Performances Mécaniques et Durabilité des Matériaux … · 2000. 1. 1. · Remerciements Ce travail a été réalisé en collaboration entre deux laboratoires. Le laboratoire de

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE D’ORAN

FACULTE DES SCIENCESDEPARTEMENT DE CHIMIE

THESE DE DOCTORAT

Présentée par

Mr Ahmed Soufiane BENOSMAN

Pour obtenir le titre de

DOCTEUR EN SCIENCESOption : Chimie des Polymères

Intitulée

Performances Mécaniques et Durabilitédes Matériaux Cimentaires

Modifiés par Ajout de Polymère (PET)

Président : M. BELBACHIR Professeur ; Université d’Oran.

Directeur de thèse : H. TAIBI Professeur ; Université d’Oran.Co-Directeur de thèse: M. MOULI Maître de Conférences “A“ ; ENSET d’Oran.

Examinateurs : M. BELHADJI Professeur ; Université d’Oran.H. KHELAFI Professeur ; Université Mohamed Boudiaf

d’Oran.A. MAHI Maître de Conférences “A“ ; Université

Mohamed Boudiaf d’Oran.

Année Universitaire : 2010-2011

Je dédie cet humble travail à :

La mémoire de ma grande mère,Mes très chers parents qui m’ont soutenu et encouragédurant toute ma scolarité,Mon très cher grand père,Mes chers frères, cousins et cousines,Ma famille,Mes professeurs,

Ainsi que tous mes amis.

BENOSMAN AHMED SOUFIANE

Remerciements

Ce travail a été réalisé en collaboration entre deux laboratoires. Le laboratoire de

chimie des polymères LCP à l’Université d’Oran et le laboratoire de matériaux LABMAT du

département de génie civil de l’Ecole Normale Supérieure d’Enseignement Technique

ENSET.

Nous nous faisons un devoir d’exprimer notre profonde reconnaissance à Monsieur le

Professeur M. BELBACHIR, Directeur du Laboratoire de Chimie des Polymères LCP à

l’université D’Es-Sénia Oran, qui nous fait le grand honneur de présider le jury de notre thèse.

Nous adressons nos plus vifs remerciements à Monsieur le Professeur H. TAIBI, du

laboratoire de chimie des polymères (LCP) Université d’Es-Sénia Oran, de s’être occupé,

voire préoccuper, de moi, de l’avancement de mon travail, de mes présentations orales et

écrites. Je le remercie aussi de ses nombreux conseils, toujours avisés et fort utiles, qui ont

sans doute été indispensables au bon accomplissement de ce travail.

Que Monsieur M. MOULI, Maître de conférences à l’Ecole Normale Supérieure

d’Enseignement Technique au département de génie civil trouve ici l’expression de notre vive

reconnaissance pour la bienveillance avec laquelle il a dirigé notre recherche sans cesser de

nous prodiguer conseils et encouragements. Il a su m’orienter et me conseiller ce qui m’a

permis d’aller plus loin et de progresser tout au long de ce travail. Qu’il trouve ici

l’expression de toute ma gratitude pour sa grande disponibilité.

Mes remerciements vont également à Monsieur M. BELHADJI, Professeur au

département de physique, Monsieur H. KHELAFI, Professeur à l’USTMB d’Oran et

Monsieur A. MAHI, Maître de conférences à l’USTMB d’Oran qui ont bien voulu se donner

la peine d’analyser le document qui leurs était confié.

Je remercie vivement Monsieur le Professeur Yoshihiko OHAMA du département

d’architecture, Ecole de génie civil, Université de Nihon, Koriyama, Fukushima-ken, Japon,

qui m’a fourni en documentations spécialisées. Ce qui m’a aidé à relancer mon travail.

Mes remerciements vont aussi à tous les membres du laboratoire et techniciens, qui ont

participé indirectement ou directement au bon déroulement des différentes méthodes

d’analyse et de caractérisation de nos matériaux à savoir :

- Laboratoire de chimie des polymères LCP, Université d’Oran ;

- Laboratoire de matériaux LABMAT du département de génie civil, ENSET d’Oran ;

Remerciements

- Le Laboratoire Universitaire des Sciences Appliquées de Cherbourg, LUSAC EA 2607,

Cherbourg Octeville, Université de Caen Basse Normandie; France ;

- Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions LMDC, INSA de Toulouse,

France ;

- Laboratoire de Chimie Organique Physique et Macromoléculaire, Université de Djillali

Liabes (Sidi Belabbes) ;

- Laboratoire de Chimie Organique, Université d’Es-Sénia, Oran ;

- Laboratoire de Chimie des Matériaux, IGMOran ;

- Laboratoire de Microscopie Electronique et des Sciences des Matériaux, Université

USTOran ;

- Laboratoire de l’Environnement et de Climatologie, Université d’Es-Sénia, Oran.

Je tiens à remercie aussi, Monsieur B. BELBACHIR, chargé de cours à l’université

d’Oran, laboratoire de chimie des polymères LCP et Monsieur L. LAOUFI chargé de cours à

l’université de Mascara.

Toute ma reconnaissance à Monsieur Y. SENHADJI, Enseignant à l’université de

Mascara et membre dans le laboratoire de Matériaux au département de génie civil (ENSET).

Je tiens spécialement à le remercier pour sa disponibilité, pour sa patience et pour sa

motivation. Je tiens à remercier Monsieur R. ZOUBIRI, Ingénieur d’état (ENSET), et

Monsieur B. HADJ HASSAN, Ingénieur d’état au laboratoire de Géomatériaux du

département de génie civil (U.S.T.O) de leurs précieuses aides.

Je tiens spécialement à remercier mes collègues A. AIT AMER et M. BENADDA

pour leurs gentillesses et leurs motivations. Un grand merci aussi pour mes amis : I.

BEHLOULI, A. ADDOU, SAKHRI, M. OMRANE, M. El’BAR, M. BERRAYAH, R.

CHIHAOUI et A. MOULAY-ALI.

Enfin, tous mes remerciements vont à ceux qui, de près ou de loin m’ont apporté leur

aide. Je pense bien évidemment à tous mes collègues de l’ENSET, et plus particulièrement

ceux qui se sont montrés disponibles jusqu’au dernier moment, à ce sujet merci à Mrs R.

ZOUBIRI, Boumediene, Madame Fatiha et Mr Meknaci. Et je ne peux oublier mes collègues

de promotion.

Sommaire i

SOMMAIRE

Liste des abréviations et symboles ………………………………………………….. ALes Normes des Essais ……………………………………………………………… BIntroduction générale ……………………………………………………………... 1

Chapitre IRappels bibliographiques sur les

matériaux cimentairesI.1. Historique ……………………………………………………………………... 5I.2. Les constituants ……………………………………………………………….. 6

I.2.1. Le ciment Portland artificiel …………………………………………… 6I.2.2. Différents ajouts cimentaires …………………………………………... 10I.2.3. Les granulats …………………………………………………………… 13I.2.4. L’eau ........................................................................................................ 14

I.3. Hydratation du ciment Portland artificiel …………………………………….... 15I.3.1. Les mécanismes élémentaires d’action de l’eau ……………………….. 16I.3.2. Réactions d’hydratation ……………………………………………….. 17I.3.3. Formation et microstructure des hydrates ……………………………… 20

I.4. Hydratation des ciments Pouzzolaniques ……………………………………... 27I.5. Origines de la résistance mécanique de la pâte de ciment durcie ……………... 29

I.5.1. Développement des propriétés mécaniques ……………………………. 31I.6. La notion de degré d’hydratation ……………………………………………... 32I.7. La cimenterie en Algérie ……………………………………………………… 32I.8. Recherche et développement dans la conception et l’application des

Composites de Béton-Polymère (Concrete-Polymer Composites « C-PC ») .... 33I.8.1. Généralités ……………………………………………………………... 33I.8.2. L’importance des polymères dans l’industrie de construction du

Bâtiment ……………………………………………………………….. 36I.8.3. Développement des composites ………………………………………. 37I.8.4. Mise en œuvre …………………………………………………………. 39I.8.5. Influence du polymère sur la microstructure (Cas des latex) ………….. 40

I.9. Durabilité des matériaux polyphasés : attaques chimiques par différentsmilieux agressifs ……………………………………………………………... 42I.9.1. Généralités ……………………………………………………………. 42I.9.2. Attaque chimique par différents milieux agressifs …………………… 43I.9.3. Attaque chimique des matériaux polyphasés par les solutions acides … 44I.9.3.1.L’application d’ouvrage durable en Composites de Béton-Polymère:

Moyens de prévention ………………………………………………….. 47I.9.4. Mécanisme d’attaque par les acides ………………………………….. 50

I.10. Pénétration des Chlorures – Corrosion des Armatures……………………….. 54

Sommaire ii

I.10.1. Introduction …………………………………………………………… 54I.10.2. Les Chlorures : Un Important Facteur De Risque…………………….. 55I.10.2.1 Environnement Favorable : Les Milieux Marins et Routiers………... 55I.10.2.2. Différents Types D'exposition à Considérer ………………………... 55I.10.3. Des Facteurs D'influence Nombreux et Variables…………………….. 56I.10.4. Comment Prédire Les Dégradations ?.................................................... 56I.10.5. Mécanisme de l’attaque par les chlorures……………………………... 57

I.10.5.1. Le type d’environnement …………………………………... 57I.10.5.2. les paramètres de formulation du béton ……………………. 58I.10.5.3. Interactions physiques ……………………………………... 58I.10.5.4. Interactions chimiques ……………………………………... 59

I.10.6. Influence de la nature du liant et additions minérales ou organiquessur le coefficient de diffusion des chlorures ………………………….. 60

I.11. Actions des Solutions Sulfatiques …………………………………………….. 66I-11.1. Attaque par les sulfates externes ……………………………………... 67I-11.2. Attaque par les sulfates internes ……………………………………… 73I-11.3. Autre forme d’Attaque par les sulfates ……………………………….. 73I.11.4. Influence des additions organiques sur l’attaque sulfatique ………….. 75

I. 12. Objectifs ……………………………………………………………………... 79Références bibliographiques (Chapitre I)……………………………………………. 81

Chapitre IIÉlaboration et caractérisation

Des composites Mortier-Polymère

II.1. Introduction …………………………………………………………………... 90II.2. Elaboration des matériaux cimentaires ………………………………………... 91

II.2.1. Analyse granulométrique …………………………………………….. 91II.2.2. Essais sur mortiers …………………………………………………… 92II.2.3. Caractérisation mécanique des mortiers ……………………………... 94II.2.4. Résultats des essais mécaniques de compression des différents

mortiers ………………………………………………………………. 96II.3. Elaboration et étude des comportements mécaniques des composites

Mortier-Polymère …………………………………………………………….. 98II.3.1. Caractéristiques physico-chimiques du polytéréphtalate

d’éthylène utilisé …………………………………………………….. 98II.3.2. Caractéristiques physico-chimiques du sable concassé utilisé ………. 98II.3.3. Elaboration et mise en œuvre des éprouvettes ……………………… 100

II.4. Résultats expérimentaux et analyse des essais mécaniques ………………….. 103II.4.1. Etude de la variation de la résistance mécanique entre 3 et 360 jours

des différents matériaux ……………………………………………... 104II.5. Caractérisation microstructurale des mortiers et/ou composites Mortier-

Polymère à l’état durci ………………………………………………………. 117II. 5.1. Préparations des échantillons (IRTF, DRX, ATG et ATD) …………. 117II.5.2. Spectrométrie infrarouge (IRTF) …………………………………….. 117II.5.3. Diffraction des rayons X (DRX) …………………………………….. 125II.5.4. La microscopie électronique à balayage (MEB) …………………….. 132II.5.5. La microscopie optique (MOP) ……………………………………… 137II.5.6. L’analyse thermique (ATG/ATD) …………………………………… 138

Sommaire iii

Chapitre IIIDurabilité des matériaux

Composites Mortier-Polymère(Les Attaques Acides et Basiques)

III.1. Introduction …………………………………………………………………. 144III.2. Essai de durabilité (les acides et la base) ……………………………………. 145

III.2.1. Attaques chimiques des mortiers et/ou composites mortier-polymère 145III.3. Résultats des essais de durabilité et discussion ……………………………… 147

III.3.1. Attaques des mortiers et/ou composites par différentes types desolution acides et basique ……………………………………………. 147

III.4. Caractérisation par diffraction des rayons X de l’attaque superficielle demortier et/ou composite mortier-polymère ………………………………….. 155III.4.1 Diffraction X de la matrice cimentaire par les attaques acides……….. 155III.4.2 L’analyse IRTF de la matrice cimentaire par les attaques acides…….. 158

III.5. L’influence de l’ajout polymère sur la résistivité des mortiers vis-à-vis d’unechimique d’acide chlorhydrique (HCl)………………………………………. 160III.5.1. Conditions Expérimentales ………………………………………….. 161III.5.2 Attaque des Mortiers et Composites par Différentes Concentrations

d’acide chlorhydrique HCl …………………………………………... 164III.5.3 Caractérisation mécanique des différents composites après attaque

par l’acide chlorhydrique …………………………………………….. 166III.5.4 L’examen visuel ……………………………………………………… 168

III.6. Caractérisation par diffraction des rayons X, IRTF, ATG/ATD et MEB del’attaque superficielle de mortier et/ou composite Mortier-Polymère ………. 169III.6.1. L’analyse par Diffraction X de la matrice cimentaire attaquée par

l’acide HCl à différentes concentrations …………………………….. 169III.6.2. L’analyse par IRTF de la matrice cimentaire attaquée par l’acide HCl

à différentes concentrations …………………………………………. 171III.6.3. Etude de la microstructure des mortiers par ATG/ATD …………….. 172III.6.4. Etude de la microstructure des mortiers par MEB …………………... 175

Références bibliographiques ( Chapitres II & III) …………………………………... 178

Chapitre IVDurabilité des matériaux

Composites Mortier-Polymère(Attaque par les chlorures)

IV.1. Introduction ………………………………………………………………… 183IV.2. Essai de durabilité (Ions chlorures) …………………………………............ 184

IV.2.1. Formulation des mortiers /ou composite Mortier- Polymère ………. 184IV.2.2. L’absorption ………………………………………………………... 186IV.2.3. Résultat de l’essai d’absorptivité …………………………………... 187

IV.3. Essai de pénétration rapide d’ions chlores (Rapid Chloride Penetration Test)(RCPT) ………………………………………………………………………. 188

IV.4. Essai d’immersion totale (Full Immersion Test) (FIT) ……………………… 192

Sommaire iv

IV.4.1. Test de pénétration d’ion chlorure ………………………………….. 192IV.4.2. Résultats et discussion ……………………………………………… 194

IV.5. Variation de la perte de masse en fonction du temps 199IV.5.1 Essai d’attaque par les chlores ……………………………………… 199IV.5.2. Suivi de l’évolution de masse (Chlorure de sodium NaCl)…………. 200

IV.6. Caractérisation par diffraction des rayons X et MEB/EDS de l’attaquesuperficielle de mortier et/ou composite mortier-polymère …………………. 202IV.6.1. Diffraction X de la matrice cimentaire par l’attaque d’ions

chlorure ……………………………………………………………... 202IV.6.2. Etude de la microstructure des mortiers par le MEB/EDS …………. 206

Chapitre VDurabilité des matériaux

Composites Mortier-Polymère(Attaque par les sulfates)

V.1. Introduction ………………………………………………………………….. 210V.2. Essai de durabilité (sulfates) ………………………………………………… 211

V.2.1. Formulation des mortiers /ou composite Mortier- Polymère ……….. 212V.2.2. L’absorption ………………………………………………………… 212

V.3. Attaque par les sulfates ……………………………………………………… 214V.4. L’action des solutions sulfatiques …………………………………………… 216

V.4.1. Suivi de l’évolution de masse ………………………………………. 216V.4.2 Evaluation de la résistance à la compression ……………………….. 222V.4.3. Les taux de variation « λ » et « K » ………………………………… 222V.4.4. L’examen visuel …………………………………………………….. 227

V.5. Caractérisation microstructurale de l’attaque superficielle de mortier et/oucomposite mortier-polymère par les sulfates ………………………………... 229V.5.1. Diffraction X de l’attaque sulfatique………………………………….. 229V.5.2. Etude de la microstructure des mortiers par le MEB/EDS …………… 232V.5.3. Etude de la microstructure des mortiers par IRTF …………………… 236V.5.4. Etude de la microstructure des mortiers par DSC ……………………. 239

Références bibliographiques ( Chapitres IV & V) …………………………………... 244Conclusion générale ………………………………………………………………... 249

Techniques D’analyses ……………………………………………………………… 252

Liste des abréviations et symboles A

ASTM

CPA

CPJ

C-S-H

HCl

H2SO4

CH3COOH

NaOH

NaCl

Na2SO4

MgSO4

C3S

C2S

C3A

C4AF

CaO

MgO

CaCO3

Ca(OH)2, (CH)

CaSO4.2H2O

DRX

IRTF

DTA

ATG

MEB

MOP

PET

NF EN

: American society for testing and materials

: Ciment Portland artificiel

: Ciment portland avec ajout minéral

: Silicates de calcium hydratés

: Acide chlorhydrique

: Acide sulfurique

: Acide acétique

: Hydroxyde de sodium

: Chlorure de sodium

: Sulfate de sodium

: Sulfate de magnésium

: Silicate tricalcique

: Silicate bicalcique

: Aluminate tricalcique

: Alumino-ferrite tétracalcique

: Chaux libre

: Oxyde de magnésium

: Calcite

: Hydroxyde de calcium (Portlandite)

: Gypse

: Diffraction des rayons X

: Spectrométrie infrarouge

: Analyse thermique différentielle

: Analyse thermogravimétrique

: Microscope à balayage électronique

: Microscopie Optique

: Polytéréphtalate d’éthylène

: Méthodes d’essais des ciments

Normes des essais B

Les Normes des Essais

NF EN 196-1. - Méthodes d'essais des ciments. - Détermination des résistances mécaniques(indice de classement: P15471) CEN, 1995.

NF EN 196-2. - Méthodes d'essais des ciments. - Analyse chimique des ciments (indice declassement:P15472).

NF EN 196-3. - Méthodes d'essais des ciments. - Détermination du temps de prise et destabilité (indice de classement: P15473), CEN, 1995.

NF P 15-403. - (juillet 1963). - Technique des essais. - Sable normal et mortier normal(homologuée le 31 juillet 1963).

NF P 15-413. - (août 1960). - Technique des essais. - Moules pour éprouvettes prismatiqueset accessoires (homologuée le 31 août 1960).

NF P 15-451. - (juillet 1963). - Technique des essais. - Essais mécaniques. - Flexion etcompression (homologuée le 31 juillet 1963).

NF P 15-411.- (août 1960). - Technique des essais. - Malaxeur (homologuée le 31 août 1960).

ASTM C 267-96. - Standard Test Methods for Chemical Resistance of Mortars, Grouts, andMonolithic Surfacing and Polymer Concretes, Annual Book of ASTM Standards, AmericanSociety for Testing and Structures, June 1996.

NA 442. - Norme Algérienne, Liants hydraulique- Ciments courants : Composition,spécifications et critère de conformité, IANOR, Alger, 30p, 2000.

UNI 7928. - Concrete-Determination of the Ion Chloride Penetration. Ente Nazionale ItalianoDi Unificazione - UNI, Milano, piazza A. Diaz, 2, (December 1978).

JIS A 1171 (E). - Test methods for Polymer-Modified Mortar.Japanese Industrial Standard(JIS) 2000.

ASTM C 1202-97. - Standard Test Methods for Electrical Indication of Concrete’s Ability toResist Chloride Ion Penetration, Annual Book of ASTM Standards, American Society forTesting and Structures, 1997. Vol. 04.02, pp. 646-51, 2001.

ASTM C1012-04. - Standard Test Method for Length Change of Hydraulic-Cement MortarsExposed to a Sulfate Solution. Annual Book of ASTM Standards, American Society forTesting and Structures, 2004.

INTRODUCTION

GENERALE

Introduction Générale

1

INTRODUCTION GENERALE

Le développement des composites Mortier-Polymère a pour origine certains besoins

exprimés par les professionnels du bâtiment et des travaux publics. Ces matériaux sont utilisés

le plus souvent dans des travaux de second œuvre tels les enduits de façades, les colles

carrelages ou revêtements d’étanchéité ; ils sont aussi utilisés dans le domaine des travaux

publics comme produits de réparation d’ouvrages d’arts, et dans certaines applications

routières. En définitive on cherche un matériau de faible coût, de mise en œuvre simple, et

possédant une meilleure tenue en service par rapport à un mortier standard. Il doit posséder

par ailleurs de bonnes propriétés d’adhésion ainsi qu’une résistance accrue aux agressions de

l’environnement et en particulier une isolation des parois à l’humidité.

Cependant, alors que des nouvelles générations de polymère sont en cours de

développement, les mécanismes responsables de l’évolution du comportement mécanique de

ces matériaux en fonction de leur teneur en polymère sont assez mal connus. Le souci des

professionnels dans le domaine des matériaux de construction est d’améliorer les propriétés

induites par l’ajout de différents polymères et parfois de l’adapter à une application

particulière. Pour cela, la démarche adoptée consiste à identifier le rôle et les effets induits par

la présence de cette phase.

La durabilité des ouvrages en béton est une caractéristique très importante, car c’est la

garantie d’une sécurité et d’une durée de service accrues de ces ouvrages. Cette durabilité garantie

aussi une économie considérable sur le long terme, car de tels ouvrages nécessiteront peu ou pas

de réparations, d’où une économie de coûts induits par des réparations, qui peuvent être très

élevés, et peuvent même dépasser les coûts initiaux de construction. L’élaboration de tels

ouvrages doit passer obligatoirement par la maîtrise et la compréhension des facteurs affectant

leur durabilité. Cette connaissance permettra de situer les causes pour pouvoir proposer des

solutions de prévention adaptées lors de la conception. D’autre part, elle permettra en cas de

dégradations, de faire un diagnostic correct pour pouvoir réparerdurablement.

En vue d’appréhender l’influence du polymère sur le comportement mécanique des

matériaux cimentaires, une première étude expérimentale a été menée sur un mortier ordinaire

substitué de différents teneurs en polytéréphtalate d’éthylène (PET) dont nous avons effectuer


2

des essais mécaniques telles la résistance à la compression et la traction par flexion trois

points. Ces essais ont été définis dans le but d’appréhender leur caractère endommageable. La

détermination des caractéristiques mécaniques à long terme de ces mortiers et/ou composites

Mortier-Polymère semble confirmer les effets de la propriété du polytéréphtalate d’éthylène

(PET).

Afin d'arriver à des conclusions pratiquement exploitables, il a été nécessaire de

réaliser des analyses d'identification microstructurale telles que l’utilisation de la

spectrométrie IRTF, la diffraction aux rayons X, la microscopie électronique à balayage

(M.E.B), la microscopie optique (M.O.P), l’analyse thermique différentielle ATD ainsi que

l’analyse thermogravimétrique (ATG). Après avoir analysé le comportement mécanique de

nos matériaux, et en vue d’améliorer la durabilité de ces composites, on a évalué l’influence

de l’ajout du polymère (PET) sur les caractéristiques de ces derniers vis-à-vis des milieux

agressifs et on a essayé d’apporter une meilleure compréhension concernant les réactions

chimiques responsables du ralentissement de la dégradation.

Pour cela, on a réalisé un programme expérimental basé sur les mesures de l’évolution

des caractéristiques mécaniques instantanées de plusieurs compositions de mortier et/ou

composites Mortier-Polymère 1/3. Ces derniers sont conservés à la température de 20°C ±

2°C. La démarche suivie est décrite ci-dessous.

Nous présentons dans le premier chapitre de ce travail, des éléments de bibliographie

sur les matériaux cimentaires : composition (limités aux seuls constituants employés dans

cette étude), hydratation, structure à l’état durci, particularités des composites de Béton-

Polymère et durabilité des matériaux polyphasés : attaques chimiques par différents milieux

agressifs.

Le deuxième chapitre est consacré aux méthodes d’essais pour la mise en œuvre de

mortier et/ou des composites Mortier-Polymère, puis aux choix et à la description des modes

opératoires employés, ensuite à la présentation des résultats et discussion d’essais mécaniques

telles la résistance à la compression et à la traction par flexion trois points. Enfin, l’analyse

d'identification microstructurale des matériaux polyphasés par l’utilisation de la spectrométrie

IRTF, la diffraction aux rayons X, la microscopie électronique à balayage (M.E.B) la

microscopie optique (M.O.P), l’analyse thermique différentielle ATD et l’analyse

thermogravimétrique (ATG).

Le troisième chapitre de ce travail, présente l’étude du comportement des mortiers

et/ou des composites Mortier-Polymère vis-à-vis des différents milieux agressifs tels que les


3

acides forts, faibles et la solution basique pour une même concentration. Enfin, l’évolution

des résistances mécaniques des divers spécimens est suivie avant et après attaque chimique

par différentes concentrations d’acide chlorhydrique. L’identification microstructurale des

matériaux ayant subit une attaque chimique ont été suivi par diffraction aux rayons X, la

spectrométrie IRTF, l’analyse thermique simultanée, qui comprend une analyse

thermogravimétrique (ATG) et une analyse thermique différentielle (ATD) ainsi que la

microscopie électronique à balayage.

Le quatrième chapitre présente l’étude du comportement des mortiers et/ou des

composites Mortier-Polymère vis-à-vis de la pénétration des ions chlorures (Cl-) selon les

deux types d’essai suivants :

Essai d’immersion totale (FIT),

Essai de pénétration rapide d’ions chlores (RCPT).

L’identification microstructurale des matériaux ayant subit une altération chimique ont

été suivi par diffraction aux rayons X et par la microscopie électronique MEB avec

l’association de l’analyse dispersive EDS.

Quant au cinquième chapitre, il présente l’étude du comportement des mortiers et/ou

des composites Mortier-Polymère vis-à-vis des attaques sulfatiques Na2SO4 et MgSO4.

L’identification microstructurale des matériaux ayant subit une détérioration chimique ont été

suivi par la diffraction des rayons X, la spectroscopie infrarouge (IRTF), la microscopie

électronique MEB avec l’association de l’analyse dispersive EDS et la calorimétrie

différentielle à balayage DSC.

Enfin, nous clôturons ce travail par des conclusions générales, et nous y rappelons les

principaux résultats obtenus et la complémentarité entre les différents sujets abordés, en

ouvrant la perspective de nouvelles études.

Chapitre I

Rappels Bibliographiques sur lesMatériaux Cimentaires

Rappels bibliographiques sur les matériaux cimentaires Chapitre I

4

Chapitre I

Rappels bibliographiques sur lesmatériaux cimentaires

L’objet de ce chapitre est de faire une synthèse des connaissances sur les matériaux à

base de ciment Portland hydraté qui soit suffisante à la compréhension des analyses

proposées dans cette étude. Peut-être que certaines généralités sur la chimie de l’hydratation

ou la structure du gel CSH vont un peu au delà de ce qui nous est nécessaire. Elles sont

cependant utiles à la compréhension de l’ensemble des phénomènes qui nous intéressent.

On présente dans la première partie certains constituants des matériaux cimentaires

que nous utilisons dans cette étude : ciment Portland artificiel, granulats, eau, pouzzolane. La

deuxième partie est consacrée à l’hydratation du ciment Portland. Il s’agit de présenter les

phénomènes qui accompagnent le durcissement progressif de la pâte de ciment, ses causes

(réactions et mécanismes de l’hydratation) et ses conséquences (prise, durcissement, etc.) On

s’intéresse ensuite à la microstructure du matériau obtenu : pâte de ciment hydraté, mortier ou

béton. Toute une partie est consacrée aux Recherches et développement dans la conception et

l’application des Composites de Béton-Polymère (Concrete-Polymer Composites « C-PC »).

Tout d’abord, leurs développements offrent une compréhension supplémentaire des matériaux

cimentaires et leurs principes ont été en partie appliqués à l’élaboration des matériaux pour

cette étude. Enfin, on présente des éléments de bibliographie sur la durabilité des matériaux

polyphasés, telle l’attaque chimique par différents milieux agressifs (acides, bases, chlorures

et sulfates).


5

I.1. Historique [1, 2]

Dans le domaine du génie civil, le matériau le plus utilisé dans le monde est le béton. Ce

matériau manufacturé est une association d’un squelette granulaire composé de sable et de

graviers, avec un liant hydraulique, le ciment hydraté.

Le ciment n’est pas une invention récente. Dès l’antiquité, les romains ont constaté qu’un

mélange de chaux avec des cendres volantes de Pouzzoles était capable, une fois hydraté, de

former un produit résistant et durable. Ce ciment dit pouzzolanique a servi à la construction

d’ouvrages qui, 2000 ans après, sont très bien conservés : le Panthéon à Rome, le Pont du

Gard ou le Colisée. Plus à l’ouest, les Mayas ont aussi l’idée d’utiliser un ciment à base de

chaux pour lier les pierres formant les fameux toits en fausse voûte (figure I.1).

Dès le dix-huitième siècle, des recherches ont été menées en France et en Angleterre pour

pouvoir fabriquer de la "pierre factice". John Smeaton, en 1759, conçoit, de manière

empirique, une méthode pour produire un mélange recuit d’argile et de chaux, qui a servi à la

construction du phare d’Eddystone (figure I.2). Cependant, le ciment artificiel, tel qu’on

l’utilise actuellement, a été défini par Louis Vicat en 1818. Il est issu de la cuisson d’un

mélange de 20% d’argile et de 80% de calcaire. Il prit en 1824 le nom de Ciment Portland

Artificiel après que John Apsdin eut constaté une grande ressemblance avec le calcaire de l’île

de Portland.

Le béton, et en conséquence le ciment, ont connu leur essor dès lors que le principe du

béton armé a été maîtrisé, à la fin du XIXe siècle, afin d’améliorer la résistance en traction du

matériau.

Les ciments ont un rôle essentiel dans le comportement des ouvrages en béton. Ils assurent

une fonction mécanique, car ils lient le squelette granulaire, mais ils sont aussi en grandes

parties responsables de la tenue à long terme du matériau béton, si la qualité du liant évolue

dans le temps.


6

Figure I.1– Voûte Maya à Uxmal, dans Figure I.2– Vue en coupe du phareLa presqu’île du Yucatan, au Mexique. d’Eddystone, conçu par John Smeatonle parement intérieur composant la en 1759, (illustration datée de 1791voûte est maintenu par les murs épais provenant de Linda Hall Library ofde pierres cimentées à la chaux. Science, Engineering & Technology).

I.2. Les constituants

I.2.1. Le ciment Portland artificiel

La base du ciment Portland [1, 2], le clinker, est fabriquée à partir d’un mélange de

calcaire et d’argile extraits de carrières, dans les proportions respectives d’environ 80/20 %.

Après extraction et concassage, ces deux roches sont mélangées, décarbonatées et

transformées lors d’une cuisson dans un four où la température atteint 1450°C. Le produit

formé, le clinker, est trempé à l’air. Les granules de clinker sont ensuite broyés finement. La

surface spécifique des grains, notée finesse, est de l’ordre de 3000 cm2 /g pour un ciment

courant et est un facteur important directement lié à la réactivité. Ce qui caractérise la

résistance du ciment hydraté.


7

Au clinker, base du ciment Portland, sont ajoutés du gypse (à hauteur de 3 à 5%), qui

agit comme régulateur de prise, et éventuellement d’autres constituants tels que la

pouzzolane, des fillers calcaires, de la fumée de silice, des laitiers de haut-fourneau ou des

cendres volantes, en fonction du ciment à composer. Le tableau I.2 rappelle les compositions

de ciment pour les différentes classes normalisées. En fonction des utilisations du ciment et

en particulier de l’environnement dans lequel ce ciment hydraté sera exposé, certaines classes

de ciment seront mieux adaptées. C’est le cas par exemple des ciments de type PM ES (pour

Prise Mer, Eaux Sulfatées) dans des environnements maritimes.

De par son origine (calcaire et argile), le ciment Portland est constitué de minéraux. Sa

cuisson et sa trempe conduisent à avoir quatre constituants de base, très solubles. Sa

composition minéralogique présente essentiellement des silicates de chaux et des aluminates

de chaux et de fer :

i. L’espèce majoritaire est l’alite, constituée de silicates tricalciques (3CaO.SiO2 ou

C3S), cristaux rhomboédriques de 10 à 50 m.

ii. La bélite est constituée de silicates bicalciques (2CaO.SiO2 ou C2S), cristaux arrondis

et striés un peu plus petits que C3S.

iii . Les aluminates forment une troisième phase, parfois appelée célite, placée en

interstitiel entre les silicates. Elle se compose d’aluminates tricalciques (C3A ou

3CaO.Al2O3) et d’alumino-ferrites tétracalciques (4CaO.Al2O3.Fe2O3 ou C4AF) plus

ou moins bien cristallisés.

La composition minéralogique peut être déterminée approximativement à partir de

l’analyse chimique et à l’aide des formules de Bogue (R. H.) [3]. Le tableau I.1 indique la

composition minéralogique moyenne d’un ciment Portland et les teneurs extrémales de

chacun de ses constituants.

Constituants C3S C2S C3A C4AFComposition moyenne (%) 55 23 10 12Teneurs extrémales (%) 50-75 7-30 0-18 4-20

Tableau I.1- Composition moyenne d’un ciment Portland artificiel et teneurs extrémales àchacun de ses constituants, d’après Vénuat (M.) [2].

N.B. En notation cimentière: C=Ca0, S= SiO2, H= H2O, A=Al2O3, F=Fe2O3 et S =SO3


8

Composition (pourcentage en masse) 1)

Constituants principaux

Cendres volantesPrincipauxTypes

Notation desproduits (types deciment courant) Clinker

K

Laitier dehaut

fourneau

S

Fumée desilice

D3)

PouzzolanesNaturelles

Z

Silicieuse

V

Calciques

W

Schistescalcinés

T

Calcaires

L

Constituantssecondaires 2)

CimentPortland CPA -CEM I 95 – 100 - - - - - - - 0-5

CPJ –CEM II/A 80 – 94CimentPortlandcomposé CPJ-CEM II/B 65-79

CHF-CEM III/A 35-64 36-655) - - - - - - 0-5

CHF-CEM III/B 20-34 66-805) - - - - - - 0-5Cimentde haut-fourneau

CLK-CEM III/C 5-19 81-95 - - - - - - 0-5

CPZ-CEM IV/A 65-90 - - - - 0-5Cimentpouzzo-lanique

CPZ-CEM IV/B 45-64 - - - - 0-5

CLC-CEM V/A 40-64 18-305) - - - - 0-5Cimentau laitier

etcendres

CLC-CEM V/B 20-39 31-505) - - - - 0-5

1).Les valeurs indiquées se réfèrent au noyau du ciment, à l’exclusion des sulfates decalcium et des additifs. à la somme des constituants principaux et secondaires.2).Les constituants secondaires peuvent être du filler ou bien un ou plus desconstituants principaux, sauf lorsque ceux-ci sont incorporés en tant que constituantsprincipaux du ciment.3). La proportion de fumées de silice est limitée à 10 % dans tous les ciments.4). La proportion de filler est limitée à 5 %.5).le fabricant est tenu à une déclaration de composition stipulant les constituantsutilisés et la proportion de chacun deux ; il s’engage à ne pas faire varier cesproportions au delà à une fourchette de 5 points. Le clinker étant aussi unconstituant. La forme et les modalités d’application de cette déclaration sont définiesdans l’annexe B de la norme NA 442 :2000.

Tableau 1.2– Classe des ciments selon la norme NA 442 : 2000 [4].

6-20 4) 5)

21-35 4) 5)

31-505)

10-355)

36-555)

18-305)


9

Les silicates, C3S et C2S, sont contenus dans les phases désignées respectivement par

alite et bélite. Ces phases contiennent aussi quelques impuretés sous forme d’alcalins, à

l’origine de la présence des ions Na+ et K+ dans la solution interstitielle, ou des traces de

métaux lourds. Ces derniers ont pour origine les combustibles utilisés dans le four. Quelques

études ont permis de comprendre les mécanismes de piégeage dans la matrice cimentaire ou

de relargage dans l’environnement extérieur de ces métaux lourds lors du comportement à

long terme de bétons, mortiers ou ciments, soumis à une lixiviation [5, 6]. Au clinker il est

ajouté du gypse (CaSO4 : 2H2O) et d’autres ajouts normalisés.

Le grain de ciment, obtenu par broyage du clinker, est en fait un matériau composite

constitué de silicates agglomérés et d’aluminates placés en interstitiels (figures I.3, I.4).

Le ciment Portland a des propriétés hydrauliques : il est capable de réagir avec l’eau

pour former un matériau cohésif : c’est le cas de la pâte de ciment hydraté. Cependant, Il

existe d’autres types de ciment qui différent du ciment Portland par leur composition et leurs

propriétés.

Le ciment est utilisé essentiellement comme liant de matériaux granulaires, dans le cas

de mortiers ou de bétons. On utilise le terme de liant hydraulique, lorsqu’on veut souligner

ses propriétés hydrauliques, ou liant cimentaire, pour pâte de ciment hydraté. De plus,

lorsqu’on considère un mortier ou un béton comme l’assemblage composite de granulats

noyés dans une matrice, on parle aussi de matrice cimentaire.

Figure I.3- On peut observer un grain de clinker au centre de cette micrographie, prise surune section polie de mortier au microscope optique (x500). On distingue nettement les grainsde silicates (CXS) et les aluminates (CX (A, F)) placés en interstitiels [1, 2].


10

Figure I.4- Section de 256µm 200µm du ciment 135 de finesse 394m2/ kg aprèsobservation au microscope électronique à balayage, analyse à la sonde EDS et retraitementinformatique. Les couleurs sont les suivantes : noir =porosité, rouge = C3S, bleu clair = C2S,vert = C3A, orange = C4AF, vert = sulfates de calcium, jaune = K2SO4 et blanc = CaO.(Image provenant du NIST Cement Images database) [7].

I.2.2. Différents ajouts cimentaires [4, 8]

a. Laitier granulé de haut fourneau (S)

Le laitier de haut fourneau est un matériau hydraulique latent, c’est-à-dire qui présente

des propriétés hydrauliques lorsqu’il a subi une activation convenable. Il est obtenu par

refroidissement rapide (trempe) de la scorie fondue provenant de la fusion du minerai de fer

dans un haut fourneau.

b. Pouzzolanes naturelles (Z)

Les pouzzolanes naturelles sont :

Des substances d’origine volcanique ou bien des roches sédimentaires ayant une

composition chimique et minéralogique appropriée;

Des argiles et des schistes activés thermiquement.

Les pouzzolanes doivent leur nom aux cendres volcaniques de la région de Pouzzoles, en

Italie, qui étaient utilisées par les Romains dans la préparation du ciment.

Les pouzzolanes naturelles ne durcissent pas par elles-mêmes lorsqu’elles sont

mélangées avec de l’eau, mais elles réagissent à température ambiante habituelle, en présence

d’eau, avec l’hydroxyde de calcium [Ca (OH)2] dissous, pour former des composés de silicate

de calcium et d’aluminate de calcium développant des résistances. Ces composés sont

semblables à ceux qui sont formés lors du durcissement des matières hydrauliques.


11

Si la proportion de pouzzolanes naturelles dans le ciment excède 5 % en masse

(constituant principal). Seules les pouzzolanes satisfaisant aux spécifications suivantes

doivent être utilisées.

Les pouzzolanes doivent être composées essentiellement de SiO2 réactif et de Al2O3.

La partie restante contient de l’oxyde de fer (Fe2O3) et d’autres oxydes. La proportion de CaO

réactif est négligeable. La teneur en SiO2 réactif doit être d’au moins 25 % en masse.

Les pouzzolanes naturelles doivent être convenablement préparées, c’est-à-dire

sélectionnées, homogénéisées, séchées et réduites en poudre, en fonction de leur état à la

production ou à la livraison.

Les constituants qui, par le même processus que les pouzzolanes, conduisent à la

formation d’hydrates stables, sont connus par des propriétés pouzzolaniques.

c. Cendres volantes

Si la proportion de cendres volantes dans le ciment excède 5 % en masse (constituant

principal), seules les cendres volantes satisfaisant aux spécifications suivantes doivent être

utilisées :

Les cendres volantes peuvent être de nature silico-alumineuse (Cendres volantes

siliceuses (V)) ou silico-calcaire (Cendres volantes calciques (W)). Les premières ont des

propriétés pouzzolaniques; les dernières peuvent avoir, en plus, des propriétés hydrauliques.

Les cendres volantes sont obtenues par dépoussiérage électrostatique ou mécanique de

particules pulvérulentes provenant du courant de gaz des chaudières, alimentées au charbon

pulvérisé. Les cendres obtenues par d’autres méthodes ne doivent pas être utilisées dans les

ciments conformes à la norme [4].

d. Schistes calcinés (T)

Les schistes calcinés, et en particulier les schistes bitumineux calcinés, sont produits

dans un four spécial à une température d’environ 800°C. Finement broyés, ils présentent de

fortes propriétés hydrauliques et aussi pouzzolaniques.

Du fait de la composition de la matière naturelle et du procédé de production, les

schistes calcinés contiennent des phases du clinker, principalement du silicate bicalcique et de

l’aluminate monocalcique, de même que de petites quantités de chaux libre CaO et de sulfate


12

de calcium, ainsi que des quantités plus importantes d’oxydes réagissant de façon

pouzzolaniques, particulièrement SiO2.

e. Calcaires (L)

Lorsqu’ils sont utilisés dans une proportion excédant 5%, en masse (consistant

principal), les calcaires doivent satisfaire aux spécifications suivantes :

teneur en calcaire CaCO3 75% en masse;

teneur en argile adsorption de bleu de méthylène 1,20 g/100g ;

teneur en matières organiques (TOC) 0,50% en masse.

f. Fumées de silice (D)

Les fumées de silice sont formées de particules sphériques très fines ayant une très

haute teneur en silice amorphe. Si la proportion de fumées de silice dans le ciment excède 3%

en masse, seules les fumées de silice satisfaisant aux spécifications suivantes doivent être

utilisées :

silice amorphe SiO2 85 % en masse. ;

perte au feu 4 % en masse ;

aire massique (BET) (non traitée) 15 m2/g.

En outre, le producteur de ciment doit être en mesure de communiquer, sur demande,

la teneur en silicium libre des fumées de silice utilisées, pour le cobroyage avec du clinker et

du gypse, la fumée de silice peut être dans état original, densifiée, ou granulée (avec de l’eau).

Les fumées de silice proviennent de la réduction de quartz de grande pureté par du

charbon dans des fours à arc électrique utilisés pour la production de silicium et d’alliages de

ferrosilicium.

g. Fillers (F)

Ce sont des constituants secondaires dans une proportion qui n’excède pas 5 % en

masse. Les fillers sont des matières minérales, naturelles ou artificielles spécialement

sélectionnées qui, après une préparation appropriée, en fonction de leur granulométrie,

améliorent les propriétés physiques des ciments (telle l’ouvrabilité ou le pouvoir de rétention

d’eau). Ils peuvent être inertes ou présenter des propriétés faiblement hydrauliques latentes ou

pouzzolaniques ; aucune exigence n’est toutefois requise à cet égard.


13

Les fillers doivent être préparés correctement, en fonction de leurs conditions de

production ou de livraison. Ils doivent être sélectionnés, homogénéisés, séchés et pulvérisés.

Ils ne doivent pas accroître sensiblement la demande en eau du ciment, ni diminuer en au

aucune manière la résistance du béton ou du mortier et la protection des armatures contre la

corrosion.

h. Sulfate de calcium

Le sulfate de calcium doit être ajouté en faible quantité, n’excède pas 5% en masse

aux autres constituants du ciment au cours de sa fabrication, en vue de réguler la prise.

Le sulfate de calcium peut être du gypse (sulfate de calcium dihydraté, CaSO4. 2H2O),

de l’hémihydrate (CaSO4. ½ H2O), de l’anhydrite (sulfate de calcium anhydre CaSO4), ou tout

mélange de ceux-ci. Le gypse et l’anhydrite se trouvent à l’état naturel. Le sulfate de calcium

est aussi obtenu comme sous produit de certains procédés industriels.

I.2.3. Les granulats

Ce sont les constituants « bon marché » des mortiers et des bétons. On distingue les

sable du gravier par la taille de ses grains : pour un sable, celle-ci ne dois pas excéder 6mm.

Les granulats sont de différentes natures minéralogiques : quartz, calcaires, etc. Selon qu’ils

soient plus ou moins anguleux, roulés ou concassés, ils induisent des concentrations de

contraintes plus ou moins importantes au sein du matériau.

Un sable ou un gravier utilisé en génie civil se caractérise notamment par sa courbe

granulométrique. Elle donne la distribution de la taille des granulats en pourcents de la masse

totale du tamisât. Elle est utile pour la composition de mélanges et permet de définir certains

paramètres caractéristiques de distribution : diamètre du plus petit grain (Dmin), du plus gros

(Dmax), etc. La figure I.5 présente à titre d’exemple la courbe granulométrique du sable

concassé. Il s’agit de la courbe de refus cumulés. Pour l’obtenir on fait passer le sable dans

des tamis de taille de maille de plus en plus petite. La proportion massique de sable ne passant

pas dans un tamis de taille donné (refus) donne un point de la courbe.


14

100 10 1 0,1 0,01 1E-3

0

20

40

60

80

100Sableconcassé

Poid

scu

mul

éen

%

Diamétre équivalent en mm

Figure I.5- Courbe granulométrique du sable concassé.

I.2.4. L’eau

Le rôle de l’eau est d’abord d’hydrater le ciment pour donner un matériau cohésif.

Elle sert aussi de lubrifiant lors de gâchage des constituants. Ainsi ajuste-t-on sa quantité afin

d’obtenir une pâte homogène et facilement « ouvrable » [2]. De par ce rôle de lubrifiant, l’eau

se trouve généralement en excès vis-à-vis de la réaction d’hydratation : On utilise

couramment des quantités d’eau de l’ordre de 0.5 en rapport massique (E/C), alors que

l’hydratation complète ne nécessiterait qu’un E/C d’environ 0.35 [9]. Ce rapport prend en

compte : les proportions stoechiométriques des réactions d’hydratations, qui indiquent que la

proportion massique d’eau liées aux hydrates correspond environ à 20% de la masse initial de

ciment, et la quantité d’eau nécessaire pour remplir l’espace interfeuillet des hydrates, soit

environ 15% d’eau libre, sans laquelle la réaction d’hydratation est incomplète.

Au cours du durcissement et à des degrés divers suivant les conditions

environnementales, l’espace occupé par cette eau non consommée fait place à de la porosité

qui pénalise la résistance mécanique. Pour améliorer cette dernière, il est donc nécessaire de

réduire la quantité d’eau introduite initialement dans la gâchée. C’est en suivant cette idée

qu’ont été développés les bétons à « hautes performances ». Mais il reste à assurer une

ouvrabilité suffisante, Pour cela, on fait recours à des adjuvants.


15

I.3. Hydratation du ciment Portland artificiel

L’hydratation du ciment Portland artificiel (CPA) est le résultat de l’hydratation de ses

différentes espèces minéralogiques. Ainsi, il n’existe pas de « réaction d’hydratation du

ciment Portland » à proprement parler. L’hydratation de chacune de ses espèces est déjà

quelque chose compliqué : elles comprennent toutes plusieurs réactions chimiques qui

conduisent à la formation de différentes hydrates, directement ou par recombinaison d’espèce

préalablement formées. Dans le cas du ciment, l’ensemble de ces réactions intervient

simultanément. Leur cinétique est différente et les interactions possibles entre celles-ci et les

nombreux constituants mis en jeu, font de l’hydratation du ciment un processus complexe

pouvant conduire à l’obtention d’un matériau dont la microstructure reste très complexe.

Une pâte de ciment fraîche se présente comme un système dispersé constitué d’un

réseau de particules dans une phase aqueuse, ces particules sont elles-mêmes des grains

polycristallins. A l’interface solide –liquide, les liaisons insaturées des atomes du cristal

engendrent une réactivité dont la cinétique peut être analysée. Ceci amène à dissocier

artificiellement des phénomènes divers, à savoir : l’adsorption, l’hydrolyse, la dissolution, la

solvatation et enfin la cristallisation.

Notre objectif n’est pas d’approfondir tous les aspects de ce processus mais de ne

considérer que les quatre espèces anhydres majoritaires du ciment : C2S, C3S, C3A, C4AF (cf.

I.2.1). Deux théories [9] datant de la fin du XIXme siècle permettent d’expliquer les

mécanismes physico chimiques conduisant à la réaction du ciment avec l’eau. La théorie de

Le Châtelier (1887) prône la cristallisation par des processus de dissolution/ précipitation.

Celle de Michaelis (1893) est pour une théorie d’hydratation par la science des colloïdes, les

hydrates proviennent alors d’un gel d’hydrosilicates s’enrichissant progressivement en chaux.

L’hydratation des espèces minéralogiques majoritaires du ciment est décrite à l’aide

d’équations bilan qui font la synthèse des réactions chimiques mises en jeu. Les constituants

du matériau sont ainsi clairement mis en évidence. On peut alors tenter d’aborder le

phénomène dans sa globalité, en étudiant la cinétique d’hydratation du ciment depuis le

gâchage jusqu’au durcissement. Ceci nous amène naturellement aux conséquences

macroscopiques de l’hydratation, phénomènes de prise et de retrait, établissement des

propriétés mécaniques. Enfin, on introduit la notion de degré d’hydratation, et on présente des

différentes techniques qui permettent de caractériser l’avancement de « la réaction

d’hydratation du ciment ».


16

I.3.1. Les mécanismes élémentaires d’action de l’eau

Ils sont divers : ce sont l’adsorption, l’hydrolyse, la dissolution, la solvatation et la

cristallisation [10].

a. L’adsorption

Phénomène physique ou chimique par fixation de l’eau sur les grains de ciment, il existe deux

types d’adsorption :

L’adsorption physique : elle résulte de l’association des forces de Van der Waals

présentant des faibles énergies. Elle ne modifie pas de façon importante l’état électronique de

la molécule absorbée. Elle est réversible et peut superposer une ou plusieurs couches de

molécules d’eau à la surface du solide.

L’adsorption chimique : elle implique un transfert ou une mise en commun

d’électrons. Les énergies peuvent être importantes et les liaisons ont un caractère plus

permanent que dans l’adsorption physique.

b. L’hydrolyse

On entend par hydrolyse, la réaction de transformation du solide et de décomposition

de l’eau. Il est à signaler que d’autres solvants peuvent être utilisés, Longuet et ses

collaborateurs [11] ont étudié la solvolyse du silicate tricalcique dans le glycol.

c. La dissolution

Ainsi nomme-t-on le processus de changement d’état du solide ionique (ciment) en

présence d’un solvant (eau). Dans les réseaux cristallins des solides ioniques, la position des

atomes dépend des résultantes des forces d’attraction ou de répulsion des ions avoisinants.

Ces ions empilés constituent un édifice cristallin très stable. La dissolution entraîne une

rupture des liaisons ioniques et la dispersion des ions dans le solvant.

d. la solvatation

Elle correspond à un enveloppement par des molécules d’eau des cristaux anhydres

dispersés après dissolution. Les solvates peuvent être constitués de particules colloïdales qui

forment une suspension ou «sol ». Lorsque la masse des particules du sol est suffisante, il en

résulte la formation spontanée d’un «gel».


17

e. La cristallisation

L’apparition et la croissance de germes conduisent à la cristallisation de phases

solides.

La germination représente le processus aléatoire qui aboutit à la formation d’amas

ordonnés. Les ions en solution forment des assemblages ou germes au hasard de leur

rencontre. Ces assemblages deviennent stables et donnent naissance à un embryon à partir

d’une taille critique.

Le germe devra grossir, sinon il perdra son individualité et retournera à l’état liquide.

Le germe ne se développera qu’avec un espace et une durée suffisante.

La croissance du germe à partir d’un embryon s’opère par accumulation d’atomes ou

de molécules en couches successives au niveau de l’interface liquide – cristal.

La vitesse de croissance du germe dépend de plusieurs facteurs : température, conductibilité

thermique, saturation de la solution, gradient de concentration, etc.….

I.3.2. Réactions d’hydratation

Les espèces minéralogies majoritaires du ciment peuvent être séparées en deux

familles : les silicates (C2S, C3S) et les aluminates (C3A, C4AF). L’hydratation de chacune de

ces familles conduit à la formation d’hydrates similaires ou identiques. C’est pourquoi nous

avons choisi de présenter les réactions d’hydratation du ciment en regroupant celles des

silicates et celles des aluminates.

a. Hydratation des silicates (C2S, C3S)

L’hydratation des silicates conduit à la formation de silicates de calcium hydratés ou CSH

(de l’anglais : « calcium silicate hydrate ») et de Portlandite [Ca (OH)2]. Les produits

d’hydratation étant qualitativement les mêmes, ou peut écrire de manière synthétique une

équation bilan (1.1) des espèces mis en jeu.

C2S+ H2O

exo. CSH + Ca (OH)2 (1.1)C3S

Les CSH forme une phase très désordonnée que l’on considère parfois comme

amorphe, d’où l’appellation de « gel de CSH » [12], constituée de l’agrégation de feuillets de

CSH [13]. La composition et la structure de ces feuillets font encore l’objet de nombreuses


18

recherches. Pour éviter toute confusion, on parlera de feuillet de CSH au sujet de l’hydrate de

silicate de calcium et de gel CSH pou le « matériau » CSH, c’est-à-dire l’assemblage de

silicate de calcium hydratés. La formation du gel CSH ne consomme qu’une partie du calcium

en solution, l’excès précipite sous forme de Portlandite.

La dissolution du C2S fournit une quantité moins importante d’ion calcium que celle

du C3S. Son hydratation produit donc mois de Portlandite, au bénéfice de la résistance

mécanique de la pâte de ciment [9]. La cinétique d’hydratation du C2S est environ dix fois

plus lente que celle du C3S [9,14].

Le C3S est le constituant majeur du ciment Portland artificiel et joue un rôle important

dans la formation des hydrates et la résistance mécanique. Le processus d’hydratation du C3S

reste compliqué et non totalement élucidé [15].

Les quatre étapes du mécanisme d’hydratation sont les suivantes [15,16]

Protonation des ions SiO4- à la surface de C3S

Formation d’ions solubles H2SiO42-ou H3SiO4

- selon la valeur du pH

Passage des ions calcium en solution

Passage des espèces protonées en solution.

La figure I.6 représente schématiquement ces quatre étapes.

Figure I.6- Hydroxylation superficielle de C3S [15].


19

Au microscope électronique à balayage Dent-Glasser [17] a observé une croissance en

forme d’oursins du CSH de type I (C/S 1). Simultanément les cristaux de Portlandite

apparaissent en fin de période dormante (figure I.7).

FigureI.7- Mécanisme d’hydratation de C3S [17].

b. Hydratation des aluminates C3A et C4AF

Les produits d’hydratation du C4AF se déduisent du ceux C3A par substitution de

l’alumine (Al2O3) par l’alumino-ferrite (Al2O3 .Fe2O3) dans les formules chimiques. On ne

présentera donc que l’hydratation du C3A.

Le C3A est très réactif avec l’eau ; afin de réguler son hydratation, on ajoute au ciment

quelques pourcents de gypse. Dans un premier temps, cela conduit à la formation de trisulfo-

aluminate de calcium hydraté ou Ettringite (Aft) (C6A. S 3.H32 avec S = SO3). Avec

l’épuisement progressif du gypse, l’Ettringite se combine avec le C3A résiduel pour du

monosulfo-aluminate de calcium hydraté (Afm) (C4A.S .H12) [14]. Après avoir consommé

une partie de l’Ettringite, il peut également se former de l’aluminate de calcium hydraté

(C4AH13) [9]. Ces différentes réactions sont résumées par l’équation bilan 1.2.

C3A.3CaSO4.32H2O

C3A + Gypse + H2Oexo. C3A.CaSO4.12H2O (1.2)

C4A.H13

Initialement, le C3A s’enrobe d’une couche protectrice d’Ettringite très finement

cristallisée. Elle se dissout ensuite pour recristalliser en aiguille prismatiques [9]. Comme la

Portlandite, sa présence fragilise le liant cimentaire [18].


20

Le monosulfo-aluminate de calcium (C4A.S .H12) et l’aluminate de calcium hydraté

(C4AH13) cristallisent sous forme de plaquettes hexagonales. Ce dernier se trouve, soit en

solution solide au sein du monosulfo-aluminate, soit sous forme de cristaux séparés [14].

