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Performance mécanique et mécanisme microstructural d'un système cimentaire composite ternaire silicate–ferroaluminate–cendres volantes
2026-08-06 17:13:08
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0 Introduction
Le ciment Portland ordinaire (OPC) reste le liant hydraulique dominant dans la construction mondiale en raison de ses excellentes performances mécaniques, de sa large disponibilité et de sa technologie de production bien établie. Cependant, avec l'expansion rapide du développement des infrastructures mondiales, plusieurs limitations des systèmes OPC sont devenues de plus en plus évidentes, notamment le développement relativement lent de la résistance à un âge précoce, le dégagement de chaleur d'hydratation concentré, le retrait de séchage important et les défis de durabilité dans des environnements exigeants tels que les structures marines et les projets de réparation rapide.
Parallèlement, l'industrie cimentière est sous pression croissante pour réduire les émissions de gaz à effet de serre. La fabrication du ciment représente environ 7 à 8 % des émissions mondiales de CO₂, principalement en raison de la production de clinker à haute température et de la décarbonatation du calcaire. Par conséquent, le développement de matériaux cimentaires à faible teneur en carbone avec une consommation de clinker réduite, des performances mécaniques améliorées et une durabilité accrue est devenu une direction de recherche clé dans le monde entier.
Le ciment ferro-alumineux (FAC), un ciment hydraulique spécialisé à haute teneur en phases ferro-alumineuses, a attiré une attention croissante en raison de son développement rapide de résistance, de ses faibles caractéristiques de retrait, de sa résistance à la corrosion et de sa demande énergétique de production de clinker relativement inférieure à celle du ciment Portland traditionnel. Ses principales phases de clinker comprennent le sulfoaluminate de calcium (C₄A₃S), le silicate dicalcique (C₂S) et le ferro-aluminate de calcium (C₄AF).
Cependant, comme pour les autres systèmes de ciment à durcissement rapide, le FAC pur peut souffrir d'un développement insuffisant de la résistance à un âge avancé ou d'une réduction de la résistance en raison de produits d'hydratation à long terme limités. Pour surmonter cette limitation, les matériaux cimentaires supplémentaires (SCM), en particulier les cendres volantes (FA), ont été largement étudiés.
Les cendres volantes, un sous-produit industriel disponible mondialement, améliorent l'ouvrabilité grâce à l'effet de remplissage des particules et à l'effet de roulement à billes. Parallèlement, leur activité pouzzolanique consomme de l'hydroxyde de calcium (CH) et produit un gel de silicate de calcium hydraté (C–S–H) supplémentaire, contribuant à l'amélioration de la résistance à long terme et à la réduction du carbone.
Les études précédentes se sont principalement concentrées sur les systèmes de ciment binaires tels que les mélanges OPC–SCM ou OPC–ciment sulfo-alumineux. Cependant, les mécanismes d'hydratation, l'évolution mécanique et les caractéristiques microstructurales des systèmes composites ternaires OPC–FAC–FA restent insuffisamment compris.
Cet article présente une perspective mondiale sur le développement d'un liant composite ternaire combinant le ciment Portland, le ciment ferro-alumineux et les cendres volantes. Grâce à l'analyse de la conception du mélange, des propriétés mécaniques, du comportement de retrait et de la caractérisation microscopique par diffraction des rayons X (DRX) et microscopie électronique à balayage (MEB), le mécanisme d'hydratation synergique de ce système cimentaire à faible teneur en carbone est discuté.
1 Aperçu de la conception expérimentale
Le programme expérimental a été mené avec un rapport eau/liant constant de 0,36 et un rapport sable/liant de 0,5.
Un OPC de qualité 42,5 a été utilisé comme liant de référence. Le ciment ferro-alumineux a été introduit en remplaçant l'OPC à des niveaux de 0 à 10 % en masse, produisant une série de mélanges binaires OPC–FAC.
Sur la base de la teneur optimisée en FAC de 8 %, les cendres volantes ont été incorporées en remplaçant l'OPC à des niveaux allant de 0 à 60 %, formant des systèmes ternaires OPC–FAC–FA.
