage en triisopropanolamine sur le temps de prise et les rsistances mcaniques des ciments de bases et de ces mmes ciments avec additions siliceuses selon les deux modes prcdents pour le sable siliceux,

3

Introduction gnrale

Linfluence de la combinaison nitrate de calcium - alcanolamines sur le temps de prise et les rsistances mcaniques des ciments de bases et de ces mmes ciments avec additions siliceuses selon toujours les deux mmes modes pour le sable siliceux,

Ltude de leffet des adjuvants (nitrate de calcium, alcanolamines et combinaison des deux) par la mthode de la calorimtrie semi adiabatique pour les ciments de base,

Le dveloppement de la mme tude aux mortiers normaliss, Des conclusions et recommandations ainsi que des axes de recherche dvelopper.

2. CONTENU DE LA THESE

Le contenu de ce mmoire prsente plusieurs aspects concernant la contribution linfluence du nitrate de calcium et des alcanolamines sur les proprits des ptes et mortiers de ciment.

Aprs avoir revu dans les deux premiers chapitres les principaux travaux relatifs aux proprits des ptes et mortiers de ciment sous laction des additions minrales, les acclrateurs de prise et de durcissement, et la dfinition des matriaux utiliss, des mthodologies dessais et des mlanges tudis, ltude portera tout dabord dans son troisime chapitre sur linfluence des additions siliceuses sur le temps de prise et le dveloppement des rsistances mcaniques en compression pour cela nous nous somme intress trois types dadditions la fume de silice, le sable siliceux substitu au ciment puis homognis et rebroy (HS) et le sable siliceux broy substitu au ciment (SS). Les ratios de 7, 10 et 15% du poids de ciment de sable siliceux broy et de fume de silice ont t utiliss pour cette analyse.

Le quatrime chapitre porte sur ltude de linfluence du nitrate de calcium sur les temps de dbut et fin de prise ainsi que lvolution des rsistances mcaniques de deux ciments C1 et C2 et de ces mmes ciments avec additions siliceuses. Les ciments C1 et C2 ont une surface spcifique comparable mais diffrent par leur composition minralogique. Ces deux ciments proviennent de deux rgions diffrentes situes lest de lAlgrie Un dosage en nitrate de calcium de 1% du poids de ciment a t choisi pour cette partie de ltude.

Le cinquime chapitre de ce travail est consacr linfluence des alcanolamines et leurs dosages sur le temps de dbut et fin de prise ainsi que lvolution des rsistances mcaniques, les teneurs de 0.05% et 0.10% du poids de ciment, en trithanolamine et en triisopropanolamine ont t prises en considration pour voir leur effets sur deux types de ciment. Ensuite on sest intress la mme tude pour les mmes ciments mais avec additions siliceuses, et nous comparons les effets des deux alcanolamines sur chaque type de ciment.

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Dans le sixime chapitre nous nous sommes intress linfluence de la combinaison du nitrate de calcium et de la trithanolamine et de celle du nitrate de calcium et la triisopropanolamine sur les temps de prise et lvolution des rsistances mcaniques, avec les mmes dosages prdfinis aux chapitres deux et trois.

Dans le septime chapitre nous dveloppons une tude de la calorimtrie des ptes de ciment C1 et C2 avec laddition du nitrate de calcium, de la triethanolamine, et de leurs combinaisons.

Dans le huitime chapitre on a tendu ltude pour les mortiers normaliss partir des ciments de base C1 et C2. Pour cela on sintresse leffet du nitrate de calcium, de la trithanolamine, de la triisopropanolamine et de leur combinaison sur la maniabilit, le temps de prise et lvolution des rsistances mcaniques.

Enfin nous terminons ce travail par des conclusions et proposons des axes de recherche qui restent dvelopper.

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CHAPITRE1 SYNTHESE BIBLIOGRAPHIQUE 1.1 INTRODUCTION

Lobjectif de cette synthse bibliographique est de passer en revue les connaissances actuelles

les plus pertinentes sur laction des adjuvants dans les matriaux cimentaires avec et sans additions minrales afin dclaircir en particulier la faon dont elles contribuent lactivit liante du ciment et comment cette contribution liante est prise en compte dans les mthodes de formulation des mortiers ou des btons.

Notre recherche bibliographique sappuie sur les tudes les plus rcentes dans le domaine ainsi que sur la normalisation europenne dont la lecture critique a permis de dgager les principaux arguments sur lesquels nous appuyons notre approche mthodologique pour la formulation des ptes et mortiers de ciment.

Les donnes bibliographiques spcifiques concernant le rle des adjuvants et additions minrales sur les proprits physiques et de transfert des matriaux cimentaires sont prsentes et analyses. 1.2 NOTIONS DE BASE

Le bton hydraulique est form dune pte fluide (liant, eau, air occlus) enrobant des granulats. Si la rsistance de ceux-ci est grande, la rsistance du mlange ne dpendra que de la rsistance de la pte durcie. Cette rsistance volue en fonction du temps et de la temprature.