La réactivité du C3A est très forte et s’accompagne d’un fort dégagement de chaleur dont

il faut tenir compte lors de sa mise en œuvre. Sa cinétique est plus rapide que celle du C4AF.

De nombreuses études ont montré que l’hydratation des phases C4AF ou C2(A, F) se

rapproche de celle de C3A lorsque les conditions d’hydratation sont identiques [12]. À la

température ambiante, la cinétique d’hydratation de C4AF est beaucoup plus lente que celle de

C3A.

I.3.3. Formation et microstructure des hydrates

a. formation des CSH

Les grains de ciment anhydre se caractérisent morphologiquement par leur petite taille

(quelques dizaines de micromètres en moyenne) et par leur état de surface désorganisé par le

broyage. Ce dernier en rompant les liaisons inter-atomiques de la matière, laisse apparaître sur

le pourtour des grains, des charges électriques qui restent en majorité non saturées [20].

Lorsque ces grains se retrouvent en milieu aqueux, il s’ensuit une dissolution rapide de

certains constituants. Il y a attraction entre les charges électriques des surfaces des grains et

des ions de signe opposé des molécules d’eau.

L’hydratation des silicates conduit à la formation de silicates de calcium hydratés ou

CSH et de cristaux de Portlantide Ca(OH)2 , équation bilan (1.1).

Le CSH (3CaO.2SiO2.3H2O) se structure sous forme d’une phase désordonnée que

l’on considère comme amorphe [21]. Sous observation microscopique, il se présente sous

forme de feuillets minces dont l’épaisseur est de 3 nm et dont l’écartement est d’environ 1.7

nm s’enroulant sur eux-mêmes en formant des tubes.

Parmi tous les modèles proposés pour décrire la microstructure des CSH, il y a le modèle

Feldman et Sereda [22] est considéré comme le plus conforme à la plupart des réponses du

matériau, et en particulier dans le cas du fluage et des phénomènes liés à la sorption

d’humidité. Selon ce modèle, la pâte de ciment est assimilée à un gel constitué principalement

de particules colloïdales de CSH possédant une importante surface spécifique (quelques m2

par gramme).


21

Le processus de formation des hydrates (CSH et Ca(OH)2) dans la pâte de ciment est

assez complexe. A cette échelle, les phénomènes physiques sont difficiles à appréhender. Il

faut souvent se contenter de modèles plus ou moins confirmés par l’expérience. Notons que

dans la chimie des ciments, le grain hydratant est défini comme étant le grain anhydre entouré

par ses hydrates (figure I.8). Le processus d’hydratation conduit à la formation de plusieurs

couches d’hydrates. On distingue alors le produit intérieur et le produit extérieur. Autrement

dit, un volume de ciment anhydre produit d’abord une première couche d’hydrates en

détruisant le ciment anhydre. La réaction se poursuivant, de nouvelles couches se forment en

précipitant à l’extérieur du grain.

FigureI.8- Processus de développement des hydrates autourd’un grain de ciment anhydre [23].

Les produits d’hydratation et en particulier le gel CSH (figure I-7) remplissent

progressivement les espaces entre les grains anhydres occupés originellement par les

molécules d’eau. Les grains hydratants finissent par se connecter et former ainsi une phase

continue comportant des discontinuités à différentes échelles. Cette période d’hydratation se

manifeste par une augmentation de la cohésion de la pâte et un durcissement du matériau.

Cela se traduit par un développement considérable de la résistance mécanique [24, 25].

Les « cristaux de silicates de calcium hydratés » s’assemblent pour former une structure

amorphe que certains nomment de fait : gel CSH. La morphologie de cette structure évolue au

cours de l’hydratation. Diamond (S.) [26] propose une classification des différents « type de

CSH ».

Type I : CSH fibreux que l’on observe aux jeunes ages ou dans des pâtes fortement

diluées sur les grains de C3S ;


22

Type II : CSH en réseaux réticulé ;

Type III : CSH en grains ou en lattes de quelques centaines de micromètres ;

Type IV : les produits internes ou « inner-products », dont la formation débute aux

tous premiers stades de l’hydratation du C3S.

Ils semblerait en définitive que ces différentes « morphologies » correspondent à des

conditions particulières de gâchage (CSH fibreux favorisés par un E/C important) ou à divers

degrés de maturité de la pâte, le gel se structurant de façon à être de plus en plus dense au

cours de l’hydratation. La figure I.9 illustre les deux premiers types de CSH.

(a) (b)

Figure I.9- CSH fibreux avec Cristal de Portlandite (X) entre des CSH (#),La porosité est repérée par (O), (a) [27] et les CSH forment un réseau réticulé (b) [9].

Il semblerait en particulier que la résistance en compression est tributaire du

développement de ces hydrates et de leur degré de connexion dans l’espace qui leur est

imparti. Un point important dans la cinétique d’hydratation d’un ciment est le passage du

comportement ’fluide’ au comportement ’solide’ de la pâte, cet instant est nommé la prise.

Elle correspond au moment où il y a une percolation mécanique de phases solides. Cette

percolation mécanique est apportée par les hydrates, et en particulier par les CSH, mais aussi

localement, par la Portlandite qui peut jouer le rôle de ponts d’hydrates (figures I.9 et I.10).


23

Figure I.10– Formation et croissance des hydrates au cours de l’hydratation d’une pâte deciment, d’après F.W. Locher [28].

Etats de l’eau dans la pâte de ciment durcie

Certains modèles traitant de la structure de la pâte de ciment durcie [20, 22, 29, 30]

décrivent l’état de l’eau dans la structure du CSH sous trois formes (figure I-11) qui sont (par

ordre décroissant d’énergie de liaison avec le solide) :

- l’eau hydroxylique : ce sont les hydroxyles –OH liés soit à des atomes Si soit à des

atomes Ca.

- l’eau interfeuillets : elle est fixée avec les hydroxyles par des ponts hydrogènes

- l’eau adsorbée interlamellaire : c’est l’eau située entre les lamelles. Elle est soumise

au champ des forces émanant des lamelles.

- l’eau libre : cette eau échappe aux forces superficielles de la phase solide. En excès

par rapport à l’eau nécessaire à l’hydratation, elle occupe les pores capillaires et les

macropores (de l’ordre de quelques millimètres). Elle est la première à migrer lorsque les

échanges hygrométriques sont possibles avec le milieu ambiant.


24

Figure I.11- Microstructure et configuration de l’eau dans le CSH, (Sur l’image de gauched’après Feldman et Sereda [22] et Sur l’image de droite d’après R. Sierra [31]).

La porosité, conséquence structurelle de l’hydratation

La structuration progressive de la pâte de ciment au cours de l’hydratation s’accompagne de

la formation d’une porosité à différentes échelles et dont le volume dépend principalement du

rapport eau-ciment (E/C). La courbe de distribution

Figure I.12- Distribution de la taille des pores dans la pâte de ciment. [13]


25

des pores de la pâte de ciment (figure I.12) [13] laisse apparaître l’existence de deux pics

correspondant à des dimensions de pores bien distinctes et dont la position peut varier avec le

rapport E/C :

Les pores capillaires : Le second pic de la figure I.10 est relatif aux pores capillaires

(dont la dimension des diamètres est de l’ordre de quelques centaines de nanomètres). Ces

pores sont le reliquat des espaces intergranulaires et qui sont progressivement remplis par les

hydrates. Ces pores peuvent être complètement ou partiellement remplis de molécules d’eau

appartenant à la catégorie de l’eau libre. Cette eau peut migrer si l’équilibre hydrique est

perturbé ou bien lors de l’application d’un chargement mécanique extérieur.

Figure I.13- Echelles des pores et des constituants de la pâte de ciment [32].

Les pores des hydrates : ou nanopores sont associés au premier pic. Ce sont les

espaces interfeuillets dans le CSH. Leur diamètre a une dimension de l’ordre de quelques

nanomètres (environ 1.7 nm) (figure I.13). Ces espaces contiennent des molécules d’eau

adsorbées.

b. Formation de la Portlandite (Ca (OH)2 CH)

La Portlandite est composée de feuillets d’octaèdres de calcium reliés entre eux par des

arêtes. La maille est hexagonale avec a =3.593*10-9m, c = 4.909*10-9m [19]. Les forces

agissant entre les feuillets sont minimales. D’autres forces interviennent mais sont

négligeables, nommées «ponts hydrogène ».


26

Les adjuvants affectent beaucoup la morphologie de CH spécialement le rapport c/ a (rapport

de maille). La figure I.14 illustre une seule couche de CH où les petites cordes représentent

les atomes de Ca, les grandes cordes vides et pleines représentent les atomes d’oxygène. Les

atomes d’hydrogène ne sont pas représentés [33].

La Portlandite se développe dans l’espace libre entre les grains de ciment, et

préférentiellement autour des granulats dans le cas de mortiers ou de bétons [13]. Le

développement des autres hydrates finit par enrober la Portlandite qui se trouve finalement

confinée dans le gel CSH. Inclusion fragile au sein du liant, sa croissance en milieu confiné

développe des contraintes internes qui pénalisent la résistance mécanique du matériau.

Figure I.14- Présentation schématique en plan et élévation d’une seule couchede la Portlandite [33].

c. Formation de l’Ettringite

Les réactions chimiques de la formation de l’ettringite sont décrites dans la section

(I.3.2b) hydratation de C3A. L’ettringite cristallise sous forme d’aiguilles (à base hexagonale)

(cf. figure I.15-a), souvent rayonnant autour des grains de ciment anhydre (non expansive). La

forme et la taille de l’ettringite dépendent directement de la nature des ions dans la phase

interstitielle, de la concentration de Ca(OH)2 et de la température ambiante. Dans certains cas,

la formation d’ettringite peut s’accompagner de gonflement.


27

Cinq explications existent concernant le gonflement de l’ettringite (LI, 34) :

i. Expansion par croissance cristalline,

ii. Gonflement lié à l’absorption d’eau par les particules d’ettringite [35],

iii . Gonflement lié à la pression de cristallisation de l’ettringite,

iv. Expansion par pression osmotique sur une membrane semi-perméable entre la phase

interstitielle et la surface des grains anhydres,

v. Gonflement par formation de monosulfoaluminate de calcium hydraté [36].

La Photo I.15-b présente une ettringite expansive.

(a) (b)

Figure I.15- Microscopie Electronique à Balayage, ettringite aciculaire (aiguille) dans unbéton (a), et ettringite massive (expansive) dans un béton (b) [7].

I.4. Hydratation des ciments Pouzzolaniques [37-41]

Les réactions d’hydratation du ciment et de la pouzzolane peuvent être considérées

séparément, bien que dans une mesure elles se produisent en même temps. En fait la réaction

pouzzolanique, qui est plus lente que la réaction d’hydratation du ciment, peut avoir lieu

seulement après l’hydrolyse de C3S et de C2S qui forment l’hydroxyde de calcium [37]. Il est

à noter que la première est une réaction de consommation de chaux, tandis que la dernière est

une réaction de production de chaux, figure I.16 38.

Les produits issus des réactions entre les pouzzolanes et la chaux sont en général

des minéraux mal cristallisés. Les espèces et les compositions des hydrates produits

dépendent en général de la structure cristalline des constituants de la pouzzolane ainsi que des

conditions de l'hydratation (température, teneur en eau, …). Ces hydrates sont pratiquement


28

les mêmes que ceux observés lors de l'hydratation d'un ciment Portland ou d'un ciment de

laitier par exemple.

Figure I.16- Changement de la quantité de chaux d’un cimentPouzzolanique Hydraté 38.

De nombreuses études sur la nature des phases produites par la réaction

pouzzolanique ont abouti aux composés définis de la manière suivante [39-41] :

i. Le silicate de calcium hydraté CSH, qui se présente sous la forme d'un gel de

faible cristallinité,

ii. L'aluminate tétracalcique hydraté C4AH13 hexagonal,

Dans certaines conditions, il est possible de trouver aussi :

i. La gehlénite hydraté C2ASH8 ,

ii. L'éttringite 3CaO, Al2O3, 3SO4Ca, 32H2O et le monosulfo-aluminate

3CaO, Al2O3, CaSO4, 12H2O,

La formation de ces composés a été confirmée par Massazza (1974) au 6ème

Congrès international de la chimie du ciment [41].

J.Ambroise (1984) a montré que l'hydrate responsable des propriétés mécaniques

des liants chaux – métakaolin était le CSH (I) de la classification de Taylor.

Les silico-aluminates de calcium hydratés sont essentiellement représentés par la

gehlénite hydratée C2ASH8. Les conditions de sa formation ont été envisagées par R. Dron

(1978). Ce composé est d'après son analyse, instable en présence d'une solution saturée en

chaux, il donne alors le CSH et l'aluminate C4AH13.

C2ASH8+ 3CH + 3H CSH + C4AH13

Les trois principaux composés hydratés issus de la réaction pouzzolanique (CSH,

C4AH13, C2ASH8) ne peuvent coexister que lorsque la solution est sous-saturée en chaux.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

1 10 100

Age (jours)

Qu

an

tité

de

chau

x(%

)

CPA

C POUZZOL


29

I.5. Origines de la résistance mécanique de la pâte de ciment durcie

On vient de voir que la cohésion du matériau est due en grande partie à la nature du

CSH. Cette cohésion peut s’expliquer par une approche à plusieurs niveaux. Le premier

niveau est d’ordre morphologique et est relatif à la porosité intrinsèque au matériau et aux

microfissures dans la structure du matériau induites par divers phénomènes lors de la prise.

Nous observons expérimentalement que la résistance en compression d’une pâte de ciment

dépend essentiellement du degré avec lequel les hydrates remplissent l’espace disponible,

c’est à dire la porosité capillaire. Cette résistance est donc directement liée à la porosité du

matériau.

Van Damme [42] confirme bien que la prise des liants résulte de la croissance des

cristaux d’hydrates. Pour expliquer ce phénomène il propose trois hypothèses :

la tenue mécanique des liants durcis résulte de la continuité du réseau cristallin

(l’auteur désigne par réseau cristallin ou cristallite les feuillets de CSH présents dans

un grain hydratant) dans tout le système avec des «joints de grains » qui peuvent

constituer des zones faibles,

ces cristaux adhèrent entre eux par des forces de surface à courte portée.

des forces de frottement entre les cristaux viennent conforter ce système rendant

l’enchevêtrement des cristallites indéformable.

On peut donner d’autres explications des différents types de cohésion possibles

comme suit [43]:

Par enchevêtrement de cristaux : la résistance résulte de cet enchevêtrement et de

frottements entre cristaux (faible résistance à la traction) [44].

Par ponts de matière :

- ponts solides : les particules sont soudées par la même matière ou une matière différente,

- ponts liquides : des ménisques ou films liquides assurent la liaison.

Par forces superficielles : il s’agit essentiellement des forces de Van der Waals, qui ne

peuvent à elles seules être responsables de la cohésion des hydrates, ou des liaisons par

pont hydrogène [43]. Ces forces sont très inférieures aux forces de liaison chimique.

L’ordre de grandeur de l’énergie de liaison est le suivant :

10-19 Joules pour la liaison chimique de valence,

10-20 Joules pour la liaison par pont hydrogène,

10-21 Joules pour la liaison par forces de Van der Waals.


30

Les paramètres susceptibles de modifier la force de cohésion entre les feuillets d’hydrates

sont : la nature de liquide confiné présent dans les espaces interfeuillets, la nature des cations

interfoliaires et la plus importante est la densité de charge des feuillets [43].

Les argiles présentent une microstructure ayant les mêmes propriétés ; néanmoins le

comportement de ce matériau est très différent de celui des liants cimentaires. L’explication

réside selon cet auteur, au niveau moléculaire, dans la nature des liaisons qui se trouvent

d’une part dans l’argile calcique de type montmorillonite et d’autre part dans un silicate

hydraté d’un ciment Portland. Le premier développe des interactions répulsives (le matériau

gonfle) alors que le second développe des interactions attractives en présence de molécules

d’eau.

Dans le cas des argiles, la surface des feuillets est peu polarisée. Les couches d’ions

sont diffuses. Le milieu, constitué d’ions monovalents en solution aqueuse, forme une couche

ionique diffuse à la surface des feuillets. Lorsque deux feuillets se rapprochent,

l’interpénétration de ces couches engendre une force répulsive de nature entropique à

l’origine du gonflement.

Dans le cas des CSH, leur surface est plus fortement chargée et les ions di- ou

trivalents de la solution se condensent à leur surface. Localement, ces couches d’ions

provoquent une polarisation qui engendre des liaisons électrostatiques qui sont à l’origine de

forces d’attraction très importantes (figure I.17). L’écartement ou le rapprochement des deux

surfaces n’introduit plus aucun effet de dilution ou de concentration et aucune force de

gonflement n’est possible. Au contraire, le rapprochement des surfaces renforcera l’attraction

électrostatique et conduira à une force de type ionique entre les deux surfaces.

Figure I.17- Origine de la cohésion de la pâte de ciment au niveau moléculaired’après Van Damme [42].


31

I.5.1. Développement des propriétés mécaniques

Après la prise, on peut considérer le matériau solidifié. Néanmoins, ses propriétés

mécaniques, notamment sa résistance, sont encore faibles. L’hydratation se poursuit et

développe des hydrates qui remplissent progressivement la porosité capillaire. Cette

diminution de la porosité est mécanisme prépondérant de l’amélioration des propriétés

mécaniques du matériau au cour du durcissement [45].

Figure I.18- Influence des conditions de cure sur l’évolution de la résistancemécanique en compression d’un béton ordinaire (E/C = 0,5). D’après Laplante (P.) [46].

La résistance mécanique d’une pâte de ciment conservée en cure humide à 20°C

évolue approximativement comme le logarithme du temps sur 28 jours. Un exemple

d’évolution à plus long terme de la résistance est donné à la figure I.18. Sur cette même

figure, on note l’influence des conditions de cure sur l’évolution de la résistance en

compression, notamment la diminution de celle-ci après le passage en cure sèche [46]. De la

même manière, on constate une augmentation de la rigidité des matériaux au cours du

durcissement.

La cinétique du durcissement et les résistances mécaniques atteintes dépendent de

nombreux paramètres, comme la composition initiale du ciment, la finesse de sa mouture, le

volume d’eau de gâchage, la charge minérale présente dans les mortiers ou les bétons,

l’utilisation d’additifs, les conditions de mise en œuvre et de cure, etc. [2].


32

I.6. La notion de degré d’hydratation

Pour quantifier la maturité d’un matériau cimentaire, il paraît commode de vouloir

définir un paramètre caractérisant l’avancement de l’hydratation du ciment : le degré

d’hydratation. Néanmoins, celle-ci mettant en jeu plusieurs espèces minéralogiques [47] dont

les proportions peuvent varier selon les ciments et dont les cinétiques d’hydratation sont

différentes. Il est en réalité difficile de définir un critère objectif pour parler de l’avancement

de « la réaction d’hydratation ».

En pratique, on s’attache généralement à quantifier certaines phases dont le

développement ou la disparition est pertinente vis-à-vis du processus d’hydratation (par

exemple le C2S, le C3S, la Portlandite, etc). Ces mesures dépendent donc de la composition

initiale du ciment. De plus, la quantification d’une même phase suivant des techniques

différentes conduit généralement à des résultats différents (voir Older (Y.) [14], page 254, au

sujet de la quantification de la Portlandite). En définitive, ces mesures n’ont de valeur que

pour comparer des résultats obtenus par une même technique, sur des matériaux réalisés avec

le même le ciment.

On présente deux techniques de « mesure » du degré d’hydratation : la diffraction des

rayons X (DRX) et l’analyse d’image en microscopie électronique à balayage. Ces techniques

n’ont pas toutes été utilisés de manière quantitative dans notre étude. On présente un cadre

plus général de leur utilisation.

I.7. La cimenterie en Algérie

L’industrie cimentière est d’importance primordiale pour l’Algérie comme tous les

pays en voie de développement. Le nombre de cimenteries en Algérie est de douze avec une

capacité de production théorique de 12 Mt et une capacité pratique de 8 Mt. La demande est

estimée à plus de 12 Mt et par conséquent on a recours à l’importation. Cependant, parmi les

moyens efficaces qui existent pour augmenter la production du ciment est celui d’utiliser des

ajouts qui sont très peu coûteux et disponibles en grandes quantités en Algérie, comme le

laitier d’EL-Hadjar, le calcaire, et la pouzzolane naturelle.

L’unité de Zahana [48] est constituée d’une ligne à voie humide d’une capacité

annuelle de 200.000 tonnes de ciment, d’une ligne voie sèche d’une capacité annuelle de

1.000.000 tonnes et deux ateliers de broyage ciment traitant 960.000 tonnes de clinker par an.

Le tableau I.3 donne une idée sur l’évolution des résultats de la production.


33

ANNEE CLINKER CIMENT EXPEDITIONS

1997 437.935 543.190 535.685

1998 540.070 629.999 625.085

1999 552.070 648.229 631.096

Tableau I.3- Evolution des résultats de la production [48].

I.8. Recherche et développement dans la conception et l’application desComposites de Béton-Polymère (Concrete-Polymer Composites « C-PC »)

I.8.1. Généralités

Dans le monde industrialisé, les années soixante et les années soixante dix du siècle

passé ont été caractérisées par de nouveaux matériaux et de techniques modernes [49].

L’utilisation des polymères a été considérée comme un signe de progrès et d’attitude moderne

dans la construction [50]. Des panneaux de polyester renforcés par des fibres de verre, la

résine de polyester, et mortier polyester sont connus en tant que plastiques peu coûteux. Les

colles d’époxy ont été employées en tant qu’adhésifs très performants. Elles sont présentes

dans les applications de préfabriqués en béton. Ces résines d’époxy ont été employées comme

des produits de liaison dans les enduits chimiquement résistants [51].

La recherche a été faite sans interruption et elle a visé le développement et

l’amélioration des nouveaux polymères [52]. L’utilisation des polymères s’est graduellement

développée en mortiers de réparation pour béton, fondation, consolidation de la maçonnerie

et réparation des structures en bois de construction. Avant cet essor, la science des matériaux

de construction était peu développé. Ainsi, l’utilisation prolongée des polymères purs a mené

au produit inhérent chimique et au problème d’incompatibilité physique (défaut de

fonctionnement mécaniques et les problèmes de durabilité).

Ces dernières années, les innovations techniques dans l'industrie du bâtiment ont

progressé considérablement, car la recherche et le développement des matériaux de

construction à rendement élevé et multifonctionnels ont étés activement poursuivi pour faire

face aux problèmes posés par les industriels du bâtiment [53,54]. En particulier, cette

tendance est marquée par de nouvelles frontières dans l'industrie du bâtiment, où la réalisation

de grands ouvrages tels que les grands gratte-ciel, les tunnels sous la mer, et les

développements bas lunaires dans les pays avancés. Ceci est dû grâce au développement

courant des matériaux de construction de faible coût, écologique et d’économiser de l’énergie.


34

Il s’agit donc des composites de Béton-Polymère, plusieurs équipes de recherche en

matériaux de construction sont orientées [53, 55-57].

L’utilisation des polymères est devenue un domaine de recherche des matériaux de

construction durable. Les polymères sont utilisés dans ces domaines, la où leurs propriétés

spécifiques sont nécessaires. Leurs combinassions avec les matériaux de construction

classiques, a donné un effet synergique. Ainsi, les mélanges du béton et du polymère

s’appellent des Composites de Béton-Polymère ou C-PC « Concrete-Polymer Composites »

[53]. Cette évolution a mené à de nouvelles applications des mortiers de réparation modifiés

par polymère pour le béton, la fondation et la maçonnerie. Une meilleure connaissance du

comportement des matériaux, particulièrement dans le domaine des mélanges; et une

meilleure compréhension des processus d’hydratation du ciment, et leurs comportement

physico-chimique et mécaniques; ont permis le développement du béton, mortier et coulis.

Les CPC-sciences sont devenues des éléments incontournables dans le développement des

matériaux de construction de hautes valeurs ajoutées.

Les composites de Béton-Polymère sont des matériaux issus par le remplacement

d’une partie ou toute la matrice d'hydrate de ciment de mortier ou de béton conventionnel

avec du polymère. Celle-ci se trouve donc renforcée grâce aux polymères [58-60]. Les

composites de Béton-Polymère sont généralement classés selon les principes de leurs

transformations technologiques. Trois types de matériaux sont regroupés comme suit [53]:

1- Mortier Polymère-Modifié (ou Ciment) (PMM ou PCM) et béton (Concrete) (PMC

ou PCC).

2- Mortier Polymère (PM) et béton Polymère (PC).

3- Mortier Imbibé par Polymère (PIM) et béton (PIC).

L’organisation des congrès internationaux est un critère pour le développement de la

connaissance au sujet des composites de Béton-Polymère [57]. Une liste des plus importants

congrès internationaux, colloques, et ateliers est regroupée dans le tableau I.4.


35

Année Pays Nom du congrès ou colloque

1967 Paris, F RILEM Symposium, Synthetic Resins in Building construction

1975 London, UK 1st International Congress on Polymers in Concrete

1978 Austin, USA 2nd International Congress on Polymers in Concrete

1981 Kôriyama, J 3rd International Congress on Polymers in Concrete

1984 Darmstadt,West-Germany

4th International Congress on Polymers in Concrete

1986 Aix-en-Provence, F RILEM International Symposium, Adhesion Between Polymersand Concrete, ISAP’86

1987 Brighton, UK 5th International Congress on Polymers in Concrete

1990 Shanghai, China 6th International Congress on Polymers in Concrete

1992 Moscow, URSS 7th International Congress on Polymers in Concrete

1994 Seoul, K 1st EASPIC Symposium on Polymers in Concrete

1995 Ostend, B 8th International Congress on Polymers in Concrete

1997 Kôriyama, J 2nd EASPIC Symposium on Polymers in Concrete

1998 Bologna 9th International Congress on Polymers in Concrete

1999 Dresden, G RILEM 2nd International Symposium, Adhesion Between Polymersand Concrete, ISAP’99

2000 Shanghai, China 3rd Asia Symposium on Polymers in Concrete

2001 Honolulu, USA 10th International Congress on Polymers in Concrete

2002 Poitiers, F Orgagec’02 Organic Materials: a future in a field of civilengineering? Environmental Uncertainties?

2003 Chuncheon, Korea 4th ASPIC Symposium on Polymers in Concrete

2004 Berlin, Germany 11th Congress on Polymers in Concrete - June 2-4

Tableau I.4- Evolution des principaux événements internationauxdes Polymères en Béton [57].


36

I.8.2. L’importance des polymères dans l’industrie de construction dubâtiment

Pendant le colloque européen Orgagec’02, qui a été organisé par le laboratoire central

des Ponts et Chaussés à Poitiers, France en Mars 2002, M. de Longchamp [50] a présenté des

figures de la consommation des polymères dans l’union européen en 2000. La consommation

de 6 850 000 tonnes /an représente environ 20% de tout le marché des polymères (plastiques)

de 34 250 000 tonnes/an dans l’union européen. Cependant, si la consommation des

polymères est comparés à la consommation d’autres matériaux de construction, sa part

relative est seulement d’environ 1%, mais dans le chiffre d’affaires financier les polymères

représentent plus de 10% dans l’industrie de construction du bâtiment. On s’attend à ce que

dans les 10 à 15 années prochaines, les polymères prennent une place importante dans la

construction [50].

La quantité des polymères, utilisée dans les composites de Béton-Polymère, est seulement une

partie mineure pour la modification du béton, qui incluent également les agents réducteurs de

l’eau (121 500 tonnes de super plastifiant en Europe en 1998) [50].

Les plastiques font partie de notre vie [61], ils sont utilisés pour remplacer d’autres

matériaux tels que le bois, les métaux et le verre. Par leurs fonctions, ils sont devenus

indispensables pour l’homme. Mais quand il s’agit de nuisances pour l’environnement, ce

sont les premiers matériaux qu’on montre du doigt. En effet, les plastiques ne sont pas

biodégradables, ils polluent la nature qui se dégrade de manière continue et à un rythme

accéléré, vu la croissance considérable de leur emploi dans divers domaine de notre quotidien.

L’incinération des plastiques fait partie des méthodes couramment utilisées pour leur

traitement. Elle présente l’avantage de réduire d’éventuels polluants, de diminuer la masse et

le volume des décharges publiques à gérer et de fournir une source d’énergie. Cependant, elle

a de graves conséquences sur la santé de l’homme et sur l’environnement. Ainsi, il est devenu

nécessaire et urgent de trouver des méthodes adéquates pour gérer les déchets plastiques sans

nuire ni à l’homme ni à la nature et ce, à travers les modes de valorisation qui permettent à la

fois de préserver les ressources naturelles et de soustraire de l’énergie [63].

Actuellement, le poly (éthylène téréphtalate) (PET) fait partie des matériaux les plus

utilisés dans le domaine du flaconnage alimentaire. En 1996, 2,4 mi de tonnes de granulés de

PET [64] ont été utilisés pour la fabrication d’emballages dans le monde. En Europe, cela

représente 890 000 tonnes. Introduites pour la première fois sur le marché suisse en 1984, les

bouteilles en PET ont connu depuis un vif succès. La consommation est passée de 4 175


37

tonnes [64] en 1991 à plus de 31 500 tonnes en 2001. Actuellement, on produit environ 120

milliards de bouteilles de boissons de PET dans le monde [64].

Au terme de leur utilisation dans les divers et nombreuses applications pour lesquelles

ils ont été conçus, les articles usés de PET ont des caractéristiques qui ne sont pas trop

affectées par les conditions dans lesquelles ils ont été utilisés. Ceci fait que le recyclage soit la

solution la plus adaptée pour leur remise sur le marché.

Récemment, certains travaux [65-68] ont utilisés des résines du polyester unsaturés

(UP) produites à partir du poly (éthylène téréphtalate), PET, recyclé qui est principalement

récupéré des bouteilles de boisson, pour la production des composites de Béton-Polymère

(PC). Des résultats importants au niveau du comportement mécaniques et de durabilité ont été

obtenus. La réutilisation du PET recyclé dans les composites de Béton-Polymère, aiderait à

atténuer le phénomène de pollution de l’environnement et à économiser de l'énergie.

D’autres chercheurs [69-70] ont étudiés les effets d’ajout des bouteilles du PET

récupérés, réutilisées en tant qu'agrégats légers dans le béton. Des résultats positifs sont

prévus concernant les propriétés du béton léger conçu aux structures spéciales des grands

ouvrages : gratte-ciel. C’est une solution en plus contre le problème des déchets solides à base

plastiques.

L’utilisation des polymères dans l’industrie du bâtiment se développe solidement.

Cette action synergique des polymères, sur le mortier et béton offre de grandes occasions à

l’amélioration des différents propriétés et un large éventail de nouvelles applications

innovatrices. La société et l’environnement exigent des modalités de correction sans

interruption.

Les polymères ne sont plus des matériaux de construction spéciaux qui remplacent le

minerai classique ou les matériaux de construction organiques. Ils sont devenus un essentiel

dans la production soutenable des matériaux composites de construction [57]. Ils permettront

d’aller plus loin dans le développement de nouvelles et durables constructions, et des

techniques de restauration adéquates.

I.8.3. Développement des composites

Les composites sont obtenus par l’addition d’un polymère à la gâchée du mortier. Les

polymères les plus utilisés sont les latex [56], solutions aqueuses de monomères ou de

polymères en suspension. Ce sont des élastomères : gomme naturelle, styrène-butadiene, ou

des polymères thermoplastiques : PAE, VAE, etc. Mis sous forme de poudre, ils peuvent être

préalablement mélangés au ciment et au sable. Ce type de mise en œuvre a été développé pour


38

proposer des produits prêts à l’emploi. Dans le cas d’utilisation de latex, les teneurs varient de

0 à 20 % [71-73], rapport massique extrait sec de latex sur ciment. On peut également utiliser

des résines, monomères ou polymères sous forme liquide [51,56]. Ce sont des polymères

thermodurcissables. Ils nécessitent généralement l’emploi d’un catalyseur qui peut être ajouté

avant ou pendant le gâchage. Les plus utilisées sont les résines époxy [56].

Lors du développement des bétons modifiés à base de polymères, on a constaté que

ces matériaux présentent, en dehors d’une résistance à la traction améliorée, et d’une bonne

capacité de déformation, d’autres avantages comme par exemple : une bonne adhérence à

divers substrats, une bonne cohésion du mélange, une absorption d’eau restreinte, une

perméabilité très basse, ainsi qu’une résistance chimique améliorée. Parmi d’autres polymères

couramment additionnés aux bétons sous forme de dispersion, citons les méthylméthacrylates

(MMA), les esthers d’acide acryliques (AE), et les amines époxydiques (EP),....

Le LRCCP [74] a réalisé une étude qui visait à réaliser un double réseau minéral et

organique lors de la mise en œuvre des pâtes de ciments, mortiers et bétons. La fragilité des

ciments et des bétons ne permet pas aujourd’hui la réalisation de structures à parois très

minces, attendues pour d’importantes applications industrielles dans les secteurs du bâtiment

ou de forages pétroliers.

Dans l’industrie de transformation du plastique et des caoutchoucs, les praticiens

savent améliorer la résistance au choc des polymères rigides ou les propriétés mécaniques des

élastomères. On incorpore, par exemple, des particules d’élastomère (cas du polystyrène

choc) d’une part, et on crée une adhésion entre un polymère et une charge minérale par

l’intermédiaire d’agent de couplage, d’autre part (cas des élastomères chargés de silice). Ces

démarches sont transposées aux cas des ciments, mortiers et bétons. Différents polymères ou

compositions réactives sont introduits sous forme de particules organiques, au sein d’un

réseau minéral, auquel ces particules devraient adhérer parfaitement par l’intermédiaire ou

non d’un agent de couplage. Par ailleurs, il est nécessaire de tenir compte des exigences du

génie civil et de l’industrie pétrolière, en matière de viscosité, de température et d’humidité.

La durabilité est également envisagée.

Deux types de polymères ont été testés :

- les polymères favorisant une interaction physique,

- les polymères susceptibles de présenter une interaction chimique.

Les mortiers et ciments ainsi modifiés ont été, respectivement, caractérisés en flexion

et en compression. Dans un premier temps, les polymères présentant une interaction de type


39

physique, ont été introduits dans les ciments et dans les mortiers. Certains de ces polymères,

additionnés à des taux de 2.5 %, permettent une amélioration de l’ordre de 20 % de la

résistance à la flexion des mortiers. En revanche, la résistance à la compression se trouve

diminuée. Une étude préliminaire menée au LRCCP [74] a, par la suite, permis de

sélectionner les polymères en émulsion aqueuse favorisant une interaction de type chimique.

Les époxy silanes aliphatiques et aromatiques retenus présentaient une triple fonctionnalité :

auto-émulsifiant, agent de greffage, agent d’auto-polymérisation. Une étude plus approfondie

de ces produits a été effectuée sur des mortiers au CERIB (Centre d’étude et de recherche de

l’industrie du béton) et sur des pâtes de ciment à l’IFP (Institut français du pétrole) [74].

Il est, par ailleurs, difficile d’aboutir à une formulation améliorant, à la fois, la

résistance à la rupture en flexion pour les applications des mortiers et le module élastique en

compression pour les applications des ciments.

Les composites sont utilisés comme matériaux de second œuvre dans l’industrie du

bâtiment : colles à carrelage, enduits de façades ou revêtements d’étanchéité,…. Ils sont aussi

utilisés dans le domaine des travaux publics comme produits de réparation d’ouvrages d’art

[51,56]. L’une des applications les plus répandues des bétons modifiés à base de polymères,

et sans doute celle de la réparation des bétons. Signalons également le recouvrement de

routes et de ponts, les sols industriels, le béton très ouvert, etc.

Les polymères ont été introduits dans les mortiers parce qu’ils améliorent leurs propriétés

d’adhésion au substrat sur lequel on les applique [54, 58,75-78]. Ils offriraient également une

bonne protection contre les agressions du milieu extérieur [54, 75].

Les résultats de la littérature sur ces matériaux, peuvent parfois paraître

contradictoires. Ces contradictions proviennent essentiellement de la manière dont on formule

le composite.

I.8.4. Mise en œuvre :

Comme on l’a vu, les composites mortier-polymère sont obtenus en ajoutant

directement du polymère à la gâchée. Il modifie donc la rhéologie de la pâte à laquelle on

l’incorpore. La « formulation » des composites doit tenir compte de ces effets. Dans le cadre

des applications industrielles, le premier paramètre d’emploi à ajuster est la viscosité de la

pâte à l’état frais. Ainsi, la plupart des études comparatives sur ces matériaux mettent en jeu

un mortier de référence (témoin) et des composites dont la quantité d’eau de gâchage est

ajustée pour obtenir la même viscosité que le mortier témoin [54, 75-77, 79-83]. Ce type de

formulation est qualifiée de d’« iso-rhéologie ». Dans ce cas, l’effet fluidifiant par exemple


40

du latex conduit à diminuer le E/C du composite vis-à-vis de celui du mortier. Si l’on veut

évaluer le latex en tant que produit d’emploi, cette démarche est tout à fait cohérente. Mais si

l’on veut analyser l’effet du latex lui-même, c’est-à-dire celui de l’introduction d’une phase

polymère au sein du mortier, il est alors difficile de faire la part des chose entre son effet

direct et ces effet secondaires : diminution du E/C, etc. Dans le but de mieux cerner l’effet

du latex certaines études font le choix d’un même E/C pour tous les matériaux [58, 78,84-86].

On parle alors de formulation « iso- E/C ».

Quoi qu’il soit, les résultats de la littérature restent difficiles à comparer, les matériaux

étant significativement différents dans chacune des études. Les raisons pour cela sont

nombreuses : les constituants (polymère, sable, ciment, additifs) ne sont pas forcément les

mêmes (notamment le ciment et le sable qui sont toujours issus de productions locales) ; leurs

proportions respectives (charge minérale, E/C, teneur en polymère), les paramètres de

fabrication (malaxeur, temps de malaxage, conditions de cure) et les protocoles

expérimentaux varient en fonction des normes et des habitudes de chaque pays, des

applications visées, etc.

I.8.5. Influence du polymère sur la microstructure (Cas des latex)

La caractéristique essentielle des composites réalisés avec des latex est la formation

d’une comatrice polymère [51, 78, 85]. Justens et coll. [85] l’ont clairement mise en évidence

par une attaque du minéral à l’acide chlorhydrique (1M), comme on peut le voir sur les

micrographies figure I.19. Pour la formulation retenue, la percolation d’une comatrice

polymère continue au sein du matériau a lieu pour une teneur située entre 5 et 10 %, rapport

massique extrait sec de latex sur ciment (P/C). Un modèle simple de formation de la

comatrice a été proposé par Ohama [51] (figure I.20).

Figure I.19- Surfaces de rupture d’un composite mortier-polymère (P/C = 15%) attaqué àl’acide chlorhydrique (1M). Sur la photo a), on peut voir le polymère réticulé pontant les

grains de sable (x 100). Photo b), détails de la comatrice polymère (x 400) [85].


41

a) Après le malaxage, tous les constituants

solides du matériau sont dispersés dans la

solution aqueuse.

b) Les particules de polymère précipitent à

la surface des grains de ciment anhydres ou

partiellement hydratés

c) Avec la consommation de l’eau par

l’hydratation et le développement de la

matrice minérale, les particules se

retrouvent progressivement confinées dans

la porosité capillaire elle finissent par

floculer en une couche dense à la surface

du réseau poreux et autour des grains de

ciment.

d) Les particules coalescent pour former

des films de polymères continus au sein du

minéral déjà solidifié.

Figure I.20- Modèle simplifié de formation de la comatrice polymère au sein descomposites. D’après Justens et coll. [85] à partir des travaux de Ohama [51].

La microstructure du liant cimentaire est modifiée par l’addition de latex. À

formulation « iso-rhéologie », celle-ci apparaît plus homogène que dans le mortier témoin

[81]. C’est certainement une conséquence de l’effet fluidifiant du latex qui permet une

meilleure défloculation et une meilleure dispersion des grains de ciment. De la même

manière, les bétons–polymères réalisés ainsi présenteraient une auréole de transition moins

marquée [51, 79,81].

Sur le plan de la porosité, les composites réalisé à formulation « iso-rhéologie »

bénéficient de la diminution de E/C par rapport au mortier et un volume de poreux moins

importants [54, 79, 80]. À « iso-E/C », le volume poreux des matériaux semble rester constant

quelle que soit la teneur en latex. Dans tous les cas, il semblerait que le latex remplit les pores

capillaires, le seuil de percolation du réseau poreux déterminé par porosimétrie au mercure se

décalant vers les petits pores [79, 80, 86].


42

I.9. Durabilité des matériaux polyphasés : attaques chimiques par différentsmilieux agressifs

I.9.1. Généralités :Le fort développement du béton a conduit à l’essor d’ouvrages en béton dès la

première moitié du vingtième siècle dans le monde. Ces structures ont été conçues

prioritairement pour satisfaire à des impératifs dimensionnels et mécaniques.

Conventionnellement et par méconnaissance du comportement à long terme du matériau

béton dans son environnement, la durée de vie d’un ouvrage d’art courant était fixée à 50 ans,

par exemple pour un pont. Certains ouvrages ont atteint cet âge limite sans pour autant donner

signe de défaillance. D’autres par contre, comme des barrages hydroélectriques, ont été

victimes de gonflements du béton, une dizaine d’années seulement après leur mise en service.

Aujourd’hui, l’un des principaux enjeux du Génie Civil consiste à pouvoir garantir une

stabilité, ou du moins une maîtrise, dans le temps des propriétés mécaniques d’un ouvrage

dans son environnement. Cet enjeu, le développement durable, concerne les structures futures

ou en cours de conception, mais aussi les réalisations actuelles. Il implique à la fois une prise

en compte du comportement durable des matériaux constituant la structure et un suivi de

l’ouvrage au cours de son exploitation. Le but est de pouvoir prédire et garantir une durée de

vie d’un ouvrage autrement que par des critères conventionnels [87].

Il est essentiel que chaque structure en béton puisse conserver sa résistance et

continuer de remplir sa fonction tout au long de sa durée de vie utile. Il en résulte que le béton

doit être en mesure de résister aux mécanismes de détérioration auxquels il peut être exposé.

On dit d'un tel béton qu'il a une bonne durabilité.

Il est utile d'ajouter que le concept de durabilité ne signifie pas une durée de vie infinie, pas

plus qu'il ne signifie que le béton doit résister à n'importe quelle agression. De plus, on

constate maintenant, ce qui n'était pas toujours le cas auparavant, que, dans des cas, un

entretien régulier du béton est nécessaire [88].

La durabilité des ouvrages en béton, qui peut être définie comme étant leur capacité

d’assurer la tenue en service prévue [89], est une caractéristique très importante, surtout pour

les ouvrages importants de génie civil (ponts, silos, réservoirs, barrages, enceintes

nucléaires…), car en cas de dégradations de tels ouvrages, les conséquences seront multiples et

graves, surcoûts de réparation, limitation de la durée de vie de l’ouvrage, et dans des cas

extrêmes la ruine partielle ou totale de l’ouvrage. Donc, la prise en compte préventive des

facteurs qui peuvent affecter la durabilité des ouvrages, donc leur économie et leur sécurité, est

impérative lors de la conception et de l’élaboration de ces ouvrages.


43

a. L’action des solutions agressives

Une large bibliographie concerne la durabilité des bétons en ciment portland exposés à

différentes agressions chimiques. Les principales investigations actuelles concernent :

la nature des produits d'hydratation des phases responsables de l'attaque, et des

mécanismes de l'expansion.

l'action des différentes solutions agressives et la résistance du ciment à la corrosion, les

rôles des additions actives qui favorisent la formation des fines textures qui abaissent le

taux de diffusion des ions.

L'établissement des conditions qui accroissent la durabilité du matériau.

La figure I.21 schématise les différents types d'agression chimiques et physico-chimiques

que peuvent subir les ouvrages en bétons, et les conséquences qui en découlent.

Figure I.21- Processus de détérioration du béton [90].

I.9.2. Attaque chimique par différents milieux agressifs

Les ouvrages en béton peuvent se trouver dans des milieux, industriels ou naturels,

agressifs pour le béton et/ou l’acier des armatures. En raison des interactions du béton avec


44

des influences externes, la durabilité du béton peut être menacée et perdue. Parmi les facteurs

menaçants on site, le cycle gel/dégel, l'abrasion, corrosion d'acier, l’attaque chimique qui

peuvent détériorer le béton. ACI Committee 201 a classé les attaques chimiques comme suit :

i) attaque acide; ii) attaque alcaline ; iii) carbonatation; iv) attaque par les chlorures; v)

lixiviation et vi) attaque par les sulfates [91]. L’étude de la durabilité est l’un sujet pour les

documents de Comite of Euro-Intrenational du béton [92,93].

Le béton doit présenter une résistance chimique, lorsqu'il est exposé à des attaques

chimiques [94]. La norme EN 206 [95] définit trois classes correspondant aux degrés

d'attaques chimiques - faible (XA1), modérée (XA2) et forte (XA3). Le tableau I.5 regroupe

les sept caractéristiques chimiques, lorsque l'attaque chimique s'effectue par des sols naturels,

les eaux de surface ou l'eau de mer. Lors d'une attaque par les produits chimiques ou en cas de

vitesse d'écoulement élevée des solutions agressives, une expertise spécifique peut s'avérer

nécessaire, pour déterminer les exigences que le béton doit satisfaire.

Elément en béton XA1 XA2 XA3SO4

2- mg/l dans l'eau > 200 et < 600 > 600 et < 3000 > 3000 et < 6000SO4

2- mg/kg dans lesol en général

> 2000 et < 3000 > 3000 et < 12000 > 12000 et < 24000

pH de l'eau < 6.5 et > 5.5 < 5.5 et > 4.5 < 4.5 et > 4.0Degré d'acidité dusol

> 20 °C Baumann-Gully

CO2 mg/l dissolutionde calcaire dans l'eau

> 15 et < 40 > 40 et < 100 > 100

NH4+ mg/l dans l'eau > 15 et < 30 > 30 et < 60 > 60 et < 100

Mg2+ mg/l dans l'eau > 300 et < 1000 > 1000 et < 3000 > 3000

Tableau I.5- Valeurs limites pour les classes d'exposition en cas d'attaque chimique [95](XA1: attaque faible, XA2: attaque modérée, XA3: attaque forte).

I.9.3. Attaque chimique des matériaux polyphasés par les solutions acides

Les effluents des fours utilisant des combustibles riches en soufre et effluents des

industries chimiques peuvent contenir de l’acide sulfurique. La décomposition des matières

organiques dans les égouts, les silos ou dans les réservoirs d’entreposage peut conduire à la

formation de H2S (gaz) qui peut être transformé en acide sulfurique par l’activité bactérienne

[96].

Généralement, le béton résiste bien aux attaques chimiques, à condition que sa

composition soit appropriée et que le béton soit correctement consolidé. Il y a cependant

quelques exceptions. Tout d’abord, les bétons contenant du ciment Portland, hautement alcalin,

ne résistent pas aux attaques acides forts ou des composés qui peuvent se transformer en acide.


45

Par conséquent, à moins qu’il ne soit protégé, le béton ne devrait pas être utilisé lorsque ce type

d’attaque peut se produire.

De façon générale, l’attaque chimique du béton prend la forme d’une décomposition des

produits de l’hydratation et de la formation de nouveaux composés qui, s’ils sont solubles

peuvent être lessivés et qui, s’ils sont insolubles, peuvent être préjudiciables in situ. Les

substances agressives doivent être en solution. Le Ca(OH)2 est l’hydrate le plus vulnérable,

mais les CSH peuvent aussi être attaqués. Les granulats calcaires sont généralement

vulnérables.

Le tableau I.6 donne une liste limitée de certaines substances agressives. En outre, les

indications spécifiques de quelques autres substances agressives sont données ci-dessous :

AcidesInorganiques Organiques

CarboniqueChlorhydriqueFluorhydriqueNitriquePhosphoriqueSulfurique

AcétiqueCitriqueFormiqueHumiqueLactiqueTannique

Autres substancesChlorure d’aluminiumSels d’ammoniumHydrogène sulfuré

Graisses végétales et animalesHuiles végétalesSulfates

Tableau I.6- Liste de quelques substances pouvant provoquer de graves attaques chimiques aubéton [97].

Le béton peut être attaqué par des liquides dont le pH est inférieur à 6.5 [98], mais cette

attaque ne devient grave que pour des pH inférieures à 5.5 ; en dessous de 4.5, l’attaque de vient

très sévère. Une concentration de CO2 comprise entre 30 et 60 ppm entraîne une attaque sévère

et si elle est supérieure à 60 ppm l’attaque sera très sévère.

L’attaque progresse à une vitesse approximativement proportionnelle à la racine carré du

temps du fait que la substance agressive doit traverser la couche résiduelle des produits de

réaction de faible solubilité, qui subsistent après que le Ca(OH)2 a été dissous. Ainsi ce n’est pas

seulement la valeur du pH, mais aussi la capacité des ions agressifs à se mouvoir qui influence

la progression de l’attaque [98]. De plus, la vitesse de l’attaque diminue lorsque le granulat est

atteint, car la surface vulnérable est plus faible et le milieu agressif doit contourner les granulats

[98].

Le béton et aussi attaqué par l’eau contenant du CO2 libre, telles les eaux minérales, qui

peuvent aussi contenir du sulfure d’hydrogène. Tout le CO2 n’est pas agressif par ce qu’une


46

partie de ce CO2 est nécessaire pour former et stabiliser le bicarbonate de calcium dans la

solution.

Les pluies acides, qui contiennent principalement de l’acide sulfurique et de l’acide

nitrique, ayant un pH entre 4.0 et 4.5, peuvent provoquer de la dégradation de la surface

exposée de béton [99]. Quoique les eaux usées domestiques elles-mêmes soient alcalines et

n’attaquent pas le béton, on a observé dans plusieurs cas d’importants désordres dans des

égouts, en particulier à des températures assez élevées [100], lorsque des composés

contenants du soufre sont transformés en H2S par des bactéries anaérobies. Ce composé n’est

pas en lui-même un agent destructeur, mais il est dissout par le mince film d’humidité

recouvrant la surface du béton et subit une oxydation par les bactéries aérobiques, ce qui

produit finalement de l’acide sulfurique. L’attaque apparaît donc au dessus de l’eau à

l’intérieur de la canalisation. La pâte de ciment durci est dissoute graduellement provoquant

une détérioration progressive du béton [101]. Une forme d’attaque assez similaire peut

survenir sur les réservoirs de stockage pétrolier en haute mer [102].

L'acide sulfurique est un acide très agressif qui réagit avec la chaux libre Ca(OH)2 dans

le béton et forme du gypse (Ca SO4.2H2O). Cette réaction est associée à une augmentation du

volume du béton par un facteur de 2.2 [103-104]. Une action bien plus destructive est la

réaction entre l'aluminate de calcium et les cristaux formés de gypse. Ces deux produits

forment l'ettringite (3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O) moins soluble de produit de réaction. Ces

composés très expansifs causent la pression interne dans le béton, qui mène à la formation aux

fissures [105]. La surface corrodée devient molle et blanche. Quand la corrosion continue, la

structure en béton corrodé perd sa propriété mécanique. La diminution du dosage du ciment

dans le béton peut être bénéfique [106], à condition, bien sur, que la masse volumique du

béton reste intacte.

Différents essais physiques et chimiques ont été mis au point [107] pour évaluer la

résistance du béton aux acides, mais il n’existe aucune méthode normalisée. Il est essentiel

que ces essais soient effectués dans des conditions réalistes, car, lorsque de l’acide concentré

est utilisé, tous les ciments se dissolvent et l’évaluation de leur qualité relative devient

impossible. Pour cette raison, la prudence est de mise lors de l’interprétation de résultats

d’essais accélérés.

L’utilisation de ciments composés qui comportent du laitier de haut fourneau, des

pouzzolanes et, en particulier, de la fumé de silice, est bénéfique dans la mesure où ces

ciments rendent plus difficile la pénétration des substances agressives. L’action

pouzzolanique contribue aussi à fixer le Ca(OH)2 qui, de tous les produits de l’hydratation, est


47

celui qui est le plus sensible aux attaques à l’acide. Malgré tout, la performance du béton

dépend plus de sa qualité que du type de ciment utilisé. La résistance du béton aux attaques

chimiques est améliorée lorsque, après une période de mûrissement appropriée, il peut sécher

avant d’être exposé. Une fine couche de carbonate de calcium (due à la réaction du CO2 avec

la chaux) se forme, bouchant les pores et réduisant la perméabilité de la zone superficielle. Il

s’ensuit que le béton préfabriqué est habituellement moins vulnérable aux acides que le béton

coulé sur place. On peut obtenir une bonne protection du béton à l’égard des attaques acides

en plaçant le béton préfabriqué sous vide en présence de tétrafluoride de silicium gazeux

[108]. Ce gaz réagit avec la chaux :

2 Ca(OH)2 + SiF4 2CaF2 + Si(OH)4

Le Ca(OH)2 peut aussi être fixer par un traitement avec du silicate de sodium dilué.

Des silicates de calcium sont alors formés et remplissent les pores. Un traitement au

fluorosilicate de magnésium est aussi possible. Les pores se remplissent et la résistance du

béton aux acides est également légèrement augmentée, probablement à cause de la formation

d’un gel silicofluorique colloïdal. Il existe plusieurs méthodes de traitement de surface [109].

I.9.3.1. L’application d’ouvrage durable en Composites de Béton-Polymère(Concrete-Polymer Composites « C-PC ») : Moyens de prévention

Le béton polymère-modifié (PMC) a été un matériau de construction populaire dû à

ses excellentes propriétés en comparaison avec le béton ordinaire. Il est produit en utilisant le

polymère afin d'améliorer son ouvrabilité, propriété mécanique et durabilité [110-112]. Les

articles d’Ohama [55] et de Fowler [113] passe en revue les développements et les utilisations

du béton polymère-modifié. Cependant, il y a quelques études au sujet de l'utilisation du

polymère pour le béton léger (lightweight aggregate concrete « LWAC »).

Les effets de la modification du latex de styrène-butadiène (SBR) sur la durabilité du

béton léger ont été étudiés par des chercheurs [114]. La résistance à la corrosion, la résistance

chimique et l'absorption de l'eau de LWAC SBR-modifié ont été analysées et comparées au

LWAC non modifié. Les résultats de cette étude démontrent que la performance de LWAC

SBR-modifié exposé aux environnements agressifs chimiques était meilleure que la non

modifiée.

Ainsi la perte de poids des échantillons de LWAC SBR-modifié immergés dans des

solutions acides telles que H2SO4, CH3COOH et HCl est significativement inférieure que celle


48

observé pour le LWAC non modifié. Dans les solutions de NaOH et NaClO la perte de poids

des échantillons modifiés et non modifiés était jusqu’à 84 jours inférieur de 1% [114].

D’autres études montrent que le béton polymère–modifié présente une résistance plus

élevée contre les liquides agressifs tels que l’acide lactique, acétique et sulfurique, comparé au

béton ordinaire [105, 115-117].

Les applications larges du béton modifié par latex (Latex Modified

Concrete « LMC ») [79, 118] invite des chercheurs à mener à bien les travaux étendus afin

d'établir une bonne base pour ce développement. D'autre part, la comparaison des résultats

d'essai obtenus par différentes équipes de recherche reste difficile. Ceci pourrait être attribué

aux différences dans les matières premières utilisées (ciment, agrégats, et latex), les

proportions de mélange, mode de cure, la préparation des spécimens et des méthodes d'essai.

La durabilité des structures en béton renforcées représente un souci important à

beaucoup d'investigateurs. L'utilisation du béton modifié par latex (LMC) dans la construction

a permis de passer en revue et étudier ses différentes propriétés [79].

- Le LMC assure une meilleure protection au renfort en acier, contre la corrosion induite par

les chlorures sur les structures exposées à l'environnement de concentration élevé du chlore

tel que les recouvrements de pont.

- La résistance de LMC à l'érosion, et la solution de sulfate se sont avérées considérablement

importante comparée à ceux du béton conventionnel.

- Le LMC offre beaucoup d’avantage pour des structures où la durabilité est le souci principal

[79].

La réduction de la tenue en service d’une construction en béton renforcée est un souci

permanent rencontré dans l'industrie du bâtiment de par le monde. La détérioration du béton

due à la corrosion d'armature liée aux conditions climatiques douces, tandis que dans les

régions chaudes et arides, ce problème est causé par une combinaison des conditions

environnementales, des agrégats marginaux et des méthodes inadéquates de construction.

