contribution à l'étude des bétons hautes performances

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO

DEPARTEMENT SCIENCE DES MATERIAUX ET METALLURGIE

Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du

DIPLOME D’ETUDES APROFONDIES EN SCIENCE DES MATERIA UX

CONTRIBUTION A L’ETUDE DECONTRIBUTION A L’ETUDE DECONTRIBUTION A L’ETUDE DECONTRIBUTION A L’ETUDE DESSSS BETONS HAUTES BETONS HAUTES BETONS HAUTES BETONS HAUTES

PERFORMANCESPERFORMANCESPERFORMANCESPERFORMANCES----UTILISATION DU METAKAOLIN COMME FINES UTILISATION DU METAKAOLIN COMME FINES UTILISATION DU METAKAOLIN COMME FINES UTILISATION DU METAKAOLIN COMME FINES

D’AJOUTD’AJOUTD’AJOUTD’AJOUT

Présenté par : FIFINY Anna Carole

Directeur de mémoire : Professeur RANAIVONIARIVO Velomanantsoa Gabriely

Encadreur : Docteur RANDRIAMALALA Tiana Richard

Date de soutenanceDate de soutenanceDate de soutenanceDate de soutenance :::: 06 novembre 201406 novembre 201406 novembre 201406 novembre 2014

Polytechnique,

Premier Partenaire

des Professionnels

UNIVERSITE D’ANTANANARIVO

ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO

DEPARTEMENT SCIENCE DES MATERIAUX ET METALLURGIE

Mémoire de fin d’étude en vue de l’obtention du

DIPLOME D’ETUDES APROFONDIES EN SCIENCE DES MATERIA UX

CONTRIBUTION A L’ETUDE DES BETONS HAUTES PERFORMANCESCONTRIBUTION A L’ETUDE DES BETONS HAUTES PERFORMANCESCONTRIBUTION A L’ETUDE DES BETONS HAUTES PERFORMANCESCONTRIBUTION A L’ETUDE DES BETONS HAUTES PERFORMANCES----

UTILISATION DU METAKAOLIN COMME FINES D’AJOUTUTILISATION DU METAKAOLIN COMME FINES D’AJOUTUTILISATION DU METAKAOLIN COMME FINES D’AJOUTUTILISATION DU METAKAOLIN COMME FINES D’AJOUT

Présentée et soutenue par : FIFINY Anna Carole

Président de jury : Professeur ANDRIANARY Philippe

Rapporteur : Professeur RANAIVONIARIVO Velomanantsoa Gabriely


Examinateurs :

� Docteur RANDRIANARIVELO Frédéric � Docteur RAKOTOZAFY Samuel � Docteur RANARIVELO Michel

Promotion 2012Promotion 2012Promotion 2012Promotion 2012

Polytechnique,

Premier Partenaire

des Professionnels

REMERCIEMENTS

En premier lieu, nous tenons à remercier DIEU TOUT PUISSANT de nous avoir

donné la force, la santé et la vie qui nous ont permis d’effectuer ce travail.

Mes remerciements s’adressent également au Professeur ANDRIANARY Philippe,

Directeur de l’Ecole Supérieur Polytechnique d’ Antananarivo, pour l’honneur qu’il nous a

fait en acceptant de présider cette soutenance de mémoire.

Ma profonde gratitude et vifs remerciements s’adressent au Professeur

RANAIVONIARIVO Velomanantsoa Gabriely, responsable de la formation doctorale au sein

du Département Science des Matériaux et Métallurgie à l’Ecole Supérieur Polytechnique

d’Antananarivo, Rapporteur du présent mémoire, qui a beaucoup apporté sans ménagement à

la réalisation de ce travail.

Je remercie vivement le Docteur RANDRIAMALALA Tiana Richard, responsable du

Département Recherche et Matériaux du laboratoire LNTPB, pour son aide et ses conseils

entant qu’encadreur de ce mémoire.

Je remercie le Docteur RANDRIANARIVELO Frédéric, Maître de Conférences, Chef

du Département Science des Matériaux et Métallurgie, qui a accepté de consacré son temps

pour juger ce travail.

Mes remerciements vont également au Docteur RAKOTOZAFY Samuel, Maître de

Conférences, Enseignant Chercheur au sein du département SMM de l’ESPA, et au Docteur

RANARIVELO Michel, Maître de Conférences, Enseignant chercheur au sein du

département SMM de l’ESPA pour leur participation au jury.

Ce travail a pu être achevé grâce aux participations de :

-Monsieur ANDRIAMALALA Mbola Prosper, responsable du laboratoire du

Département Génie Chimique de l’ESPA, qui m’a aidé lors de la calcination du kaolin ;

-Tous les responsables du Laboratoire National des Travaux Publics et du Bâtiment

ainsi que toutes ses équipes, pour leurs aides et conseils durant les essais ;

-Tous les enseignants de l’ESPA qui ont participé à notre formation tout au long de

ces six années d’études.

Nous tenons à exprimer également notre gratitude à notre famille, qui en toutes

circonstances, nous a prodigué encouragement et soutien tout au long de la réalisation de ce

mémoire.

Mes plus grands remerciements s’adressent à mes amis et collègues de l’Ecole

Supérieure Polytechnique d’Antananarivo.

Enfin, merci à tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à la réalisation de ce

travail.

i

SOMMAIRE

REMERCIEMENTS

SOMMAIRE .......................................................................................................................... I

LISTE DES ABREVIATION ............................................................................................... II

LISTE DES TABLEAUX ................................................................................................... IV

LISTE DES FIGURES ........................................................................................................ VI

LISTE DES ANNEXES ..................................................................................................... VII

INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................ 1

PREMIERE PARTIE : ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES ................................................... 3

CHAPITRE I : NOTION SUR LES KAOLIN ...................................................................... 4

CHAPITRE II : GENERALITE SUR LE CIMENT ............................................................ 21

CHAPITRE III : LES GRANULATS .................................................................................. 34

CHAPITRE VI : NOTION SUR LE BETON ...................................................................... 41

DEUXIEME PARTIE : ETUDES EXPERIMENTALES ................................................... 47

CHAPITRE V : CARACTERISATION DES MATIERES ................................................ 48

CHAPITRE VI : FORMULATION ET ESSAIS ................................................................. 79

CHAPITRE VII : IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX ................................................... 99

CONCLUSION GENERALE ............................................................................................ 103

BIBLIOGRAPHIE

WEBOGRAPHIE

ANNEXES

TABLE DES MATIERES

ii

LISTE DES ABREVIATIONS

A : affaissement

Adj : adjuvant

AFNOR : Association Française des normalisations

AP : coefficient d’aplatissement

ATD : Analyse Thermique Différentielle

ATG : Analyse Thermogravimétrique

BaP : Béton autoplaçant

BET : Brunauer, Emmet et Teller

BFUP : Béton de Fibre à ultra-haute performance

BHP : Béton Haute Performance

BO : Béton Ordinaire

BTHP : Béton Très Haute Performance

c : compacité

C : ciment

CR : courbe de référence

CSH : Silicate de Calcium Hydraté

CV : coefficient volumétrique

d : diamètre

D : diamètre maximal des grains

E : eau

ES : Equivalent de Sable

FCE : Classe vrai du ciment

G : gravier

K : kaolin

Kb : coefficient granulaire de BOLOMEY

L : liant équivalent

iii

LA : coefficient Los-Angeles

LNTPB : Laboratoire National des Travaux Publics et du Bâtiment

MA : Module d’alumine

MC : Module de chaux

MDE : coefficient Micro-Deval

Mf : Module de finesse

MK : métakaolin

MS : Module de silice

MV : Matière Volatile

ND : non dosé

PF : perte au feu

p : proportion de métakaolin

Rb : résistance visée du béton

Rc : résistance à la compression

RI : résidu indéterminé

S : sable

SSB : Surface Spécifique Blaine

Va : volume d’air

WBCSD : World Business Council for Sustainable Developpement

(x,y): Coordonnées Laborde

ρ : densité apparente

γ : masse spécifique

∆ : densité réelle du béton

∆0 : densité théorique du béton

w : teneur en eau

iv

LISTE DES TABLEAUX

Tableau 1 : Données cristallographiques de la kaolinite ................................................... 6

Tableau 2 : Propriétés générales du kaolin ........................................................................ 7

Tableau 3 : Caractéristiques générales du métakaolin ..................................................... 16

Tableau 4 : Composition chimique massique (en %) du métakaolin ............................... 16

Tableau 5 : Formule et notation abrégée .......................................................................... 22

Tableau 6 : Composition chimique des différentes phases cristallines ............................ 22

Tableau 7 : Les différents types de ciments de la norme NF EN 197-1 .......................... 24

Tableau 8 : Les différents types de granulats issus de roches massives .......................... 35

Tableau 9 : Modules et dimensions nominales des tamis (en mm) ................................. 38

Tableau 10 : Classe des bétons selon leurs résistances à la compression ........................ 41

Tableau 11 : Classe de consistance des bétons ................................................................ 42

Tableau 12 : Taux d’humidité du kaolin .......................................................................... 49

Tableau 13 : Densité apparente du métakaolin ................................................................ 50

Tableau 14 : Masse spécifique du métakaolin ................................................................. 51

Tableau 15 : Résultats de l’analyse granulométrique par sédimentométrie du kaolin .... 55

Tableau 16 : Composition chimique (en % pondérale) du kaolin ................................... 56

Tableau 17 : Analyse minéralogique qualitative par DRX du kaolin .............................. 60

Tableau 18 : Différentes activation thermique du kaolin ................................................. 60

Tableau 19 : Eau de gâchage de la pâte normale ............................................................. 62

Tableau 20 : Temps de prise de la pâte normale .............................................................. 63

Tableau 21 : Composition chimique du CEM I 42.5N .................................................... 65

Tableau 22 : Modules et valeurs requises du CEM I 42.5N ............................................ 65

Tableau 23 : Composition minéralogique potentielle du ciment ..................................... 66

Tableau 24 : Densité apparente du sable .......................................................................... 66

Tableau 25 : Densité apparente du gravier 5/15 .............................................................. 67

Tableau 26 : Densité apparente du gravier 15/25 ............................................................ 67

Tableau 27 : Masse spécifique du sable et des graviers ................................................... 68

Tableau 28 : Résultats de l’analyse granulométrique du sable ........................................ 71

v

Tableau 29 : Résultats de l’analyse granulométrique du gravier 5/1 ............................... 72

Tableau 30 : Résultats de l’analyse granulométrique du gravier 15/25 ........................... 72

Tableau 31 : Coefficient d’aplatissement des graviers .................................................... 73

Tableau 32 : Coefficient Los Angeles des graviers ......................................................... 75

Tableau 33 : Les constituants de l’eau de la JIRAMA .................................................... 76

Tableau 34 : Données techniques du CHRYSO® PLAST Omega 144 ........................... 77

Tableau 35 : Caractéristiques des granulats employés..................................................... 80

Tableau 36 : Composition pour 1m3 du béton témoin et des BHP à 5%, 10%, 15%, 20% et 25% de métakaolin ............................................................................................................ 83

Tableau 37 : Résultats obtenus à l’état frais du béton témoin et des BHP ...................... 84

Tableau 38 : Composition corrigé du béton témoin et des BHP ...................................... 86

Tableau 39 : Caractéristiques du béton témoin et des BHP à l’état durci ........................ 87

Tableau 40 : Composition pour 1m3 du béton ordinaire avec 10% de métakaolin .......... 91

Tableau 41 : Résultats obtenus à l’état frais des bétons ordinaires en fonction de la durée de cuisson (T=700°C)........................................................................................................ 92

Tableau 42 : Résultats obtenus à l’état frais des bétons ordinaires en fonction de lz température de cuisson (durée : 2heures) .......................................................................... 92

Tableau 43 : Composition corrigé du béton ordinaire avec 10% de métakaolin ............. 94

Tableau 44 : Caractéristiques des bétons ordinaires à l’état durci ................................... 94

vi

LISTE DES FIGURES

Figure 1 : Structure cristallographique de la kaolinite ....................................................... 6

Figure 2 : Courbe ATD de la kaolinite ............................................................................... 8

Figure 3 : Courbes gravimétriques types d’argiles kaolino-illitiques (1) à prédominance kaolinique et (2) à prédominance illitique ........................................................................... 9

Figure 4 : Carte de localisation de l’argile kaolinite de Madagascar ............................... 14

Figure 5 : Schéma microscopique du métakaolin ............................................................ 15

Figure 6 : Réaction hydraulique standard complétée par une réaction pouzzolanique .... 17

Figure 7 : Fonctionnement d’une pouzzolane ajoutée dans le ciment Portland ............... 17

Figure 8 : Résistances à la compression des bétons en fonction du temps ...................... 20

Figure 9 : Schéma microscopique d’un granule de clinker .............................................. 23

Figure 10 : Hydratation initiale du ciment ....................................................................... 32

Figure 11 : Microscopie optique en lumière transmise analysée d’un béton ................... 32

Figure 12 : Tamiseuse électrique ..................................................................................... 37

Figure 13 : Courbe granulométrique du kaolin ................................................................ 56

Figure 14 : Thermogramme du kaolin ............................................................................. 57

Figure 15 : Diffractogrammes X du kaolin et de son produit de cuisson ........................ 59

Figure 16 : Courbes granulométriques du sable et des graviers ....................................... 73

Figure 17 : Courbes granulométrique des granulats et détermination de leur proportion en volume absolu ................................................................................................................... 81

Figure 18 : Quantité d’adjuvant et l’eau ajoutée des BHP ............................................... 85

Figure 19 : Evolution du retrait du béton témoin et des BHP .......................................... 87

Figure 20 : Compacités du béton témoin et des BHP à l’état durci ................................. 88

Figure 21 : Résistances en compression du béton témoin et des BHP ............................. 88

Figure 22 : Quantité d’eau ajoutée en fonction de la durée de cuisson du métakaolin .... 93

Figure 23 : Compacité des bétons à en fonction de la durée de cuisson du métakaolin (T=700°C) ......................................................................................................................... 95

Figure 24 : Résistances à la compression en fonction de la température ......................... 95

Figure 25 : Résistance à la compression en fonction de la durée de cuisson ................... 96

vii

LISTE DES ANNEXES

ANNEXE A : Tableau de Blaine ................................................................................................ a

ANNEXE B : Fiche technique du kaolin .................................................................................... b

ANNEXE C : Détermination des pertes en masse du kaolin au cours de son traitement thermique ..................................................................................................................................... c

INTRODUCTION

GENERALE

Introduction générale

1

Au niveau mondial, le logement, le lieu de travail, l’équipement public, le confort

acoustique, le confort thermique, la sécurité des personnes participent au bien-être de

l’homme. Les travaux d’urbanisation, les grands ouvrages, les ouvrages exceptionnels, les

nouveaux immeubles prennent part à la qualification des quartiers et des espaces publiques.

Dans tous ces domaines, les bétons sont toujours présents, et offrent leurs performances

techniques et leurs qualités au niveau esthétique.

Les nombreuses recherches récentes réalisées en matière de formulation et de

fabrication des bétons ont conduit à l’élaboration des bétons hautes performances (BHP) qui

présentent des résistances accrues et de durabilité améliorée remarquables. Ils ont la capacité

de supporter des charges élevées ou subir un environnement sévère (climat, agressions

marines, effets du gel, attaques acides, etc). Ils ont également la possibilité de présenter des

formes plus complexes et permettent de réaliser de plus grandes portées.

La recherche des hautes performances passe par la réduction de la porosité du béton,

c'est-à-dire de son pourcentage de vides. Ce qui entraine une diminution de la teneur en eau

opérée par l’ajout de superplastifiant. Et une granulométrie comportant des éléments fins en

quantité suffisante pour remplir les espaces entre les plus gros granulats et d’améliorer la

compacité.

Les métakaolins sont parmi des ultrafins qu’on peut utiliser dans ce domaine ; ils

proviennent de la calcination des kaolins. Ils ont une action sur la granulométrie du mélange,

mais également peuvent avoir une réactivité avec la chaux libre, provenant de leur propriété

pouzzolanique.

Les kaolins sont des matières premières argileuses naturelles qui sont abondants dans

l’écorce terrestre. Les plus grands gisements de kaolin sont souvent d’origine sédimentaire

(bassin de Géorgie, USA, bassin Amazonien, Brésil, bassin des Charentes France). Un

traitement thermique de ces matériaux leurs permettent de subir des transformations physico-

chimiques, qui conduisent à la fois à une modification de la structure cristalline des

différentes phases et à une modification de la microstructure du mélange, et de créer un

matériau de construction. Au cours de ces transformations, on assiste également à de

modifications des propriétés calorimétriques, mécaniques et diélectriques. Et après cette

activation thermique, on obtient des métakaolins qui sont des pouzzolanes de synthèse

utilisées comme addition minérale dans les liants hydrauliques.

Introduction générale

2

Par ailleurs, l’industrie cimentière est une grande consommatrice de ressources

naturelles et d’énergie, et contribue aussi à l’émission de gaz à effet de serre en libérant des

CO2. Alors que le métakaolin est une pouzzolane à faible émission carbone qui complète et

améliore les propriétés (durabilité, aspect, etc.) des mortiers et bétons, en substituant une

partie du ciment. Ainsi, ce présent travail de mémoire s’intitule « Contribution à l’étude des

bétons hautes performances- Utilisation du métakaolin comme fines d’ajout », et l’objectif est

d’étudier l’effet de la substitution du ciment par des métakaolins dans des bétons hautes

performances, aussi la température et durée favorable de la calcination du métakaolin.

Notre étude s’articule autour de deux grandes parties :

la première partie est consacré à une bibliographie sur les caractéristiques du kaolin,

ses transformations chimiques lors d’un traitement thermiques, l’industrie du ciment et

les bétons ;

la deuxième partie décrit les caractérisations des matériaux utilisés ainsi que la

conception des bétons aux métakaolins. On la termine par des impacts

environnementaux.

3

PREMIERE PARTIE

ETUDES

BIBLIOGRAPHIQUES

Chapitre I. Notion sur les kaolins

4

CHAPITRE I : NOTION SUR LES KAOLINS

1 Le kaolin [W01][1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]

1.1 Définition

Le terme kaolin vient du mot chinois « Kaoling » qui signifie haute colline. Le kaolin

sert de matière première pour la fabrication de porcelaines chinoise et il était extrait dans une

carrière située à King Teching.

Le kaolin est une argile blanche, douce et plastique, composé essentiellement de

kaolinite. Il résulte de la décomposition des aluminosilicates anhydres, qu’on trouve dans les

roches riches en feldspaths, par hydrolyse sous l’action d’un climat chaud et humide.

La kaolinite est un minéral argileux constituée par l’empilement des feuillets

identiques de type 1:1. Chaque feuillet de kaolinite est formé de deux couches dont l’une est

octaédrique et l’autre tétraédrique.

1.2 Origine des kaolins

1.2.1 Les kaolins primaires

Les kaolins dits « primaires » résultent de l’altération, sur place, des feldspaths

contenus dans les roches granitiques sous l’action de la météorisation et de processus

hydrothermaux.

Lors de la kaolinisation, le feldspath se transforme en kaolinite tandis que le quartz et

le mica ne changent pas.

La dissolution des certaines substances dans l’eau augmente leur caractère acide et

accélère la décomposition des minéraux primaires. Lors de l’hydrolyse, la dissolution du gaz

carbonique atmosphérique peut tripler les vitesses de décomposition des feldspaths

potassiques et de formation de la kaolinite.

Ce processus géochimique naturel conduit directement à la formation de la kaolinite si

le drainage de ces roches est abondant. Cette formation se présente suivant la réaction :

2KAlSi3O8 + 2CO2 + 11H2O 2K+ + 2HCO3- + Al2Si2O5(OH)4 + 4H4SiO4


5

1.2.2 Les kaolins secondaires

Les kaolins secondaires proviennent de l’entrainement des kaolins primaires par les

eaux de ruissellement qui se déposent ensuite.

La formation de ces dépôts peut être existée dans deux zones :

� en eau douce

Si les argiles, généralement chargées négativement dans l’eau, ne rencontrent pas de

cations susceptibles de favoriser leur floculation, elles restent longtemps en suspension. On

rencontre alors un tri sélectif des éléments indésirables selon leur aptitude à sédimenter. Ce

sont les particules les plus lourds qui se déposent en premier lieu, et ils sont recouverts par un

kaolin riche en kaolinite. Les feuillets de mica flottent généralement longtemps sur l’eau et se

retrouvent mélangés à la kaolinite après.