Suite aux contraintes conomiques la fabrication de btons hautes rsistances dans la ralisation douvrages spciaux est devenue prsent un fait courant dans les pays europens et en Amrique du nord. A cet effet, les producteurs cherchent obtenir rapidement des rsistances la compression permettant de manipuler les pices en bton sans nuire leurs proprits long terme. Il est trs important pour une entreprise de gnie civil de savoir quand la rsistance du bton est suffisante en toute partie de louvrage pour le dcoffrage ou le transfert de la prcontrainte en toute scurit le plus rapidement possible. Cest pourquoi aujourdhui dans la majorit des pays du monde, un bton confectionn sans adjuvant est une exception. Par consquent pour les usines de prfabrication et afin de rentabiliser les quipements des coffrages spciaux ( tunnel, glissant, grimpant, etc.) , on cherche obtenir des rsistances mcaniques qui permettent le dcoffrage des ouvrages et la manutention des lments au jeune ge sans aucun problme.

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Synthse bibliographique

Il ny a pas de dfinition prcise du jeune ge . Ce terme peut signifier les premires heures, les premiers jours ou dans certains cas les premires semaines. Cela dpend du problme en question c'est--dire suivant le type de structure ainsi que les objectifs viss. Dans la prsente tude, nous adoptons la dfinition donne par J. BYFORS [2] qui divise le processus de durcissement du bton en quatre phases (Fig. 2.1) :

- le bton frais, - le bton au jeune ge, - le bton en cours de durcissement, - le bton durci.

Figure 1.1: Reprsentation schmatique du mcanisme de durcissement Ainsi le jeune ge du bton dbute avec le dbut de prise c'est--dire quelque heures aprs

le gchage lorsque les proprits du matriau voluent rapidement et se termine lorsque la cintique dvolution des proprits du bton commence dcrotre, (1 3 jours) pour un bton subissant un durcissement 20C.

Le domaine dapplication des B.H.P et BTHP se dveloppe rapidement et a atteint la totalit des constructions des immeubles prfabriqus en passant par les ponts poutres prcontraintes et les ouvrages spciaux complexes [3].

Ce nouveau matriau (B.H.P) possde une bonne ouvrabilit et des proprits mcaniques leves donc une excellente durabilit. Il a t appliqu dans la construction de plusieurs immeuble travers le monde [4,5], les qualits requises par les B.H.P nont pu tre ralises que grce au dveloppement de nombreux programmes de recherche conduits dans diffrents pays [5], dont les rsultats ont permis aux techniciens de disposer de donnes permettant la conduite et la concrtisation des projets.

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Chapitre1

1.3 LES BETONS A HAUTES PERFORMANCES (B.H.P)

Les B.H.P ne cessent pas de se dvelopper depuis de nombreuses annes, ils peuvent tre

dfins dune manire trs gnrale comme tant des btons ayant des performances suprieures aux btons courants. Ils prsentent non seulement des rsistances mcaniques plus leves que celle des btons courants mais aussi une bonne ouvrabilit et une bonne durabilit [7].

Auparavant le domaine des B.H.P commenait 40 Mpa alors quaujourdhui cette limite est passe aux environs de 50 80 Mpa. De plus il y est souvent associ une rsistance aux jeunes ges (01 j) de 20 30 Mpa ncessaire au dcoffrage et au transfert de la prcontrainte des ouvrages prfabriqus [8].

En 1969 Parrott [9] avait montr quil tait trs possible de faire des btons de rsistance mcanique en compression aprs 28 jours dge de lordre de 80 Mpa avec un ciment classique, sans adjuvant en diminuant le plus possible le rapport eau/liant et en augmentant le dosage en liant. Par cet artifice on diminue la porosit initiale du matriau. Son inconvnient majeur tait la trs mauvaise ouvrabilit.

Parmi les trs nombreuses tudes sur le B.H.P, on peut retenir celle de Yunsheng Zhang et al. [10] qui ont fait une tude sur la chaleur dhydratation de la pte de liant dans les btons haute performance. Ils ont utilis comme liant un ciment 52,5, comme additions minrales les cendres volantes, les scories broys des hauts fourneaux et la fume de silice et comme super plastifiant le sulfonate de naphtalne en poudre. Ils ont conclu que :

Le rapport eau/liant (E/L) est le facteur qui a le plus grand impact sur lhydratation du liant.

Figure 1.2 : Effet du rapport E/L sur la chaleur de trois jours d'hydrations des ptes de liant

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Synthse bibliographique

Figure 1.3 : Effet du rapport E/L sur le taux exothermique d'hydratation des ptes

La chaleur dhydratation pendant les trois premiers jours na pas t rduite par la prsence du super plastifiant contenant des composants retardateurs (type citrate), mais le processus de dgagement de la chaleur dhydratation a t retard.

Figure 1.4 : Effets du superplastifiant sur l'lvation de la temprature des ptes

Laddition des composants minraux a considrablement rduit la chaleur dhydratation des trois premiers jours et le taux exothermique a retard latteinte de la temprature la plus leve de la pte de liant.