La réparation et le rétablissement des structures en béton détériorées sont essentiels

non seulement pour les mettre en service mais aussi, pour assurer une sûreté et une utilité des

composants associés. Une bonne réparation améliore la fonction et l'exécution de la structure.

Elle reconstitue et augmente sa force et rigidité, elle améliore l'aspect de la surface du béton et

empêche l'entrée de l'espèce agressive à l'interface du béton/acier. Ce qui améliore sa

durabilité.

Plusieurs matériaux de réparation sont lancés sur le marché pour la réparation des

structures en béton détériorées. Parmi les ces matériaux utilisés, on trouve le ciment, résines


49

époxydes, résines de polyester, polymère latex et le polyvinyl acétate. Les matériaux à bases

de ciment et les résines de polymère / époxy sont les plus utilisés comme matériaux de

réparation [119-122]. Ces matériaux se composent, pour la plupart du temps, d'un mortier

conventionnel de ciment incorporant souvent des mélanges spéciaux et imbibés d'un ou

plusieurs additifs, tels que le polymère, la fumé de silice et les cendres volantes ou d'autres

sous-produits industriels.

Les matériaux ciment polymère-modifié de réparation sont employés pour surmonter

les problèmes liés aux matériaux à base de ciment (cement-based) de réparation de longue

durée. Au cours de ces dernières années, différents polymères ont été employés dans la

réparation et l'entretien des bâtiments et d'autres structures. De tels mortiers où le polymère

est présent en leur sein, assurent la même protection alcaline de passivation à l'acier de

renforcement, de même ordre que les matériaux conventionnels de ciment [123-124]. Les

polymères sont habituellement employés dans les mélanges ; ils sont fournis en tant que

particules blanches et laiteuses jouant le rôle dispersif dans l'eau. Á cause de leur état, ces

polymères sont employés dans l'ensemble comme remplaçant partiel de l'eau de mélange. Ils

peuvent jouer un rôle de plastifiant pour produire un mortier, avec une bonne ouvrabilité.

Les acétates polyvinyliques, le latex du styrène-butadiène et le dichlorure

polyvinylique sont les plus utilisés dans les mortiers de ciment. Dans le développement

récent, les polymères utilisés sous forme de poudres séchées, sont mélangées dans l’usine

avec du sable évalué, ciment, et d'autres additifs pour produire des mortiers de liaison.

La recherche fondamentale concernant la construction du bâtiment, vise la

microstructure du béton de polymère-ciment (PCC) en fonction des propriétés du polymère,

des propriétés de ciment et des conditions de cure. Une étude [125] a proposée un modèle

intégré qui explique le mélange des phases pendant le durcissement simultané du polymère et

l’hydratation de ciment d’un PCC-mortier ou d'un PCC-béton. Le modèle aide dans

l’explication du comportement des composites de béton-polymère sous l'attaque chimique,

comme c’est le cas de l'acide sulfurique, l’observation des photos obtenus par MEB (figures

I.22 et I.23).

La figure I.22 montre l'attaque par l'acide sulfurique dans un pore de béton, modifié

avec le polymère SAE. Au fond du pore, les cristaux fins de CaSO4 sont mis en évidence.

Aux bords du pore, le mélange des hydrates de ciment et le film de polymère apparaissent de

façon nette sur les photos. Comme on peut voir sur la figure I.23, les cristaux de CaSO4 se


50

développent par couche dans le composite. Probablement, la quantité de polymère était trop

petite pour former un film continu interdisant de fait la croissance des cristaux [125-126].

Figure I.22- PCC, SAE, 50x. [125] Figure I.23- PCC, SAE, 150x. [125]

I.9.4. Mécanisme d’attaque par les acides

Le béton et très alcalin en nature, il est extrêmement susceptible à l’attaque de l’acide.

Le mécanisme pour ce processus est très simple. De façon générale, les réactions chimiques

et/ou l'élimination physique n'endommage qu'un ou deux composants de la pâte de ciment. Le

tableau I.7 mentionne les composants du béton menacés par la corrosion.

Composants du béton Désignation Formule chimiquePâte de ciment Hydroxyde de calcium

(CH) Silicate de calciumhydraté (CSH)Aluminate de calciumhydratéAluminate de calciumferrique hydraté

Ca(OH)23CaO·2SiO2·3H2O

3CaO·Al2O3·6H2O

6CaO·Al2O3·Fe2O3·12H2O

Granulats Calcaire (Carbonate decalcium)DolomiteGrès amorphe

CaCO3

CaMg(CO3)2

SiO2·xH2OTableau I.7- Composants du béton menacés par la corrosion [127].

On distingue deux types de détérioration:

i- L'agression résolvante

ii- Le gonflement


51

i- Agression résolvante

Lorsqu'il y a suffisamment d'eau en qualité de fluide de transport, les composants de la

pâte de ciment sont détachés de la surface par l'eau douce ou les substances chimiques

nuisibles qu'elle contient. Les granulats non-solubles et des parties de la pâte de ciment durcie

sont alors mis à nu, ils se forment une surface en forme de "béton lavé" et la porosité

augmente [127].

L’attaque par l’acide est provoquée par la réaction d’un acide et la partie d’hydroxyde

de calcium (Ca (OH) 2) de la pâte de ciment qui produite un sous-produit de sel de calcium

fortement soluble. Ces sels de calcium solubles sont facilement enlevés de la pâte de ciment

affaiblissant de ce fait la structure de la pâte dans l’ensemble. Cette réaction de base est

montrée ci-dessous.

Acide X + CH CX + H

Acide + Hydroxyde de calcium Sel de calcium + eau.

Des acides plus agressifs tels que les acides chlorhydriques, acétiques, nitriques, et

sulfuriques produisent les sels de calcium qui sont très solubles. Les acides moins agressifs

tels que les acides phosphoriques et humiques produisent des sels de calcium avec une faible

solubilité. Ces sels de basse solubilité peuvent agir en tant qu’inhibiteur partiel au processus

global en bloquant les pores dans la pâte de ciment par lesquels l’eau passe. Ceci réduit la

quantité de sels de calcium qui entrent dans la solution et retardent le processus global.

Un cas plus agressif et plus destructif d’attaque par l’acide se produit lorsque le béton

est exposé à l’acide sulfurique. Le sel de calcium produit par la réaction de l’acide sulfurique

et de l’hydroxyde de calcium est un sulfate de calcium qui cause alternativement une

dégradation accrue due à l’attaque de sulfate. Ce processus est illustré ci-dessous.

H2SO4 + Ca(OH) 2 Ca (SO4) + 2H2O

Acide sulfurique + hydroxyde de calcium sulfate de calcium + eau.

(Le produit de sulfate de calcium contribue à l’attaque de sulfate).

La dissolution de l’hydroxyde de calcium provoquée par l’attaque acide procède en

deux phases. La première phase étant la réaction acide-hydroxyde de calcium dans la pâte de

ciment. La deuxième phase étant la réaction acide-silicate de calcium hydraté, cette phase ne

commencera pas jusqu’à ce que tout l’hydroxyde de calcium soit consommé. La dissolution

de silicate de calcium hydraté, dans les cas les plus avancés de l’attaque par l’acide, peut

endommager considérablement le béton.


52

Les attaques acides sont, dans leur principe, similaires au phénomène de lixiviation.

En effet, l'acide réagit avec la portlandite qui est dissoute, puis avec les autres hydrates qui

sont décalcifiés. On mettra de côté ici l'action des acides forts comme l'acide chlorhydrique ou

l'acide nitrique, qui dissolvent entièrement le béton, conduisent à un recul de l'interface

matériau-acide, et pour lesquels une protection de surface du béton est absolument nécessaire.

La nocivité de l'attaque acide dépend essentiellement de la solubilité du sel formé par

réaction avec la portlandite. Par exemple, pour l'acide oxalique on a:

(COOH) 2 + Ca (OH) 2 Ca (COO) 2 + 2H2O

Le sel formé (oxalate de calcium) est insoluble dans l'eau et donc le béton n'est pas

endommagé. C'est aussi le cas avec les acides phosphorique et tartrique.

Dans d'autres cas, comme celui de l'acide acétique, on a:

2 CH3COOH + Ca (OH) 2 Ca (CH3COO) 2 + 2 H2O

Le sel formé (acétate de calcium) est très soluble dans l'eau. Comme dans le cas de la

lixiviation, la porosité augmente alors et on observe une altération des propriétés du béton.

Parmi les acides fonctionnant sur ce modèle, on citera également les acides lactique et

formique, issus par exemple de l'industrie agro-alimentaire.

Le cas de l'acide carbonique (solution aqueuse de CO2) est un peu particulier. En effet,

comme dans le cas du CO2 sous forme gazeuse, l'acide carbonique réagit avec la portlandite

pour former de la calcite. Mais, s'il y a du CO2 en excès et si l'eau est douce, la calcite va

réagir avec l'acide carbonique pour donner du bicarbonate de calcium très soluble dans l'eau

(165g/l). Il y a alors lixiviation. L'agressivité d'une eau contenant du gaz carbonique dépend

donc de la quantité de gaz dissous et de la dureté de l'eau.

H2CO3 + Ca(OH)2 CaCO3 + 2H2ODioxyde de carbone Calcite

H2CO3 + CaCO3 CaH2 (CO3)2

Bicarbonate de calcium

Le tableau I.8 résume quelques solubilités des sels de calcium formés à partir

différentes attaques acides :


53

Sel de calcium d’acide correspondant Solubilité dans l’eau (wt. %)Sulfate de calciumChlorure de calciumNitrate de calciumFluorure de calciumFormiate de calciumAcétate de calciumPropionate de calciumOxalate de calciumLactate de calciumHydroxyde de Calcium

0.246.0856.000.0235.252.044.06.7 x 10-4

1.050.19

Tableau I.8- solubilité de sels de calcium de quelques acides [128].

Les graisses et huiles d'origine végétale et animale réagissent avec l'hydroxyde de

calcium pour former des sels d'acides gras. L'effet de dégradation sur le béton dépend

principalement de la solubilité dans l'eau des produits de réaction formés.

La pâte de ciment fortement alcaline (valeur pH env. 12.5) offre une excellente

résistance aux bases. Seules des bases très fortes (hydroxyde de sodium ou potasse caustique,

> 20 %) attaquent l'alumine de la pâte de ciment et les granulats amorphes.

ii- Effet d'éclatement lié au gonflement

Les attaques sous la forme de gonflement sont provoquées par les réactions des

matières transportées dans la structure susceptibles de donner naissance à des formations

nouvelles très volumineuses. A l'état plastique, les pressions de cristallisation et d'hydratation

sont neutres étant donné qu'il y a des possibilités de déformation. Ce n'est qu'après un état de

durcissement minimal que les réactions de gonflement peuvent causer des dommages. (C'est

pourquoi une eau contenant des sulfates peut tout à fait être appropriée en qualité d'eau de

gâchage, bien qu'elle causerait des dommages ultérieurement au béton durci.)

Gonflement dû aux sulfates [129]

Les sulfates dissous dans l'eau ont une capacité de mouillage élevée et pénètrent

rapidement et en profondeur dans le béton.

3 CaSO4 + 3CaO·Al2O3·6H2O + 26H2O Al2O3 ·3CaSO4·32H2O

Sulfate de calcium Aluminate tétracalcique hydraté Ettringite

Ils réagissent ici avec l'aluminate de calcium hydraté et l'eau pour former le très

volumineux sulfate tricalcique d'aluminate, appelé également trisulfate ou Ettringite.

Les sulfates solubles dans l'eau peuvent également endommager la structure du béton sous

forme de cristaux de gypse [CaSO4·2H2O] qui occasionnent le gonflement. Il peut y avoir

d’autres gonflements dus aux calcaires, magnésium et alcalins.


54

I.10. Pénétration des Chlorures – Corrosion des Armatures

I.10.1. Introduction

Les environnements maritimes sont parmi les milieux naturels les plus agressifs vis-à-

vis des matériaux à matrice cimentaire. En terme de composition chimique, par exemple, la

présence d’ions étrangers à la solution interstitielle, tels que les ions chlore ou magnésium

peut conduire à la formation de précipités, la dissolution ou la modification de la structure de

certaines phases, au sein de la matrice cimentaire. A l’échelle de structures en béton armé, des

risques de corrosion des armatures sont à considérer, à la suite de la pénétration d’ions chlore

ou d’un abaissement du pH de la solution interstitielle.

A ces agressions d’origines chimiques, l’eau de mer est source, pour un matériau

cimentaire, d’agressions physiques et mécaniques. La houle et les vagues sont des

sollicitations mécaniques qui peuvent abraser la surface de la structure en béton. L’alternance

des marées provoque, dans la zone de marnage, des cycles de mouillage/séchage. Des

organismes tels que les algues peuvent se fixer et altérer la surface du matériau.

Dans la zone immergée, le matériau béton est constamment saturé. L’agression

chimique due à l’eau de mer y est prépondérante. Cette zone se caractérise par une évolution

importante de la microstructure de la pâte de ciment. En particulier, il se forme à la surface du

matériau des couches de carbonates de calcium (calcite et aragonite) et d’hydroxyde de

magnésium, qui ont tendance à imperméabiliser la paroi. Plus en profondeur, sur une

épaisseur plus ou moins importante le matériau subit une attaque sulfatique.

Dans la zone de marnage, puisque le matériau est partiellement soumis à l’eau de mer,

les couches protectrices de carbonate de calcium et d’hydroxyde de magnésium ont une

épaisseur plus faible. Le matériau est soumis à une agression mécanique provoquée par les

vagues, et par des cycles de mouillage/séchage, ce qui se traduit par l’apparition de fissures et

par une abrasion de la surface.

Lorsque les ions chlore atteignent les armatures de béton armé, il y a un risque de

corrosion de ces armatures et par conséquent de fissuration du béton. En partie totalement

émergée, le matériau est soumis aux embruns et par conséquent à une alternance de cycles de

séchage/humidification, initiant la corrosion des armatures en béton armé qui induisent une

fissuration du matériau.


55

I.10.2. LES CHLORURES : UN IMPORTANT FACTEUR DE RISQUE

Les ions chlorures Cl- pénètrent dans le béton et provoquent, à partir d’une certaine

concentration dans la solution des pores, au niveau des armatures, la destruction locale du

film de passivation et l'initiation d’une corrosion localisée.

Ce phénomène peut se produire très rapidement. La pénétration des chlorures

représente le premier processus de détérioration par corrosion en terme de coûts.

I.10.2.1 ENVIRONNEMENT FAVORABLE : LES MILIEUX MARINS ET ROUTIERS

La présence des ions chlorures dans le béton peut être d’origine interne (cas

d’utilisation d’adjuvants chlorés, de gâchage à l’eau de mer, granulats contaminés) ou externe

(cas des ouvrages soumis à un environnement marin ou des sels de déverglaçage [Figures

I.24-25]).

Figure I.24- Quai en bord de mer [130] Figure I.25- Pont routier enneigé [130]

I.10.2.2. DIFFERENTS TYPES D'EXPOSITION À CONSIDERER

Les conditions d'exposition de la structure à l'environnement sont un facteur clef pour

la modélisation des ouvrages soumis à la corrosion par les chlorures. Suivant le type

d'exposition, on considère différents mécanismes de transport des ions chlorures (Figures

I.26-27).


56

Figure I.26- Environnement marin [131]. Figure I.27- Environnement routier [132].

I.10.3. DES FACTEURS D'INFLUENCE NOMBREUX ET VARIABLES

Les facteurs qui influencent la pénétration des chlorures sont les propriétés des

matériaux (composition du ciment, porosité du béton, pH, …), la réalisation de la construction

(temps de cure,…) et les actions de l’environnement (concentration en chlorures, température,

humidité relative…).

Les caractéristiques du réseau poreux (porosité, distribution des tailles de pores,…)

déterminent les propriétés de transfert et sont donc un paramètre de premier ordre dans

l'évaluation et la prévision de la durabilité des structures en béton. Ces propriétés de transport

du béton vont évoluer dans le temps, du fait par exemple de la fissuration ou de la

carbonatation, qui modifient le réseau poreux.

La cinétique de corrosion doit être réévaluée de façon continue en fonction des

modifications du matériau et de l'environnement.

I.10.4. COMMENT PREDIRE LES DEGRADATIONS ?

On s’intéresse à la phase d’incubation, pendant laquelle les ions chlorures pénètrent

dans le béton. On étudie la concentration en ions chlorures au niveau des armatures et on la

compare avec la valeur seuil ou concentration critique, définie comme la quantité minimum

de chlorures au niveau de l'armature pouvant provoquer une corrosion de celle-ci. Cette valeur

est influencée par de nombreux paramètres, tels la microstructure au contact des armatures,

l'alcalinité du béton, l'état de surface de l'acier…


57

Figure I.28- Concentration en chlorures au niveau d'une armature [130].

La pénétration des chlorures faits partie d'une problématique impliquant le transport

ionique et les interactions avec la matrice. Deux phénomènes principaux sont donc étudiés :

Le processus de transport des chlorures dans le béton, dont les modes principaux

sont : la diffusion (mouvement ionique sous un gradient de concentration), la

convection (mouvement ionique avec un flux de fluide) et la migration

(mouvement ionique sous un champ électrique naturel ou imposé) ;

la liaison des ions chlorures dans la pâte de ciment, influencée par la composition

du béton et le degré de carbonatation.

Certains modèles plus complets considèrent le transport couplé des principales espèces

ioniques présentes dans la solution interstitielle (chlorure, sodium, potassium, hydroxyde).

Il existe ainsi deux types de modélisations, aux objectifs différents mais

complémentaires :

- des modélisations théoriques affinées, destinées à la recherche scientifique ;

- des modélisations simplifiées, destinées à une utilisation de type ingénieur et permettant le

couplage avec des bases de données et des méthodes probabilistes.

I.10.5. Mécanisme de l’attaque par les chlorures

La pénétration des ions chlore est un mécanisme très complexe qui fait intervenir un

très grand nombre de paramètres. Ces paramètres sont : [133]

1. Le type d’environnement

- Le type de chlorures

- La concentration en chlorures

- La température

- L’humidité relative


58

2. les paramètres de formulation du béton

- le type de liant

- le dosage en liant

- le rapport Eau / liant

Les chlorures peuvent pénétrer la surface du béton par deux types de mécanismes de

transport :

Sorptivité capillaire

Les chlorures en solution sont d’abord « entraînés » dans les pores en même temps que

l’eau absorbée (lors des cycles de mouillage séchage par exemple).

Diffusion en phase liquide

Au –delà de la zone d’absorption la pénétration des chlorures s’effectue par diffusion.

Une partie des ions peut être « piégée » dans la pâte de ciment. IL existe deux mécanismes

de captage des ions :

Adsorption sur les surfaces internes des hydrates ou des pores.

Interactions chimiques avec les aluminates pour former des chloroaluminates de

calcium (sel de Friedel- C3A.CaCl2.10H2O) qui sont relativement peu

dommageables.

- Les facteurs d’impact [134]

Les chlorures se présentent dans les matériaux cimentaires sous deux formes : en

solution interstitielle (chlorures libres) et liée (chlorures fixés). Les chlorures se fixent dans le

béton de deux façons : physiquement, adsorbés sur les parois solides dans les pores, ou

chimiquement par réaction avec certains composés du ciment.

3. Interactions physiques

- Surface offerte par les pores et nature de ces surfaces :

Les interactions physiques sont caractérisées par deux paramètres principaux : surface

offerte par les pores et nature des hydrates : forme, composition, … Les hydrates formés vont

donc conditionner la surface de contact offerte aux chlorures.

Les CSH (produits de l’hydratation de C3S, C2S et des réactions pouzzolaniques), les

CAH et CAFH (produits de l’hydratation de C3A, C4AF et des réactions pouzzolaniques)

ayant une grande surface spécifique, contribuent à la fixation physique des chlorures par

adsorption.

- Rapport CaO/SiO2 :

La capacité de fixation physique de chlorures dans le béton dépend du rapport

CaO/SiO2. Un faible rapport CaO/SiO2 conduit à une faible fixation des chlorures car la


59

charge positive à la surface des pores est petite, ce qui réduit l’adsorption des ions négatifs

[135].

4. Interactions chimiques

La fixation chimique des chlorures a lieu sur les aluminates de calcium et les

aluminoferrites de calcium en formant des monochloro-aluminates de calcium hydratés (sel de

Friedel) C3A.CaCl2.10H2O ou monochloro-ferrites de calcium hydratés

3CaO.Fe2O3.CaCl2.10H2O [136-138].

C3A + CaCl2 + 10H2O → C3A.CaCl2.10H2O (Eq. I.1)

(Sel de Friedel)

C4AF + CaCl2 + 10H2O→ C3F.CaCl2 .10H2O (Eq. I.2)

- Teneur du ciment en C3A et C4AF :

D’après certains chercheurs [139-141], la fixation chimique des ions chlore dépend

des caractéristiques du ciment utilisé, principalement de la proportion d’aluminate C3A et

d’alumino-ferrite C4AF présents dans le clinker.

Le pourcentage de C3A et C4AF peut être un facteur important qui influe sur la

fixation chimique des chlorures : le C3A réagit avec les chlorures pour produire en général le

sel de Friedel (Eq. I.1) ; le C4AF réagit avec les chlorures en donnant un chloro-ferrite,

analogue au sel de Friedel (Eq. I.2).

Cette hypothèse est claire dans le cas où les ions chlore sont présents dans les

matériaux au moment du coulage (chlorures internes) du fait qu’ils peuvent réagir rapidement

avec le C3A et le C4AF [139-141]…Cependant, dans le cas où les ions chlore pénètrent

ultérieurement à l’intérieur du béton (chlorures externes), il existe des contradictions [142-

144] dans la littérature.

Le pourcentage de C3A et C4AF dans les matériaux CEM V étant plus grand que celui

dans les matériaux CEM I, ce paramètre conduit à une fixation plus grande dans les matériaux

CEM V dans le cas de chlorures internes.

- Cation associé à Cl- :

Des résultats de recherches présentent différentes capacités de transport et de fixation

des chlorures selon le cation associé à Cl-. C. ARYA [139] a constaté que la fixation et la

pénétration de chlore dans le béton augmentent suivant l’ordre NaCl, CaCl2, MgCl2.


60

I.10.6. Influence de la nature du liant et additions minérales ou organiques surle coefficient de diffusion des chlorures

La détérioration des structures en béton armé due à la corrosion induite par les

chlorures cause des pertes substantielles pour l'industrie de la construction chaque année. Les

réparations sont nécessaires et chers à cause de la corrosion des armatures qui affecte la

sécurité et le fonctionnement des structures. Par conséquent, il est nécessaire de déterminer le

taux de pénétration des chlorures dans les structures en béton. Différentes méthodes d'essai

sont disponibles pour évaluer la résistance des bétons vis-à-vis de la pénétration des chlorures

et proposent soit un coefficient de diffusion des ions chlorure ou un indice de la résistance du

béton à la pénétration d'ions chlorure.

Comme les tests de diffusion de base demandent plusieurs mois pour déterminer le

coefficient de diffusion, les chercheurs ont mis au point des méthodes de test rapides. Le

transport des ions chlorure est accéléré à l’aide d'un champ électrique [1-5] et fait partie des

tests de migration dont les résultats ont montré une bonne corrélation avec ceux de la

diffusion de base.

Une étude faite par Ohama et al. [145] touchant les bétons-modifiés par polymère

(PMC), a montré que le changement de poids et la pénétration des ions chlorure des PMC

après immersion dans l’eau d’océan substitué (NaCl à 2.4%) et la solution saturé de NaCl à

26.4% pendant 28 et 91 jours, diminuent significativement que ceux des bétons non modifiés,

et tendent de décroître avec l’augmentation du rapport ciment-polymère (%). Ils ont expliqué

que cela par la réduction de nombre de pores existant et par une meilleure résistance à

l'absorption de solutions de NaCl avec une augmentation du rapport de ciment-polymère.

Ohama et al. [146] ont montré aussi que la diffusion des ions chlorure dans les

mortiers et bétons modifiés par polymères diminue significativement. Les résultats obtenus

donnent une idée sur les cœfficients apparents de diffusion (Da) des ions chlorures des

mortiers et bétons modifiés par les latex suivants : styrène-butadiène (SBR), éthylène-acétate

de vinyle (EVA) et le polyacrylique ester (PAE) à 10% et 20%, dans un milieu d’eau d’océan

substitué par 2.4% NaCl. La résistance à la pénétration des ions Cl- des mortiers et bétons

modifiés par les latex, accroît avec l’augmentation des pourcentages de substitution dans le

rapport de ciment-polymère.

Ohama et al. [147] ont étudié aussi l’effet de substitution des latex SBR, EVA et PAE

à 10% et 20%, sur la résistance chimique aux chlorures des mortiers-modifiés par polymères.

Pour simuler les conditions d’environnement chimiques, ces auteurs ont utilisés les solutions


61

de NaCl à différentes concentrations suivantes: 0.5, 1.0, 2.5, 5.0, 10.0 et 26.4% (saturée)

pendant 14, 28 et 91 jours d’immersion. Selon la norme UNI 7928 [148], ils ont pu déterminer

la pénétration d’ions chlorures par l’ajout d’une solution d’AgNO3 à 0.1N. Ainsi, en

appliquant la 2ème loi de Fick [149], ils trouvés qu’indépendamment des types de polymère et

des concentrations des solutions de NaCl, les mesures de poids, la profondeur de pénétration

des ions Cl- et les cœfficients apparents de diffusion (Da) des ions chlorures des PMM sont

nettement plus inférieure que celle du mortier non modifié, et tendent généralement à

décroître avec l’augmentation du rapport de polymère-ciment.

Ohama et al. [150] ont étudiés l’effet de pénétration d’ion chlorure sur les propriétés

des mortiers-modifiés par polymères (PMM) tels que SBR, EVA et PAE, avec les adjuvants

chimique sous attaque de 2.5% NaCl pendant 7 jours. Ils ont utilisés le polyalkyl aryl

sulfonate (WRA) (réducteur d’eau) et le monométhyl diéthanolamine (AM) comme adjuvants

aux PMM. Ils ont trouvés que la résistance des spécimens contenant WRA améliore à peine

leurs résistance à la pénétration d’ions chlores et la carbonatation, alors que l’ajout de

l’adjuvant AM aux spécimens améliore significativement la résistante à la pénétration d’ion

Cl- et la carbonatation à cause de l’adsorption des ions Cl - et le dioxyde de carbone CO2 par le

AM. Ils suggèrent aussi, que la combinaison des adjuvants polymérique tels que les

dispersions des polymères et AM donne des améliorations notables vis-à-vis de la pénétration

des ions Cl- et la carbonatation.

Pour une détermination rapide de la pénétration d'ions chlorure, une méthode de test

rapide a été développé par Whiting [151], et elle a été largement utilisé dans les USA et

Canada. Selon cette méthode, la perméabilité aux ions chlorure des bétons-modifiés par les

latex est vérifiée par la charge totale passée à travers les échantillons, et évalués par les

notations de perméabilité des ions chlorure. Cette méthode d'essai a été publiée et connu sous

le nom de la norme ASTM C 1202 [152]. L’étude de Welters [153] présente la perméabilité

aux ions chlore de cinq types de mortiers modifiés par les latex avec un rapport ciment-

polymère de 15%, selon la norme ASTM C1202. Il a conclu que seul, le mortier modifié par

le poly(acétate de vinyle) PVAC, donne de bons résultats alors que les quatre autres types de

mortiers modifiés par les latex fournissent des valeurs de perméabilité aux ions chlorure dans

les gammes de modérée à faible. Le mortier modifié par PVAC donne une valeur élevé de la

perméabilité aux chlorure, en raison de l'hydrolyse des du poly(acétate de vinyle).

Les travaux de Kuhlmann [154] ont indiqué que la perméabilité aux ions chlorure des

bétons modifiés par SBR placé en superpositions, dont les échantillons ont été prélevés dans


62

plusieurs localités à travers les Etats-Unis, a été très faible quel que soit les lieux

d'échantillonnage, et a diminué significativement avec l'âge.

Marusin [155] a déterminé la teneur de la pénétration des ions Cl- des bétons modifiés

par les acryliques et SBR, par la méthode de titrage potentiométrique des ions chlorure

existant dans la poudre broyé des spécimens, et a montré que les bétons à la fois modifiés au

latex ont des performances similaires à pouvoir réduire au minimum la pénétration des ions

chlorure.

Dans ce domaine précis, les articles d’Ohama [55] et de Fowler [113] passent en revue

les développements et les utilisations du béton polymère-modifié.

Les effets de la modification du latex de styrène-butadiène (SBR) sur la durabilité du

béton léger ont été étudiés par Joao et al. [114]. La résistance à la corrosion, la résistance

chimique et l'absorption de l'eau de LWAC SBR-modifié (Lightweight Aggregate Concrete

« LWAC ») ont été analysées et comparées au LWAC non modifié. Les résultats de cette

étude ont montré que la performance de LWAC SBR-modifié exposé aux environnements

agressifs chimiques était meilleure que celle du béton non modifié. Ainsi la perte de poids des

échantillons de LWAC SBR-modifié immergés dans des solutions telles que NaClO et NaCl,

était jusqu’à 84 jours inférieur de 1% [114].

Omrane et al. [156-158] ont étudié la résistance des composites mortier-polymère

(PET-ciment (%) 2, 4 et 6), qui sont souvent employés en tant que matériaux prometteurs peu

coûteux pour empêcher ou réparer les divers structures en béton renforcées, contre la

pénétration d’ions chlorure (NaCl à 3 %) par trois type d’essais tels que :

-Essai de pénétration rapide d’ions chlore (Rapid Chloride Penetration Test) (RCPT) ;

-Essai d’immersion totale (Full Immersion Test) (FIT) ;

-Essai d’immersion partielle (Partial Immersion Test) (PIT).

Le comportement de diffusion d'ions chlorure des essais FIT et PIT a été discuté en

appliquant la deuxième loi de Fick.

Ils ont trouvé que la profondeur de pénétration et le coefficient de diffusion apparent

Da d'ions chlorure du mortier-polymère (PET) sont nettement inférieure que ceux du mortier

non modifié. Ainsi, la perméabilité aux ions chlorure des mortiers-PET (PET6) a été

inférieure d’environ 30-40% à celle des mortiers de contrôle.


63

0

2 0 00

4 0 00

6 0 00

8 0 00

1 0 0 00

1 2 0 00

1 4 0 00

1 6 0 00

1 8 0 00

2 0 0 00

2 2 0 00

2 4 0 00

2 6 0 00

N o m b re d e J o u rs

1 2 0 jo u rs9 0 jo u rs2 8 jo u rs

Qua

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en(c

olo

mb

) C P JP E T 2P E T 4P E T 6

Figure I.29- Les résultats des essais réalisés a l’age 28, 90 et 120 jours.

Le travail de Kou et al. [159] vise à étudier les propriétés des bétons légers frais et

durci à base d’agrégat légers, qui sont préparés avec l'utilisation des déchets de plastique

recyclé provenant des tuyaux en PVC déchiqueté pour remplacer le sable de rivière comme

granulats fins. Un certain nombre de composition de béton en laboratoire a été testé, dont le

sable de rivière a été partiellement remplacé par des granulas des déchets plastiques de PVC

en pourcentage de 0%, 5%, 15%, 30% et 45% en volume. Deux conclusions majeures ont été

identifiées. Le côté positif montre que le béton préparé avec un remplacement partiel par des

PVC était plus léger (densité plus faible), plus ductile (la réduction du module d'élasticité), et

un plus faible retrait de séchage et une plus grande résistance à la pénétration d'ions chlorure.

Le côté négatif révèle que la maniabilité, résistance à la compression et la résistance à la

traction du fractionnement des bétons ont été réduits.

Figure I.30- Quantité de charge en coulombs des différentes compositions de bétons légers.

Qua

ntité

deC

harg

e(c

oulo

mbs

)

Les pourcentages de substitution


64

La figure I.30 présente les résultats de la pénétrabilité des ions chlorure dans les

mélanges à 28 et 91 jours. Les résultats indiquent que la résistance de la pénétrabilité d’ions

chlorure du béton a été augmenté avec une augmentation de la teneur en PVC. A 28 jours, la

quantité de charge totale en coulombs de P5, P15, P30 et P45 ont été réduits de 11,9%, 19,0%,

26,9% et 36,2%, respectivement, par rapport à celle de P0. L’augmentation de la résistance à

la pénétration d'ions chlorures du béton est attribuée à l'imperméabilité des granulas en PVC

qui bloquent le passage des ions chlore dans les matériaux légers.

Ould Kaci S. [160] a fait l’élaboration d’un béton léger à partir d’agrégat en PVC, où

il a étudié son comportement mécanique et durabilité envers les ions chlorures. L’élaboration

de ce béton a été faite par substitution de deux types de granulat qui entrent dans la

composition d’un béton ordinaire et qui sont le sable et le gravier 3/8. Ces granulats naturels

ont été remplacés par leurs équivalents granulaires en déchets de tuyaux en PVC, le but étant

de réduire la masse volumique du béton.

Trois compositions ont été élaborées en plus de celle du béton témoin en changeant à

chaque fois le pourcentage de substitution (0%, 30%, 50%, 70% en volume) pour voir

l’influence sur les caractéristiques étudiées pour différents âges.

B .T B .3 0 % B .5 0 % B .7 0 %2 7 0 0

2 8 0 0

2 9 0 0

3 0 0 0

3 1 0 0

3 2 0 0

3 3 0 0

3 4 0 0

3 5 0 0

3 6 0 0

3 7 0 0

Qua

ntité

dech

arg

een

(co

ulom

b)

L e s d iffé re n te s c o m p o s it io n s d e s b é to n s u til is é s

Q u a n t it é d e c h a rg e (C b ) d e s d if fé re n tsty p e s d e b é to n

Figure I.31- Les résultas de l’essai de pénétration d’ions chlores pourles différentes compositions de béton à 28 jours.

Le graphe I.31 illustre la quantité de charge en Coulombs qui caractérise le degré de

pénétration des ions chlores dans les différentes compositions étudiées. Les résultats montrent

qu’il y’à un optimum de résistance à la pénétration aux ions chlores à 30% de substitution, ce

qui s’est traduit par une baisse de la quantité de charge, qui reprend son ascension dès qu’on

dépasse 30% de substitution.


65

Après avoir analysé les résultats des différents bétons élaborés à partir des granulats en

PVC, il a pu conclure que chaque composition de béton élaboré selon ses caractéristiques

convient à un besoin précis.

Les bétons à 50% et 70% de substitution peuvent êtres utilisés comme des bétons de

remplissage.

Le béton à 30% de substitution quant à lui peut très bien être utilisé comme un béton de

structure dans des constructions de petites importances et qui peuvent êtres exposés aux

agressions chimiques tel que les chlorures.

P. Chindaprasirt et al. [161] ont étudié l’influence des cendres volantes sur la

pénétration des ions chlore, dans le béton. Ils ont utilisé trois types de mélanges du béton

(PC1, PC2 et PC3), chaque mélange doit être comparés avec un mélange qui contient : 100 %

de cendre volante (FA1), 45 % de cendre volante (FA2) et 10 % de cendre volante (FA3).

Ils ont effectué des essais de perméabilité d’ions chlore test rapide (RCPT) ASTM

C1202 et des essais d’immersion totale et partielle.

Les résultats obtenus sont :

Essai (RCPT) : La charge de Colomb des bétons PC1, PC2 et PC3 est très élevée en

comparant avec les bétons qui contiennent la cendre volante. Ainsi, les bétons contenants

la cendre volante résistent mieux que les bétons de contrôles.

Essais d’immersions (totale et partielle) il a observé les mêmes tendances remarquées

pour les bétons dans l’essai (RCPT), c à d les bétons contenant de cendre volante

100FA1, 45FA2 et 10FA3 résistent mieux que les bétons contrôles (PC1, PC2 et PC3).

Dans une autre étude faite aussi par P. Chindaprasirt et al. [162], sur l’effet d’oxyde de

carbone sur la pénétration des ions chlore dans les mortiers de ciment portland. Ils ont trouvé

que l’utilisation des ajouts (carburant de cendre de huile de palme (POA), cendre de cosse du

riz (RHA) et cendre volante (FA) dans les mortiers a un effet bénéfique au performance du

mortier sur la résistance au pénétration d’ions chlore, et ils ont remarqué que (RHA) est le

plus efficace que (POA) et (FA).

Une étude réalisée par P. Chindaprasirt et al. [163] sur la résistance à la pénétration

du chlorure des mortiers contenant, 20% et 40% de : Carburant de cendre d’huile de palme

(POA) ; Cendre de cosse du riz (RHA) et Cendre volante (FA). Cette étude a été faite suivant

trois tests : RCPT, l’immersion dans une solution de 3% NaCl pendant 30 jours et par le test

de migration rapide (RMT). Ils ont trouvé pour l’essai de (RCPT) que la charge de Colomb a

été diminuée en comparant avec celle de (OPC) de 59% et 74% pour le mortier de 20% et 40


66

% de cendre volante (FA) respectivement, et de 74% et 86% pour le mortier de 20% et 40%

de carburant de cendre d’huile de palme (POA), et finalement de 90% et 97% de diminution

pour le mortier de 20% et 40% de cendre de cosse du riz (RHA), respectivement. Pour l’essai

d’immersion, ils ont trouvé des résultats avec les mêmes tendances que celles de l’essai de

(RCPT), et que les résultats du deuxième essai viennent de confirmer les résultats de l’essai

de (RCPT). Ainsi, les résultats par RMT sont similaires que celles de RCPT.

M. Mouli et al. [164] ont étudié l’influence de la pouzzolane sur la durabilité des

mortiers pouzzolanique, ils ont suivi l’évolution de la profondeur de pénétration des ions

chlorures à 7; 28 et 90 jours. Pour les d’essais de pénétration d’ions chlores ils ont utilisé des

éprouvettes cubiques (100x100x100) cm3. Après la cure, les échantillons sont introduits dans

une solution de NaCl concentré à 5%. Les résultats obtenus permettent de mettre en évidence

l’effet bénéfique de l’ajout de la pouzzolane sur la résistance à la pénétration d’ions chlores.

De cette étude on retient que les mortiers pouzzolaniques développent une meilleure

résistance au pénétration aux ions chlorures. Par conséquent ces mortiers peuvent être

recommandés comme matériaux effectives pour la prévention de la corrosion des armatures

dans les différentes structures. Le coefficient apparent de diffusion d’ion chlorure, déterminé

selon la 2éme loi de Fick, décroît avec le pourcentage de la pouzzolane, on note les valeurs

respectives suivantes : 1.5 10-8cm2/s pour le mortier témoin, 1.1 10-8cm2/s pour le mortier

avec 15% de pouzzolane et 0.75 10-8cm2/s pour le mortier avec 30%.

I.11. Actions des Solutions Sulfatiques

La résistance du béton aux attaques des sulfates est l’un des facteurs les plus

importants pour sa durabilité. Le problème est aussi ancien que le béton et on a commencé à

l’étudier il y a déjà prés de 100 ans [165, 166].

L’attaque sulfatique est accompagnée d’une précipitation de produits sulfatés dits

«secondaires» dont la formation est postérieure à l’hydratation du ciment, d’une expansion

importante et de détériorations chimico-mécaniques (modification des propriétés de transport

et de la porosité, fissures, pertes de résistance et de cohésion). Ceci conduit à la ruine du

matériau cimentaire, à plus ou moins long terme en fonction de l’attaque (nature, teneur et

concentration des sulfates au contact) et du ciment utilisé [167].

On distingue deux types d’attaques : les attaques par les sulfates externes présents dans

l’environnement du béton et les attaques sulfatiques internes pour lesquelles les sulfates

proviennent des composants du béton lui-même [167].


67

Les cause de dégradations de plusieurs ouvrages (barrages, ponts,..) sont généralement

dues à des réactions pathologiques principalement à des réactions sulfatiques. Les sulfates

sont présents naturellement dans les sols, surtout dans les régions qui contiennent du gypse

CaSO4.2H2O telles que le sud et l’ouest de l’Algérie. Les eaux souterraines et les eaux

d’infiltration peuvent contenir des sulfates par le contact direct avec des sols sulfatés ou par la

pollution des environnements industriels.

Généralement, les conséquences d’une réaction sulfatique sont d’ordre

macroscopiques en particulier d’ordre mécaniques telles que la chute de résistance, la

fissuration et l’expansion. Ce type de dégradation qui est à long terme fonction de l’attaque

(teneur ou concentration des sulfates en contact) et du type de ciment utilisé.

La norme ACI (1997) [168] apprécie le degré d’agression des sulfates en fonction de

leurs concentrations dans les eaux souterraines et dans le sol. Elle estime que l’agression est

d’autant plus sévère que le taux de concentration dépasse les 10000 ppm dans les eaux

souterraines et 2% dans les sols (tableau I.9).

Concentration en sulfate SO4Catégorie de l’agressionDans les eaux souterraines (en ppm) Dans le sol (en %)

NNéégglliiggeeaabblleeMMooddéérrééSSéévvèèrree

TTrrèèss sséévvèèrree

<<115500115500 –– 11550000

11550000 –– 1100000000>> 1100000000

<<00..1100..1100 –– 00..220000..2200 --22..0000

>> 22..0000Tableau I.9- Classification du type d’agression par les sulfates.

I.11.1. Attaque par les sulfates externes

Cela fait plus de 70 ans que de nombreuses attaques par les sulfates, présents

naturellement dans le sous-sol, ont été constatées sur les fondations d’ouvrages en béton,

partout dans le monde recensé en particulier par Mehta qui parle de « corrosion par les

sulfates » [169]. Ainsi la désintégration du béton en milieu marin est attribuée en partie à la

réaction des sulfates avec les hydrates de la matrice cimentaire [167].

L’attaque externe se produit lorsqu’un matériau cimentaire se trouve en contact direct

avec une source de sulfate, comme dans les sols, les eaux souterraines, les eaux d’infiltration,

les pluies acides (acide sulfurique) liées à la pollution industrielle atmosphérique. Elle peut

être décrite selon trois processus permettant d’évaluer l’agression [167]:

• Le transfert dans le milieu poreux des ions sulfates qui est contrôlé par la

perméabilité et la diffusivité du matériau,


68

• Les réactions chimiques entre les composants de la pâte de ciment, qui dépendent du

ciment utilisé, et les ions SO42-,

• Le phénomène d’expansion, résultant de l’apparition de nouvelles phases cristallines,

conséquence des deux premiers processus.

L’intensité du mécanisme d’expansion sulfatique va dépendre de la qualité du béton

(structure et type de ciment, mode de fabrication, cure, son état d’endommagement avant

l’attaque), de l’exposition sur le site (concentration en SO42- et sa distribution dans le sol,

humidité, opportunités de transport), des conditions environnementales et atmosphériques

(changement d’humidité, fréquence des intempéries, température, surface exposée) [170].

Mécanismes de base :

Les dégradations dues aux milieux sulfatiques se font selon des mécanismes de base

simultanés et interactifs [171]:

Dissolution des composés calciques du liant hydraté : silicate de calcium hydraté (C-S-H)

et surtout la portlandite (CH).

précipitation de produits sulfatés dits «secondaires» dont la formation est postérieure à

l’hydratation du ciment.

Dans le cas du sulfate de sodium les réactions chimiques se présentent comme suit [172] :

i) Formation du gypse secondaire :

Ca(OH)2 + Na2SO4 + 2H2O CaSO4.2H2O + 2NaOH

NaOH : Alcalinité élevée -> stabilisation des C-S-H.

CaSO4.2H2O : Produit expansif mais qui se forme uniquement dans les espaces

internes de la pâte de ciment hydraté. Dans la majorité des cas, pas ou peu

d'expansion. Cependant, son dispositif agit pour diminuer la résistance et l'adhérence

de la pâte de ciment due à la décalcification de la portlandite CH et le gel C-S-H qui

est responsable des propriétés liantes de la pâte de ciment [173].

ii) Formation d’ettringite secondaire :

a) À partir du C3A anhydre résiduel:

C3A + 3CaSO4.2H2O + 26H2O C3A.3CaSO4.32H2O

b) À partir des aluminates hydratés:

C3A.CaSO4.18H2O + 2Ca(OH)2 + 2SO4 + 12H2O C3A.3CaSO4.32H2O

(Gypse)

(Ettringite secondaire)



69

C3A.Ca(OH)2.xH2O + 2Ca(OH)2 + 3SO4 + 11H2O C3A.3CaSO4.32H2O

La précipitation de l'ettringite secondaire conduit à la formation de cristaux très fins (ettringite

non fibreuse de nature colloïdale) dont le volume molaire est de 3 à 8 fois supérieur au

volume du solide initial (Figures I.32-34).

Figure I.32- Observations au microscopeélectronique à balayage d’ettringite massive malcristallisée [89].

Figure I-33- Ettringite secondaire.Recristallisation à partir d’une zone fissurée dueà la formation d’ettringite expansive [171].

Figure I.34- Veines d’ettringite remplissant unefissure dans un béton ayant subi une attaquesulfatique. Développement des cristauxperpendiculairement aux lèvres de la fissure[171].

Figure I.35- Ettringite massive mal cristallisée,expansive de formation secondaire [171].

L’emploi conjointement du MEB et de la DRX apporte une information capitale

concernant l’état de fissuration, sa localisation et les phases minérales concernées. La

superposition des profils minéralogiques issus de l’analyse en DRX et une photographie de

MEB (Figure I-36) montrant plusieurs zones [167] :



70

Figure I.36- Superposition de zonation minéralogique obtenue par DRX et photographieMEB, d’une pâte CEM I (e/c = 0,4) à 12 semaines d’immersion dans une solution de

(Na2SO4) de concentration 15 mmol/l [167].

Une zone en surface très poreuse, la plus proche de la solution d’attaque (en 1), qui

correspond à la zone la plus décalcifiée du matériau dégradé chimiquement ;

Une zone centrale moins poreuse correspondant à la zone de précipitation de

l’ettringite (en 2) ;

Une zone présentant une fissuration parallèle au front d’attaque situé au niveau du pic

de gypse (en 3), mais où co-existent aussi ettringite et portlandite. Dans cette zone

l’ettringite, même si elle est peu détectée par DRX, est tout à fait présente et peut, en

raison de la présence de portlandite, être expansive (AFt massive). Elle favorise ainsi

la fissuration dans cette zone ;

enfin le coeur sain chimiquement est le siège de fissures perpendiculaires au front

d’attaque (en 4).

Les mécanismes de dégradation sont dépendant également de la nature de cation (Ca2+,

K+, Mg2+…etc.) qui est associée aux ions sulfates dans la solution d'eau externe ou dans la

pâte de ciment. Le sulfate de magnésium est très agressif par rapport au sulfate de sodium

[174]. Le sulfate de magnésium réagit par double action :

i) En présence de magnésium la portlandite réagit pour former de la brucite, le gypse

et l’ettringite :

Ca(OH)2 + MgSO4 CaSO4 + Mg(OH)2

Mg(OH)2 : Brucite (Faible solubilité, alcalinité faible, pH faible)


71

C3A + 3CaSO4.2H2O + 26H2O C3A.3CaSO4.32H2O(Ettringite secondaire)

ii) Substitution des ions Ca++ par les ions Mg++ dans les C-S-H :

C-S-H + MgSO4 CaSO4.2H2O + (C,Mg)-S-H

(C, Mg)-S-H: gel faiblement cohésive.

Les eaux souterraines ou l’eau de mer sont souvent riches en sulfates de magnésium

(MgSO4). Dans ce cas, les deux ions, cations et anions, participent à la réaction. Les ions

SO42- réagissent avec les aluminates (ou la portlandite) pour former de l’ettringite (ou du

gypse), tandis que les ions Mg2+ peuvent réagir avec les ions OH- et former de la brucite

(Mg(OH)2) ou causer un remplacement partiel du calcium par du magnésium dans les C-S-H.

Le silicate de magnésium hydraté (M-S-H) ainsi formé n’a pas de propriétés liantes, et par

conséquent, la pâte hydratée devient molle et incohérente [175].

Un échantillon d’un béton ayant subi une attaque par le magnésium, ainsi qu’un

micrographe montrant les C(Mg)-S-H sont présentés dans les figures I-37-38, à titre

d’exemple [175].

Figure I.37- Échantillon d’un béton exposé à unenvironnement très agressif [175].

Figure I.38- Micrographe d’une pâte dégradéepar la réaction avec le magnésium [175].

L'attaque par le sulfate de calcium (CaSO4.2H2O ou CaSO4 dans les sols) est plus lente

en raison de sa faible solubilité. Elle conduit à la formation d'ettringite expansive. L'attaque

par le sulfate de sodium (très soluble) (Na2SO4) entraîne la formation d'ettringite secondaire

expansive. Le sulfate de potassium (K2SO4) peut aussi être agressif, le rythme d'attaque est

similaire à celui du sulfate de sodium. La plupart des sulfates métalliques solubles (FeSO4,...)

peuvent être agressifs [172].


72

Dans des cas spécifiques, le plus souvent dans les tuyaux d’égouts, certaines bactéries

anaérobies libèrent du HB2BS lorsqu’elles décomposent les matières organiques,. Au contact

avec l’air, le H B2BS s’oxyde et se transforme en acide sulfurique (HB2BSO B4B) qui, à son tour,

attaque les hydrates, particulièrement la portlandite (Ca(OH) B2B), selon les formules suivantes :

H B2BS + HB2BO + 2O2 → H2SO4 + HB2BO

HB2BSO B4 B + Ca(OH) B2B + HB2BO → CaSO B4B. 2H B2BO + H B2BO

Figure I.38- Ettringite secondaire massive. Figure I.39- Cristaux de gypse dans unbéton de 100 ans [176].

Le gypse formé occupe un volume plus grand que la portlandite, sa formation causant

ainsi le gonflement et la fissuration de la pâte. Lorsque la concentration en sulfates est assez

élevée, le gypse restera stable et de nouveau cristaux de gypse continueront à se former.

Cependant, lorsque l’apport des sulfates est faible, le gypse sera dissous en libérant des ions

SO4P

2-Pqui, en réagissant avec des aluminates, formeront de l’ettringite. L’ettringite aussi

occupe plus de place que les composants solides à partir desquels elle se forme, causant ainsi

de l’expansion [177]. Lors d’une attaque du béton par des sulfates externes, sa dégradation se

produit par la formation d’ettringite (Figure I.38) ou de gypse (Figure I.39) et par la pression

et la fissuration conséquentes (Figures I.40-41).


73

Figure I.40- Schéma des couches du gypse etde l’ettringite causées par une attaque par lessulfates [176].

Figure I.41- Micrographe de la solutionsolide de l’ettringite dans une pâte dégradée.

I.11.2. Attaque par les sulfates internes

Une autre forme d’attaque par les sulfates [171] se manifeste lorsque la source des

sulfates se trouve dans le béton lui-même. Une quantité limitée de sulfates est toujours

présente dans le béton car les sulfates font partie du ciment Portland. D’abord, ils sont

présents dans le clinker et par la suite une quantité de sulfates de calcium est ajoutée au

clinker lors de son broyage afin de régulariser la prise du C3A.

I.11.3. Autre forme d’Attaque par les sulfates

Formation de la thaumasite:

La thaumasite peut être rencontrée dans les cas d’attaque par les sulfates internes ou

externes [171]. La thaumasite a été observée et est considérée comme l’une des principales

causes de dégradation dans le béton de tuyaux de haute pression d’un aqueduc en Alberta

(Canada) enterrés dans des champs agricoles où l’utilisation d’engrais contenant de

l’ammonium est fréquente. L’ammonium est un catalyseur puissant pour la formation de la

thaumasite. Les figures I.42 et I.43, montrent un diffractogramme des rayons X et un

micrographe de la thaumasite détectée dans ce béton [178] :


74

Figure I.42- Diffractogramme des rayons X dela thaumasite dans un béton.

Figure I.43- Micrographe de la solutionsolide de l’ettringite et de la thaumasite dansune pâte dégradée.

Certains carbonates présents dans le béton comme les granulats ou les fillers calcaires

peuvent également réagir, sous des conditions particulières, avec les sulfates pour former de la

thaumasite (Ca.SiO3.CaSO4.CaCO3.15H2O), (Figure I.44).

Figure I.44- Photo MEB de la thaumasite et analyse au spectrométrie à dispersion d’énergiede ces cristaux: signale intense en carbone, silicium, soufre et calcium. Signal en aluminiumtrès faible ou absent [171].

La formation de la thaumasite est favorisée lorsque la température ambiante se situe

entre 5 et 10 °C. Cependant, dans un système cimentaire, la thaumasite n’est détectée qu’en

solution solide avec l’ettringite. Sa formation cause une dégradation du béton qui se manifeste

par une expansion et une fissuration, dans un premier temps, et par une destruction des C-S-H

par la suite. La formation de la thaumasite est encore plus destructive que celle de l’ettringite,

car d’abord la quantité de thaumasite qui peut se former est beaucoup plus grande que celle de

l’ettringite à cause des constituants qui rentrent dans sa composition (silicates, carbonates,

sulfates, chaux et eau) et ensuite, la formation de la thaumasite peut causer la consommation

des silicates et du calcium des C-S-H [178].


75

I.11.4. Influence des additions organiques sur l’attaque sulfatique

Les applications larges du béton modifié par latex (Latex Modified

Concrete « LMC ») [79, 118] invite des chercheurs à mener à bien les travaux étendus afin

d'établir une bonne base pour ce développement.

La durabilité des structures en béton renforcées représente un souci important à

beaucoup d'investigateurs. L'utilisation du béton modifié par latex (LMC) a été étudiée par

F.A. Shaker et al. [79] dans la construction et a permis de passer en revue et étudier ses

différentes propriétés. Ils ont trouvé que le LMC a montré une faible diminution de la

résistance à la compression après différentes périodes d'immersion dans la solution de sulfate

de sodium (Na2SO4) à 5% par rapport au béton ordinaire. Cela indique que LMC a une

meilleure résistance aux sulfates que celle du béton classique. Le tableau I.10 montre la

résistance à la compression de LMC et béton ordinaire après immersion dans une solution de

sulfate de différentes périodes d'immersion par rapport aux spécimens témoin du même âge.

La figure I.45 montre le pourcentage de diminution de la résistance de compression après

différentes périodes d'immersion pour le LMC et le béton ordinaire. Ils concluent que:

- Le LMC assure une meilleure protection au renfort en acier, contre la corrosion induite par

les chlorures sur les structures exposées à l'environnement de concentration élevé du chlore

tel que les recouvrements de pont.

- La résistance de LMC à l'érosion, et la solution de sulfate se sont avérées considérablement

importante comparée à ceux du béton conventionnel.

- Le LMC offre beaucoup d’avantage pour des structures où la durabilité est le souci principal

[79].

LMC Béton OrdinairePérioded’immersion

(mois) témoin Immergé % témoin Immergé %

1 38.0 37.2 2.1 40.0 39.0 2.5

2 39.0 37.8 3.1 40.5 38.8 4.2

3 40.4 39.0 3.5 41.2 39.0 5.3

6 41.0 36.5 11.0 42.5 34.2 19.5

9 41.8 33.7 19.4 44.4 29.2 34.2

12 42.6 32.8 23.0 45.6 22.3 51.1

Tableau I.10- Résistance à la compression (MPa) des LMC et de bétons ordinairesaprès différentes périodes d'immersion dans une solution de sulfate de sodium, et leursdiminution de la résistance en compression (%) [79].


76

0 2 4 6 8 10 120

10

20

30

40

50

60

Le

pou

rcen

tage

dedi

min

utio

nde

laré

sist

ance

àla

com

pre

ssio

n(%

)

Période d'immersion (mois)

LMCBéton ordinaire

Figure I.45- Le pourcentage de diminution de la résistance à la compression (%) des LMC etdu béton ordinaire après une période d’immersion dans 5% de Na2SO4 .

La résistance chimique des mortiers et bétons modifié par les latex [57] dépend de la

nature des polymères ajouté, le rapport du ciment-polymère et les natures des produits

chimiques. La plupart des mortiers et bétons modifié par les latex sont attaqué par les acides

minéraux ou organiques et des sulfates, car ils contiennent du ciment hydraté qui est non

résistant à ces agents chimiques, mais résistent aux alcalis et des sels divers à l'exception des

sulfates. Leur résistance chimique est généralement considérée comme bonne pour les

graisses et les huiles, mais pauvres aux solvants organiques.