� en eau de mer

Comme l’eau de mer est riche en cation, donc environ 90% des argiles qui portent des

charges négatives floculent. Ces dépôts, qui forment des bouchons constitués de kaolinite

impure, sont principalement appelés argiles kaolinitiques.

1.3 Structure de la kaolinite

La kaolinite présente une structure de type 1:1. Elle est constituée d’un empilement

régulier de feuillets composés d’une couche de tétraèdres SiO4 reliés dans un même plan par

trois de leurs sommets, associée à une couche octaédrique, deux sites octaédriques sur trois

étant occupés par des atomes d’aluminium. La kaolinite est un phyllosilicate dioctaédrique de

formule structurale : 2[Si2O5Al2(OH)4] dont la distance basale du feuillet élémentaire varie de

7.1 à 7.4Å.


6

Figure 1 : Structure cristallographique de la kaolinite [2]

Ce minéral essentiel du kaolin est blanc quand il est pur, et se présente sous forme de

tablettes hexagonales de 0.05 à 2µm d’épaisseur.

En absence de défauts cristallins, le réseau de la kaolinite est tri-périodique. Les

données cristallographiques de la kaolinite sont montrées dans le tableau suivant selon Bish et

Von Dreele :

Tableau 1 : Données cristallographiques de la kaolinite [2]

Système Groupe spatial Longueur des axes Angles des axes

kaolinite triclinique C1

a = 5.155 Å

b = 8.945 Å

c = 7.405 Å

α = 91.70°

β = 104.86°

ɣ = 89.82°

1.4 Composition chimique du kaolin

Les teneurs massiques du kaolin correspondant à la formule chimique

(Al 2O3 2SiO2 2H2O) sont la suivante :

Al 2O3 : 39.50%

SiO2 : 46.50%


7

H2O : 14.00%

Cette composition chimique reste généralement constante, mais elle change en

fonction du degré de pureté. On trouve ainsi du Fe, Ti, K et du Mg en petite quantité inclus

dans les minéraux du kaolin.

Le meilleur type du kaolin correspond à celui qui contient 46.5% en pourcentage

massique d’alumine, qui est rare dans la nature.

1.5 Propriétés du kaolin

Quelques propriétés du kaolin comme la masse volumique, la dureté, résistance de

flexion…sont résumées dans le tableau suivant :

Tableau 2 : Propriétés générales du kaolin [3]

Propriété Valeur

Masse volumique (g/cm3) 2.60 - 2.63

Dureté (mohs) 2.0 – 2.5

Coefficient de dilatation linéaire (20-700°) 5 – 7.10-3

Conductivité thermique (cal/cm.s.°C) 50 - 210

Température d’utilisation (°C) 1400

Résistance de flexion (kg/cm2) 50 - 210

1.6 Transformation thermique du kaolin

Au cours d’un chauffage, le kaolin subit un certain nombre de transformations d’ordre

physique et chimique. Donc, on peut enregistrer ces transformations en fonction de la

température et on obtient alors des diagrammes.

1.6.1 Analyse thermique différentielle

Un des moyens le plus couramment utilisé est l’analyse thermique différentielle

(ATD) qui met en évidence tous les phénomènes s’effectuant avec une variation d’énergie.


8

Figure 2 : Courbe ATD de la kaolinite [4]]

Au cours de son traitement thermique, la courbe ATD de la kaolinite met en évidence

trois phénomènes :

• vers 100°C, on a une déshydratation. Phénomène endothermique dû au départ d’eau

hygroscopique et zéolitique qui ne modifie pas la structure cristalline de l’argile.

• vers 550°C, elle subit une déshydroxylation. Il s’agit d’un départ d’eau de

constitution, des groupements hydroxyls, caractérisé par un phénomène

endothermique. Il se forme alors une métakaolinite. La température de décomposition

dépend de l’origine du matériau, des conditions expérimentales et de la pression

partielle de la vapeur d’eau. La transformation d’une kaolinite déshydroxylée est

comme suit :

Al 2Si2O5(OH)4 Al2O3 2SiO2 + 2H2O

• vers 980°C, on a un phénomène exothermique dû à une réorganisation du métakaolin

pour former la mullite.

2(Al2O3 2SiO2) 2Al2O3 3SiO2 + SiO2

• vers 1200°C, on a un épaulement exothermique dû à la formation d’une deuxième

génération de mullite dite secondaire.

3(Al2O3 SiO2) 3Al2O3 2SiO2) + SiO2

Température (°C)


9

1.6.2 Analyse thermogravimétrique

L’analyse thermogravimétrique (ATG) mesure une différence de masse entre

l’échantillon et la référence lors d’un traitement thermique. La connaissance de cette variation

de masse est importante pour l’étude des réactions qui se font avec la volatilisation de certains

constituants ou combinaison avec une phase gazeuse. Les données obtenues sont très souvent

complémentaires de celles de l’ATD. C’est pourquoi lors de ces dernières années, le

développement de montage ATD-ATG couplés s’est accru. La figure 3 montre une courbe

type d’une ATG d’une argile.

Figure 3 : Courbes gravimétriques types d’argiles kaolino-illitiques (1) à prédominance

kaolinique et (2) à prédominance illitique [5]

1.7 Les principales utilisations du kaolin

Le kaolin est utilisé dans de nombreuses applications. Sa blancheur et sa plasticité le

rendent particulièrement approprié pour un usage extensif comme charge, pigment et matière

première pour la céramique. C’est aussi un produit réfractaire et un catalyseur dans les

industries du ciment et des fibres de verre. De plus, grâce à sa propriété qui reste

chimiquement inerte avec une gamme de pH de 4 à 9 et possède un excellent pouvoir

couvrant, il est employé dans des applications de revêtement et de bouchage. Il est également

non abrasif et a une faible conductivité thermique et électrique.


10

1.7.1 Matériaux de construction

Le kaolin est un matériau utilisé dans les industries du bâtiment et cimentaire. Ces

caractères pouzzolaniques élevés, après calcination, lui permet d’être employé comme additifs

dans les mortiers et bétons. Il est également nécessaire dans la fabrication des ciments blancs.

1.7.2 Industrie du papier

Le kaolin joue deux rôles important dans l’industrie papetière, il est employé comme

charge dans la masse du papier et comme revêtement à sa surface. Les propriétés importantes,

qui sont la blancheur, l’opacité, une grande surface spécifique et la très faible abrasivité,

donnent des atouts pour la production des papiers.

1.7.3 Céramiques

En raison de sa pureté chimique, sa teneur en alumine et sa couleur après cuisson, le

kaolin est utilisé dans la fabrication des faïences : vaisselles, appareilles sanitaires et

carrelages.

1.7.4 Peinture

Le kaolin calciné ou métakaolin peut améliorer les propriétés optiques, mécaniques et

rhéologiques d’une peinture. Il permet d’augmenter l’opacité, la blancheur et la résistance à

l’abrasion. Il est également utilisé comme pigment blanc.

1.7.5 Réfractaires

Le kaolin fond à des températures élevées, donc on l’emploie comme isolant

thermique. On l’utilise pour la construction des structures soumises à des hautes

températures : briques réfractaires, chamottes, bouclier thermique pour les navettes

spatiales…

1.7.6 Caoutchouc

Le métakaolin accroît la résistance mécanique, la résistance à l’abrasion et la rigidité

des produits en caoutchouc.

Les spécifications sont régies dans la norme NF T 45008 d’octobre 1986.

1.7.7 Plastiques

Le kaolin est utilisé dans les plastiques pour obtenir des surfaces plus lisses, une

stabilité dimensionnelle et une meilleure résistance aux attaques chimiques. Il est également


11

employé comme modificateur rhéologique et charge fonctionnelle parce qu’il permet

d’améliorer les propriétés mécaniques, électriques et thermiques, surtout les propriétés

d’isolation électrique du PVC. Il est aussi utilisé pour absorber les rayons infrarouges dans

certains films spéciaux.

1.7.8 Produits pharmaceutiques et cosmétiques

On trouve aussi le kaolin dans des applications médicales et cosmétiques, mais avec

une pureté plus élevée.

Au niveau pharmaceutique, le kaolin entre dans la composition de certains

médicaments. On l’utilise comme activateur pour tester la coagulabilité du plasma dans

certains tests biologiques. On l’utilise également dans le traitement de certains troubles

digestifs.

Au niveau cosmétique, la principale utilisation du kaolin est la fabrication du fond de

teint. Sa proportion varie de 3 à 10%, qui dépend de la formulation. Il peut être également

utilisé dans la fabrication du rouge à lèvre.

1.8 Les gisements des argiles kaoliniques à Madagascar [6] [7]

On trouve plusieurs réserves de kaolin qui se répandent dans la grande île de

Madagascar.

On rencontre ces réserves à :

� Port-Bergé : x= 549.00 ; y= 1 160.00

Dans cette région, on rencontre des kaolins gris noir. Ils sont localisés à l’entrée du port de

Sofia.

� Moramanga : x= 560.00 ; y= 105.00

Le gisement de Moramanga renferme des argiles kaoliniques avec alternance de bauxite.

� Andilana : x= 624.00 ; y= 971.00

Le gisement d’Andilana se trouve à l’extrémité nord du lac Alaotra ; où on a une pegmatite

très altérée en kaolinite. On repère deux gros filons qui effleurent sur une surface de 2 000m2.

� Antanifotsy : x= 450.00 ; y= 756.00


12

Il possède 700 000t de réserve, limité dans un bassin lacustre, qui se trouve au PK 81 de la

route nationale 7.

� Faratsiho : x= 425.00 ; y= 750.00

Le gisement de Faratsiho se trouve à l’ouest du massif d’Ankaratra, au PK 11 sur la route de

Faratsiho. Il s’agit d’une argile kaolinique avec de l’albite provenant de l’altération des

trachytes.

� Ambohimena : x= 485.00 ; y= 786.00

Le gisement d’Ambohimena est de type argile kaolinique en couche, généralement employé

en céramique.

� Anjozorobe : x= 546.00 ; y= 891.00

Le gisement d’Anjozorobe se situe à 100 km au nord-est d’Antananarivo. Il s’agit d’un

gisement secondaire formant un dépôt au confluent des rivières Lakazana et Mosanjy, près

d’Ambongabe. On a des kaolins de bonne qualité et se présente en une couche de 1 à 1.20 m

d’épaisseur, sous un recouvrement de 1 à 2 m.

� Analabe : x= 464.00 ; y= 651.00

Le gisement d’Analabe se trouve à 42 km au sud d’Antsirabe. On l’a exploité depuis 1970 par

une société, et actuellement exploité artisanalement. Le gîte primaire est constitué par un

champ de dykes de roches feldspathiques entièrement kaolinisées, intruves dans les quartzites

de la série schisto-quartzo-calcaire.

Le kaolin de cet endroit est, soit massif, soit schisteux, blanc rouge ou brun.

� Morombe : x= 132.00 ; y= 475.00

Il s’agit des poches de kaolin dans un système de fractures récentes.

� Ampanihy : x= 250.00 ; y= 140.00

On y constate plusieurs gisements principaux :

-Andraraky et Andranofotsy


13

C’est un gisement interstratifié, avec une épaisseur de 2 à 3.5m qui s’estime jusqu’à

500 000t de réserve.

-Sakaginandra

Il s’agit des lentilles effleurantes.

-Sihanamavo

Le gisement est masqué par des sables superficiels.

Les reserves possibles des différents gisements de bonne qualité d’Ampanihy ont été estimées

à 1 500 000t.

La répartition des gisements en kaolin de Madagascar est donnée par la figure

suivante :


14

Figure 4 : Carte de localisation de

l’argile kaolinite de Madagascar [6]

Légende :

: gisement de kaolin

: délimitation des régions

1 Diana

2 Sava

3 Itasy

4 Analamanga

5 Vakinakaratra

6 Bongolava

7 Sofia

8 Boeny

9 Betsiboka

10 Melaky

11 Alaotra-Mangoro

12 Atsinanana

13 Analanjirofo

14 Amoron’I Mania

15 Haute Matsiatra

16 Vatovavy-Fitovinany

17 Atsimo-Atsinanana

18 Ihorombe

19 Menabe

20 Atsimo-Andrefana

21 Androy

22 Anosy


15

2 Le métakaolin [W02] [9] [10] [11] [12] [13]

2.1 Définition

Le métakaolin est un matériau finement broyé à caractère inorganique, pouzzolanique

ou hydraulique latent obtenu à partir de la transformation thermique d’un minéral appelé

kaolinite. C’est une addition artificiel de type II, qui peut être incorporé au béton afin

d’améliorer certaines propriété ou pour acquérir certaines propriétés spéciales selon la norme

NF EN 206-1.

Figure 5 : Schéma microscopique du métakaolin [8]

2.2 Caractéristiques du métakaolin

Les métakaolins sont de couleurs blanches allant vers rouge. La couleur rouge provient

d’une teneur en fer de l’argile du départ. Ils contiennent deux éléments principaux qui sont les

oxydes de fer et les oxydes de titane.

Ce sont des produits de grande finesse, comparable à celle des ciments, mais plus

grossiers par rapport aux fumées des silices.

On peut les associés à tous les types de ciment et de chaux. Généralement, on substitue

les ciments d’une plage de 5 à 25% de métakaolin. Les métakaolins sont incorporés dans la

matrice du béton ou du mortier en même temps que le ciment.


16

Tableau 3 : Caractéristiques générales du métakaolin [8]

Nature Addition de type II

Surface spécifique 10 – 30 m2/g

Granulométrie < 20 µm

Couleur De blanc à rouge clair

Plage d’utilisation 5 – 25 % de remplacement du ciment

Mode d’obtention Calcination de kaolinite 650 – 900 °C

La qualité et la réactivité du métakaolin varient fortement des caractéristiques de la

matière première utilisées. Il y a ceux qui sont d’une grande pureté et ceux qui sont d’une

pureté inférieur. En général, le métakaolin est composé de deux éléments majeurs : la silice et

l’alumine. Leur composition chimique peut avoir les valeurs suivantes, mais elle peut être

variée en fonction de la provenance de l’argile kaolinite.

Tableau 4 : Composition chimique massique (en %) du métakaolin [9]

Composition chimique Pourcentage

SiO2 58.10

Al 2O3 35.14

Fe2O3 01.21

CaO 01.15

MgO 00.20

Na2O 00.07

K2O 01.05

SO3 00.03

Perte au feu 01.85

2.3 La prise pouzzolanique du métakaolin

Lorsqu’on chauffe le kaolin, il se transforme en produit amorphe : le métakaolin. La

calcination de la kaolinite désorganise la structure cristalline et la rend réactive.


17

Le métakaolin est un matériau pouzzolanique artificiel caractérisé par sa réactivité

exceptionnelle vis-à-vis de la chaux. Son indice de pouzzolanicité est compris entre 1000 et

1600mg de chaux consommé par gramme de métakaolin.

On sait que la réaction obtenue lors du processus d’hydratation entre l’eau et le ciment

produit un dérivé secondaire indésirable l’hydroxyde de chaux ou chaux libre ; et en présence

d’eau, les pouzzolanes réagissent avec la chaux (CH) pour former les silicates de calcium

hydratés (CSH). Donc, le métakaolin peut compléter la réaction pouzzolanique au cours du

processus d’hydratation. Il remplit ainsi les vides du ciment durci et accroitre de manière

significative les performances mécaniques et la durabilité des produits fabriqués. Les

réactions chimiques et figure suivantes illustrent cette processus :

Figure 6 : Réaction hydraulique standard complétée par une réaction pouzzolanique

[10]

Figure 7 : Fonctionnement d’une pouzzolane ajoutée dans le ciment Portland [11]


18

2.4 Normes d’utilisation du métakaolin

Le métakaolin est un matériau qui répond à la norme NF P 18 513- Addition

pouzzolanique pour bétons- Métakaolin- Définitions, spécifications et critère de conformité-

« Métakaolin ». Il fait aussi l’objet de travaux dans le cadre de son incorporation à l’annexe

nationale de la norme béton NF EN 206 1 pour les additions minérales.

Le facteur k visé, utile dans le calcul de la composition du béton, est de 1 pour des

applications traditionnelles et pourrait être plus élevé pour des bétons spéciaux, cas des

fumées de silice.

2.5 Différentes applications du métakaolin

On trouve plusieurs domaines d’application des métakaolins, et ils sont de plus en plus

reconnus par les industries et par les professionnels. Pourtant, leur emploi tient place surtout

dans le domaine de construction.

2.5.1 Utilisation en agriculture

Le métakaolin trouve son emploi dans l’agriculture, on l’utilise comme des

insecticides. Il est utilisé dans la lutte biologique contre divers parasites tels que la cicadelle

blanche, le puceron cendré du pommier et la mouche d’olive.

Le métakaolin sert aussi d’engrais pour l’agriculture.

2.5.2 Les architectes et les ingénieurs civils

Grâce à leur couleur et finesse élevée, le métakaolin intéresse les architectes et les

ingénieurs civils. Il permet d’obtenir des parements plus lisses, intéressant au niveau

esthétique, et plus fermés, avantageux au niveau de la durabilité.

Le métakaolin est également le matériau idéal pour le complément des ciments blanc

dans les bétons architectoniques.

2.5.3 Industrie du ciment

En raison de leur propriété pouzzolanique, on utilise le métakaolin dans l’industrie du

ciment comme ajout cimentaire. Il permet d’augmenter la finesse du ciment ainsi que ces

caractéristiques physiques.


19

2.5.4 Industrie du béton et mortier

Grâce à sa propriété pouzzolanique, la substitution d’un pourcentage de ciment par le

métakaolin entraîne la consommation de la chaux libre ou la portlandite dans les bétons, les

mortiers et les enduits à base de ciment.

La substitution des métakaolins peut être réalisée dans tous les types de béton et pour

tous types d’utilisation : bétons blancs, bétons à hautes performances (BHP), bétons de fibres

à ultra-hautes performances (BFUP) et aussi des bétons auto-plaçants (BaP).

La première utilisation du métakaolin a été en 1963 lors de la fabrication du barrage en

béton Jupia au Brésil.

2.6 Principaux effets du métakaolin dans les bétons

Les avantages obtenus par la substitution partielle du ciment par le métakaolin à la

formulation d’un béton varient en fonction du matériau utilisé. Toutefois, ils possèdent tous

un point commun. Ils influent sur les résistances mécaniques en produisant un béton plus

durable.

Ainsi, on trouve plusieurs atouts du remplacement d’une proportion du ciment par le

métakaolin, il permet de :

• augmenter la résistance à la compression et à la flexion ;

• améliorer la compacité, la maniabilité et la pompabilité du béton;

• augmenter la durabilité du béton par l’augmentation de la résistance aux agressions

chimiques, par la réduction de la réaction alcali granulat et par la réduction de la

perméabilité, donc protection supplémentaire contre la corrosion des armatures en fer;

• réduire les émissions de gaz à effet de serre en comparant à un béton entièrement fait de

ciment Portland ;

• améliorer la plasticité et les caractéristiques de mise en place du béton ;

• produire un béton ayant des caractéristiques environnementales de développement

durable ;

• produire un béton plus blanc qui facilite le contrôle des bétons colorés ;


20

• améliorer les caractéristiques de réflexion du soleil, diminuer l’effet d’île de chaleur et de

contribuer à l’obtention de structures plus stables sur le plan énergétique ;

• améliorer la structure de la zone interfaciale et réduit ainsi la microfissuration et renforce

les résistances mécaniques internes ;

• et d’apporter la résistance à la compression à long terme du béton.

Figure 8 : Résistances à la compression des bétons en fonction du temps [13]

Conclusion

Les kaolins sont des minéraux argileux, structuralement constitués par un agencement

de tétraèdres de silice et d’octaèdres d’alumine. La plupart de ces minéraux sont obtenues par

la transformation sous l’influence de processus physiques et chimiques de silicates primaires.

L’activation thermique du kaolin entraine l’effondrement de structure en feuillet et

conduit à la formation de métakaolin, qui nous intéresse dans cette étude.

Chapitre II. Généralités sur le ciment

21

CHAPITRE II : GENERALITES SUR LE CIMENT [W03][14][15][16][17]

1 Définition et généralités

D’après la norme française NF P 15-301, le ciment est un liant hydraulique, c'est-à-

dire une matière inorganique finement moulue qui, gâchée avec de l’eau, forme une pâte.

Cette pâte fait prise et durcit par suite de réactions et processus d’hydratation et qui, après

durcissement, conserve sa résistance et sa stabilité même sous l’eau.