Figure 1.5 : Courbes de la temprature en fonction du temps pour les chantillons avec une seule addition minrale

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Chapitre1

Figure 1.6 : Courbes de la temprature en fonction du temps pour les chantillons avec double et triple addition minrale

Figure 1.7 : Effet des combinaisons dadditions sur la chaleur dhydratation pour une chance de trois jours

1.3.1 OBTENTION DES B.H.P

Les btons hautes performances sobtiennent grce une compacit optimale du matriau, la recherche dun minimum de pores dans un bton, ne subissant aucun traitement particulier (thermique ou chimique), ce qui se traduit dans la pratique par la rduction du rapport pondral eau sur liant, [11], comme lavait dj propos Feret. Cette ide ancienne est rapidement limite par le critre de mise en uvre et mme avec des moyens trs puissants laugmentation du volume dair occlus dans les btons et mortiers trs raides limitait les performances mcaniques par suite de laccroissement de la porosit.

Cependant lutilisation dadjuvants permettant de rduire le dosage en eau rend possible la ralisation de ces btons avec les moyens traditionnels de chantier. Lefficacit de ces produits, obtenue grce la recherche continuelle dans cet axe, a permis la mise en uvre de plastifiants rducteurs deau et de super-plastifiants hauts rducteurs deau. Laugmentation de la compacit du squelette solide pris dans son ensemble permet galement de minimiser le rapport eau / liant pour une maniabilit donne du bton [12].

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Synthse bibliographique

On peut galement accrotre la compacit en insrant en plus des constituants traditionnels communs tous les btons, en particulier des ultrafines dont les plus utilises sont les cendres volantes et la fume de silice [13]. Les B.H.P sont dj intgrs au moins partiellement dans la rglementation franaise : les rgles BAEL91 et BPEL 91 voient en effet leur domaine dapplication tendu aux bton B60 (fc28 = 60 Mpa).

Une classification indicative des btons selon leurs rsistances mcaniques la compression fait apparatre trois catgories de bton :

- Bton ordinaire (B.O) 20 Mpa Fc28 < 50 Mpa - Btons a hautes performances (B.H.P) 50 fc28 80 Mpa - Btons trs hautes performances (BTPH) 80 > fc28 150 Mpa

1.3.2 RESISTANCE EN COMPRESSION DES BHP (NOTION DE RESISTANCE CRITIQUE) Les rsistances critiques recherches au jeune ge ( court terme) sont les rsistances ncessaires et suffisantes qui permettent aux pices en bton dtre manipules sans risque de dformation.

Daprs J.BRESON [14], ces rsistances varient selon la forme, la nature et la destination des pices en bton.

Elles sont telles que : 9 Dans le cas de manutention ou de dmoulage, la rsistance varie selon le produit et

les moyens de manutention utiliss, elle est de 2 3 Mpa pour les blocs en bton, de 5 10 Mpa pour les canalisations et les bordures, de 10 15 Mpa pour les produits de grandes dimensions tels que les panneaux prfabriqus. Toutes ces valeurs doivent reprsenter au moins 20 30 % de la rsistance 28 jours.

9 Dans le cas de la prcontrainte par pr-tension les rsistances ncessaires au relchement des aciers actifs sont de lordre de 25 35 Mpa soit 50 60 % de la rsistance 28 jours.

9 Dans le cas des produits soumis un traitement mcanique daspect ou des contraintes leves lors de leurs dmoulages, la rsistance recherche est galement de lordre de 50 60% de celle 28 jours.

La rsistance la compression est la plus importante des proprits dusage du matriau et

celle dont lamlioration est la plus spectaculaire. Elle traduit directement les effets des ajouts, des additions et des adjuvants sur la microstructure du matriau.

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Chapitre1

Si lon cherche fabriquer des B.H.P maniables avec des granulats ordinaires, on doit se limiter dans ltat actuel de la technologie des valeurs comprises entre 100 et 120 Mpa en terme de rsistance moyenne 28 jours.

La rsistance la compression simple (uni axiale) constitue le paramtre le plus communment utilis pour caractris le bton. Sa valeur dpend des dimensions des chantillons tests, de lge et des conditions de mrissement.

SELLEVOLD et RADJY [15,16] montrent que laugmentation de la rsistance en compression en fonction du rapport E/C reste peu prs semblable mais atteint un niveau plus lev quand la fume de silice est combine au ciment.

CARETTE ET MALHOTRA [17] font une synthse de la rsistance la compression de bton reprsentant un rapport [E/(C+FS)] de 0.4 dans laquelle ils ont montr quen rajoutant entre 5 et 20% de fume de silice combine une quantit variable de superplastifiant, afin de conserver louvrabilit, la rsistance la compression 28 jours reste la mme.

Dans la mme priode les travaux de SELLEVOLD et RADJY ont port sur laugmentation de la rsistance la compression des btons aux fumes de silice ayant subi une cure dans leau et des blocs tmoins exposs lair du laboratoire immdiatement aprs le dcoffrage. Les prouvettes subissent une perte de rsistance de 10 20% lorsquelles sont soumises un schage prcoce, compares celles qui ont subi une cure dans leau. On observe que la perte de rsistance en fonction du rapport E/C est un peu plus grande dans les btons avec ajout de fume de silice que dans les btons tmoins correspondants.