Les tableaux I.11 [179] et I.12 [180] montrent la résistance chimique des mortiers

utilisant des latex élastomères et thermoplastiques, respectivement ave un rapport de ciment-

polymère de 20%. En particulier, le mortier modifié par le copolymère acrylonitrile-butadiène

NBR montre une excellente résistance aux solvants organiques et des huiles, mais le mortier

modifié par le polyisoprène naturel (Caoutchouc naturel) NR ne résiste pas à ces agents. Bien

que de mortier de ciment ordinaire complètement ne parvient pas au contact de l'huile de

colza, la plupart des mortiers modifié par les latex élastomères et thermoplastiques sont guère

attaqués. En général, le mortier modifié par le polychlorure de vinylydène PVAC résiste

guère aux acides et alcalins, mais il est stable dans une large mesure vers les solvants

organiques tels que les huiles minérales [181].


77

Changement de poids (%) Changement du volume (%)

Type de Mortier Type de MortierType deproduits C.

(%) Nonmodifié

SBRmodifié

EVAmodifié

PAEmodifié

PVDCmodifié

Nonmodifié

SBRmodifié

EVAmodifié

PAEmodifié

PVDCmodifié

Acidesulfurique

1 -8.8 -6.1 -2.2 -19.1 3.5 -17.0 -9.9 -6.6 -23.8 -2.1

Acidechlorhydrique

1 -50.0 -50.9 -48.4 -46.4 -47.9 -54.2 -52.5 -48.0 -48.2 -50.9

Acideacétique

1 -21.1 -20.4 -21.6 -20.3 -22.7 -28.4 -23.5 -24.7 -24.1 -27.4

Hydroxydede sodium

45 6.2 -5.0 -4.7 -10.7 -1.1 -6.3 -5.5 -6.7 -9.4 -5.0

Chlorure desodium

Sat. 10.2 -0.4 2.4 3.4 6.1 -0.5 -4.1 -1.2 -0.9 -0.9

Sulfate desodium

Sat. 12.1 4.5 3.7 4.6 7.7 -0.2 0.7 0.4 -0.3 0.1

Xylène 100 5.3 2.3 5.5 3.1 9.8 -1.7 -2.8 -1.2 -0.5 -0.2

Huile decolza

- -100.0 2.7 6.1 5.3 7.4 -100.0 -1.2 1.0 -0.1 -0.3

Pétrolelourd

- 8.3 2.5 4.9 4.5 8.4 -2.1 -2.0 -1.4 -1.0 -0.9

Eau douce - 6.9 5.1 7.4 7.8 7.1 -1.6 -0.5 -0.1 -0.3 0.1

C. Concentration ;Sat. Saturée.Tableau I.11- Résistance chimique des mortiers modifiés par des latex thermoplastiques avec

un rapport de ciment- polymère de 20% [179].

Changement de poids (%) Changement du volume (%)

Type de Mortier Type de MortierType deproduits C.

(%) Nonmodifié

SBRmodifié

CRmodifié

NBRmodifié

NRmodifié

Nonmodifié

SBRmodifié

CRmodifié

NBRmodifié

NRmodifié

Acidesulfurique

5 -38.8 -44.4 -80.9 -62.6 -86.1 -43.8 -46.9 -70.3 -64.1 -87.3Acide

chlorhydrique5 -87.7 -77.8 -87.9 -76.7 -82.9 -89.1 -78.1 -89.1 -76.6 -84.4

Acideacétique

5 -66.7 -42.1 -56.1 - -44.3 -56.6 -43.8 -54.7 - -43.8

Hydroxydede sodium

45 -13.0 - 0.0 0.0 -32.0 -21.8 - 0.0 0.0 -34.4

Chlorure desodium

Sat. 11.9 1.6 3.2 0.8 5.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

Sulfate desodium

10 10.9 - 2.4 1.6 6.9 0.0 - 0.0 0.0 0.0

Sulfate demagnésium

Sat. 7.5 - 3.3 1.6 2.8 0.0 - 0.0 0.0 0.0

Benzène 100 7.4 - 0.8 2.4 48.5 0.0 - 0.0 0.0 68.8

Huile decolza

- -100.0 0.0 0.0 0.8 3.9 -100.0 1.6 0.0 0.0 0.0

Pétrolelourd

- 7.3 - 0.8 1.6 1.9 0.0 - 0.0 0.0 0.0

CR : Polychloroprène , Néoprène.

Tableau I.12- Résistance chimique des mortiers modifiés par des latex élastomères avec unrapport de ciment- polymère de 20% [180].

http://fr.wikipedia.org/w/index.php?title=Polychloropr%C3%A8ne&action=edit&redlink=1

http://fr.wikipedia.org/wiki/N%C3%A9opr%C3%A8ne


78

Une autre étude faite par Ohama et al. [182] a traité la résistance chimique du béton de

polyméthacrylate de méthyle par des réactifs typiques à usage industriel. Le béton de

polyméthacrylate de méthyle est préparé avec une combinaison des proportions et testé pour

sa résistance chimique sur onze réactifs, tels que les acides, alcalins, sels, huiles, solvants et

l'eau du robinet, selon les normes JIS (norme industrielle japonaise) qui concerne la méthode

de teste pour la résistance chimique du béton aux solutions agressives. Les conclusions

obtenues sont résumées comme suit :

Le béton de polyméthacrylate de méthyle est fortement attaqué par l'acétone et le toluène

et légèrement attaqué par l'acide chlorhydrique, sulfurique et acétique; mais il montre une

bonne résistance à l'hydroxyde de sodium, le sulfate de sodium Na2SO4, le chlorure de

sodium, le kérosène, l'huile de colza et de l'eau du robinet (Figures I-46-47).

Figure I.46- La résistance à la compression du Béton de polyméthacrylate après 28 joursd’immersion dans les solutions agressives [182].

Le béton en polyméthacrylate de méthyle est à peine attaqué par l'eau du robinet, la

solution saturée par Na2SO4, saturée par NaCl, le kérosène et l'huile de colza (Figures I.46-

47). Sauf, un certains gain de poids a été observée au cours des 28 jours d'immersion. Le peu

de différence dans le gain de poids entre l'eau du robinet, la solution saturée par Na2SO4 et

saturée par NaCl est considéré comme due à une différence dans la pression osmotique

développée par différentes concentrations de ces solutions [183]. Selon Oono et Matsunaga


79

[183], lorsque les matières organiques sont avec une substance soluble dans l'eau et qui sont

immergés dans des solutions aqueuses neutres, la pression osmotique survient généralement

entre les matières organiques et les solutions en raison d'une différence de concentration entre

les solutés dans les solutions aqueuses formés dans les matières organiques et les solutions.

Ainsi, la pression osmotique tend à diminuer avec l'augmentation de la concentration des

solutions.

Figure I.47- La résistance relative à la compression du Béton de polyméthacrylate après28 jours d'immersion dans les solutions agressives [182].

I. 12. Objectifs

Notre synthèse bibliographique concerne le ciment et son hydratation, les composites

de Béton-Polymère (C-PC) et la durabilité de ces matériaux cimentaires.

Le mortier et le béton fait avec le ciment Portland ont été des matériaux de

construction populaires dans le monde depuis des décennies. Cependant, le mortier de ciment

ou de béton a certains inconvénients tels le durcissement retardé, la basse résistance à la

traction, le grand rétrécissement de séchage et la basse résistance chimique. Pour réduire ces

inconvénients, des polymères servent d’additifs.


80

Les matériaux composites font aujourd’hui l’objet de recherche tant théorique

qu’expérimentale, car un regain d’intérêt se manifeste dans le monde pour l’utilisation des

composites mortier- polymère dans l’industrie du bâtiment comme matériau de second œuvre:

colle à carrelage ou enduit de façade et autres applications.

On a commencé par une étude des résistances mécaniques des mortiers à long terme

avec et sans ajout de polymère PET. Pour expliquer ces déformations microstructurales on se

base sur la spectrométrie IRTF, la diffraction aux rayons X, la microscopie électronique à

balayage, la microscopie optique, l’analyse thermique différentielle ATD et l’analyse

thermogravimétrique (ATG). Les trois derniers chapitres sont consacrés à l’étude de la

durabilité des matériaux polyphasés en environnements agressifs.

On décrit préalablement les processus opératoires et on donne toutes les compositions

soumises à l'expérimentation.

Les principaux axes de l'étude de composites Mortier-Polymère sont les suivants:

Etude de l'évolution de la résistance à la compression.

Etude de l'évolution de la résistance à la traction par flexion.

Etude de la variation du pourcentage du polymère.

Application de la spectrométrie IRTF.

Diffractométrie aux rayons X (D.R.X).

Vue au microscope électronique à balayage (M.E.B).

Vue au microscope optique (M.O.P).

Analyse thermique différentielle ATD et l’analyse thermogravimétrique (ATG).

Etude du comportement des composites mortier-polymère vis-à-vis des différents

milieux agressifs tels que les acides, la base, la pénétration des ions chlorure et les

sulfates.

Etude de la microstructure des mortiers ou composites après attaque chimique des

solutions agressives par DRX, IRTF, la microscope électronique à balayage avec

l’association de l’analyse dispersive EDS, l’analyse thermique simultanée qui

comprend une analyse thermogravimétrique (ATG) et une analyse thermique

différentielle (ATD) et l’analyse calorimétrique différentielle à balayage (DSC).

RéférencesBibliographiques

(Chapitre I)

Index bibliographique - Chapitre I

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89

Chapitre II

Élaboration et CaractérisationDes composites Mortier-Polymère

Ce travail a fait l’objet d’une publication dans un journal international : Physical &Chemical News (PCN) - (2005).

Élaboration et caractérisation des composites Mortier-Polymère Chapitre II

90

Chapitre IIÉlaboration et caractérisation

Des composites mortier-polymère

II.1 Introduction

Dans le but de mettre en évidence l’influence de la présence d’ajouts polytéréphtalate

d’éthylène (PET) sur les propriétés physico-chimiques et mécaniques des mortiers, on a

effectué une série d’essais, chimiques, physiques et mécaniques dans les Laboratoires

suivants :

Laboratoire de matériaux LABMAT du département de génie civil de

l’ENSET d’Oran.

Laboratoire de chimie des polymères LCP d’Es-Sénia, Oran.

Laboratoire de matériaux, Sol et Thermique de l’IGCMOran.

La conception des composites mortier-polymère passe par une étude préliminaire et il

est nécessaire de choisir les matériaux tels le type de sable, le rapport E/C, etc. et les modes

opératoires employées. On s’est intéressé alors à une étude des mortiers de référence pour en

déduire les propriétés mécaniques de compression.

Ensuite, l’incorporation du polymère PET a été réalisée par substitution d’une partie

du ciment d’un mortier de référence.

La comparaison des plusieurs compositions nécessite qu’elles aient au moins un point

commun.

La mise en évidence des caractéristiques mécaniques des différentes compositions de

mortier et/ou composite Mortier-Polymère, en fonction de l’ajout du PET, nécessite des essais

expérimentaux mécaniques. On a tenu à garder le quantité d’eau (E/C=0.5) et du sable

(S/C=3) constante, et ce pour toutes les compositions des matériaux.

Pour la série d’essais et résultats, On s’est intéressé à l’évolution des résistances

mécaniques (compression et traction par flexion trois points) de ces mortiers en fonction de la

variation des paramètres essentiels (pourcentage de l’ajout du PET, âge des éprouvettes, etc.).


91

Afin d'arriver à des conclusions pratiquement exploitables, il a été nécessaire dans la

seconde série de réaliser des essais d'identification microstructurale. Dans ce but, on a fait

appelle à la spectrométrie IRTF, les diffractions aux rayons X, la microscopie électronique à

balayage (M.E.B), la microscopie optique et les analyses thermiques ATD et ATG.

II.2. Elaboration des matériaux cimentaires

Dans le but de déterminer le meilleur type de vibration, le sable utilisé et le rapport

E/C, on a réalisé, une série, d’essais expérimentaux sur des éprouvettes de mortier 1/3. Il

s’agit de briser trois éprouvettes de mortier à chaque échéance 3 et 7 jours à l’aide d’une

presse hydraulique, pour en déduire les résistances à la compression.

2. 1. Analyse granulométrique

L’analyse granulométrique permet de déterminer la grosseur et les pourcentages

pondéraux respectifs des différentes familles de grains constituants nos divers échantillons de

sable (Sable de mer 1, 2, 3, et Sable concassé).

L’essai consiste à classer les différents grains constituant l’échantillon en utilisant une

série de tamis, emboîtés les uns sur les autres, dont les dimensions des ouvertures sont

décroissantes du haut vers le bas. Le sable étudié est placé dans la partie supérieure des tamis

et le classement des grains s’obtient par vibration de la colonne de tamis. On a pu obtenir les

résultas illustrés par la figure II.1.

100 10 1 0,1 0,01 1E-3-10

0

1020

3040

5060

7080

90100

110120

Sable demer 1Sable demer 2Sable demer 3Sable concassé

Poi

dscu

mul

éen

%

Diamétre équivalent enmm

Figure II.1- Analyse granulométrique des différents sables utilisés.


92

2. 2. Essais sur mortiers

i. Confection des mortiers

Le travail consiste à préparer un mortier pour la fabrication des éprouvettes 4x4x16 (cm3).

Pour que les résultats soient comparables, on passe, d’un mortier à l’autre, et on prend

comme seule variable la composition du sable. Un mortier comprenant ciment, sable et eau,

où peuvent varier la nature et quantité, et où sont fixées :

les quantités de chaque constituant.

une ouvrabilité constante.

La quantité nécessaire pour un moule (3 éprouvettes) est indiquée dans les dosages

présentés dans le tableau II.1. Les mélanges du mortier sont obtenus à partir de différents

sables utilisés (Sable de mer 1, 2, 3, et Sable concassé).

ii. Mise en place des mortiers

Cette opération influe d’une façon notable sur le produit final. La préparation du

mortier a été effectuée selon les étapes suivantes [1] :

Le sable et le ciment à tester sont gâchés avec l’eau dans les proportions : 450 ± 2g de

ciment, 1350 ± 5g d’un sable et un pourcentage d’eau. Les rapports E/C d’un tel mortier sont

compris entre 0.50 et en 0.47.

Avant d’être utilisé pour les différents essais de compression et flexion, ce mortier est

malaxé pendant 3 minute conformément aux prescriptions de la norme :

Introduire le sable en premier dans la cuve du malaxeur (type Hobart normalisé), y

versé ensuite le ciment, après ça mettre le malaxeur en marche à vitesse lente.

Après 30 s de malaxage introduire régulièrement l’eau pendant les 30 s suivantes.

Mettre alors le malaxeur à sa vitesse rapide et continuer le malaxage pendant 60 s

supplémentaires.

Arrêter le malaxeur pendant les 15 premières secondes enlever au moyen d’une

raclette en caoutchouc tout le mortier adhérent aux parois et au fond du récipient

en le repoussant vers le milieu de celui-ci.

Reprendre ensuite le malaxage à grande vitesse pendant 60 s.

Le ciment utilisé dans cette étude :

Il s’agit d’un ciment Portland composé type CPJ-CEM II/A provenant de l’usine de

Zahana (située au Nord-Ouest de l’Algérie). Ce ciment a une finesse de 2987 cm2/g, de

densité absolue 3.09 et d’une résistance à la compression à 28 jours de 36 MPa. Les

caractéristiques chimiques et minéralogiques de ciment sont données par le tableau II.1.


93

Eléments SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 PAF CaO librePourcentage 21.82 6.57 4.01 63.43 0.21 1.86 2.09 0.24

Constituant C3S C2S C3A C4AFPourcentage 40.20 32.25 10.64 12.19

Tableau II.1- Composition chimique et minéralogique du ciment (CPJ-CEM II/A).

Ces opérations de malaxage sont récapitulées dans le tableau II.2 ci-dessous,

Tableau II.2- Conduite des opérations de malaxage [1] .

iii. Mode de conservation

L’ensemble est détaillé par la norme EN 196-1 [2] comme suit :

Une salle maintenue à une température de 20°C ± 2°C et à une humidité relative

supérieure ou égale à 50%.

Une chambre ou une armoire humide maintenue à une température de 20°C ± 1°C et à

une humidité relative supérieure à 90%.

Des moules normalisés (figure II.2) permettant de réaliser 3 éprouvettes prismatiques

de section carrée 4 cm x 4 cm et longueur 16 cm (ces éprouvettes sont appelées « éprouvettes

4 x 4 x 16 cm3»).

Un appareil à chocs permet d’appliquer 60 chocs aux moules en les faisant chuter

d’une hauteur de 15 mm ± 0.3 mm à la fréquence d’une chute par seconde pendant 60 s, et un

autre appareil à chocs nommé « table à choc ».

opérations Introduire

du sable

Introduire

du ciment

Introduction

de l’eau

Raclage

du

la cuve

Durée 30 s 30 s 60 s 15 s 60 s

Etat de

malaxeur Arrêt Vitesse lente

Vitesse

rapide

Arrêt Vitesse

rapide


94

Figure II.2- Moule à alvéoles pour mortier (NF P 15-413), [1].

2. 3. Caractérisation mécanique des mortiers

La résistance mécanique du mortier après durcissement dépend du rapport eau/ciment.

Cette résistance mécanique est caractérisée par sa classe de résistance à la rupture par

compression et traction par flexion.

Il s’agit de briser trois éprouvettes de mortier à chaque échéance (3j, 7j) à l’aide d’une

presse hydraulique, pour en déduire des résistances à la traction par flexion et à la

compression.

a. Mesure des résistances mécaniques

Essai de traction par flexion [1,3]

Cet essai est réalisé sur l’appareil de type IBERTEST pourvu d’un dispositif de flexion

par trois points (figure II.3), en plaçant l’éprouvette symétriquement entre deux mâchoires.

Ces dernières servent d’appuis et une troisième est destinée à appliquer un moment

fléchissant. Après rupture de l’éprouvette la valeur de la force de flexion est directement lue

en MPa. Effectivement, les contraintes de traction dans cette section sont données par la

formule classique suivante :

VIM

f (Eq. II.1)

I : étant le moment d’inertie de la section, et V la distance du point considéré à l’axe.

33 2

3

6

4

b

LF

bVI

LFM

(Eq. II.2)

Les essais sont effectués conformément à la norme NF P15-451.


95

Mesure des résistances à la compression [1,3]

Les deux demi morceaux obtenus après rupture sont testés en compression.

L’essai à la compression est réalisé sur une presse hydraulique de marque type

IBERTEST (figure II.4). L’éprouvette est placée au milieu du plateau de la presse. La surface

de contact entre l’éprouvette et le plateau de compression est de 16 cm2 : (4x4 cm2).

L’augmentation de la charge se fait automatiquement et la force de rupture est

indiquée en MPa. La résistance à la compression est la moyenne arithmétique des valeurs

déterminées par six essais; cette résistance est donnée par la relation :

SP

c (Eq. II.3)

Où c : résistance à la compression;

P : charge de rupture;

S : section de l’éprouvette;

Pour cet essai plusieurs conditions doivent être remplies :

Les faces de l’éprouvette qui sont au contact de la presse doivent être bien planes, et

perpendiculaires à l’axe de l’éprouvette.

La ligne d’application de la force doit coïncider avec l’axe de l’éprouvette.

La vitesse de la force d’application doit croître régulièrement, ni trop vite ni trop

lentement afin d’éliminer les effets de chocs et de fluage.

Figure II.3- Dispositif pour l’essai derésistance à la flexion (Appareil IBERTEST)

Figure II.4- La presse hydraulique decompression pour Mortier (IBERTEST).


96

2. 4. Résultats des essais mécaniques de compression des différentsmortiers

La résistance mécanique est exprimée par le pouvoir de mortier à résister à la

destruction sous l’action des contraintes dues aux différentes charges de compression [1].

Chaque valeur de la résistance à la compression est égale à la moyenne des mesures

sur trois éprouvettes.

- Etude de la variation de la résistance à la compression des mortiers

Les résultas des essais effectuées sur des éprouvettes (4x4x16) cm3 des mortiers, sont

détaillés dans le tableau II.3 et II.4, pour le rapport E/C=0.5 et E/C= 0.47 respectivement ci-

dessous :

Rapport E/C = 0.5

Tableau II.3 : Résistance en compression (MPa) des différents mortiers en fonction dutemps (E/C=0.50)

Composition (%) Type de vibration : 3 jours : 7 jours :

S.M. 100 M 5.5 7.8

S.M. 100 E 4.9 10.8

S.C. 100 M 14.5 22.6

S.C. 100 E 17.2 22.08

S.M. 30 / S.C 70 M 9.9 19.4

S.M. 30 / S.C 70 E 13.7 20.5

S.M. 70 / S.C 30 M 12.9 15.4

S.M. 70 / S.C 30 E 12.4 13.08

S.M. 50 / S.C 50 M 13.54 18.27

S.M. 50 / S.C 50 E 10.9 20.6

Compression (MPA) :


97

Rapport E/C =0.47

Tableau II.4- Résistance en compression (MPa) des différents mortiers en fonction dutemps (E/C=0.47)

Notation spécifique :

S.M : Sable de Mer

S.C : Sable de Carrière

E : Electrique

M : Manuel.

Notre objectif étant d’analyser l’évolution de la résistance mécanique à l’échéance 3

et 7 jours pour les différents mortiers obtenus, (cf. tableau II.3 et II.4). Les résultats nous

permettent de conclure que pour le mortier dont la composition de 100% de Sable de Carrière,

subissant la vibration électrique pour sa mise en œuvre, et dont le rapport eau sur ciment E/C

est égale à 0.50; donne des meilleures valeurs (tableau II.3) de résistance à la compression,

comparées avec celles des autres mortiers.

Pour la suite de notre étude, nous avons choisi d’utiliser comme matériaux de test le

Sable de Carrière subissant la vibration électrique, pour la mise en œuvre des éprouvettes des

mortiers et/ou composite mortier-polymère.

Composition (%) Type de vibration : 3 jours : 7 jours :

S.M. 100 M 4.1 6.7

S.M. 100 E 6.4 9.3

S.C. 100 M 10.1 20.9

S.C. 100 E 12.1 20.5

S.M. 30 / S.C 70 M 11.0 17.4

S.M. 30 / S.C 70 E 10.1 16.2

S.M. 70 / S.C 30 M 7.4 11.6

S.M. 70 / S.C 30 E 6.1 19.0

S.M. 50 / S.C 50 M 7.6 13.8

S.M. 50 / S.C 50 E 9.7 17.9

Compression (MPA) :


98

II.3. Elaboration et étude des comportements mécaniques des compositesMortier-Polymère

Les matériaux composites [4-7] font aujourd’hui l’objet de recherche tant théorique

qu’expérimentale, car depuis quelques années, un regain d’intérêt se manifeste dans le monde

entier pour l’utilisation des composites mortier- polymère [8,9] dans l’industrie du bâtiment

comme matériau de second œuvre : colle a carrelage ou enduit de façade .

En vue d’appréhender l’influence du polymère sur le comportement mécanique du

matériau [10], une première étude expérimentale a été menée sur un mortier normalisé

substitué de différents teneurs en polytéréphtalate d’éthylène (PET) [11] dont nous avons

effectué des essais mécaniques, telles la résistance à la compression et la résistance à traction

par flexion, c’est à dire le pouvoir du mortier à résister à la destruction sous l’action des

contraintes dues aux différentes charges de compression ou de traction par flexion [1].

3. 1. Caractéristiques physico-chimiques du polytéréphtalate d’éthylène utilisé

Le polymère utilisé dans cette étude, est le polytéréphtalate d’éthylène connus sous le

nom commerciale PET; provenant de l’usine Tramaplaste de la région ouest : Tlemcen (Sidi

Daoudi). Il a une température de fusion au environ de 248 °C. Le PET est obtenu par le

broyage très fin des bouteilles de boisson. En vue de leur utilisation dans la confection des

composites Mortier-Polymère, le polytéréphtalate d’éthylène broyé doit être soumis à des

essais de laboratoire, à savoir l’analyse granulométrique.

La courbe granulométrique est représentée dans la figure II.5. Après plusieurs essais

préliminaires, on a décidé d’utiliser dans cette étude les particules du polymère inférieur à 1

mm.

3. 2. Caractéristiques physico-chimiques du sable concassé utilisé

C’est un sable concassé obtenu de la carrière de Kristel (Oran, Ouest Algérien), ses

principales caractéristiques physiques et chimiques sont regroupées dans le tableau II.5 et II.6

respectivement. Le sable est initialement préparé pour être classé suivant les normes

françaises NF P 15-403 [2], sa courbe granulométrique est représentée dans la figure II.5.


99

Masse volumique absolue (g/cm3) 2.53Masse volumique apparente (g/cm3) 1.51Equivalent du sable (%) 84Module de finesse 2.55Nature CalcaireCoefficient d’absorption (%) 0.5Coefficient de courbure : Cc 1.25Coefficient d’uniformité : Cu 5Valeur au bleu 0.16

Tableau II.5- Paramètres physiques du sable utilisé

Eléments SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 PAF Chlorures

Pourcentage 0.77 0.11 0.36 54.71 0.21 Nul 43.83 Nul

Tableau II.6- Composition chimique du sable concassé.

L’élément essentiel du sable concassage est le carbonate de calcium CaCO3 avec un

pourcentage qui atteint 98,18%. Il contient de très faibles pourcentages de matériaux siliceux

et alumineux (SiO2 = 0,77 % et Al2O3= 0,11 %). Il s’agit d’un sable de nature calcaire.

La magnésie MgO est faiblement présente (0,21 %), les oxydes sont surtout des oxydes

de fer (0,36 %) sous la forme de Fe2O3. Par ailleurs, aussi bien les chlorures (Cl) que les

sulfates solubles et les matières organiques ont des pourcentages très faibles. Le sable de

concassage est donc un bon sable du point de vue chimique [12].

100 10 1 0,1 0,01 1E-30

20

40

60

80

100

PE T broyéSa ble concassé

Poid

scum

ulé

en(%

)

D iamètre équiva lent en (m m)

Figure II.5- Les courbes granulométriques du polytéréphtalate d’éthylène broyé et du sableconcassé [13].

L’équivalent de sable est de l’ordre de 84%. Ce pourcentage lui attribue la qualité d’un

sable propre, contenant une faible quantité de fines. Donc, un sable contenant moins


100

d’éléments fins conduira à une valeur de E/C importante pour donner des résistances

considérables de mortier [1].

3. 3. Elaboration et mise en œuvre des éprouvettes

- Préparation des constituants

Le travail consiste à préparer un mortier et des composites Mortier-Polymère (1/3),

pour la fabrication, des éprouvettes (4x4x16) cm3.

Pour que les résultas soient comparables, on passe d’un mortier à un autre, et on prend

comme seule variable la composition du liant (pourcentages de ciment et polymère

respectifs). Les éprouvettes comprenant ciment, polymère, sable et eau où peuvent varier la

nature et quantité déjà fixées :

la quantité de chaque constituant;

la nature précise du sable;

le diamètre du polymère utilisé;

- Compositions retenues

La quantité nécessaire pour un moule (3 éprouvettes) est indiquée dans les dosages

présentés dans le tableau II.7, qui présentent la composition des matériaux en fonction de la

teneur en polymère. Les quantités y sont exprimées en pourcentage massique de ciment.

Les proportions massiques en sable sont les suivantes :

Sable sur ciment : S/C = 3.

Polymère 0 1.5 2.5 3.5 5.0 7.5

Sable 300 300 300 300 300 300

Eau 50 50 50 50 50 50

Tableau II.7- Composition des mortiers et des composites Mortier-Polymère (quantité enpourcentage massique de ciment).

- Détermination du rapport E/C et du diamètre du polymère

La détermination du rapport E/C est réalisée en tenant compte des phénomènes dus à

l’exercice du polymère sur la pâte. A contrario de ce qui avait été envisagé, la détermination

de E/C se fait en ajustant l’ouvrabilité du mortier ou des composites. En définitive, E/C retenu

est de 0.5.


101

D’après l’analyse granulométrique du polymère utilisé (PET broyé), illustré par la

figure II.5, on a fait passer le polymère obtenu par broyage dans un tamis de 1 mm.

L’échantillon ainsi obtenu, fera l’objet pour la préparation et la mise en œuvre des composites

Mortier-Polymère.

- Mise en place des composites

Cette opération influe d’une façon notable sur le produit final. La préparation du

mortier et /ou composite Mortier-Polymère a été effectuée selon les étapes suivantes [1] :

Le ciment, le polymère et le sable à tester sont gâchés avec l’eau dans les proportions :

X %m de ciment, Y %m du polymère, 1350 ± 5g d’un sable et 225 ± 1g d’eau. Le rapport E/C

d’un tel mortier ou composite est donc 0.50.

Avant d’être utilisé pour les différents essais de compression et traction par flexion, ce

mortier et/ou composite est malaxé pendant 3 minutes conformément aux

prescriptions de la norme :

Introduire le sable en premier dans la cuve du malaxeur, y versé ensuite le ciment +

polymère, après ça mettre le malaxeur en marche à vitesse lente.

Après 30 s de ce malaxage, introduire régulièrement l’eau pendant les 30 s suivantes.

Mettre alors le malaxeur à sa vitesse rapide et continuer le malaxage pendant 60 s

supplémentaires.

Arrêter le malaxeur pendant les 15 premières secondes enlever au moyen d’une

raclette en caoutchouc tout le mortier adhérent aux parois et au fond du récipient en le

repoussant vers le milieu de celui-ci.

Reprendre ensuite le malaxage à grande vitesse pendant 60 s.

Ces opérations de malaxage sont récapitulées dans le tableau II.8 ci-dessous.

opérations Introduire

du sable

Introduction

du ciment +

polymère

Introduction

de l’eau

Raclage

du

la cuve

Durée 30 s 30 s 60 s 15 s 60 s

Etat de

malaxeur Arrêt Vitesse lente

Vitesse

rapide

Arrêt Vitesse

rapide

Tableau II.8- Conduite des opérations de malaxage [1].


102

Des moules normalisés permettent de réaliser 3 éprouvettes prismatiques de section

carrée 4 x4 x16cm3 (figure II.2).

Un appareil à chocs permet d’appliquer 60 chocs aux moules en les faisant chuter

d’une hauteur de 15 mm ± 0.3 mm à la fréquence d’une chute par seconde pendant 60 s.

- Règles de désignation des éprouvettes

Les éprouvettes seront notées PET YZj :

Y = partie entière de la teneur en PET (polytéréphtalate d’éthylène) ;

Y {1,5 ; 2,5 ; 3,5 ; 5 ; 7,5} %m

Z = âge du matériau.

Z {3 ; 7 ; 14 ; 28} U {28 ; 56 ; 90 ; 180 ; 360} en jours ;

Le mortier (P/C = 0%m ) a une notation particulière CPJ.

Ainsi on a par exemple :

mortier âgé 7 jours : CPJ7j.

composite de rapport P/C= 5 %m, mortier âgé de 28 jours : PET 528j.

composite de rapport P/C= 7.5 %m, mortier âgé de 56 jours : PET 7.556j.

composite de rapport P/C= 2.5 %m, mortier âgé de 360 jours : PET 2.5360j.

Lorsqu’il il n’y a pas d’ambiguïté, on peut omettre l’âge du matériau. On parle ainsi du CPJ

(mortier), du PET 5 (composite de teneur P/C =5 %m), etc.

- Mode de conservation

L’ensemble est détaillé par la norme EN 196-1 comme suit :

Une salle maintenue à une température de 20°C ± 2°C et à une humidité relative

supérieure ou égale à 50%.

Une chambre ou une armoire humide maintenue à une température de 20°C ± 1°C et à

une humidité relative supérieure à 90%.

- Mesure des résistances mécaniques

La résistance mécanique du mortier et/ou composite après durcissement dépend du

rapport Polymère/Ciment P/C. Cette résistance mécanique est caractérisée par sa classe de

résistance à la rupture par compression et traction par flexion.

On réalise des essais de flexion trois points et de compression simple sur tous nos

matériaux à chaque échéance 3j, 7j, 14j, 28j, 56j, 90j, 180j et 360 jours à l’aide d’une presse

hydraulique (cf. figure II.3 et II.4), Le chargement est piloté en force. Pour évaluer la

dispersion sur l’effort à rupture, on triple systématiquement les essais. Ils ne sont mis en


103

œuvre que pour suivre, de façons comparative, l’évolution de la résistance des matériaux au

cours de l’hydratation.

Les conditions de l’essai de flexion trois points sont les suivantes :

- éprouvettes 4x4x16 cm3 ;

- distance entre appuis : 100 mm ;

- mesure de la charge à rupture.

Les demi- éprouvettes issues de l’essai de flexion sont alors sollicités en compression simple.

Les essais de compression simple consistent à comprimer les faces latérales du barreau

4x4x16 entre deux prismes de section carrée 40 mm de coté, que l’on désignera par « blocs de

compression ». Un schéma du montage de ces essais de compression est présenté à la figure

II.6.

Figure II.6- Schéma du montage de compression simple [5].

II.4. Résultats expérimentaux et analyse des essais mécaniques

Dans le but d’étudier l’influence du polytéréphtalate d’éthylène sur le comportement

mécanique d’un mortier, on a montré la pertinence d’une démarche comparative entre un

mortier de référence et des composites Mortier- Polymère de différentes teneurs en polymère.

La difficulté d’une telle démarche réside dans la comparaison que l’on peut faire des

matériaux réalisés: les effets secondaires qu’engendrent l’introduction du PET dans la gâchée

d’un mortier modifient significativement la matrice minérale des composites obtenus. Il est

alors difficile de faire la part des choses entre l’influence du PET et celle de ces effets

secondaires sur l’évolution des propriétés mécaniques des composites en fonction de la teneur

en polymère. Notre objectif étant d’analysé l’évolution de la résistance mécanique de

matériaux entre 3 et 360 jours, nous étudions les principales caractéristiques mécaniques

obtenues lors des chargements de courte durée d’application: résistances mécaniques en

traction et en compression.


104

La résistance mécanique est exprimée par le pouvoir du mortier à résister à la

destruction sous l’action des contraintes dues aux différentes charges de compression ou de

traction par flexion [1].

Chaque valeur de la résistance à la traction ou à la compression est égale à la moyenne

des mesures sur trois éprouvettes.

4. 1. Etude de la variation de la résistance mécanique entre 3 et 360jours des différents matériaux

4.1.1. Evolution de la résistance à la compression des mortiers et /ou descomposites Mortier-Polymère

Les résultats des essais effectués sur des éprouvettes 4x4x16 cm3, des mortiers et /ou des

composites Mortier-Polymère sont détaillés dans le tableau II.9 et illustrés par les courbes de

l’effort à rupture des matériaux à la figure II.7.

On constate que les résistances de tous les mortiers augmentent régulièrement avec l’âge

de conservation des éprouvettes et ne présente aucune chute de résistance.

La résistance à la compression diminue avec l’augmentation du pourcentage du polymère

(PET) dans les composites tels que :

- à 3 jours, elle passe de 14.5 à 12.08 MPa pour les composites PET2.5 et PET7.5

respectivement.

- à 7 jours, elle passe de 25.63 à 22.66 MPa pour les composites PET2.5 et

PET7.5 respectivement.

- à 14 jours, elle passe de 29.7 à 26 MPa pour les composites PET1.5 et PET7.5

respectivement.

Á 28 jours, le PET1.5 rejoint le mortier de contrôle avec une résistance de 36 MPa, tandis

que les autres composites, la résistance varie entre 31.66, 31.25 et 28.91 MPa pour PET2.5,

PET5, et PET7.5 respectivement.

Pour une durée de 90 jours, la résistance du PET2.5 rejoint le mortier CPJ avec une

résistance à la compression de 42 MPa.

Á 360 jours, le composite PET7.5 reste légèrement inférieur avec une résistance de 43

MPa, en comparaison avec le mortier de contrôle CPJ qui avoisine les 46 MPa en résistance.


105

Tableau II.9- Résistance en compression (MPa) des différents mortiers et/ou descomposites Mortier-Polymère en fonction du temps.

Les composites contenant du polymère PET développe une résistance comparable à

celle du mortier contrôle à long terme (360 jours) comme le montre la figure II.7.

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Rés

ista

nce

àla

com

pres

sion

(MPa

)

Age (jours)

CPJPET1.5PET2.5PET3.5PET5.0PET7.5

Figure II.7- Influence de la teneur en polymère sur la résistance en compression desdifférents mortiers et/ou des composites Mortier-Polymère en fonction de temps.

Pour ce qui concerne le tableau II.10, dont les courbes sont rapportées par la figure

II.8, les résultats viennent de confirmer les observations illustrées par les essais de

compression rapportés dans le tableau II.9. En général, on observe une augmentation

significative de résistance en fonction du temps de 3 à 360 jours et du pourcentage de

polymère utilisé dans les composites.

Age (jours) CPJ PET 1.5 PET 2.5 PET 3.5 PET 5 PET 7.53 15.7 14.45 14.5 12.88 13.33 12.087 25.91 23.83 25.63 22.33 24.79 22.6614 30.33 29.7 25.88 27.75 26.41 26.028 36.25 36.04 31.66 31.25 30.83 28.9156 39.2 37.87 36.77 35.6 35.4 33.590 42.5 42.29 41.34 40.93 41.25 39.5180 45.43 45.06 44.88 44.91 44.73 42.37360 45.87 45.42 44.99 45.02 44.93 42.78


106

Pour mieux visualiser toutes les variations de la vitesse d’évolution des résistances en

compression, on étudie les différents rapports tels que :

i /28 : ( i = 3 - 360 jours) ;

polymère /témoin.

La résistance à la compression en (MPa)

P/C(%) 3 jours 7 jours 14jours 28jours 56jours 90jours 180jours 360jours0 15.7 25.91 30.33 36.25 39.2 42.5 45.43 45.87

1.5 14.45 23.83 29.7 36.04 37.87 42.29 45.06 45.422.5 14.5 25.63 25.88 31.66 36.77 41.34 44.88 44.993.5 12.88 22.33 27.75 31.25 35.6 40.93 44.91 45.025.0 13.33 24.79 26.41 30.83 35.4 41.25 44.73 44.937.5 12.08 22.66 26.0 28.91 33.5 39.5 42.37 42.78

Tableau II.10- Evolution de la résistance à la compression du pourcentage P/C (%) duPET en fonction du temps.

0 1 2 3 4 5 6 70

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Rési

stan

ceà

laco

mpr

essi

on(M

Pa)

P/C (%)

PET à 3jPET à 7jPET à 14jPET à 28jPET à 56jPET à 90jPET à 180jPET à 360j

Figure II.8- Evolution de la résistance à la compression du pourcentage P/C (%) duPET en fonction du temps.

Du point de vue résistance à la compression, l’évolution pour 3; 7; 14 jours par rapport

à 28 jours (i /28) est la même pour tous (voir tableau II.11 et figure II.9).


107

Pour des durées de 3 jours, 7 jours et 14 jours, on observe une évolution comprise

entre 40 et 45%, entre 66 et 81% et entre 81 et 90% respectivement. Après 28 jours,

l’évolution dépend des pourcentages des polymères, car plus le pourcentage augmente, le gain

de la résistance augmente.

Á 56 jours, une augmentation de l’ordre de 8 % est obtenue pour le mortier CPJ et le

composite PET 1.5, tandis que les composites mortier-polymère (PET) dont les pourcentages

sont (3.5; 5.0; 7.5 %m) ont une augmentation de l’ordre de 14%.

Á 90 jours, la différence est plus significatif car pour le mortier CPJ et le composite

PET1.5 on a une augmentation de 17%, tandis que pour les composites PET2.5, PET3.5, et

PET5 elle va jusqu’au l’ordre de 31%, et pour le composite PET7.5 elle dépasse les 36% en

résistance.

Le polymère (PET) améliore les résistances en compression à long terme 180 et 360

jours de l’ordre de 45% (figure II.9). Pour le PET7.5 il atteint les 47% en résistances, sauf

pour le PET 1.5 où on a une augmentation de 26% semblable au mortier de contrôle CPJ ceci

est dû au faible pourcentage du polymère ajouté.

i /28

Age(jours)

CPJ PET1.5 PET2.5 PET3.5 PET5.0 PET7.5

3 0.43 0.4 0.45 0.41 0.43 0.417 0.71 0.66 0.81 0.71 0.8 0.7814 0.83 0.82 0.81 0.88 0.85 0.928 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.0056 1.08 1.05 1.16 1.14 1.15 1.1590 1.17 1.17 1.3 1.31 1.33 1.36180 1.25 1.25 1.41 1.44 1.45 1.46360 1.26 1.26 1.42 1.44 1.45 1.47

Tableau II.11- Evolution du rapport de la résistance à la compression par celle mesuréeà 28 jours en fonction du temps.


108

3 jo urs 7 jo urs 14 jo urs 28 jo urs 56 jo urs 90 jo urs 180 jo urs 360 jo urs0 ,0

0 ,2

0 ,4

0 ,6

0 ,8

1 ,0

1 ,2

1 ,4

i/

28

A ge (jour s)

i/

28C P J

i/

28P E T 1.5

i/

28P E T 2.5

i/

28P E T 3.5

i/

28P E T 5.0

i/

28P E T 7.5

i vari e de (3 à 360)

Figure II.9- Evolution du rapport de la résistance à la compression par celle mesuréeà 28 jours en fonction du temps (i varie de 3 à 360j).

L’étude du rapport PET / témoin en fonction de l’âge du matériau révèle une

diminution de perte de résistance avec l’augmentation de la durée de conservation. (Voir

tableau II.12 et la figure II.10).

- Á 3 jours, la perte de résistance varie de 8% pour le composite PET2.5 et 23% pour

le composite PET7.5.

- Á 14 jours, la perte de résistance varie de 3% et 15% pour les PET1.5 et PET2.5

respectivement.

- Pour une durée de 28 jours, la perte de résistance passe de 13% à 21% pour les

composites PET2.5 et PET7.5 respectivement.

- De 90 jours à 360 jours, la perte de résistance diminue et varie de 1% pour le

composite PET1.5 et 7% pour le composite PET7.5, et elle est de 2% pour les composites 2.5,

5.0 et 3.5.

Les composites contenant du polymère PET développe une résistance comparable à

celle du mortier contrôle à long terme (360 jours) (figures II.7 et II.10).


109

Age(jours)

PET1.5/CPJ PET2.5/CPJ PET3.5/CPJ PET5.0/CPJ PET7.5/CPJ

3 0.92 0.92 0.82 0.85 0.777 0.92 0.98 0.86 0.95 0.8714 0.97 0.85 0.91 0.87 0.8528 0.99 0.87 0.86 0.85 0.7956 0.96 0.93 0.9 0.9 0.8590 0.99 0.97 0.96 0.97 0.93180 0.99 0.98 0.98 0.98 0.93360 0.99 0.98 0.98 0.98 0.93

Tableau II.12- Evolution du rapport de la résistance à la compression du polymère sur larésistance à la compression du mortier témoin en fonction du temps.

0 5 0 1 00 15 0 20 0 2 50 30 0 3 50 40 00 ,0

0 ,2

0 ,4

0 ,6

0 ,8

1 ,0

P

ET/

CPJ

A ge (jo urs)

PE T 1.5

/C PJ

PE T 2.5

/C PJ

PE T 3.5

/C PJ

PE T 5.0

/C PJ

PE T 7.5

/C PJ

Figure II.10- Evolution du rapport de la résistance à la compression du polymère sur larésistance à la compression du mortier témoin en fonction du temps.

4.1.2. Evolution de la résistance à la traction par flexion trois points desmortiers et /ou des composites Mortier-Polymère

Les résultats des essais effectués sur des éprouvettes 4x4x16 cm3, des mortiers et /ou

des composites Mortier-Polymère sont détaillés dans le tableau II.13 et illustrés par les

courbes de l’effort à rupture des matériaux à la figure II.11.


110

Si l’on s’intéresse aux résultats de flexion trois points (Figure II.11), on remarque que

l’évolution de la résistance à la traction est différente selon le matériau, et qu’il est difficile de

corréler avec la teneur P/C en polymère, car la maturation des matériaux est d’une

interprétation plus délicate.

Le tableau II.13 montre l’influence de l’incorporation du polymère PET sur la

résistance à la flexion des mortiers et/ou composites mortier-polymère à l’age de 3 jours

jusqu’à 360 jours en résistance. On remarque aussi, comme dans la résistance à la

compression une augmentation des résistances à la flexion de tous les matériaux avec l’âge de

conservation des éprouvettes (tableau II.13).

La résistance à la flexion diminue avec l’augmentation du pourcentage du polymère (PET)

dans les composites tels que :


respectivement.


respectivement.

- à 14 jours, elle est de 7.18, 6.3 et 6.25 MPa pour les composites PET1.5, PET3.5

et PET7.5 respectivement.

Pour une durée de 28 jours, le composite PET1.5 rejoint le mortier de contrôle avec une

résistance de 8 MPa, tandis que les autres composites ces résistances varient entre 7.55 et 7.25

MPa pour PET2.5 et PET7.5 respectivement.

Á 90 jours, la résistance du PET2.5 est supérieure au mortier de contrôle CPJ avec une

résistance à la flexion de 9.2 MPa.

Á 360 jours, le composite PET7.5 rejoint le mortier CPJ avec une résistance de 10.5 MPa.

Pour les autres composites (1.5, 2.5, 3.5 et 5) donne des valeurs légèrement supérieure en

comparaison avec le mortier de contrôle CPJ qui avoisine les 10.48 MPa en résistance.


111

Age (jours) CPJ PET 1.5 PET 2.5 PET 3.5 PET 5 PET 7.53 4.36 4.2 3.85 3.8 3.5 3.757 6.43 5.7 5.85 5.85 5.45 4.9514 6.9 7.18 7.25 6.3 5.63 6.2528 8.0 8.6 7.55 7.1 7.9 7.2556 8.25 8.7 9.13 7.83 8.33 7.9590 8,5 8.88 9.2 8.75 8.75 8.83180 9.0 9.3 9.6 9.15 9.1 9.1360 10.48 10.74 10.98 10.60 10.58 10.50

Tableau II.13- Evolution de la résistance à la traction par flexion (MPa) des différentsmortiers et/ou des composites Mortier-Polymère en fonction du temps.

0 50 100 150 200 250 300 350 4000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Rés

ista

nce

àla

flex

ion

(MPa

)

Age (jour s)

CPJPET1.5PET2.5PET3.5PET5.0PET7.5

Figure II.11- Influence de la teneur en polymère sur la résistance en traction par flexiondes différents mortiers et/ou des composites Mortier-Polymère en fonction du temps.

Pour ce qui concerne le tableau II.14, dont les courbes sont rapportées par la figure

II.12, les résultats viennent de confirmer les observations illustrées par les essais de flexion

rapportés dans le tableau II.13. En général, on observe une augmentation significative de

résistance en fonction du temps de 3 à 360 jours et du pourcentage de polymère utilisé pour

les composites.

Pour mieux visualiser toutes les variations de la vitesse d’évolution des résistances en

flexion trois points, on étudie les différents rapports tels que :

i /28 : ( i = 3 - 360 jours) ;

polymère /témoin.


112

La résistance à la flexion en (MPa)

P/C(%) 3jours 7jours 14jours 28jours 56jours 90jours 180jours 360jours0 4.36 6.43 6.9 8.0 8.25 8.5 9.0 10.48

1.5 4.2 5.7 7.18 8.6 8.7 8.88 9.3 10.742.5 3.85 5.85 7.25 7.55 9.13 9.2 9.6 10.983.5 3.8 5.85 6.3 7.1 7.83 8.75 9.15 10.605.0 3.5 5.45 5.63 7.9 8.33 8.75 9.1 10.587.5 3.75 4.95 6.25 7.25 7.95 8.83 9.1 10.50

Tableau II.14- Evolution de la résistance à la flexion du pourcentage P/C (%) du PET enfonction du temps.

0 1 2 3 4 5 6 70

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

Rés

ista

nce

àla

flex

ion

(MPa

)

P/C (%)

PET à 3jPET à 7jPET à 14jPET à 28jPET à 56jPET à 90jPET à 180jPET à 360j

Figure II.12- Evolution de la résistance à la flexion du pourcentage P/C (%) du PET enfonction du temps.

Du point de vue résistance à la flexion trois points, l’évolution pour 3; 7; 14 jours par

rapport à 28 jours (i /28) est la même pour tous, comme le montrent le tableau II.15 et la

figure II.13.

Pour des durées de 3 jours, 7 jours et 14 jours, on observe une évolution comprise

entre 40 et 85%, entre 66 et 88% et entre 83 et 96% respectivement. Après 28 jours,

l’évolution dépend des pourcentages des polymères, car plus le pourcentage augmente, le gain

de la résistance augmente.


113

Á 56 jours, une augmentation de l’ordre de 3 % à 5% est obtenue pour le mortier CPJ,

PET1.5 et PET5. Pour les autres composites PET3.5 et PET7.5 elle varie de 9 à 10%. Tandis

que le composite PET2.5 on a une augmentation de l’ordre de 21%.

Á 90 jours, la différence est plus significatif car pour les composites PET2.5, PET3.5

et PET7.5 on a une augmentation de 23%, tandis que pour le composite PET5 elle va jusqu’au

l’ordre de 10%.

Pour une durée de 180 jours, le composite PET5 a une augmentation de 15%, tandis

que pour le mortier CPJ et le composite PET1.5 elle reste inférieure aux autres composites.

Le polymère PET améliore les résistances en flexion à long terme 360 jours de l’ordre

de 48% (figure II.13). Pour le PET7.5 il atteint les 44% en résistances. Les composites

PET2.5 et PET3.5 dépassent les 45% en résistance.

Sauf pour le PET 1.5 où on a une augmentation de 24%, inférieur au mortier de

contrôle CPJ ceci est dû au faible pourcentage du polymère ajouté.

i /28

Age(jours)

CPJ PET1.5 PET2.5 PET3.5 PET5.0 PET7.5

3 0.54 0.84 0.51 0.54 0.44 0.527 0.88 0.66 0.77 0.82 0.69 0.6814 0.86 0.83 0.96 0.88 0.71 0.8628 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.0056 1.03 1.01 1.21 1.1 1.05 1.0990 1.06 1.03 1.22 1.23 1.1 1.22180 1.13 1.08 1.27 1.28 1.15 1.26360 1.31 1.24 1.45 1.49 1.34 1.44

Tableau II.15- Evolution du rapport de la résistance à la flexion par celle mesuréeà 28 jours en fonction du temps.


114

3 jours 7 jours 14 jours 28 jours 56 jours 90 jours 180 jours 360 jours0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6 i

/28

Ag e (jo urs)

i/28CPJ

i/

28PET1.5

i/

28PET2.5

i/

28PET3.5

i/

28PET5.0

i/

28PET7.5

i varie de (3 à 360)

Figure II.13- Evolution du rapport de la résistance à la flexion par celle mesuréeà 28 jours en fonction du temps (i varie de 3 à 360j).

L’étude du rapport PET / témoin en fonction de l’âge du matériau révèle une

diminution de perte de résistance avec l’augmentation de la durée de conservation. (Voir

tableau II.16 et figure II.13).

Les rapports P /témoin indiquent qu’à 3 jours, la résistance diminue avec

l’augmentation du pourcentage du PET.

- Après 7 jours de conservation, la perte de résistance varie de 12% et 9% pour les

composites PET1.5 et PET2.5 respectivement.

- Pour une durée de 14 jours, on a une augmentation de 5% pour les composites PET

1.5 et PET 2.5. Les autres pourcentages donnent une diminution de l’ordre de 10%.

- Á 90 jours, on remarque une augmentation de la résistance pour les différentes

compositions des composites mortier-polymère. Le rapport de la résistance (PET /témoin)

varie de 3% pour les PET3.5, PET5 et jusqu’à 8% pour le PET2.5.

- Á 360 jours, Les composites contenant du polymère PET développe une

augmentation de résistance comparable variant de 1% jusqu’à 4% (figures II.11 et II.13).


115

D’après la figure II.14 qui représente l’influence de la teneur en polymère PET sur le

rapport de la résistance à la flexion (PET/CPJ) à l’âge de 14, 56, 90, 180 et 360 jours, et

puisque le polytéréphtalate d’éthylène (PET) favorise une interaction physique lors de son

ajout dans les matériaux cimentaires polyphasés, on attribue la valeur optimale observée au

composite PET2.5.

En général, les composites contenant du polymère PET développe une résistance

analogue sinon meilleures en comparaison avec celles d’un mortier contrôle à long terme 360

jours comme le montrent les figures II.7 et II.11. D’où des avantages économique et

écologique appréciables.

D'autre part, la comparaison des résultats d'essai avec celles obtenus par d’autres

équipes de recherche reste difficile (voir chapitre bibliographie I.8.3). Ceci est dû aux

différences dans les matières premières utilisées (ciment, agrégats, et polymère), les

proportions de mélange, mode de cure, la préparation des éprouvettes et les méthodes d'essai.

Age(jours)

PET1.5/CPJ PET2.5/CPJ PET3.5/CPJ PET5.0/CPJ PET7.5/CPJ

3 0.96 0.88 0.87 0.8 0.867 0.88 0.91 0.91 0.84 0.7614 1.04 1.05 0.91 0.81 0.928 1.08 0.94 0.89 0.98 0.9156 1.05 1.1 0.95 1.0 0.9690 1.04 1.08 1.03 1.03 1.04180 1.03 1.06 1.02 1.01 1.01360 1.02 1.04 1.01 1.01 1.00

Tableau II.16- Evolution du rapport de la résistance à la flexion du polymère sur larésistance à la flexion du mortier témoin en fonction du temps.


116

0 5 0 100 150 200 250 300 350 4000 ,0

0 ,2

0 ,4

0 ,6

0 ,8

1 ,0

PE

T/

CP

J

A g e (jo u rs)

P E T 1 .5 /C P J

P E T 2 .5 /C P J

P E T 3 .5 /C P J

P E T 5 .0 /C P J

P E T 7 .5 /C P J

Figure II.13- Evolution du rapport de la résistance à la flexion du polymère sur larésistance à la flexion du mortier témoin en fonction du temps.

1 2 3 4 5 6 7 8

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

1,05

1,10

PET

/CP

J

P/C (%)

à 14jà 56jà 90jà 180jà 360j

Figure II.14- Influence de la teneur en polymère sur le rapport de la résistanceà la flexion (PET/CPJ).


réaliser des essais d'identification microstructurale. Dans ce but, on a fait appelle à la

spectrométrie IRTF, les diffractions aux rayons X, la microscopie électronique à balayage

(M.E.B), la microscopie optique et l’analyse thermique ATG/ATD.


117

II.5. Caractérisation microstructurale des mortiers et/ou compositesMortier-Polymère à l’état durci

L’introduction du polymère PET à la gâchée d’un mortier modifie les propriétés

mécanique, chimique et physique du ciment. On peut craindre, à terme, que la phase

cimentaire des composites soit différente de celle du mortier (la différence sur la nature des

hydrates formées, l’agencement de la phase polymère dans la matrice, etc.). En définitive,

notre objectif est d’essayer d’analyser qualitativement la matrice cimentaire de ciment hydraté

de nos matériaux.

Pour cela, on réalise des analyses de spectrométrie infrarouge, de diffraction des

rayons X (DRX), de microscopie électronique à balayage (M.E.B), de microscopie optique et

d’analyse thermique. La spectrométrie infrarouge et la DRX offrent une appréciation

qualitative de la nature des phases qui les constituent. La spectrométrie infrarouge est

complémentaire de la DRX, qui est limitée aux seules espèces cristallisées. La microscopie

électronique à balayage et optique permettent de découvrir l’agencement du polymère au sein

des différents composites.

5.1. Préparations des échantillons (IRTF, DRX, ATG et ATD)

Les échantillons sont prélevés sur une chute de barreau 4x4x16 (cm3) rompu en

flexion, au cœur de l’éprouvette. Pour cela, on fait « éclater » la chute à l’aide d’un marteau et

d’un burin. Sur un éclat qui est situé au centre de cette chute on découpe un échantillon

d’environ 1 cm3 à l’aide d’une tenaille. Ces échantillons sont réduits à l’état de poudre par

concassage, d’abord avec un marteau, puis à l’aide d’un mortier et d’un pilon. Cette poudre

est ensuite broyée à l’aide d’un broyeur de type Retsch (S100) avec une vitesse de 325

tours/mn pendant 5mn. On ne récupère essentiellement qu’une poudre fine du liant des

mortiers, matrice cimentaire dans le cas du CPJ, et le mélange de cette matrice avec du

polytéréphtalate d’éthylène dans le cas des composites. Le ciment anhydre CPJ-CEM II/A est

broyé à une granulométrie de 315 m.