Le ciment est une poudre minérale obtenue par la cuisson à haute température

(1400 à 1500°C) puis broyage d’un mélange dosé de calcaire et d’argile, et qui se présente

sous forme de poudre inodore, grise en général. Il est constitué de clinker, de gypse et de

constituants secondaires. Le clinker est formé principalement de silicates et aluminates de

calcium provenant d’une réaction entre la chaux CaO et la silice SiO2, l’alumine Al2O3 et

l’oxyde de fer Fe2O3. Le tableau suivant présente la composition approximative du clinker

précédé des notations cimentières.


22

Tableau 5 : Formule et notation abrégée [15]

Formule complète Formule abrégée Appelation courante

Eau H2O H Eau

Trioxyde de soufre SO3 Š Trioxyde de soufre

Dioxyde de carbone CO2 � Dioxyde de carbone

Constituants

chimiques

CaO C Chaux

SiO2 S Silice

Al 2O3 A Alumine

Fe2O3 F Oxyde de fer

Na2O, K2O N, K Alcalis

MgO M Magnésie ou périclase

CaSO4 CŠ Sulfate de calcium (anhydre)

CaSO4, 2H2O CŠH2 Sulfate de calcium (gypse)

Constituants

hydrauliques

3CaO, Al2O3 C3A Aluminate tricalcique

4CaO, Al2O3, Fe2O3 C4AF Alumino-ferrite tétracalcique

3CaO, SiO2 C3S Silicate tricalcique

2CaO, SiO2 C2S Silicate bicalcique

CaOlibre CaOlibre Chaux libre

Constituants hydraté

3CaO, 2SiO2, 3H2O C3S2H3 Silicate de calcium hydraté

(tobermorite)

4CaO, Al2O3, 13H2O C4AH13 Aluminate de calcium hydraté

3CaO, Al2O3, 6H2O C3AH6

3CaO, Al2O3,

3CaSO4, 31H2O C3ACŠ�H31

Sulfoaluminate de calcium

Hydraté (ettringite)

Ca(OH)2 CH Chaux hydraté

Tableau 6 : Composition chimique des différentes phases cristallines [15]

Minéral pur Formule chimique Notation Pourcentage

Silicate tricalcique 3CaO, SiO2 C3S 50 à 65%

Silicate bicalcique 2CaO, SiO2 C2S 15 à 20%

Aluminate tricalcique 3CaO, Al2O3 C3A 5 à 15%

Aluminoferrite tétracalcique 4CaO, Al2O3, Fe2O3 C4AF 5 à 10%


23

Le grain de clinker est un conglomérat de C3S et de C2S qui sont liés entre eux par une

phase intersticielle.composée de C3A et C4AF et renferment une quantité infime d’oxydes,

comme la chaux libre (CaO), l’oxyde de magnésium (MgO) et le sulfate de potassium

(K2SO4).

Le schéma suivant illustre les phases cristallines contenues dans une section polie d’un

granule de clinker observée au microscope optique (400 microns) :

Figure 9 : Schéma microscopique d’un granule de clinker [W03]

Le ciment Portland est constitué d’un mélange de clinker moulu auquel on ajoute une

quantité de gypse, destiné à régulariser la prise. Afin d’améliorer certaines propriétés du

ciment, on ajoute les autres constituants associés au clinker grâce à leurs caractéristiques

chimiques et physiques.

Les constituants les plus utilisés sont :

• les calcaires,

• le laitier granulé de haut fourneau,

• les cendres volantes,

• les schistes calcinés,

• les fumées de silice,

• les fillers.


24

2 Les différents types de ciment

2.1 Les ciments de la norme NF EN 197-1

Les ciments de la norme NF EN 197-1 sont définies comme ciments courants. Ils sont

composés de clinker et des constituants secondaires, et on les classe en fonction de leur

composition, en cinq types principaux selon le tableau 7. Ils sont notés CEM et numérotés de

1 à 5 en chiffres romains.

Tableau 7 : Les différents types de ciments de la norme NF EN 197-1 [15]

Types Notation Composition (en pourcentage en masse) (1) dénomination Symbole (2) clinker Constituants

principaux Constituants secondaires

CEM I Ciment Portland CEM I 95-100 0 0-5 CEM II Ciment Portland au

laitier CEM II/A-S 80-94 6-20 0-5 CEM II/B-S 65-79 21-35 0-5

Ciment Portland à la Fumée de silice (3)

CEM II/A-D 90-94 6-10 0-5

Ciment Portland à la Pouzzolane

CEM II/A-P 80-94 6-20 0-5 CEM II/B-P 65-79 21-35 0-5 CEM II/A-Q 80-94 6-20 0-5 CEM II/B-Q 65-79 21-35 0-5

Ciment Portland aux Cendres volantes

CEM II/A-V 80-94 6-20 0-5 CEM II/B-V 65-79 21-35 0-5 CEM II/A-W 80-94 6-20 0-5 CEM II/B-W 65-79 21-35 0-5

Ciment Portland au Schiste calciné

CEM II/A-T 80-94 6-20 0-5 CEM II/B-T 65-79 21-35 0-5

Ciment Portland au calcaire

CEM II/A-L 80-94 6-20 0-5 CEM II/B-L 65-79 21-35 0-5

CEM II/A-LL 80-94 6-20 0-5 CEM II/B-LL 65-79 21-35 0-5

Ciment Portland Composé (4) (5)

CEM II/A-M 80-94 6-20 0-5 CEM II/B-M 65-79 21-35 0-5

CEM III Ciment de haut Fourneau (6)

CEM III/A 35-64 36-65 0-5 CEM III/B 20-34 66-80 0-5 CEM III/C 5-19 81-95 0-5

CEM IV Ciment Pouzzolanique (5) (7)

CEM IV/A 65-90 11-35 0-5 CEM IV/B 45-64 36-55 0-5

CEM V Ciment composé (5) CEM V/A 40-64 36-60 0-5 CEM V/B 20-39 61-80 0-5

-(1) : les valeurs indiquées se réfèrent à la somme des constituants principaux et secondaires ;

-(2) : Signification des lettres :


25

• Les lettres A, B et C indiquent la quantité de constituants principaux autres que le

clinker :

-A indique que cette quantité est faible ;

-B lorsque cette quantité est beaucoup plus grande ;

-C lorsque cette quantité est importante.

• La lettre M sert à signaler qu’on a au moins deux constituants principaux dans la

composition du ciment.

• Les caractères S (laitier de haut fourneau), D (fumée de silice), P (pouzzolane

naturelle), Q (pouzzolane naturel calciné), V (cendre volante siliceuse), W (cendre

volante calcique), T (schiste calciné), L et LL (calcaire).

-(3) : la proportion de fumée de silice est limitée à 10 % ;

-(4) : présence de plusieurs constituants principaux de différentes proportions ;

-(5) : les constituants principaux utilisés doivent figurer dans la désignation du ciment,

symbole entre parenthèse ( ) ;

-(6) : le laitier de haut fourneau est le seule principal ajout pour ce type de ciment ;

-(7) : les principaux ajouts sont de la fumée de silice, la pouzzolane naturelle et des cendres

volantes.

2.2 Les autres ciments

2.2.1 Ciments prompt naturel (NF P 15-314) Le ciment prompt naturel est un produit à prise rapide, il est caractérisé par une

résistance élevée à court terme. Pour un mortier 1/1, c'est-à-dire une partie de ciment pour une

partie de sable en poids, la résistance en une heure donne 6MPa. Le début de prise débute à

environ 2mn et s’achève pratiquement à 4mn.

Le ciment prompt naturel résiste aux eaux séléniteuses et eaux acides.


26

2.2.2 Ciments alumineux fondu (NF P 15-315)

Le ciment alumineux fondu est spécialement adapté aux domaines suivants :

• travaux qui exigent de résistances mécaniques élevées dans un délai très court (poutres

et linteaux pour le bâtiment, sols industriels) ;

• ouvrages en milieux agricoles, canalisations, assainissement ;

• bétons réfractaires jusqu’à 1300°C ;

• travaux de réparation ;

• travaux en milieu froid jusqu’à -10°C.

2.2.3 Ciment à maçonner (NF P 15-307)

Les ciments à maçonner sont des ciments dont les résistances sont volontairement

limitées comparable à celles du ciment courant. En général, ils sont utilisés dans la confection

des mortiers (maçonnerie, enduits).

2.2.4 Ciment blanc

La couleur blanche est obtenue à partir des matières premières très pures (calcaire et

kaolin) exempte de toutes traces d’oxyde de fer. Le ciment blanc a des caractéristiques

analogues à celles des ciments Portlands gris. Grâce à sa blancheur, il permet de fabriquer de

bétons colorés, intéressant dans les bétons architectoniques et les enduits décoratifs.

3 Caractéristiques du ciment

3.1 Caractéristiques physiques

3.1.1 Couleur

La couleur du ciment varie avec la composition chimique des matières premières

(particulièrement avec la teneur en oxyde fer) et aussi avec la nature des combustibles utilisés

pour la fabrication du clinker.

En général, elle est grise à cause des cendres des combustibles solides utilisés. Mais on

peut trouver une gamme de colorie, et en particulier les ciments blancs qu’on obtient en

utilisant de matières premières très pures et de combustibles fluides.

3.1.2 Densité apparente

C’est le poids de l’unité de volume rempli de liant sans tassement dans les conditions

bien déterminées. Pour les cimentiers, on l’appelle aussi « poids au litre ».


27

Généralement, elle est de l’ordre de 700 à 1 200kg/m3.

3.1.3 Poids spécifique

Il représente la masse d’une quantité de ciment tel que le volume occupé réellement

par ce dernier soit égal à l’unité.

Selon le type des ciments, il varie entre 2 800 et 5 000kg/m3.

3.1.4 La finesse de mouture (NF EN 196-1)

Elle est caractérisée par la surface spécifique ou la surface totale développé par tous

les grains contenus dans 1g de ciment. Elle influe sur la qualité et sur l’hydratation du ciment.

Elle est évaluée par la surface spécifique de Blaine, et mesurée avec la perméabilimètre de

BLAINE. Sa valeur est comprise entre 2 800 à 5 000cm2/g, selon le type de ciment.

3.1.5 Prise et durcissement

Pour la plupart des ciments après une ou deux heures, on constate une augmentation

brusque de la viscosité : c’est le début de prise, qui présente une réaction exothermique.

La fin de prise correspond au moment où la pâte cesse d’être déformable. Elle devient

entièrement solide et rigide.

3.1.6 Expansion (NF EN 196-3)

Son expansion ou son gonflement se traduit par l’augmentation de son volume due à la

présence d’un excès de sulfate, de chaux et de magnésie. La mesure de l’expansion permet de

s’assurer de la stabilité du ciment, l’expansion ne doit pas dépasser 10mm sur pâte pur pour

tous les types de ciment.

3.1.7 Retrait (NF P 15-433)

C’est une diminution de son volume pendant le durcissement provoquée par le départ

d’une partie de l’eau de gâchage par évaporation.

3.1.8 Eau de consistance normale (NF EN 196-1)

Elle caractérise la quantité d’eau utile pour obtenir une consistance normale pour un

mortier normal.


28

3.2 Caractéristiques chimiques et minéralogiques

3.2.1 Composition chimique élémentaire

Elle nous renseigne sur la teneur des différents éléments chimiques contenus dans le

ciment tels que le CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, SO3, PF... Elle est la base de calcul de la

composition minéralogique.

3.2.2 Indice d’hydraulicité (i)

C’est une grandeur qui permet d’évaluer les caractères hydrauliques d’un liant. Elle

nous donne le rapport des éléments acides par des éléments basiques contenu dans le mélange.

� =siO� + Al�O� + Fe�O�

CaO + MgO

La résistance chimique d’un ciment est d’autant meilleure que son indice

d’hydraulicité i est plus élevé.

i < 0.5, le ciment est dit « basique »

i ≥ 0.5, le ciment est dit « neutre » (riche en laitier).

3.2.3 Chaux de saturation (CaOsat)

C’est la quantité maximale de chaux qui peut être fixé par les constituants acides

(SiO2, Al2O3, Fe2O3) présent dans le mélange.

-Pour un mélange normal, on a :

CaOsat = 2.8 SiO2 + 1.65 Al2O3 + 0.35 Fe2O3

-Pour un mélange riche en fer :

CaOsat = 2.8 SiO2 + 1.10 Al2O3 + 0.70 Fe2O3

3.2.4 Module et valeurs requises

3.2.4.1 Module de chaux MC

C’est le rapport exprimé en pourcentage de la teneur en chaux du ciment sur la chaux

de saturation.


29

� Pour le mélange cru :

MC =��

��∗ 100

� Pour le clinker et le ciment :

MC = ��

3.2.4.2 Module de silice MS

Cette valeur donne le rapport entre la quantité de silicate et celle de l’aluminate dans le

mélange. On a :

MS =SiO�

Al�O� +Fe�O�

Il est de l’ordre de 1.8 à 3.4 pour l’ensemble de ciment et 2.2 à 2.5 pour les ciments

Portland courant.

3.2.4.3 Module d’alumine MA

C’est le rapport entre les quantités de C3A et C4AF (ou C2F et C4AF dans le cas des

ciments très riche en oxyde de fer). Il caractérise la « richesse en fer » du mélange, on a :

MA = !"�#$%"&#

Il varie de 1.2 à 2.5 pour l’ensemble de ciment et 1.5 à 2 pour les ciments Portland

courant.

3.3 Caractéristiques mécaniques

Les résistances mécaniques du ciment sont mesurées sur éprouvettes normalisés de

mortier normal. Elles renseignent sur la capacité d’un matériau à résister à toute sollicitation

extérieur impliquant une force.

D’après la norme NF EN 196-1, la classe de résistance d’un ciment est définie par la

valeur minimale de la résistance à la compression simple du mortier normal à 28 jours d’âge

et exprimée en MPa.


30

4 Hydratation du ciment

La réaction d’hydratation est une réaction exothermique qui se produit entre les

différentes phases cristallines du ciment (C3S, C2S, C3A, C4AF) et l’eau de gâchage. Cette

réaction d’hydratation est très complexe et met en jeu plusieurs réactions se déroulant avec

des cinétiques différentes.

Dès le contact avec l’eau, les constituants anhydres du ciment donnent naissance à des

silicates, aluminates de calcium hydratés et de la chaux hydratée (Ca(OH)2) appelée

portlandite sous forme de plaquette hexagonale, tandis que les silicates de calcium hydratés

forment un gel microcristallin composé de fines aiguilles à la surface du ciment, qui sont à

l’origine du phénomène de prise.

Lors de la réaction d’hydratation du ciment Portland, on voit que l’aluminate

tricalcique (C3A) réagit très vite avec l’eau et sa prise se déroule rapidement. Cette réaction

est fortement exothermique. Par rapport à la belite (C2S), l’alite (C3S) possède une cinétique

d’hydratation plus rapide (10 à 20 fois plus rapide). Le C2S n’a pas de rôle majeur sur la

structuration de la pâte de ciment à l’état frais. L’alite (C3S) et la belite (C2S) forment des

silicates de calcium hydratés (C-S-H) et de la portlandite (Ca(OH)2) qui se retrouve englober

dans les C-S-H au terme de l’hydratation, ce qui diminue la résistance du matériau. Le C-S-H

est un gel solide poreux qui a une structure en feuillet et constitué de cristaux très petits (20 à

30 angströms). L’aluminate tricalcique conduit quant à lui à la formation de l’inttringite sous

forme d’aiguilles prismatiques, ce qui n’est pas favorable à la résistance mécanique.

La portlandite ne participe pas au développement de la résistance mécanique d’un

béton. L’emploi de matériaux à propriétés pouzzolaniques peut remédier à ce problème, il

permet de réduire la proportion de Ca(OH)2 contenue dans le mélange et augmente ainsi sa

résistance. Ainsi, les silices (SiO2) se combinent avec la portlandite issu de la réaction

d’hydratation du clinker pour donner du C-S-H.

Les réactions d’hydratation dans le ciment se présentent comme suit :

� Hydratation du C3S

2C3S + 7H C3S2H4 + 3CH

� Hydratation du C2S

2C2S + 5H C3S2H4 + CH


31

� Hydratation du C3A sans sulfates

2C3A + 21H C2AH8 + C4AH13

Aluminates hexagonaux

C2AH8 et C4AH13 2C3AH6 + 9H

Aluminates cubiques

C3A + 6H C3AH6

� Hydratation du C3A avec du gypse

C3A + 3CŠH2 + 26H C6AŠ3H32

Ettringite

Dans le cas où la concentration en sulfates est faible, l’ettringite se transforme en

monosulfate (C3A, CaSO4, 12 H2O) selon la réaction :

2C3A + C6AŠH32 + 4H 3C4AŠH12

Ou

C3A + CŠH2 + 10H C4AŠH12

� Hydratation des aluminoferrites

3C4AF + 30H 4C3(A,F) + 2(A,F)H30

Non hydraulique

Les figures 10 et 11 nous permettent d’illustrer le phénomène d’hydratation du ciment.

Apparemment, l’hydratation met en évidence deux phénomènes principaux : la prise et

le durcissement. La prise commence lorsque le mélange perde sa plasticité et il est à peine

d’être ouvrable. Le phénomène de durcissement intervient après la prise. Au fil du temps, la

pâte de ciment va se solidifier, après de s’être figée. Sa durée se prolonge pendant des mois au

cours desquels les résistances mécaniques continuent à augmenter. Le durcissement intéresse

le développement même de toutes les caractéristiques requises par le rôle final dévolu aux

mortiers et béton.


32

Figure 10 : Hydratation initiale du ciment [16]

Figure 11 : Microscopie optique en lumière transmise analysée d’un béton [16]

1 : Portlandite

2 : C-S-H

3 : granulat


33

5 Contribution des cimenteries dans l’émission des gaz à effet de serre (GES)

Du point de vue des émissions de CO2, l’industrie cimentière est responsable de 5% de

l’émission de gaz à effet de serre, d’après l’étude menée par le World Business Council for

Sustainable Developpement (WBCSD). Il participe à une double émission : l’émission de

procédé et l’émission énergétique.

La réaction de décarbonatation transforme le calcaire (CaCO3) en oxyde de calcium

(CaO) et dégage de dioxyde de carbone (CO2) suivant la réaction :

CaCO3 CaO + CO2

Théoriquement, soit 1t de calcaire produit 0.44t de CO2, mais dans le cas pratique, la

fabrication du ciment Portland dégage 0.52t CO2/t ciment.

Durant la cuisson élevée du clinker (1450°C), la combustion de combustibles fossiles

dégage également 0.28t CO2/t ciment.

Ainsi, le procédé de fabrication du ciment Portland conduit à la formation de 0.80t de

CO2 par tonne de ciment (varie de 0.6 à 0.9t suivant le ciment), ce qui prouve que l’industrie

cimentière a une grande influence sur l’émission de gaz à effet de serre.

Pour remédier à ce problème, l’une des solutions est la production des énergies

propres et renouvelables (éolienne, énergie hydraulique, etc.). D’autre part, on peut procéder à

la substitution partielle d’une partie de clinker par d’autre constituant ayant des propriétés

hydrauliques et/ou pouzzolaniques.

Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons vu les différents composants du ciment, leurs

caractéristiques ainsi que leur hydratation. Ceci nous permet de bien comprendre les

processus chimiques des différentes phases cristallines du matériau cimentaire et leur

influences sur les propriétés physiques et chimiques du matériau.

Chapitre III. Les granulats

34

CHAPITRE III : LES GRANULATS [14][15][W04][18][19]

1 Définition

Le terme « granulat » désigne les matières grenues, sables, graviers ou cailloux, soient

roulés (extrait du lit des rivières), soient concassés et broyés (issus de carrière), qui sont

utilisés pour la construction et les travaux publics.

C’est un ensemble de grains de même type, quel que soit le critère de classification

utilisé. Au pluriel, le terme granulats constituent un mélange de grains de divers types.

Les granulats sont obtenus par le concassage des roches massives, provenant des

gisements, ou encore par le recyclage de produits tels que les matériaux de démolition. Ce

sont les gisements et les techniques de production qui définissent leur nature, leur forme et

leurs caractéristiques.

Ils sont utilisés dans les domaines de l’industrie de la construction lors de la

fabrication d’enrobés bitumineux, de béton, de mortier et pour les ouvrages hydrauliques,

matériaux de remblais, ballast de chemin de fer, etc. Ainsi, ils doivent répondre à des critères

de qualités et des caractéristiques propres à chaque usage ; des méthodes d’essais sont

importantes.

2 Les différents types de granulats

Les granulats utilisés dans les travaux de construction sont soit d’origine naturels,

provenant des carrières terrestres de roches meubles et de roches massives n’ayant subi

aucune transformation autre que mécanique, soit d’origine artificiels. Ils proviennent aussi

quelque fois d’un produit de recyclage, granulats utilisés précédemment dans des

constructions.

