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Utilisation des cendres volantes pour la prévention des désordres dus à l'alcali-réaction

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par Azddine KAROUITE
Ecole HASSANIA des Travaux publics -  2003
  

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Dédicaces

A Vous,mes chers parents, pour votre soutien moral et financier,

A vous, mes chères soeurs : Samira, Chadia, Karima, Amina, Latifa et la petite Assiya pour votre sympathie et amour inconditionné,

A toi, cher Oncle Mohammed pour tes conseils et ton soutien,

A toi, ma famille pour ton souci et ta disponibilité,

A toi, Imane, qui sait mieux que tout autre ce que le mot « TFE » signifie, pour ta disponibilité et ton soutien moral inconditionné,

A vous, mes amis pour votre entraide et solidarité,

je dédie ce modeste travail, signe de reconnaissance et de sentiments partagés.

Je vous dis, tous, merci de m'avoir donné le courage d'aller jusqu'au bout.

Azddine

Avant propos

Étant donné l'ampleur de l'alcali-réaction, comme phénomène attaquant les grandes structures en béton, le comité de recherches scientifiques n'épargne aucun effort pour y faire face. De ce fait, la tendance vers l'exploitation et l'utilisation des ajouts minéraux, pour inhiber ces réactions, s'est accentuée.

L'objectif de notre étude va de paire avec cette tendance : l'ajout choisi est les cendres volantes, le but que l'on s'est fixé est l'évaluation de l'impact de cet ajout sur l'inhibition des réactions alcali-granulats.

Afin de remplir une telle finalité, un nombre optimal de mélange, à différents dosages en cendres volantes, a été réalisé à base des « plans d'expériences ».Ces mélanges ont servi, par la suite, à une série d'essais d'autoclavage. Les résultats, tout processus expérimental réalisé minutieusement, ont été satisfaisants : on est parvenu avec 50% de cendres volantes (et 50% de Clinker broyé gypsé) à diminuer l'expansion de 0.15% en absolu. Cependant, ces ajouts agissent négativement sur la résistance du béton. Ainsi, faut-il trouver un compromis entre les deux contraintes : résistance normative et expansion moindre. La réalisation d'une formulation du « ciment optimal » s'est avérée une solution judicieuse.

