Les pouzzolanes et les basaltes
Les pouzzolanes et les basaltes Les pouzzolanes et les basaltes
POUZZOLANES ET BASALTES RÉSUMÉ Le liant pouzzolanes-chaux M. FOURNIER J.-M. GEOFFRAY Assistants Laboratoire régional de Clermont-Ferrand L'analyse chimique de pâtes pouzzolanes-chaux à différents stades d'avancement de la réaction pouzzolanique montre que ce sont essentiellement des silicates de calcium hydratés, peu basiques et à forte teneur en eau qui sont à l'origine de l'apparition de la cohésion. Les aluminates ne jouent qu'un rôle accessoire. La finesse de la pouzzolane semble être le facteur principal de l'augmentation de la résistance mécanique de telles pâtes. La chaux, outre son rôle de réactif, peut être responsable d'un surcroit de cohésion lorsqu'elle comporte des constituants clinkerisés. MOTS CLÉS : 33 - Mélange - Pouzzolane - Chaux - Liant - Cohésion - Essai - Résistance (mater.) - Traction - Réaction (chim.) - Hydrate - Silicate - Calcium - Composition du mélange - Granulométrie. Le liant pouzzolanes-chaux existe depuis fort long temps. En effet, les Latins utilisaient déjà dans l'Anti quité des mortiers à base de chaux pour la liaison entre les moellons ou pierres taillées. Ils importèrent cette technique en Gaule, comme en témoignent de nom breux vestiges du sud-est de la France. Cette technique traversa le Moyen Age en subissant quelques modifications: ainsi le dosage en chaux augmenta considérablement et peu à peu les chaux hydrauliques se substituèrent aux chaux aériennes, comme le montre l'étude des mortiers de cette époque (mur des Sarrasins à Clermont-Ferrand). Cependant, une version quasi originale de la technique est parvenue jusqu'à nos jours, car nombreux sont les paysans du Massif central qui traitent encore leur sol de grange par des mélanges de trois quarts de pouzzola nes et d'un quart de chaux additionnée d'eau. Partant de ces idées, le Laboratoire régional de Clermont-Ferrand entreprit une série d'études pour réajuster les bonnes proportions des constituants du liant pouzzolanes-chaux en vue d'une éventuelle ap plication routière: car il n'y avait qu'un pas à franchir pour tenter de substituer la pouzzolane broyée au lai tier granulé de la technique grave-laitier. Il fallait donc préciser le rôle de chacun des compo sants (pouzzolanes - chaux et eau). A cet effet, le méca nisme de cohésion a dû être préalablement étudié, en 70 même temps que l'influence des différents paramètres, à savoir: — l'origine, — l'aspect, — la coloration et la finesse des pouzzolanes, — la teneur et la nature des chaux aériennes et l'impor tance du rôle de l'eau. MÉCANISME DE COHÉSION Les propriétés liantes des mélanges pouzzolanes- chaux sont inconstestables; cependant l'explication de ce phénomène était jusqu'alors relativement mal connue et il devenait nécessaire d'entreprendre des études pour éclaircir le mécanisme de cohésion de ce liant. A cet effet, une série d'essais a été réalisée en vue d'établir des corrélations entre l'augmentation des ca ractéristiques mécaniques développées par ce liant et la formation des composés cristallins responsables de cette cohésion: aluminates tétracalciques et silicates de chaux hydratés. Choix des matériaux Pour la pouzzolane, il s'agit du passant à 80 ,u d'un sable obtenu par broyage de pouzzolanes 5/10 lavées de Volvic. Bull. Liaison Labo. P. et Ch. - 93 - janv.-févr. 1978 - Réf. 2145
La chaux est une chaux aérienne calcique éteinte dont les caractéristiques sont les suivantes: — refus sur le tamis de 80/u = 0,20 % — masse volumique à 20 °C = 2,20 g/cm 3 — surface spécifique Blaine = 14 000 cm 2 /g — composition minéralogique (tableau I). TABLEAU I Caractéristiques minéralogiques de la chaux (%) — Teneur en insolubles dans HCI (quartz, silicates insolubles, argiles, etc.) 0,12 — Teneur en calcite (CaC03) 4,62 — Teneur en chaux hydratée Ca(OH)2 — H20 libre (humidité) + H20 fixée sur les constituants clinkérisés 91,34 Total 97,08 — Teneur en constituants clinkérisés 3 Etuis de conservation Les étuis utilisés présentent les