5.2. Spectrométrie infrarouge (IRTF) [13]

La technique de spectroscopie IR est souvent utilisée comme outil de base pour la

caractérisation physico-chimique des matériaux organiques. Mais dès qu’il s’agit d’élucider la

structure d’une espèce minérale, nous avons peu de spectres de référence à notre disposition.

C’est pour cela, que d’autres techniques (analyse thermique, diffractométrie des rayons X,


118

etc.) viennent en aide pour donner davantage d’informations. Néanmoins, quelques études

portant sur les identifications des minéraux [14-17] et l’étude de leur structure [18,19] ont été

menées. Certains travaux de recherche décrivent l’utilisation de l’IRTF en mode transmission

(mode traditionnel de l’analyse infrarouge) appliquée à l’analyse des ciments [14,16] et seul

un travail assez complet, réalisé en mode réflexion diffuse dans le moyen infrarouge a pu

analyser qualitativement et quantitativement les ciments [20].

Les radiations infrarouges [21] facilitent les transitions entre niveau d’énergie de

vibration des liaisons atomiques. Ces transitions s’accompagnent de l’absorption d’une partie

du rayonnement. Les fréquences de résonance des liaisons dépendent des atomes mis en jeu et

de l’édifice atomique auquel ils appartiennent. Actuellement, l’analyse par IRTF semble être

utilisée pour suivre le comportement des ciments dans des conditions particulières [22-25].

En spectroscopie infrarouge, l’analyse des échantillons est effectuée sur pastille KBr à

une concentration de 1% par un spectromètre infrarouge FTIR-8300 Shimadzu, disponible à

l’Université de Djillali Liabes (Sidi Belabbes), Laboratoire de chimie organique physique et

macromoléculaire. Les spectres IRTF ont été obtenus par l’exécution rapide de la technique et

du prélèvement en quelques minutes du matériau.

5.2.1. Résultats et discussion

a) Interprétation du spectre IRTF de ciment anhydre

L’interprétation du spectre IRTF du ciment CPJ-CEM II/A (figure II.15), permet

d’obtenir les informations suivantes :

i) Détection du clinker : une large bande d’absorption vers 923.3cm-1 (Si-O), accompagnée

d’une bande vers 523.5 cm-1 (Si-O-Si), qui correspondent respectivement aux modes de

vibrations de valence et de déformation de la liaison Si-O des phases siliceuses C2S et C3S,

ainsi que des harmoniques vers 2970.3 cm-1, 2875.7 cm-1 significatives de la présence du

clinker. De plus, la forte intensité de la bande vers 923.3 cm-1 révèle un taux bien défini de

clinker.

On peut lire un triplet vers 1429.2 cm-1, 875.6 cm-1, et 713.6 cm-1, caractéristique des

modes de vibrations d’élongation des liaisons C-O du groupement carbonate, ainsi que des

harmoniques vers 2513.1 cm-1, 1797.5 cm-1. Ces bandes d’absorption sont révélatrices de la

présence de carbonate de calcium (CaCO3).


119

Par contre, les phases aluminates n’apparaissent pas sur les spectres infrarouges. En

effet, comme les phases silicates représentent 80% du clinker et les phases aluminates

seulement 20%, la bande d’absorption de la liaison Si-O des silicates se détache nettement.

De plus, cette bande d’absorption, large et intense, tend à masquer l’absorption de toutes les

autres liaisons inter- atomiques.

ii) Détection du gypse (CaSO4) : un examen de ce spectre met en évidence d’une part, deux

doublets à 1140.2 cm-1 – 1120.1 cm-1 et 660.2cm-1 – 603.1 cm-1 qui correspondent aux

élongations de la liaison S-O des sulfates (SO42-), caractéristiques de la présence du gypse. Et

d’autre part, les bandes caractéristiques de l’eau constitutive qui apparaissent au-dessus de

3000 cm-1 (vers 3420 cm-1 O-H) qui correspondent à des modes de vibrations de valence de

la liaison O-H.

iii) Détection du pouzzolane : du fait que la pouzzolane est présente en faible quantité dans le

ciment analysé et qu’elle est caractérisée par la vibration de la liaison Si-O de la silice à 1030

cm-1 (large et intense), ce constituant est totalement masqué par le clinker ; Dans ce cas, nous

pouvons affirmer que pour les ciments de type CPA-CEM I et CPJ-CEM II, où le clinker est

majoritaire (de 65 à 100% ), qu’il est impossible de mettre en évidence la présence de

pouzzolane par IRTF [26]. Á l’inverse, dans le cas des ciments de haut-fourneau et des

ciments pouzzolaniques où les proportions sont inversées, la détection du clinker peut devenir

difficile.

Figure II.15- Spectre IRTF du CPJ-CEM II/A en pastille KBr 1%.


120

b) Interprétation des spectres IRTF de l’hydratation de la matrice cimentaire

- Analyse des constituants des ciments hydratés

Au contact de l’eau, les liants hydrauliques forment une pâte qui acquiert une certaine

stabilité et une certaine résistance même sous l’eau [27]. Le mécanisme d’hydratation des

ciments est un phénomène extrêmement complexe qui agit principalement sur les quatre

composés du clinker pour former de nouveaux produits stables. Les réactions chimiques

simplifiées, exprimées avec l’aide de la notation cimentière, sont les suivantes :

- L’hydratation des deux phases silicates qui conduit à la formation de silicates de calcium

hydratés (C-S-H) et de portlandite (Ca(OH)2) ; (II.1)

C3S et C2S + H2O C-S-H + Ca(OH)2 ……(Eq. II.3)Clinker Silicate de portlandite

calcium hydraté

- L’hydratation des deux phases aluminates qui réagissent avec le gypse (régulateur de prise)

pour former de l’ettringite, du monosulfoaluminate tricalcique hydraté et de l’aluminate

tétracalcique hydraté : (II.2)

C3A + CaSO4 , 2 H2O + H2O C3A, 3 CaSO4 ,H32 + C3A,CaSO4 ,H12 + C4AH13 (Eq. II.4)Clinker Gypse Ettringite Monosulfo- Aluminate

aluminate tétracalciquetricalcique hydratéhydraté

- Identification

On a suivi l’hydratation d’un ciment industriel CPJ-CEM II/A par comparaison des

spectres IRTF avant et après gâchage de l’eau. En général, d’après le paragraphe (5.2.1.a) le

spectre IRTF d’un ciment portland à la pouzzolane (cf. figure II.15) se distingue par la

présence des bandes caractéristiques des phases silicates (923.3 cm-1 et 523.5 cm-1) et du

gypse (doublets 1140.2 cm-1 – 1120.1 cm-1 et 660.2 cm-1 – 603.1 cm-1 ). Après hydratation le

spectre d’un tel ciment hydraté (figures II.16, II.17 et II.18) présente les évolutions suivantes :

i) augmentation significative de la bande de l’eau vers 3420 cm-1 liée à la présence de

produits hydratés,

ii) présence d’un pic vers 3640 cm-1- 3637 cm-1 caractéristique de la formation de portlandite,

iii) disparition des doublets du gypse avec apparition d’une bande prés de 1100 cm-1 attribué à

de l’ettringite,

iv) déplacement de la bande de 923.3 cm-1 vers 1000 cm-1 lié au changement d’environnement

de la liaison chimique Si-O (C3S en C-S-H),

v) apparition du triplet caractéristique de la calcite (1425.2 cm-1, 873.7 cm-1, 713.6 cm-1)


121

attribuées à la carbonatation naturelle du liant.

Malgré, la carbonatation de la pâte de ciment durcie qui perturbe légèrement le

dépouillement du spectre IRTF, il y a réarrangement de la structure cristalline qui a lieu lors

de l’hydratation du ciment, car les bandes d’absorption caractéristiques du clinker anhydre

sont remplacées par celles des produits d’hydratation, en accord avec les réactions chimiques

décrites ci-dessus (paragraphe 5.2.1.b). Ces observations offrent donc de nouvelles

opportunités d’application de l’analyse IRTF sur les ciments, par exemple :

- Contrôle de qualité sur des sacs de ciment suspects.

- Identification de la nature du liant entre du clinker ou de la chaux.

Concernant ce type de ciment CPJ-CEM II/A où le clinker est majoritaire (de 65 à

100%), les constituants masqués par le clinker anhydre « pouzzolane » restent invisibles sur

les spectres IR des liants hydratés. Par contre, nous constatons que le triplet de la calcite

apparaît systématiquement sur les spectres IRTF des liants anhydres comme des liants

hydratés. Ce phénomène s’explique par la carbonatation rapide de la pâte de ciment durci.

Ainsi, sans information préalable, il est difficile de savoir si la calcite est un constituant du

ciment ou si elle résulte de la carbonatation du liant.

L’ensemble des spectres obtenus pour les mortiers CPJ3j, CPJ7j, et CPJ28j, présentent

les mêmes raies, mais de manière plus ou moins intense selon l’age de conservation des

matériaux (figures II.16-18).

Figure II.16- Spectre du rayonnement infrarouge transmis du CPJ3j


122

Figure II.17- Spectre du rayonnement infrarouge transmis du CPJ7j.

Figure II.18- Spectre du rayonnement infrarouge transmis du CPJ28j.

c) Interprétation des spectres IRTF de l’hydratation des composites mortier-

polymère

La figure II.19 présente les spectres de transmission infrarouge d’échantillons de CPJ

et de PET7.5. Ces deux spectres se distinguent par la présence de raies particulières pour le

PET7.5 vers 870.5 cm-1 déformations alternée du cycle hors du plan (para-disubstitué), prés de


123

1097.4 cm-1 dû au vibrations –CO- , à 1577.7 cm-1 et 1616.2 cm-1 en raison des modes de

vibrations du cycle benzénique (valence du cycle), on a prés de 1716.5 cm-1 la bande dû au

–COO-, vers 2860.1 cm-1 et 2967.8 cm-1 caractéristique de –CH2-, et prés de 3026.2 cm-1 due

aux vibrations de valence CH du cycle benzénique. On ne constate que le les raies

caractéristiques du polytéréphtalate d’éthylène broyé [28] correspondent à celles observées

sur le composite PET7.5.

Figure II.19- Comparaison des spectres du rayonnement infrarouge transmis d’échantillonsde CPJ (courbe du dessus) et de PET7.5 (courbe du dessous) à 28 jours.

Ainsi, la seule différence notable entre les spectres infrarouge d’un mortier et d’un

composite est l’apparition des raies caractéristiques du polytéréphtalate d’éthylène broyé

(figures II.20-22).

L’ensemble des spectres obtenus pour les composites présentent les mêmes raies, mais

de manière plus ou moins intense selon la teneur en polymère (figures II.20, II.21 et II.22). Au

vue de l’abondance des résultats, on a été contraint de réduire le nombre de spectres relatif à

l’échantillon PET5. Pour les composites, il n’apparaît pas, en spectroscopie infrarouge,

d’autres phases que le PET broyé et celles présentes dans le mortier (paragraphe 5.2.1.b).


124

Figure II.20- Spectre du rayonnement infrarouge transmis du PET7.53j.




125

5.3. Diffraction des rayons X (DRX)

On peut dire que les rayons X [29-31] diffractent avec les structures cristallines selon

les angles caractéristiques de cette structure. En balayant à différents angles, on obtient un

spectre angulaire de diffraction. Sur un spectre de diffraction d’une poudre obtenu,

correspondent les espèces cristallines de l’échantillon. Dans le cas d’une poudre de ciment

hydraté, cette technique permet donc de déterminer les cristaux présents dans l’échantillon

ainsi que les espèces anhydres et les hydrates.

Les analyses par diffraction X portent uniquement sur les phases cristallines des

matériaux des mortiers et/ou composite mortier-polymère soumis à différent age de

conservation.

Les échantillons sont analysés par un diffractomètre Philips PW 1710, utilisant une

anticathode de cuivre (Cu-K) de longueur d’onde = 1,5406 A°, disponible à l’Université

d’Oran IGMO, Laboratoire de chimie des matériaux.

5.3.1. Résultats et discussion

a) Interprétation du spectre DRX de ciment anhydre [32]

Le spectre DRX de l’échantillon du ciment anhydre CPJ-CEM II/A (figure II.23),

présente des pics aigus et donnent des valeurs d’angles de diffraction pour les différentes

phases du clinker proches à celles des phases pures (C3S, C2S, C3A, C4AF). Ce qui permet de

dire que les principaux minéraux classiques [33,34] du clinker notamment le silicate

tricalcique, le silicate bicalcique (,), l’aluminate tricalcique et le ferro-aluminate

tétracalcique (avec leurs distances inter-rétuculaire correspondantes) sont présents et

cristallisés et qui confirme que le ciment CPJ-CEM II/A est adéquat.


126

Figure II.23- Spectre de DRX du CPJ-CEM II/A anhydre.

Les analyses DRX sont faites sur des échantillons de matériau à 7 et 28 jours, pour les

teneurs principales : P/C = 0 ; 7.5 %m.

b) Interprétation des spectres DRX de l’hydratation de la matrice desmortiers

L’analyse de la pâte de ciment hydraté par DRX n’est pas une chose simple, car le

produit majeur d’hydratation est le CSH qui se présente sous forme d’un gel plus ou moins

bien cristallisé difficilement identifiable sur un spectre DRX. En fait, le CSH est caractérisé

sur un spectre DRX par une large bosse située entre 28 et 35° 2Ө, là même où se situent la

plupart des pics de silicates anhydres (C2S et C3S). Ainsi la pâte de ciment est souvent

caractérisée par ses hydrates mieux cristallisés que sont l’ettringite et la portlandite.

Tous les spectres (figures II.24-25) obtenus révèlent la présence des mêmes espèces à

savoir :

- Portlandite Ca(OH2) ;

- L’ettringite Ca6Al2 (SO4)3(OH)12. 26H2O ;

- Gypse CaSO4. 2H2O ;

- Calcite CaCO3.


127

On a suivi l’hydratation d’un ciment industriel CPJ-CEM II/A par comparaison des

spectres DRX avant et après gâchage de l’eau. En général, d’après le paragraphe (5.3.1.a) le

spectre DRX d’un ciment portland à la pouzzolane (cf. figure III.23) se distingue par la

présence des bandes caractéristiques des phases silicates. Après hydratation le spectre d’un tel

ciment hydraté présente les évolutions suivantes :

Les figures II.24 et II.25, présentent les spectres DRX du mortier contrôle CPJ mûri

sous l’eau douce pendant 7 jours et 28 jours et il est intéressant d’observer que ces spectres

montrent une hydratation très avancée.

L’ettringite Ca6Al2 (SO4)3(OH)12. 26H2O a son pic majeur au environ de 9° 2Ө, et la

portlandite Ca(OH)2 à 34.09° 2Ө, 18.09° 2Өet à 47.12° 2Ө. On trouve aussi de la calcite

CaCO3 avec son pics majeur à 29.41° 2Ө, c’est le pic le plus intense. Ce qui caractérise

l’incorporation du sable de carrière. On attribut le pic vers 55.9° 2Өau formation du gypse

CaSO4. 2H2O.

Donc, il y a un réarrangement de la structure cristalline qui a lieu lors de l’hydratation

du ciment, car les bandes d’absorption caractéristiques du clinker anhydre sont remplacées par

celles des produits d’hydratation, en accord avec les réactions chimiques décrites ci-dessus

(paragraphe 5.2.1.b). Par contre, On constate que la calcite apparaît systématiquement sur tous

les spectres DRX des liants hydratés. Ce phénomène s’explique par la carbonatation rapide de

la pâte de ciment durci. Ainsi, sans information préalable, il est difficile de savoir si la calcite

est un constituant du ciment ou si elle résulte de la carbonatation du liant.

L’ensemble des spectres obtenus pour les mortiers CPJ7j et CPJ28j, présentent les

mêmes raies, mais de manière plus ou moins intense selon l’age de conservation des



128

Figure II.24- Spectre DRX d’un échantillon de CPJ à 7 jours.

Figure II.25- Spectre DRX d’un échantillon de CPJ à 28 jours.


129

c) Interprétation des spectres DRX de l’hydratation de la matrice descomposites mortier-polymère

L’analyse comparative des spectres DRX obtenus pour les mortiers et/ou composites

mortier-polymère aux mêmes échéances n’indique pas qu’il y ait des différences significatives

sur la nature des espèces cristallines qui composent le liant des matériaux : on trouve,

systématiquement, presque les mêmes pics de diffractions, à toutes les teneurs. Pour illustrer

ce résultat, on reporte à la figure II.26 la superposition du spectre du mortier contrôle CPJ28j,

et celui du composite PET7.528j.

Tous les spectres (figure II.26) obtenus révèlent la présence des mêmes espèces à

savoir :

- Portlandite Ca(OH2) ;

- L’ettringite Ca6Al2 (SO4)3(OH)12. 26H2O ;

- Calcite CaCO3.

- Gypse CaSO4 .

L’ettringite Ca6Al2 (SO4)3(OH)12. 26H2O a son pic majeur au environ de 9° 2Ө, et la

portlandite Ca(OH)2 à 34.09° 2Ө, 18.09° 2Ө et à 47.12° 2Ө. On trouve aussi de la calcite


l’incorporation du sable de carrière. On attribut le pic vers 55.9° 2Ө au formation du gypse

CaSO4. 2H2O.

Des études faites par ailleurs [35,36], ont constatées que l’espèce cristalline portlandite

Ca(OH)2 est caractérisée par son pic à 2 Ө = 18 et 18.1°. En ce qui nous concerne, on

remarque que le pic du spectre PET7.528j apparaît à 18.1° 2Ө(figure II.26) avec une intensité

légèrement supérieure à celui du mortier CPJ28j malgré que le rapport du polymère-ciment est

de l’ordre de 7.5%m. Ce qui cause une diminution progressive de la quantité de portlandite

Ca(OH)2 dans les composites par rapport au mortier de contrôle.

En comparant nos résultats avec ceux obtenus par l’équipe de M.U.K Afridi [37,38],

les cristaux de portlandite Ca(OH)2 peuvent probablement produire une réflexion dans le plan

de diffraction plus importante en présence du polymère PET dû à un changement d'orientation

des cristaux. Cette réflexion importante résulte de l'effet gagné par la quantité abaissée de

Ca(OH)2, et ainsi l'intensité maximale à un rapport de polymère-ciment de 7.5%m apparaît à

un niveau accru comparé à celui du mortier non modifié CPJ28j.


130

Figure II.26- Comparaison des Spectres DRX d’échantillons de CPJ28j et de PET7.528j.

L’analyse quantitative d’une même masse de poudre à partir de ces spectres semble

très délicate, car la présence en quantité variable de polymère PET modifie la fraction

massique des espèces cristallines dans chacun des échantillons. De plus, le tamisage modifie

également les proportions entre les constituants, et d’une façon qu’il semble impossible à

chiffrer a posteriori.

L’ensemble des spectres DRX obtenus pour les composites PET7j et PET28j, présentent

les mêmes raies, mais de manière plus ou moins intense selon l’age de conservation des


Au vue de l’abondance des résultats, on a été contraint de réduire le nombre de

spectres relatif à l’échantillon PET5. Pour les composites, il n’apparaît pas, en diffraction de

rayons X, d’autres phases que celles présentes dans le mortier de contrôle (paragraphe

5.3.1.b).


131

Figure II.27- Spectre DRX d’un échantillon de PET7.5 à 7 jours.

Figure II.28- Spectre DRX d’un échantillon de PET7.5 à 28 jours.


132

5.4. La microscopie électronique à balayage (MEB)

Le principe de base du M.E.B consiste à utiliser les électrons émis par la surface d'un

solide lorsqu'elle est bombardée par un faisceau d'électrons dont l'énergie est de l'ordre de

quelque Kev. Un dispositif intermédiaire permet au faisceau de balayer la surface à examiner.

Au point d'impact, plusieurs rayonnements sont émis, mais seuls les électrons secondaires et

rétrodiffusés contribuent à la formation de l'image de la topographie de l'échantillon [27] .

Chaque type d'interaction électrons-matière fournit un signal propre qui apporte des

informations sur l'objet examiné. A chaque type de signal peut correspondre un mode de

fonctionnement du MEB avec formation d'une image.

- Préparations des échantillons (MEB)

Les échantillons destinés à l’examen au microscope électronique à balayage

consistent en des fragments fournis par les essais mécaniques.

Le mortier et/ou le composite étant un matériau non-conducteur, les échantillons à

analyser nécessitent une métallisation pour permettre l’évacuation des charges négatives qu’il

reçoit au cours de l’observation. Cette métallisation consiste à recouvrir la surface à étudier

d’un mince film métallique 100 à 200 A° d’épaisseur par évaporisation sous vide.

Les échantillons à métalliser sont des fractions, de très faibles dimensions. Chaque

échantillon est ensuite fixé sur un porte-objet avec une colle conductrice (d’argent).

Les échantillons sont analysés par un microscope électronique à balayage, type

HITACHI S2500 C, disponible à l’Université d’USTOran, Laboratoire de Microscopie

Electronique et des Sciences des Matériaux.

5.4.1. Examen de la microstructure des mortiers et/ou composites

Des images microscopiques ont été prises pour des échantillons de mortier contenant

ou pas de polymère PET (P/C = 0, 3.5, 5.0 et 7.5%m) et ceci aux échéances de 7 jours, 28

jours et 90 jours.

Le microscope électronique à balayage est efficace pour l'observation de la

microstructure de surface avec électron retour diffracté et électron secondaire engendré par

l'échantillon.

L'examen au microscope électronique à balayage avec différents grossissements a

permis d'une part l'identification de la structure microstructurale des mortiers ne contenant de


133

polymère et d'autre part celles des composites contenant 3.5%m, 5%m et 7.5%m de polymère

PET.

L'introduction d'un ajout dans un ciment influe sur plusieurs caractéristiques de la pâte

fraîche [39] et, notamment sur :

La structure de la pâte au contact des granulats,

La vitesse de prise,

La nature et la cinétique des réactions d'hydratation.

L’objectif de cette analyse est de visualiser les détails de la microstructure, tels que la

morphologie des phases hydratées (silicates de calcium hydratés CSH, portlandite, ettringite,

etc.). Ensuite, de découvrir comment s’organise le polymère PET au sein des matériaux

composites étudiés (Figures II.29-37).

Il est à noter que l’observation est pratiquée sous un vide poussé. Cela peut expliquer

la présence de microfissures sur les micrographies (figures II.31, II.36). Les hydrates présents

dans la microstructure sont essentiellement des silicates de calcium CSH. Ils se présentent

sous forme d’amas granuleux, voire fibreux dans le composite PET57j (figure II.29).

Au cours du processus de l’hydratation, d’autres CSH se forment également en

quantité importante et remplissent les vides intergranulaires (figure II.30).

Après trois mois, il y a formation progressive des cristaux de CSH qui comble le vide

de ces interfaces. On a des assemblages des différents constituants de la matrice qui

présentent une organisation et une compaction relative aux grains (voir figures II.33 et II.34).

L’ettringite cristallise sous forme d’aiguilles à base hexagonale (figure II.32). La

portlandite est un composé défini qui cristallise sous forme de plaquettes hexagonales [40-42]

qui peuvent atteindre une taille de quelques micromètres (figure II.32). La portlandite se

développe dans l’espace libre entre les grains de ciment, plus préférentiellement autour des

granulats dans le cas des mortiers ou de bétons [43]. Le développement des autres hydrates

finit d’enrober la portlandite qui se trouve finalement confinée dans le gel CSH.

La croissance des cristaux de portlandite dépend des propriétés rhéologiques de la

pâte. Si sa rigidité est précoce ou si le temps de prise est bref, les possibilités de

développement des cristaux sont faibles, l’orientation est peu importante. Au contraire, si le

temps de prise est long, les cristaux de portlandite peuvent se développer à plat sur le granulat

dont la surface est libre [44]. L’orientation est alors importante.


134

Au fur et à mesure de l’avancement des réactions d’hydratation, les cristaux

d’ettringite et de portlandite croissent, il y a une compétition entre les deux. Les derniers se

développent en particulier en augmentant leur surface de contact avec le granulat. Au cours ce

cette étape la cristallisation des hydrates évolue (voir la figure II.37).

Les photos MEB présentées par les figures II.35, II.36 et II.37, montrent l’agencement

de la phase polymère, polytéréphtalate d’éthylène (PET), au sein du liant cimentaire des

composites mortier-polymère ainsi que la présence des hydrates du silicate de calcium C-S-H

et d’autres phases d’hydratation. On constate que le polymère remplie les pores de la matrice

cimentaire. Les photos MEB présentés par les figures II.38. a. et b, montrent l’aspect du

polytéréphtalate d’éthylène utilisé dans la formulation des composites [11].

Figure II.29- Observation au MEB du PET57j Figure II.30- Observation au MEB du PET7.57j

(1300x) (2000x)- 1= Portlandite ; 2 = Ettringite ; 3 = CSH. - 1= Portlandite ; - Gel de CSH.

15 m20 m


135

Figure II.31- Observation au MEB du CPJ28j Figure II.32- Observation au MEB du PET3.528j

(1000x) (250x)- 1= CSH ; Microfissuration au milieu 1- Portlandite (plaquettes hexagonales) ;

de la matrice. 2- Ettringite (aiguilles à base hexagonale) ;3- Gel de CSH.

Figure II.33- Observation au MEB du PET3.590j Figure II.34- Observation au MEB du CPJ90j

(80x) (400x)- 1 = Matrice; 2 = Granulat (sable). - Matrice (densification de l’ensemble des

Constituants).

120 m30 m

150 m 75 m


136

Figure II.35- Observation au MEB du PET590j Figure II.36- Observation au MEB du PET590j

(1000x) (800x)- Présence du polymère PET au sein d’un pore. - Présence du polymère PET au sein d’un- Pore (en noire) pore ;

- 1 = Gel de CSH ;- 2 = Microfissuration.

Figure II.37- Observation au MEB du PET7.590j

(480x)- Présence du polymère PET au sein d’un Pore ;

- 1 = Portlandite ; 2 = PET ; 3 = Gel de CSH ;- 4 = Compétition entre les cristaux d’ettringite et de portlandite.

30 m 30 m

75 m


137

a. - Grossissement 840x b. - Grossissement 1000x

Figure II.38- Images obtenues au MEB par électrons secondaires sur la fracture deséchantillons du polytéréphtalate d’éthylène utilisé.

5.5. La microscopie optique (MOP)

Les échantillons sont analysés par un microscope optique, type Keyence VH-5911

commandé par un logiciel Microvision, disponible au Laboratoire Matériaux et durabilité des

constructions LMDC, INSA de Toulouse, France.

La microscopie optique est une technique de mesure optique qui permet d’obtenir une

image agrandie d’objets, matériaux cimentaires, et de voir des détails invisibles à l’œil nu.

Figure II.39- Images obtenues au microscope optique MOP sur la fracture des échantillonsd’un mortier modifié par du polytéréphtalate d’éthylène (25X) ; P - PET, Gr – granulat,

MC – matrice cimentaire.

Le microscope optique utilise des lentilles convergentes pour obtenir une image

agrandie de l’échantillon à observer. L’image a été prise pour des échantillons de mortier

contenant du polytéréphtalate d’éthylène PET à 360 jours (Figure II.39).

30 m 30 m

GrP

P

P MC

MC


138

La figure II.39 exhibe la micrographie optique du composite Mortier-Polymère

contenant des particules en PET. En terme d’adhérence, la surface rugueuse des particules

favorise un plus grand contact entre le PET et la matrice du ciment. Les particules semblent

bien recouvertes par la matrice cimentaire.

L’introduction de l’ajout du PET broyé, conduit à une densification de la matrice

cimentaire. La mouture des particules de PET, permet à ses grains de s’intercaler dans les

macropores entre les granulats et les produits d’hydratation (Figure II.39). Ce qui développe

l’adhérence particule/matrice et par conséquent augmente la résistivité du mortier modifié par

PET vis-à-vis des attaques des milieux fortement agressifs (chapitres 3-5).

5.6. L’analyse thermique (ATG/ATD)

La caractérisation de nos matériaux conservés sous cure d’eau douce est basée sur les

différentes techniques d’analyses telles que l’analyse thermique par ATG et ATD disponibles

dans les laboratoires suivants :

- Laboratoire de chimie des polymères LCP, Université d’Es-Sénia Oran, (il s'agit d’un

analyseur Thermogravimétrique (ATG) simple d'utilisation (ambiante à 1600°C) -

Labsys TGA par SETARAM, rampe de température : montée 10°C/mn jusqu’à 1000-

1100 °C sous flux He).

- Le Laboratoire des Matériaux LABMAT d’ENSET Oran; (un appareil ATD, type

Linseis marque DTA L62, porte échantillon en alumine, rampe de température :

montée 10°C/mn jusqu’à 1000-1100 °C).

Pour le diagnostique des mortiers et afin de suivre l’évolution des phases solides

caractéristiques de ces derniers dans l’eau douce. Une autre technique complémentaire a été

utilisée dans cette étude c’est l’analyse thermique, qui comprend une analyse

thermogravimétrique (ATG) et une analyse thermique différentielle (ATD).

L'analyse thermogravimétrique (ATG) mesure les variations de poids dans un matériau

en fonction de la température (ou du temps) en atmosphère contrôlée. Ses utilisations

principales comprennent la mesure de stabilité thermique et la composition d'un matériau.

Certains travaux de recherche [45-47] ont rapporté l’identification par analyse

thermique telles que DSC, ATD et ATG des produits d’hydratation comme le gel CSH, la

portlandite, l’ettringite, le gypse et la calcite. Ainsi que, Silva et al. [48] ont pu monter les

différents changements liés à l’effet de l’ajout du copolymère vinyle acétate d’éthylène

(EVA) dans les matériaux composites par l’analyse ATD.


139

Une prise d’essai du mortier et composite a été analysée suivant un chauffage linéaire

depuis la température ambiante jusqu’à 1000-1100 °C avec une montée de 10 °C/min.

Les courbes ATD (Figures II.40-41) obtenues pour tous les tests sont typiques de pâtes

de ciment hydraté contenant des phases de carbonate de calcium (CaCO3). Trois grandes

réactions endothermiques eu lieu pendant le chauffage des échantillons telles que :

L’évaporation d’une partie de l'eau adsorbée (CSH et ettringite) au environ de 110-

130 °C;

La déshydratation de la portlandite Ca(OH)2, entre 450 et 510 °C;

Décomposition des phases de carbonate de calcium (calcite) à 850-900 °C.

Figure II.40- Analyse par ATD du mortier non modifier CPJ conservédans l’eau douce.


140

Figure II.41- Analyse par ATD du composite PET5 conservé dans l’eau douce.

L’effet de l’ajout de polymère PET dans les matériaux polyphasés, influe fortement

sur la courbe ATD montrée par la figure II.41, entraînant ainsi ;

Un élargissement de l'épaule exothermique à 200-420 °C,

Une diminution de l'intensité du pic endothermique et la perte de poids sur la

déshydratation de l'hydroxyde de calcium (516 °C),

Forte changements dans la courbe à des températures supérieures à 510 °C (dans la

plupart des cas, un pic endothermique à 580 °C et trois épaules exothermique à

540 °C, 620-660 °C et 820-840 °C ont été détectés),

L'élargissement de l'intensité du pic endothermique à 620-780 °C, la diminution de

la température maximale (de 937 à 926 °C) et diminution de la perte de poids

dans la gamme de température de cette dernière.

Les figures II. 42-45 montre les courbes ATG du mortier et des composites mûri sous

l’eau douce pendant 90 jours, il est intéressant d’observer que ces courbes montrent une

hydratation très avancée et sur laquelle, on peut identifier les phases ayant provoqué des pics

généralement endothermiques, par la température maximale de ces pics par exemple :

L’évaporation d’une partie de l'eau adsorbée (CSH et ettringite) au environ de 110-

130 °C;


141

La déshydratation de la portlandite Ca(OH)2, entre 450 et 510 °C;

Décomposition des phases de carbonate de calcium (calcite) à 850-900 °C.

Temperature/ °C50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

TG/ %

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

DTG/ %/min

-2.75

-2.50

-2.25

-2.00

-1.75

-1.50

-1.25

-1.00

-0.75

-0.50

-0.25

0.00

Temperature/ °C100 200 300 400 500 600 700 800 900

TG/ %

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

DTG/ %/min

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

Figure II.42- Analyse par ATG du mortier CPJ-PET0 conservé dans l’eau douce.

Figure III.43- Analyse par ATG du composite PET2.5conservé dans l’eau douce.

Temperature/ °C0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

TG/ %

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

DTG/ %/min

-2.50

-2.25

-2.00

-1.75

-1.50

-1.25

-1.00

-0.75

-0.50

-0.25

0.00

Temperature/ °C50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

TG/ %

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

DTG/ %/min

-3.5

-3.0

-2.5

-2.0

-1.5

-1.0

-0.5

0.0

Figure II.44- Analyse par ATG du composite PET5conservé dans l’eau douce.

Figure II.45- Analyse par ATG du composite PET7.5conservé dans l’eau douce.

Toutes les données de perte de masse sont exprimés en fonction du poids calciné de

l'échantillon, comme suggéré par Taylor [49].

La teneur en hydroxyde de calcium a été déterminée à partir de l'équation suivante:

H

CHCH MW

MWWLCH (%)(%) (Eq. II.4)


142

Où CH (%) est la teneur en pourcentage de Ca(OH)2 (en poids de base), WLCH (%) est la

perte de masse qui s'est produite lors de la déshydratation d'hydroxyde de calcium (en poids

de base), MWCH est la masse molaire d'hydroxyde de calcium et MWH est la masse molaire

d'eau. Puisque la stoechiométrie exacte de la décomposition des réactions des phases de

carbonate de calcium n’est pas connue, les résultats sont exprimés en fonction du poids du gaz

CO2 libéré lors de la décomposition, et non pas sous forme du taux en pourcentages des

phases de carbonate CaCO3.

PET 0 PET 2.5 PET 5.01,7

1,8

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

La

tene

uren

hydr

oxyd

ede

calc

ium

Ca(

OH

) 2(%

)

Taux d'ajoutdu PET(%)

(a)

PET 0 PET 2.5 PET 5.0 PET 7.5509

510

511

512

513

514

515

516

517

518

Tem

péra

ture

dedé

shyd

rata

tion

deC

a(O

H) 2

TC

H(°

C)

Taux d'ajout du PET (%)

(b)

Figure II.46- L’effet d’ajout du polymère PET sur la teneur en hydroxyde de calciumCa(OH)2 et leur température de déshydratation (TCH).

PET 0 PET 2.5 PET 5.0 PET 7.517

18

19

20

21

22

23

24

25

26

Perte

dem

asse

des

phas

esde

Car

bona

tede

calc

ium

(CaC

O3)(

%)

Taux d'ajout du PET (%)

Figure II.47- L’effet d’ajout du polymère PET sur la perte de masse due à la décompositiondes phases de carbonate de calcium CaCO3.


143

On constate d’après la figure II.46, que la teneur en hydroxyde de calcium (Ca(OH)2)

diminue avec le taux de substitution de ciment par le polytéréphtalate d’éthylène PET et on a

une augmentation de la température de déshydratation (TCH).

Car plus le taux de substitution du PET augmente, on a moins de formation de

portlandite Ca(OH)2 , qui est principalement le résultat de la réaction suivante :

C3S et C2S + H2O C-S-H + Ca(OH)2

portlandite

La figure II.47 montre que la substitution du ciment par PET diminue la perte de

masse des phases de carbonate de calcium CaCO3 dans les composites, mesurées par ATG.

Ceci est intéressant pour la suite des résultats concernant la durabilité des matériaux

polyphasés dans les chapitres qui suits.

Conclusion

Cette étude a permis de mieux comprendre les comportements mécaniques des

matériaux composites mortier-polymère. On remarque que les performances mécaniques en

particulier les résistances à la flexion, de nos mortiers dans lesquels le polytéréphtalate

d’éthylène a été incorporé sont jugés analogues sinon meilleures en comparaison avec celles

d’un mortier témoin, d’où des avantages économique et écologique appréciables.

Les méthodes d’analyse tels l’IRTF, les DRX, MEB, MOP et ATG/ATD ont révélé

que la composition des matériaux est qualitativement identique et qu’aucune interaction

chimique entre les espèces minérales et le polymère n’a pu conduire à la formation de

nouveaux composés.

Dans le chapitre qui suit, on essaie de mettre en évidence l’influence de la présence

d’ajouts polytéréphtalate d’éthylène (PET) sur le comportement des mortiers et/ou composites

mortier-polymère en milieux agressifs tels que les acides et les bases.

Chapitre III

Durabilité des MatériauxComposites Mortier-Polymère

(Attaques Acides et Basiques)

Ce travail a fait l’objet d’une publication dans le Proceeding du : 1st InternationalConference on Sustainable Built Environement Infrastructures in Developing Countries-SBEIDCO – (2009), sous code N° ISSN 2170-0095.

Durabilité des matériaux composites Mortier-Polymère (Attaques Acides et Basiques) Chapitre III

144

Chapitre IIIDurabilité des matériaux

Composites mortier-polymère(Attaques Acides et Basiques)

III.1 Introduction

La durabilité est tout aussi importante que les caractéristiques mécaniques pour le

matériau composite. Cette propriété est définie (dans un cadre très général) par la capacité du

matériau à maintenir ses caractéristiques physiques et performances mécaniques dans des

conditions de sécurité satisfaisantes pendant la durée de vie prévue pour l’ouvrage, compte

tenu des conditions de services existantes et de l’environnement dans lequel il évolue. Le

paramètre régissant la durabilité est bien entendu la perméabilité [50]. Plus cette dernière est

réduite et mieux sa durabilité en sera augmenté.

Le matériau composite est constitué d’un squelette granulaire et d’un liant, la pâte de

ciment hydratée. Cette pâte est un matériau poreux particulièrement ou complètement saturé

en phase liquide, la solution interstitielle [51]. Cette dernière est une solution aqueuse en

équilibre avec les phases solides, fortement basique (pH environ 13) due à la présence d’ions

OH- et alcalins, issu de C3S et C2S mais aussi des sulfates comme K2SO4.

Les altérations chimiques du béton se traduisent essentiellement :

Par une dissolution de la chaux d’hydratation Ca(OH)2, avec une augmentation

progressive de la porosité et une accélération du mécanisme de dégradation ;

Et ensuite par la formation de composés expansifs (en particulier avec le C3A du liant

hydraulique) détruisant peu à, peu le béton [52].

Dans le but de mettre en évidence l’influence de la présence d’ajouts polytéréphtalate

d’éthylène (PET) sur le comportement des mortiers et/ou composites mortier-polymère en

milieux agressifs, on a effectué une série d’essais, chimiques et physiques.


145

Les essais ont été réalisés sur des mortiers élaborés à base de ciment CPJ-CEM II/A

commercialisé à l’Ouest Algérien (CPJ Zahana) ainsi que des composites de différents teneurs

en polymère PET et par conséquent mettre en évidence l’influence du polymère sur la

durabilité de ces mortiers et essayer d’apporter une meilleures compréhension concernant les

réactions chimiques responsables du ralentissement de la dégradation.

Pour l’étude de la résistance de ces mortiers et/ou composites mortier-polymère vis-à-

vis de différents milieux agressifs (acides et base), on a tenu à garder le même rapport

eau/ciment pour toutes les compositions des matériaux (E/C = 0.5).


seconde série de réaliser des essais d'analyse microstructurale. Dans ce but, l’identification

des phases cristallines formées dans les matériaux ayant subi une attaque chimique a été

suivie par diffraction des rayons X et infrarouge IRTF.

III.2. Essai de durabilité (les acides et la base)

Le développement des composites mortier-polymère a pour origine certains besoins

exprimés par les professionnels du bâtiment et des travaux publics. En vue d’améliorer la

durabilité de ces composites, on a évalué l’influence de l’ajout du polymère PET sur les

caractéristiques de ces derniers vis-à-vis des milieux agressifs [53] tels que les acides et la

base.

2.1. Attaques chimiques des mortiers et/ou composites mortier-polymère

Les matières premières utilisées sont le ciment, le sable et le polymère. Les

proportions de mélange, mode de cure et les méthodes d'essai restent les mêmes, et figurent

dans la partie élaboration et caractérisation des composites mortier-polymère (cf. chapitre2).

On décide de réaliser des composites avec des teneurs en polymère différentes telles

que P/C {0, 2.5, 5, 7.5} %m, avec P : polymère (polytéréphtalate d’éthylène broyé) et C :

ciment Portland composé type CPJ-CEM II/A provenant de l’usine de Zahana.

Le mortier et/ou composite utilisé dans notre étude, se compose en proportion de

masse suivante: 1 ciment, 3 sable et un rapport eau sur ciment E/C = 0.5 constant pour tous

les mortiers.


146

Les mortiers et/ou composites ont été coulés dans des moules prismatiques 5x5x5 cm3

et compactées mécaniquement à l’aide d’une table à choc (NF EN 196.1). Les moules

contenant les spécimens ont été couverts de film plastiques et stockés dans l’environnement

du laboratoire. Après 24 heures, les échantillons ont été démoulés et conservés jusqu’à l’âge

de l’essai dans l’environnement suivant :

Eau : (T= 20 ± 2 °C, R.H = 100%).

Après 28 jours de cure sous l’eau (figure III.1), les éprouvettes sont pesées pour

déterminer M1 (figure III.2), puis elles sont immergées dans les différentes solutions

suivantes :

5% d’acide chlorhydrique (HCl) acide fort ;

5% d’acide sulfurique (H2SO

4) acide fort ;

5% d’acide acétique (CH3COOH) acide faible ;

5% hydroxyde de sodium (NaOH) solution basique ;

(cf. figure III.3).

La résistance due aux agressions chimiques des échantillons immergés dans ces

solutions est évaluée selon la norme ASTM C 267-96 [54], les éprouvettes sont nettoyées 3

fois avec de l’eau douce pour éliminer le mortier et/ou composite altéré et puis on les laisse

sécher pendant une ½ heure. Ensuite on procède à la pesée de ces dernières d’où la masse M2.

Cette opération est effectuée après 1, 7, 14, 21, 28, et 56 jours après l’immersion. La solution

d’attaque est renouvelée chaque 7 jours (selon la valeur du pH).

Figure III.1- Cure des éprouvettes sous Figure III.2- Préparation des éprouvettesl’eau pour la pesé.


147

Enfin la résistante chimique est évaluée par la mesure de la perte de masse de

l’éprouvette:

L’attaque est évaluée par la formule (III.1) :

Perte de masse (%) = [(M1-M2) / M1] x 100 … (Eq. III.1)

Avec M1, M

2les masses des éprouvettes avant et après immersion, respectivement.

- Règles de désignation des échantillons :

Les échantillons seront notés PET Y :

Y = partie entière de la teneur en PET (polytéréphtalate d’éthylène broyé) ;

Y {2.5, 5, 7.5}%m ;

Le mortier (P/C=0%m ) a une notation particulière : CPJ.

5% HCl 5% H2SO4 5% CH3COOHFigure III.3- Mortiers et/ou composites immergés dans les solutions acides.

III.3. Résultats des essais de durabilité et discussion [55]

3.1. Attaques des mortiers et/ou composites par différentes types de solutionacides et basique :

Les phases solides et les ions impliqués dans les équilibres chimiques au sein de la

microstructure de la pâte de ciment durcie et qui peuvent être menacé par les attaques

chimiques de l’environnement sont résumés dans le tableau III.1 :


148

Nom Formule chimique Ions principauxPortlandite Ca(OH)2 Ca2+, OH-

Gypse CaSO4.2H2O Ca2+, SO42-

C-S-H xCaO.SiO2.(x/0.8) H2O Ca2+, H2SiO42-, OH-

Monosulfoaluminate 4CaO.Al2O3.SO3.12 H2O Ca2+,Al(OH)4-, OH-

Ettringite 6CaO.Al2O3.3SO3.32 H2O Ca2+,Al(OH)4-, OH-

Anhydres: C3SC2SC3A

C4AF

3CaO.SiO2;

2CaO.SiO2;

3CaO.AL2O3;4CaO.AL2O3.Fe2O3.

Ca2+,H2SiO42-,

Al(OH)4-, OH-,

Fe(OH)4-.

Tableau III.1- Les phases solides et les ions de la pâte de ciment durcie [56].

x : est le rapport CaO/SiO2.

L’acide sulfurique (H2SO4) et l’acide chlorhydrique (HCl) sont des acides

inorganiques, et l’acide acétique (CH3COOH) est un acide organique [57]. Les acides

inorganiques sont plus nuisibles pour les bétons et mortiers que les acides organiques.

Les acides inorganiques forment avec le Ca(OH)2 (hydroxyde de calcium) contenu

dans la pâte de ciment durcie des composés facilement solubles dans l’eau. Concernant les

acides inorganiques utilisés dans notre étude, on a :

Ca (OH)2 + 2HCl → CaCl2 + 2H2O

Hydroxyde de calcium + acide chlorhydrique → chlorure de calcium

Ca (OH)2 + H2SO4 → CaSO4 + 2H2O

Hydroxyde de calcium + acide sulfurique → sulfate de calcium

Donc on peut établir qu’un acide est autant plus nuisible que les sels de calcium

formés sont plus facilement solubles. D’après le tableau I.8 (cf. bibliographie), qui donne la

solubilité dans l’eau des sels calciques, l’acide sulfurique devrait être relativement inoffensif,

mais les ions de sulfates jouent en l’occurrence un rôle nuisible pour le béton (gonflement dû

aux sulfates).

Les acides inorganiques forts ne réagissent pas uniquement avec l’hydroxyde de

calcium, ils attaquent également les autres composants de la pâte de ciment durcie, en formant

des sels calciques, aluminiques ou ferriques, ainsi que des acides siliciques colloïdaux (gels de

silice) [57].


149

Les acides organiques attaquent également le béton, en transformant le Ca(OH)2 en

sels facilement solubles en suivant la réaction ci-dessous :

Ca (OH)2 + HO2CCH3 → Ca(O2CCH3)2 + 2H2OHydroxyde de calcium + acide acétique acétate de calcium

L’acide acétique forme des sels calciques facilement solubles dans l’eau et nuisent

donc au béton [58,59].

- Effet de l’ajout du polymère PET dans les mortiers et/ou composites [55]

Les figures III.4, III.5 et III.6 montrent la variation de perte de masse des éprouvettes

en fonction de la période d’immersion dans les solutions de 5 % HCl, 5% H2SO4 et 5%

CH3COOH respectivement. On constate une perte de masses permanentes concernant les

mortiers et/ou composites immergés dans la solution de 5 % d’acide chlorhydrique HCl.

Avant 7 jours d’immersions dans 5% de HCl, aucun effet du dosage en PET des

mortiers n’est observé. Après cette période d’immersion, les matériaux polyphasés qui

contiennent différents pourcentages du polymère (PET 2.5, PET5, PET7.5), augmentent leurs

aptitudes à résister aux acides.

1jour 7 jours 14 jours 21 jours 28 jours0

10

20

30

40

50

Pert

ede

poid

s(%

)

Période d'immersion dans 5%HCl (jours)

CPJPET2.5PET5.0PET7.5

Figure III.4 - Variation de la masse en fonction de la période d’immersiondans 5% de HCl.


150

1 jour 7 jours 14 jours 21 jours 28 jours0

5

10

15

20

25

30

35

Pert

ede

poid

s(%

)

Période d'immersion dans 5% H2SO

4(jours)


Figure III.5 - Variation de la masse en fonction de la période d’immersiondans 5% de H2SO4.

Après 28 jours d’immersion, la perte de la masse pour le mortier (CPJ) sans ajout est

de l’ordre de 47.35% dans la solution de 5% HCl, 34.69% dans la solution de 5% d’acide

sulfurique H2SO4 et de 12.09% dans la solution de 5% CH3COOH.

L’incorporation de 7.5%m du polytéréphtalate d’éthylène (PET7.5) réduit les pertes de

masse, par rapport au mortier contrôle, de 17.8% dans la solution de 5% HCl, ce qui n’est pas

le cas concernant les résultats pour le composite PET7.5 dans la solution de 5% H2SO4. Dans

l’acide H2SO4 les pertes de la masse des composites contenant le PET sont presque identiques

au mortier CPJ, sauf pour le PET5 où on a une réduction de perte de 1.9%.

La réduction de la perte en poids, après 28 jours d’attaque, est de 11.8% pour le

composite PET2.5, de 11.0 % pour le composite PET5.0 et de 17.8% pour PET7.5 par rapport

au mortier de contrôle CPJ dans la solution d’acide chlorhydrique HCl (figure III.4).

Avant 7 jours d’immersions dans 5% d’acide acétique CH3COOH, aucun effet du

dosage en PET des mortiers n’est observé. Après cette période d’immersion, les matériaux

polyphasés qui contiennent différents pourcentages du polymère (PET 2.5, PET5, PET7.5),

augmentent leurs aptitudes à résister au acide (figure III.6).

La réduction de la perte en poids, après 56 jours d’attaque, est de 21.9% pour le

composite PET2.5, de 22 % pour le composite PET5.0 et de 6% pour PET7.5 par rapport au

mortier de contrôle CPJ dans la solution d’acide acétique CH3COOH (figure III.6).


151

1 jour 7 jours 14 jours 21 jours 28 jours 56 jours0

5

10

15

20

25

30

Pert

ede

poid

s(%

)

Période d'immersion dans 5%CH3COOH(jours)


Figure III.6 - Variation de la masse en fonction de la période d’immersiondans 5% de CH3COOH.

On distingue les pertes de la masse 12.09% pour CPJ et 11.9% pour PET7.5 par

l’attaque chimique de l’acide acétique 5% CH3COOH des mortier et/ ou composites qui sont

nettement inférieures par rapport aux résultats des deux autres types d’acides 5 % HCl et 5%

H2SO4 après 28 jours d’attaque (figure III.7). Cette constatation est due au faite au classement

chimique de l’acide acétique à la famille des acides faibles (une solution de faible acidité) et

de l’acide chlorhydrique et sulfurique aux acides forts.

La figure III.7, montre l’effet de l’attaque acide sur les différents mortiers et/ou

composites mortier-polymère. Après 28 jours d’immersion, on remarque pour l’ensemble des

spécimens, que les pertes en masse dues à l’acide chlorhydrique sont légèrement supérieures à

celles dues à l’acide sulfurique.

L’exemple du mortier de contrôle CPJ, montre que la perte de poids due à la solution

de 5% H2SO4 est inférieure de 26.7% par rapport à l’attaque due à la solution de 5% HCl.

Dans le cas du composite PET2.5 est égale à 16%. La perte de poids du mortier de contrôle

CPJ, due à la solution de 5% CH3COOH est inférieure de 74.4% par rapport à l’attaque due à

la solution de 5% HCl.


152

5%HCl 5% H2SO4 5% CH3COOH0

10

20

30

40

50

Per

tede

poid

sap

rès

28jo

urs

d'im

mer

sion

(%)

Les solutions acides


Figure III.7- Variation de la perte en masse après 28 jours d’immersiondans les différentes solutions d’acides des mortiers et/ou composites mortier-polymère [55].

Si on compare les résultats des pertes en masses des mortiers et/ou composites

immergés en solution d’acide acétique 5% CH3COOH, par rapport aux autres résultats, on

constate que la perte de masse due à l’acide acétique est égale à environ un tiers de la perte en

masse due à la solution de l’acide sulfurique ou l’acide chlorhydrique, pour la même

concentration de 5 % (figureIII.7).

Les solutions sulfatiques conduisent à une formation de gypse en surface et d'ettringite

au contact de la matrice cimentaire. Avec l'acide acétique, il y a formation d’acétate de

calcium (hydrate) sous forme spongieuse tandis qu’avec l'acide chlorhydrique, la surface du

mortier est recouverte de chlorure de calcium (dihydrate) et d'hydroxyde de fer [60]. Les

résistances mécaniques sont plus ou moins affectées par la concentration mais aussi et surtout

par la nature des acides avec dans l'ordre le plus agressif (attaques des matériaux) d’après

notre étude (figure III.7) l’acide HCl puis l’acide H2SO4 et enfin l’acide acétique CH3COOH

(figureIII.10). On propose pour cela la séquence suivante : HCl > H2SO4 > CH3COOH.

L’examen visuel :

La figure III.8 montre l’état des échantillons de mortier et/ ou composites mortier-

polymère avant leur immersion dans la solution agressive, et la figure III.9 montre le

changement du volume des échantillons de mortiers et/ou composites soumissent aux

différents types d’attaques : 1ere photo solution HCl, 2ème photo solution H2SO4 et 3ème photo

solution CH3COOH. La figure III.10 montre la comparaison de l’effet de l’attaque acide et


153

basique et l’état des éprouvettes après immersion de 28 jours dans 5% NaOH, 5 % HCl, 5%

H2SO4 et 5% de CH3COOH (de gauche à droite).

Figure III.8- Etat des éprouvettes avant immersion dans les différentes solutions.

5% HCl 5% H2SO4 5% CH3COOHFigure III.9- Les Mortiers et/ou composites immergés après 28 jours

dans les solutions acides.

Figure III.10- Etat des éprouvettes après immersion de 28 jours dans 5% NaOH,5 % HCl, 5% H2SO4 et 5% de CH3COOH (de gauche à droite).


154

Donc, cette réduction des poids est due à la dissolution des hydrates produits qui

mènent à des mortiers poreux. Cependant, l’incorporation des additions organiques

(polymères) augmente la résistance chimique des composites (cas des solutions HCl 5% et

CH3COOH 5%) dans les milieux agressifs, comme il a été mis en évidence par plusieurs

équipes de recherche [61,62]. La perte de masse est due au fait que le ciment Portland, après

hydratation, libère une partie considérable d’hydroxyde de calcium libre (CH) qui peut être

lixiviée à l’intérieur quand elle est soumise à l’acide. Pour le mortier en contact avec l’acide

sulfurique (H2SO4), l’hydroxyde de calcium réagit avec l’acide sulfurique pour former le

sulfate de calcium, qui est déposé comme gypse.

Pendant que l’attaque se poursuit, tous les composants du ciment sont par la suite

décomposés et lixiviés. En outre, le sulfate de calcium constitué par la première réaction va

réagir avec la phase d’aluminate de calcium dans le ciment pour former le sulfoaluminate de

calcium hydraté (ettringite) qui, après cristallisation, peut causer l’expansion du mortier. Ces

réactions forment aussi une couche blanchâtre épaisse sur la surface du mortier. La couche du

gypse précipitée est facilement lixiviée dont le résultat est une perte de masse considérable

[63-65].

Dans les mortiers avec ajouts de polymères, la quantité du PET remplie les pores [66-

67]. Cette diminution de porosité (les pores sont réduits), diminue l’absorption de la solution

acide d’où une réduction de la perte de masse.

Pour la solution de 5% d’hydroxyde de sodium NaOH (solution basique), les pertes de

masses concernant le mortier contrôle CPJ et les matériaux polyphasés composites mortier-

polymère (PM) à 28 jours sont inférieures à 1% (figure III.10). En comparant nos résultats à

ceux obtenus par l’équipe de J.-A. Rossignolo [61].

Cette étude montre que le polymère à un effet supplémentaire sur le comportement des

matériaux composites. En général, les composites contenant du polymère PET développe une

résistance différente à celle du mortier contrôle contre les divers attaques chimiques comme le

montrent les figures III.4-7.

D'autre part, la comparaison des résultats d'essai avec celles obtenus par d’autres

équipes de recherche reste difficile (voir chapitre I.9.3). Ceci est dû aux différences dans les

matières premières utilisées (ciment, agrégats, et polymère), les proportions de mélange,

mode de cure, la préparation des éprouvettes, les concentration des solutions d’attaques

chimiques et les méthodes d'essai.


réaliser des essais d'analyse microstructurale. Dans ce but, l’identification des phases


155

cristallines formées dans les matériaux ayant subit une attaque chimique ont été suivi par

diffraction des rayons X et spectrométrie IRTF.

III.4. Caractérisation microstructurelle par DRX et IRTF de l’attaquesuperficielle de mortier et/ou composite mortier-polymère par les solutionsacides

Les échantillons sont analysés par un diffractomètre Philips PW 1710, utilisant une

anticathode de cuivre (Cu-K) de longueur d’onde = 1,5406 A°.