2.1 Les granulats naturels

Indépendamment de leur origine minéralogique, on classe les granulats en deux

catégories : les granulats de roche meuble (matériaux alluvionnaires) et les granulats de roche

massive.


35

2.1.1 Les granulats de roche meuble

Ils sont dits roulés, dont la forme a été acquise par l’érosion. Ils renferment des

particules argileuses qui sont nuisibles à la résistance du béton, donc ils doivent être lavés

avant l’emploi. Afin d’obtenir des différentes classes de dimension, ces granulats doivent

également être criblés. Ils proviennent surtout des dépôts alluvionnaires, et ils sont exploités

le long des fleuves et des rivières. Ils sont souvent siliceux, calcaires, ou silico-calcaires.

2.1.2 Les granulats de roche massive

Les granulats de roche massive ou granulats de carrières sont obtenus par abatage et

concassage, ce qui leurs donnent des formes angulaires. Pour obtenir des granulats propres et

ayant des différentes classes granulaires, il faut passer convenablement à une phase de

précriblage et à des différentes phases de concassages.

Les caractéristiques des granulats concassés dépendent d’un grand nombre de

paramètres : origine de la roche, régularité du banc, degré de concassage, etc.

Les roches massives susceptibles de fournir des granulats viennent surtout des

gisements épais de roches dures, ils rassemblent les roches calcaires, les roches éruptives et

les roches métamorphiques. Le tableau suivant nous donne les différents types de roches

massives.

Tableau 8 : Les différents types de granulats issus de roches massives [14]

Types de roches massives Exemple de famille de granulats

Roche magmatique

Roche éruptive

Granite, rhyolite, porphyre, diorite,

basalte

Roche sédimentaire Grès, grès quartziques, silex, calcaires, etc.

Roche métamorphique Gneiss, micaschistes, quartzites, etc

2.2 Les granulats artificiels

Ils sont conçus pour réaliser des bétons à usages spécifiques.


36

2.2.1 Sous-produits industriels, concassés ou non

Les plus employés sont le laitier cristallisé concassé et le laitier granulé de haut

fourneau qui sont obtenu par refroidissement brusque dans l’eau.

Ces granulats sont souvent employés dans les bétons routiers. Les différentes

caractéristiques des granulats de laitier et leurs spécifications sont régies dans les normes

NF P 18-302 et NF P 18-306.

2.2.2 Les granulats à hautes caractéristiques

Ce sont des granulats spéciaux élaborés industriellement pour répondre à certains

emplois. Il s’agit des granulats très durs pour renforcer la résistance à l’usure de dallages

industriels (granulats ferreux) ou des granulats réfractaires.

2.2.3 Les granulats légers

Ce sont des granulats utilisés dans la fabrication de bétons légers. Ils ont de poids très

intéressants et leur masse volumique varie entre 400 et 800 kg/m3 selon le type et la

granularité. Ils sont notamment utilisés dans la confection des bétons présentant une bonne

isolation thermique, les préfabriqués, etc.

Les granulats légers usuels sont l’argile expansée, le schiste expansé et le laitier

expansé. Ils font l’objet de la norme NF P 18-309.

2.3 Les granulats recyclés

Les granulats peuvent aussi être élaborés par recyclage. Ils sont essentiellement des

granulats issus de la démolition de bâtiments ou de voiries (bétons, briques, recyclage de

ballasts de chemin de fer, de croûtes ou de fraisats d’enrobés routiers ou de terrils miniers).

Les bétons recyclés concassés sont surtout destinés à la fabrication de graves routières,

et les croûtes ou les fraisats d’enrobés sont recyclés dans la fabrication de graves-bitumes ou

enrobés routiers.

Ces granulats passent à des processus de tris, et dans certains cas on leurs élimine les

éléments nocifs capables d’engendrer des désordres.


37

3 Les caractéristiques des granulats

3.1 Caractéristiques géométriques

3.1.1 Granulométrie

Elle permet de déterminer l’échelonnement des dimensions des grains contenus dans

un granulat.

Elle consiste à tamiser les granulats sur une série de tamis normalisés à maille carré,

de dimensions d’ouvertures décroissante et à peser le refus sur chaque tamis. Les ouvertures

carrées des tamis correspondant aux classes granulaires s’échelonnent de 0,08 à 80mm.

La partie des granulats qui est passée à travers le tamis est appelée « tamisat », et la

partie qui est restée sur le tamis est le « refus ».

Elle permet de schématiser les courbes granulométriques des différents granulats,

l’essai d’analyse granulométrique etant régi par la norme NF P 18-560.

Figure 12 : Tamiseuse électrique [W04]

3.1.2 Classes granulaires

Les granulats sont classés en fonction de leurs grosseurs déterminées par criblage sur

des tamis à mailles carrées dont la dimension intérieure est exprimée en millimètres.


38

Le granulat est caractérisé du point de vue granulaire par sa classe d/D, avec d le

diamètre minimum et D le diamètre maximum des grains. Lorsque d < 2 mm, le granulat est

désigné « 0/D ».

D’après la norme NF P 18-101, on trouve cinq classes granulaires principales selon

leur dimension :

� fines 0/D lorsque D ≤ 0.080mm ;

� sables 0/D D ≤ 6.3mm ;

� gravillons d/D d ≥ 2mm et D ≤ 31.5mm ;

� cailloux d/D d ≥ 20mm et D ≤ 80mm ;

� graves d/D 6.3mm < D ≤ 80mm ;

3.1.3 Module de finesse

Il permet d’évaluer la finesse d’un corps sous forme de poudre ou de granulat.

Dans une confection de mortier et béton, les sables doivent présenter une

granulométrie bien étalée. Ils doivent avoir des éléments fins qui ne soient ni en excès, ni en

trop faible proportion. Dans le cas où la teneur en élément fins est élevée, il est préférable

d’augmenter le dosage en eau du béton ; dans le cas contraire si le sable est grossier, la

plasticité du mélange sera insuffisante et rendra la mise en œuvre difficile. Et c’est le module

de finesse qui permet d’étudier le caractère plus ou moins fin d’un sable.

Le module de finesse correspond à la somme des refus sur les tamis de la série

normalisé (en module) divisé par 100.

Le tableau suivant nous montre les dimensions nominales des tamis, les chiffres gras

correspondent aux tamis de la série normalisé ainsi que leurs modules.

Tableau 9 : Modules et dimensions nominales des tamis (en mm) [W04]

Modules 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Tamis 0.080 0.100 0.125 0.160 0.200 0.250 0.315 0.400 0.500 0.630 0.800

Modules 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

Tamis 1.00 1.25 1.60 2.00 2.50 3.15 4.00 5.00 6.30 8.00 10.00

Modules 42 43 44 45 46 47 48 49 50

Tamis 12.50 16.00 20.00 25.00 31.50 40.00 50.00 63.00 80.00


39

Le module de finesse convenable pour les sables dans la fabrication d’un bon béton est

compris entre 2.2 et 2.8.

3.1.4 Coefficient d’aplatissement

La forme des graviers est déterminée par l’essai d’aplatissement. Le coefficient

d’aplatissement A caractérise la forme du granulat à partir de sa plus grande dimension et de

son épaisseur. Plus A est élevé, plus le gravier contient d’éléments plats qui ne sont pas

favorable pour le béton.

Selon la norme NF P 18-541, la valeur du coefficient d’aplatissement doit être

A ≤ 30 %, granulats pour bétons hydrauliques.


3.2.1 Masses volumiques

Elles sont régies par la norme NF P 18-554 et la norme NF P 18-555

3.2.1.1 Masse volumique apparente ρ

La masse volumique apparente d’un matériau est la masse du matériau sec occupant

une unité de volume, tous vides inclus. Elle pourra avoir une valeur différente suivant qu’elle

sera déterminée à partir d’un matériau compacté ou non compacté.

Dans la pratique, elle est comprise entre 1400 et 1600kg/ m3.

3.2.1.2 Masse spécifique γ

C’est la masse de granulat sec par unité de volume de matière pleine déduction faite

des vides entre les grains : c’est la masse volumique réelle du granulat.

Elle est de l’ordre de 2500 à 2600 kg/ m3.

3.2.2 Absorption

C’est le processus par lequel un liquide (eau en général) pénètre dans un granulat, et

résulte ainsi une augmentation de masse. Les granulats peuvent absorber de l’eau lorsqu’ils

sont stockés dans une atmosphère sèche pendant un certain duré.

L’absorption dépend de la nature du granulat. Elle peut varier de 0 à plus de 30% du

poids sec pour les granulats légers.


40

3.2.3 Propreté

Les granulats employés pour le béton doivent être propres, car les impuretés perturbent

l’hydratation du ciment et entraînent une diminution d’adhérence entre les granulats et la pâte.

D’après la norme NF P 18-541, les impuretés telles que le charbon, les scories, les

déchets de bois, les feuilles mortes, débris végétaux, etc., doivent avoir des pourcentages

inférieurs à 0.1%.

De même les granulats doivent être exempts d’hydrocarbure, d’huiles végétales ou de

matières organiques et de gangue argileuse ou de poussières.

L’impureté désigne essentiellement la teneur en fine argileuse dont la valeur limite

acceptable est comprise entre 2 et 5% selon le type de béton.

• Dans le cas de cailloux et gravillon, elle est donnée par le pourcentage de passant au

tamis de 0.5mm (tamisage effectué sous l’eau).

• Dans le cas de sables, la propreté est fournie par l’essai d’ « équivalent de sable » ES

qui consiste à séparer le sable de la partie argileuse ou fine.


Les caractéristiques mécaniques des granulats ne sont pas déterminées par des essais

habituels de compression ou de traction.

Par contre, il existe des essais tentant de reproduire certaines sollicitations propres à

des usages spécifiques des granulats.

Les essais les plus couramment utilisés sont :

� l’essai Los-Angeles « LA », régie par la norme NF P 18-541 ;

� l’essai micro-Deval humide « MDE », régie par la norme NF P 18-573.

Conclusion :

Les granulats jouent des rôles importants dans le béton, ils leur apportent la

consistance, le volume et la résistance. Leurs critères se portent souvent sur la nature

minérale, pourtant les caractéristiques physiques et mécaniques sont aussi importantes au

niveau de la résistance

Chapitre IV. Notion sur le béton

41

CHAPITRE IV : NOTION SUR LE BETON [14][20][W05][W06][21][22]

1 Définition du béton

Le béton est un matériau composite constitué d’un mélange de liant, de granulat et

d’eau. Après la prise, il se forme un milieu poreux composé d’un squelette granulaire, d’une

pâte de ciment hydratée et de vides. Souvent, les vides du béton sont plus ou moins occupés

par une solution interstitielle composée d’eau chargée en ions alcalins, Ca++, OH- et

caractérisée par un pH basique.

2 Classe de résistance du béton

La norme EN 206-1 classe les bétons en fonction de leur résistance caractéristique à la

compression.

En général, on peut citer quatre classes de béton suivant leur résistance à la

compression à 28 jours selon le tableau ci-dessous.

Tableau 10 : Classe des bétons selon leurs résistances à la compression [W06]

Classe Résistance à la compression à 28 jours [MPa]

béton ordinaire 16 – 40

béton à hautes performances 45 – 60

béton à très hautes performances 65 – 100

béton à ultra hautes performances > 110

3 Propriétés du béton frais

Le béton frais est un matériau intermédiaire entre un fluide et un empilement humide

de particules. Ces principales propriétés permettent de voir le comportement du béton à l’état

frais et d’analyser les lois qui gouvernent le comportement durant l’écoulement.

3.1 Affaissement au cône d’Abrams

C’est l’essai le plus couramment utilisé pour caractériser la consistance du béton.

C’est un essai d’affaissement d’un volume de béton de forme tronconique, mesuré

conformément à la norme NF P 18-451.


42

Selon la valeur de l’affaissement, le béton est classé de la façon suivante :

Tableau 11 : Classe de consistance des bétons [20]

Classe Consistance du béton Affaissement au cône (mm)

S1 Ferme 10 à 40

S2 Moyennement plastique 50 à 90

S3 Plastique 100 à 150

S4 Très plastique 160 à 210

S5 Fluide ≥ 220

3.2 Résistance du béton frais

Elle présente une valeur faible, pourtant sa détermination est importante dans une

fabrication nécessitant un démoulage immédiat d’élément de grande série (parpaing, pavés,

etc.). Le rapport optimal E/C du béton frais doit être voisin de 0.4.

4 Propriétés du béton durci

4.1 Porosité

C’est la caractéristique essentielle du béton durci. Elle a une importante influence sur

la résistance du béton aux agents agressifs, sur la carbonatation en matière de protection des

armatures et sur la tenue au gel. C’est donc le facteur essentiel de la durabilité du béton.

4.2 Résistance à la compression

La qualité le plus souvent recherchée pour le béton durci est la bonne résistance à la

compression, qui est généralement caractérisée par la valeur mesurée à vingt-huit jours.

Sa valeur dépend de plusieurs paramètres, notamment la classe et le dosage en ciment,

la porosité du béton et le rapport E/C. En général, elle est mesurée sur des éprouvettes

cylindriques normalisées (diamètre 16cm, hauteur 32cm).


43

5 Les bétons hautes performances

5.1 Définitions et généralités

Un béton à hautes performances (BHP) est un béton qui a, d’une part, une résistance à

la compression à 28 jours supérieure à 50 MPa, et d’autre part, un rapport eau/liant inférieur à

0.40. Il présente une microtexture très dense et une faible porosité dans leur matrice, ce qui

augmente fortement leur durabilité. Ainsi, les gains de résistances ne sont pas les seuls

avantages de ce béton. Il est également plus résistant aux agents agressifs et aux phénomènes

de gel-dégel.

D’après la norme NF EN 206-1, les bétons à hautes performances sont des bétons

appartenant à une classe de résistance à la compression supérieure à C50/60, pour les bétons

de masse volumique normale ou béton lourd, et supérieure à C50/55, pour les bétons légers.

Le premier nombre qui suit la lettre C fait référence à la résistance à la compression

caractéristique mesurée sur des cylindres, et le second, à la résistance à la compression

caractéristique mesurée sur des cubes.

La fabrication des BHP se différencie de celle des autres bétons dans leur composition,

utilisation des superplastifiants (réducteur d’eau) et remplacement d’une certaine quantité du

ciment Portland par une fine minérale ayant des propriétés pouzzolaniques.

L’emploi des superplastifiants permet de réduire la teneur en eau à consistance égale.

Ils s’opposent à la floculation des grains de ciment et permet ainsi d’augmenter leur réactivité.

L’ajout des éléments fins consiste à remplir la granulométrie du béton en remplissant les vides

du squelette granulaire entre les grains de ciment et améliore la compacité, mais présente

également une réactivité avec la chaux libre.

5.2 Composition

Le béton à hautes performances se compose de granulats, de ciment, d’eau, de

superplastifiant et éventuellement d’une addition (cendres volantes, fumées de silice,…) qui

font l’objet de plusieurs normes.

On sait que la résistance du béton dépend bien évidemment de la résistance du ciment.

Donc, les ciments doivent être conformes à la NF EN 197-1 de types CEM I ou CEM II ou


44

CEM III et de classes de résistance conseillées 52.5N, voire du 52.5R si une résistance initiale

très élevée est souhaitée. Sinon, on devrait utilisés un dosage en ciment de classe 42.5N ou R.

Les granulats susceptibles d’être utilisés pour les bétons ordinaires conviennent en

principe également pour un béton à hautes performances. Pourtant, il est préférable d’utiliser

des granulats conformes à la norme NF EN 12620 (« granulats pour bétons ») et à la norme

XP 18-545 (article 10 : « granulats pour bétons hydrauliques »). Si on cherche à avoir une

résistance supérieure, la résistance mécanique du granulat doit être plus élevée.

Les additions doivent être conformes aux diverses normes en vigueur, on a les cendres

volantes silicoalumineuse, laitier de haut fourneau, fillers calcaire, fillers siliceux et

éventuellement des ultrafines.

On n’utilise que des adjuvants réducteur d’eau, des superplastifiants haut réducteur

d’eau conformes à la norme NF EN 934-2.

5.3 Propriétés physico-chimiques et mécaniques

5.3.1 Résistance mécanique

Les BHP présentent des résistances en compression importantes aux jeunes âges (un

béton à 60MPa à 28 jours peut dépasser 15MPa à 24 heure et 40MPa à 7 jours) et très élevées

à long terme (continuation de la montée en résistance au-delà de 28 jours).

5.3.2 Rigidité

Le module d’élasticité du béton dépend essentiellement de la propriété des granulats et

de la matrice de mortier. Au fur et à mesure que la matrice se consolide et se rigidifie, le béton

présentera également une rigidité accrue. Le module d’élasticité des BHP est donc toujours lié

à la résistance à la compression.

En général, le module d’élasticité des BHP est supérieur à celui des bétons ordinaires.

5.3.3 Retrait

Pour les BHP, la valeur du retrait est globalement identique à celui des bétons

ordinaires, mais ils se différencient à la cinétique de formation.


45

5.3.4 Fluage

Le fluage est la déformation croissante sous l’effet d’une contrainte constante. Pour les

BHP, il est fréquemment plus faible que celui des bétons ordinaires. L’âge du béton influe sur

la valeur du fluage, au jeune âge le fluage sera plus élevé que dans le cas d’un béton plus âgé.

5.3.5 Durabilité

Leur faible porosité capillaire confère aux BHP un meilleur comportement face aux

mécanismes d’agression. La dégradation du béton est, dans la plupart des cas, causée par la

pénétration et au transfert dans la masse du béton des agents agressifs en phase gazeuse ou

liquide telles que des chlorures, du dioxyde de carbone, des acides,…

5.3.6 Tenue au feu

Malgré la durabilité élevée des BHP, leur résistance au feu est inquiétante. En raison

de la structure très dense des pores, la pression de vapeur, qui apparaît à l’intérieur du béton à

des températures supérieur à 100°C, peut difficilement être réduite. L’évacuation des vapeurs

vers l’extérieur est très lente. La résistance du BHP diminuera rapidement, par rapport au

béton ordinaire, si la température excède de 100°C. On a un risque d’éclatement de béton,

dans le cas où il y a excès de pressions de vapeur accumulées.

5.4 Applications

Par rapport aux bétons ordinaires, les bétons à hautes performances offrent des

avantages technologiques intéressants.

- La résistance accrue au jeune âge du béton autorise un temps de décoffrage rapide et

d’accélérer la mise en précontrainte.

Les applications sont multiples en préfabrication (poutres, planchers, etc.) et sur chantier

(voussoirs de pont, poteau, etc.)

- La haute résistance finale après durcissement permet la réalisation des structures de

bâtiments et d’ouvrages (bâtiments de grande hauteur, enceintes nucléaires, ponts…)

conciliant contraintes élevées et réduction des sections, ce qui implique la diminution du

poids de la construction.


46

- La durabilité améliorée, face aux agressions physico-chimiques, ont une grande importance

pour les ouvrages à la mer, les structures offshore et les ouvrages exposés au gel.

- La bonne ouvrabilité, fluidité très élevée à l’état frais, facilite la mise en œuvre du béton

même dans les zones à densité d’armature élevée.

Conclusion

D’après ce chapitre, le béton est un mélange de plusieurs composants, ciment, eau, et

granulats, qui constituent un ensemble homogène. Il présente quatre classes suivant leur

résistance à la compression à vingt-huit jours. L’obtention d’une résistance élevée est possible

en utilisant un ciment de classe 52.5 (N ou R), un élément fin ayant des propriétés

pouzzolaniques et/ou hydrauliques, des granulats particulièrement performants et d’un

superplastifiant. Ceci conduit à l’obtention d’un béton à hautes performances qui est le sujet

délicat de ce mémoire.


47

DEUXIEME PARTIE

ETUDES

EXPERIMENTALES

Chapitre V. Caractérisation des matières premières

48

CHAPITRE V : CARACTERISATION DES MATIERES PREMIERES

Introduction

Afin d’appréhender complètement les influences du métakaolin sur les bétons, nous

devons, dans un premier temps, travailler sur la caractérisation de tous les éléments entrant

dans la fabrication d’un béton. Ceci est utile pour la formulation des bétons.

Et afin de bien suivre l’évolution de la structure minéralogique du métakaolin, nous

allons exercer au kaolin plusieurs températures de cuisson et des durées de cuisson différentes

lors du traitement thermique.

1 Le kaolin et le métakaolin

L’addition minérale qu’on a utilisée est le kaolin micronisé commercialisé en poudre

« KAOLIN 40µm » (K 40) de la société PROCHIMAD. C’est un silicate d’alumine de

formule chimique : Al2O3, 2SiO2, 2H2O.