L'évaluation expérimentale comprenait :
Mesures du temps de prise des pâtes de ciment ;
Test de fluidité du mortier ;
Essais de résistance à la flexion et à la compression à différents âges de cure ;
Mesures du retrait de séchage jusqu'à 90 jours ;
Analyse de phase par DRX et observation microstructurale par MEB.
2 Évolution des propriétés macroscopiques
2.1 Comportement de prise et ouvrabilité
L'incorporation de FAC a considérablement accéléré l'hydratation du ciment.
Pour l'OPC pur, les temps de prise initial et final étaient d'environ 147 minutes et 225 minutes, respectivement. Lorsque 10 % de FAC a été introduit, le temps de prise initial a diminué à 40 minutes, représentant une réduction de 72,7 %, tandis que le temps de prise final a diminué à 80 minutes, une réduction de 64,4 %.
Ce comportement de prise accéléré est principalement attribué à l'hydratation rapide des phases ferro-alumineuses. Pendant l'hydratation de l'OPC, l'hydroxyde de calcium augmente l'alcalinité du système et favorise la formation d'ettringite (AFt) à partir de C₄A₃S dans le FAC. La cristallisation rapide de l'AFt crée un cadre rigide précoce, accélérant la perte de plasticité.
L'effet du FAC sur l'ouvrabilité a montré une tendance typique « augmentation suivie d'une diminution ». À des dosages plus faibles de FAC, le remplissage des particules a amélioré la fluidité, tandis qu'un excès de FAC a accéléré l'hydratation et augmenté la consommation d'eau, réduisant la fluidité.
Dans le système ternaire OPC–FAC–FA, l'ajout de cendres volantes a produit un effet non linéaire. De faibles teneurs en cendres volantes ont accéléré la formation d'AFt et raccourci le temps de prise, tandis que des teneurs plus élevées en cendres volantes ont augmenté le temps de prise et amélioré la fluidité en raison des effets de dilution et de l'amélioration du remplissage des particules.
2.2 Performance mécanique
Le FAC pur a montré un développement limité de la résistance à long terme, tandis que la combinaison du FAC avec l'OPC a efficacement amélioré cet inconvénient. Les mélanges binaires OPC–FAC ont montré une résistance supérieure à celle des systèmes OPC pur et FAC pur.
Le mélange contenant 10 % de FAC a obtenu la meilleure performance binaire :
Résistance à la compression à 7 jours : 38,3 MPa ;
Résistance à la compression à 14 jours : 42,8 MPa ;
Résistance à la compression à 28 jours : 46,6 MPa.
Par rapport à l'OPC pur, la résistance à la compression a augmenté de 24,8 %, 18,4 % et 15,6 % à 7, 14 et 28 jours, respectivement. La résistance à la flexion a également augmenté de 28,4 %, 22,6 % et 15,1 %.
L'amélioration de la résistance précoce résultait de :
L'hydratation rapide des phases C₄A₃S et C₄AF ;
L'hydratation accélérée des minéraux du clinker OPC, en particulier C₃S et C₂S.
Dans le système ternaire, les cendres volantes ont réduit la résistance précoce à 7 et 14 jours en raison de leur vitesse de réaction plus lente. Cependant, la résistance à la compression à 28 jours a d'abord augmenté puis diminué avec l'augmentation de la teneur en cendres volantes.
La teneur optimale en cendres volantes était d'environ 20 %, atteignant une résistance à la compression à 28 jours de 49,4 MPa, soit 7,4 % de plus que le système binaire FAC8 %.
Une composition équilibrée OPC–FAC–FA contenant 8 % de FAC et 30 % de FA a maintenu d'excellentes performances, avec une résistance à la compression à 28 jours et une résistance à la flexion encore supérieures de 15,9 % et 9,9 % à celles de l'OPC pur.
2.3 Performance de retrait de séchage
La réduction du retrait est l'un des avantages importants du système de liant ternaire.
À 90 jours :
L'OPC pur a montré un retrait de séchage d'environ 1055 μm/m ;
Le FAC pur n'a montré que 421 μm/m ;
L'OPC avec 10 % de FAC a réduit le retrait à 846 μm/m.