caractéristiques sui vantes : — longueur moyenne : 6,85 cm, — diamètre moyen : 3,30 cm. Le fond de chaque étui a été découpé à la scie circulaire et le bord ébarbé. Cette préparation a été réalisée de façon à pouvoir fermer les deux ouvertures par un ca puchon en plastique afin de faciliter le démoulage de l'éprouvette par simple poussée sur l'une des deux faces. Confection des éprouvettes La composition du mélange pouzzolanes-chaux a été fixée sur les bases de : — 85 % de fines de pouzzolanes, — 15 % de chaux aérienne calcique éteinte. Le mélange à sec a été réalisé dans un malaxeur Rilem 32 type béton, en une seule fois. Toutefois l'ho mogénéité se faisant mal, du fait de la présence de grumeaux dans la chaux, le mélange initial pouzzolanes-chaux a dû être tamisé à 80 p afin de briser les grumeaux. Le refus à 80 p du mélange a été pilé dans un mortier et repassé sur le même tamis de façon à ce qu'il n'y ait aucune perte. Après cette manipulation, le mélange subit une rého mogénéisation dans le malaxeur, et l'eau est ajoutée jusqu'à l'obtention d'une bonne maniabilité qui se pro duit pour une teneur légèrement supérieure à 21 % par rapport au mélange sec. La confection des éprouvettes est réalisée par coulage du mortier dans les étuis placés sur une table vibrante. Après fermeture des étuis, l'ensemble est mis dans une salle de conservation à 20 °C. Résultats Après conservation de 19, 36, 56, 85, 120 et 152 jours, les éprouvettes sont démoulées et subissent les essais de rupture en compression diamétrale du type « Brési lien ». Les résultats obtenus (fig. 1) montrent que les résistances croissent linéairement jusqu'à 56 jours. Entre 56 et 100 jours une phase intermédiaire est ob servée : la vitesse de montée des résistances décroît sensiblement. Au-delà de cette période les performan ces mécaniques continuent de croître linéairement avec cependant une vitesse plus faible. RT b (bar) U i 1 1 1 1 : 1 1 »J 19 36 56 85 120 152 176 Fig. 1 - Courbe d'évolution des résistances en traction « Brésilien» en fonction de l'âge. Après écrasement, les éprouvettes sont reprises en to talité pour être soumises à des essais chimiques nous paraissant intéressants pour tenter d'expliquer le mé canisme de cohésion de ces liants pouzzolanes-chaux. Pour apprécier l'avancement de la réaction pouzzola- nique, nous avons eu recours à trois déterminations : a) la quantité de chaux libre résiduelle; b) le taux d'alumine et de silice solubilisables dans l'acide chlorhydrique dilué au 1/50 à froid sous agita tion magnétique pendant trente minutes selon la tech nique de I.A. Voinovitch et coll. Dans ces conditions, les aluminates et silicates de calcium hydratés formés par la réaction pouzzolanique sont en effet solubilisés, alors que la matière pouzzolanique originelle reste inattaquée. L'alumine et la silice solubles sont ensuite dosées par absorption atomique; c) la quantité d'eau liée chimiquement, déterminée par différence entre la teneur en eau initiale et la perte de poids à 60 °C sous atmosphère inerte. L'évolution de ces quatre paramètres est indiquée sur la figure 2. On remarque que les proportionnalités auxquelles on pouvait s'attendre a priori ne sont pas respectées. En effet, si nous calculons le rapport silice soluble/alumine soluble, correction faite des valeurs initiales, corres pondant à une solubilisation de la pouzzolane elle- même, on constate qu'il varie de 17à une valeur proche de 6, très supérieure au rapport des teneurs en silice et en alumine de la pouzzolane égal à 3,3, cela montre une mobilisation préférentielle de la silice, très marquée aux jeunes âges (fig. 3). t(j) 71
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POUZZOLANES ET BASALTES<br />
RÉSUMÉ<br />
Le liant <strong>pouzzolanes</strong>-chaux<br />
M. FOURNIER<br />
J.-M. GEOFFRAY<br />
Assistants<br />
Laboratoire régional de Clermont-Ferrand<br />
L'analyse chimique de pâtes <strong>pouzzolanes</strong>-chaux à différents stades d'avancement de la<br />
réaction pouzzolanique montre que ce sont essentiellement des silicates de calcium hydratés,<br />
