La caractérisation des matériaux cimentaires au cours du temps est essentielle pour le bon achèvement et le contrôle des constructions de tous genres, afin de prévenir les dégradations et éviter les ruines d’ouvrage. Ce projet de recherche propose l’utilisation des ondes de cisaillement pour mieux caractériser des propriétés physiques et mécaniques de ces matériaux telles que le temps de prise, le module de cisaillement et la ségrégation. Les ondes de cisaillement sont générées par la récente technique des anneaux piézoélectriques (P-RAT). Cette technique développée à l’université de Sherbrooke, est initialement destinée pour estimer le module de cisaillement des sols à partir de la vitesse des ondes de cisaillement. Le P-RAT a été récemment appliqué sur les pâtes de ciment et les mortiers pour déterminer le temps de prise initiale et finale à partir de la dérivée de la vitesse des ondes de cisaillement. L’objectif de cette thèse est d’étendre et d’approfondir l’étude de faisabilité du P-RAT en tant que technique non destructive pour la caractérisation physique et mécanique des pâtes de ciment, des mortiers et des bétons et de valider son applicabilité pour une éventuelle utilisation in-situ. Nous avons étudié plusieurs aspects de traitement de signal, dans le domaine temporel et fréquentiel, pour extraire l’information utile à la caractérisation des matériaux cimentaires à partir des ondes de cisaillement. La relation entre la variation du contenu fréquentiel et le temps de prise initiale et finale des pâtes de ciment et des mortiers a été décelée. La méthode fréquentielle proposée dans ce projet est plus rapide que celle de dérivée de la vitesse des ondes de cisaillement et ne requiert pas une expertise dans le domaine de traitement du signal pour l’exécuter. Les essais au laboratoire ont démontré la performance du dispositif formé de deux capteurs P-RAT de diamètre externe de 16 mm, montés de part et d’autre sur les deux bornes d’un étau de serrage, à mesurer le module de cisaillement de 1 jour à 56 jours. Un modèle de régression linéaire multiple a été développé pour estimer la résistance à la compression à partir du module de cisaillement. En plus, une relation empirique a été obtenue entre le module de cisaillement à 24 h et le module d’élasticité statique à 28 jours qui permet la prédiction de ce dernier dès le jeune âge. La faisabilité de P-RAT pour la caractérisation des propriétés physiques des bétons, notamment le temps de prise et la ségrégation, a nécessité au préalable une étude de l’effet des dimensions des capteurs P-RAT sur la qualité des signaux reçus. Une étude comparative a été menée avec trois capteurs de diamètres différents (16 mm, 22 mm et 35 mm). Cette étude a permis d’identifier la dimension du capteur la plus appropriée pour les bétons. Les résultats ont démontré l’intérêt d’utiliser des gros capteurs de 35 mm de diamètre externe pour obtenir des signaux plus clairs avec un faible rapport bruit/signal. La méthode pic à pic s’est avérée adéquate pour déterminer le temps d’arrivée des ondes de cisaillement et calculer leur vitesse. Le temps de prise des bétons, déterminé avec la méthode de dérivée de la vitesse des ondes de cisaillement, survient plus tôt que celui des bétons tamisés, déterminé à l’aide de l’essai de la résistance à la pénétration. La présence de gros granulats dans le béton favorise la connectivité entre les différentes particules ce qui permet un développement rapide de sa rigidité qui affecte la vitesse des ondes de cisaillement. Finalement, l’étude de la ségrégation de huit bétons autoplaçants avec différents degrés de stabilité a été effectuée avec le P-RAT. L’indice de ségrégation a été déterminé à partir de la variation de la vitesse des ondes de cisaillement à trois hauteurs différentes dans une colonne de béton coulé de 450 mm de hauteur totale. Les résultats montrent que le P-RAT est capable d’évaluer la stabilité des bétons fluides à 10 h et à 24 h après le contact eau-ciment. Les bétons avec un indice de ségrégation à 24 h supérieur ou égal à 0,95 sont considérés comme des bétons très stables. Cette valeur critique correspond à l’indice de ségrégation de 5 % calculé avec la méthode de la colonne de ségrégation appliquée sur le béton frais.