Ce produit provient du gisement d’Analabe Ibity de la région Vakinankaratra.

Le métakaolin est obtenu après la calcination du kaolin, et les échantillons utilisés

dans l’essai de caractérisation sont calcinés à 700°C.


1.1.1 Couleur

Le kaolin est une poudre fine de couleur blanc crème.

1.1.2 Teneur en eau

C’est le poids d’eau contenu dans le volume V rapporté à l’unité de poids des grains

solides contenu dans V. Il s’exprime en pourcentage (%).

La détermination de la teneur en eau consiste à mettre l’échantillon dans une étuve à

une température de 105°C, jusqu’à l’obtention d’une masse constante.

Pour le calcul, on a :

w = '()'�

'� * 100

w : teneur en eau, en %


49

mh : masse brute de l’échantillon

ms : masse à l’état sec de l’échantillon

On a effectué deux essais, selon le tableau suivant :

Tableau 12 : Taux d’humidité du kaolin

1ère essai 2ème essai

mh (g) 164.5 177.66

ms (g) 153.79 165.82

w (%) 6.96 7.14

En calculant la moyenne, on obtient :

w = 7.05%

Le kaolin renferme un faible taux d’humidité, il est plus ou moins sec.

1.1.3 Masse volumique apparente

L’essai consiste à remplir de poudre un moule de volume V= 1000 ml à l’aide d’un

densitomètre (valable pour tous les éléments fines).

a) Appareillages

- un densitomètre et un moule ;

- une règle à araser ;

- balance de précision

b) Mode opératoire

1- Placer l’entonnoir au-dessus du centre du moule et fermer son ouverture.

2- Verser une quantité de l’échantillon dans l’entonnoir.

3- Faire passer l’échantillon dans le moule en ouvrant l’ouverture de l’entonnoir.


50

4- Refermer l’ouverture de l’entonnoir lorsque l’échantillon déborde ; araser à la règle et

peser le contenu.

Tableau 13 : Densité apparente du métakaolin


Masse de l’échantillon m(g) 676.73 680

Volume du moule (cm3) 1000 1000

ρ = *

+ 0.676 0.680

c) Résultat


ρMK = 0.68 g/cm3 = 680 kg/m3

Le métakaolin est léger.

1.1.4 Masse spécifique

L’essai consiste à mesurer le volume d’une masse m (m = 60g pour les poudres fines)

d’un échantillon dans un densimètre le Candelot (valable pour tous les éléments fines).

a) Appareillages

- densimètre le Candelot ;


b) Mode opératoire

1- peser deux masses m1 et m2 de poudre ;

2- verser du pétrole dans chaque densimètre jusqu’à l’indication 0;

3- mettre les échantillons dans les densimètres ;

4- reposer chaque échantillon pendant quelques minutes ;

5- lire l’indication du volume de la poudre ;


51

6- calculer la moyenne des valeurs de la masse spécifique trouvées.

Tableau 14 : Masse spécifique du métakaolin

Masse de l’échantillon m(g) 60.00

Volume du moule (cm3) 22.10

ɣ = '

+ 2.71

c) Résultat

ɣMK= 2710 kg/m3

On voie qu’il y a une très grande différence de valeur entre ρ et γ du métakaolin, ce

qui nous signale une très grande porosité.

1.1.5 Surface spécifique

En général, on détermine la surface spécifique des poudres crues par la méthode de

perméabilité de Blaine. Pourtant, comme les matériaux de base sont de très grande finesse

granulométrique, la méthode de Blaine est peu adaptée pour eux. Cette méthode donne donc

des valeurs peu fiables et ne sont évaluées qu’à titre indicatif.

L’évaluation de la surface spécifique le mieux adapté aux poudres fines ce fait donc

par la méthode de Brunauer, Emmet et Teller (méthode BET).

1.1.5.1 Surface spécifique de Blaine

Il permet de déterminer la finesse de l’échantillon, la totale des aires des grains

contenus dans une unité de volume.

L’essai consiste à mesurer le temps mis par une quantité fixée d’air pour traverser un

lit d’échantillon compacté à des dimensions et une porosité spécifiées.

Il permet de mettre un échantillon de masse m dans une « cellule » qu’on posera

ensuite sur la perméabilimètre de Blaine, puis souffler le liquide de l’appareil au-dessus de

l’indication h2 et on chronomètre la durée de passage du liquide de h2 à h3, cette durée

s’appelle temps de viscosité (t).


52

a) Appareillage

- l’appareil « Perméabilimètre de Blaine

- une cellule munie de disque perforé, papier filtre et piston

- un thermomètre

- un chronomètre

- une balance de précision

b) Mode opératoire

1- Peser une masse m de l’échantillon selon le calcul :

m = masse spécifique de l’échantillon*V(1-e)

e : porosité de l’appareil égale à 0.5

V : volume du tube égale à 1.8069 cm3

2- Introduire le disque perforé dans la cellule suivi d’un papier filtre, et on y verse

l’échantillon de masse m suivi aussi d’un filtre et la fermer par le piston.

3- Mesurer la température du moment de l’essai en °C.

4- Mesurer le temps de viscosité en seconde.

5- Calculer la surface spécifique de Blaine.

La surface spécifique de Blaine est donnée par relation :

SSB =,∗√.#∗√/

012).3∗√4

SSB : surface spécifique Blaine, exprimée en cm2/g

K : constante de l’appareil, égale à 22,19

e : porosité, égale à 0.5

n : viscosité de l’air, en poises


53

t : temps de perméabilité du ciment considéré, en s

ρ : poids spécifique de l’échantillon

Donc, on a :

SSB = 22.19 * 5.�78

5.7 *

√/

0∗√4

D’où :

SSB = 15.71* √/

0∗√4

c) Résultats

SSBMK = 2524cm2/g

On note que cette valeur est très faible pour une poudre dont tous les grains sont

≤40µm. Le procédé de Blaine n’est effectivement pas fiable pour les poudres très fines.

1.1.5.2 Surface spécifique BET

La surface spécifique BET est déterminée sur le kaolin calciné à 700°C pendant deux

heures.

D’après les données qu’on a obtenues, la surface spécifique BET du métakaolin est de

30.82 m2/g. Le métakaolin est très fin par rapport au ciment.


Comme notre échantillon a une grandeur de 40µm, et par vérification tous les grains

passent à travers un tamis de 0.080 mm, donc on doit procéder à une analyse granulométrique

par sédimentométrie.

L’analyse sédimentométrie est régie par la norme NF P 94-057.

Le but de l’essai est de déterminer la granularité du métakaolin et ses diamètres

équivalents. L’essai consiste à laisser une suspension de l’échantillon se déposer au fond

d’une éprouvette pleine d’eau. Plus les grains sont fin, plus la vitesse de décantation est lente


54

conformément à la loi de Navier Stockes sur la vitesse de chute de grains sphériques dans

l’eau.

La mesure de la densité de suspension à des intervalles de temps variables permet de

calculer la proportion des grains de chaque diamètre.

a) Appareillages

- tamis à mailles carrés de 0.08 mm, module AFNOR 20;

- cuvettes;

- densimètre ;

- bécher ;

- éprouvette 1000cm3 ;

- agitateur manuel ;

- thermomètre ;

- chronomètre ;

- balance de précision.

b) Mode opératoire

- faire passer l’échantillon à travers un tamis 0.08mm ;

- mettre l’échantillon dans un bécher ;

- préparer une solution d’hexaméthaphosphate et la verser sur l’échantillon ;

- agiter la solution pour qu’il soit bien mélangé et homogène ;

- laisser reposer la solution pendant 24h ;

- reprendre la solution et agiter de nouveau, puis la mettre dans une éprouvette et l’ajuster à

1000 cm3 en ajoutant de l’eau ;

- agiter encore la solution, après mettre le densimètre dans l’éprouvette et prendre les

résultats.


55

Soient d le diamètre de la particule, ƞ la viscosité du liquide et %G le pourcentage des

grains, on a :

d = [ (Ht * 30ƞ) / (t * g * (ρS – ρl) ]1/2

ƞ = 0.0179/ (1 + 0.03368T + 0.00022T2)

%G = (Vepr * ρS * ρl *R1 * 100)/ (mécht (ρS – ρl))

Ht : profondeur effective du centre de poussé du densimètre

Ƞ : viscosité du liquide

t : temps en mn

g : accélération de la pesanteur en m/s2

ρS : masse volumique de la particule solide

ρl : masse volumique du liquide

d : diamètre de la particule

%G : pourcentage des grains

c) Résultats

D’après l’essai de sédimentométrie du kaolin, on a :

Tableau 15 : Résultats de l’analyse granulométrique par sédimentométrie du kaolin

Diamètre

équivalent

d = mm

0.0014

0.003

0.006

0.008

0.011

0.015

0.022

0.035

0.049

0.068

0.080

Module

AFNOR 2.46 5.77 8.79 10.03 11.41 12.76 14.42 16.44 17.90 19.32 20.00

% des grains

< d 25 41 46 56 64 71 75 77 79 83 100


56

Figure 13 : Courbe granulométrique du kaolin

La courbe granulométrique du kaolin nous montre que 78%, seulement, des grains ont

un diamètre équivalent ≤ 40µm (Module AFNOR : 17), qui correspond à l’étiquette de notre

échantillon (Kaolin 40µm). Toutefois, 83% sont ≤ 63µm et l’ensemble est <80µm.

1.3 Caractéristiques chimiques

L’analyse chimique élémentaire consiste à doser sous forme d’oxyde les différents

éléments chimiques constituant le matériau.

L’analyse chimique a été réalisée sur un produit cru. Les résultats sont donnés dans le

tableau suivant.

Tableau 16 : Composition chimique (en % pondérale) du kaolin

SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO Na2O K2O MrO SO2 P2O2 Cr2O3 PF

50.62 32.30 1.95 0.72 0.44 0.03 0.14 0.15 0.05 0.03 0.02 0.05 13.50

On note que la présence du K2O, avec une teneur de 0.15%, nous laisse présager que

ce kaolin est souillé par un peu d’illite.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Module AFNOR

% g

rain

s <

d


57

Le kaolin est riche en silice et en alumine, et il contient également une faible quantité

de dioxyde de titane.

La perte au feu d’un kaolin pur est évaluée à 13.95%. Le kaolin présente ici une perte

au feu de 13.50% ce qui est proche de 13.95%, donc c’est un kaolin presque pur.

1.4 Analyse minéralogique

1.4.1 Analyse thermique différentielle

Afin d’identifier l’échantillon, ainsi que les produits d’hydratation des liants, nous

devons faire une analyse thermique différentielle (ATD) appropriée.

L’essai consiste à enregistrer les transformations endothermiques et exothermiques

d’un produit au cours d’une montée linéaire en température. Les pertes d’eau, d’adsorption ou

de constitution, ou les changements d’état sont traduits par ces transformations. Les

températures auxquelles se produisent ces transformations permettent d’identifier un certain

nombre de produits.

Le produit à étudier doit être finement broyé et passé au tamis de 100 µm. la masse de

l’échantillon est de 600mg, et la vitesse de chauffe adoptée est de 300°C/h entre l’ambiante et

1000°C.

La figure suivante montre le résultat de l’analyse thermique différentielle (ATD) du

kaolin.

Figure 14 : Thermogramme du kaolin

T (°C)


58

La courbe d’analyse thermique différentielle du kaolin représente la courbe type

d’analyse thermique différentielle d’une kaolinite.

Nous observons :

- un premier pic endothermique qui correspond au départ de l’eau d’humidité absorbée

entre 121 et 131°C;

- un deuxième pic endothermique intense à 588°C qui correspond à la réaction de

déshydroxylation de la kaolinite, perte de l’eau de constitution ;

- un pic exothermique se localise à 965°C correspondant à la recristallisation du

métakaolin.

1.4.2 Diffraction des rayons X

L’analyse en diffraction des rayons X permet d’estimer l’état de cristallisation des

matériaux crus ainsi que leur état d’amorphisation après traitement thermique. Il permet aussi

de déterminer les constituants minéralogiques des échantillons et les phases hydratées formées

lors de l’hydratation des liants. L’échantillon doit être broyé et passé au tamis de 100 µm.

L’identification par diffraction des rayons X donne :


59

KAOLIN CRU

KAOLIN CALCINE (5h – 750°C)

Figure 15 : Diffractogrammes X du kaolin et de son produit de cuisson

Le kaolin contient en grande partie de la kaolinite et du quartz, mais il contient

également une quantité infime d’illite.

La diffraction des rayons X de l’échantillon calciné montre qu’on obtient une

excellente amorphisation par une cuisson de 5h à 750°C.


60

Le tableau suivant permet d’illustre l’analyse en diffraction des rayons X de l’essai

précédent.

Tableau 17 : Analyse minéralogique qualitative par DRX du kaolin

kaolin

Kaolinite TI

Illite F

quartz TI

TI : raies très intenses

F : raies de faible intensité

1.5 Activation thermique

L’obtention des pouzzolanes artificielles se fait à partir des matériaux argileux, par

calcination dans un four à lit fixe.

Le four qu’on a utilisé, pour la cuisson du kaolin, est un four électrique FERRO dont

sa température maximale peut atteindre 1000°C. L’échantillon est déposé dans un creuset en

silice, sous forme de vase. Le refroidissement de l’échantillon s’effectue à la vitesse de

refroidissement du four. Et les produits calcinés sont ensuite conditionnés dans un sac

plastique étanche.

Tableau 18 : Différentes activation thermique du kaolin

Température de

cuisson [°C]

Durée de cuisson

2h 2h 30mn 3h

650 X

700 X X X

750 X


61

2 Le ciment

Nous avons utilisé le ciment AFRICEM I 42.5N. C’est un produit importé

commercialisé en sac de 50kg.


2.1.1 Couleur

Le ciment AFRICEM I 42.5 N est de couleur gris verte.


Le ciment AFRICEM I 42.5N présente une densité apparente de 1 020kg/m3. Il est

plus lourd que le kaolin.


Il a une masse spécifique égale à 3 110kg/m3.

Cette valeur nous montre que sa masse spécifique correspond bien à celle d’un ciment

Portland du type CEM I.

2.1.4 Surface spécifique Blaine

Le résultat de la surface spécifique Blaine du ciment donne :

SSBC = 3 023cm2/g

On peut dire que ce ciment est fin.

2.1.5 Eau de gâchage de consistance normale

L’essai consiste à définir la quantité d’eau nécessaire pour obtenir la consistance

normale de la pâte de l’échantillon.

a) Appareillage

- un malaxeur

- l’appareil de Vicat

- un moule tronconique

- une spatule


62

b) Mode opératoire

- peser une masse de 500g de l’échantillon,

- prendre une quantité d’eau ;

- verser l’échantillon dans le malaxeur en versant petit à petit l’eau ;

- préparer une pâte en tâtonnant la quantité d’eau pour le gâchage ;

- mettre la pâte dans le moule tronconique ;

- placer le moule dans l’axe de l’appareil de Vicat ;

- abaisser la sonde jusqu’à la surface de la pâte ;

- effectuer une lecture jusqu’à ce qu’on obtient un enfoncement de 6+/-1mm, en ajoutant de

l’eau jusqu’à ce qu’on obtient cette valeur.

c) Résultat

Tableau 19 : Eau de gâchage de la pâte normale

Nature de l’échantillon Eau de gâchage (%)

Pâte à 100% de ciment 26.6

Pâte à 10% de métakaolin et 90% de

ciment 29.4

On note que la pâte de ciment avec 10% de métakaolin demande beaucoup plus de

l’eau de gâchage. On trouve une différence de 2.8%. Ce qui est justifié par une plus grande

finesse du métakaolin.

2.1.6 Temps de prise

L’essai consiste à déterminer la durée de durcissement d’un liant. Il est régi par la

norme NF EN 196-3.

a) Appareillage

Les même qu’on a utilisé dans la détermination de l’eau de gâchage.


63

b) Mode opératoire

- mettre l’échantillon (ce qu’on vient d’employer dans l’essai précédent) dans le bac à eau ;

- après quelques temps, faire sortir l’échantillon dans le bac à eau et le poser sur l’appareil de

Vicat ;

- faire un lâché automatique de l’appareil (tous les 10mn) ;

- noter l’heure au bout du quelle on a une lecture de 4+/-1mm, c’est le début de prise ;

- noter l’heure où l’aiguille de Vicat ne s’enfonce plus et ne laisse plus aucune empreinte sur

l’échantillon, c’est la fin de prise.

c) Résultat

Tableau 20 : Temps de prise de la pâte normale

Pâte à 100% de ciment Pâte avec 10%de métakaolin

et 90% de ciment

Début de prise (mn) 191 240

Fin de prise (mn) 259 322

D’après la norme NM 031-1, début de prise ≥ 60 mn, notre échantillon est conforme à

la norme.

Le début de prise est plus long pour la pâte normale avec 10% de métakaolin, qui ne

l’acquit qu’après 49mn par rapport à la pâte normale à 100% ciment.

2.1.7 Stabilité

L’essai a pour but d’évaluer l’augmentation de volume de l’échantillon. Il est régi par

la norme EN 196-3.

a) Appareillage

- Appareils de Chatelier

- Un bain d’eau muni d’un moyen de chauffage à 20°C


64

b) Mode opératoire

On a le même échantillon que dans la détermination du temps de prise (pâte de

consistance normalisée).

- introduire l’échantillon dans le moule de Chatelier et le remplir ;

- conserver le moule pendant 24h dans une salle humide, au bout de ce temps il convient de

mesurer l’écartement E1 entre les pointes des aiguilles ;

- entreposer le moule dans le bain d’eau à 20°C qui doit être porté à l’ébullition pendant 3h ;

- après refroidissement, mesurer de nouveau l’écartement E2 entre les pointes des aiguilles,

lorsque la température revienne à 20°C.

La stabilité est caractérisée par la relation :

Stabilité = E1 – E2

c) Résultat

Stabilité = 0 mm

La déformation est néant à la température de 20°C.

2.1.8 Classe vraie du ciment

L’étude a été réalisée sur mortiers. On a confectionné les éprouvettes de mortier

normal (4*4*16) suivant la norme NF EN 196-1. Elles ont été conservées dans l’eau dès leur

démoulage jusqu’à échéance. Elles ont été ensuite testées selon la norme même norme ci-

dessus.

La résistance moyenne du mortier normal nous donne FCE = 45.9 MPa. Cette valeur

est faible pour un ciment de classe 42.5, dont la classe vraie, généralement admise si on ne l’a

pas déterminée expérimentalement, est de 55 MPa.


65

2.2 Caractéristiques chimiques

2.2.1 Composition chimique

Tableau 21 : Composition chimique du CEM I 42.5N

2.2.2 Indice d’hydraulicité

Il est caractérisé par le rapport des constituants acides et des constituants basiques

contenus dans le ciment.

� =9:�"; !"�#;<."�#

��;=>�

Résultat :

i = 0.43

Cette valeur nous montre que la teneur en constituants basiques est supérieure à celle

des constituants acides puisqu’on a i < 1. Notre ciment a un caractère basique.

2.2.3 Modules et valeurs requises

Les grandeurs qui caractérisent le ciment sont le module de chaux, le module de silice

et le module d’alumine, donc la connaissance de leur valeur est importante.

Tableau 22 : Modules et valeurs requises du CEM I 42.5N

MC MS MA

96.77 2.59 2.17

2.2.4 Composition minéralogique potentielle

Comme on a MC < 100 et MA > 0.638, donc on a un mélange normal ; la formule de

BOGUE correspondant est :

Composition CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO SO3 CaOl Na2O

+ K2O

PF à

975°C ND RI

Pourcentage

massique 63.94 19.82 5.23 2.41 0.14 2.80 1.07 0.60 1.60 2.16 1.30


66

• CaOl = CaO – CaOcomb

• C4AF = 3.04 Fe2O3

• C3A = 2.65 Al2O3 - 1.69 Fe2O3

• C3S = 4.07 CaOcomb - 7.61 SiO2 – 6.72 Al2O3 – 1.43 Fe2O3

• C2S = 2.87 SiO2 – 0.75 C3S

Tableau 23 : Composition minéralogique potentielle du ciment

Constituants CaOl C4AF C3A C3S C2S

Pourcentages massiques 1.07 7.33 9.79 66.46 7.04

3 Les granulats

Dans cette étude, on a utilisé trois sortes de granulats qui sont des produits locaux dont

deux graviers 5/15 et 15/25, respectivement g et G, sont des granites gris et un sable 0/5 (S)

qui est un sable de rivières.



Les modes opératoires sont décrit par les normes NF P 18-554 et NF P 18-555,

respectivement, pour la masse volumique apparente et la masse volumique absolue.