1.4 ACTION DES ADDITIONS MINERALES SUR LES MATERIAUX CIMENTAIRES La norme europenne EN 206-1 (NF P 18-325) de Fvrier 2002 dfinit les additions comme des

matriaux minraux finement diviss utiliss dans le bton afin damliorer certaines de ses proprits ou pour lui confrer des proprits particulires . Laction des additions concerne aussi bien ltat frais que ltat durci du bton. En premier lieu, ltat frais, la prsence des additions modifie la structure du squelette granulaire du matriau et les frictions entre les composants de la suspension solide dans la phase liquide. En second lieu, au cours de la prise et du durcissement, les particules des additions interagissent dans le processus dhydratation du ciment et peuvent modifier la structuration des produits hydrats [18]. En troisime lieu, certaines additions ont la capacit de ragir chimiquement en milieu cimentaire pour former de nouveaux produits hydrats qui prsentent un caractre liant additionnel celui rsultant de lhydratation du ciment et que les anglo-saxons prcisent sous le terme de supplementary cementitious materials. De plus, ces

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Synthse bibliographique

diffrents aspects de laction des additions peuvent intervenir de manire simultane, rendant particulirement difficile lvaluation de la contribution des additions minrales aux performances des matriaux cimentaires. Toutefois, pour une premire analyse de laction des additions minrales, nous pourrons distinguer trois principaux effets [19, 20] : 9 un effet granulaire engendr par la capacit dempilement des particules de laddition et par

lintensit des frictions entre les particules de laddition avec les autres grains solides du mlange. Cet effet agit essentiellement sur les proprits rhologiques et la compacit des matriaux cimentaires a ltat frais et peut influer sur le dveloppement et lintensit des deux autres effets des additions.

9 un effet physico-chimique et microstructural engendr par les interactions entre les particules de laddition et lvolution du processus dhydratation du ciment ainsi que par les modifications de la structuration de la matrice cimentaire. Il agit sur lvolution du processus dhydratation du ciment et sur les proprits physiques et microstructurales des matriaux cimentaires.

9 un effet chimique engendr par la capacit de certaines additions caractrises par des proprits pouzzolaniques et/ou hydrauliques ragir en milieu cimentaire. Il agit sur le volume et la nature des produits hydrats forms. Cet effet est complmentaire leffet physico-chimique et microstructural. Ils peuvent donc tre associs dans une notion unique plus large qui est celle de la contribution des additions lactivit liante du ciment.

Par ailleurs, la normalisation actuelle distingue les additions en deux types : celles quasiment inertes (de type I) et celles caractres pouzzolaniques ou caractres hydrauliques latent (de type II). Elle permet la prise en compte dans la formulation de certaines additions en prsence de ciments de type CEM I par le biais dun coefficient forfaitaire k. Cependant, elle ne propose pas de mthodologie exprimentale permettant dlargir le concept de coefficient k de nouveaux couples ciment addition. A lissue de notre analyse critique des textes normatifs et des tudes actuelles sur la prise en compte des additions minrales dans la formulation, il est montr que lvaluation quantitative prcise de la contribution liante des additions rend ncessaire la matrise de leffet granulaire et le maintien de la compacit du squelette solide des mlanges lorsque des additions sont introduites. 1.5 LES ADJUVANTS

Les adjuvants sont des produits chimiques qui, incorpors dans les btons lors de leur malaxage

ou avant la mise en uvre des doses infrieures 5% du poids de ciment, provoquent des modifications des proprits ou du comportement de ceux-ci.

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Chapitre1

Gnralement le bton dfinitif dun ouvrage nest pas forcment satisfaisant, mme si sa composition a t dtermine suivant les rgles connues fixant les proportions respectives de liant, de sable, de granulat et deau. Bien des facteurs interviennent au stade de sa fabrication, de son transport, de sa mise en place dans les coffrages, de sa prise et de sa monte en rsistance.

Diverses solutions existent pour augmenter la possibilit darriver un rsultat concret, parmi lesquelles celles apportes par les adjuvants.

Quel que soit ladjuvant, les spcifications normatives visent dabord dfinir et quantifier sa fonction, c'est--dire la faon dont il modifie, dans le sens recherch, les proprits du bton, ensuite, limiter les effets non recherchs sur les autres proprits du bton [21]. 1.5.1 INTERET DES ADJUVANTS

La raison de lutilisation croissante des adjuvants est quelle confre physiquement et

conomiquement au bton des avantages considrables. Ces avantages comprennent, entre autres, lutilisation de bton dans des conditions qui prsentaient auparavant des difficults considrables, voir insurmontables. Ils permettent lutilisation dune grande gamme de matriau dans le bton.