Les analyses par diffraction X des surfaces des mortiers et/ou composites mortier-

polymère soumises à une attaque acide ont permis d’identifier et de positionner les différentes

phases cristallines rencontrées sur l’épaisseur du matériau altéré. La couche des cristaux

formés sur la surface de l’échantillon est analysée, après avoir subit un grattage sur une

épaisseur de quelques dixièmes de millimètres et un broyage pour obtenir une fine poudre du

liant des mortiers.

L’analyse de la pâte de ciment hydraté par DRX [68] n’est pas une chose simple, car

le produit majeur d’hydratation est le CSH qui se présente sous forme d’un gel plus ou moins





4.1 Diffraction X de la matrice cimentaire par les attaques acides

La figure III.11 présente le spectre DRX du mortier contrôle CPJ mûri sous l’eau

douce pendant 28 jours, il est intéressant d’observer que ce spectre montre une hydratation

très avancée. L’ettringite Ca6Al2 (SO4)3(OH)12. 26H2O a son pic majeur au environ de 9° 2Ө,

et la portlandite Ca(OH)2 à 34.09° 2Ө, 18.09° 2Өet à 47.12° 2Ө.

On trouve aussi de la calcite CaCO3 avec son pics majeur à 29.41° 2Ө, c’est le pic le

plus intense. Ce qui caractérise l’incorporation du sable de carrière.






156

ce résultat, on reporte à la figure II.19 (chapitre 2) la superposition du spectre du mortier

contrôle CPJ28j, et celui du composite PET7.528j.

Donc, on s’intéresse pour la suite des analyses DRX au mortier de contrôle CPJ28j

contre les différentes attaques acides.

Figure III.11- Spectre DRX du mortier de contrôle CPJ28j conservé sousl’eau douce à l’âge de 28 jours.

La figure III.12 présentent les analyses DRX réalisées sur des mortiers contrôle CPJ

avant et après conservation pendant 28 jours dans des solutions acides, respectivement 5%

d’acide chlorhydrique HCl, 5% d’acide sulfurique H2SO4 et 5% d’acide acétique CH3COOH.

La superposition des 4 spectres DRX, montre l’effet des attaques acides sur le mortier

de contrôle CPJ. D’après la figure III.12, on constate la disparition et l’apparition de nouveau

phases cristallines hydratées tels que :

- Ca(OH)2 : La consommation de la portlandite d’où des pics avec intensités moins

importantes (le cas des acides);

- CaCl2.4H2O : Formation du chlorure de calcium hydraté (CaCl).

- CaSO4. 2H2O : Formation du gypse (G) (les pics du gypse sont plus importantes à des

fentes de 11.59°, 20.72° et 29.11° 2Ө) Prédominance de gypse dans le cas de l’acide

sulfurique;

- Ca6Al2(SO4)3(OH)12 .26H2O : L’ettringite secondaire (E);

- Ca(CH3COO)2.H2O : Formation de l’acétate de calcium hydraté (AC.).


157

Par exemple aux fentes 11.59°, 20.72° et 29.11° 2Ө, on constate la présence du gypse

dans le cas du spectre de l’attaque par la solution de 5% H2SO4 . Ceci confirme bien les

résultats obtenus dans la partie discussion de ce chapitre.

Les spectres de la figure III.12 montrent une diminution de l’intensité des pics de la

portlandite des mortiers contrôle CPJ immergés dans les solutions acides, d’où une

consommation de cette phase cristalline par rapport au mortier conservé dans l’eau douce.

Cette diminution apparaît aux angles suivantes 34.09°, 18.09° et 47.12° 2Ө.

Figure III.12- Les spectres DRX du mortier de contrôle CPJ conservé dans lesdifférents milieux acides; P - Ca(OH)2 , G – gypse, C – calcite, E – ettringite,

CaCl2.4H2O – CaCl, Ca(CH3COO)2.H2O - AC.

1. Conservation dans l’eau douce;2. Conservation dans 5% HCl ;3. Conservation dans 5% H2SO4 ;4. Conservation dans 5% CH3COOH.

On a la formation des sels du chlorure de calcium hydraté et de l’acétate de calcium

hydraté dans la matrice cimentaire qui est attaquée par l’acide chlorhydrique et l’acide

acétique respectivement. Dans le cas de l’attaque par 5% H2SO4, il y a un dépôt de gypse

(figure III.10).


158

4.2 L’analyse IRTF de la matrice cimentaire par les attaques acides

Les spectres infrarouges des mortiers non modifiés par le polymère PET, avant et

après immersion dans les solutions acides HCl, H2SO4 et CH3COOH à 5% pendant 28 jours

sont exhibés par la figure III.13 et le Tableau III.2. Les spectres IR ont quelques

dissemblances claires, indiquant cela qu’il y a des différences dans la composition des

échantillons.

Figure III.13- Les spectres IRTF du mortier de contrôle CPJ avant et après conservationdans les différents milieux acides à 28 jours. E0 : Conservation dans l’eau douce; E1 :Conservation dans 5% HCl ; E2 : Conservation dans 5% H2SO4 ; E3 : Conservation dans 5%CH3COOH.

L’observation qui est principale pour l’attaque sulfurique c’est les bandes vers 1142-

1119 cm-1 et 601-649 cm-1 qui sont évident pour les mortiers attaqués, mais non pas avéré

pour les matériaux en eau douce (Figures III.13, Tableau III.2). Ces bandes sont associées à la

vibration d’élongation et de déformation S-O des sulfates d’où la présence du gypse qui peut

causer la détérioration du matériau exposé à l’acide sulfurique.

De la même façon que pour les spectres DRX (Figure III.12), on constate par IRTF la

formation des sels du chlorure de calcium hydraté et de l’acétate de calcium hydraté dans la

matrice cimentaire qui est attaquée par l’acide chlorhydrique et l’acide acétique

respectivement (Figures III.13, Tableau III.2).


159

Dans le cas de l’attaque acétique, il y’a diminution de l’intensité des bandes

d’absorption vers 1424 cm-1 et 872 cm-1 qui caractérisent la consommation de la calcite.

Ainsi, après attaque aux acides on observé une disparition de la bande d’absorption vers

3641 cm-1 qui caractérise la consommation de la portlandite (Tableau III.2).

Positiondu pic(cm-1)

Groupementchimique Composé associé

MilieuEau

douce

MilieuHCl

MilieuH2SO4

MilieuCH3COOH

3640.9H2O, OH,

liaisonshydrogènes

Gypse, CSH +++ + + +

3641(Fine)

H2O, OH,liaisons

hydrogènes

hydrate héxagonalportlandite +++ --- --- ---

3435-3446 H2O, OH AFm, AFt ++ + + +

1621-1638 H2O, O-H + + + +

1424-1431 C-O CaCO3 (Calcite) + + + + (f)

872-876 C-O CaCO3 (Calcite) + + + + (f)710-713 C-O CaCO3 (Calcite) + + + ---970-1037 Si-O Vibrations des

CSH + + + (f) +

1142-1119

S-O(Doublet) Gypse 0 0 +++ 0

601-649

S-O(Doublet)

Gypse 0 0 +++ 0

3542-3405 O-H Eau (Gypse) 0 0 +++ 0

Attaques

Acides

-Sulfuriques

1683-1620 O-H Eau (Gypse) 0 0 +++ 0

-Acétiques 1545-1568

-COO-

Anioncarboxylate

Ca(CH3COO)2.H2OAcétate de calcium 0 0 0 +++

Chlorhydrique 523.29-470.06 Ca-Cl

CaCl2.4H2OChlorure de

calcium0 +++ 0 0

2922 C-O CaCO3 (Calcite) + + + +2850-2853 C-O CaCO3 (Calcite) + + + +

2513-2514 C-O CaCO3 (Calcite) + + + ---

Bandesd’harmoniques

1798 C-O CaCO3 (Calcite) + + + ---Tableau III.2- Attribution des bandes infrarouges d’un

Mortier ou composite avant et après attaque par les solutionsAcides HCl, H2SO4 et CH3COOH (âge : 28 jours).

AFt: C(A,F).3CaSO4.32H2O;AFm: C3A.3CaSO4.12H2O ;+ : Présence d’élément.--- : Consommation élevée d’élément ;0 : Absence d’élément ; f : Bande de faible intensité.


160

III.5. L’influence de l’ajout polymère sur la résistivité des mortiers vis-à-visd’une chimique d’acide chlorhydrique (HCl) [69]

La durabilité des ouvrages en béton est une caractéristique très importante, car c’est la

garantie d’une sécurité et d’une durée de service accrues de ces ouvrages [70]. Cette durabilité

garantie aussi une économie considérable sur le long terme, car de tels ouvrages nécessitera

peu ou pas de réparations, d’où une économie de coûts induits par des réparations, qui

peuvent être très élevés, et peuvent même dépasser les coûts initiaux de construction [71].

L’élaboration de tels ouvrages doit passer obligatoirement par la maîtrise et la compréhension

des facteurs affectant leur durabilité [72].

Les pluies acides (pH souvent compris entre 4 et 4,5) peuvent légèrement attaquer les

surfaces de béton, ordinairement sans effet sur le comportement des structures de béton

exposées. Des précautions spéciales doivent d’être prises en compte lors de la réalisation des

constructions dans des lieux submergés [73]. Le renouvellement continuel d’acide à pH<4 est

considéré très agressif pour le béton enterré, comme les tuyaux. Le béton continuellement

exposé à un liquide dont le pH<3 doit être protégé de la même manière que le béton exposé à

des solutions acides diluées [74].

Le développement des composites Mortier-Polymère a pour origine certains besoins

exprimés par les professionnels du bâtiment et des travaux publics [4]. Ces matériaux [8,9]

sont utilisés le plus souvent dans des travaux de second œuvre tels les colles carrelages ou

revêtements d’étanchéité; ils sont aussi utilisés dans le domaine des travaux publics comme

produits de réparation d’ouvrages d’arts, et dans certaines applications routières.

En vue d’appréhender l’influence du polymère sur le comportement des matériaux

cimentaires, une première étude expérimentale a été menée sur un mortier témoin substitué de

différents teneurs en polytéréphtalate d’éthylène (déchets de bouteilles en PET broyés). Après

une durée d’attaque chimique d’une solution d’acide chlorhydrique HCl de différente

concentrations (0.5%, 1% et 1.5%), on a effectué des essais mécaniques telles la résistance à

la compression ainsi que des mesures de perte en poids. La détermination des caractéristiques

mécaniques à long terme et la résistance chimique des composites Mortier-Polymère semble

confirmer les effets des propriétés du polytéréphtalate d’éthylène (PET) sur la durabilité.


161

5.1. Conditions Expérimentales


P/C {0, 2.5, 5, 7.5} %m, avec P : polymère (polytéréphtalate d’éthylène) et C : ciment. Le

mortier utilisé dans notre étude, se compose de la proportion en masse suivante: (1 ciment, 3

sable et un rapport eau sur ciment E/C = 0.5 constant pour tous les mortiers).

Le polymère utilisé est le polytéréphtalate d’éthylène (PET) dont le diamètre est

inférieur à 1 mm, son analyse thermique ATD faite au laboratoire LUSAC EA montre une

température de fusion au environ de 250 °C (Figure III.16). Les courbes granulométriques du

PET broyé et du sable concassé sont représentées par la figure III.17.

N.B. L’analyse du polymère PET utilisé a été faite en utilisant un appareil ATG/ATD 92 de

Setaram, rampe de température : montée 10K/mn jusqu’à 350 °C.

Les mortiers et/ou composites ont été coulés dans des moules prismatiques (4x4x16

cm3) et compactées mécaniquement à l’aide d’une table à choc (NF EN 196.1 [75]). Les

moules contenant les spécimens ont été couverts de film plastiques et stockés dans

l’environnement du laboratoire. Après 24 heures, les échantillons ont été démoulés et

conservés jusqu’à l’age de l’essai dans l’environnement suivant : Eau saturée en chaux : (T=

20 ± 2 °C, R.H = 100%).

Après 56 jours de cure sous l’eau, les spécimens de mortiers et/ou composites Mortier-

Polymère CPJ, PET2.5, PET5 et PET7.5 sont immergés dans la solution d’acide

chlorhydrique à différente concentrations: 0.5%, 1% et 1.5%. La variation du poids des

éprouvettes est examinée après 7, 14, 21, 28, 42 et 56 jours. L’évaluation des performances

mécaniques telles les résistances à la compression est examinée après l’age de 7, 28 et 56

jours. Les solutions chimiques sont renouvelées tous les 7 jours. Après attaque, les parties

altérées du mortier et/ou composites sont nettoyées avec de l’eau, puis sont séchées pendant

une demi-heure selon la norme ASTM C 267-96 [54], et enfin la résistante chimique est

évaluée par la mesure de la perte de masse des éprouvettes.

Ainsi, la caractérisation mécanique des mortiers et composite se fait selon l’ASTM

C267-96 après l’attaque chimique par l’acide chlorhydrique.


162

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0

-0,3 0

-0,2 5

-0,2 0

-0,1 5

-0,1 0

-0,0 5

0,0 0

HF

(mV

/mg)

T em pératu re (°C )

P E T b roy é

Figure III.16- Courbe d’analyse thermique ATD du polytéréphtalate d’éthylène PET broyé.

100 10 1 0,1 0,01 1E-30

20

40

60

80

100

Poid

scum

ulé

en(%

)

D iamètre équivalent en (m m)

PET BroyéSable con cassé

Figure III.17- Les courbes granulométriques du polytéréphtalate d’éthylène broyéet du sable concassé.

Les essais physiques pour les différents mortiers testés montrent des résultats

acceptables vis-à-vis des normes [76] et cela pour ce qui est, de la consistance normale et de

temps de début et de fin de prise. Dans le tableau III.3, on présente les différents mortiers

modifiés ou pas par le polymère PET avec leurs caractéristiques physiques :

Temps de prise (min)désignation/

Ciment: Sable(en poids)

Polymère-Ciment(% en poids) Consistance (%)

Début FinPET0 (CPJ) 1 : 3 0 24.5 120 200

PET 2.5 1 : 3 2.5 25 125 205PET 5.0 1 : 3 5.0 25.5 130 210PET 7.5 1 : 3 7.5 26 145 225

Tableau III.3- Caractéristiques physiques des composites utilisés [69]

A partir des essais préliminaires effectués sur les mortiers et composites utilisés, on

constate que l’incorporation des ajouts organiques (polytéréphtalate d’éthylène PET) dans les


163

mélanges modifie en premier lieu leurs besoins en eau (essai de consistance selon la norme

EN 196-3 [77]). Elle peut aussi modifier le processus d’hydratation du ciment, ce qui explique

le changement du temps de prise (Tableau III .3).

On constate d’après le tableau III.3 que l’addition de l’ajout de 2.5% à 7.5% de

polymère PET nécessite une augmentation du pourcentage d’eau de 25% à 26%

respectivement. On note aussi que le temps de prise augmente avec l’augmentation du

pourcentage d’ajout du PET. Ainsi, le composite contenant 7.5% de polymère présente une

augmentation de 20.8% et 12.5% pour le début et la fin de prise respectivement par rapport au

mortier contrôle.

Les résultats obtenus corroborent ceux de l’étude de S. Pascal [5] où il a constaté aussi

une augmentation de temps de prise avec l’augmentation d’ajout. D’où un remplacement de

10% de ciment portland par le polymère augmente le temps de prise de l’ordre de 50% par

rapport au mortier contrôle.

On peut alors supposer que l’augmentation de la consistance et ce retard est d’origine

physico-chimique ; due à la structure et la morphologie du polytéréphtalate d’éthylène. De ce

fait, la même constatation a été faite par d’autres équipes de recherche dans le cas des

élastomères [5, 8, 9,78].

PET 0 PET 2.5 PET 5.0 PET 7.52,20

2,21

2,22

2,23

2,24

2,25

2,26

2,27

2,28

2,29

Den

sité

(g/c

m3 )

Le rapport de replacement du PET (% en poids)

Densité (g/cm3 )

Figure III.18- La densité des différents composites en fonction du rapport dereplacement du PET

Ainsi, Il est évident de remarquer que l’allure du graphe III.18 est décroissante, cela

est intuitivement compréhensible lorsqu’on sait que l’ajout de substitution est en polymère

PET, un matériau qui dispose d’une densité de 1.37 g.cm-3. Celle-ci est largement inférieure à

celle du ciment, d = 3.09 g.cm-3, qui compose le mortier témoin ou composite PET.


164

5.2 Attaque des Mortiers et Composites par Différentes Concentrations d’acidechlorhydrique HCl [69]

D’après la représentation graphique des échantillons de mortier non modifié CPJ ou

composites mortier-polymère PET2.5, PET5 et PET7.5 (Figures III.19-22), on remarque

l’effet de l’incorporation de l’ajout du polymère (PET) qui à pour rôle de densifier la matrice

cimentaire en réduisant la porosité de la pâte durcie. La réduction de la porosité du matériau

polyphasé à base du polytéréphtalate d’éthylène empêche la solution acide (HCl) de pénétrer à

l’intérieur de l’échantillon du composite.

On constate donc une perte de masse permanente concernant le mortier et /ou

composites immergés dans la solution chlorhydrique. Pendant 7 jours d’immersion dans 1%

et 1.5% de HCl, aucun effet du dosage en PET des mortiers n’a été observé (Figures III.19-

20).

Après cette période d’immersion, les matériaux polyphasés qui contiennent différents

pourcentages du polymère (PET2.5, PET5 et PET7.5) augmente leurs aptitudes à résister à

l’acide.

La réduction de la perte en poids, due à l’attaque par la solution de l’acide

chlorhydrique à 0.5% est de 3% pour le composite PET2.5 et PET5 et de 1.6% pour le

composite PET7.5 par rapport au mortier de contrôle de ciment CPJ à 56 jours.

La perte en poids due à l’attaque par la solution d’acide chlorhydrique à 1% est de

4.9% pour PET2.5, 4.5% pour PET7.5 et de 5.3% pour le mortier de ciment CPJ a 56 jours.

On constate les même résultats lors de l’immersion des mortiers et/ou composite dans la

solution d’acide HCl à 1.5% à 56 jours.

Si on compare les résultats des pertes en masse des mortiers et/ou composites

immergés en solution d’acide HCl à 0.5%, par rapport aux deux autres concentrations, on

constate que la perte de masse due à l’acide HCl à 0.5% est égale à environ un tiers de la perte

en masse due à la solution de l’acide chlorhydrique à 1% et 1.5% (Figure III.22).


165

7jours 14 jours 21 jours 28 jours 42 jours 56 jours0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

perte

depo

ids

(%)

période d'immersion dans 0.5%HCl (jours)

CPJPET 2.5PET 5PET 7.5

7jours 14 jours 21 jours 28 jours 42 jours 56 jours0

1

2

3

4

5

6

perte

depo

ids

(%)

période d'immersion dans 1%HCl (jours)


Figure III.19- Variation de la perte en masse enfonction de la période d’immersion dans 0.5%HCl.

Figure III.20- Variation de la perte en masse enfonction de la période d’immersion dans 01% HCl.

7jours 14 jours 21 jours 28 jours 42 jours 56 jours0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

perte

dep

oids

(%)

période d'immersion dans 1.5%HCl (jours)


0,5 % 1 % 1,5 %0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Per

tede

poid

sap

rès

56jo

urs

d'im

mer

sio

n(%

)

Les concentrations de la solution d'acide chlorydrique (%)


Figure III.21- Variation de la perte en masse enfonction de la période d’immersion dans 1.5%HCl.

Figure III.22- Variation de la perte en masseaprès 56 jours d’immersion dans les différentesconcentrations d’acide HCl des mortiers et/oucomposites mortier-polymère.

La réduction des poids est due à la dissolution des hydrates formés qui mènent à des

mortiers poreux. Cependant, l’incorporation des ajouts organiques (polymères) augmente la

résistance chimique des composites dans les milieux agressifs (la solution HCl avec

différentes concentrations). Ceci a été confirmé par d’autres équipes de recherches [61, 62].

La perte de masse est due au fait que le ciment Portland, après hydratation, libère une partie

considérable d’hydroxyde de calcium libre (Ca(OH)2) qui peut être lixiviée de l’intérieur

quand elle est soumise à l’acide. Pour le mortier en contact avec l’acide chlorhydrique (HCl),

l’hydroxyde de calcium réagit avec l’acide chlorhydrique pour former le chlorure de calcium

CaCl2.4H2O de grande solubilité 46.08 g/100ml dans H2O selon la réaction suivante :


166

2 HCl + Ca(OH)2 CaCl2.4H2O (Chlorure de calcium hydraté)

La diminution de la porosité due à l’incorporation du PET dans les mortiers modifiés a

pour rôle d’atténuer l’absorption de la solution acide accompagnée d’une réduction de la perte

de masse. Ces résultats sont en accord avec ceux trouvés par Omrane et al. [79].


matériaux composites. En général, les composites contenant du polymère PET développe une

résistance différente à celle du mortier contrôle contre les divers attaques chimiques illustrées

par les figures III.19-22.

5.3 Caractérisation mécanique des différents composites après attaque par l’acidechlorhydrique [69]

Dans le but d’une analyse comparative des propriétés mécaniques des différents

mortiers modifiés par le polymère PET vis-à-vis à l’attaque d’acide chlorhydrique de

différentes concentrations, on a déterminé la chute de la résistance à la compression des

différents mortiers (Figures III.23-26).

D’après les figures III.23, 24 et 25 qui exposent la variation de la résistance à la

compression des mortiers et /ou composites mortier-polymère en fonction de la période

d’immersion dans les différentes concentrations de la solution HCl : 0.5%, 1% et 1.5% :

On remarque que la résistance à la compression évolue positivement jusqu’à 7 jours

pour le mortier non modifié CPJ et les composites PET2.5, 5 et 7.5. Au delà de cet âge on

constate une chute de résistance à la compression.

Cette chute de résistance à la compression pour une attaque de 0.5% de HCl est

estimée à l’âge de 56 jours à 7.07 MPa pour le mortier CPJ, 6.6 MPa pour PET5 et 1.86 MPa

pour le composite PET7.5.

La chute de résistance à la compression pour une attaque de 01% de HCl est estimée à

l’âge de 56 jours à 9.65 MPa pour le mortier CPJ et 2.7 MPa pour le composite PET7.5.

Pour une attaque d'acide de 1.5% HCl il y a une chute de résistance à la compression

qui estimée à l'age de 56 jours à 8.72 MPa pour le mortier CPJ, 8.58 MPa pour le composite

PET7.5.

Généralement, l’attaque du mortier non modifié CPJ et les différents composites

PET2.5, PET5 et PET7.5 par la solution d’acide HCl augmentent avec la période

d'immersion. Indépendamment des types de rapports de polymère-ciment, l’attaque par

l’acide chlorhydrique des composites mortier-polymère est plus inférieure que celle du

mortier non modifié. Ainsi, nos résultats sont en accord avec ceux rapportés par Rossignolo &


167

Agnesini [61]. En outre, Ceci peut être expliqué par le fait que le polytéréphtalate d’éthylène

(PET) rend la matrice cimentaire plus dense et réduit la porosité de la pâte durcie [80, 81].

0 jours 7 jours 28 jours 56 jours0

10

20

30

40

50

60

Rés

ista

nce

àla

com

pre

ssio

n(M

Pa)

période d'immersion en 0.5% HCl (jours)



10

20

30

40

50

60

Rés

ista

nce

àla

com

pres

sion

(MP

a)

période d'immersion en 01% HCl (jours)


Figure III.23- L’évolution de la résistance à lacompression en fonction de la périoded’immersion en 0.5% HCl.

Figure III.24- L’évolution de la résistance à lacompression en fonction de la période d’immersionen 01% HCl.


10

20

30

40

50

60


Ré

sis

tanc

eà

laco

mpr

essi

on(M

Pa

)

période d'immersion en 1.5% HCl (jours)

0.5 % 1 % 1.5 %

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Laré

sista

nceà

laco

mpre

ssio

nap

rès

56jo

ursd

'imm

ersio

n(M

Pa)

Les concentrations de la solution d'acide chlorydrique (%)


Figure III.25- L’évolution de la résistance à lacompression en fonction de la périoded’immersion en 1.5% HCl.Req : (0 jours : avant immersion dans l’acide HCl)

Figure III.26- La résistance à la compressionaprès 56 jours d’immersion dans les différentesconcentrations d’acide HCl des mortiers et/oucomposites mortier-polymère.

Les solutions sulfatiques conduisent à une formation de gypse CaSO4 (sel peu soluble)

en surface et d'ettringite au contact de la matrice cimentaire. Avec l'acide acétique, il y a

formation d’acétate de calcium Ca(CH3COO)2 (sel très soluble) sous forme spongieuse tandis

qu’avec l'acide chlorhydrique, la surface du mortier est recouverte de chlorure de calcium

CaCl2 (sel très soluble) et d'hydroxyde de fer [60]. Les résistances mécaniques sont plus ou

moins affectées par la concentration et par la nature des acides avec dans l'ordre le plus

agressif : l’acide chlorhydrique HCl 1.5%, l’acide chlorhydrique HCl 1% et l’acide

chlorhydrique HCl 0.5% (Figure III.25).


168

On propose pour cela la séquence suivante :

1.5% HCl > 1% HCl > 0.5% HCl.

Ces résultats sont confirmés par les états des éprouvettes avant et après immersion

dans la solution agressive illustrés par les figures III.27 et 28. Visuellement, les solutions

acides ont causé la plus grande détérioration de la surface des spécimens.

5.4 L’examen visuel

L'examen visuel des mortiers ou composites en contact avec la solution d’acide

chlorhydrique, est un moyen pour évaluer la détérioration des propriétés et les dégradations de

l'aspect extérieur des éprouvettes. Les solutions acides décapent les surfaces, les gros grains

de sable se trouvent déchaussés et la formation des sels calciques est en placage entre les

grains.

Ces résultats sont confirmés par les états des éprouvettes avant et après immersion à 56

jours dans la solution agressive HCl de différentes concentrations illustrées par les figures

III.27-28. Visuellement, les solutions acides HCl ont causé la plus grande détérioration de la

surface des éprouvettes dans l’ordre suivant 1.5%, 1% et 0.5%.

Figure III.27- Etat des éprouvettes aprèsimmersion de 28 jours dans les solutions :

Témoin, 0.5% HCl, 01% HCl et de 1.5%HCl .(De droite à gauche).

Figure III.28- Etat des éprouvettes aprèsimmersion de 56 jours dans les solutions :

Témoin, 0.5% HCl, 01% HCl et de 1.5% HCl .(De gauche à droite).


169

III.6. Caractérisation par diffraction des rayons X, IRTF, ATG/ATD etMEB de l’attaque superficielle de mortier et/ou composite Mortier-Polymère

La caractérisation de nos matériaux ayant subit une attaque chimique par l’acide

chlorhydrique à différentes concentrations est basée sur les différentes techniques d’analyses

telles que la diffraction des rayons X, la spectrométrie IRTF, l’analyse thermique par

ATG/ATD et la microscopie électronique MEB.

6.1. L’analyse par Diffraction X de la matrice cimentaire attaquée par l’acideHCl à différentes concentrations


polymère soumises à une attaque acide ont permis d’identifier et de positionner les différentes

phases cristallines rencontrées sur l’épaisseur du matériau altéré. La couche des cristaux

formés sur la surface de l’échantillon est analysée, après avoir subit un grattage sur une

épaisseur de quelques dixièmes de millimètres et un broyage pour obtenir une fine poudre du

liant des mortiers.

La figure III.29 présente les spectres DRX des mortiers et/ou composites mûri sous

l’eau douce pendant 56 jours, il est intéressant d’observer que ces spectres (C1, C5) montrent

une hydratation très avancée. La portlandite Ca(OH)2 a son pic majeur au environ de 18.09°

2Өet le gypse à 43.34°, 23.40° et 47.84° 2Ө.

On trouve aussi de la calcite CaCO3 avec son pics majeur à 29.41° 2Ө, c’est le pic le

plus intense. Ce qui caractérise l’incorporation du sable de carrière.




systématiquement, presque les mêmes pics de diffractions, à toutes les teneurs.

La figure III.29 présentent aussi, les analyses DRX réalisées sur des mortiers contrôle

et composites avant et après conservation pendant 56 jours dans la solution d’acide

chlorhydrique à différentes concentrations 0.5% (C2, C6), 1% (C3, C7) et 1.5% (C4, C8).


170

La superposition des 6 spectres DRX, montre l’effet des attaques acides (0.5%, 1% et

1.5%) sur les mortiers non modifiés et modifiés par PET. D’après la figure III. 29, on constate

la disparition et l’apparition de nouveau phases cristallines hydratées tels que :

- Ca(OH)2 : La consommation de la portlandite d’où des pics moins importants en même

temps qu’une diminution d’intensité;

- CaCl2.4H2O : Formation du chlorure de calcium hydraté (CaCl) selon la réaction suivante :

2 HCl + Ca(OH)2 CaCl2.4H2O.

- CaSO4. 2H2O : Formation du gypse (G) (les pics du gypse sont plus importantes à des

fentes de 43.34°, 23.40° et 47.84° 2Ө) ;

Ces spectres exhibent aussi une diminution d’intensité des pics (voir disparition) de la

portlandite des mortiers et composites immergés dans les solutions acides, d’où une

consommation de cette phase cristalline par rapport aux matériaux conservés dans l’eau

douce. Cette diminution apparaît à l’angle de18.09° 2Ө. Ceci confirme bien les résultats

obtenus dans la partie discussion de ce chapitre.

Lin

(Cou

nts)

0

100

200

300

400

500

600

700

2-Theta - Scale

10 20 30 40 50 60 70

Figure III.29- Les spectres DRX des mortiers CPJ et composites PET7.5 conservés dans lesdifférentes concentrations d’acide HCl à 56 jours; P - Ca(OH)2 , G – gypse, C – calcite,

CaCl2.4H2O – CaCl.

C1. Conservation du mortier dans l’eau douce ; C5. Conservation du composite dans l’eau douce;C2. Conservation du mortier dans 0.5% HCl ; C6. Conservation du composite dans 0.5% HCl ;C3. Conservation du mortier dans 1% HCl ; C7. Conservation du composite dans 1% HCl ;C4. Conservation du mortier dans 1.5% HCl ; C8. Conservation du composite dans 1.5% HCl.

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

C8

C

PG C CGG

CaC

l


171

6.2. L’analyse par IRTF de la matrice cimentaire attaquée par l’acide HCl àdifférentes concentrations

Les spectres infrarouges des mortiers modifiés par le polymère PET, avant et après

immersion dans les solutions acides HCl à 0.5%, 1% et 1.5% pendant 56 jours sont exhibés

par la figure III.30 et le tableau III.4. Les spectres IR ont quelques dissemblances claires,

indiquant cela qu’il y a des différences dans la composition des échantillons.

3635

.37

3484

.85

295

8.19

2868

.99

2512

.71

1876

.12

1795

.22

142

5.53

120

0.09

1016

.88

870.

03

781

.32

708.

33

523.

4846

5.24

425

.71

C6

3450

.49

2976

.89

2871

.39

2516

.99

1801

.49

142

5.99

1023

.80

873.

90

762.

4070

9.90

528

.50

473.

00

C7

363

2.4

8

3481

.29

2870

.63

2512

.42

2109

.17

1795

.79

161

4.32

1425

.14

1212

.72

1015

.44

870.

32

780.

64

734

.46

709

.00

524.

0646

5.14 42

4.7

4

C8

3456

.99

2867

.39

2517

.19

180

6.09

1431

.69

1017

.10 86

9.90

787.

80

709.

40

535

.50

470.

30

500100015002000250030003500

C5

Wavenumbers

%

Transmittance

Figure III.30- Les spectres IRTF des mortiers / composites PET7.5 avant et aprèsconservation dans les différentes concentrations d’acide HCl à 56 jours.

C5. Conservation du composite dans l’eau douce;C6. Conservation du composite dans 0.5% HCl ;C7. Conservation du composite dans 1% HCl ;C8. Conservation du composite dans 1.5% HCl.

L’observation principale due à l’attaque chlorhydrique est la présence des bandes vers

524-536.3 cm-1 qui sont évidentes pour les mortiers attaqués, mais non avérées pour les

matériaux en eau douce (Figures III.30, Tableau III.4). Ces bandes sont associées à la

vibration d’élongation Ca-Cl des chlorures d’où la présence du sel de chlorure de calcium qui

est la conséquence du matériau exposé à l’acide chlorhydrique (0.5%, 1% et 1.5%).

C5


172

Ainsi, due aux attaques des différentes concentrations d’acide chlorhydrique il y’a

disparition de la bande d’absorption vers 3640 cm-1 qui caractérise la consommation de la

portlandite (Tableau III.4). On a aussi les mêmes constatations pour les spectres IRTF des

mortiers non modifiés CPJ.

Positiondu pic(cm-1)

Groupementchimique Composé associé Milieu

Eaudouce

Milieu HCl(0.5%, 1% et 1.5%)

3000-3700

H2O, OH,liaisons

hydrogènesGypse, CSH +++ +

3636(Fine)

H2O, OH,liaisons

hydrogènes

hydrate héxagonalportlandite +++ ---

3450-3485 H2O, OH AFm, AFt ++ +

1614-1621 H2O, O-H + +

1425-1433 C-O CaCO3 (Calcite) + +

869-874 C-O CaCO3 (Calcite) + +705-710.6 C-O CaCO3 (Calcite) + +

1015-1029 Si-O Vibrations des

CSH + +

Attaqued’acide

Chlorhydrique

524/535-470 Ca-Cl

CaCl2.4H2OChlorure de

calcium0 +++

2970 C-O CaCO3(Calcite) + +2865-2871 C-O CaCO3 (Calcite) + +

2512-2518 C-O CaCO3 (Calcite) + +

Bandesd’harmoniques

1799 C-O CaCO3 (Calcite) + +Tableau III.4- Attribution des bandes infrarouges d’un

Mortier ou composite avant et après attaque par les solutionsAcides HCl à 0.5%, 1% et 1.5% (âge : 56 jours).

AFt: C(A,F).3CaSO4.32H2O;AFm: C3A.3CaSO4.12H2O ;+ : Présence d’élément ;--- : Consommation d’élément ;0 : Absence d’élément.

6.3. Etude de la microstructure des mortiers par ATG/ATD

Pour suivre l’évolution des phases solides caractéristiques de ces derniers avant et

après immersion dans les solutions corrosives d’acide chlorhydrique à 0.5%, 1% et 1.5%, une

autre technique complémentaire a été utilisée. Celle-ci est basée sur l’analyse thermique

simultanée, qui comprend une analyse thermogravimétrique (ATG) et une analyse thermique

différentielle (ATD).


173

L'analyse thermogravimétrique (ATG) mesure les variations de poids dans un matériau

en fonction de la température (ou du temps) en atmosphère contrôlée. Ses utilisations

principales comprennent la mesure de stabilité thermique et la composition d'un matériau.

Certains travaux de recherche [45-47] ont rapporté l’identification des produits

d’hydratation tels que le gel CSH, la portlandite, l’ettringite, le gypse et la calcite par les

méthodes d’analyses thermiques comme la DSC, ATD et ATG.

Une prise d’essai du mortier a été analysée suivant un chauffage linéaire depuis la

température ambiante jusqu’à 1200°C avec une montée de 20 K/min sous flux N2.

La figure III. 31 montre les courbes ATG/ATD du mortier mûri sous l’eau douce

pendant 56 jours. Il est intéressant d’observer que cette courbe montre une hydratation très

avancée et sur laquelle on peut identifier les phases ayant provoqué des pics généralement

endothermiques, par la température maximale de ces pics par exemple :

Milieu Témoin, eau douce (Figure III.31):

- 100-200 °C : différentes étapes de déshydratation des C-S-H + ettringite,

- 225-230 °C : Aluminate de calcium hydraté,

- 450-550 °C : la Portlandite Ca(OH)2,

- 700-850 °C: Calcite (CaCO3).

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

0 200 400 600 800 1000 1200

Temperature (°C)

TG

(%)

-3,5

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

HF

ouD

TG

TG (%)HF (mV/mg)DTG

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

0 200 400 600 800 1000 1200

Temperature (°C)

TG

(%)

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

HF

ouD

TG

TG (%)HF (mV/mg)DTG

Figure III.31- Analyse par ATG/ATD du mortierconservé dans l’eau douce (C1).

Figure III.32- Analyse par ATG/ATD du mortierconservé dans 0.5% HCl (C2).


174

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

0 200 400 600 800 1000 1200

Temperature (°C)

TG

(%)

-3

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

HF

ouD

TG

TG (%)HF (mV/mg)DTG

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

0 200 400 600 800 1000 1200

Temperature (°C)

TG

(%)

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

HF

ouD

TG

TG (%)HF (mV/mg)DTG

Figure III.33- Analyse par ATG/ATD du mortierconservé dans 1% HCl (C3).

Figure III.34- Analyse par ATG/ATD du mortierconservé dans 1.5% HCl (C4).

Le résultat d’analyse ATG/ATD du mortier après attaque par une solution d’acide

chlorhydriqueà 0.5%,1% et 1.5%, montré par les figures III.32-34, confirme une présence de

produits d’hydratations tels que le CSH, l’ettringite et la portlandite. D’après ces mêmes

figures, on remarque la consommation d’une partie de la portlandite par rapport au mortier

conservé à l’eau douce (Figure III.31) Le signal de la portlandite est moins important vers

450-550°C. On peut identifier les phases ayant provoqué des pics généralement

endothermiques correspondant au phénomène de fusion:

Milieu d’Acide chlorhydrique (Figures III.32-34):

- 100-200 °C : différentes étapes de déshydratation des C-S-H + ettringite,


- 450-550 °C : Diminution de l’intensité du pic correspond à la Portlandite Ca(OH)2,

d’où son consommation par l’attaque d’acide HCl.

- 700-850 °C: Calcite (CaCO3).

Toutes les données de perte de masse sont exprimés en fonction du poids calciné de

l'échantillon, comme suggéré par Taylor [49].

La teneur en hydroxyde de calcium a été déterminée à partir de l'équation suivante:

H

CHCH MW

MWWLCH (%)(%) (Eq. III.3)

Où CH (%) est le taux de décomposition (consommation) de Ca(OH)2 (en poids de base),

WLCH (%) est la perte de masse qui s'est produite lors de la déshydratation d'hydroxyde de


175

calcium (en poids de base), MWCH est la masse molaire d'hydroxyde de calcium et MWH est

la masse molaire d'eau.

On constate d’après la figure III.35, que le pourcentage de consommation de la

portlandite diminue avec l’attaque du mortier non modifié par l’acide chlorhydrique à 0.5%,

1% et 1.5% selon la réaction chimique suivante :

2 HCl + Ca(OH)2 CaCl2.4H2O

Ceci confirme les résultats obtenus précédemment concernant la perte de poids des

différents mortiers en milieux agressifs tel que l’acide chlorhydrique (0.5%, 1% et 1.5%).

C1 C2 C3 C40

1

2

3

4

5

6

7C1. Conservation du mortier dans l'eau douce;C2. Conservation du mortier dans 0.5% HCl;C3. Conservation du mortier dans 1% HCl;C4. Conservation du mortier dans 1.5% HCl.

Taux

dedé

com

posit

ion

(con

som

mat

ion)

duCa

(OH

) 2(%)

Les milieux de conservation du mortier

Figure III.35- Taux de décomposition et consommation du Ca(OH)2 en fonction des milieuxde conservation du mortier non modifié.

6.4. Etude de la microstructure des mortiers par MEB

L'examen au microscope électronique à balayage avec différents grossissements a

permis d'une part l'identification de la structure microstructurale des mortiers non modifiés

attaqués par l’acide chlorhydrique à 1%.

Les formations superficielles sur les échantillons sont observées au MEB, les plus

représentatives sont reportées sur les figures III.36 et 37. Elles sont grattées et réduite en

poudre pour être analysées par diffraction X, IRTF et ATG/ATD (paragraphes précédents).

La solution d’acide chlorhydrique HCl conduit à la formation de cristaux globuleux

d’un sel dénommé chlorure de calcium (CaCl2.4H2O), sous forme de troncature de cubes.

Mais ce dernier est très soluble, les raies de diffraction X (Figure III.29) qui lui sont attribués,

sont peu intenses. La surface de cet échantillon est très friable ; ce phénomène est à relier au


176

passage en solution du calcium lors de ce type d’attaque. En plus, il y a apparition des fissures

et par conséquent une altération du matériau (Figures III.36-37).

Il est aussi à noter que dans ce cas, il y a formation d’une légère coloration rouille

difficilement observable en diffraction X et peu marqué au MEB qui est, semble t-il, due aux

hydroxyles de fer (mal cristallisés ou quasi amorphe). Leur présence est à relier au caractère

oxydant de cet acide (HCl). Nos résultats corroborent avec ceux obtenus par Achoura et al.

[60].

Figure III.36- Observation au MEB de lamorphologie et des fissures du mortierdégradé par la réaction avec l’acide HCl à1% (PET0); (600X).

Figure III.37- Observation au MEB de laforme friable du mortier non modifiéimmergé dans une solution de 1% HCl(PET0); (2000X).

Conclusions

L’exploitation des résultats de ce chapitre a permis d’aboutir aux conclusions

suivantes :

- Les conséquences de l’attaque par les acides peuvent être très importants. D’abord, la

formation de produits expansifs entraîne bien souvent des problèmes de fissuration et

d’altération du béton. Par la suite, la dissolution de ces produits conduit à une diminution de

la capacité de pâte de ciment durci. L’ensemble de ces effets peut réduire significativement la

durée de vie des ouvrages en béton.

- La perte en poids des composites Mortier-Polymère immergés dans HCl 5% et

CH3COOH 5% est inférieure à ceux du mortier non modifié, ce qui indique que l’ajout du

polymère offre une meilleure protection contre l’attaque des mortiers par ces acides.

- Les résistances chimiques des matériaux polyphasés sont plus ou moins affectées par

la concentration et par la nature des acides suivant l’ordre de la séquence :

HCl > H2SO4 > CH3COOH.

10 m70 m


177

- Les milieux basiques ne constituent aucun danger pour les matériaux polyphasés.

- La perte en poids des mortiers non modifiés immergés dans la solution d’acide HCl

de concentration 0.5%, 1% et 1.5% est supérieure à ceux des composites Mortier-polymère.

La réduction des poids est due à la dissolution des hydrates formés qui mènent à des mortiers

poreux.

- La substitution de 2.5% à 7.5% de polymère PET dans un ciment Portland reflète une

consistance normale qui augmente proportionnellement avec le pourcentage d’ajout. D'autre

part, une augmentation du temps de prise est observée pour des raisons d’origine physico-

chimique. Par contre, une diminution de la densité est remarquée à cause de la faible densité

du polytéréphtalate d’éthylène.

- L’utilisation du polytéréphtalate d’éthylène améliore la résistance chimique des

mortiers vis-à-vis de l’attaque par les différentes concentrations d’acide HCl. On peut

constater en général que la substitution de cet ajout entraîne une amélioration des

performances mécaniques par une attaque chimique de 0.5%, 1% et 1.5% d’HCl. Les

résistances mécaniques sont plus ou moins affectées par la concentration et par la nature des

acides avec dans l'ordre le plus agressif : l’acide chlorhydrique HCl 1.5%, l’acide

chlorhydrique HCl 1% et l’acide chlorhydrique HCl 0.5%.

On propose pour cela la séquence suivante :

1.5% HCl > 1% HCl > 0.5% HCl.

- Il est intéressant de prolonger la durée d’immersion des spécimens en milieu d’acide

chlorhydrique pouvant aller jusqu’à 90 jours et 180 jours pour mieux saisir le comportement

de ces matériaux.

- L’apport du polytéréphtalate d’éthylène (PET) comme substituant au ciment se

manifeste par une diminution de la porosité de la pâte de ciment durci empêchant la

pénétration des agents agressifs.

- Les mesures d'analyse thermique, diffraction des rayons X, spectrométrie IRTF et

microscopie électronique à balayage MEB ont permis de caractériser la composition de la

microstructure des phases cristallines formées et disparues dans les matériaux ayant subit une

attaque chimique par les diverses solutions d’acides, tels que les produits d’hydratations et les

différents sels calcique.


d’ajout polytéréphtalate d’éthylène (PET) sur le comportement des mortiers et/ou composites

mortier-polymère en milieux agressifs tel que la solution du chlorure de sodium NaCl.


(Chapitres II & III)

Index bibliographique – Chapitres II & III


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180


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182

Chapitre IV


(Attaque par les Chlorures)

Ce travail a fait l’objet d’une publication dans un journal international : Journal ofApplied Polymer Science, Wiley Company – (2008).

Durabilité des matériaux composites Mortier-Polymère (Attaque par les Chlorures) Chapitre IV

183

Chapitre IVDurabilité des matériaux

Composites mortier-polymère(Attaque par les Chlorures)

IV.1 Introduction

La résistance à la pénétration d’ions chlorure dans le mortier et le béton est l'une des

questions les plus importantes au sujet de la durabilité des structures en béton. Quand la

concentration en chlorure du mortier ou du béton dépasse une certaine valeur limite, la

dépassivation de l'acier se produit et il y a un début de corrosion pour l’acier renforcé [1, 2].

Par conséquent, le développement des matériaux de protection avec une résistance à la

pénétration de chlorure est exigé pour les structures en béton.

Les bouteilles du polytéréphtalate d’éthylène (PET) ont remplacé les bouteilles en

verre en tant que stockage de la boisson dû à son poids léger et sa facilité de manipulation. À

mesure que la consommation de boissons augmente rigoureusement, la production des

bouteilles en PET accrues exponentiellement pendant qu'on signalait que des bouteilles du

PET ont été produites au environ de 87.000 tonnes à la fin de 2002 en Corée [3]. Si les

déchets des bouteilles en PET étaient réutilisées en tant qu'agrégats légers pour le béton, des

effets positifs sont prévus concernant le recyclage des déchets plastiques et la protection de

l’environnement [4, 5].

On rejette de plus en plus de bouteilles PVC et PET. La consommation des bouteilles

d'eau en PVC et PET est en train de connaître des hausses spectaculaires. Il faut signaler que

pour la seule marque d'eau Ifri plus de 20 millions de bouteilles par an sont consommées. La

consommation augmente continuellement. En Algérie, la consommation annuelle des eaux

minérales est estimée à plus de 550 millions de litres. Le citoyen algérien consomme jusqu’à

16 litres chaque année. Tous les ans, une croissance de la consommation de plus de 22% de

l’eau minérale est enregistrée.

Ce chapitre traite la résistance des composites mortier-polymère contre la pénétration

d’ions chlorure qui sont souvent employés en tant que matériaux prometteurs peu coûteux

pour empêcher ou réparer de diverses structures en béton renforcées. Leur comportement de


184

diffusion d'ions chlorure a été discuté par l’essai de pénétration rapide d’ions chlores (RCPT)

et en appliquant la deuxième loi de Fick.

Pour mettre en évidence l’influence de l’ajout du polytéréphtalate d’éthylène (PET)

sur le comportement des mortiers et/ou composites mortier-polymère en milieux agressifs, on

a effectué une série d’essais chimiques et physiques dans les laboratoires suivants :

- Laboratoire de matériaux LABMAT du département de Génie Civil de l’ENSET

d’Oran.

- Laboratoire de chimie des polymères LCP d’Es-Sénia, Oran.

Les essais ont été réalisés sur des mortiers élaborés à base de ciment CPJ-CEM II/A



durabilité de ces mortiers et essayer d’apporter une meilleure compréhension concernant les


Pour l’étude de la résistance de ces mortiers et/ou composites mortier-polymère vis-à-

vis des différents milieux agressifs (chlorures), on a tenu à garder le même rapport eau/ciment

pour toutes les compositions des matériaux (E/C = 0.5).


seconde série de réaliser des essais d'analyse microstructurale. Ce qui nous a permis

d’identifier les phases cristallines formées dans les matériaux ayant subit une attaque

chimique par diffraction des rayons X et microscopie électronique MEB avec l’association de

l’analyse dispersive EDS.

IV.2. Essai de durabilité (Ions chlorures)

Le développement des composites mortier-polymère a pour origine certains besoins

exprimés par les professionnels du bâtiment et des travaux publics. En vue d’améliorer la

durabilité de ces composites, on a évalué l’influence de l’ajout du polymère PET sur les

caractéristiques de ces derniers vis-à-vis des milieux agressifs tels que les chlorures [6,7].

2.1. Formulation des mortiers /ou composite Mortier- Polymère



dans la partie élaboration et caractérisation des composites Mortier-Polymère (cf. chapitre2).


185


que P/C {0, 2.5, 5, 7.5} %m, avec P : polymère (polytéréphtalate d’éthylène broyé < à 1

mm) et C : ciment Portland composé type CPJ-CEM II/A provenant de l’usine de Zahana.

Les courbes granulométriques du polytéréphtalate d’éthylène broyé et du sable

concassé sont représentées par la figure IV.1.

100 10 1 0,1 0,01 1E-30

20

40

60

80

100

PET broyéSable concassé

Poid

scum

ulé

en(%

)

Diamètre équ iva len t en (mm)

Figure IV.1- Les courbes granulométriques du polytéréphtalate d’éthylène broyé etdu sable concassé.



les mortiers.

Nous utiliserons des mortiers et/ou composites, selon la norme (NFP 15-403), la

composition est la suivante :

1260g de liant, les ajouts étant toujours introduits en substitution du ciment ;

3780g de sable de carrière de Kristel.

Ceci correspond donc à un rapport sable/ciment égal à 3.

Le taux de l’eau de gâchage à été maintenu constant pour l’ensemble des gâchées :

E/C=0.5.

Le mortier normal décrit précédemment est réalisé à l’aide d’un malaxeur HOBART,

dans une cuve de cinq litres répandant aux caractéristiques de la norme NFP 15-411.

Cette cuve nous permet de réaliser la quantité de mortier nécessaire à l’élaboration

des séries d’éprouvettes suivantes : 110 Ø x 220 mm3 destinées pour les essais de pénétration

d’ions chlorures et d’absorption capillaire.


186

La procédure de malaxage est celle préconisée dans la norme (NFP 15-403).

2.2. L’absorption

Cet essai mesure le taux d’absorption de l’eau par succions capillaires des éprouvettes

de mortier à l’age de 28 et 91 jours, non saturées, mises en contact avec de l’eau sans pression

hydraulique.

Avant les mesures de la sorptivité, les spécimens seront pré-conditionnés dans l’étuve

à environ 105 °C jusqu’à une masse constante. L’essai d’absorptivité détermine le taux ou

vitesse d’absorption par remontée capillaire d’une éprouvette cylindrique de dimensions

110mm de Ø et 50mm de hauteur placée sur de petits supports dans un bac contenant de l’eau

suivant le schéma indiqué dans la figure IV.2 de sorte que l’eau ne touche l’éprouvette que

d’une hauteur de 5 mm de la profondeur du bac, le reste de l’éprouvette est préalablement

imperméabilisé par une résine époxydique sur toutes les autres faces. On mesure alors

l’augmentation de la masse de l’éprouvette en fonction du temps à 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64

minutes.

Figure IV.2- Schéma + photo du dispositif del’essai d’absorptivité.

Les résultats de l’essai d’absorptivité des différents mortiers, sont présentés en traçant

toutes les droites lissées sur les segments d’augmentation des masses des éprouvettes en

fonction de la racine carrée du temps. L’équation de ces droites a la forme :

tSAQ (Eq. IV.1).

Q : La quantité d’eau absorbée en (cm3) ;

A : la surface du spécimen en contact avec l’eau (cm2) ;

t : le temps (s) ;

S : le coefficient de sorptivité du spécimen (cm/s1/2).


187

Pour déterminer le cœfficient de sorptivité, Q/A a été tracé en fonction de la racine carré du

temps √t, puis S a été calculé à partir de la pente de la relation linéaire entre Q/A et√t.

La mesure de la sorptivité est un moyen simple et facile qui permet de caractériser la

cinétique d’absorption des matériaux. Plus la sorptivité est élevée, plus le matériau est

susceptible à être rapidement envahi par le liquide en contact. C’est aussi une propriété qui

caractérise la disposition des pores du matériau qui absorbent et transmettent l’eau par

capillarité.

PET0 PET2.5 PET5 PET7.50

1

2

3

4

Coé

ffici

entd

eSo

rptiv

ité(c

m/se

c0.5 )1

0-3

Rapport de Ciment-Polymère (%)

à 28 joursà 91 jours

Figure IV.3- L’absorption capillaire des mortiers et /ou compositesMortier-Polymère après 28 et 91 jours.

2.3. Résultat de l’essai d’absorptivité

Le terme absorptivité est utilisé pour décrire le mouvement de l’eau du à l’action des

capillaires. La mesure de l’absorptivité est un moyen simple et facile qui permet de

caractériser la cinétique d’absorption des matériaux. Plus l’absorptivité est élevée, plus le

matériau est susceptible à être rapidement envahi par le liquide en contact. C’est aussi une

propriété qui caractérise la disposition des pores du matériau qui absorbent et transmettent

l’eau par capillarité.

La figure IV.3 montre l’influence de l’addition du polymère (PET) sur l’absorptivité

des spécimens de mortier et des composites Mortier-Polymère. L’absorptivité diminue

proportionnellement avec l’augmentation du taux des additions du PET, le taux de diminution


188

de l’absorption est de 11 % pour le composite PET7.5 par rapport au mortier contrôle PET0 à

28 jours et de 27 % à 91 jours.

On note aussi une diminution supérieure de 29% pour le composite PET7.5 tandis

qu’on a une diminution seulement de 13% pour le mortier non modifié PET0 de 28 à 91 jours

(figure IV.3).

A partir de ces résultats, on peut conclure que l’incorporation des additifs organiques

réduit les macropores par le remplissage de ces derniers par des particules en PET, d’où une

densification de la matrice cimentaire par l’ajout du polytéréphtalate d’éthylène.

En outre, ceci peut être expliqué par la capacité du PET à repousser l'eau (nature non

sorptive), d’où un remplissage des pores vides qui ne sont pas abordables ainsi par l'eau. Ce

phénomène sert à réduire le volume accessible à l'eau et par conséquent à la porosité

capillaire. La diminution de l'absorption de l'eau est également attribuée à une réduction dans

la porosité près de la zone interfaciale de particule/matrice, en raison de la liaison élevée entre

l'additif en PET et la pâte de ciment (cf. chapitre II.5). Ainsi, La diminution de la valeur de

sorptivité est favorable à la durabilité des structures en béton renforcé. Ces résultats sont en

accord avec ceux obtenu par Benazzouk et al. [8].

IV.3. Essai de pénétration rapide d’ions chlores (Rapid Chloride Penetration

Test) (RCPT)

L’appareil de l’essai de la perméabilité aux ions chlore utilisé selon la norme ASTM

C1202-97 [9] est montré par les Figures IV.4 et IV.5. Les spécimens sont de forme

cylindrique de 110mm de Ø et de 50mm de hauteur (Figure IV.6).

Figure IV.4- photo d’appareillage de l’essai de perméabilité aux ions chlore.


189

Figure IV.6- Photo d’un échantillon de mortier

La perméabilité aux ions chlore a été déterminée selon la norme ASTM C-1202-97

[9]. L’essai consiste à mesurer l’intensité du courant engendré par une différence de potentiel

égale à 60 volts maintenue constante pendant 6 heures au moyen d’électrodes en acier

inoxydable entre les deux cellules à deux compartiments. L’une des faces de l’éprouvette est

110 mm

50 mm

Enduit de résine

Échantillon

110 mm NaCl3 %

50 mm

NaOH0.3 N

60 volts

Anode + _ Cathode

Appareil deMesure (charge Colomb)

Figure IV.5- Schéma du principe de fonctionnement de l’essai de perméabilité auxions chlore.


190

au contact d’une solution de NaCl 30g/l (compartiment amont : anode), l’autre face est au

contact d’une solution de NaOH 0.3N (compartiment aval : cathode). Figures IV.4 et IV.5.

Figure IV.7- Ecran de l’appareil.

La surface cylindrique de l’éprouvette est rendue étanche par revêtement d’une couche

de résine époxydique. Les électrodes immergées dans chaque réservoir sont constituées par un

grillage métalliques Figure IV.8. Les essais ont été réalisés à l’âge de 91 jours.

Figure IV .8- Emplacement d’échantillon Dans les cellules

Après 6h, on mesure l’intensité du courant registré dans l’écran de l’appareil figure

IV.7. La figure IV.9 représente les résultats des essais réalisés à l’age de 91 jours.

D’après les études effectuées sur l’évolution des caractéristiques mécaniques de

mortier modifié par PET à long terme, il a été constaté que les caractéristiques de composites

développent des résistances sans une réduction sensible par rapport à celle du mortier contrôle

(cf. chapitre 2).


