L’utilisation des cendres volantes dans le béton permet d’atteindre plusieurs objectifs :
– Réduire la quantité de ciment utilisée et donc diminuer les coûts
– Réduire la chaleur d’hydratation
– Améliorer la maniabilité du béton
– Améliorer l’acquisition des performances mécaniques à long terme
– Améliorer la durabilité
Deux voies sont employées pour les incorporer au béton :
– Utiliser un mélange de ciment aux cendres volantes
– Utiliser les cendres en tant que composant supplémentaire du béton, c’est à dire en tant qu’additions de type II, au sens de la norme NF EN 206-1.
Dans le cas de l’usage de la première voie, le mélange de ciment doit alors, en France, respecter la norme NF P 15-301 de juin 1994 : Ciment courants : Composition , spécifications et critères de conformité :
| La norme NF P 15-301 de juin 1994 précise que si la proportion de cendres volantes est supérieure à 5% en masse du mélange, seules les cendres, répondant aux spécifications de cette même norme sont utilisables. Elle distingue les cendres volantes siliceuses (V) et les cendres volantes calciques (W) et, pour les premières, elle précise le seuil de teneur maximale en chaux réactive (moins de 5 %) et la teneur minimale en silice (25%). Selon la norme NF EN 197-1 d’avril 2012, si un ciment contient de 6 à 20 % en masse de cendres volantes siliceuses (V), il est alors désigné comme ciment Portland composé (CEM II/A-V). S’il contient de 21 à 35% en masse de cendres volantes calciques (W), il est alors désigné comme ciment Portland composé (CEM II/B-V). |
Effets des cendres volantes sur le béton
Maniabilité et rhéologie
En raison de leur sphéricité et de leur très petite dimension, les cendres volantes influent sur la rhéologie des pâtes de ciment. L’ajout de cendres réduit le besoin en eau nécessaire à l’obtention d’une maniabilité équivalente pour un ciment sans cendres volantes : les cendres peuvent donc jouer un rôle de plastifiant.
Retard de prise
Les cendres volantes retardent la prise du ciment, ce qui peut être un avantage par temps chaud. Leur ajout peut donc nécessiter l’emploi d’un accélérateur. Notons que seul le début de la prise est retardé ; à partir du début de la prise, la période d’atteinte du durcissement final n’est pas modifiée.
Température d’hydratation
L’hydratation de la pâte de ciment s’accompagne d’une élévation de la température. Retardant et ralentissant l’hydratation du ciment, les cendres volantes ont une influence bénéfique sur l’évolution de la chaleur d’hydratation. Elles sont donc précieuses dans Modifierles bétons de masse : réduisant l’exothermie des réactions d’hydratation, elles permettent d’éviter la fissuration par retrait thermique des ouvrages massifs.
Complément du fuseau granulaire
Compte tenu de leur finesse et de leur sphéricité, les cendres peuvent être utilisées pour corriger les sables dépourvus d’éléments fins. Contribuant alors à la compacité des mortiers, elles contribuent ainsi également à leur durabilité.
Résistance mécanique et durabilité
Du fait de leur activité pouzzolanique consommant la portlandite, les cendres augmentent les résistances mécaniques à long terme des bétons, améliorant de fait leurs résistances aux attaques chimiques et donc leur durabilité. Ces deux avantages proviennent également de la compacité que fournit au béton leur ajout (effet filler).
Effet pouzzolanique des cendres incorporées dans le béton ou dans le ciment (1)
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L’hydratation des ciments aux cendres volantes Dans le cas des cendres silico-alumineuses, le délai de déclenchement de la réaction pouzzolanique (certains auteurs parlent d’une période de latence) peut s’expliquer par le fait que la silice amorphe des cendres n’est attaquée qu’à partir du moment où le pH du liquide interstitiel du béton atteint au moins 13,2. Or, l’alcalinité du liquide interstitiel ne croît qu’avec l’hydratation d’une partie du ciment Portland du béton. Pendant cette période la réaction est encore retardée du fait que les produits d’hydratation du ciment Portland viennent se fixer sur les cendres qui jouent alors le rôle de nucleus de germination ; la gangue ainsi formée retarde l’attaque de la silice amorphe. L’hydratation des cendres volantes est donc lente mais à long terme, le béton aux cendres atteint des performances élevées, tant au regard des résistances mécaniques que des propriétés de transfert. |
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Ainsi, sur le Pont Vasco de Gama construit sur le Tage à Lisbonne, les bétons dosés à 430 k/m3 d’un ciment contenant 22% de cendres silico-alumineuses atteignent à 28 jours des coefficients de diffusion proches de 10-13m2.s-1 et une perméabilité à l’oxygène inférieure à 10-18m2. Les auteurs précisent qu’à cette échéance, l’action pouzzolanique des cendres volantes est faible (2). |
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Résistance des bétons de cendres aux milieux chimiquement agressifs C’est la structure de pores de la matrice cimentaire qui détermine sa porosité et sa perméabilité et donc sa sensibilité aux processus de transport et de diffusion. La perméabilité du béton est une fonction du rapport eau/ciment. Le remplacement du ciment par des cendres volantes fait croître ce rapport eau/ciment. Pour cette raison la structure poreuse initiale d’un ciment aux cendres est initialement plus ouverte que celle d’un béton classique de référence, ce qui se traduit par de moindres performances mécaniques aux jeunes âges. Lorsque les cendres volantes, entre 7 et 28 jours, initient leur activité pouzzolanique, la porosité de la matrice commence à décroître. Compte tenu du délai de réaction des cendres, c’est avec le temps que le béton aux cendres deviendra plus imperméable qu’un béton classique.
Changement de la distribution de la dimension des pores (porosimétrie mercure)
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L’ ajout de cendres volantes réduit le coefficient de diffusion des ions chlorures non seulement par une diminution, à terme, de la porosité de la matrice cimentaire, mais également du fait de l’amélioration de la capacité de liaison des ions chlorures par la matrice, ceci pour plusieurs raisons :
- Liaison chimique : l’élévation de la teneur en alumine qu’implique l’ajout de cendre améliore la capacité de liaison des ions chlorures par la formation de chloroaluminates,
- Liaison physique : l’enrichissement en C-S-H qu’implique la réaction pouzzolanique augmente d’autant les capacités d’adsorption des ions chlorure à la surface du gel de C-S-H.
Notes
(1) d’après PREDIS Nord-Pas-de-Calais : Guides techniques régionaux relatifs à la valorisation des déchets et des co-produits industriels
(2) Overview of a two decades durability follow-up for two major bridges: Vasco de Gama (Portugal) and Rion-Antirion (Greece) : in FIB International Congress – 2012, Ammouche, Abdelkrim ; Carde, Christophe ; Rafaï, Nourredine ; Linger, Lionel. – 2012. – 8 p.
(3) The reaction of fly ash in concrete, a critical examination. Fraay, Bijen, de Haan. Cement and Concrete Research, 19, n° 2, 1990