Mme sils ne sont pas toujours bon march, les adjuvants ne reprsentent pas ncessairement des dpenses supplmentaires, car leur utilisation peut engendrer des conomies, par exemple sur les cots du serrage et du dosage en ciment ou encore en augmentant la durabilit des btons sans dispositions supplmentaires ultrieures.

Les adjuvants fournissent au formulateur de bton une gamme tendue, varie et nuance de possibilits pour faciliter la mise en uvre des btons, adapter leur formulation au temps froid et au temps chaud, rduire les cots de mise en uvre, amliorer les proprits du bton durci, voire mme lui confrer des proprits nouvelles. Ce sont eux qui ont rendu possible la notion et le concept actuel de bton hautes performances [22].

Il y a toutefois lieu dinsister sur le fait que, mme utiliss de manire adquate et bnfique pour le bton, ils ne peuvent en aucun cas servir corriger la mauvaise qualit des autres constituants ni leur dosage incorrect, ni des erreurs de manutention lors du transport, de la mise en place ou du serrage du bton.

1.5.2 DIFFERENTS TYPES DADJUVANTS

Les adjuvants peuvent tre organiques ou inorganiques selon leur composition chimique, mais leur caractre chimique, distinct de celui des autres minraux utiliss dans la fabrication du bton, est

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Synthse bibliographique

essentiel. Ainsi , dans la nomenclature amricaine on les appelle adjuvants chimiques, mais ici cette qualification est superflue, car les produits minraux incorpors dans le bton, dont la teneur est souvent suprieure 5% de la masse du ciment, sont appels liants ou ajouts. Les adjuvants sont habituellement classs selon leur fonction dans le bton, mais en plus ils prsentent souvent des effets secondaires. Selon la norme ASTM C 494-92, on peut classer les adjuvants dans les catgories suivantes : 9 Type A : rducteurs deau ; 9 Type B : retardateurs ; 9 Type C : acclrateurs ; 9 Type D : rducteurs deau et retardateurs ; 9 Type E : rducteurs deau et acclrateurs ; 9 Type F : haut-rducteurs deau ou superplastifiants ; 9 Type G : haut-rducteurs deau et retardateurs, ou superplastifiants et retardateurs

La norme europenne qui traite des adjuvants est la norme EN 934-2.

1) LES SUPERPLASTIFIANTS HAUTS REDUCTEURS DEAU

Les super-plastifiants sont des dispersants qui fonctionnent sur le mme principe que les plastifiants rducteurs deau mais dune faon plus efficace, telle quil est possible en principe de dfloculer compltement les grains. Ce sont des polymres de synthse fabriqus spcialement pour lindustrie du bton.

Daprs la norme NF-P 18-333 un superplastifiant est un adjuvant fluidifiant qui introduit dans un bton, mortier ou coulis, en gnral peu avant sa mise en uvre, a pour fonction principale de provoquer un accroissement important de louvrabilit du mlange. Lcart minimal entre laffaissement au cne dAbrams du bton fluidifi et celui du bton tmoin est gal 8 cm.

Il nexiste pas de B.H.P sans superplastifiants. En effet cest grce aux super-plastifiants quon arrive fabriquer des B.H.P. La facilit de raliser un bton hautes performances sur chantier dpend essentiellement du comportement du couple liant / superplastifiant.

Au dbut de leur apparition vers la fin des annes 1970, les superplastifiants ont t surtout utiliss pour fluidifier des btons courants. Ils taient alors ajouts, sur chantier, des dosages de lordre dun deux litres par mtre cube soit 0,2 0,3 % en masse dextrait sec par rapport la masse du liant.

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Chapitre1

A de tels dosages, laction fluidifiante est limite dans le temps car les molcules de polymres ne se trouvent pas en nombre suffisant pour neutraliser tous les sites actifs librs suite la meilleure dispersion des grains de ciment comme le montre la figure 2.9 daprs Jolicur et al [23].

Figure 1.8: Illustration schmatique du blocage des sites ractifs par les molcules dun super plastifiant

Les superplastifiants disponibles actuellement sur le march sont labors partir de rsines de synthse masses molculaires leves rentrant dans les catgories suivantes :

- Condensat de mlamine sulfone de formaldhyde, - Condensat de naphtalne sulfon de formaldhyde, - Lignosulfonates de calcium ou de sodium modifi, - Autres (carbo-hydrates, rsines vinyliques).

Daprs Atcin [24], lorsquon utilise ces super-plastifiants de trs forts dosages, cet effet enveloppant peut retarder quelque peu lhydratation des grains de ciment, quelle que soit la nature du super plastifiant, du type de ciment ou de la dimension moyenne de ses grains.

Atcin [25] dans la mme priode a mis en vidence lallongement de la priode dormante en tudiant lvolution de la chaleur dgage lors de la raction dhydratation. A cet effet plus le dosage en superplastifiant est lev plus cet effet retardateur sera prononc.

La figure 2.10 montre daprs Fernom [26] que certaines molcules de polymres, peuvent tre aussi trs vite fixes par les hydrates qui se forment.