191

Cette amélioration dans les qualités des composites est due surtout à l’incorporation du

polymère PET, qui réduit les macropores par le remplissage des pores de la matrice

cimentaire c'est-à-dire qu’il conduit à une densification de cette dernière. En plus, le polymère

PET à une structure plus souple que le mortier.

A partir de ces caractéristiques, nous avons opté pour une évaluation de la résistance à

la pénétration aux ions chlore pour des échantillons de 91 jours. Ceci pour mieux montrer

l’effet de l’évolution de la microstructure du composite sur sa résistivité vis-à-vis de

l’agressivité aux ions chlore.


2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

Qua

ntité

dech

arge

en(c

oulo

mb)

Rapport polymère-ciment (%)

Quantité de charge (Cb) des différents typesde composites à 91 jours

Figure IV.9- Quantité de charge en coulombs des différentstypes de mortiers et/ou composites PET.

L’ajout de 7.5%m du polymère polytéréphtalate d’éthylène comme substituant au

ciment CPJ-CEMII/A, à montrer un résultat bénéfique pour les différents composites à savoir

le PET7.5. On a pu enregistrer une réduction de la quantité de charge (Cb) de l’ordre de 17%

et 55.5% pour le mortier modifié contenant 5% et 7.5% du polytéréphtalate d’éthylène

respectivement par rapport au mortier control (PET0). D’où une réduction de la pénétration

des ions chlorures.

Ce ci peut être expliqué par l’effet de l’incorporation de l’ajout du polymère (PET) qui

à pour rôle de densifier la matrice cimentaire en réduisant la porosité de la pâte durcie et par

son imperméabilité qui bloque le passage des ions chlores. La réduction de la porosité du

matériau polyphasé à base du polytéréphtalate d’éthylène empêche la solution saline (NaCl),


192

ions chlores, de pénétrer à l’intérieur de l’échantillon du composite. Nos résultats sont

confirmés avec ceux obtenus par Omrane [10] et Kou et al. [11].

IV.4. Essai d’immersion totale (Full Immersion Test) (FIT)

L’attaque par les chlorures se distingue par le fait qu’elle entraîne la corrosion des

armatures et qu’ensuite, comme conséquence de ce phénomène, le béton environnant est

dégradé. La corrosion des armatures est l’une des causes principales de la détérioration des

structures en béton armé partout à travers le monde. Le sujet de la corrosion de l’acier noyé

dans le béton dépasse toutefois le cadre du présent mémoire et on limitera à l’étude à

l’examen des propriétés du béton influençant la corrosion, en mettant l’accent sur le transfert

des chlorures.

4.1. Test de pénétration d’ion chlorure

Dans cette partie on traite la résistance à la pénétration d’ions chlores des composites

Mortier-Polymère en appliquant la deuxième loi de Fick.

Pour les échantillons d’essais on a utilisé des éprouvettes cubiques (100x100x100)

mm3 préparées au laboratoire du département de génie civil de l’ENSET d’Oran. Les mortiers

ont été confectionnés conformément aux prescriptions de la norme EN 196-1 [12] :

A la fin du malaxage, le mortier ou composite préparé est versé dans le moule. Le

serrage du mortier dans ce moule est obtenu en introduisant le mortier en deux fois et en

appliquant au moule 60 chocs à chaque fois; après quoi le moule est arasé. Le démoulage a

lieu 24h après le coulage; par la suite les éprouvettes sont mis directement dans l’eau saturée

en chaux jusqu’au jour de l’age de 28 jours.

Après la cure, les faces latérales des échantillons sont recouvertes par de la résine

époxy pour rendre les facettes imperméables. Ainsi, la pénétration des ions chlorure ne se fait

que dans un seul sens selon les deux faces (du dessus et du dessous) figures IV.10, IV.11,

ensuite les échantillons sont introduit dans une solution de NaCl concentré à 5% (figure

IV.10).

Après 28 jours de cure sous l’eau, la résistance à la pénétration des ions chlorures a été

déterminée selon les normes UNI 7928 [13] et JIS A 1171 [14]. Les éprouvettes traitées ont

été immergées dans des solutions d'essai à 20°C pendant 7, 28 et 91 jours pour la pénétration

des ions chlorures. La solution d'essai utilisée était 5% de chlorure de sodium NaCl et elle a


193

été changée tous les 7 jours jusqu'à une période d'immersion de 28 jours, et puis tous les 28

jours.

A chaque essai (7, 28 et 91 jours) l’éprouvette sera coupée en deux le long des deux

faces perméables c'est-à-dire suivant le flux de la diffusion des chlores (figure IV.12), puis on

verse sur chaque section coupée une solution de nitrate d’argent AgNO3 selon la norme UNI

7928. Le bord de chaque section change de couleur, on obtient une couleur blanche qui

représente la profondeur de pénétration des ions chlorures. Cette profondeur est mesurée à

l’aide d’un pied à coulisse sur plusieurs positions (figure IV.13). La profondeur de pénétration

(X) est la moyenne de toutes les lectures.

(FIT)

Figure IV.10- Immersion totale des échantillons dans une solution de 5% NaCl.

Figure IV.11- Echantillon avant immersiondans la solution NaCl à 5%.

Figure IV.12- Coupe de l’éprouvette en deuxle jour de l’essai.

Résine d’époxy

5% NaCl


194

Coupe schématique de l’échantillon (unité en mm)

Figure IV.13- Section transversale d’éprouvette après avoir employé 0.1 Nde l'essai d'indicateur de nitrate d'argent.

4.2. Résultats et discussion

- Attaque des mortiers et/ou composites par la solution de sodium de chlorureNaCl :

La figure IV.14 illustre la profondeur de pénétration des ions chlorures (Cl-) des

mortiers non modifiés et/ou des composites Mortier-Polymère immergés dans 5 % de solution

de NaCl pendant 7, 28 et 91 jours.

PET0 PET2,5 PET5 PET7,50

2

4

6

8

10

12

Prof

onde

urde

péné

tratio

n,x

(mm

)

Rapport du Polymer-Ciment (% )

7 jours28 jours91 jours

Figure IV.14- Rapport du Polymère-Ciment en fonction de la pénétration des ions Cl – descomposites mortier-polymère après immersion dans 5% en NaCl.

Généralement la profondeur de pénétration des ions Cl- du mortier non modifié PET0

et les différents composites PET2.5, PET5 et PET7.5 augmente avec la période d'immersion.


195

Indépendamment des types de rapports de polymère-ciment, la profondeur de pénétration des

ions Cl- des composites mortier-polymère est nettement plus inférieure que celle du mortier

non modifié, et elle est réduite avec l’augmentation du rapport de polymère-ciment. Nos

résultats sont en conformité avec ceux obtenus par Y. Ohama et al. [15].

On considère généralement dans le béton ordinaire de ciment que le Cl- imprègne

facilement les pores de rayons au-dessous de 20 A°. Étant donné que les surfaces des pores

sont électriquement positives due à l'adsorption de l'ion de calcium (Ca2+) [16]. En revanche,

la pénétration des ions Cl– des composites mortier-polymère semble être empêchée par

l'incorporation du polymère PET [17]. L’ajout du PET rend la matrice cimentaire plus dense

et réduit ainsi la porosité de la pâte durcie.

Application de la deuxième loi de Fick de la diffusion des ions chlorures

Les coefficients de diffusion et les teneurs en chlorure de surface des spécimens

mortier ou béton ont été déterminées par l'ajustement de la courbe non linéaire des ions

chlorures de la deuxième loi de Fick de la diffusion selon l'expression suivante :

2

2

xC

DtC

c

(Eq. IV.2)

La profondeur de pénétration d’ion chlorure suit la deuxième loi de Fick [18] sous les

conditions du régime non stationnaire de diffusion. La solution selon cette loi est donnée par

l’équation suivante :

tD

xerfCtxCc2

1, 0 (Eq. IV.3)

Où

x est la distance de pénétration sur la surface des mortiers ou bétons (m),

t est le temps (s),

Dc est le coefficient de la diffusion (m2 / s),

Co est la concentration en chlorure sur la surface du mortier ou béton,

C(x, t) est la concentration en chlorure à la profondeur de x au temps t,

erf est la fonction d’erreur.


196

Une approximation de la formule (IV.3) est donnée par l’expression suivante [19] :

x = 4 Dt (Eq. IV.4)

Les exemples des rapports entre la période d'immersion et la profondeur de pénétration

des ions chlorures des composites mortier-polymère sont illustrés dans les figures IV.15-

IV.16. Généralement la profondeur de pénétration des ions chlorures des matériaux

polyphasés augmente avec la période d'immersion, et elle est réduite avec l’augmentation du

rapport de polymère-ciment.

Dans les figures IV.15-IV16, les graphes tx ont des interceptions négatives sur

l'axe t suivant les types des composites mortier-polymère et du rapport de polymère-

ciment. Ceci signifie que les graphes tx ne suivent pas la deuxième loi de Fick’s en

raison de la réaction des ions chlorures avec certains hydrates de ciment. Les ions chlorures

peuvent être trouvé par la réaction dans les différents états suivants: chlorure liés,

chimiquement combiné avec C-A-H sous la forme, par exemple, du C3A.CaCl2 .10 H2O;

chlorure liés, adsorbé sur le gel C-S-H ou ions chlorure libres (externes) [20]. Goto et al. [21-

22] ont rapporté que la diffusion des ions chlorures dans la matrice cimentaire durci est

également accompagné d'une réaction chimique. En outre, nos résultats sont en accord avec

ceux rapportés par Ohama et al. [15] et Omrane et al. [23, 24]. Par conséquent, l'équation

suivante peut être recommandée pour l'évaluation du coefficient apparent de la diffusion des

ions chlorures [25] :

ktDx a 4 (Eq. IV.5)

Da est le coefficient apparent de la diffusion des ions chlorures, calculé à partir des pentes des

graphes tx et k est la constante empirique. Les équations empiriques basées sur

l'équation (IV.5) sont montrées dans la figure IV.16.


197

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

7.55.02.5

0

Rapport duPolymère-Ciment (%)

Prof

onde

urde

péné

trat

ion

des

ions

Chl

orur

esCl

- ,x(c

m)

Période d'immersion , t1/2 (s)

X = 5.0 x 10-4

t1/2

+ 0.19X = 4.48 x 10-4 t 1/2 + 0.19X = 4.39 x 10-4 t 1/2 + 0.21X = 4.22 x 10-4 t 1/2 + 0.20

Figure IV.15- Période d'immersion en fonction de la profondeur de pénétration des ionschlorures des composites mortier-polymère pendant l'immersion dans 5% en NaCl.

0 500 1000 1500 2000 2500 30000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

x =5.0x 10

-4 t1/2 + 0.1

9

Prof

onde

urde

péné

tratio

nd'

ions

Cl-

(cm

)

Période d'immersion, t1/2 (s)

PET0Linear Fit of Data_PET0

0 500 1000 1500 2000 2500 30000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

x = 4.48 x 10

-4 t1/2 +

0.19

Prof

onde

urde

péné

trat

ion

d'io

nsCl

-(c

m)


PET2.5Linear Fit of Data_PET2.5

(a) (b)

0 500 1000 1500 2000 2500 30000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

x= 4.39 x10-4 t

1 /2 + 0.21

Prof

onde

urd

epé

nétr

atio

nd'

ions

Cl-

(cm

)

Période d'immersion , t1/2 (s)

PET5Linear Fit of Data_PET5

0 500 1000 1500 2000 2500 30000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

x =4.22 x 10

-4 t1/2 + 0.2

0

Pro

fond

eur

dep

énét

rati

ond'

ion

sC

l-(c

m)


PET7.5Linear Fit of Data_PET7.5

(c) (d)

Figure IV.16 (a, b, c, d)- La période d’immersion en fonction de la profondeur de pénétrationd’ions Cl- des composites mortier-polymère dans 5% NaCl.


198

La figure IV.17 représente les rapports du polymère-ciment en fonction des

coefficients apparents de la diffusion des ions chlorures des composites mortier-polymère. Le

coefficient apparent a été obtenu à partir des pentes des graphes tx , (figure IV.15). On

constate que les coefficients apparents de la diffusion des ions chlorures des matériaux

polyphasés PET2.5, PET5 et PET7.5 sont inférieurs que celui du mortier non modifié PET0

suivant la concentration de 5% en NaCl.

L’ordre de grandeur de pénétration des ions chlorures dans les pâtes du ciment

Portland et des composites mortier-polymère est de 10-8 cm2/s à 25 °C, et cette valeur est

d’environ mille fois plus petites que du même ion dans l’eau [26] (2.03x10-5 cm2/s).

L'interaction entre les surfaces de pore du ciment hydraté et les ions chlorures peuvent être

responsables de la diminution du taux de diffusion. Ces résultats confirment l'ordre des

coefficients de diffusion pour l'ion de Cl- dans les pâtes ciment qui est de 10-8 cm2/s, une

valeur plus petite que D pour la diffusion d'ion de Cl- dans l'eau par un facteur de 103 obtenus

par Collepardi et al. [19, 27].

Néanmoins, il y a la possibilité que la différence entre les coefficients de diffusion

pourrait être dû à une mobilité différente des molécules d'eau à l'intérieur des pores. En

conclusion, on ne peut pas exclure que le coefficient de diffusion de l'ion de chlorure dépend

également du type de cation (K+ ou Ca2+) du sel.

En général, le coefficient de diffusion apparent tend à diminuer avec l'augmentation du

rapport de polymère-ciment. Il reste évident au vue des données obtenues que la résistance à

la pénétration des ions chlorures des composites mortier-polymère est généralement

supérieure au mortier non modifié.

PET 0 PET2.5 PE T 5 PET7.5

1 ,1

1 ,2

1 ,3

1 ,4

1 ,5

1 ,6

Coe

ffic

ient

App

aren

tde

ladi

ffus

ion

des

ions

Chl

orur

es(x

10-8

cm2 /s)

Rap port du Polymère-Cim en t (% )

Im m ersion dan s 5% en N aC l

Figure IV.17- Les rapports de polymère-ciment en fonction des coefficients apparents de ladiffusion des ions chlorures des composites mortier-polymère.


199

De cette étude, on retient que les composites Mortier-Polymère développent une

meilleure résistance au pénétration aux ions chlorures. Par conséquent ces composites

Mortier-Polymère peuvent être recommandés comme matériaux effectifs pour la prévention

de la corrosion des armatures dans les différentes structures. Le coefficient apparent de

diffusion d’ion chlorure décroît avec le pourcentage du polymère. Dans notre étude, on note

une diminution du cœfficient Da de 29% du composite PET7.5 par rapport au mortier non

modifié PET0.

IV.5. Variation de la perte de masse en fonction du temps

5.1. Essai d’attaque par les chlores

Attaque des mortiers et/composites par les ions chlorures

Les mortiers et/ou composites ont été coulés dans des moules prismatiques 5x5x5 cm3

et compactées mécaniquement à l’aide d’une table à choc (NF EN 196.1). Les moules

contenant les spécimens ont été couverts de film plastiques et stockés dans l’environnement

du laboratoire. Après 24 heures, les échantillons ont été démoulés et conservés jusqu’à l’âge

de l’essai dans l’environnement suivant :

Eau : (T= 20 ± 2 °C, R.H = 100%).

Après 40 jours de cure sous l’eau, les éprouvettes sont pesées pour déterminer M0,

puis elles sont immergées dans la solution suivante :

5% sel du Chlorure de sodium (NaCl) figure IV.18.

La résistance due aux agressions chimiques des échantillons immergés dans cette

solution est évaluée selon la norme ASTM C 267-96, les éprouvettes sont nettoyées 3 fois

avec de l’eau douce pour éliminer le mortier altéré et puis on les laisse sécher pendant ½

heure. Ensuite on procède à la pesée de ces derniers. Cette opération est effectuée après 1, 7,

14, 21, 28,… et 35 jours après l’immersion (M1).

Le degré de l’attaque est évalué par la formule (IV.5) :

Perte de masse (%)= (M0-M1/M0)100 ……… (IV.6)

Avec M0, M1 les masses des éprouvettes avant et après immersion, respectivement.


200

Figure IV.18- Eprouvettes de mortiers et ou composites mortier-polymère immergéesdans la solution NaCl à 5%.

5.2. Suivi de l’évolution de masse (Chlorure de sodium NaCl)

D’après la figure IV.19 qui expose la variation de la masse des mortiers et /ou

composite mortier-polymère en fonction de la période d’immersion dans du chlroure de

sodium, on remarque qu’il y a une augmentation du gain en poids jusqu’à 35.

Dans le cas de l’attaque chimique par le chlorure de sodium, la principale forme de

liaison des ions chlore se fait par réaction chimiques avec le C3A pour former des

chloroaluminates de calcium, 3CaO. Al2O3. CaCl2. 10H2O, encore appelés sel de Friedel. Une

réaction similaire avec le C4AF donne le chloroferrite de calcium, 3CaO.Fe2O3.CaCl2. 10H2O.

On constate une augmentation permanente de la masse concernant les mortiers

immergés dans la solution saline NaCl 5%. A 28 jours, on remarque que l’augmentation de la

masse des composites mortier-polymère devient inférieure à celle du mortier témoin (ciment

sans ajout). Le gain en masse des composites avec 7.5 % du PET diminue de 0.3 % par

rapport aux mortiers sans ajouts. Concernant le PET5, on a une diminution de 0.4 % du gain

en poids par rapport au ciment témoin.


201

0 7 14 21 28 35 42 4999,95

100,00

100,05

100,10

100,15

100,20

100,25

100,30

100,35

100,40

100,45

Gai

nen

poid

s(%

)

Age ( jours )

PET0PET2.5PET5PET7.5

Figure IV. 19- Variation de la masse en fonction de la périoded’immersion en 5% NaCl.

D’après la figure IV.20 qui expose la variation de la masse des mortiers et /ou

composite mortier-polymère immergés dans la solution du chlroure de sodium NaCl pour 7,

14, 28 et 35 jours, on constate que la variation de la masse des mortiers augmente avec le

temps additionnel d’immersion et que le changement du poids des composites diminue avec

l’augmentation du rapport du polymère-ciment (%). Ceci peut être expliqué par l’effet de

l’incorporation de l’ajout du PET qui à pour rôle de densifier la matrice cimentaire en

réduisant la porosité de la pâte durcie et par son imperméabilité qui bloque le passage des ions

Cl-. La réduction de la porosité du matériau polyphasé à base du polytéréphtalate d’éthylène

empêche la solution saline (NaCl), ions chlores, de pénétrer à l’intérieur de l’échantillon du

composite.

PET0 PET2.5 PET5 PET7.5100,00

100,05

100,10

100,15

100,20

100,25

100,30

100,35

100,40

100,45

100,50

Gai

nen

poid

s(%

)

Rapport du polymère-ciment (%)

7 jours14 jours28 jours35 jours

Figure IV.20- Variation de la masse en fonction du rapport polymère-cimentdans la solution de 5% NaCl.


202


matériaux composites. En général, les composites contenant du polymère PET développent

une résistance différente à celle du mortier contrôle contre l’attaque chimique par les

chlorures comme le montrent les différentes figures précédemment citées.

La caractérisation de nos matériaux ayant subit une attaque chimique est basée sur les

différentes techniques d’analyses telles que la diffraction des rayons X et la microscopie

électronique MEB avec l’association de l’analyse dispersive EDS (EDXA)

IV.6. Caractérisation par diffraction des rayons X et MEB/EDS del’attaque superficielle de mortier et/ou composite mortier-polymère

6.1. Diffraction X de la matrice cimentaire par l’attaque d’ions chlorure


polymère soumises à une attaque par les chlorures ont permis d’identifier et de positionner les

différentes phases cristallines rencontrées sur l’épaisseur du matériau altéré. La couche des

cristaux formés sur la surface de l’échantillon est analysée, après avoir subit un grattage sur

une épaisseur de quelques dixièmes de millimètres et un broyage pour obtenir une fine poudre

du liant des mortiers.



bien cristallisé difficilement identifiable sur un spectre DRX. En fait, le CSH présente un

spectre DRX avec une large bosse située entre 28 et 35° 2Ө, là même où se situent la plupart

des pics de silicates anhydres (C2S et C3S). Ainsi la pâte de ciment est souvent caractérisée

par ses hydrates mieux cristallisés que sont l’ettringite et la portlandite.

Les figures IV.21-25 représentent les analyses DRX réalisées sur mortier non modifié

PET0 et composite PET7.5 après conservation pendant 28 jours dans une solution de 5%

NaCl.


203

Figure IV.21- Spectre DRX du composite PET7.5 conservédans 5% NaCl, à l’âge de 28 jours.

Les spectres DRX des figures IV.21 et 22 montrent la présence des espèces cristallines

suivantes : - Ca(OH)2 : La portlandite ; - Ca4Al2O6Cl2. 10H2O: Sel de Friedel, Apparition de

son pic majeur à 2 Ө11.2-12 ° ; - CaCO3 : Calcite; - Ettringite.

Figure IV.22- Superposition des spectres DRX du composite PET7.5 conservé dans l’eaudouce ( ) et dans 5% NaCl ( ), à l’âge de 28 jours.

SF : Sel de Friedel (Ca4Al2O6Cl2. 10H2O)C: Calcite CaCO3

P: PortlanditeE: Ettringite

PET7.5 en milieu eau doucePET7.5 en milieu 5% NaCl

Apparition du picmajeur du sel de

FriedelSF

C

PP P

E


204

2Theta10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.00.0

40.0

80.0

120.0

160.0

200.0

240.0

280.0

320.0

360.0

Ab

solu

teIn

tens

ity

EXTZ3 (Range 1)

Figure IV.23- Spectre DRX du mortier de contrôle PET0 conservédans 5% NaCl, à l’âge de 28 jours.

2Theta10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.00.0

40.0

80.0

120.0

160.0

200.0

240.0

Abs

olut

eIn

tens

ity

EXTZ4 (Range 1)

Figure IV.24- Spectre DRX du composite PET7.5 conservédans 5% NaCl, à l’âge de 28 jours.

PPP

C

PP

C

P : Portlandite Ca(OH)2

SF : Sel de Friedel (Ca4Al2O6Cl2. 10H2O)C : Calcite CaCO3

E : Etringite Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26H2OG: Gypse (CaSO4 2H2O)

E SFP P

G PGG

C

C

P : Portlandite Ca(OH)2SF : Sel de Friedel (Ca4Al2O6Cl2. 10H2O)C : Calcite CaCO3

E : Etringite Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26H2OG: Gypse (CaSO4 2H2O)

E SF

PP

G

P

GG

C

C


205

Les spectres DRX des figures IV.22 et III.23 montrent la présence des espèces

cristallines suivantes :

- Ca(OH)2 : La portlandite ;

- Ca4Al2O6Cl2. 10H2O: Sel de Friedel;

- CaCO3 : Calcite ;

- CaSO4.2H2O : Le gypse ;

- Ca6Al2(SO4)3(OH)12 .26H2O : L’ettringite .

L’ettringite Ca6Al2 (SO4)3(OH)12 . 26H2O a son pic majeur au environ de 9° 2Ө, et la

portlandite Ca(OH)2 à 34.09° 2Ө, 18.09° 2Ө et à 47.12° 2Ө. On trouve aussi de la calcite


l’incorporation du sable de carrière. On attribut les pics vers 23.40° 2Ө et 43.34° 2Ө au

formation du gypse CaSO4. 2H2O. La formation du sel de Friedel Ca4Al2O6Cl2. 10H2O est

observée au pic vers 11.2° 2Ө.

Des études faites par ailleurs [28,29], ont constatées que l’espèce cristalline portlandite

Ca(OH)2 est caractérisée par son pic à 2 Ө = 18° - 18.1°. En ce qui nous concerne, on

remarque que le pic du spectre PET7.5 apparaît à 18.1° 2Ө(figure IV.25) avec une intensité

légèrement supérieure à celui du mortier PET0 malgré que le rapport du polymère-ciment est

de l’ordre de 7.5%m. Ce qui cause une diminution progressive de la quantité de portlandite

Ca(OH)2 dans les composites par rapport au mortier de contrôle.

En comparant nos résultats avec ceux obtenus par M.U.K Afridi [30,31], les cristaux

de portlandite Ca(OH)2 peuvent probablement produire une réflexion dans le plan de

diffraction plus importante en présence du polymère PET dû à un changement d'orientation

des cristaux. Cette réflexion importante résulte de l'effet gagné par la quantité abaissée de

Ca(OH)2, et ainsi l'intensité maximale à un rapport de polymère-ciment de 7.5%m apparaît à

un niveau accru comparé à celui du mortier non modifié PET0 ( figure IV.25).


206

2Theta10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.00.0

40.0

80.0

120.0

160.0

200.0

240.0

280.0

320.0

360.0

Abs

olut

eIn

tens

ity

EXTZ3 (Range 1)EXTZ4 (Range 1)

Figure IV.25- Superposition des spectres DRX du mortier de contrôle PET0 et du compositePET7.5 conservé dans 5% NaCl, à l’âge de 28 jours.

L’analyse quantitative d’une même masse de poudre à partir de ces spectres semble

très délicate, car la présence en quantité variable de polymère PET modifie la fraction

massique des espèces cristallines dans chacun des échantillons. De plus, le tamisage modifie

également les proportions entre les constituants, et par conséquent, il est impossible de les

chiffrer à posteriori.

6.2. Etude de la microstructure des mortiers par le MEB/EDSL’association du microscope électronique à balayage avec l’analyse aux rayons X par

dispersion d’énergie (EDS ou EDXA) est efficace pour l'observation de la microstructure de

surface du mortier non modifié par PET et conservé dans un milieu de 5% NaCl.


fraîche [32] et, notamment sur:

La structure de la pâte au contact des granulats,

La vitesse de prise,

La nature et la cinétique des réactions d'hydratation.

Les échantillons ont été analysés par un microscope électronique à balayage MEB,

c’est un dispositif JEOL de type JSM-6380, disponible à l’Université de Toulouse,

Laboratoire LMDC (France).

P : Portlandite Ca(OH)2

SF : Sel de Friedel (Ca4Al2O6Cl2. 10H2O)C : Calcite CaCO3

E : Etringite Ca6Al2(SO4)3(OH) 12.26H2OG: Gypse (CaSO4 2H2O)

Spectre du PET0 ( )Spectre du PET7.5 ( )

GE SFP P

PG

G

C

CC


207


morphologie des phases hydratées (silicates de calcium hydratés CSH, portlandite, sel de

Friedel, etc.). Il est à noter que l’observation est pratiquée sous un vide poussé. Cela peut

expliquer la présence de microfissures sur la micrographie de la figure IV.26. Les hydrates

présents dans la microstructure sont essentiellement des silicates de calcium CSH. Ils se

présentent sous forme d’amas granuleux dans le mortier (figure IV.26).

Au cours du processus de l’hydratation, d’autres CSH se forment également en

quantité importante et remplissent les vides intergranulaires (figures IV. 26-27). L'examen au

microscope électronique à balayage MEB avec l'association de l’analyse dispersive en énergie

(EDS) ont permis l'identification des cristaux du sel de Friedel (Ca4Al2O6Cl2.10H2O) pour la

structure microstructurale des mortiers ne contenant pas d’ajout polymère PET (figure IV.27-

a, b). De même T.S. Nguyen [33] a pu constater la fixation des chlorures ainsi que leurs

quantités, à l’équilibre, dans un matériau cimentaire.

Figure IV. 26- Observation et analyse des cristaux existant dans le matériau au MEB.Mortier non modifié immergé dans 5% NaCl à 28 jours (PET0). Grossissement 1500X.

Figure IV. 27-a. Observation et analyse des cristaux existant dans le matériau au MEB avecl'association de l’analyse dispersive en énergie (EDS). Mortier non modifié immergé dans 5%NaCl à 28 jours (PET0). Grossissement 1400X.

CSH

SF

CSH

P


208

Figure IV. 27-b. Observation et analyse des cristaux existant dans le matériau au MEB avecl'association de l’analyse dispersive en énergie (EDS). Mortier non modifié immergé dans 5%NaCl à 28 jours (PET0).

Conclusion

- L’étude de la durabilité a permis de montrer que le polymère à un effet

supplémentaire sur le comportement des matériaux composites. En général, les composites

contenant du polymère PET développe une résistance différente à celle du mortier nom

modifié contre l’absorption à l’eau et l’attaque chimique par les ions chlorures (Cl-).

- L'étude du comportement hydraulique a révélé que l’ajout de particules de PET

réduit la sensibilité du composite à l'eau. La sorptivité diminue avec l'augmentation de

particules de PET en masse. Ces additifs en PET ont tendance à limiter la propagation de l'eau

et à réduire son absorption. Cette résistance d'absorption d'eau offre une meilleure protection à

l’armature d'acier contre la corrosion et en particulier à la pénétration des ions chlorures, ce

qui suggère l'utilisation de particules de PET dans les matériaux de construction exposés à des

environnement agressif.

- La quantité totale de charge en coulomb, la profondeur de pénétration des ions

chlorures (Cl-) et le coefficient apparent de la diffusion des ions chlores des composites

Mortier-Polymère sont inférieurs que ceux du mortier non modifié, et tendent généralement à

diminuer avec l’augmentation du rapport de polymère-ciment.

- L’augmentation de la résistance des composites à la pénétration des ions chlores est

attribuée à la densification de la matrice cimentaire par le remplissage des macropores par


209

l’ajout du PET et par l’imperméabilité des granulats de PET qui bloque le passage de l’ion

chlorure. Ainsi, la réduction de la pénétration des ions Cl- dans les composites réduit le

potentiel de corrosion des structures renforcées, ce qui est de grande importance pratique.

- Les méthodes d’analyse tels DRX, MEB et EDS ont révélé la composition de la

microstructure des phases cristallines formées dans les matériaux ayant subit une attaque

chimique par les chlorures, tels que les différents sels calcique et le sel de Friedel.


d’ajout polytéréphtalate d’éthylène (PET) sur le comportement des mortiers et/ou composites

mortier-polymère en milieux agressifs tels que les solutions sulfatiques Na2SO4 et MgSO4.

Chapitre V


(Attaque par les Sulfates)

Ce travail a fait l’objet d’une publication dans le Proceeding du : 1st InternationalConference on Sustainable Built Environement Infrastructures in Developing Countries-SBEIDCO – (2009), sous code N° ISSN 2170-0095.

Durabilité des matériaux composites Mortier-Polymère (Attaque par les Sulfates) Chapitre V

Chapitre V Durabilité des matériaux

Composites mortier-polymère (Attaque par les Sulfates)

V.1 Introduction

Le béton est un matériau durable [34] qui offre une résistance remarquable aux

agressions lorsqu’il est correctement dosé et correctement mis en œuvre. Néanmoins, ses

constituants qu’il s’agisse du ciment, du sable ou des granulats, peuvent subir des agressions à

plus ou mois brève échéance.

Les matériaux composites [35] sont aujourd’hui l’objet de recherche tant théorique

qu’expérimentale, car un regain d’intérêt se manifeste dans le monde pour l’utilisation des

composites mortier- polymère [36-37] dans l’industrie du bâtiment pour différentes

applications.

Les agressions chimiques externes sont dues essentiellement aux acides, aux bases,

aux sulfates et aux solutions salines qui dissolvent la chaux du ciment et en formant des

composés nouveaux, entraînant l’érosion, le gonflement et l’éclatement des ouvrages en

béton, ce qui peut mettre en péril la stabilité de ces derniers. Généralement, les conséquences

d’une réaction sulfatique sont d’ordre macroscopique en particulier d’ordre mécanique tel que

chute de résistance, fissuration et expansion. Ce type de dégradation qui, à plus ou moins long

terme, est fonction de l’attaque (teneur ou concentration des sulfates en contact) et du type de

ciment utilisé [34, 38].

Les réactions générales impliquées dans l'attaque des sulfates externes ont été décrites

par les travaux de Cohen et Bentur [39]. L’attaque des sulfates sur les mortiers ou bétons

conduit à la modification des produits d'hydratation du ciment pour l’ettringite, gypse, et

d'autres phases, et aussi à la déstabilisation de gel du silicate de calcium hydraté (CSH). La

formation d'ettringite et du gypse est visible dans les systèmes cimentaires exposés à la

plupart des types de solutions de sulfate. L'expansion résultant de l'attaque par les sulfates est

généralement attribuée à la formation de ces deux composés, bien qu'il y ait une certaine

210


controverse entourant l’exactitude des mécanismes qui provoque l’expansion [40-42].

Lorsque la solution agressive contienne de l’ion magnésium, comme dans le cas du sulfate de

magnésium (MgSO ), on a la formation d’hydroxyde de magnésium (brucite) et la 4

transformation des CSH en silicate de magnésium hydraté (MSH) [43].

L'altération de la microstructure des bétons endommagés par les sulfates est décrite en

détail par Diamond et Lee [44]. Plusieurs autres études ont également utilisé la microscopie

électronique à balayage (MEB) pour décrire l'apparition de nouvelles phases et l'altération des

phases actuelles du ciment hydratée due à l'action des sulfates [45, 46].

Ce chapitre présente les résultas d’une étude expérimentale portant sur la durabilité

des composites qui contiennent du polytéréphtalate d’éthylène (déchet de bouteilles en PET)

broyé comme substituant au ciment vis-à-vis d’agressions chimiques sulfatiques (Na2SO4,

MgSO4) pendant une certaine durée de conservation. Un complément d’information sur la

microstructure a été fait par différentes méthodes d’analyses telles que la diffraction des

rayons X, IRTF, MEB/EDS et DSC.

Dans le but de mettre en évidence l’influence de l’ajout du polytéréphtalate

d’éthylène (PET) sur le comportement des mortiers et/ou composites mortier-polymère en

milieux agressifs, on a effectué une série d’essais chimiques et physiques.

V.2. Essai de durabilité (sulfates) Les essais ont été réalisés sur des mortiers élaborés à base de ciment CPJ-CEM II/A



durabilité de ces mortiers et essayer d’apporter une meilleures compréhension concernant les


Pour l’étude de la résistance de ces mortiers et/ou composites Mortier-Polymère vis-à-

vis de différents milieux agressifs sulfatiques Na2SO4 et MgSO4 à 5%, on a tenu à garder le

même rapport eau/ciment pour toutes les compositions des matériaux (E/C = 0.5).


seconde série de réaliser des essais d'identification microstructurale. Dans ce but, on a fait

appelle à la spectrométrie IRTF, microscopie électronique à balayage (MEB/EDS), les

diffractions aux rayons X et l’analyse calorimétrique différentielle à balayage (DSC).

211


2.1. Formulation des mortiers /ou composite Mortier- Polymère



dans la partie élaboration et caractérisation des composites mortier-polymère (cf. chapitre2).


que P/C ∈ {0, 2.5, 5, 7.5} %m, avec P : polymère (polytéréphtalate d’éthylène broyé) et C :

ciment Portland composé type CPJ-CEM II/A provenant de l’usine de Zahana.

Les courbes granulométriques du polytéréphtalate d’éthylène broyé et du sable

concassé sont représentées par la figure II.5.



les mortiers.

2.2. L’absorption

Cet essai mesure le taux d’absorption de l’eau par succions capillaires des éprouvettes

de mortier à l’age de 28 et 91 jours, non saturées, mises en contact avec de l’eau sans pression

hydraulique.

Avant les mesures de la sorptivité, les spécimens seront pré-conditionnés dans l’étuve

à environ 105 °C jusqu’à une masse constante. L’essai d’absorptivité détermine le taux ou

vitesse d’absorption par remontée capillaire d’une éprouvette cylindrique de dimensions

110mm de Ø et 50mm de hauteur placée sur de petits supports dans un bac contenant de l’eau

suivant le schéma indiqué dans la figure V.1 de sorte que l’eau ne touche l’éprouvette que

d’une hauteur de 5 mm de la profondeur du bac, le reste de l’éprouvette est préalablement

imperméabilisé par une résine époxydique sur toutes les autres faces. On mesure alors

l’augmentation de la masse de l’éprouvette en fonction du temps à 1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, 64

minutes.

212


Figure V.1- Schéma + photo du dispositif de

l’essai d’absorptivité.

Les résultats de l’essai d’absorptivité des différents mortiers, sont présentés en traçant

toutes les droites lissées sur les segments d’augmentation des masses des éprouvettes en

fonction de la racine carrée du temps. L’équation de ces droites a la forme :

tSAQ = (Eq. V.1).

Q : La quantité d’eau absorbée en (cm3) ;

A : la surface du spécimen en contact avec l’eau (cm2) ;

t : le temps (s) ;

S : le coefficient de sorptivité du spécimen (cm/s1/2).

Pour déterminer le cœfficient de sorptivité, Q/A a été tracé en fonction de la racine carré du

temps t , puis S a été calculé à partir de la pente de la relation linéaire entre Q/A et t .

La mesure de la sorptivité est un moyen simple et facile qui permet de caractériser la

cinétique d’absorption des matériaux. Plus la sorptivité est élevée, plus le matériau est

susceptible à être rapidement envahi par le liquide en contact. C’est aussi une propriété qui

caractérise la disposition des pores du matériau qui absorbent et transmettent l’eau par

capillarité.

Les résultats de l’essai de sorptivité des différents mortiers ou composites mortier-

polymère sont représentés dans le chapitre IV.2. 2-3. Ainsi, à partir de ces résultats, on peut

conclure que l’ajout des additions de particule en PET comme substituant au ciment réduit

l’absorption, en diminuant la porosité de la pâte de ciment durcie et la porosité près de la zone

interfaciale de particule/matrice, en raison de la liaison élevée entre l'additif en PET et la pâte

de ciment. En outre, nos résultats sont en accord avec ceux rapportés par Benazzouk et al.

[8].

213


V.3. Attaque par les sulfates

Pour évaluer la durabilité des mortiers et/ou composites vis-à-vis de l’attaque des

sulfates et mettre en relief l’effet de l’ajout du polymère PET sur la résistivité aux attaques

sulfatiques, on a suivi l’évolution de :

1. La résistance à la compression après 28, 56, 90 et 180 jours d’attaque de sulfates ;

2. La résistance à la flexion après 28, 56, 90 et 180 jours d’attaque de sulfates ;

3. Le gain ou la perte en poids suite à l’attaque par les sulfates après 28, 56, 90 et 180

jours.

Pour les échantillons d’essais on a utilisé des éprouvettes prismatiques (4x4x16) cm3

préparées au laboratoire LABMAT sous une température de 20 ± 2 °C et une humidité

relative d’environ 55 ± 5%. Les mortiers ont été confectionnés conformément aux

prescriptions de la norme EN 196-1 [12] :

A la fin du malaxage, le mortier et le composite préparé est versé dans un moule à 3

alvéoles de dimensions 4 x 4 x 16cm3. Le serrage du mortier dans ce moule est obtenu en

introduisant le mortier en deux fois et en appliquant au moule 60 chocs à chaque fois; après

quoi le moule est arasé. Le démoulage a lieu 24h après le coulage; par la suite les éprouvettes

sont mis directement dans l’eau saturée en chaux jusqu’au jour de l’essai.

Après la cure des échantillons dans une solution saturée en chaux, destinés pour

l’étude de la durabilité vis-à-vis des sulfates, ces derniers sont mis dans trois milieux

différents afin de suivre l’effet de la conservation des éprouvettes dans ces différents milieux.

Les milieux de conservation sont :

5% Na2SO4 sulfate de sodium ;

5% MgSO4 sulfate de magnésium ;

L’eau douce.

Selon les recommandations des normes ASTM C1012 [47] concernant l’attaque des

sulfates, on doit maintenir le pH de la solution sulfatique entre 6 et 8 par le renouvelant de la

solution d’attaque lorsque le pH > 8. La vérification du pH se fait par le pH mètre.

On a constaté le changement du pH de la solution le lendemain de l’immersion des

échantillons du mortier et composite dans les solutions sulfatiques, le changement quotidien

de la solution d’attaques nécessite des quantités considérables de sulfates de sodium et de

magnésium ainsi que l’eau distillée.

214


Pour palier à ce problème, on a fait recours à une méthode qui a été utilisée par

plusieurs chercheurs [48-50], qui consiste à corriger la solution elle-même par l’ajout de

faibles quantités de solution de 0.1N de l’acide sulfurique (H2SO4), jusqu’à l’obtention d’un

pH égal à 6 (Figure V.4). Cette opération est effectuée quotidiennement surtout lors des

premiers jours d’immersion.

Le schéma de la méthode chimique utilisée par Fahriye [48] est illustré dans la figure

V.2. Le dispositif contient un pH mètre pour contrôler le pH de la solution avant et après la

correction et un agitateur pour le mélange de la solution.

Figure V.2- Le dispositif pour maintenir le pH constant [48].

D’après la figure V.2, du modèle utilisé par le turc Fahriye Mazlum Kilinçkale [48], la

correction de la solution sulfatique est automatisée à l’aide d’un doseur électrique relié à un

pH mètre. Dans ce travail, on a utilisé le papier-pH pour la mesure du pH de la solution à

cause de l’indisponibilité du doseur électrique.

Pour évaluer la durabilité des mortiers vis-à-vis de l’attaque aux sulfates on a été

amené à faire les essais de mesure de la résistance à la traction et à la compression selon la

Norme EN 196-1, permettant de définir les résistances des différents mortiers modifiés et non

modifiés, par PET, utilisés. Les essais sont effectués sur des éprouvettes (4x4x16 mm3),

rompues en flexion puis en compression et on a pris la moyenne des résultats de l’écrasement

de 3 éprouvettes en flexion et des 6 demi-éprouvettes résultantes en compression à chaque

jour prévu (0, 28, 56, 90, 180 jours après immersion).

N.B- 0 jour : avant immersion dans les solutions sulfatiques.

215


V.4. L’action des solutions sulfatiques [51]

Afin d’évaluer la résistivité des différents mortiers envers l’attaque aux sulfates. Les

éprouvettes sujettes de ces essais ont été conservées dans des bacs en plastique contenants

séparément, de l’eau douce, et une solution de 5 % Na2SO4 et une solution de 5 % MgSO4

(Figure V.3) [51].

Cette opération est effectuée après 28 jours de cure dans une eau saturée en chaux,

dans le but d’atteindre une résistance à la compression supérieure à 20 MPa comme c’est

mentionné dans la norme ASTM C1012.

Figure V.3- Immersion des éprouvettes dans

la solution sulfatique.

Figure V.4- La correction de la solution sulfatique par l’ajout de faibles quantités de

solution de 0.1N de l’acide sulfurique (H2SO4), jusqu’à l’obtention d’un pH égal à 6.

Trois types de tests sont effectués sur les spécimens de mortiers conservés dans les

différents milieux, ces tests sont :

1. Suivi de l’évolution de masse des éprouvettes ;

2. Evaluation de la résistance à la compression ;

3. Evaluation de la résistance à la flexion.

Ces tests de contrôle sont effectués à l’âge de 28, 56, 90 et 180 jours après leur

immersion totale dans les trois modes de conservation (milieu témoin, 5% Na2SO4 et 5 %

MgSO4), tout en corrigeant continuellement la concentration des milieux sulfatique.

4.1. Suivi de l’évolution de masse

La figure V .5 montre la variation de la masse des éprouvettes confectionnées à base

de différents pourcentages en PET en fonction du temps d’immersion dans l’eau douce.

216


0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

1

2

3

4

5

6

Gai

n en

poi

ds (g

)

Période d'immersion en eau douce (jours)


Figure V.5- Variation de la masse en fonction de la période

d’immersion en eau douce.

On constate une augmentation permanente de la masse concernant les mortiers et

composites immergés dans l’eau douce. Avant 28 jours d’immersion dans l’eau douce aucun

effet d’ajout n’est observé. Après cette période et jusqu’à 180 jours, on remarque que

l’augmentation de la masse des mortiers modifiés avec 2.5, 5, et 7.5%w de polymère PET

devient supérieure à celle du mortier non modifié. Après 180 jours d’immersion, le gain en

masse des composites avec 7.5 % de PET augmente de 45.7 % par rapport aux mortiers sans

ajouts. Concernant l’ajout du 2.5%, on a une augmentation de 15% du gain en poids par

rapport au mortier témoin PET0.

La variation de la masse des mortiers peut être expliquée par le développement du

phénomène d'hydratation du ciment dans les mortiers en fonction du temps en présence

d'humidité suffisante et par les processus de transport, perméabilité et diffusion, au sein de la

matrice cimentaire. Ces propriétés de transport sont considérées comme «des indicateurs de

durabilité». Ils dépendent fortement du réseau poreux, de sa connectivité et de la teneur en

solution interstitielle du matériau.

La variation en poids des mortiers et composites conservés dans 5 % Na2SO4 et 5 %

MgSO4 est présentée dans les deux figures V.6 et V.7.

217


0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Gai

n en

poi

ds (g

)

Période d'immersion en 5% Na2SO

4(jours)


Figure V.6- Variation de la masse en fonction de la période

d’immersion en 5 % Na2SO4.

D’après ces figures, on constate une augmentation régulière de poids des mortiers avec

le temps jusqu’à 180 jours, ce qui peut expliquer le phénomène du gonflement.

On constate que la variation en poids des différents mortiers augmente et se joint à

l’âge de 180 jours dans les différentes solutions sulfatiques, sauf pour le PET5 dans le cas de

Na2SO4 et le PET 2.5 pour le cas de MgSO4 à 5%.

A partir de 90 jours l’augmentation de la masse des mortiers modifiés par 2.5 et 5% de

PET devient inférieure à celle des mortiers de contrôle. A l’âge de 180 jours elle est de l’ordre

de 15 % pour le cas de la solution de 5 % de Na2SO4 (PET5) et 2 % pour la solution de 5 %

MgSO4 (figure V.6-7). Concernant le PET 2.5 on a une diminution de 7,5% par rapport au

mortier non modifié dans la solution de 5% MgSO4 (figure V. 7).

L’augmentation de la masse des échantillons immergés dans les solutions agressives

sulfatiques est importante par rapport à celle des échantillons conservés en eau douce. Le gain

en masse suite aux attaques sulfatiques est 2.8 supérieur au gain en masse enregistré dans le

cas des mortiers conservés en eau douce. Nos résultats sont en accord avec ceux rapportés par

Senhadji [52].

218


0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 2000

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Gai

n en

poi

ds (g

)

Période d'immersion en 5% MgSO4(jours)


Figure V.7- Variation de la masse en fonction de la période d’immersion en 5% MgSO4.

L’augmentation de la masse des mortiers immergés en solutions sulfatiques peut être

expliquée par la formation des produits volumineux. L’attaque du mortier par les sulfates

résulte d’une réaction chimique qui se produit en présence d’eau entre les ions sulfates et

l’aluminate de calcium hydraté (C3A), et /ou les éléments constitutifs de l’hydrate de calcium

de la pâte de ciment durcie. Les produits qui résultent de ces réactions sont l’hydrate

sulfoaluminate de calcium communément appelé « Ettringite » [53] et l’hydrate de calcium

mieux connu sous le nom de « gypse ». La formation d’ettringite est liée à une augmentation

de huit fois le volume initial. Dès que les cristaux en aiguilles n’ont plus de place pour croître

dans les pores, une pression de cristallisation se produit, qui entraîne l’expansion et,

finalement, l’éclatement de la surface du béton.

Récemment, la formation de la thaumasite [54,55] a été reconnue comme mécanisme

entraînant des dégâts. La thaumasite est également un produit expansif [38], qui est dû à la

réaction de la pâte de ciment durcie avec les ions de sulfate. Sa formule chimique est de la

forme :

CaO.SiO2.CaSO4CaCO3.14H2O (thaumasite)

La figure V.8 illustre l’augmentation de masse après 180 jours d’immersion des

différents mortiers dans les trois milieux de conservations : l’eau douce, la solution de 5 %

Na2SO4 et la solution de 5 % MgSO4.

219


CPJ PET2.5 PET5 PET7.50,0

1,1

2,2

3,3

4,4

5,5

6,6

7,7

8,8

9,9

11,0

Gai

n en

poi

ds (g

)

Rapport du Polymère-Ciment (%)

Immersion en eau douce Immersion en 5% Na

2SO

4 Immersion en 5% MgSO4

Figure V.8- Le gain en masse des échantillons de mortier et composite

pendant 180 jours.

On remarque pour l’ensemble des éprouvettes de mortier ou composite que le gain en

masse dans le cas de l’immersion en eau douce est inférieur au gain mesuré sur les

éprouvettes immergées en solutions sulfatique. En comparant les résultats de l’augmentation

de masse des échantillons immergés en solution de 5% Na2SO4 et la solution de 5% MgSO4,

on constate que l’augmentation en masse de la solution du sulfate de magnésium est plus

élevée par rapport a celle du sulfate de sodium, elle est supérieure de 21.6 % et de 18.6 %

respectivement pour le mortier PET0 et le composite PET7.5 respectivement.

Les mécanismes de l’attaque par les sulfates diffèrent d’un sulfate à l’autre. L’action

des sulfates prend une forme d’expansion du béton ou du mortier suite à la formation de

produits expansifs [56]. Dans cette étude les produits résultants de l’action des deux solutions

sulfatique sont :

1er cas : l’action du Na2SO4

a) Substitution ionique entre la portlandite et les sulfates selon la formule suivante :

Ca (OH) 2+ Na2SO4 → CaSO4.2H2O + 2 NaOH

NaOH : Alcalinité élevée ce qui assure la stabilité des C-S-H.

CaSO4.2H2O: produit expansif mais qui se forme uniquement dans les espaces internes de la

pâte de ciment hydraté, dans la majorité des cas, pas ou peu d’expansion.

b) Formation de l’ettringite secondaire, à partir du C3A anhydre résiduel selon la formule

chimique suivante :

C3A + 3CaSO4.2H2O + 26 H2O → C3A.3CaSO4.32H2O (expansive)

220


A partir des aluminates hydrates selon la formule chimique :

C3A. CaSO4.18H2O + 2 Ca (OH) 2 → C3A.3CaSO4.32H2O (expansive)

2ème cas : l’action du MgSO4

Le sulfate de magnésium est très agressif par rapport au sulfate de sodium, ceci est du à sa

double action qui se traduit par :

a) Formation de la brucite :

Ca (OH) 2+ MgSO4 → CaSO4 + Mg (OH) 2

Mg (OH) 2 : la brucite est caractérisée par une faible solubilité et un pH faible.

b) Formation de l’ettringite secondaire à partir du C3A anhydre résiduel :

C3A + 3CaSO4.2H2O + 26 H2O → C3A.3CaSO4.32H2O (expansive)

c) Substitution des ions Ca++ par les ions Mg++ dans les C-S-H :

C-S-H + MgSO4 → CaSO4.2H2O + (C, M)-S-H (le gel M-S-H est faiblement cohésif).

L’augmentation de la masse dans le cas de l’attaque du MgSO4 par rapport à l’attaque

du Na2SO4, peut être expliqué par la formation de la brucite (Mg(OH) 2), qui est un produit

très peu soluble. Ce produit n’est pas présent dans le cas des attaques par le sulfate de sodium,

les analyses DRX effectuées sur des échantillons de mortiers attaqués par le sulfate de

magnésium, figures V.16-17, montrent la présence de la brucite sur la surface des mortiers

conservé en solution de sulfate de magnésium. Ainsi, l’attaque des mortiers ou composites par

la solution du sulfate de magnésium est deux fois plus agressive que celle par la solution du

sulfate de sodium.

Ceci est en accord avec les résultats de recherches de Yeginobali et Dilek [57] qui ont

évalué la résistance aux sulfates de deux types de fumées de silice des fours du ferrosilicium

(FeSi) et de silicoferrochromium (SiFeCr) en utilisant deux méthodes d’essai ASTM C 452

(mesure de l’expansion des barres de mortiers) et ASTM C1012 (mesure de changement de

longueur des barres de mortier). Ils ont utilisé des spécimens de mortiers qui ont été immergés

séparément dans des solutions de 10 % de Na2SO4 et 8.4 % de MgSO4. Après avoir été

soumis aux changements de masse périodiques, ces spécimens ont été testés à la compression

à l’âge de 60 semaines pour évaluer leur détérioration relative vis-à-vis des spécimens gardés

dans l’eau. Ils ont trouvé que les spécimens contenant la fumée de silice ont eu un plus petit

changement de masse. Dans les spécimens immergés dans la solution MgSO4 la perte de

masse s’est produite presque au début. L’addition de la fumée de silice a augmenté les pertes

de masses.

221


4.2 Evaluation de la résistance à la compression

La figure V.9 schématise l’effet de l’ajout des additions organique (polymère PET) sur

la résistance à la compression des mortiers et composites immergés dans la solution de 5%

Na2SO4 et MgSO4.

Les résultats de l’essai de la résistance à la compression à l’âge de 180 jours sont

schématisés par l’histogramme de la figure V.9, on remarque que les spécimens conservés

dans la solution de sulfate de sodium ont des résistances supérieures à celles des spécimens

immergés dans la solution sulfatique MgSO4.

PET2.5 PET5 PET7.50

10

20

30

40

50

Résis

tanc

e à

la c

ompr

essio

n ap

rès

1

80 jo

urs (

MPa

)

Rapport du Polymère-Ciment (%)

Immersion en 5% Na2SO4 Immersion en 5% MgSO

4

Figure V.9- La résistance à la compression des échantillons après 180 jours.

La diminution de résistance à la compression de l’ensemble des mortiers ou

composites attaqués par le sulfate de magnésium par rapport au sulfate de sodium peut être

expliquer par la formation de la brucite (Mg(OH)2) en plus du gypse et l’ettringite et la

substitution ionique des ions Ca++ par les ions Mg++ dans les C-S-H. Ces M-S-H sont des gels

faiblement cohésifs ce qui affecte considérablement la solidité des pâtes de ciment durci, la

figure V.9 montre que les résistances à la compression des mortiers immergés dans la solution

MgSO4 sont inférieures à celles immergés en solution Na2SO4. Les chutes de résistance à la

compression engendrées suite à l’attaque du sulfate de magnésium par rapport au sulfate de

sodium sont de l’ordre de 13% pour le cas du composite PET7.5.

4.3. Les taux de variation « λ » et « K »: [51]

Dans le but d’une analyse comparative des propriétés mécaniques des différents

mortiers modifiés par le polymère PET vis-à-vis aux attaques sulfates, on a déterminé le taux

de variation « λ » de chute de la résistance à la compression et la résistance à la flexion des

différents mortiers. Ce taux est exprimé en pourcentage et il est donné par la relation suivante:

222


− Taux de variation de chute de la résistance à la compression « λc » est donné par la

formule :

λc = (Rcopt – Rc180) / Rcopt [%] (V.2)

Rcopt : la résistance optimale à la compression du mortier conservé dans la solution sulfatique;

Rc180 : la résistance à la compression du mortier exposé au sulfate aprés 180 jours.

− Taux de variation de chute de la résistance à la flexion « λf » est donné par la formule :

λf = (Rfopt – Rf180) / Rfopt [%] (V.3)

Rfopt : la résistance optimale à la flexion du mortier conservé dans la solution sulfatique;

Rf180 : la résistance à la flexion du mortier exposé au sulfate aprés 180 jours.

Les figures V.10-13, représentent les résultats du taux de variation de la résistance à la

compression « λc » et du taux de variation de la résistance à la flexion « λf », correspondant à

l’âge de 180 jours; respectivement pour la résistance à la compression et la résistance à la

flexion.

La représentation graphique des résultats du taux de variation, des performances

mécaniques des mortiers modifiés par le polymère, est donnée par les histogrammes des

figures V.10-13. On constate clairement l’effet de l’ajout du polytéréphtalate d’éthylène

(PET) bénéfique sur l’amélioration de la résistivité des composites vis-à-vis des attaques par

les sulfates. On distingue pour le PET0 non modifié et PET2.5 un taux de variation en

compression (λc) de l’ordre de 12% et 5% dans la solution de Na2SO4 respectivement (Figure

V.10). Ce rapport pour les mêmes composites est de l’ordre de 7% et 1.5% dans la solution de

MgSO4 respectivement (Figure V.11).

On remarque aussi que le taux de chute des performances mécaniques des différents

mortiers ou composites immergés en milieux agressifs sulfatiques, dépend de la nature du

sulfate (MgSO4 est plus agressif que le Na2SO4) et du pourcentage de l’ajout du polymère

PET.

On constate que le taux de variation λc des éprouvettes immergées dans la solution de

Na2SO4 est plus important que dans la solution du sulfate de magnésium (Figures V.10 et 11),

il est de l’ordre de 12% et 7% pour PET0 respectivement. Dans le cas du composite PET5 on

a un λc égal à 7.5% dans la solution de N2SO4 et de l’ordre de 4% dans la solution de MgSO4.