Le ciment Portland est de loin le liant hydraulique le plus connu et utilisé depuis de très nombreuses années tant dans le secteur de la construction civile qu’au niveau du stockage des déchets (barrières ouvragées ou matériau de confinement). Le processus industriel qui donne naissance au clinker, constituant de base du ciment Portland, n’a pas subi de modifications depuis des décennies. Par ailleurs, au cours de ces dernières années, certaines considérations telles que le réchauffement climatique et le développement durable ont mis à mal les industries qui émettent des gaz à effets de serre et qui sont grosses consommatrices d’énergie. Or, la production de ciment Portland n’est pas uniquement consommatrice de calcaires, d’argiles, de marnes et de combustibles fossiles, elle produit et libère ces gaz à effets de serre tels que le dioxyde de carbone (CO2) et l’hémioxyde nitreux (N2O). Le dioxyde de soufre (SO2), l’acide chlorhydrique (HCl) ainsi que d’autres oxydes d’azote (NOx) sont également émis lors du processus de fabrication du clinker. Le secteur des matériaux de construction contribue de façon importante aux émissions de CO2, le principal responsable du réchauffement climatique. La problématique majeure de l’industrie cimentière provient d’un simple processus chimique de transformation : la décarbonatation du calcaire ou de la craie, débutant vers 550°C, qui forme de la chaux (CaO) et qui libère du dioxyde de carbone selon la réaction suivante : CaCO3 = CaO + CO2 Cette transformation est responsable de la majeure partie des émissions de CO2 liée au processus de clinkérisation. Or, ce carbonate de calcium constitue la matière première essentielle nécessaire à la fabrication du ciment. La combustion des énergies fossiles est l’autre source principale des émissions de gaz à effets de serre. Le développement de l’industrie cimentière est donc fortement lié à une stratégie qui permet de limiter ces émissions de gaz et de participer au développement durable. A l’heure actuelle, l’industrie cimentière se voit contrainte d’explorer certaines voies exploitables pour réduire ses émissions de CO2. Parmi elles, l'utilisation de matériaux de substitution, d'origine industrielle, est la voie la plus importante et intéressante en terme de réduction des émissions. Elle permet d’éviter les émissions de CO2 liées à la décarbonatation du calcaire. L'amélioration de l'efficacité énergétique est également une voie à exploiter grâce aux réductions des émissions pouvant être obtenues grâce à un renouvellement ou à une modernisation des fours de cimenteries. Les déperditions de chaleur par rayonnement tout au long de ces fours sont très importantes et peuvent être limitées en améliorant l’isolation du four. Cette amélioration contribue à l’augmentation du rendement des combustibles et donc, indirectement, à une réduction des émissions. Parmi ces deux voies, la première est plus facilement exploitable, moins coûteuse et permet d’apporter certains avantages non négligeables en terme de performance, de qualité et d’utilisation du produit fini, c’est-à-dire du ciment. Les matériaux de substitution les plus couramment utilisés depuis de nombreuses années sont les laitiers de haut-fourneau et les cendres volantes silicoalumineuses ou sulfocalciques. Le laitier de haut-fourneau est un sous-produit de l’industrie sidérurgique qui peut être valorisé soit comme ajout au ciment (liant hydraulique), lorsqu’il est vitrifié et granulé, soit comme granulat, agrégat lorsqu’il est cristallisé. Quant aux cendres volantes, elles sont issues de la combustion du charbon dans les centrales thermiques. Elles peuvent être valorisées soit comme matière première dans le cru soit, également, comme ajout au ciment. L’utilisation la plus valorisante de ces ajouts reste toutefois leur incorporation dans le ciment qui met à profit leurs propriétés pouzzolaniques (cendres volantes) et/ou hydrauliques latentes (laitier). Au point de vue de cette incorporation, seul le laitier peut être substitué, au ciment Portland, dans des proportions maximales puisqu’elles peuvent atteindre plus de 95% en poids du ciment. A ce niveau de substitution, la valorisation, en terme de limitations d’émissions directes de CO2, est maximale. De plus, si les ciments au laitier sont « respectueux » de l’environnement lors de leur production, ils possèdent également des propriétés physico-chimiques et des applications avantageuses telles que leur haute résistance aux attaques des sulfates, une faible, voire