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Synthse bibliographique

Figure 1..9: Illustration schmatique de linfluence des super plastifiants sur la formation des hydrates

2) ACCELERATEURS DE PRISE ET DE DURCISSEMENT

Selon la norme europenne EN934-2, un adjuvant sera class comme acclrateur de prise

performant si :

- Le temps de prise 20C est 30mn et 60% du temps de prise du mlange de rfrence 5C (EN 480-2),

- La rsistance la compression du bton est 80% de la rsistance du mlange de rfrence 28 jours,

- La rsistance 90 jours la rsistance 28 jours, - La quantit dair dans le bton frais 2% du volume du mlange de rfrence (sauf en cas de

spcifications du fabricant),

Les exigences de performance pour un test dacclrateur de durcissement dun mlange selon cette mme norme EN 934-2 sont les suivantes :

- La rsistance la compression du bton 24h et 20C doit tre 120% de la rsistance du mlange de rfrence et 130% de la rsistance du mlange de rfrence 48h et 5C,

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Chapitre1

- La quantit dair dans le bton frais doit tre 2% du volume du mlange de rfrence (sauf en cas de spcifications du fabricant).

a) mcanismes daction

Les acclrateurs de prise et de durcissement sont, en gnral, des sels minraux. De

nombreux composs chimiques ont t utiliss comme acclrateurs de prise, le plus ancien et le plus connu tant le chlorure de calcium. On admet gnralement que le chlorure de calcium favorise la croissance du silicate de calcium hydrat C-S-H. Or lutilisation de ce produit conduit des problmes de corrosion des armatures. Cest ce qui a conduit de nombreux chercheurs dvelopper dautres types dadjuvants ne contenant pas de chlorure [27].

De nombreuses tudes ont montr que, dune manire gnrale, les cations et les anions prsentaient un effet acclrateur suivant vraisemblablement le mme mcanisme sans tre toutefois aussi efficaces que le chlorure de calcium ; ce sont, dans lordre defficacit[ 28] :

Ca2+>Sr2+>Ba2+>Li+>K+>Na+>=Cs+>Rb+

Br-=Cl->SCN->I->NO3->ClO4-

Dautres ions sont susceptibles davoir un effet sur la vitesse de prise du ciment par prcipitation

dune nouvelle phase ; ce sont des hydroxydes ou des sels basiques de magnsium, de zinc, de plomb ou des sels peu solubles de calcium, sulfates, carbonates, phosphates, fluorures et borates [29]. Mais leffet peut tre une acclration ou un retard. Les sels de magnsium ont un effet acclrateur semblable celui des sels de calcium. Les carbonates peuvent provoquer une prise trs rapide ou bien la retarder suivant la concentration laquelle ils sont ajouts. Ces produits ne sont pas utiliss en pratique car leur action est difficile matriser.

b) Elments de typologie des acclrateurs de prise et de durcissement Le chlorure de calcium (CaCl2) demeure sans contestation lacclrateur de prise et de

durcissement le plus puissant, le plus conomique et le plus utilis [30], mme si son emploi est rglement plus ou moins svrement selon les pays cause de ses problmes de corrosion.

Cependant, en matire dacclration du durcissement du bton, on oublie trop souvent que lon peut obtenir des gains de rsistance substantiels trs court terme 18 24 heures, en diminuant tout

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Synthse bibliographique

simplement le rapport eau/liant du bton. Il est, en effet, tout fait possible dobtenir des rsistances suprieures 20 MPa en moins de 18 heures sans chauffer le bton, tout simplement en diminuant le rapport eau/liant entre 0.3 et 0.35.

La limitation du taux de chlorure dans les btons a conduit dvelopper des acclrateurs non chlors. Ces adjuvants, indispensables en raison de ces limitations, sont, en gnral, un peu moins efficaces dosage gal que le chlorure de calcium, ceci avec le classement des anions et des cations donn prcdemment.

Accroissement de la rsistance la

compression**

Adjuvant

Dosage*

Diminution du temps de fin de

prise (min)

3jours 28jours

Chlorure de calcium CaCl2 1.0% 2.0%

90 125

136 148

109 102

Nitrite de calcium Ca(NO2)2 1.0% 2.0%

65 95

128 137

113 112

Formiate de calcium Ca(HCO2)2 1.0% 2.0%

70 100

123 133

115 105

Tableau 1.1 : Comparaison de diffrents acclrateurs sur le temps de fin de prise et la rsistance 3 et 28 jours

dun bton de rapport E/C=0.55 dos 310 kg de CPA-CEM I par m3 [28]. * % de sel anhydre par rapport la masse du ciment ** en % par rapport la rsistance du bton de rfrence la mme chance

Bien que les rsultats donns par les fournisseurs dadjuvants permettent la comparaison

objective des diffrents produits du march, il reste nanmoins quaujourdhui le seul moyen vraiment fiable dvaluer lefficacit dun acclrateur consiste effectuer des essais sur le bton tudi dans les conditions dutilisation identiques celles du chantier.

