Optimisation of concrete mix design with high content of mineral additions : effect on microstructure, hydration and shrinkahe

• Auteur / Autrice : Muhammad Irfan Ahmad Khokhar
• Direction : Ahmed Loukili
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Civil
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Minéraux

Ciment

Ciment -- Produits de remplacement

Ciment de laitier

Mots clés libres

Additions minérales

Résumé

Le ciment utilisé dans la construction est issu de la décarbonatation du calcaire à très haute température, impliquant une émission considérable de CO2. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR EcoBéton piloté par le GeM, Ecole Centrale de Nantes et dont le but est de montrer la faisabilité d’une substitution massive du ciment par des additions minérales telles que les laitiers de hauts-fourneaux, des cendres volantes et des fillers calcaires. Cette substitution implique généralement une diminution de la résistance en compression au jeune âge. Pour résoudre ce problème, une méthode d’optimisation de la formulation des bétons utilisant la relation de Bolomey a été proposée. Au vu des bons résultats obtenus sur mortiers, une série d’essais sur bétons contenant différents taux de substitution a alors été réalisée dans le but de valider la méthode d’optimisation. Pour répondre aux exigences des constructeurs sur les performances des bétons au jeune âge qui conditionnent leur durabilité, une étude expérimentale complète a été réalisée. Des tests standards de mesure des propriétés mécaniques (compression, traction, prise) ont d’abord permis de valider le choix des formulations avec des additions minérales sur la base d’une équivalence de performances. Ensuite, les travaux se sont focalisés sur le processus d’hydratation des écobétons dans le but d’expliquer les évolutions des propriétés mécaniques. Une méthode de mesure par ultrasons de la prise à différentes températures (10°C, 20°C et 30°C) a montré que le laitier et les cendres volantes retardent la prise du béton, alors que les fillers calcaires peuvent avoir un effet accélérateur. Les études calorimétriques sur mortiers et bétons ont permis de calculer les énergies d’activation des différents mélanges et d’observer une baisse de la chaleur d’hydratation des bétons avec additions ce qui est bénéfique pour les ouvrages massifs. Les observations au microscope électronique à balayage et les analyses thermiques ont de plus apporté quelques informations riches sur le processus d’hydratation. Il a été observé que les produits hydratés, quelque soit les formulations, sont les mêmes à long terme, mais leur temps de formation et leur volume sont différents. La dernière partie de la thèse a été consacrée à l’étude des principaux types de retrait. Dans un premier temps, les déformations mesurées sur béton frais ont été corrélées à l’hydratation, à la dépression capillaire et à l’évolution de la porosité. Les résultats ont permis de mettre en évidence que l’utilisation des additions minérales a un effet sur le retrait plastique, mais son impact n’est pas proportionnel à la quantité d’additions. La substitution du ciment par les additions semble avoir un effet prononcé sur la cinétique sans influencer l’amplitude à long terme. L’étude du retrait empêché à l’anneau en conditions de séchage a montré que les bétons contenant des laitiers semblent être plus sujets à la fissuration à long terme que les bétons formulés avec du ciment Portland.

The cement being used in the construction industry is the result of a chemical process linked to the decarbonation of limestone conducted at high temperature and results in a significant release of CO2. This thesis is part of the project EcoBéton (Green concrete) funded by the French National Research Agency (ANR), with a purpose to show the feasibility of high substitution of cement by mineral additions such as blast furnaces slag, fly ash and limestone fillers. Generally for high percentages of replacements, the early age strength is lower than Portland cement concrete. To cope with this problem, an optimisation method for mix design of concrete using Bolomey’s law has been proposed. Following the encouraging results obtained from mortar, a series of tests on concretes with different substitution percentages were carried out to validate the optimisation method. To meet the requirements of the construction industry related to performance of concrete at early age, which determine their durability, a complete experimental study was carried out. Standard tests for the characterization of the mechanical properties (compressive strength, tensile strength, and setting) allowed to validate the choice of mix design on the basis of equivalent performance. We focused on the hydration process to understand the evolution of the mechanical properties. Setting time measurement by ultrasound device at different temperatures (10°C, 20°C and 30°C) showed that ground granulated blast furnace slag (GGBFS) and fly ash delayed the setting process, while use of limestone filler may accelerate this process. Calorimetric studies over mortars and concretes made possible to calculate the activation energy of the different mixtures and a decrease in heat of hydration of concretes with mineral additions was observed which is beneficial for use in mega projects of concrete. Scanning Electron Microscopy observations and thermal analysis have given enough information about the hydration process. It was observed that the hydration products are similar for different concrete mixtures, but the time of their appearance and quantity in the cement matrix varies for each concrete mix. Last part of the thesis was dedicated to the study of main types of shrinkage. First of all, deformations measured were correlated to hydration, capillary depression and porosity evolution. Results allowed concluding that the use of mineral additions has an actual effect on the plastic shrinkage behaviour, but its impact is not proportional to the percentage of additions. Substitution of cement by the additions seems to have a marked influence on the kinetics of the shrinkage without any effect on its long term amplitude. The study of restrained shrinkage under drying conditions by means of ring tests showed that concretes with high percentage of slag addition seem more prone to cracking than the Portland cement concretes.