On a les mêmes observations dans le cas de la chute de résistance à la flexion, car le

taux de variation λf des composites immergés dans la solution de Na2SO4 est plus important

que dans la solution du sulfate de magnésium (Figures V.12 et 13), il est de l’ordre de 28% et

223


15.6% pour PET0 respectivement. Dans le cas du composite PET5 on a un λf égal à 15% dans

la solution de N2SO4 et de l’ordre de 11.6% dans la solution de MgSO4.

Généralement l’attaque du mortier non modifié PET0 et les différents composites

PET2.5, PET5 et PET7.5 par les sulfates augmentent avec la période d'immersion.

Indépendamment des types de rapports de polymère-ciment, l’attaque par les sulfates des

composites mortier-polymère est nettement plus inférieure que celle du mortier non modifié,

et elle est réduite avec l’augmentation du rapport de polymère-ciment. Ainsi, nos résultats

sont en accord avec ceux rapportés par F.A. Shaker et al. [58]. En outre, Ceci peut être

expliqué par le fait que le polytéréphtalate d’éthylène (PET) rend la matrice cimentaire plus

dense et réduit la porosité de la pâte durcie [6,17]. L’augmentation de la résistance à la

pénétration d'ions sulfates des composites est attribuée à l'imperméabilité des granulats en

PET qui bloque le passage des ions SO42- et Mg2+.

0

2

4

6

8

10

12

Le taux de variation de Rc (%)

PET0 PET2.5 PET5 PET7.5Rapport du Polymère-Ciment (%)

Milieu 5% Na2SO4

0

2

4

6

8

10

12

Le taux de variation de Rc (%)

PET0 PET2.5 PET5 PET7.5Rapport de Polymère-Ciment (%)

Milieu 5% MgSO4

Figure V.10- Taux de variation de chute de la résistance à la compression par rapport à l’optimum « λc » des différents mortiers / composites (milieu 5% Na2SO4).

Figure V.11- Taux de variation de chute de la résistance à la compression par rapport à l’optimum « λc » des différents mortiers / composites (milieu 5% MgSO4).

0

5

10

15

20

25

30

Le taux de variation de Rf (%)


Milieu 5% Na2SO4

0

5

10

15

20

25

30

Le taux de variation de Rf (%)


Mileu 5% MgSO4

Figure V.12- Taux de variation de chute de la résistance à la flexion par rapport à l’optimum « λf » des différents mortiers / composites (milieu 5% Na2SO4).

Figure V.13- Taux de variation de chute de la résistance à la flexion par rapport à l’optimum « λf » des différents mortiers / composites (milieu 5% MgSO4).

224


Pour une éventuelle comparaison de la résistance des mortiers et/ou composites

modifiés contre les différentes solutions corrosives de Na2SO4 et MgSO4 à 5%, le calcul du

cœfficient de résistance à la corrosion « K » selon Jiang et al. [59] est tel que :

K = fci / fcs (V.3)

fci : la résistance à la compression des mortiers conservés dans la solution corrosive sulfatique

Na2SO4 et MgSO4 après 90 et 180 jours;

fcs : la résistance à la compression des mortier exposés au milieu Témoin (eau) aprés 28 jours.

Les cœfficients de résistance à la corrosion sulfatique des mortiers ou composites sont

illustrés par les Tableaux V.1 et V.2.

Rapport polymère-ciment

90 jours

180 jours

PET0 0.940 0.937

PET2.5 1.094 1.046

PET5 0.948 0.942

PET7.5 1.080 1.067

Rapport polymère-ciment

90 jours

180 jours

PET0 0.943 0.929

PET2.5 1.057 1.042

PET5 0.931 0.917

PET7.5 1.064 1.035

Tableau V.1- Cœfficient de résistance à la corrosion des mortiers ou composites dans 5% NaSO4.

Tableau V.2- Cœfficient de résistance à la corrosion des mortiers ou composites dans 5% MgSO4.

On constate d’après les tableaux V.1-2, que pour les mortiers ou composites immergés

dans les solutions corrosives sulfatiques Na2SO4 et MgSO4, les cœfficients de résistance à la

corrosion diminuent avec l’augmentation de l’age de l’exposition. La résistance à la corrosion des

différents mortiers modifiés par PET est meilleure que celle du mortier de contrôle.

Plusieurs Travaux de recherche indiquent que l’augmentation de la résistance à la

compression avant sa chute à un certain âge est due à la formation de l’ettringite et le gypse

qui remplissent les micropores menant à une structure dense, au delà d’un certain âge la

formation de ces produits expansifs cause la destruction de la pâte de ciment durcie et sa

fissuration ce qui influe négativement sur les caractéristiques mécaniques des mortiers et

bétons [60,61]. L’agression chimique due aux solutions de sulfate de sodium et de sulfate de

magnésium, après leur pénétration dans la matrice cimentaire, se caractérise par leur réaction

avec les hydrates et le changement de leur structure.

Les réactions chimiques des sulfates avec la pâte de ciment donnent naissance à des

produits fortement expansifs, l’attaque du l’aluminate de calcium forme le sulfoaluminate de

calcium (3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O) connu sous le nom d’ettringite et l’attaque de la

portlandite Ca(OH) 2 qui forme le gypse (CaSO4.2H2O).

225


Des recherches récentes ont montré une nouvelle forme d’attaque due à la formation

de la thaumasite (CaO.SiO2.CaSO4CaCO3.14H2O). La formation de ce produit expansif est le

résultat de l’attaque sulfatique à des températures de 0-15° C et en présence du calcaire. Selon

ces recherches [62-64] il y a deux mécanismes de formation de la thaumasite :

− l’évolution de la structure de l’ettringite Ca6Al2[(OH)4SO4]3.26H2O, en substitutant les

ions aluminates Al3+ par des ions Si4+ et le remplacement interstitiel de [(SO42-)3

(H2O)2] par [(SO42-)2 (CO3

2-)2], d’où la forme de la thaumasite suivante Ca6[Si(OH)6]2

(CO3)2 (SO4)2.24H2O.

− Deuxièmement, la thaumasite et le résultat de l’interaction entre les ions sulfates et

carbonates et le gel CSH.

CSH + gypse + calcite + eau → thaumasite + portlandite.

Ca3Si2O7 .3H2O + 2CaSO4 .2H2O + 2CaCO3 + 24H2O →

Ca6[Si(OH)6]2 (CO3)2 (SO4)2 .24H2O + Ca(OH)2.

Le gypse et l’ettringite, éventuellement de la thaumasite, formés occupent un volume

plus grand que celui des composants solides à partir desquels ils se forment, leur formation

causant ainsi le gonflement et la fissuration de la pâte. Les pressions exercées lors de la

formation des produits expansifs influent sur les caractéristiques mécaniques des bétons et

mortiers lorsqu’ils sont dans un environnement ou il existe une source de sulfate et c’est le cas

des mortiers ou composites étudiés, a un certain âge il y a une décroissance de la résistance à

la compression des mortiers immergés en milieux sulfatés et le même constat pour les

résistances à la flexion.

L’activité des ions SO42- de la solution de MgSO4 a causé la réduction de la résistance

liée principalement à l’intensification de la Ca(OH)2 résultant de l’augmentation du taux de

gypse formé suite à la réaction de substitution ionique entre la portlandite et les sulfates

[65,66].

Les ions SO42- retenus de l'infiltration des solutions Na2SO4 et MgSO4, donnent

naissance au gypse secondaires et à l'ettringite. La formation d'ettringite est plus abondante

quant MgSO4 est la solution infiltrante. Dans ce cas, l'hydroxyde de calcium forme un

précipité. Une relation a été établie entre la concentration des ions Mg2+ et Ca2+ à tel point que

lorsqu'un de ces ions décroît l'autres augmente. Les hydrosilicates de calcium sont

décomposés dans une large mesure par les solutions de MgSO4. Ainsi, on aura une

substitution ionique des ions Ca++ par les ions Mg++ dans les C-S-H. Ces M-S-H sont des gels

faiblement cohésifs ce qui affecte considérablement la solidité des pâtes de ciment durci.

226


A partir de ces résultats on constate que l’incorporation du polymère PET a un effet

bénéfique sur la résistivité des mortiers modifiés vis-à-vis de l’attaque par les sulfates. L’ajout

du PET a pour rôle :

L’intensification de la structure de la pâte de ciment durcie et le remplissage

des pores [51].

Le blocage du passage des ions SO42-, à cause de son impérialité aux solutions

agressives. 4.4. L’examen visuel

L'examen visuel des mortiers ou composites en contact avec les sulfates, est un moyen

pour évaluer la détérioration des propriétés et les dégradations de l'aspect extérieur des

éprouvettes. Les solutions acides décapent les surfaces, les gros grains de sable se trouvent

déchaussés et la formation des sels calciques est en placage entre les grains.

Les solutions sulfatiques laissent la surface d’aspect beaucoup moins dégradé. Les

cristaux du gypse sont déposés sous forme d'aiguille entrelacée (aciculaire) tout au long de la

morphologie de la microstructure. Les ettringites secondaires formées sont sous formes

d’aiguilles piquées sur la surface (Figure V.18).

L’inspection visuelle après 1 mois d’immersion des spécimens de mortier dans la

solution MgSO4 (Figure V.14), nous montre la formation d’une couche blanchâtre sur la

surface extérieure des échantillons (gypse), comparée à celle des spécimens conservés en

solution de Na2SO4 ou en eau douce (Figure V.14).

Après 180 jours d’immersion dans les solutions sulfatiques, on remarque des

dégradations au niveau des coins ainsi que des micros fissures sur les facettes des éprouvettes

surtout pour le PET0 non modifié.

(i) (ii) (iii) Figure V.14-: Etats de surfaces des éprouvettes de mortiers immergées dans différents

milieux : (i) Eau douce, (ii) MgSO4, (iii) Na2SO4

227


Une inspection visuelle a été réalisée après 8 mois, pour évaluer les signes visibles de

détérioration de surface tels que l’écaillage, la fissuration et le ramollissement des

échantillons de mortier ou composite exposés à la solution des sulfates.

La figure V.15 montre des exemples de détérioration de la surface externe des

spécimens prismatiques exposés en eau douce et en milieu sulfaté par Na2SO4 et MgSO4 à

5%.

Dans une solution de sulfate de sodium ou de magnésium, il est clairement observé

que le degré de détérioration de la surface est différent pour les échantillons conservés en

milieu neutre (eau douce) qui reste saine, comme s’est indiqué dans la figure V.15.

On peut constater l’effet des sulfates sur les différents types d’échantillons de mortiers

qui affichent de nombreuses fissures au niveau des coins, et des pertes en matériaux sur les

surfaces et les bords. Tandis que la partie des mortiers exposée au sulfate de magnésium

prend une couleur blanchâtre avec présence des fissures dans les coins et les arêtes et avec des

écaillages d’où des pertes en poids sur les surfaces des matériaux (Figure V.15).

i ii iii

i iii

Figure V.15- L’état des éprouvettes des mortiers PET0 après 8 mois d’immersion dans différents milieux.

(i) Na2SO4, (ii) Eau douce, (iii) MgSO4.

A partir de ces résultats, on constate l’effet bénéfique de l’ajout du polytéréphtalate

d’éthylène sur la résistivité à l’agressivité des composites immergés dans une solution de 5 %

de sulfate de sodium et de magnésium. Par conséquent, de tels mortiers modifiés peuvent être

recommandés comme des matériaux efficaces pour empêcher la dégradation par les sulfates et

de réparer les diverses structures en béton qui se trouvent dans des milieux d’eaux chargées

par des ions SO42-.

228



réaliser des essais d'analyse microstructurale. Dans ce but, l’identification des phases

cristallines formées dans les matériaux ayant subit une attaque chimique ont été suivi par

diffraction des rayons X, microscope MEB avec l’association de l’analyse dispersive EDS

(EDXA), la spectroscopie infrarouge (IRTF) et la calorimétrie différentielle à balayage DSC.

V.5. Caractérisation microstructurale de l’attaque superficielle de mortier et/ou composite mortier-polymère par les sulfates 5.1. Diffraction X de l’attaque sulfatique


polymère soumises à une attaque par les sulfates Na2SO4 et MgSO4 ont permis d’identifier et

de positionner les différentes phases cristallines rencontrées sur l’épaisseur du matériau altéré.

La couche des cristaux formés sur la surface de l’échantillon est analysée, après avoir subit un

grattage sur une épaisseur de quelques dixièmes de millimètres et un broyage pour obtenir une

fine poudre du liant des mortiers.











ce résultat, on reporte à la figure II.19 (chapitre 2) la superposition du spectre du mortier

contrôle CPJ28j (PET0), et celui du composite PET7.528j.

Donc, on s’intéresse pour la suite des analyses DRX au mortier de contrôle PET0

contre les différentes attaques sulfatiques.

Les figures V.16-17 représentent les analyses DRX réalisées sur mortier non modifié

PET0 après conservation dans l’eau douce, une solution de 5% Na2SO4 et 5% de MgSO4.

229


2Theta4.0 8.0 12.0 16.0 20.0 24.0 28.0 32.0 36.0

100.0

200.0

300.0

400.0

500.0

Abs

olut

e In

tens

ityHASB1 (Range 1)HASB2 (Range 1)HASB3 (Range 1)

E: Etringite Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26H2O T: Thaumasite Ca3SiO4CO3(OH)12.12H2O Br: Brucite (Mg (OH)2) G: Gypse (CaSO4 2H2O) P: Portlandite Ca(OH)2

C: Calcite CaCO3

C

C C G G GE Br E T

E/T

P

Figure IV.16- Superposition des spectres DRX du composite PET0 conservé dans l’eau douce ( ), 5% Na2SO4 ( ) et 5% MgSO4 ( ) à l’âge de 90 jours.

Le résultat de l’analyse DRX du mortier non modifié PET0 avant et après attaque par

une solution de 5% de sulfate de sodium à 90 jours, montré par la figure V.16, confirme la

présence de produits expansifs tels que gypse, l’ettringite secondaire et la thaumasite. Nos

résultats corroborent l’étude faite par Irassar et al. [67] qui prouve la formation de la

thaumasite à 20 ± 2°C, après la décomposition de la première forme d’ettringite, dans les

ciments à base de filler calcaire exposés à la solution de Na2SO4 à 5%. La formation de la

thaumasite n’est pas limitée seulement aux basses températures [67].

D’après cette même figure V.16, on remarque la consommation d’une partie de la

portlandite par rapport au mortier conservé à l’eau douce. Les raies de la portlandite sont

beaucoup moins importantes, à l’angle de 18.09° 2Ө.

Les figures V.16-17 présentent le spectre DRX du mortier PET0 ayant subi une

attaque de sulfate de magnésium. Ce spectre est identique au spectre de l’attaque par Na2SO4,

avec quelques changements au niveau de l’intensité des raies de phases hydratées, et

l’apparition de la brucite Mg(OH)2. Ce produit ne s’est pas formé dans le cas de l’attaque par

la solution de 5 % Na2SO4.

Les phases cristallines présentes en surfaces (Figures V.16-17) sont :

− Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26H2O : Ettringite (le pic majeur à 9,73° 2Ө; 15.75°, 32.25°);

− Ca3SiO4CO3(OH)12.12H2O : Thaumasite (à 9.2°, 15.9°, 18.5°, 19.3°, 23.3°, 25.1°,

26.0° , 32.98 2Ө);

230


− Mg(OH)2 : Brucite (elle apparaît aux fentes : 38.02°, 18.59°, 50.86°, 58.64°, 62.08°,

68.26°, 72.03°, 81.26° 2Ө seulement dans le cas de l’attaque MgSO4).

− CaSO4. 2H2O : Formation du gypse (les pics du gypse sont plus importantes à des

fentes de 11.59°, 20.72°, 29.11°, 31.10°, 33.34°, 43.34°, 23.40° et 47.84° 2Ө);

− Ca(OH)2 : La consommation de la portlandite par les solutions agressives, d’où

disparition de son pic majeur à 2 Ө = 18° - 18.1° ;

− CaCO3 : Calcite (le pic majeur à 29,41° 2Ө).

2Theta10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.00.0

50.0

100.0

150.0

200.0

250.0

300.0

350.0

400.0

Abs

olut

e In

tens

ity

EXTZ1 (Range 1)EXTS5 (Range 1)EXTS6 (Range 1)

E : Etringite Ca6Al2(SO4)3(OH)12.26H2O T: Thaumasite Ca3SiO4CO3(OH)12.12H2O Br: Brucite (Mg (OH)2) G: Gypse (CaSO4 2H2O) P: Portlandite Ca(OH)2

C: Calcite CaCO3

C

G

G G

G C G G GBr

CE/T ET Br

P P P

Figure IV.17- Superposition des spectres DRX du composite PET0 conservé dans l’eau

douce ( ), 5% Na2SO4 ( ) et 5% MgSO4 ( ) à l’âge de 8 mois.

La superposition des trois spectres DRX du mortier non modifié PET0 immergé dans

les solutions de 5% MgSO4, 5% Na2SO4 et l’eau douce pendant 8 mois (Figure V.17), montre

l’effet différent de chaque sulfate sur le mortier témoin. Les solutions sulfatiques modifient

les cristaux des mortiers en eau douce, par la disparition des uns et l’apparition de nouvelles

phases minérales avec, en plus, de forte présence des différents produits expansifs comparés

aux ceux présent à l’age de 90 jours (Figure V.16). On remarque aussi la consommation d’une

partie de la portlandite par rapport au mortier conservé à l’eau douce. Les raies de la

portlandite sont beaucoup moins importantes, aux angles de 18.09°, 34.09° et 47.12° 2Ө.

231


5.2. Etude de la microstructure des mortiers par le MEB/EDS

Le microscope électronique à balayage avec l'association de l’analyse aux rayons X

par dispersion d’énergie EDS (EDXA) est efficace pour l’identification de la microstructure

de surface de mortier ou composite attaqué par un milieu sulfatique Na2SO4 et MgSO4 à 5%.


fraîche [32] et, notamment sur:

• La structure de la pâte au contact des granulats,

• La vitesse de prise,

• La nature et la cinétique des réactions d'hydratation.

Les formations superficielles sur les échantillons sont observées au MEB, les plus

représentatives sont portées sur les figures V.18-26. Elles sont grattées et réduite en poudre

pour être analysées par diffraction X (paragraphe précédent).


morphologie des phases hydratées (silicates de calcium hydratés CSH, portlandite, ettringite,

thaumasite, brucite, gypse, etc.) après attaque par la solution sulfatique. Les hydrates présents

dans la microstructure sont des silicates de calcium CSH. Ils se présentent sous forme d’amas

granuleux dans le mortier (Figure V.19).

L’ettringite cristallise sous forme d’aiguilles à base hexagonale (Figures V.18-19). La

portlandite est un composé défini qui cristallise sous forme de plaquettes hexagonales qui

peuvent atteindre une taille de quelques micromètres. Dans notre cas, elle disparaît avec l’age

car elle sera attaquée par la solution sulfatique. La portlandite se développe dans l’espace libre

entre les grains de ciment, plus préférentiellement autour des granulats dans le cas des

mortiers ou de bétons. Le développement des autres hydrates finit d’enrober la portlandite qui

se trouve finalement confinée dans le gel CSH.

La croissance des cristaux de portlandite dépend des propriétés rhéologiques de la

pâte. Si sa rigidité est précoce ou si le temps de prise est bref, les possibilités de

développement des cristaux sont faibles, l’orientation est peu importante. Au contraire, si le

temps de prise est long, les cristaux de portlandite peuvent se développer à plat sur le granulat

dont la surface est libre. L’orientation est alors importante.

Au fur et à mesure de l’avancement des réactions d’hydratation, les cristaux

d’ettringite et de portlandite se croissent et il y a une compétition entre les deux (Figure

V.19). En effet, grâce à l’attaque sulfatique il y’a disparition de la portlandite, formation

232


d’avantage de l’ettringite secondaire et de la thaumasite (Figure V.20) avec le temps (Figure

V.21).

Dans les bains sulfatiques, les formations blanchâtres de cristaux en aiguilles de

sections hexagonales piquées sur la surface sont constitués, après examen au MEB/EDAX

(Figure V.22), de gypse (CaSO4,2H2O) ce constat peut être observé par DRX du mortier

considéré (figure V.17).

Des prélèvements au niveau de la zone proche du mortier mettent en évidence un front

exclusif d’ettringite (Ca6Al2[(OH)4SO4]3.26H2O) (Figure V.18). Ici, la quantité d’ettringite est

nettement plus importante qu’au cœur de l’éprouvette lieu où seule l’ettringite primaire est

présente. Ce front ettringitique est donc constitué de l’ettringite primaire formé lors de la prise

du ciment et de l’ettringite formée par sulfatation de la chaux et des silicates de chaux dans le

bain. Ceci est confirmé par DRX.

La formation de l’ettringite conduit au gonflement de l’éprouvette d’où apparition de

fissuration (Figure V.23) et par conséquent une altération. Un échantillon d’un mortier ayant

subi une attaque par le magnésium, montrant les C(Mg)-S-H qui sont présentés dans la figure

V.24.

Il est évident que la réaction entre les sulfates ou les ions magnésium et l’hydroxyde

de calcium (portlandite) conduit à la formation d’une double couche constituée par la brucite

et le gypse. Le spectre EDS au point ‘A’ de la figure V.25, présente les signaux du

magnésium (intense) et l’oxygène ainsi qu’en Calcium et du soufre d’où la présence de la

brucite (Mg(OH)2) et du gypse respectivement. Suivant la réaction suivante on a :

Ca (OH) 2+ MgSO4 + 2H2O → Mg (OH) 2 + CaSO4.2 H2O

On peut expliquer l’observation de l’ettringite massive, par sa formation au contact

d’un site réactif en milieu confiné fortement sursaturé. Pression de cristallisation élevée,

développement de contraintes localisées et par la suite on a la fissuration du matériau par

« effet de coin » (Figure V.26). Ces données sont en accord avec certains travaux de

recherches [53].

233


Figure V.18- Observation au MEB des cristaux d’ettringite secondaire. Mortier non modifié immergé dans 5% Na2SO4 (PET0). (5000X).

Figure V.19- Observation des cristaux d’ettringite au MEB. PET0 dans 5% Na2SO4. (5000X). E : ettringite secondaire; P : portlandite; Gel CSH.

Figure V.20- Formation de la thaumasite en baguettes trapues. PET7.5 en milieu sulfaté MgSO4 (3000X).

Figure V.21- Observation au MEB et analyse au spectrométrie à dispersion d’énergie (EDS) des cristaux déposés dans la pâte du mortier dégradé: Formation du gypse (G) ; la présence de Ca, S, Al, Si et O correspond à la solution solide de l’ettringite (E) et de la thaumasite (T).

Mortier non modifié immergé dans 5% Na2SO4 (PET0), (2000X).

E

P CSH5 µm 5 µm

10µm

G

G

E/T

234


Figure V.22- Les analyses MEB et EDS des cristaux de gypse: signale intense en calcium, oxygène et soufre. Mortier non modifié immergé dans 5% Na2SO4 (PET0), (3700X).

Figure V. 23- Observation au MEB de la microfissuration dans la pâte du mortier durcie due à l’attaque par 5% Na2SO4 (PET0), (4000X).

Figure V.24- Micrographe d’une pâte de mortier dégradée par la réaction avec le magnésium MgSO4 (1000X).

O

235


Figure V.25- Analyse au spectrométrie à dispersion d’énergie (EDS) et MEB des cristaux déposés dans la pâte du mortier dégradé: la présence des signaux du Mg (intense) et O ainsi qu’en Ca et du soufre correspond à la double couche formé par la brucite (Mg(OH)2) et le

gypse respectivement. Mortier non modifié immergé dans 5% MgSO4 (PET0). (1600X).

Figure V.26- Observation au MEB de la surface exposée au sulfate MgSO4 des échantillons PET0. Formation d’ettringite massive (expansive) « dite mal cristallisée » en milieu confiné

avec des fissures dans la pâte durcie. (1600X).

A

E

5.3. Etude de la microstructure des mortiers par IRTF

La technique de spectroscopie IR est souvent utilisée comme outil de base pour la

caractérisation physico-chimique des matériaux organiques. Mais dès qu’il s’agit d’élucider la

structure d’une espèce minérale, nous avons peu de spectres de référence à notre disposition.

C’est pour cela, que d’autres techniques (analyse thermique, diffractométrie des rayons X,

etc.) viennent en aide pour donner davantage d’informations. Néanmoins, quelques études

portant sur les identifications des minéraux [68-71] et l’étude de leur structure [72,73] ont été

menées. Certains travaux de recherche décrivent l’utilisation de l’IRTF en mode transmission

(mode traditionnel de l’analyse infrarouge) appliquée à l’analyse des ciments [68,70] et seul

un travail assez complet, réalisé en mode réflexion diffuse dans le moyen infrarouge a pu

analyser qualitativement et quantitativement les ciments [74].

236


Les radiations infrarouges [75] facilitent les transitions entre niveau d’énergie de

vibration des liaisons atomiques. Ces transitions s’accompagnent de l’absorption d’une partie

du rayonnement. Les fréquences de résonance des liaisons dépendent des atomes mis en jeu et

de l’édifice atomique auquel ils appartiennent. Actuellement, l’analyse par IRTF semble être

utilisée pour suivre le comportement des ciments dans des conditions particulières [76-80].

Position du pic (cm-1)

Groupement chimique

Composé associé

Milieu

Eau douce

Milieu Na2SO4

Milieu MgSO4

∼ 3640 H2O, OH, liaisons

hydrogènes Gypse, CSH ++ + +

∼ 3640 H2O, OH, liaisons

hydrogènes

hydrate héxagonal portlandite

++ --- ---

3424-3452 H2O, OH AFm, AFt + ++ ++

1640-1653 H2O, OH + + +

1424-1430 ν C-O CaCO3

(Calcite) + + +

872-875 ν C-O CaCO3

(Calcite) + + +

710-713 ν C-O CaCO3

(Calcite) + + +

∼ 970-1025 ν Si-O Vibrations des CSH

+ + +

∼1102-1118 δ S-O (sulfates)

Ettringite secondaire 0 +++ +++ Attaques

sulfatiques ∼ 602-610 δ S-O (sulfates)

Ettringite secondaire 0 +++ +++

2982 ν C-O CaCO3

(Calcite) + + +

2872 ν C-O CaCO3

(Calcite) + + +

∼ 2515 ν C-O CaCO3

(Calcite) + + +

Bandes

d’harmoniques

∼ 1798 ν C-O CaCO3

(Calcite) + + +

Tableau V.3- Attribution des bandes infrarouges d’un Mortier ou composite avant et après attaque par les solutions

sulfatiques Na2SO4 et MgSO4 (âge : 180 jours).

AFt: C(A,F).3CaSO4.32H2O; AFm: C3A.3CaSO4.12H2O ; + : présence d’élément ; --- : consommation élevée d’élément ; 0 : absence d’élément.

237


Les spectres infrarouges des mortiers modifiés ou pas par le polymère PET, avant et

après immersion dans les solutions sulfatiques Na2SO4 et MgSO4 à 5% pendant 6 mois sont

exhibés par la figure V.27. Les spectres IR ont quelques dissemblances claires indiquant qu’il

y a des différences dans la composition des échantillons.

L’observation principale due à l’attaque sulfatique ce sont les bandes vers ∼1102-1118

cm-1 et ∼ 602-610 cm-1 qui sont présentes pour les mortiers attaqués, mais qui ne sont pas

avéré pour les matériaux en eau douce (Figures V.27-28, Tableau V.3). Ces bandes sont

associées à la vibration de déformation δ S-O des sulfates d’où la présence de l’ettringite

secondaire qui peut causer l’expansion et par suite la détérioration du matériau exposé au

sulfate.

Á cause de, due à l’attaque sulfatique il y’a disparition de la bande d’absorption vers

∼3640 cm-1 qui caractérise la portlandite et on a formation d’avantage de l’ettringite

secondaire (Figure V.28, Tableau V.3).

Les autres bandes observées peuvent être attribué aux ions de carbonate et de silicate

ou à des molécules d'eau, comme c’est récapitulé dans le tableau V.3.

∼610

cm

-1

Figure V. 27- Spectres Infrarouges du composite PET0 après 180 jours d’immersion en Na2SO4 ( ) et MgSO4 ( ) à 5%.

238


Figure V. 28- Superposition des Spectres Infrarouges du composite PET0 conservé dans

l’eau douce ( ), 5% Na2SO4 ( ) et 5% MgSO4 ( ) à l’âge de 180 jours.

5.4. Etude de la microstructure des mortiers par DSC

Pour le diagnostique des mortiers on essaye de suivre l’évolution des phases solides

caractéristiques de ces derniers avant et après immersion dans les solutions corrosives

sulfatiques Na2SO4 et MgSO4. Une autre technique complémentaire a été utilisée dans cette

étude qui est l’analyse calorimétrique différentielle à balayage (DSC).

Des travaux de recherche [81-84] basés sur les méthodes d’analyses thermiques

comme la DSC, ATD et ATG ont pu identifier les produits expansifs tels que l’ettringite, le

gypse et la thaumasite.

Une prise d’essai du mortier a été analysée suivant un chauffage linéaire depuis la

température ambiante jusqu’à ∼550°C avec une vitesse de 10°C/min.

La figure V.29 montre la courbe DSC du mortier mûri sous l’eau douce pendant 180

jours, il est intéressant d’observer que cette courbe montre une hydratation très avancée et sur

laquelle, on peut identifier les phases ayant provoqué des pics généralement endothermiques,

par la température maximale de ces pics par exemple :

239


Milieu Témoin, eau douce (Figure V.29):

- 100-200 °C : différents stage de déshydratation des C-S-H,


- 450-550 °C : Décomposition de la Portlandite Ca(OH)2 .

0 100 200 300 400 500 600

-10

-8

-6

-4

-2

0

-10

-8

-6

-4

-2

0exo

Température /°C

DSC

/(uV

/mg)

Milieu Témoin (eau)

Figure V. 29- nservé dans La courbe DSC d’un composite co

l’eau douce à l’âge de 180 jours. Le résultat de l’analyse DSC du mortier avant et après attaque par une solution de 5%

de sulfate de sodium, (figure V.30), confirme une forte présence de produits expansifs tels

que le gypse, l’ettringite secondaire et la thaumasite. D’après cette même figure, on remarque

la consommation d’une partie de la portlandite par rapport au mortier conservé à l’eau douce.

Le signal de la portlandite est beaucoup moins important, (∼450-550°C). On peut identifier

les phases ayant provoqué des pics généralement endothermiques correspondant au

phénomène de fusion:

Milieu sulfaté, Na2SO4 à 5% (Figure V.30):

- 123.4 °C : Thaumasite Ca [Si(OH)6 2 2 4 2

- 138.1 °C : Ettringite Ca [Al(OH) ] (SO ) .26H O,

6] (CO3) (SO ) .24H2O,

6 6 2

-4 3 2

- C : diminution de l’intensité du pic de la portlandite due aux attaques par les

sulfates.

153.3 °C : Gypse (CaSO4. 2H2O),

- 207.1 °C : Monocarboaluminate de calcium hydraté,

450-550 °

240


0 100 200 300 400 500 600-32

-28

-24

-20

-16

-12

-8

-4

0

-32

-28

-24

-20

-16

-12

-8

-4

0

exo

Température /°C

DSC

/(uV

/mg)

Milieu Témoin (eau) Milieu Na2SO4

Figure é dans l’eau douce ( ) et 5% Na2 4 ( ) à l’âge de 180 jours.

oduit ne s’est pas formé dans le

cas de l’attaque par la solution de 5% Na2SO4. Ainsi, on a :

O4)2.24H2O,

2 (SO4)3.26H2O,

),

- 450-550 °C : Consommation de la portlandite due aux attaques par les sulfates.

V. 30- Superposition des courbes DSC d’un composite conservSO

La figure V.31 présente les courbes DSC du mortier en milieu témoin ayant subi une

attaque de sulfate de magnésium MgSO4. Le spectre DSC présente des pics endothermiques

des différentes phases qui sont identiques à celles formées lors de l’attaque chimique en

milieu Na2SO4 (figure V.30), avec quelques changements au niveau de l’intensité des raies de

phases hydratées, et apparition de la brucite Mg(OH)2. Ce pr

Milieu sulfaté, MgSO4 à 5% (Figure V.31):

- ∼118-120. °C : Thaumasite-Ca6[Si(OH)6]2 (CO3)2 (S

- 136.5 °C : Ettringite-Ca6[Al(OH)6]

- 155.3 °C : Gypse (CaSO4. 2H2O

- 426.2 °C : Brucite (Mg(OH)2),

241


0 100 200 300 400 500 600

-10

-8

-6

-4

-2

0

-10

-8

-6

-4

-2

0exo

DS

C /(

uV/m

g)

Température /°C

Milieu Témoin (eau) Milieu MgSO4

Figure V. 31- Superposition des courbes DSC d’un composite conservé dans l’eau douce ( ) et 5% MgSO4 ( ) à l’âge de 180 jours.

Nos résultats obtenus par l’analyse calorimétrique différentielle à balayage (DSC) des

différents échantillons avant et après attaque par les solutions corrosives, corroborent ceux

obtenus par Nehdi et al. [81] et Lee et al. [83].

Conclusion A la faveur de ce qui précède, on a pu tirer les conclusions suivantes :

− L’étude de la durabilité a permis de montrer l’effet bénéfique de l’ajout du

polytéréphtalate d’éthylène comme ajout dans la matrice cimentaire. En général, les

composites contenant du polymère PET développe une résistance différente à celle du

mortier nom modifié contre l’attaque chimique par les sulfates Na2SO4 et MgSO4.

Ainsi, la réduction de la pénétration des ions sulfates SO42- dans les composites réduits

le facteur de dégradation des diverses structures en béton, ce qui est de grande

importance pratique.

− D’après l’essai de sorptivité, on constate que l’ajout du polymère PET a une grande

influence sur l’absorption des mortiers modifiés. L’ajout des additions organiques

réduit l’absorption des macropores, en diminuant la porosité de la pâte de ciment

durcie et la porosité près de la zone interfaciale de particule/matrice, en raison de la

liaison élevée entre l'additif en PET et la pâte de ciment.

− L’introduction de l’ajout du PET broyé, conduit à une densification de la matrice

cimentaire. La mouture des particules de PET, permet à ses grains de s’intercaler dans

242


les macropores entre les granulats et les produits d’hydratation. Ce qui développe

l’adhérence granulat-matrice et par conséquent augmente la résistivité du mortier

modifié par PET vis-à-vis des attaques des milieux fortement agressifs (sulfates).

− Les méthodes d’analyse tels DRX, MEB/EDS, IRTF et DSC ont mis en évidence la

composition de la microstructure des phases cristallines les plus importantes en

l’occurrence l’ettringite, le gypse et la thaumasite qui peuvent provoquer l’altération

du matériau en milieu sulfatique.

243


(Chapitres IV et V)

Index bibliographique – Chapitres IV & V


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248

CONCLUSION

GENERALE

Conclusion générale

249

CONCLUSION GÉNÉRALE

L’objectif principal de cette étude était d’apporter une contribution à l’analyse du

comportement d’un composite Mortier-Polymère obtenu par mélange de sable, de ciment, de

l’eau et d’un ajout de polymère obtenu d’un broyage fin des déchets plastiques en

polytéréphtalate d’éthylène (PET) afin d’en optimiser la composition. Pour cela, il paraissait

naturel de vouloir mettre en œuvre des composites Mortier-Polymère de différentes teneurs en

PET afin de comparer leurs propriétés mécaniques. L’élaboration de ces matériaux a été

conçue dans le but de faciliter cette comparaison. Ensuite, l’étude de la résistance de ces

mortiers et/ou composites modifiés par PET vis-à-vis de différents milieux agressifs (acides,

base, ions chlores et sulfates) a été réalisé pour mieux mettre en évidence l’influence du

polymère sur la durabilité de ces mortiers.

Ce travail a nécessité la mise en œuvre de nombreuses techniques expérimentales dont

les résultats ont permis de clarifier le cadre de nos comparaisons. On a par ailleurs entrepris

une étude microstructurale visant à préciser l’agencement de la phase polymère au sein du

liant minéral, par l’observation aux MEB et microscope optique d’échantillons de composites.

La connaissance de la microstructure de nos matériaux paraissait un préalable indispensable à

la cohérence de notre démarche; cela a apporté de nombreux résultats complémentaires,

ouvrant probablement la perspective à de nouveaux travaux.

L’exploitation de nos résultats a permis d’aboutir aux conclusions suivantes :

- Les composants minéraux et polymères dans le liant du mortier, influencent chacun

de manière spécifique les propriétés du matériau durci.

- L’incorporation du PET dans le ciment permet de valoriser ce polymère comme

déchets. Il améliore les propriétés mécaniques en flexion des composites et favorise une

interaction physique lors de son ajout dans les matériaux polyphasés, on attribue la valeur

optimale au composite PET2.5. Ce qui leur donne un intérêt à la fois économique et

écologique.

- Les analyses IRTF et DRX indiquent que la composition par phase du mortier et des

composites est identique ; il n’y a pas donc d’interaction chimique entre les espèces minérales

et le polymère.


250

- L’analyse par MEB a permis de visualiser la morphologie des phases hydratées tels

que les silicates de calcium hydratés CSH, la portlandite, l’ettringite, et l’agencement de la

phase polymère PET. De plus, la microscopie optique a montré qu’il y a une adhérence entre

particule en PET et matrice cimentaire. Ce qui permet d'améliorer la résistance du matériau et

sa durabilité.

- L’effet de l’ajout du PET influe fortement sur les courbes d’analyse thermique ATD

et ATG. La teneur en hydroxyde de calcium Ca(OH)2 diminue avec le taux de substitution de

ciment par le polytéréphtalate d’éthylène et on a une augmentation de la température de

déshydratation (TCH). La perte de masse des phases de carbonate de calcium CaCO3 diminue

dans les composites, mesurées par ATG.

- La perte en poids des composites Mortier-Polymère immergés dans les solutions HCl

à 0.5%, 1%, 1.5%, 5% et CH3COOH à 5% est inférieure à ceux du mortier non modifié, ce

qui indique que l’ajout du polymère offre une meilleure protection contre l’attaque des

mortiers par ces acides.

- Les résistances chimiques ou mécaniques des matériaux polyphasés sont plus ou

moins affectées par la concentration et par la nature des acides suivant l’ordre des séquences

suivantes :

HCl > H2SO4 > CH3COOH (5%)

HCl (1.5%) > (HCl 1%) > HCl (0.5%).

- Les milieux basiques (NaOH) ne constituent aucun danger pour les matériaux

polyphasés.

- La substitution de PET dans un ciment Portland composé reflète une consistance

normale qui augmente proportionnellement avec le pourcentage d’ajout et une augmentation

du temps de prise est observée pour des raisons d’origine physico-chimique. Par contre, une

diminution de la densité est remarquée à cause de la faible densité du PET.

- La valeur de sorptivité diminue avec l'augmentation du taux en masse des particules

en PET. Ces additifs tendent à limiter la propagation de l'eau et réduire son absorption, ce qui

offre une meilleure protection aux structures renforcées en acier contre la corrosion et

particulièrement à la pénétration des ions de chlorure.

- La quantité totale de charge en coulomb (RCPT), la profondeur de pénétration des

ions chlorures (Cl-) et le coefficient apparent de la diffusion en ions chlores (FIT) des

composites Mortier-Polymère sont inférieurs à ceux du mortier non modifié, et tendent

généralement à diminuer avec l’augmentation du rapport de Polymère-Ciment. Ainsi, la


251

réduction de la pénétration des ions Cl- dans les composites réduit le potentiel de corrosion

des structures renforcées.

- Les composites en PET développent une résistance différente à celle du mortier non

modifié contre l’attaque sulfatique. Ils améliorent la résistivité des matériaux cimentaires vis-

à-vis des agressions chimiques des sulfates.

- La réduction de la pénétration des ions sulfates SO42- dans les composites réduit le

facteur de dégradation de diverses structures en béton, ce qui est de grande importance

pratique.

- L’augmentation de la résistance chimique des composites est attribuée à l’apport du

PET comme substituant au ciment. Il se manifeste par une diminution de la porosité de la

pâte de ciment durci et une réduction de celle-ci près de la zone interfaciale de

particule/matrice, en raison de l’adhérence élevée entre l'additif en PET et la pâte de ciment

empêchant ainsi la pénétration des agents agressifs (acides, Cl-, SO42-, Mg2+). De plus, par

l’imperméabilité de ces granulats qui bloquent le passage ou la pénétration des différents ions

agressifs.

- Les méthodes d’analyse telles que DRX, IRTF, MEB/EDS, ATD, ATG et DSC ont

permis de caractériser la composition de la microstructure des phases cristallines formées et

disparues tels que les produits d’hydratations et les différents sels calcique : le chlorure de

calcium CaCl2.4H2O, le gypse CaSO4.2H2O, l’acétate de calcium Ca(CH3COO)2.H2O, sel de

Friedel 3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O, les produit expansifs sulfatiques à savoir l’ettringite

secondaire, la thaumasite et la brucite qui peuvent provoquer l’altération du matériau en

milieu agressif.

- Ces nouveaux composites semblent offrir un matériau à faible coût avec des

propriétés cohérentes, par ailleurs, ils aideraient à résoudre certains problèmes de déchets

solides créés par la production des plastiques et pourraient être un facteur d'économie

d'énergie.

- En perspectives, il est intéressant de continuer l’étude de la durabilité des composites

Mortier-Polymère par d’autres attaques telles que l’attaque alcaline, la carbonatation, la

corrosion ainsi que l’étude des caractéristiques thermiques. Voir aussi une autre étude portant

sur l’utilisation de granulats en PET comme agrégat de substitution au sable pour

l’élaboration des bétons léger.

TECHNIQUESD’ANALYSES

Méthodes d’analyse et de Caractérisation

- en alumine, rampe de température :

jusqu’à 1000-1100 °C).

Chapitre III :

- 710,

- s-Sénia Oran, (Pour l'IR, il

-

− Techniques D’analyses :

La caractérisation de nos matériaux est basée sur les différentes techniques d’analyses

telles que la diffraction des rayons X, la spectrométrie IRTF, la microscopie électronique

MEB avec l’association de l’analyse dispersive EDS, la microscopie optique, les analyses

thermiques ATD, ATG et DSC disponibles dans les laboratoires suivants :

Chapitre II :

- Laboratoire de chimie des matériaux, IGMOran, (un diffractomètre Philips PW 1710,

utilisant une anticathode de cuivre (Cu-Kα) de longueur d’onde λ = 1,5406 A°).

- En spectroscopie infrarouge, l’analyse des échantillons est effectuée sur pastille KBr à

une concentration de 1% par un spectromètre infrarouge FTIR-8300 Shimadzu,

disponible à l’Université de Djillali Liabes (Sidi Belabbes), Laboratoire de Chimie

Organique Physique et Macromoléculaire.


d’USTOran, un microscope électronique à balayage, type HITACHI S2500 C.

- Un microscope optique, type Keyence VH-5911 commandé par un logiciel

Microvision, disponible au Laboratoire Matériaux et durabilité des constructions

LMDC, INSA de Toulouse, France.

- Laboratoire de chimie des polymères LCP, Université d’Es-Sénia Oran, (il s'agit d’un

analyseur Thermogravimétrique (ATG) simple d'utilisation (ambiante à 1600°C) -

Labsys TGA par SETARAM, rampe de température : montée 10°C/mn jusqu’à 1000-

1100 °C sous flux He).

Le Laboratoire des Matériaux LABMAT d’ENSET Oran; (un appareil ATD, type

Linseis marque DTA L62, porte échantillon

montée 10°C/mn

Laboratoire de chimie des matériaux, IGMOran, (un diffractomètre Philips PW 1


Laboratoire de chimie des polymères LCP, Université d’E

s'agit d'un dispositif Mattson de type GENESIS II FTIR).

Le Laboratoire Universitaire des Sciences Appliquées de Cherbourg, LUSAC EA

2607, Cherbourg Octeville, Université de Caen Basse Normandie; France,

252

Méthodes d’analyse et de Caractérisation

antillon en alumine, rampe de

- versité

icroscope électronique à balayage, type HITACHI S2500 C.

- tec de type X Flash

- 710,

cathode de cuivre (Cu-Kα) de longueur d’onde λ = 1,5406 A°).

- 710,

- ètre

- LMDC, INSA de Toulouse,

500 C.

- aboratoire de l’Environnement et de Climatologie, Université d’Es-Sénia (Oran), (un

ppareil Calorimétrie différentielle programmée DSC type 200 TC).

(Diffractomètre à rayons X, type Siemens D5005 (Brűcker) [anticathode de cuivre

(Cu-Kα) de longueur d’onde λ = 1,54056 A°]), Analyse thermique simultanée : un

appareil ATG/ATD 92 de Setaram, porte éch

température : montée 20K/mn jusqu’à 1200 °C).

Laboratoire de Microscopie Electronique et des Sciences des Matériaux, Uni

d’USTOran, un m

Chapitre IV :

Laboratoire LMDC, Université de Toulouse, France, (DRX est un D5000 de Siemens

avec une lampe au Cobalt. Pour l'EDS, il s'agit d'un dispositif Ron

detector 1106 et le MEB d'un dispositif JEOL de type JSM-6380).


utilisant une anti

Chapitre V :



Laboratoire de Chimie Organique, Université d’Es-Sénia, Oran, (spectrom

Infrarouge FT/IR-4200 Type A, Photometric).

Laboratoire Matériaux et durabilité des constructions

France, (Pour l'EDS, il s'agit d'un dispositif Rontec de type X Flash detector 1106 et le

MEB d'un dispositif JEOL de type JSM-6380).


USTOran, un microscope électronique à balayage, type HITACHI S2

L

a

253

Publications et Communications

i

• Publications et communications en rapport avec la thèse :

i- Publications internationales :

1- A.S. Benosman, H. Taibi, M. Mouli, M. Belbachir, « Application of Infrared Fourier Transform (IRTF) Spectrometry for Characterizing Anhydrous Cement and the Hydration of Polymer-Mortar Composites », Phys. Chem. News (PCN), 26, pp. 109-117, Nov. 2005. 2- A.S. Benosman, H. Taibi, M. Mouli, M. Belbachir, Y. Senhadji, «Diffusion of Chloride Ions in Polymer-Mortar Composites (PET) », Journal of Applied Polymer Science, Volume 110, Issue 3, Pages1600 – 1605, Copyright © 2008 Wiley Periodicals, Inc., A Wiley Company.

ii- Publications nationales : 1- A.S. Benosman, H. Taibi, M. Mouli, M. Belbachir, « Valorisation de la spectrométrie infrarouge (IRTF) pour l’analyse qualitative de composés des ciments, argiles et des mélanges ciment/argile », Revue technologique, scientifique et linguistique, Communication Science & Technologie COST, (ISSN 1112-5178), n°3, pp.37-47, Déc. 2004. 2- A.S. Benosman, H. Taibi, M. Mouli, M. Belbachir, « La diffraction des rayons X: une méthode intéressante pour la caractérisation de composés du ciment anhydre, argile naturelle et des mélanges ciment anhydre/argile naturelle », Revue technologique, scientifique et linguistique, Communication Science & Technologie COST, (ISSN 1112-5178), n°4, pp.23-30, Jan. 2006.

ii- Communications internationales :

1- A.S. Benosman, H. Taibi, M. Mouli, A. Ait Amer, M. Belbachir, « Etude des comportements mécaniques de composites mortier-polymère », In. IXéme Journées Maghrébines des Sciences des Matériaux, pp. 421-424, Oran, Es-Sénia, 8-10 Mai 2004. 2- A.S. Benosman, H. Taibi, M. Belbachir, « Analyse qualitative de composés modèles du ciment anhydre, argile naturelle et des mélanges ciment anhydre/argile naturelle par diffraction des rayons X », In. IXéme Journées Maghrébines des Sciences des Matériaux, pp. 353-356, Oran, Es-Sénia, 8-10 Mai 2004. 3- A.S. Benosman, H. Taibi, M. Mouli, M. Belbachir, « Elaboration et caractérisation de composites mortier-polymère », Congrès international Réhabilitation des Constructions et Développement Durable, T.2, pp.163-167, Alger, 3-4 mai 2005. 4- A.S. Benosman, H. Taibi, M. Mouli, M. Belbachir, Y. Senhadji, « Durabilité des matériaux polyphasés : attaques chimiques par différents milieux agressifs », Colloque Méditerranéen sur les Matériaux CMEDIMAT, 6-7 Déc. 2005. 5- A.S. Benosman, H. Taibi, M. Mouli, M. Belbachir, Y. Senhadji, « Les caractéristiques mécaniques et spectroscopiques des matériaux polyphasés : composites mortier-polymère », Colloque Méditerranéen sur les Matériaux CMEDIMAT, 6-7 Déc. 2005. 6- A.S. Benosman, H. Taibi, M. Mouli, M. Belbachir, Y. Senhadji, «Etude des matériaux polyphasés par différentes attaques chimiques», Xéme Journées Maghrébines des Sciences des Matériaux, Meknes (Maroc), 24-26 Novembre 2006. 7- A.S. Benosman, H. Taibi, M. Mouli, M. Belbachir, Y. Senhadji, «Etude des matériaux composites Mortier-Polymère en milieux sulfatiques», In. XIéme Journées Maghrébines des Sciences des Matériaux, p. 475, Mahdia (Tunis), 04-08 Novembre 2008. 8- A.S. Benosman, M. Mouli, H. Taibi, M. Belbachir, Y. Senhadji, I. Bahlouli, D. Houivet, « La Durabilité Des Matériaux Composites Mortier-Polymère En Milieux Agressifs », 1ST

Publications et Communications

ii

International Conference On Composite Materials And Structures CIMSC’09, Algeria-ORAN, November 08-10, 2009.

iii- Communications internationales :

- Avec article publié dans le Proceeding du 1st International Conference on Sustainable Built Environement Infrastructures in Developing Countries sous code N° ISSN 2170-0095 1- A.S. Benosman, M. Mouli, H. Taibi, M. Belbachir, Y. Senhadji, I. Bahlouli, D. Houivet, «Etude des Matériaux Composites Mortier-Polymère en Milieux Sulfatiques (Na2SO4, MgSO4) », SBEIDCO – 1st International Conference on Sustainable Built Environement Infrastructures in Developing Countries, Volume 1, pp.375-382, (ISSN 2170-0095), ENSET Oran (Algeria) - October 12-14, 2009. 2- A.S. Benosman, M. Mouli, H. Taibi, M. Belbachir, Y. Senhadji, I. Bahlouli, D. Houivet, «L’influence de l’ajout polymère sur la résistance des mortiers vis-à-vis d’une attaque chimique d’acide chlorhydrique », SBEIDCO – 1st International Conference on Sustainable Built Environement Infrastructures in Developing Countries, Volume 1, pp.383-390, (ISSN 2170-0095), ENSET Oran (Algeria) - October 12-14, 2009.

iv- Communications nationales : 1- A.S. Benosman, H. Taibi, M. Mouli, M. Belbachir, « Elaboration et caractérisation de composites mortier-polymère », Journées Nationales de Chimie (JNC), Oran, ENSET, 21-22 Nov. 2004. 2- A.S. Benosman, H. Taibi, M. Mouli, A. Ait Amer, M. Belbachir, « Etude du renforcement des mortiers par l’ajout des polymères (comportement mécanique) », Journées Scientifiques Nationales sur les matériaux (JSNM’04), Tizi-Ouzou, 29-30 Nov. 2004. 3- A.S. Benosman, H. Taibi, M. Mouli, M. Belbachir, « Le développement des matériaux polyphasés : étude des caractéristiques physico-chimiques et mécaniques des mortiers polymères », Premières Journées Nationales de Génie des Procédés, Oran, 3-4 Mai 2005. 4- A.S. Benosman, H. Taibi, M. Mouli, M. Belbachir, « Evaluation pratique de la compatibilité ciment-PET et étude de l’effet des polymères sur les propriétés des composites polyphasés », Workshop on Nanosciences & Nanotechnologies Nanotech’1, Oran, 13-14 Déc. 2005. 5- A.S. Benosman, H. Taibi, M. Mouli, M. Belbachir, Y. Senhadji, « Valorisation du PET dans l’élaboration des matériaux modifiés et leur étude en milieu acides », Séminaire National de la Gestion des Déchets SNGD 07, Oran, 29-30 Mai 2007. 6- A.S. Benosman, H. Taibi, M. Mouli, M. Belbachir, Y. Senhadji, « Résistance des composites Mortier-Polymère à la pénétration d’ions chlorure », Séminaire National de Génie Civil, Annaba, 20-21 Nov. 2007.

Nom de l’auteur : A. S. BENOSMAN

Titre : Performances Mécaniques et Durabilité des Matériaux Cimentaires Modifiéspar Ajout de Polymère (PET).

RésuméLe développement des composites Mortier-Polymère a pour origine certains besoins exprimés par lesprofessionnels du bâtiment et des travaux publics. Ces matériaux sont utilisés le plus souvent dansdes travaux de second œuvre tels les enduits de façades, les colles carrelages ou revêtementsd’étanchéité ; ils sont aussi utilisés dans le domaine des travaux publics comme produits de réparationd’ouvrages d’arts, et dans certaines applications routières. En définitive on cherche un matériau defaible coût, de mise en œuvre simple, et possédant une meilleure tenue en service par rapport à unmortier standard. Il doit posséder par ailleurs de bonnes propriétés d’adhésion ainsi qu’une résistanceaccrue aux agressions de l’environnement et en particulier une isolation des parois à l’humidité.

La durabilité des ouvrages en béton est une caractéristique très importante, car c’est la garantie d’unesécurité et d’une durée de service accrues de ces ouvrages. Cette durabilité garantie aussi une économieconsidérable sur le long terme, car de tels ouvrages nécessiteront peu ou pas de réparations, d’où uneéconomie de coûts induits par des réparations, qui peuvent être très élevés, et peuvent même dépasserles coûts initiaux de construction.

En vue d’appréhender l’influence du polymère sur le comportement mécanique des matériauxcimentaires, une première étude expérimentale a été menée sur un mortier normalisé substitué dedifférents teneurs en polytéréphtalate d’éthylène (PET) dont nous avons effectuer des essaismécaniques telles la résistance à la compression et la traction par flexion trois points. Ces essais ontété définis dans le but d’appréhender leur caractère endommageable. La détermination descaractéristiques mécaniques à long terme de ces mortiers et/ou composites Mortier-Polymère sembleconfirmer les effets de la propriété du PET.

Afin d'arriver à des conclusions pratiquement exploitables, il a été nécessaire de réaliser des analysesd'identification microstructurale telles que l’utilisation de la spectrométrie IRTF, la diffraction auxrayons X, la microscopie électronique à balayage (MEB/EDS), la microscopie optique (MOP),l’analyse thermique différentielle ATD ainsi que l’analyse thermogravimétrique (ATG). Après avoiranalysé le comportement mécanique de nos matériaux, et en vue d’améliorer la durabilité de cescomposites, on a évalué l’influence de l’ajout du polymère (PET) sur les caractéristiques de cesderniers vis-à-vis des milieux agressifs (acides, bases, ions chlorures et sulfates) et on a essayéd’apporter une meilleure compréhension concernant les réactions chimiques responsables duralentissement de la dégradation.

Ce travail offre une meilleure compréhension de l’influence du PET sur les propriétés mécaniques etdurabilité des composites Mortier-Polymère. De plus, les nombreuses analyses microstructuralesréalisés (DRX, IRTF, observations au MEB/EDS et MOP, ATD/ATG et DSC) apportent des résultatscomplémentaires sur l’influence de ces additifs sur : l’hydratation du ciment, l’agencement dupolymère au sein de la phase minérale, précisant le rapport P/C à partir duquel le polymère donne demeilleures résultats en flexion, et permettent de mettre en évidence l’effet bénéfique sur la durabilitéd’un tel ajout.

Mots–clés :

Mortier, Composite, Polytéréphtalate d’éthylène (PET), Performances Mécaniques, DRX, IRTF,MEB/EDS, MOP, ATG/ATD, DSC, Durabilité, Acide, Base, Ions Chlorures, Sulfates.

Documents

Performances Mécaniques et Durabilité des Matériaux … · 2000. 1. 1. · Remerciements Ce travail a été réalisé en collaboration entre deux laboratoires. Le laboratoire de