Table des matières

CHAPITRE I: L'ALCALI-RÉACTION 10

I- 1: APERÇU HISTORIQUE 10

I- 2: DÉFINITION 10

I- 3: CONDITIONS D'APPARITION DE L'ALCALI-GRANULAT 10

I-3-1: Alcalins 11

I-3-2: Silice 12

I-3-3: Environnement 12

I- 4: MÉCANISME DE L'ALCALI-RÉACTION 13

I- 5: DÉSORDRES DUS À L'ALCALI-RÉACTION 15

I- 6: PRÉVENTION DE L'ALCALI RÉACTION 16

I-6-1: Démarche préventive  [10] 16

I-6-2: Bilan des alcalins 17

I-6-3: Utilisation des ajouts minéraux 17

CHAPITRE II: CHOIX ET CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX 19

II- 1: GRANULATS : BASALTE 19

II- 2: CENDRES VOLANTES 20

II-2-1: Définition 20

II-2-2: Aperçu historique 20

II-2-3: Composition 20

II-2-4: Production marocaine des cendres volantes 21

II-2-5: Utilisation des cendres volantes 22

II- 3: CLINKER GYPSÉ BROYÉ(CBG) 23

II- 4: LES FILLERS CALCAIRES 24

II-4-1: Définition 24

II-4-2: Normalisation 24

II-4-3: Avantages 24

II-4-4: Inconvénients 24

II- 5: EAU DE GÂCHAGE 24

CHAPITRE III: PLANS D'EXPÉRIENCES - PRÉPARATION DES MÉLANGES 25

III- 1: LES PLANS D'EXPÉRIENCES  [18] 25

III-1-1: Définition 25

III-1-2: Terminologie 25

III-1-3: Méthodologie des plans d'expériences 26

III-1-4: Différents types de plans d'expériences 28

III-1-5: Outils de calcul 30

III- 2: PRÉPARATION DES MÉLANGES 33

III-2-1: Essai d'expansion 33

III-2-2: Essais de résistance 36

CHAPITRE IV: ESSAIS ET RÉSULTATS 37

IV- 1: ESSAI ACCÉLÉRÉ SUR MORTIER PAR AUTOCLAVAGE  [5] 37

IV-1-1: Présentation 37

IV-1-2: Matériaux soumis à l'essai 37

IV-1-3: Exécution de l'essai 38

IV-1-4: Expression des résultats 40

IV-1-5: Résultats 41

IV- 2: ESSAIS DE RÉSISTANCE  [19] 42

IV-2-1: Présentation 42

IV-2-2: Exécution de l'essai 42

IV-2-3: Résultats 42

CHAPITRE V: MODÉLISATION ET INTERPRÉTATION 44

V- 1: ANALYSE ET COMMENTAIRE DES RÉSULTATS 44

V-1-1: Effet des cendres volantes sur l'expansion 44

V-1-2: Effet des cendres volantes sur la résistance 46

V- 2: MODÉLISATION : 48

V-2-1: Validité des modèles : 49

V-2-2: Vérification et Exploitation des trois modèles 49

V- 3: INTERPRÉTATION DES RÉSULTATS 58

V- 4: OPTIMISATION 59

V-4-1: CPZ(A) 35 59

V-4-2: CPZ(A) 45 59

V-4-3: CPZ(B) 35 60

V-4-4: CPZ(B) 45 60

V-4-5: Ciment spécial pour éliminer l'expansion 61

Conclusions et Recommandations 62

Annexe 1 : La soude ajoutée 64

Annexe 2 : Résultats d'expansion 65

Annexe 3 : La résistance à la compression 68

Annexe 4 : La résistance à la traction 69

Annexe 5 : Modélisation de la résistance en traction et en compression 70

Références bibliographiques : 79

LISTE DES TABLEAUX :

TABLEAU 1 : COMPOSITION DES CENDRES VOLANTES MAROCAINES ET SPÉCIFICATIONS DE LA NORME NF P18-505. 22

TABLEAU 2 : ANALYSE DE LA VARIANCE 32

TABLEAU 3 : MATRICE DES EXPÉRIENCES POUR L'ESSAI D'AUTOCLAVAGE. 35

TABLEAU 4 : MÉLANGES SUPPLÉMENTAIRES POUR L'ESSAI D'AUTOCLAVAGE 35

TABLEAU 5 : MATRICE DES EXPÉRIENCES POUR L'ESSAI DE RÉSISTANCE 36

TABLEAU 6 : RÉPARTITION DES GRANULATS UTILISÉS DANS L'ESSAI D'AUTOCLAVAGE 37

TABLEAU 7 : BILAN DES ALCALINS 38

TABLEAU 8: RÉSULTATS MOYENS DE L'EXPANSION MOYENNE SUR TROIS ÉPROUVETTES 4*4*16 41

TABLEAU 9 : RÉSISTANCES MOYENNES À LA COMPRESSION À 2, 7 ET À 28 JOURS 42

TABLEAU 10 : RÉSISTANCES MOYENNES À LA TRACTION À 2, 7 ET À 28 JOURS 43

TABLEAU 11 : RECHERCHE DE BIAIS DES TROIS MODÈLES 49

TABLEAU 12 : TEST DE FIABILITÉ DES TROIS MODÈLES 49

TABLEAU 13 : TEST DE SIGNIFICATION POUR LE MODÈLE LINÉAIRE 50

TABLEAU 14 : TEST DE SIGNIFICATION POUR LE MODÈLE QUADRATIQUE 52

TABLEAU 15 : TEST DE SIGNIFICATION POUR LE MODÈLE SPÉCIAL CUBIQUE 55

TABLEAU 16: LA SOLUTION OPTIMALE POUR UN CIMENT CPZ(A)35 59

TABLEAU 17 : LA SOLUTION OPTIMALE POUR UN CIMENT CPZ(A)45 60

TABLEAU 18 : LA SOLUTION OPTIMALE POUR UN CIMENT CPZ(B)35 60

TABLEAU 19 : LA SOLUTION OPTIMALE POUR UN CIMENT CPZ(B)45 61

TABLEAU 20: CIMENT SPÉCIAL POUR ANNULER L'EXPANSION. 61

TABLEAU 21: RÉCAPITULATIF DES CIMENTS SPÉCIAUX POUR FAIRE FACE À L'ALCALI-RÉACTION. 62

TABLEAU 22: LA QUANTITÉ DE LA SOUDE AJOUTÉE À CHAQUE MÉLANGE 64

TABLEAU 23: RÉSULTATS DÉTAILLÉS DE L'EXPANSION 66

TABLEAU 24: COMPARAISON DES VALEURS CALCULÉES ET CELLES MESURÉES DE L'EXPANSION 67

TABLEAU 25 : RÉSULTATS DÉTAILLÉS DE LA RÉSISTANCE À LA COMPRESSION À 2, 7 ET À 28JOURS 68

TABLEAU 26 : RÉSULTATS DÉTAILLÉS DE LA RÉSISTANCE À LA TRACTION À 2, 7 ET À 28 JOURS 69

TABLEAU 27: RECHERCHE DU BIAIS (RC2J) 70

TABLEAU 28: TEST DE FIABILITÉ (RC2J) 70

TABLEAU 29: TEST DE SIGNIFICATION 70

TABLEAU 30: COMPARAISON ENTRE LES VALEURS DE LA RÉSISTANCE À LA COMPRESSION À 2 JOURS CALCULÉES PAR LE MODÈLE LINÉAIRE ET LES VALEURS MESURÉES 71

TABLEAU 31: RECHERCHE DU BIAIS (RC7J) 71

TABLEAU 32: : TEST DE FIABILITÉ (RC7J) 71

TABLEAU 33: TEST DE SIGNIFICATION 72

TABLEAU 34: COMPARAISON ENTRE LES VALEURS DE LA RÉSISTANCE À LA COMPRESSION À 7 JOURS CALCULÉES PAR LE MODÈLE QUADRATIQUE ET LES VALEURS MESURÉES 72