3.1.1.1 Sable

Le mode de mesure de la densité apparente des sables est analogue à celui du

métakaolin.

Tableau 24 : Densité apparente du sable


Masse de l’échantillon m(g) 1352.5 1355.5


ρ = *

+ 1.3525 1.3555


67


ρS = 1 354 kg/m3

3.1.1.2 Gravier 5/15

La détermination de la masse volumique apparente des graviers consiste à remplir un

moule de volume V = 8000 cm3 qu’on arase après, en respectant les normes.

Tableau 25 : Densité apparente du gravier 5/15


Masse de l’échantillon m(g) 11688 11687.5


ρ = *

+ 1.461 1.4609

D’après ce tableau, on a :

ρg = 1461 kg/m3

3.1.1.3 Gravier 15/25

Tabeau 26 : Densité apparente du gravier 15/25


Masse de l’échantillon m(g) 11704 11720


ρ = *

+ 1.463 1.465

L’essai nous donne :

ρG = 1464 kg/m3


68


L’essai consiste à mettre un échantillon de masse m dans un picnomètre, à peu près

2/3 du volume, et on y verse de l’eau distillé.

a) Appareillage

- picnomètres ;


b) Mode opératoire

1- peser deux masses m1 et m2 de l’échantillon ;

2- mettre les échantillons dans deux picnomètres ;

3- verser de l’eau dans chaque picnomètre;

4- après un temps de pose, un certain temps afin que l’eau pénètre dans les vides, on remplit

de l’eau chaque picnomètre suivi d’un ébullage d’air ;

5- peser le poids du picnomètre avec l’échantillon;

6- calculer la moyenne des valeurs du poids spécifique trouvées.

c) Résultats

Tableau 27 : Masse spécifique du sable et des graviers

S g G

γ = *

? [kg/m3] 2650 2740 2750

On remarque, à partir de ces résultats, que les deux graviers sont de même nature

minéralogique.

3.1.3 Equivalent de sable ES (NF EN 933-8)

L’essai permet de mesurer la propreté des sables. Il est en général utilisé pour les

sables destinés à la fabrication des mortiers et des bétons.


69

Il a pour but de mettre en suspension les fines (particules <0.063mm soit 63µm) puis

de laisser se déposer au fond d’un tube transparent.

L’essai consiste à verser un échantillon de sable de volume v (volume du godet) dans

une éprouvette contenant une « solution lavante ». Plus l’équivalent de sable ES se rapproche

de 100 plus il est propre, plus ES se rapproche de 0 plus il est sale.

a) Appareillage

- un godet ;

- deux cylindres gradués

- règle à araser ;

- chronomètres ;

- machine d’agitation;

- piston

b) Mode opératoire

- verser de la « solution lavante » jusqu’au 1er repère de l’éprouvette ;

- remplir du sable le godet, puis araser, le verser dans l’éprouvette et on commence de

chronométrer ;

- attendre 10mn ;

- après, mettre l’éprouvette sur l’agitateur électrique ;

- puis, ajouter de « solution lavante » jusqu’au 2ème repère en agitant la solution de sable, et

attendre 20 mn ;

- mesurer la hauteur du sable plus fine h1 ;

- faire entrer le piston dans l’éprouvette, le serrer et on mesure la hauteur du sable h2.

L’équivalent de sable est donné par la formule :

E.S= @�

@2 *100

h1 : hauteur totale (sable + fine)


70

h2 : hauteur des sédiments (sable)

c) Résultats

On a ES = 93

D’après la norme NF EN 933-8, on a :

- un sable propre si ES = 90 ;

- un sable sale si ES ≤ 61.

Donc notre sable est propre.


3.2.1 Granulométrie

L’essai consiste à :

-fractionner au moyen d’une série de tamis à mailles carrés, les granulats en plusieurs classe

granulaires de tailles décroissantes ;

-peser les refus sur chaque tamis.

Le but de l’essai est de déterminer la granularité des granulats utilisés.

a) Appareillage

-tamis à mailles carrés;

-cuvettes;

-balance de précision.

b) Mode opératoire

Soit M la prise d’essai nécessaire pour l’analyse granulométrique par tamisage. La prise

d’essai est en fonction de la dimension du plus gros grain observé visuellement notée D. M est

défini par la marge suivante :

300*D [mm] < M [g] < 500*D [mm].

- Peser une quantité de masse M de l’échantillon.


71

- Former la série de tamis et introduire la masse M dedans, et tamiser. Chaque tamis va retenir

des grains de diamètre supérieur à celui de ses mailles.

- Noter le refus de chaque tamis.

- Calculer le pourcentage de refus cumulés correspondant à chaque tamis.

c) Résultats

Tableau 28 : Résultats de l’analyse granulométrique du sable

Tamis en mm Module

AFNOR Tamisats (%)

10.00 41 100

8.00 40 99.6

6.30 39 99.1

5.00 38 98.8

4.00 37 98.0

3.15 36 97.2

2.00 34 92.9

1.00 31 76.1

0.500 28 36.0

0.315 26 13.8

0.20 24 3.1

0.125 22 0.6

0.08 20 0.3


72

Tableau 29 : Résultats de l’analyse granulométrique du gravier 5/15

Tamis en mm Module AFNOR Tamisat (%)

16.00 43 100

12.50 42 81.8

10.00 41 59.7

8.00 40 34.9

6.30 39 17.1

5.00 38 8.1

4.00 37 3.4

3.15 36 2.4

Tableau 30 : Résultats de l’analyse granulométrique du gravier 15/25

Tamis en mm Module AFNOR Tamisat (%)

40.00 47 100

31.50 46 88.4

25.00 45 32.0

20.00 44 8.6

16.00 43 0.5

12.50 42 0.2


73

Figure 16 : Courbes granulométriques du sable et des graviers

3.2.2 Module de finesse du sable

Le calcul du module de finesse nous donne, Mf = 3.4.

On note que le sable est grossier, car les sables qui se prêtent le mieux à la fabrication

d’un bon béton doivent avoir un module de finesse compris entre 2.2 et 2.8.

3.2.3 Coefficient d’aplatissement

L’essai de coefficient d’aplatissement permet de caractériser la forme de l’échantillon.

Il consiste à tamiser le refus de la maille carré par une grille à fente correspondant.

Le tableau suivant représente les valeurs du coefficient d’aplatissement du gravier 5/15

et du gravier 15/25.

Tableau 31 : Coefficient d’aplatissement des graviers

g G

AP[%] 22 10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47

S

g

G

Module AFNOR

Pas

sants

cum

ulés

[%]


74

Les résultats obtenus expriment que les graviers 5/15 et 15/25 sont de bonne qualité

puisque d’après la norme NF P 18-541, la valeur du coefficient d’aplatissement doit être

Ap ≤ 30 %, granulats pour bétons hydrauliques.


3.3.1 Essai Los Angeles LA

Afin de connaître la résistance à la fragmentation des graviers qu’on va utiliser, la

détermination de son LA est donc important.

L’essai consiste à tamiser une masse m dans des tamis d’ouverture D et d (suivant

l’essai) et passer les refus de tamis d’ouverture d de masse 5000g dans l’appareil Los Angeles

pendant 500 tr. C’est à dire introduire dans un cylindre horizontal une certaine quantité du

granulat à étudier avec un certain nombre de boules d’acier et de vérifier la quantité de fine

produite après un temps de rotation défini.

a) Appareillages

- tamis d’ouvertures 10 et 14 mm ;

- appareil Los Angeles

b) Mode opératoire

- Prendre le tamisât du tamis 14 et le refus du tamis 10.

- Prendre une masse M = 5000g et la mettre dans l’appareil tournant pendant 500 tours

contenant le nombre des boules correspondant.

- Ensuite, tamiser l’échantillon provenant de l’appareil avec un tamis d’ouverture de 1.6mm.

- Peser le refus obtenu noté m’.

Le coefficient LA est donné par la formule suivante :

LA = 100 * *

7555

m = M – m’, passant au tamis 1.6 mm.


75

c) Résultats

Les valeurs LA des graviers sont regroupés dans le tableau suivant :

Tableau 32 : Coefficient Los Angeles des graviers

g G

LA 30.5 30.5

On note que les graviers utilisés sont de même nature, ils ont un coefficient LA

identique égale à 30.5.

D’après la norme NF P 18-541, la valeur du coefficient LA est limitée à 40, sauf dans

le cas des bétons pour lesquelles la résistance à 28jours doit être supérieure à 36 MPa où l’on

doit avoir LA ≤ 30. Donc les graviers ont une dureté acceptable.

4 Eau de gâchage

La résistance d’un béton dépend de son rapport E/C, donc de son eau de gâchage.

Il est alors important de caractériser l’eau qu’on estime d’utiliser.

Durant notre essai, on a utilisé l’eau de la JIRAMA qui est disponible et potable.

L’eau de la JIRAMA a un pH entre 7.2 et 8.5.

Les caractéristiques de l’eau de la JIRAMA sont données dans le tableau suivant.


76

Tableau 33 : Les constituants de l’eau de la JIRAMA

Constituants Valeurs

Insolubles [%] 0

Matières dissoutes [%] 0.0034 à 0.005

Carbonate et bicarbonates alcalins[%] 0.0028

Sulfate en SO3 [%] 0

Sulfate en S [%] 0

Sucre 0

Phosphate [%] 0

Nitrate [%] 0

Zinc [%] 0

Acidité : pH 7.2 à 8.5

Acide humique Aucune coloration brunâtre

Chlorure [mg.L-3] 3.55 à 8.5

Ions soufre [%] 0

On note que l’eau de la JIRAMA n’est pas agressive.

5 Adjuvant

Comme la propriété recherchée pour notre béton est la haute performance, donc on a

recours à l’utilisation d’un superplastifiant.

Selon ses caractéristiques, le CHRYSO® PLAST Omega 144 est un plastifiant

réducteur d’eau, et qui a un pouvoir de dispersion des éléments fins du béton.

Il permet d’apporter :

- une large plage de dosage ;

- un fort potentiel de réduction d’eau ;

- un maintien d’ouvrabilité ;

- une cohésion du béton.


77

5.1 Spécification

Tableau 34 : Données techniques du CHRYSO® PLAST Omega 144

Nature liquide

Couleur brun

Densité à 20°C 1.112± 0.030

pH 6.0 ± 2.0

Extrait sec (EN 408-8) 31.2 % ± 1.5%

Extrait sec (24h-105°C) 32.2% ± 1.6%

Teneur en Na2O équivalent ≤ 2.50%

Teneur en ion Cl- ≤ 0.1%

Durée de vie 12 mois

5.2 Mode d’emploi

La plage de dosage recommandée est de 0.3 à 1.8 kg d’adjuvant pour 100 kg de

ciment, soit 0.3 à 1.8 %. Ce produit doit être incorporé dans l’eau de gâchage.

5.3 Domaines d’application

Le CHRYSO® PLAST Omega 144 est employé pour :

- tous types de ciments, sauf les ciments blancs ;

- béton de consistance 100 à 210mm au cône ;

- BPE, BHP ;

- préfabrication.


78

Conclusion

A l’issue de ce chapitre, plusieurs constatations peuvent être avancées. L’essai de

caractérisation est une étape importante pour bien mener notre étude.

L’analyse thermique différentielle nous aide à définir l’intervalle de températures pour

la cuisson du kaolin.

L’analyse chimique élémentaire du ciment conduit à connaitre le taux de chaux libre

contenue dans le ciment.

Enfin, on a toutes les données indispensables pour la formulation des bétons.

Chapitre VI. Formulation et essai

79

CHAPITRE VI : FORMULATION ET ESSAIS

L’objectif ultime de cette étude est l’incorporation des métakaolins dans les bétons et

l’étude de leurs influences sur les propriétés des bétons.

Il y a plusieurs caractéristiques pour le béton, mais on limite notre étude à deux

caractéristiques principales : la résistance mécanique et la durabilité. L’évaluation des

résistances mécaniques est faite par des essais de rupture en compression. L’étude de la

durabilité est déterminée par l’accessibilité du béton aux agents agressifs. Cette accessibilité

est elle-même fonction des propriétés physiques du béton durci.

L’étude a été réalisée sur des éprouvettes cylindriques 16*32 cm, dont la résistance

visée à 28j est de 25 MPa pour les bétons ordinaires et 50 MPa pour les BHP, et un

affaissement de 6.5 cm avec un même dosage en adjuvant de 0.8% par rapport au ciment.

Plusieurs formules ont été fabriquées :

- un béton témoin ;

- des bétons avec du métakaolin, calciné à la température de 700°C, dans lesquels on varie la

proportion en métakaolin de 5%, 10%, 15%, 20% et 25% ;

- des bétons avec du métakaolin, calciné à la température de 700°C, pour lesquels on varie le

temps de cuisson de 2h, 2h 30mn et 3h et une proportion du métakaolin de 10% ;

- des bétons avec du métakaolin (teneur fixée 10%), une durée de cuisson de 2h mais cette

fois ci on varie la température de cuisson de 650°C, 700°C et 750°C).

Les bétons sont préparés et malaxés dans une brouette, et coulés dans des moules

cylindriques 16*32 cm. Les moules sont ensuite conditionnés dans une salle à 20°C, sans

échange d’humidité pendant 24 heures. Après démoulage, les éprouvettes sont placées dans

de l’eau à 20°C jusqu’à l’échéance de l’essai de compression.


80

1 FORMULATION DES BETONS HAUTES PERFORMANCES

1.1. Données de base

- Résistance souhaité : 50 MPa

- Consistance désirée : A = 6.5 cm

- Serrage : vibration faible

1.2. Données sur les granulats

Tableau 35 : Caractéristiques des granulats employés

S g G

Forme roulé concassé concassé

Mf 3.4 - -

γ (kg/m3) 2680 2740 2750

- courbe de référence et détermination des proportions de chaque granulat

Pour la courbe de référence OAB, on a :

• O : [19 ; 0]

• B : [Mod(D) ; 100]

• A : [XA ; YA]

XA : Mod(D/2)

YA : 50 - √A + K


81

Figure 17 : Courbes granulométrique des granulats et détermination de leur proportion

en volume absolu

Le diamètre maximal des grains D = 31.5 mm.

La figure qui permet la détermination des proportions de chaque granulat par la

méthode BARON nous donne :

- 34.5% de S ;

- 16.5% de g ;

- 49% de G.

On note que la courbe du béton épouse, plus ou moins bien, l’allure de la courbe de

référence, pourtant on observe un manque d’éléments fins, ce qui s’explique par l’utilisation

d’un sable grossier (Mf = 3.4).

Aussi, la présence du palier (du module AFNOR 35 au module AFNOR 39) montre un

manque de classes granulaires.

1.3. Données sur la pâte liante (matrice)

Dans cette étude, on a varié la teneur en métakaolin de 5%, 10%, 15%, 20%, et 25%

par rapport au ciment.

05

101520253035404550556065707580859095

100

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48

S

g

G

Béton

CR

Module AFNOR

Pas

sant

cum

ulée

s (%

)

G=49%

g=16.5

S=34.5


82

1.4. Données sur l’adjuvant

Pour le dosage, on ajoute au béton 0.8% d’adjuvant par rapport au ciment.

1.5. Composition pour 1m3 de béton

� La résistance visée Rb

On a RbK = 50 MPa

On a:

Rb = RbK + 6

D’où:

Rb = 50 + 6 = 56 Mpa

� Dosage en eau et volume d’air L’affaissement souhaité A= 6.5 cm, donc E= 190L et Va = 20L.

-Comme on a un sable roulé et des graviers de concassage donc

E’= 190 * 1.1= 209L

Va’= 20 * 1.1= 22L

-Et D = 31.5mm ≠ 20mm, le dosage en eau et le volume d’air deviennent :

E’’= 209 * 0.91 = 190.19L

Va’’= 22 * 0.91 = 20.02L

� Coefficient granulaire Kb

Kb = 0.55

� Dosage en liant équivalent et en ciment

On a :

(L/E3 = 2

,D (Rb / Kb.FCE + 0.5) et L = C + kMK

E = 190.19, donc L/E= 3.02

Le coefficient d’activité k est égal à 1 pour le métakaolin


83

L = C + 1*(x/100)*C

D’où

C = E

2;1FGHH

3

Tableau 36 : Composition pour 1m3 du béton témoin et des BHP à 5%, 10%, 15%, 20%

et 25% de métakaolin

Dosage pour 1m3 de béton (kg/m3 de béton) Autres paramètres

p [%] L C E S g G MK Adj L/E G/S ∆0

[kg/m3]

témoin - 574.4 190.19 553.1 273.5 815.4 - - 3.02 1.97 2406.6

5 574.4 547.0 190.19 548.6 271.26 808.5 27.35 4.38 3.02 1.97 2207

10 574.4 522.0 190.19 547.5 270.7 807.1 52.2 4.18 3.02 1.97 2206

15 574.4 499.5 190.19 546.7 270.4 805.8 74.9 4.0 3.02 1.97 2201

20 574.4 478.7 190.19 545.9 269.9 804.7 95.7 3.83 3.02 1.97 2199

25 574.4 459.5 190.19 545.1 269.6 803.6 114.9 3.68 3.02 1.97 2196

On note que ces bétons présentent les mêmes rapports liant/eau efficace et G/S. Ils ont

la même quantité d’eau de gâchage ce qui est dû aux valeurs d’affaissement et diamètre

maximal identiques qui demande la même quantité d’eau.


84

2 ESSAI DE FABRICATION ET CARACTERISATON DU BETON T EMOIN ET DES

BETONS HAUTES PERFORMANCES A 5%, 10%, 15%, 20% ET 25% DE

METAKAOLIN

Le métakaolin utilisé est obtenu par calcination à 700°C pendant 2 heures.

2.1. Caractéristiques des bétons obtenus

2.1.1. A l’état frais

Tableau 37 : Résultats obtenus à l’état frais du béton témoin et des BHP

p [%] témoin 5% 10 % 15 % 20 % 25 %

Affaissement [cm] 6.5 7.0 7.0 7.6 7.0 6.5

Quantité d’eau [L] +38.91 +7.1 +17.2 +19.7 +21.1 +22.3

∆ [kg/m3] 2342 2386 2366 2359 2354 2350

Compacité [%] 79.0 80.8 81.4 83.1 84.2 85.7

Le béton témoin demande un ajout d’eau de 38.91L.

Les bétons hautes performances nécessitent de plus en plus d’eau de gâchage en

augmentant la quantité de métakaolin dans la composition. Ce qui est justifié par la plus

grande finesse du métakaolin.

On remarque aussi que, jusqu’à 25%, l’addition de métakaolin améliore la compacité

du béton. Ce qui justifie l’affirmation que, en plus de son caractère pouzzolanique, le

métakaolin micronisé influence aussi la granularité du béton, en jouant son rôle d’ajout qui

comble une partie des vides entre les grains de graviers et de sable.

Lors de l’étude, on a ajouté une certaine quantité d’eau, donc on doit enlever de la

matière pour corriger la composition (volume absolu pour volume absolu). On doit donc

enlever une quantité équivalente de sable. Ce qui n’affecte que très peu la consistance du

béton qui est fonction en premier lieu de la composition de la pâte (L+E+Adj).

La courbe d’adjuvant incorporé dans les bétons ainsi que celle de la quantité d’eau

ajoutée sont montées dans la figure suivante.


85

Figure 18 : Quantité d’adjuvant et l’eau ajoutée des BHP

Selon cette figure, le béton témoin demande une quantité d’eau importante par rapport

aux autres bétons.

L’incorporation de l’adjuvant dans le béton diminue fortement la quantité d’eau de

gâchage.

Les deux courbes varient en sens inverse, plus on élève la quantité d’adjuvant plus on

diminue la quantité d’eau de gâchage, et inversement, plus on diminue la quantité d’adjuvant

on relève la quantité de l’eau.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 5 10 15 20 25

Adjuvant

Eau ajouté

Métakaolin (%)

Qua

ntité

(L)


86

Tableau 38 : Composition corrigé du béton témoin et des BHP


p [%] L C E S g G MK Adj L/E G/S ∆

[kg/m3]

Témoin

(0) - 574.4 229.10 450.0 273.5 815.4 - - 2.5 2.4 2342

5 574.4 547.0 197.29 529.8 271.26 808.5 27.35 4.38 2.8 2.0 2386

10 574.4 522.0 207.39 501.9 270.7 807.1 52.2 4.18 2.8 2.2 2366

15 574.4 499.5 209.89 494.5 270.4 805.8 74.9 4.0 2.7 2.2 2359

20 574.4 478.7 211.29 489.5 269.9 804.7 95.7 3.83 2.7 2.0 2354

25 574.4 459.5 212.49 486.0 269.6 803.6 114.9 3.68 2.7 2.2 2350

2.1.2 A l’état durci

La caractéristique mécanique principale étudiée est la résistance à la compression Rc.