La réduction était principalement attribuée à l'expansion des cristaux d'AFt et à la rigidité plus élevée à un âge précoce, ce qui a aidé à compenser la déformation de retrait.
Les cendres volantes ont encore amélioré la résistance au retrait. Le mélange FAC8%-FA30% a atteint une valeur de retrait à 90 jours de 787 μm/m, représentant une réduction de 25,4 % par rapport à l'OPC pur.
L'amélioration résultait de :
La réduction de la demande en eau due au remplissage des particules de cendres volantes ;
L'affinement de la structure des pores causé par les réactions pouzzolaniques ;
La réduction de la chaleur d'hydratation et des contraintes internes.
3 Preuves microstructurales et mécanisme d'hydratation
L'analyse par DRX a confirmé le mécanisme d'hydratation synergique du système ternaire.
Après l'incorporation de FAC :
Les pics caractéristiques de l'AFt ont augmenté de manière significative ;
Les pics de C₃S et C₂S ont diminué.
Ces résultats indiquent que le FAC accélère les réactions d'hydratation des phases du clinker OPC.
Après l'ajout de 30 % de cendres volantes :
Le pic caractéristique de CH a diminué de manière significative ;
confirmant que les réactions pouzzolaniques ont consommé de l'hydroxyde de calcium et généré un gel C–S–H supplémentaire.
Les observations au MEB ont montré :
L'OPC pur contenait des cristaux de CH en forme de plaques et des phases d'AFt fibreuses limitées.
Les échantillons FAC8% présentaient des réseaux denses de cristaux d'AFt en forme d'aiguilles et une teneur en CH réduite.
Les échantillons FAC8%-FA30% montraient des particules de cendres volantes enrobées de gel C–S–H, avec des pores remplis et une microstructure plus dense.
L'amélioration des propriétés mécaniques, la réduction du retrait et l'amélioration de la résistance à long terme peuvent être attribuées aux effets combinés de :
Formation du cadre AFt + consommation de CH + remplissage du gel C–S–H.
4 Implications mondiales pour l'ingénierie et perspectives futures
Le système cimentaire ternaire OPC–FAC–FA représente une approche prometteuse pour développer des liants à faible teneur en carbone et haute performance pour les applications de construction mondiales.
Ses avantages proviennent des fonctions complémentaires de chaque composant :
Le FAC fournit un développement rapide de la résistance à un âge précoce et une compensation du retrait ;
Les cendres volantes améliorent la résistance à long terme, la durabilité et la durabilité environnementale ;
L'OPC fournit une hydratation stable et une base mécanique.
Le processus d'hydratation peut être résumé comme suit :
Formation du cadre AFt à un âge précoce → Densification du C–S–H à un âge avancé
Cela rend le système ternaire attrayant pour :
Les composants en béton préfabriqué ;
Les matériaux de réparation rapide de chaussées et de ponts ;
Les infrastructures marines ;
Les structures d'ingénierie souterraine.
Une plage de composition pratique peut être envisagée :
Ciment ferro-alumineux : 8–10 % ;
Cendres volantes : 20–30 %.
Le rapport optimal doit être ajusté en fonction des exigences du projet, y compris la résistance précoce, la durabilité et les objectifs de réduction du carbone.
Les recherches futures devraient se concentrer sur trois domaines principaux :
Expansion des matériaux cimentaires supplémentaires en incorporant du laitier, du laitier d'acier, de l'argile calcinée et d'autres résidus industriels.
Évaluation complète de la durabilité, y compris la résistance aux chlorures, la résistance à la carbonatation, la résistance aux sulfates et la stabilité volumétrique à long terme.
Validation à l'échelle de l'ingénierie par des applications en béton, des essais sur le terrain et le développement de normes internationales.
Alors que l'industrie mondiale de la construction évolue vers des émissions nettes nulles, les liants composites ternaires qui combinent des phases d'hydratation rapide avec des matériaux supplémentaires durables peuvent fournir une voie efficace pour atteindre à la fois des performances élevées et une réduction significative du carbone.