TABLEAU 35: RECHERCHE DU BIAIS (RC28J) 73

TABLEAU 36 : TEST DE FIABILITÉ (RC28J) 73

TABLEAU 37: TEST DE SIGNIFICATION 73

TABLEAU 38 : COMPARAISON ENTRE LES VALEURS DE LA RÉSISTANCE À LA COMPRESSION À 28 JOURS CALCULÉES PAR LE MODÈLE LINÉAIRE ET LES VALEURS MESURÉES 74

TABLEAU 39 : RECHERCHE DU BIAIS (RT2J) 74

TABLEAU 40 : TEST DE FIABILITÉ (RT 2J) 74

TABLEAU 41: TEST DE SIGNIFICATION 75

TABLEAU 42 : COMPARAISON ENTRE LES VALEURS DE LA RÉSISTANCE À LA TRACTION À 2 JOURS CALCULÉES PAR LE MODÈLE QUADRATIQUE ET LES VALEURS MESURÉES 75

TABLEAU 43 : RECHERCHE DU BIAIS (RT7J) 76

TABLEAU 44 : TEST DE FIABILITÉ (RT 7J) 76

TABLEAU 45: TEST DE SIGNIFICATION 76

TABLEAU 46 : COMPARAISON ENTRE LES VALEURS DE LA RÉSISTANCE À LA TRACTION À 7 JOURS CALCULÉES PAR LE MODÈLE QUADRATIQUE ET LES VALEURS MESURÉES 77

TABLEAU 47 : RECHERCHE DU BIAIS (RT28J) 77

TABLEAU 48 : TEST DE FIABILITÉ (RT28J) 77

TABLEAU 49: TEST DE SIGNIFICATION 78

TABLEAU 50: COMPARAISON ENTRE LES VALEURS DE LA RÉSISTANCE À LA TRACTION À 28 JOURS CALCULÉES PAR LE MODÈLE CUBIQUE ET LES VALEURS MESURÉES. 78

LISTE DES FIGURES :

FIGURE 1 : SCHÉMA ILLUSTRANT LES DIFFÉRENTES SOURCES DES ALCALINS PRÉSENTS DANS LE BÉTON (D'APRÈS BÉRUBÉ ET AL. IN BARON ET OLLIVIER, 1992) 11

FIGURE 2: ILLUSTRATION DE LA PREMIÈRE ÉTAPE DU MÉCANISE SELON A B POOLE [3] 14

FIGURE 3: ILLUSTRATION DE LA DEUXIÈME ÉTAPE DU MÉCANISE SELON A B POOLE [3] 14

FIGURE 4: : EXEMPLE DE BÉTON DÉGRADÉ PAR L'ALCALI-RÉACTION. [2] 16

FIGURE 5 : EFFET DE L'AJOUT DES CENDRES VOLANTES SUR L'EXPANSION DU BÉTON [2] 18

FIGURE 6 : FACIÈS BASALTIQUE LPNA (PL, PLAGIOCLASE ; M, MICROLITE ; PY, PYROXÈNE ; P, PÂTE ; O, OPAQUE). [12] 19

FIGURE 7 : DOMAINE EXPÉRIMENTAL 34

FIGURE 8 : VARIATION DE L'EXPANSION EN FONCTION DES DOSAGES EN CENDRES VOLANTES À CBG=50%. 44

FIGURE 9 : EFFET DES CENDRES VOLANTES SUR L'EXPANSION À FC CONSTANT 45

FIGURE 10 : EFFET DES CENDRES VOLANTES SUR LA RÉSISTANCE À LA TRACTION À 2, 7 ET À 28JOURS. 47

FIGURE 11 : EFFET DES CENDRES VOLANTES SUR LA RÉSISTANCE À LA COMPRESSION À 2, 7 ET À 28JOURS. 48

FIGURE 12 : VALEURS CALCULÉES PAR LE MODÈLE LINÉAIRE EN FONCTION DES VALEURS MESURÉES. 50

FIGURE 13 : COURBES ISO-EXPANSION DU MODÈLE LINÉAIRE 51

FIGURE 14 : VALEURS CALCULÉES PAR LE MODÈLE QUADRATIQUE EN FONCTION DES VALEURS MESURÉES. 53

FIGURE 15 : COURBES ISO-EXPANSION DU MODÈLE QUADRATIQUE 54

FIGURE 16 : VALEURS CALCULÉES PAR LE MODÈLE SPÉCIAL CUBIQUE EN FONCTION DES VALEURS MESURÉES. 56

FIGURE 17 : ISO-EXPANSION DONNÉES PAR LE MODÈLE SPÉCIAL CUBIQUE 57

Table des acronymes

CBG

Clinker Broyé Gypsé

CV

Cendres volantes

DL

Degré de liberté

FC

Fillers calcaire

RAG

Réaction Alcali-Granulat

Rc ij

Résistance à la compression à i jours

Rt ij

Résistance à la traction à i jours

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La Quadrature du Net