Son évolution dans le temps est le facteur le plus influent pour l’utilisation finale.

On a aussi déterminé les retraits et la compacité qui sont reliés aux propriétés de la

durabilité du béton.

Les résultats des résistances à la compression, les retraits et les compacités sont

présentés dans le tableau 39.

Remarque :

Les bétons, avec du métakaolin, obtenus sont plus clairs par rapport aux bétons

témoins.


87

Tableau 39 : Caractéristiques du béton témoin et des BHP à l’état durci

p [%] Retrait c [%] Rc7 [MPa] Rc28 [MPa]

Témoin (0) 2.0 10-3 78.0 29.5 43.7

5 0.9 10-3 79.8 37.5 50.5

10 0.8 10-3 80.4 35.0 52.7

15 Néant 82.1 32.5 47.2

20 Néant 83.2 31.5 45.1

25 Néant 84.7 30.8 44.6

Figure 19 : Evolution du retrait du béton témoin et des BHP

D’après cette figure 19, et en comparaison avec le béton témoin, on peut dire que le

métakaolin diminue fortement ou réduit à néant le retrait dans certaines proportions.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 5 10 15 20 25

Métakaolin (%)

Ret

rait

(*10

-3)


88

Figure 20 : Compacités du béton témoin et des BHP à l’état durci

Une première analyse de ces résultats nous montre que la compacité du béton

s’améliore lorsqu’on augmente la teneur en métakaolin dans la composition.

Figure 21 : Résistances en compression du béton témoin et des BHP

78

80

82

84

0 5 10 15 20 25 30

0

10

20

30

40

50

60

0 5 10 15 20 25 30

Rc7

Rc28

Métakaolin (%)

Com

paci

té (

%)

Métakaolin (%)

Rés

ista

nce

(MP

a)


89

Les évolutions de la résistance mécanique à la compression en fonction du temps

montrent que :

- les deux courbes ont plus ou moins la même allure, pourtant ils présentent des valeurs

optimales différentes : la résistance optimale à 7 jours correspond au béton à 5% de

métakaolin et celle à 28 jours correspond au béton à 10% de métakaolin ;

- le béton témoin n’atteint pas la résistance mécanique à la compression visée qui doit être

≥50Mpa ;

- seuls les BHP avec 5% et 10% de métakaolin ont acquis la résistance visée.

2.2 Interprétation

L’incorporation de métakaolin dans les bétons permet de produire un béton de teinte

plus claire, d’améliorer la compacité des bétons, et de réduire de 55%, 60% et à néant les

retraits, respectivement pour les BHP avec 5%, 10%, 15%, 20% et 25% de métakaolin.

La granulométrie du métakaolin (très fine) joue un rôle important dans le comblement

des vides entre les grains de ciment. Ce qui explique ainsi l’augmentation de la compacité des

bétons et la diminution des retraits.

La résistance vrai du ciment, FCE = 45.9 MPa, a une influence sur la résistance des

bétons. C’est pourquoi seuls les deux bétons (BHP à 5% et 10%) de métakaolin ont acquis la

résistance visée (50 MPa). Ce qui traduit un caractère pouzzolanique du métakaolin.

Le métakaolin joue un rôle dans le développement de la résistance à la compression

mais l’addition conduit à une différence de comportement selon le dosage : à faible dosage

(5% et 10% de métakaolin) la résistance visée est atteinte, à un dosage plus élevé (15%, 20%

et 25% de métakaolin) la résistance visée n’est pas atteinte. Ce développement peut être

expliqué par l’effet filler et la réaction pouzzolanique du métakaolin avec la chaux libre.

La fabrication d’un béton à haute performance demande l’incorporation d’un adjuvant,

surtout un réducteur d’eau, ce qui explique la non atteinte de la résistance visée pour le béton

témoin.

On a une valeur optimum de résistance avec 10% de métakaolin.


90

3 ETUDE DE L’ACTIVATION OPTIMALE DU KAOLIN

Afin que nous puissions étudier l’activation thermique et la durée de cuisson favorable

du métakaolin, on a confectionné des bétons ordinaires à base de métakaolin obtenu par

traitement thermique à des températures et durées de cuisson différentes : 650°C, 700°C et

750°C et 2h, 2h 30mn et 3h.

Ces bétons ont la même formule et le taux de substitution du ciment par le métakaolin

est de 10%.

3.1. Données de base

- Résistance souhaité : 25 MPa

- Consistance désirée A : 6.5 cm

- Serrage : vibration faible

3.2. Données sur les granulats

On a utilisé les mêmes granulats qu’on a fabriqué les BHP précédents.

3.3. Données sur les liants

Dans cette étude, on a fixé la teneur en métakaolin de 10% par rapport au ciment.

3.4. Composition pour 1m3 de béton

� La résistance visée Rb

On a RbK = 25 MPa, d’où

Rb = 25 + 5 = 30 Mpa

� Dosage en eau et volume d’air L’affaissement souhaité A= 6.5 cm, donc E= 190L et Va = 20L.

Comme on a des sables roulés et granulats de concassage donc

E’= 190 * 1.1= 209L

Va’= 20 * 1.1= 22L

Et D = 31.5mm ≠ 20mm, le dosage en eau et le volume d’air deviennent


91

E’’= 209 * 0.91 = 190.19L

Va’’= 22 * 0.91 = 20.02L

� Coefficient granulaire Kb

Kb = 0.55

� Dosage en liant équivalent et en ciment

On a :

(L/E3 = 2

,D (Rb / Kb.FCE + 0.5) et L = C + kMK

L = C + 1*(x/100)*C

E = 190.19, donc L/E= 3.02

Le coefficient d’activité k est égal à 1 pour le métakaolin

L = C + 1*(x/100)*C

Et dans notre cas le taux du métakaolin est de 10%, d’où

C = E

2;1GHGHH

3

Tableau 40 : Composition pour 1m3 du béton ordinaire avec 10% de métakaolin


p [%] L C E S g G MK L/E G/S ∆0

[kg/m3]

10 315 286.4 190.19 628 310.7 926 28.6 1.66 1.97 2370

On note que cette composition présente la même quantité d’eau de gâchage que celle

des BHP parce qu’ils présentent une valeur d’affaissement et diamètre maximal identiques qui

demande la même quantité d’eau de gâchage.


92

4. ESSAIS DE FABRICATION DES BETONS ORDINAIRES

4.1. Caractéristiques des bétons obtenus

4.1.1. A l’état frais

Tableau 41 : Résultats obtenus à l’état frais des bétons ordinaires en fonction de la

durée de cuisson (T=700°C)

700°C2h 700°C2h30 700°C3h

Affaissement [cm] 6.5 6.5 6.5

Quantité d’eau [L] +14.3 +14.3 +7.1

∆ [kg/m3] 2346 2346 2358

Compacité [%] 80.8 80.8 80.9.

Tableau 42 : Résultats obtenus à l’état frais des bétons ordinaires en fonction de lz

température de cuisson (durée : 2heures)

650°C2h 700°C2h 750°C2h

Affaissement [cm] 6.5 6.5 6.5

Quantité d’eau [L] +14.3 +14.3 +14.3

∆ [kg/m3] 2346 2346 2346

Compacité [%] 80.8 80.8 80.8


93

Figure 22 : Quantité d’eau ajoutée en fonction de la durée de cuisson du métakaolin

Les bétons à base de métakaolin calcinés pour une durée de 2 heures demandent un

ajout d’eau beaucoup plus importante que ceux à base de métakaolin calcinés pendant 2

heures et 30 minutes et de 3 heures.

La quantité d’eau de gâchage ajoutée au béton diminue avec la durée de cuisson du

métakaolin.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

2h 2h30 3h

Qua

ntité

d’e

au a

jout

ée (

L)

Durée de cuisson du métakaolin (700°C)


94

Tableau 43 : Composition corrigé du béton ordinaire avec 10% de métakaolin


L C E S g G MK L/E G/S ∆0

[kg/m3]

650°C2h 315 286.4 204.25 590.1 310.7 926 28.6 1.54 2.1 2346

700°C2h 315 286.4 204.25 590.1 310.7 926 28.6 1.54 2.1 2346

750°C2h 315 286.4 204.25 590.1 310.7 926 28.6 1.54 2.1 2346

700°C2h30 315 286.4 200.79 600 310.7 926 28.6 1.57 2.1 2352

700°C3h 315 286.4 197.29 609.2 310.7 926 28.6 1.60 2.0 2358

4.1.2 A l’état durci

L’évolution de la résistance à la compression en fonction du temps, les retraits et la

compacité des bétons ordinaires sont donnés dans le tableau 44.

Tableau 44 : Caractéristiques des bétons ordinaires à l’état durci

Retrait c [%] Rc7 [MPa] Rc28 [MPa]

650°C2h 1.1 10-3 79.5 15.5 22.5

700°C2h 1.1 10-3 79.5 17.5 27.0

750°C2h 1.1 10-3 79.5 18.0 31.0

700°C2h30 1.1 10-3 80.1 14.5 24.0

700°C3h 1.0 10-3 80.1 14.5 21.5

D’après le tableau 44, on voit que tous les bétons ont sensiblement le même retrait, et

les trois bétons à base de métakaolin calcinés d’une durée de cuisson identique (2h) ont la

même compacité.


95

Figure 23 : Compacité des bétons à en fonction de la durée de cuisson du

métakaolin (T=700°C)

La figure 23 montre qu’il y a une évolution de compacité pour les bétons à en fonction

de la durée de cuisson du métakaolin.

Figure 24 : Résistances à la compression en fonction de la température

79,4

79,5

79,6

79,7

79,8

79,9

80

80,1

80,2

1 2 3700°C 2h30mn 700°C 3h

0

5

10

15

20

25

30

35

650°C 700°C 750°C

Rc7

Rc28

Température

Rés

istan

ce (

MP

a)

700°C 2h

Com

paci

té (

%)

Température avec son durée de cuisson


96

A partir de cette figure, on peut dire que :

- La résistance visée n’est pas atteinte pour une température de cuisson de 650°C.

- La résistance du béton est maximale pour la température de 750°C.

Figure 25 : Résistance à la compression en fonction de la durée de cuisson

La résistance visée n’est pas acquise pour une durée de cuisson de deux heures et

trente minutes et de trois heures.

Le béton à base de métakaolin calciné pendant une durée de deux heures présente la

résistance maximale.

4.2 Interprétation

La durée de cuisson du métakaolin a une influence sur la quantité d’eau de gâchage du

béton.

La température de cuisson ainsi que la durée de cuisson du métakaolin n’influent pas

sur le retrait du béton d’une même proportion en fine.

La compacité peut s’améliorer avec la durée de cuisson du métakaolin.

0

5

10

15

20

25

30

2h 2h30mn 3h

Rc7

Rc28

Durée de cuisson

Rés

ista

nce

(MP

a)


97

La température de calcination qui donne une résistance à la compression la plus

élevée, par rapport aux autres températures de 650°C et 700°C, est de 750°C. Le traitement

thermique du kaolin à 750°C permet une meilleure amorphisation de la structure, ce qui

renforce le caractère le caractère pouzzolanique du métakaolin.

L’augmentation de la durée de cuisson du métakaolin conduit à une diminution de

résistance à la compression. On n’a pas intérêt à faire durer trop longtemps le traitement

thermique, car cela conduit à une recristallisation partielle du métakaolin. Ce qui se traduit par

une diminution de sa pouzzolanicité.

La durée de cuisson favorable pour avoir une meilleure résistance à la compression à

28 jours est de deux heures.

Conclusion

A partir des résultats présentés ci-dessus, la substitution du ciment par du métakaolin

permet :

- de donner une teinte plus claire au béton durci ;

- de réduire la teneur en ciment, qui diminue donc la teneur en C3A, et améliore sensiblement

la résistance aux agressions d’ions sulfates ;

- de réduire les retraits et limite ainsi la fissuration, qui en découle, et la corrosion des

armatures ;

- d’augmenter la compacité du béton ;

- d’améliorer la résistance mécanique à la compression.

Le traitement thermique du métakaolin révèle que la température et la durée de

cuisson favorables pour avoir une meilleure résistance à la compression sont respectivement

de 750°C et de deux heures.

L’augmentation de la durée de cuisson du métakaolin (2h 30mn et 3h) conduit à une

baisse significative de la résistance à la compression.


98

Du point de vue mécanique le métakaolin apporte de nombreux avantages, il reste

donc à étudier son avantage économique et son impact environnemental.

Chapitre VII. Etudes des impacts environnementaux et économiques

99

CHAPITRE VII : IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX

Introduction

Avant toute chose, dans la démarche de construction et recherche, la protection de

l’environnement et la tendance vers un développement durable sont des préoccupations

majeures, au niveau mondial. Pour accéder à ce développement durable, on doit utiliser des

produits dont leurs empreintes sur l’environnement sont réduites, et à faible émission de gaz à

effet de serre.

Les intérêts techniques de notre étude sont négligeables s’ils ne respectent pas les

exigences et les normes concernant l’environnement. C’est pour cela que des études d’impacts

environnementaux, suivi d’une étude économique, est indispensable.

1 Les émissions de CO2

D’après les données de l’édition 2006 du « Petit Livre Vert de l’environnement »

publié par la Banque mondiale, on trouve une augmentation de 15% des émissions mondiales

de dioxyde de carbone entre les années 1992 et 2002. L’industrie cimentière est responsable

d’environ 5% de ces émissions, l’impact de la production du ciment sur l’environnement

devient de plus en plus critique.

Pour l’industrie cimentière, le ciment Portland comporte un double inconvénient.

Les émissions énergétiques sont surtout obtenues par la combustion de combustibles

fossiles (principalement les charbons et cokes), destinée à fournir l’énergie necessaire pour

maintenir la très haute température des fours à clinker, qui représentent 0.28 t CO2/ t ciment ;

Les émissions de procédé liées à la réaction de décarbonatation de la matière première

(CaCO3) pour se transformer en clinker.

La réaction de décarbonatation est la suivante :

CaCO3 CaO + CO2

Ces émissions de procédé correspondent à 0.52 t CO2/ t ciment.

Ainsi les émissions est en moyenne de 0.8 t CO2/ t ciment pour le ciment Portland,

mais elles peuvent varier de 0.6 à 0.9 t CO2/ t ciment selon le type de ciment.


100

Pour le métakaolin, son bilan d’émission est de 0.096 t CO2/ t métakaolin, soit presque

dix fois inférieur à celui du ciment. C’est un produit qui possède un caractère pouzzolanique,

et on l’utilise comme ajout cimentaire dans l’industrie du ciment et la fabrication des bétons.

Ainsi, pour diminuer ces impacts négatifs sur l’environnement, la manière efficace est

d’optimiser le ciment par l’utilisation du métakaolin comme une substitution partielle du

ciment.

2 Les ressources naturelles

Les matières premières utilisées dans la fabrication du béton sont majoritairement

issus des ressources naturelles, qui sont par définition des ressources non renouvelables. Il est

donc indispensable de trouver des solutions durables

Des recherches au niveau de procédé de construction et/ou de nouveaux produits

peuvent constituer des solutions à ces problèmes. Ces recherches auront l’avantage de réaliser

le même type de construction mais avec une réduction de coût, économie d’énergie et

diminution du coût environnemental.

Ainsi, on propose les BHP avec du métakaolin qui offrent une durabilité considérable

et une diminution de gaz à effet de serre. Avec leurs faibles porosités, compacités améliorés et

des résistances à la compression élevées, on pourra ainsi accroître la durée de vie d’une

construction. Ce qui permet la possibilité d’économiser des matières premières (ciment, eau)

entrainant la préservation des ressources naturelles.

3 Intérêt environnemental

En se basant sur le bilan carbone du métakaolin (0.096 t CO2/ t métakaolin) qui est

presque dix fois inférieur à celui du ciment, on peut dire que la substitution partielle du ciment

par du métakaolin permet de diminuer significativement l’émission de CO2 qui est un gaz à

effet de serre. Ce gain d’émission entraine à son tour un ralentissement du réchauffement

climatique de la planète.

La couleur, plus claire, du béton augmente la réflexion des surfaces. Ainsi, les

bâtiments et les ouvrages réfléchissant la lumière utilise beaucoup moins d’énergie pour

refroidir l’air en été.


101

4 Intérêt en terme de durabilité

Du point de vue durabilité, les formulations des BHP avec du métakaolin et du

superplastifiant présentent de nombreuses avantages :

- L’incorporation du métakaolin permet le remplissage des pores du béton et réduit ainsi le

retrait et la fissuration. Ceci limite la diffusion des ions chlorures et les attaques des

armatures. La protection des armatures contre la corrosion est donc renforcée.

- Le métakaolin améliore la performance du béton. D’un côté par le comblement des vides, et

de l’autre côté par sa réaction pouzzolanique. Le métakaolin réagit avec la chaux libre et

devient un liant au même titre que le ciment. Il donne un béton plus durable, ce qui favorise le

développement durable puisque les immeubles et les infrastructures construits sont plus

solides et ont une durée de vie prolongée.

- La réduction de la teneur en ciment entraine une diminution de la teneur en aluminate de

calcium (C3A), qui a un caractère légèrement expansif, ce qui améliore sensiblement la

résistance aux agressions d’ions sulfate. Ceci augmente la durabilité du béton. On sait que les

sulfates se retrouvent habituellement dans le sol et les eaux souterraines, et ces sulfates

attaquent la pâte de ciment et peuvent causer une expansion indésirable des bétons qui

engendre des dommages sérieux, surtout au niveau des fondations. Dans cette optique, les

BHP sont adaptés pour les environnements marins.

5 Intérêt économique

La fabrication des BHP avec du métakaolin offre des avantages économiques non

négligeable.

Au niveau énergie, la température de cuisson pour la fabrication du ciment est environ

1400 à 1500°C, alors que pour le métakaolin elle est plus faible environ 750°C, pour avoir

une résistance à la compression maximale. Donc, on a un gain de combustibles ce qui entraine

un gain d’énergie. On diminue alors le coût de production.

De plus la diminution de la quantité de ciment requise diminue aussi le coût du béton,

car le métakaolin est moins cher que le ciment.

Aussi, l’incorporation de l’adjuvant diminue la quantité d’eau de gâchage, ce qui

diminue le coût des matières premières necessaires.


102

La réduction du taux de CO2 diminue les taxes sur les gaz à effet de serre.

6 Inconvénients

Toutefois, la fabrication des bétons avec du métakaolin présente des inconvénients.

Ces inconvénients sont notamment reliés à la cuisson du kaolin, lors de son traitement

thermique.

L’activation du kaolin demande une calcination à haute température, environ 700 à

750°C, ce qui nécessite de l’énergie. Si on prévoit d’utiliser un four électrique, ça augmente la

facture d’électricité, et si on utilise un four à combustible, on doit disposer de combustibles

fournissant de l’énergie calorifique correspondant.

Pour le four électrique, les émissions des gaz sont faibles. Ceci est dû aux impuretés

du kaolin.

Pour le four à combustible, les émissions des gaz sont dues à deux facteurs : celles des

impuretés et des combustibles. Ce dernier dégage le plus souvent des dioxydes de carbone

(CO2) et des monoxydes de carbone (CO).

Le choix du procédé de calcination dépend donc du manipulateur et des matériels qu’il

dispose.

De l’autre côté, la substitution partielle du ciment par du métakaolin demande

l’utilisation d’un superplastifiant, ce qui n’est pas pratique pour la plupart des maçons, sauf

ceux qui travaillent dans une grande société de grand travaux.

Conclusion

Le métakaolin est une pouzzolane artificielle qui demande une énergie d’activation et

dégage des émissions dans l’air. Pourtant, par rapport au ciment, la substitution partielle du

ciment par le métakaolin contribue à relever un défi environnemental. Il permet d’obtenir un

béton plus durable à faible empreinte sur l’environnement.

CONCLUSION

GENERALE

Conclusion générale

104

L’objectif de cette étude était d’élaborer et de caractériser des bétons à hautes

performances avec une substitution partielle du ciment par du métakaolin. Des

caractérisations des matières premières ont été faites pour la formulation des bétons, et des

caractérisations des bétons à l’état frais et durci sont réalisées pour bien mener nos études.

D’après cette étude, on voit que l’incorporation du métakaolin dans le béton présente

plusieurs atouts. Elle permet de diminuer la quantité de ciment adéquat et de compléter la

réaction pouzzolanique dans le matériau. Elle entraine une diminution des retraits, et une

amélioration de la compacité, la résistance à la compression au jeune et moyen âge et la

durabilité du béton. Elle permet aussi de réduire les émissions de CO2 dans l’environnement

ainsi que le coût de production.