En effet, laction effective dun acclrateur dans le bton dpend de plusieurs facteurs quon ne sait pas bien prendre en compte dans la formulation des btons, savoir : 9 Les classes de rsistance 28 jours et au jeune ge du ciment ; 9 La composition minralogique du clinker ; 9 Le type de ciment ; 9 Linteraction avec dautres adjuvants ; 9 La temprature.

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Chapitre1

La figure 2.10 montre linfluence dun acclrateur de prise commercial non chlor sur le temps

de prise et la rsistance la compression court terme mesure sur un mortier normalis conserv 5 et 20C. Le ciment utilis est un CPA-CEM I 42.5 PM / ES. Bien que ces rsultats montrent lefficacit de lacclrateur 5C, il reste que les rsistances mesures 5C sur les mortiers sont trs nettement infrieures celles mesures 20C sur les mortiers sans acclrateur. Dans ce cas, lacclrateur ne permet pas de compenser linfluence de la temprature sur les rsistances court terme.

Figure 1.10 : Influence dun acclrateur de prise sur le temps de prise et la rsistance la compression court

terme mesure sur un mortier normalis conserv 5 et 20C La figure 2.11 illustre linfluence du ciment sur lefficacit dun acclrateur de prise normalis et

non chlor. Lanalyse rapide de ces rsultats tend montrer que lacclrateur utilis serait plus efficace pour le bton de CPJ-CEM 42.5 R que pour celui de CPA-CEM I 52.5 R. Cependant il serait tout fait injustifi de faire cette analyse sur la seule base des rsultats prsents sur cette figure. En effet, il sagit l dun exemple o, pour tre valable, la comparaison des deux btons doit absolument se faire pour des maturits quivalentes [31]. Dans ce cas prcis, si lon exprime la maturit relative des deux btons tmoins, lge de 16 heures, par rapport de leur rsistance 16 heures sur la rsistance respective 28 jours, on obtient [32, 33,34]:

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Synthse bibliographique

9 Pour le bton tmoin de CPA-CEM I 52.5 R maturit = 0.51 9 Pour le bton tmoin de CPJ-CEM II 42.5 R maturit = 0.26

Pratiquement ces valeurs de maturit relative indiquent qu 16 heures le bton de CPJ-CEM II 42.5 R est certainement dans sa priode de durcissement rapide, appele court terme o lvolution des rsistances est trs forte, alors que le bton de CPA-CEM I 52.5 R semble sorti de cette priode et connat donc un accroissement des rsistances en fonction du temps beaucoup plus modr. Ceci est confirm par laugmentation relative nettement plus forte, entre 16 et 20 heures, des rsistances du bton tmoin de CPJ-CEM II 42.5 R, comparativement celles du bton tmoins de CPA-CEM I 52.5.

Figure 1.11: Rsistance la compression, 16 et 20 heures, de btons avec et sans acclrateur

Une analyse plus objective [35] de lefficacit de lacclrateur vis--vis de ces deux btons peut tre faite en comparant lvolution de la temprature enregistre au cur des prouvettes des btons tmoins et des btons avec acclrateurs. La figure 2.12 montre que dans les conditions tudies, lacclrateur utilis ne rduit pas la priode dormante des deux btons, mais quil acclre lhydratation du ciment au cours de la priode de durcissement du bton. Sur la base de ces relevs de temprature, il semble que lacclrateur tudi ait effectivement plus dinfluence sur le bton de CPJ-CEM II 42.5 R que sur le bton de CPA-CEM I 52.5 R.

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Figure 1.12: Evolution de la temprature mesure au cur dprouvettes 16x32cm

Dodson [36], par exemple, a prsent une synthse de sels acclrateurs de prise non corrosifs,

ne contenant pas de chlorures. Il a commenc ses recherches en 1962 et a montr que le nitrate de calcium Ca(NO3)2 peut tre utilis comme acclrateur de prise [37].

Figure 1.13 : Courbe Temprature / temps de durcissement pour des btons avec des dosages quivalents de

nitrate, d'actate soluble et de formiate de fer de calcium compar au bton de rfrence

Le nitrate de calcium (NC) a t officiellement utilis en 1968 et brevet en 1969 [38]. Ce nest donc quaprs cinq ans de recherche quil a t prouv que le nitrate de calcium est un inhibiteur de corrosion efficace pour les aciers de bton arm et bton prcontraint.

Le seul autre compos organique utilis comme acclrateur de prise est la trithanolamine (TEA). Cependant, son dosage est critique car la trithanolamine peut aussi agir comme un puissant retardateur ou encore peut promouvoir des situations de prise clair. En gnral des dosages de 0.01% 0.025% dextrait sec par rapport la masse du ciment permettent dacclrer la prise et le durcissement du bton de faon significative. Cependant, il est bon de rappeler que lon utilise trs

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rarement la trithanolamine seule en tant quacclrateur ; on lutilise pratiquement exclusivement pour corriger laction retardatrice des rducteurs deau ou des superplastifiants [39].

