Microstructures du beton

Le béton est le matériau le plus utilisé dans le domaine de construction, il est composé de ciment, eau, granulats et adjuvants. Le développement récent de ce matériau a permis la confection de bétons composés de 18 constituants qu’on appelle BFUP (bétons fibrés ultra performance).

Les granulats, considérés comme le squelette, sont des éléments inertes qui présentent un comportement stable. En revanche, la pâte de ciment, qui assure les liaisons entre les différents granulats, est un matériau dont la microstructure évolue dans le temps, améliorant ainsi le comportement du béton.

Cependant, les bétons sont des matériaux poreux qui sont soumis dans un environnement marin à la pénétration d’agents agressifs particulièrement les chlorures. Cette structure poreuse de la matrice cimentaire est le résultat de l’avancement des réactions d’hydratation du ciment au contact de l’eau.

DEFINITION DE LA MICROSTRUCTURE

La microstructure est définie comme la manière dont un matériau est construit, à l’échelle microscopique, à partir de ses constituants élémentaires. Dans cette définition, on englobe les notions souvent associées à la « structure » proprement dite et à la « texture ». La microstructure se caractérise par [AFR 1997] :

• Les proportions des constituants amorphes ou cristallisés,
• Les faciès, la taille, la distribution granulométrique des « grains » (granulats, anhydres, hydrates) ainsi que la façon dont ils sont agencés les uns par rapport aux autres,
• L’orientation des constituants dans l’espace,
• Leur distribution dans la région examinée (homogénéité, hétérogénéité),
• Le degré de remplissage de l’espace (texture poreuse ou compacte).

Pour reprendre une définition qui a été souvent proposée pour la microfissuration des bétons, AFREM a proposé une étude de la microstructure (progressive dans le sens des échelles décroissantes) couvrant les aspects correspondant à une échelle maximale ne dépassant pas celle du plus gros granulat. Cela signifie que la définition adoptée englobe les aspects du béton allant du centimètre (échelle du gravillon) au nanomètre (échelle du cristal) et que les observations microscopiques sont précédées d’un examen macroscopique à l’œil nu.

LES CARACTERISTIQUES CHIMIQUES GENERALES DES CIMENTS CEM I
ET CEM V

Le ciment est un liant hydraulique se présentant sous la forme d’une poudre très fine, largement utilisé dans la construction et dans d’autres domaines. Il est issu de la cuisson de matières premières (calcaire, argile) sous forme de clinker.

Le ciment CEM I est obtenu à partir du clinker et d’autres constituants secondaires. Le clinker est accompagné de gypse pour régulariser la prise. Le CEM I est composé de 95% de clinker et 5% de constituants secondaires.

Le clinker se compose de 4 oxydes principaux : oxyde de calcium CaO, oxyde de silicium SiO2, oxyde d’aluminium Al2O3 et oxyde de fer Fe2O3 dont l’évolution de la température dans le four (900 à 1450° C) produit 4 phases principales : silicate tricalcique C3S (3CaO. SiO2 – alite), silicate bicalcique C2S (2CaO. SiO2 – bélite), aluminate tricalcique C3A (3CaO. Al2O3- célite) et aluminoferrite tétracalcique C4AF (4CaO. Al2O3. Fe2O3 – Ferrite).

Le ciment CEM V est obtenu en ajoutant une proportion normalisée d’additions minérales (laitiers, cendres volantes) au clinker.

➤  Clinker portland
Le clinker Portland est un matériau hydraulique qui est un composant essentiel dans le ciment Portland. Il contient au moins deux tiers en masse de silicates de calcium (C3S et C2S), le rapport massique (CaO/SiO2) ne doit pas être inférieur à 2, la teneur en MgO ne doit pas dépasser 5 % en masse.

Dans les ciments CEM V, une partie du clinker est substituée par le laitier et les cendres volantes ou les pouzzolanes.

➤  Laitiers
Les laitiers de haut fourneau (mélange de chaux, de silice et d’alumine), sont les sous-produits de la transformation du minerai de fer en fonte brute. Leur composition en oxyde et leur structure vitreuse varient en fonction des procédés de fabrication et de la méthode de refroidissement. Les laitiers existent sous forme de poudre fine sèche. Ils sont considérés comme un matériau hydraulique latent, qui présente des propriétés hydrauliques après avoir subi une activation convenable.

Les laitiers doivent être constitués au minimum de deux tiers en masse de la somme de (CaO, MgO et SiO2). Le restant contient de l’alumine (Al2O3) ainsi que de faibles quantités d’autres composants. Le rapport massique entre la somme (CaO + MgO) et SiO2 doit être supérieur à 1 [CEN 2001].

➤  Cendres volantes
Elles sont obtenues par la précipitation électrostatique ou mécanique des particules pulvérulentes dans les fumées de centrales thermiques à charbon. Au microscope, elles apparaissent sous forme de billes sphériques de diamètre très fin, entre 10 et 100 μm.

Les cendres volantes peuvent être de nature silico-alumineuse ou silico-calcaire et possèdent des propriétés pouzzolaniques ou hydrauliques.

• Cendres volantes silico-alumineuses : leurs propriétés sont pouzzolaniques, elles sont essentiellement constituées de silice (SiO2) réactive et d’alumine (Al2O3). Le restant contient de l’oxyde de fer (Fe2O3) et d’autres composants. La proportion d’oxyde de  calcium (CaO) réactif doit être inférieure à 10 % en masse, la teneur en oxyde de calcium libre ne devant pas dépasser 1 % en masse. La teneur en silice (SiO2) réactive ne doit pas être inférieure à 25 % en masse [CEN 2001].

• Cendres volantes silico-calcaires : leurs propriétés sont pouzzolanique et/ou hydrauliques. Elles sont essentiellement constituées de calcium (CaO) réactif, de silice (SiO2) réactive et d’alumine (Al2O3). Le restant contient de l’oxyde de fer (Fe2O3) et d’autres composants. La proportion de calcium (CaO) réactif ne doit pas être inférieure à 10 % en masse.

Les cendres de volantes calciques contenant entre 10 à 15 % en masse d’oxyde de calcium (CaO) réactif, doit contenir au moins 25 % en masse de silice (SiO2) réactive [CEN 2001].

Les cendres possèdent des propriétés pouzzolaniques contribuant à diminuer la quantité de portlandite Ca(OH)2 et à donner ensuite du silicate de calcium hydraté (CSH) [NGU 2006]. Le laitier, les pouzzolanes et les cendres volantes présentent une caractéristique commune : ils contiennent les trois constituants fondamentaux du clinker (la chaux, la silice et l’alumine). On peut les caractériser par la combinaison de ces trois oxydes sur le triangle de CaO, SiO2 et Al2O3.