La caractérisation minéralogique du kaolin étudié a permis de déterminer les phases

essentielles présentent, se sont la kaolinite et le quartz. Le traitement thermique nous informe

sur la température de cuisson, se situant entre 600°C et 900°C, pour l’activation du kaolin.

Le métakaolin réduit considérablement ou même à néant les retraits et améliore la

compacité du béton, de l’ordre de 1.8 à 5.7%. De plus, la couleur blanche du métakaolin

constitue un avantage au niveau esthétique.

L’amélioration de la résistance du béton par le métakaolin commence à partir de 7

jours d’âge, les bétons présentent une valeur de résistance à la compression supérieure à celle

du témoin : 37.5, 35, 32.5, 31.5 et 30.8 contre 29.5.

Le métakaolin contribue de manière importante à l’obtention de fortes résistances à la

compression. A 28 jours, l’incorporation de 10% de métakaolin donne une résistance

maximale 52.7MPa, contre 45.7MPa pour le béton témoin. Ces résultats montrent la réactivité

du métakaolin.

Les métakaolins calcinés à 650°C, contenant 10% dans le béton, n’accède pas à la

résistance visées. Les échantillons calcinés à 700°C et 750°C ont atteint la résistance visée, où

l’on observe la valeur maximale à la température de 750°C.

La durée de cuisson de 2 heures joue un rôle positif sur l’activation du kaolin, elle

donne une durée de cuisson favorable dans l’obtention de la résistance visée du béton.

L’augmentation de la durée de cuisson n’améliore pas la résistance du béton. Ceci est dû à

une recristallisation partielle du métakaolin.

Conclusion générale

105

On constate ainsi qu’il est possible d’optimiser les formulations des bétons sur le plan

mécanique en introduisant des métakaolins.

Du point de vue environnemental, le métakaolin, dont son obtention n’engendre

qu’une faible quantité de gaz à effet de serre, constitue un bon matériau à l’approche du

développement durable pour les constructions.

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muscovite


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Comment fonctionne le métakaolin

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Normalisation du métakaolin : pourquoi, comment

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[17] : Gilles ESCADEILLAS

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Contribution à l’étude rhéologique d’un béton à hautes performances local

Mémoire de Magistère, Géo matériaux

WEBOGRAPHIE

[W01] : http// :www.wikipedia/ kaolin

[W02] : http// :www.wikipedia/ métakaolin

[W03] : http// :www.google/ les ciments-liants hydrauliques

[W04] : http// : www.google/ les granulats

[W05] : http// : www.google/ bétons préfabriqués

[W06] : http// : www.wikipedia/ bétons hautes performances

a

ANNEXE A

TABLEAU DE BLAINE

Le tableau ci-dessous présente la relation entre la température d’essai et la viscosité de l’air

appelé tableau de BLAINE.

TEMPERATURE (°C) √I

16 0.01337

17 0.01339

18 0.01341

19 0.013425

20 0.01344

21 0.01346

22 0.01348

23 0.01350

24 0.01352

25 0.013535

26 0.01355

27 0.01357

28 0.01359

29 0.013605

30 0.01362

31 0.01364

32 0.01366

33 0.013675

34 0.01369

b

ANNEXE B

FICHE TECHNIQUE DU KAOLIN

SILICATE D’ALUMINE

(KAOLIN)

Formule chimique

Al 2O3, 2SiO2, 2H2O

Caractéristiques physiques

Aspect : poudre fine

Couleur : blanc crème

Densité : 2.5

Refus au tamis 350 : 3% (30/50 micron)

Granulométrie : 40 microns, 20 microns, fine

Composition chimique

Perte au feu : 14.6%

Humidité : 1%

SiO2 : 39.8%

Fe2O : trace

TiO2 : 1.2%

Al 2O3 : 41.3%

MgO: 1.4%

PH: 7.8 – 8.3

Alcalinité: équivaut à 1.2g de NaOH par kg de kaolin maximal

Principale utilisations : peinture, savonnerie, céramique, pesticide…

Conditionnement : sac de 50Kg (marquage sac : K40, K20, KF)

c

ANNEXE C

DETERMINATION DES PERTES EN MASSE DU KAOLIN AU COUR DE SON

TRAITEMENT THERMIQUE

Masse de kaolin (g) 550 545 542

Masse de métakaolin

(g) 513 509 511

Perte en masse (g) 37 36 31

Perte en masse (%) 6.7 6.6 5.7

La moyenne du pourcentage en perte de masse :

P = (6.7 + 6.6 + 5.7)/3

P = 6.3

La perte de masse est de 6.3%

TABLE DES MATIERES

REMERCIEMENTS

SOMMAIRE ............................................................................................................................. I

LISTE DES ABREVIATIONS ................................................................................................. II

LISTE DES TABLEAUX ........................................................................................................ VI

LISTE DES FIGURES ............................................................................................................. VI

LISTE DES ANNEXES .......................................................................................................... VII

INTRODUCTION GENERALE ............................................................................................... 1

PREMIERE PARTIE : ETUDES BIBLIOGRAPHIQUES ...................................................... 3

CHAPITRE I : NOTION SUR LES KAOLIN ......................................................................... 4

1 Le kaolin ................................................................................................................................. 4

1.1 Définition ............................................................................................................................ 4

1.2 Origine des kaolins .............................................................................................................. 4

1.2.1 Les kaolins primaires ....................................................................................................... 4

1.2.2 Les kaolins secondaires .................................................................................................... 5

1.3 Structure de la kaolinite ....................................................................................................... 5

1.4 Composition chimique du kaolin ........................................................................................ 6

1.5 Propriétés du kaolin ............................................................................................................. 7

1.6 Transformation thermique du kaolin ................................................................................... 7

1.6.1 Analyse thermique différentielle ...................................................................................... 7

1.6.2 Analyse thermogravimétrique .......................................................................................... 9

1.7 Les principales utilisations du kaolin .................................................................................. 9

1.7.1 Matériaux de construction ............................................................................................... 10

1.7.2 Industrie du papier ........................................................................................................... 10

1.7.3 Céramiques ...................................................................................................................... 10

1.7.4 Peintures .......................................................................................................................... 10

1.7.5 Réfractaires ...................................................................................................................... 10

1.7.6 Caoutchouc ...................................................................................................................... 10

1.7.7 Plastiques ......................................................................................................................... 10

1.7.8 Produits pharmaceutiques et cosmétiques ....................................................................... 11

1.8 Les gisements des argiles kaoliniques à Madagascar ......................................................... 11

2 Le métakaolin ........................................................................................................................ 15

2.1 Définition ........................................................................................................................... 15

2.2 Caractéristiques du métakaolin .......................................................................................... 15

2.3 La prise pouzzolanique du métakaolin ............................................................................... 16

2.4 Normes d’utilisation du métakaolin ................................................................................... 18

2.5 Différentes applications du métakaolin .............................................................................. 18

2.5.1 Utilisation en agriculture ................................................................................................. 18

2.5.2 Les architectes et les ingénieurs civils ............................................................................ 18

2.5.3 Industrie du ciment .......................................................................................................... 18

2.5.4 Industrie du béton et mortier ........................................................................................... 19

2.6 Principaux effets du métakaolin dans le béton ................................................................... 19

Conclusion ................................................................................................................................ 20

CHAPITRE II : GENERALITE SUR LE CIMENT ................................................................ 21

1 Définition et généralités ........................................................................................................ 21

2 Les différents types de ciment ............................................................................................... 24

2.1 Les ciments de la norme NF EN 197-1 .............................................................................. 24

2.2 Les autres ciments .............................................................................................................. 25

2.2.1 Ciment prompt naturel (NF P 15-314) ............................................................................ 25

2.2.2 Ciments alumineux fondu (NF P 15-315) ....................................................................... 26

2.2.3 Ciment à maçonner (NF P 15-307) ................................................................................. 26

2.2.4 Ciment blanc ................................................................................................................... 26

3 Caractéristiques du ciment .................................................................................................... 26

3.1 Caractéristiques physiques ................................................................................................. 26

3.1.1 Couleur ............................................................................................................................ 26

3.1.2 Densité apparente ............................................................................................................ 26

3.1.3 Poids spécifique ............................................................................................................... 27

3.1.4 La finesse de mouture (NF EN 196-1) ............................................................................ 27

3.1.5 Prise et durcissement ....................................................................................................... 27

3.1.6 Expansion (NF EN 196-3) ............................................................................................... 27

3.1.7 Retrait (NF P 15-433) ...................................................................................................... 27

3.1.8 Eau de consistance normale (NF EN 196-1) ................................................................... 27

3.2 Caractéristiques chimiques et minéralogiques ................................................................... 28

3.2.1 Composition chimique élémentaire ................................................................................. 28

3.2.2 Indice d’hydraulicité (i) ................................................................................................... 28

3.2.3 Chaux de saturation (CaOsat) ........................................................................................... 28

3.2.4 Module et valeurs requises .............................................................................................. 28

3.2.4.1 Module de chaux .......................................................................................................... 28

3.2.4.2 Module de silice MS .................................................................................................... 29

3.2.4.3 Module d’alumine ........................................................................................................ 29

3.3 Caractéristiques mécaniques .............................................................................................. 29

4 Hydratation du ciment ........................................................................................................... 30

5 Contribution des cimenteries dans l’émission des gaz à effet de serre (GES) ...................... 33

Conclusion ................................................................................................................................ 33

CHAPITRE III : LES GRANULATS ...................................................................................... 34

1 Définition .............................................................................................................................. 34

2 Les différents types de granulats ........................................................................................... 34

2.1 Les granulats naturels ......................................................................................................... 34

2.1.1 Les granulats de roche meuble ........................................................................................ 35

2.1.2 Les granulats de roche massive ....................................................................................... 35

2.2 Les granulats artificiels ...................................................................................................... 35

2.2.1 Sous-produits industriels, concassés ou non ................................................................... 36

2.2.2 Les granulats à hautes caractéristiques ............................................................................ 36

2.2.3 Les granulats légers ......................................................................................................... 36

2.3 Les granulats recyclés ........................................................................................................ 36

3 Les caractéristiques des granulats ......................................................................................... 37

3.1 Caractéristiques géométriques ............................................................................................ 37

3.1.1 Granulométrie .................................................................................................................. 37

3.1.2 Classes granulaires .......................................................................................................... 37

3.1.3 Module de finesse ............................................................................................................ 38

3.1.4 Coefficient d’aplatissement ............................................................................................. 39


3.2.1 Masses volumiques ......................................................................................................... 39

3.2.1.1 Masse volumique apparente ......................................................................................... 39

3.2.1.2 Masse spécifique .......................................................................................................... 39

3.2.2 Absorption ....................................................................................................................... 39

3.2.3 Propreté ........................................................................................................................... 40


Conclusion ................................................................................................................................ 40

CHAPITRE VI : NOTION SUR LE BETON .......................................................................... 41

1 Définition du béton ................................................................................................................ 41

2 Classe de résistance du béton ................................................................................................ 41

3 Propriétés du béton frais ........................................................................................................ 41

3.1 Affaissement au cône d’Abrams ........................................................................................ 41

3.2 Résistance du béton frais .................................................................................................... 42

4 Propriétés du béton durci ....................................................................................................... 42

4.1 Porosité ............................................................................................................................... 42

4.2 Résistance à la compression ............................................................................................... 42

5 Les bétons hautes performances ............................................................................................ 42

5.1 Définitions et généralités .................................................................................................... 42

5.2 Composition ....................................................................................................................... 43

5.3 Propriétés physico-chimiques et mécaniques ..................................................................... 44

5.3.1 Résistance mécanique...................................................................................................... 44

5.3.2 Rigidité ............................................................................................................................ 44

5.3.3 Retrait .............................................................................................................................. 44

5.3.4 Fluage .............................................................................................................................. 44

5.3.5 Durabilité ......................................................................................................................... 44

5.3.6 Tenue au feu .................................................................................................................... 45

5.4 Applications ....................................................................................................................... 45

Conclusion ................................................................................................................................ 45

DEUXIEME PARTIE : ETUDES EXPERIMENTALES ....................................................... 47

CHAPITRE V : CARACTERISATION DES MATIERES PREMIERES ............................. 48

Introduction .............................................................................................................................. 48

1 Le kaolin et le métakaolin ..................................................................................................... 48


1.1.1 Couleur ............................................................................................................................ 48

1.1.2 Teneur en eau .................................................................................................................. 48

1.1.3 Masse volumique apparente ............................................................................................ 49

1.1.4 Masse spécifique ............................................................................................................. 50

1.1.5 Surface spécifique ........................................................................................................... 51

1.1.5.1 Surface spécifique de Blaine ........................................................................................ 51

1.1.5.2 Surface spécifique BET ................................................................................................ 53


1.3 Caractéristiques chimiques ................................................................................................. 56

1.4 Analyse minéralogique ....................................................................................................... 57

1.4.1 Analyse thermique différentielle ..................................................................................... 57

1.4.2 Diffraction des rayons X ................................................................................................. 58

1.5 Activation thermique .......................................................................................................... 60

2 Le ciment ............................................................................................................................... 61


2.1.1 Couleur ............................................................................................................................ 61



2.1.4 Surface spécifique Blaine ................................................................................................ 61

2.1.5 Eau de gâchage de consistance normale ......................................................................... 61

2.1.6 Temps de prise ................................................................................................................ 62

2.1.7 Stabilité ............................................................................................................................ 63

2.1.8 Classe vraie du ciment ..................................................................................................... 64

2.2 Caractéristiques chimiques ................................................................................................. 65

2.2.1 Composition chimique .................................................................................................... 65

2.2.2 Indice d’hydraulicité........................................................................................................ 65

2.2.3 Modules et valeurs requises ............................................................................................ 65

2.2.4 Composition minéralogique potentielle .......................................................................... 65

3 Les granulats ......................................................................................................................... 66



3.1.1.1 Sable ............................................................................................................................. 66

3.1.1.2 Gravier 5/15 .................................................................................................................. 67

3.1.1.3 Gravier 15/25 ................................................................................................................ 67


3.1.3 Equivalent de sable ES (NF EN 933-8) .......................................................................... 68


3.2.1 Granulométrie .................................................................................................................. 70

3.2.2 Module de finesse du sable ............................................................................................. 73

3.2.3 Coefficient d’aplatissement ............................................................................................. 73


3.3.1 Essai Los Angeles LA ..................................................................................................... 74

4 Eau de gâchage ...................................................................................................................... 75

5 Adjuvant ................................................................................................................................ 76

5.1 Spécification ....................................................................................................................... 77

5.2 Mode d’emploi ................................................................................................................... 77

5.3 Domaines d’application ...................................................................................................... 77

Conclusion ................................................................................................................................ 78

CHAPITRE VI : FORMULATION ET ESSAIS ..................................................................... 79

1 Formulation des bétons hautes performances ....................................................................... 80

1.1 Données de base ................................................................................................................. 80

1.2 Données sur les granulats ................................................................................................... 80

1.3 Données sur la pâte liante (matrice) ................................................................................... 81

1.4 Données sur l’adjuvant ....................................................................................................... 82

1.5 Composition pour 1m3 de béton ......................................................................................... 82

2 Essai de fabrication et caractérisation du béton témoin et des bétons hautes hautes performances à 5%, 10%, 15%, 20% et 25% de métakaolin ................................................... 84

2.1 Caractéristiques des bétons obtenus ................................................................................... 84

2.1.1 A l’état frais ..................................................................................................................... 84

2.1.2 A l’état durci .................................................................................................................... 86

2.2 Interprétation ...................................................................................................................... 89

3 Etude de l’activation optimale du kaolin ............................................................................... 90

3.1 Données de base ................................................................................................................. 90

3.2 Données sur les granulats ................................................................................................... 90

3.3 Données sur les liants ......................................................................................................... 90

3.4 Composition pour 1m3 de béton ......................................................................................... 90

4 Essais de fabrication des bétons ordinaires ........................................................................... 92

4.1 Caractéristiques des bétons obtenus ................................................................................... 92

4.1.1 A l’état frais ..................................................................................................................... 92

4.1.2 A l’état durci .................................................................................................................... 94

4.2 Interprétation ...................................................................................................................... 96

Conclusion ................................................................................................................................ 97

CHAPITRE VII : IMPACTS ENVIRONNEMENTAUX ....................................................... 99

Introduction .............................................................................................................................. 99

1 Les émissions de CO2 ............................................................................................................ 99

2 Les ressources naturelles ..................................................................................................... 100

3 Intérêt environnemental ....................................................................................................... 100

4 Intérêt en terme de durabilité .............................................................................................. 101

5 Intérêt économique

6 Inconvénients ...................................................................................................................... 102

Conclusion .............................................................................................................................. 102

CONCLUSION GENERALE ................................................................................................ 103

BIBLIOGRAPHIE

WEBOGRAPHIE

ANNEXE A ............................................................................................................................... a

ANNEXE B ............................................................................................................................... b

ANNEXE C ............................................................................................................................... c

TABLE DES MATIERES

Auteur : FIFINY Anna Carole

Titre : « CONTRIBUTION A L’EDUDE DES BETONS HAUTES PERFORMANCES - UTILISATION DU

METAKAOLIN COMME FINES D’AJOUT

Nombre de page : 105

Nombre de tableaux : 44

Nombre de figures : 25

Nombre d’annexes : 3

RESUME : La substitution partielle du ciment par des ajouts pour la fabrication des bétons offre des avantages

techniques, économiques et écologiques indéniables. La recherche de produits de substitution devient donc

importante. L’ajout utilisé au cours de cette étude est le métakaolin, une pouzzolane artificielle résultant de la

calcination du kaolin. Le but de cette étude est de formuler et d’analyser la performance des bétons à base de

métakaolin.

On a effectué plusieurs traitements thermiques lors de la préparation du métakaolin, à des

températures de 650, 700 et 750°C pendant une durée de 2 heures, 700°C pendant 2 heures et 30 minutes et

700°C pendant 3 heures.

La substitution de 5, 10, 15, 20 et 25% de ciment par du métakaolin améliore le retrait, la compacité et

la résistance mécanique à la compression à 7 et 28 jours des BHP. L’augmentation de la durée de cuisson à 2

heures et 30 minutes et à 3 heures décroit la valeur de la résistance mécanique, pourtant l’élévation de la

température de cuisson à 750°C l’améliore. Les résultats obtenus à l’optimum avec 10% de métakaolin sont

prometteurs : 52.7MPa pour les BHP avec du métakaolin calciné à la température de 700°C pendant 2 heures,

31MPa pour le BO avec du métakaolin calciné à 750°C pendant 2 heures et 27MPa pour le BO avec du

métakaolin calciné à 700°C pendant 2 heures. Les études d’impacts environnementaux et l’évaluation

économique de ce travail montre une diminution de l’empreinte environnementale et du coût de production.

Mots clés : métakaolin, pouzzolane, calcination, kaolin, bétons à hautes performance, bétons ordinaires.

ABSTRACT : The partial replacement of cement with additions for making concrete offers technical, economic

and environmental advantage. The search for substitutes therefore becomes important. The additive used in

this study is metakaolin, artificial pozzolan from calcination of kaolin. The purpose of this study is to formulate

and analyze the performance of concrete containing metakaolin.

There have been several heat treatments during the preparation of the metakaolin at temperatures of

650, 700 and 750 °C for a period of 2 hours, 700 °C for 2 hours and 30 minutes and 700 °C for 3 hours.

Substitution of 5, 10, 15, 20 and 25% of cement by metakaolin removal improves, the compactness

and the mechanical compressive strength at 7 days and 28 BHP. Increasing the baking time to 2 hours and 30

minutes to 3 hours and decreases the value of the mechanical strength, though the rise of the firing

temperature to 750 °C improves. The optimum results obtained with 10% metakaolin are promising: 52.7MPa

for BHP with metakaolin calcined at a temperature of 700 °C for 2 hours, with the BO to 31MPa metakaolin

calcined at 750 °C for 2 hours and 27MPa for the BO with metakaolin calcined at 700 °C for 2 hours. The

environmental impact studies and economic evaluation of this work shows a decrease in the environmental

impact and cost of production.

Key words: métakaolin, pozzolan, calcination, kaolin, concrete of high performance, ordinary concrete.

Directeur de mémoire : Professeur RANAIVONIARIVO Velomanantsoa Gabriely


Coordonnées de l’auteur : Tel : 032 49 717 84

E-mail : [email protected]

contribution à l'étude des bétons hautes performances

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