En 1976 V.S RAMACHANDRAN [40] a tudi le rle de la trithanolamine (TEA) dans lhydratation du ciment. A cet effet il a essay des addition de 0.1, 0.25, 0.35, 0.5 et 1% de TEA par rapport au poids du ciment. Ses rsultats montrent que laddition de petites quantits de TEA na pratiquement aucun effet sur le temps de prise, le dveloppement de la chaleur dhydratation et le dveloppement des rsistances mcaniques dans les ptes de ciment portland. Cependant, pour des quantits suprieures 0.1% son influence est trs significative, il agit en tant que retardateur dans lhydratation de la phase de silicates et comme acclrateur dans la phase daluminates. Le mcanisme de cette action peut tre d la formation dun complexe entre le TEA et les composants dhydratation du ciment portland. Son mcanisme sur lhydratation du ciment nest pas compltement compris. En 1986 PAURI et al [41] ont trouv des rsultats semblables pour le silicate tricalcique.

En 1992 V.T YLLMAZ et al. [42] ont dvelopp une nouvelle mthode se basant sur des techniques danalyse polarographique pour la dtermination quantitative de TEA dans la phase aqueuse des ciments. Le TEA en solution est converti en complexe de TEA-Fe3+ en ajoutant une mole NaOH 10% Fe3+ en solution. Lapplication de cette mthode danalyse a montr que le TEA est absorb par lhydratation initiale produite par la quantit daluminate tricalcique et de gypse et la quantit de TEA absorbe est de 1.5 mg par gramme de solide.

Dans la mme priode, dautres tudes [43, 44, 45] ont montr que certains pays dEurope du Nord utilisent aussi un sel cristallis de nitrate base de calcium et dammonium comme adjuvant pour les btons.

Linfluence des ajouts en nitrate de calcium sur la prise du ciment et la corrosion des aciers 20C a t tudie rcemment par H.Justnes [46, 47,48]. Dans un premier temps, H.Justnes constate que leffet dacclration de prise sil existe, dpend du taux en aluminates dans le ciment. Cette hypothse nest pas vrifie pour les ciments basse temprature (5C). Il conclut que le nitrate de calcium fonctionne comme un acclrateur de prise pour le ciment entre 7C et 20C. Lefficacit du nitrate de calcium dpend du type de ciment auquel il est ajout. Cette caractristique dacclration semble crotre avec le taux de blite des ciments ou avec dautres caractristiques qui conduisent la formation de blite au cours du processus de clinkrisation [49].

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Figure 1.14: Les profils de pntration de laguille de Vicat dans les ptes de ciment du type I& II de l'ASTM avec diffrents Dosages de CN 5C et 7C [43]

Figure 1.15 : La corrlation linaire entre l'efficacit d'acclration de 1,55 % d'additions de CN sur diffrents ciments et leur teneur de blite a 5C [43]

Par ailleurs, la trithanolamine en ajout avec le nitrate de calcium a t propose en 1981 comme

un acclrateur de prise non corrosif pour les btons. Ce produit chimique acclre la raction entre laluminate tricalcique et le gypse ; utilise aux dosages de 0.1 0.5% du poids du ciment, elle provoque la prise immdiate (de 2 6 minutes) du mlange.

Ellis Gartner et David Myers [50] ont tudi les effets physiques et chimiques de petites additions de deux alcanolamines tertiaires diffrentes sur le ciment Portland. Les rsistances dessai sur des mortiers normaliss pour des chances de plus de 1 jour se sont avres augmentes dans certains cas par l'addition de la triisopropanolamine(TIPA) [51], mais pas par les quantits semblables de trithanolamine. Les donnes thermo gravimtriques et de diffraction aux rayons X indiquent que les rsistances accrues de mortier ont rsult d'un plus grand degr d'hydration du ciment. L'analyse de la calorimtrie et la phase aqueuse prouvent que l'alcanolamine le plus puissant, la triisopropanolamine, reste en solution pendant un temps suffisant pour catalyser l' hydratation de C4AF aprs que tout le gypse libre ait t consomm sous forme dhydrates de sulfoaluminate de calcium. En revanche,

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l'alcanolamine le moins puissant, la trithanolamine, est la plupart du temps adsorbe par le ciment dans les premires heures de l'hydration. On prsume que le mcanisme catalytique facilite le transport des ions ferriques dans la phase aqueuse sous forme de complexes ferriques alcanolamines.

En 1995 T. Sage et al. [51] ont tudi leffet des sulfocyanates sur lhydratation du ciment portland basses tempratures. Le sulfocyanate de sodium, le sulfocyanate de potassium, le sulfocyanate d'ammonium, le sulfocyanate de calcium et le sulfocyanate de lithium ont t ajouts au ciment Portland dans les quantits 1,5 et 3% (par rapport au poids du ciment) et traits aux tempratures de 20 et 5C. Tous les sulfocyanates activent le dbut de raction du ciment 20C et lacclration la plus efficace se produit avec 3% Ca(SCN)2. La chaleur dhydratation dans les chantillons contenant KSCN est de 30% suprieure que celle du mlange de rfrence 3 jours. A 0C il y a une acclration en prse