peu basiques <strong>et</strong> à forte teneur en eau qui sont à l'origine de l'apparition de la cohésion. <strong>Les</strong><br />
aluminates ne jouent qu'un rôle accessoire.<br />
La finesse de la pouzzolane semble être le facteur principal de l'augmentation de la<br />
résistance mécanique de tel<strong>les</strong> pâtes.<br />
La chaux, outre son rôle de réactif, peut être responsable d'un surcroit de cohésion<br />
lorsqu'elle comporte des constituants clinkerisés.<br />
MOTS CLÉS : 33 - Mélange - Pouzzolane - Chaux - Liant - Cohésion - Essai - Résistance<br />
(mater.) - Traction - Réaction (chim.) - Hydrate - Silicate - Calcium - Composition du mélange -<br />
Granulométrie.<br />
Le liant <strong>pouzzolanes</strong>-chaux existe depuis fort long<br />
temps. En eff<strong>et</strong>, <strong>les</strong> Latins utilisaient déjà dans l'Anti<br />
quité des mortiers à base de chaux pour la liaison entre<br />
<strong>les</strong> moellons ou pierres taillées. Ils importèrent c<strong>et</strong>te<br />
technique en Gaule, comme en témoignent de nom<br />
breux vestiges du sud-est de la France.<br />
C<strong>et</strong>te technique traversa le Moyen Age en subissant<br />
quelques modifications: ainsi le dosage en chaux<br />
augmenta considérablement <strong>et</strong> peu à peu <strong>les</strong> chaux<br />
hydrauliques se substituèrent aux chaux aériennes,<br />
comme le montre l'étude des mortiers de c<strong>et</strong>te époque<br />
(mur des Sarrasins à Clermont-Ferrand).<br />
Cependant, une version quasi originale de la technique<br />
est parvenue jusqu'à nos jours, car nombreux sont <strong>les</strong><br />
paysans du Massif central qui traitent encore leur sol de<br />
grange par des mélanges de trois quarts de pouzzola<br />
nes <strong>et</strong> d'un quart de chaux additionnée d'eau.<br />
Partant de ces idées, le Laboratoire régional de<br />
Clermont-Ferrand entreprit une série d'études pour<br />
réajuster <strong>les</strong> bonnes proportions des constituants du<br />
liant <strong>pouzzolanes</strong>-chaux en vue d'une éventuelle ap<br />
plication routière: car il n'y avait qu'un pas à franchir<br />
pour tenter de substituer la pouzzolane broyée au lai<br />
tier granulé de la technique grave-laitier.<br />
Il fallait donc préciser le rôle de chacun des compo<br />
sants (<strong>pouzzolanes</strong> - chaux <strong>et</strong> eau). A c<strong>et</strong> eff<strong>et</strong>, le méca<br />
nisme de cohésion a dû être préalablement étudié, en<br />
70<br />
même temps que l'influence des différents paramètres,<br />
à savoir:<br />
— l'origine,<br />
— l'aspect,<br />
— la coloration <strong>et</strong> la finesse des <strong>pouzzolanes</strong>,<br />
— la teneur <strong>et</strong> la nature des chaux aériennes <strong>et</strong> l'impor<br />
tance du rôle de l'eau.<br />
MÉCANISME DE COHÉSION<br />
<strong>Les</strong> propriétés liantes des mélanges <strong>pouzzolanes</strong>-<br />
chaux sont inconstestab<strong>les</strong>; cependant l'explication<br />
de ce phénomène était jusqu'alors relativement mal<br />
connue <strong>et</strong> il devenait nécessaire d'entreprendre des<br />
études pour éclaircir le mécanisme de cohésion de ce<br />
liant.<br />
A c<strong>et</strong> eff<strong>et</strong>, une série d'essais a été réalisée en vue<br />
d'établir des corrélations entre l'augmentation des ca<br />
ractéristiques mécaniques développées par ce liant <strong>et</strong><br />
la formation des composés cristallins responsab<strong>les</strong> de<br />
c<strong>et</strong>te cohésion: aluminates tétracalciques <strong>et</strong> silicates<br />
de chaux hydratés.<br />
Choix des matériaux<br />
Pour la pouzzolane, il s'agit du passant à 80 ,u d'un<br />
sable obtenu par broyage de <strong>pouzzolanes</strong> 5/10 lavées<br />
de Volvic.<br />
Bull. Liaison Labo. P. <strong>et</strong> Ch. - 93 - janv.-févr. 1978 - Réf. 2145
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