très faible, perméabilité, un bon comportement en milieu chimiquement agressif (utilisation en station d’épuration), une faible chaleur d’hydratation (utilisation dans des bétons de masse), une bonne résistance au gel, une excellente durabilité,… Cependant, malgré ces avantages plus qu’indéniables, le laitier granulé de haut-fourneau et le ciment Portland possèdent des propriétés hydrauliques qui diffèrent, de manière appréciable, au niveau de leur degré et leurs mécanismes de réactions avec l’eau. C’est essentiellement en raison de leur composition chimique et de leur structure différente que leur hydraulicité varie. Dans la réalité, ces différences se traduisent par des cinétiques de réactions d’hydratation du laitier plus lentes et, donc, par une prise du ciment et un développement des résistances mécaniques initiales plus lents. En conclusion, si les cinétiques de réactions d’hydratation sont plus lentes pour un ciment lorsque la température diminue, elles le sont d’autant plus pour un ciment au laitier. Ce comportement implique que l’utilisation de ce ciment, pour certaines applications qui nécessitent des résistances mécaniques initiales élevées (ex : usine de préfabrication de béton), n’est pas adaptée. Afin de ne pas hypothéquer l’utilisation hivernale des ciments au laitier, les principaux acteurs de la construction font appels à des adjuvants. Ces adjuvants correspondent à une classe d’additifs autre que l'eau, les granulats et le ciment qui est utilisée comme ajout au mélange de béton. Cet ingrédient peut être ajouté au mélange, avant ou pendant les opérations de malaxage. Aujourd’hui, un grand nombre de composés, organiques et inorganiques existent dans le domaine des adjuvants. Ils peuvent avoir plusieurs fonctions dont celles d’accélérer la prise et le durcissement. Cependant, le recours à ce genre d’additifs est fort coûteux et, s’ils améliorent certaines propriétés des bétons et/ou mortiers, ils peuvent en détériorer d’autres. Parmi les adjuvants utilisés commercialement, le CHLORURE DE CALCIUM est le plus répandu. Il possède un faible coût et une efficacité largement reconnue. Mais, le recours au CaCl2 lors de la fabrication des bétons est aujourd’hui proscrit par une norme pour des raisons de CORROSION D’ARMATURES MÉTALLIQUES dans les bétons et pour des RAISONS ENVIRONNEMENTALES. Cette situation entraîne donc la nécessité de développer de « nouveaux » adjuvants (accélérateurs de prise et durcissement) non chlorurés dont l’efficacité doit être prouvée, notamment vis-à-vis de : - l’hydratation du laitier et du clinker dans le ciment, - des temps de prise, - du développement des résistances mécaniques initiales, - de la température, - et son coût raisonnable. L’OBJECTIF DE CE TRAVAIL a donc été de développer un « nouvel » adjuvant qui a permi d’améliorer le durcissement et la résistance des ciments au laitier (CEM III/A, B et C) à court terme et à basse température.

Le ciment Portland est de loin le liant hydraulique le plus connu et utilisé depuis de très nombreuses années tant dans le secteur de la construction civile qu’au niveau du stockage des déchets (barrières ouvragées ou matériau de confinement). Le processus industriel qui donne naissance au clinker, constituant de base du ciment Portland, n’a pas subi de modifications depuis des décennies. <p>Par ailleurs, au cours de ces dernières années, certaines considérations telles que le réchauffement climatique et le développement durable ont mis à mal les industries qui émettent des gaz à effets de serre et qui sont grosses consommatrices d’énergie. <p>Or, la production de ciment Portland n’est pas uniquement consommatrice de calcaires, d’argiles, de marnes et de combustibles fossiles, elle produit et libère ces gaz à effets de serre tels que le dioxyde de carbone (CO2) et l’hémioxyde nitreux (N2O). Le dioxyde de soufre (SO2), l’acide chlorhydrique (HCl) ainsi que d’autres oxydes d’azote (NOx) sont également émis lors du processus de fabrication du clinker. Le secteur des matériaux de construction contribue de façon importante aux émissions de CO2, le principal responsable du réchauffement climatique.<p>La problématique majeure de l’industrie cimentière provient d’un simple processus chimique de transformation :la décarbonatation du calcaire ou de la craie, débutant vers 550°C, qui forme de la chaux (CaO) et qui libère du dioxyde de carbone selon la réaction suivante :<p><p>CaCO3 =\ / Doctorat en sciences, Spécialisation géologie / info:eu-repo/semantics/nonPublished