Effets des cendres volantes sur le developpement des resistances mecaniques des betons prefabriques

Y. Maltais, J. Marchand, R. Gagne et A. Tagnit-Hamou

R6surn15 : Cet article prtsente les rCsultats d'une Ctude de l'influence des cendres volantes sur le dCveloppement des propriCtCs mCcaniques de bCtons ayant subi un traitement thermique de 24 h. En plus de la temperature de cure (23 et 60°C), les variables CtudiCes au cours de cette sCrie d'essai incluaient le type de ciment (types 10 et 30) et la source de cendres volantes (quatre differentes cendres volantes de classe F d'origine nord-americaine). En tout, 10 bCtons ont Ct& fabriquCs et testCs. Les rCsultats de cette Ctude dCmontrent que l'utilisation d'une cure thermique permet d'accCltrer de manikre importante les gains de resistance i la compression d'un bCton au cours des premikres 24 h. Les rCsultats des essais indiquent Cgalement que les risistances i long terme des bCtons tCmoins portland sont peu affectkes par le traitement thermique. Bien qu'elle ait permis d'augmenter les gains de rCsistance i la compression au cours des premikres heures, l'utilisation d'une cure accClCrCe a cependant contribuC i rCduire le dCveloppement des rCsistances mCcaniques des bCtons avec cendres volantes pour la pCriode comprise entre 1 et 28 jours de cure. L'influence de la cure accClCrCe sur le dCveloppement des rksistances i la compression est discutke.

Mots elks : rrtsistance i la compression, Ctuvage, cendres volantes, prkfabrication.

Abstract: The results of an investigation of the influence of fly ashes on the development of mechanical properties of concretes subjected to 24-h thermal curing are presented in this paper. In addition to the curing temperature (23 and 60°C), the variables studied in this investigation were the type of cement (types 10 and 30) and the source of fly ashes (four different North-American class F fly ashes). Overall, 10 different concrete mixtures were tested. Test results indicate that thermal curing tends to increase significantly the concrete compressive strength in the first 24 h. Data also demonstrate that the thermal curing regime does not have any detrimental effect on the long-term compressive strength of ordinary portland cement concrete. Compressive strength of fly ash concretes was significantly reduced by thermal curing in the 1- to 28-day period, despite an initial increase. The influence of thermal curing on the development of concrete compressive strength is discussed.

Key words: compressive strength, steam curing, fly ashes, precast concrete.

Introduction tance lors des premiers jours de mOrissement (Alexanderson

I1 est maintenant bien connu que le dCveloppement des rCsis- tances mCcaniques d'un bCton est directement affect6 par divers facteurs. Par exemple, il a CtC clairement Ctabli que l'utilisation d'une temperature de cure ClevCe permet d'accB ICrer le dCveloppement de la rCsistance B la compression du bCton au trbs jeune 2ge. La cinCtique d'hydratation du bCton est, comme la plupart des reactions chimiques, trbs sensible B la tempCrature du milieu ambiant. Une hausse de la tempt- rature de cure contribue & accClCrer la reaction d'hydratation (Scrivener et Weiker 1992) et B augmenter les gains de rCsis-

Recu le 4 octobre 1995. Accept6 le 1" mai 1996.

Y. Maltais et J. Marchand. Centre de recherche interuniversitaire sur le bCton, Dtpartement de genie civil, UniversitC Laval, QuCbec, QC GlK 7P4, Canada. R. Gagne et A. Tagnit-Harnou. Centre de recherche intemniversitaire sur le bCton, DCpartement de genie civil, UniversitC de Sherbrooke, Sherbrooke, QC J1K 2R1, Canada.

I Les commentaires sur le contenu de cet article doivent Ctre envoyts au directeur scientifique de la revue avant le 31 dCcembre 1996 (voir l'adresse au verso du plat supkrieur).

1972; ~ e ~ o u r d et Gautier 1980). D'un point de vue pratique, l'utilisation d'une cure accC-

lCrCe (c'est-&-dire & des tempCratures de l'ordre de 60 B 80°C) prCsente de nombreux avantages pour les producteurs d'C1Cments prtfabriquks en bCton. De faqon gCnCrale, le gain rapide de rCsistance du bCton au jeune 5ge permet de dCmou- ler plus rapidement les pibces prCfabriquCes et contribue B diminuer les dClais de mise en service. Dans le cas des ClCments prkcontraints, la cure accC1CrCe permet tgalement d'appliquer une prCtension aprks seulement 24 h. Pour .. .

qu'une pr~contrainte efficace par pretension soit rtaliske, le btton doit en effet possCder une rCsistance initiale situCe entre 24 et 27 MPa (Hanson 1963).

La presence d'ajouts minCraux, comrne les cendres volan- tes, est un autre facteur qui exerce une influence directe sur le dtveloppement de la resistance B la compression du btton. Les cendres volantes sont un sous-~roduit de la combustion du charbon pulvCrisC utilisC dans les centrales thermiques. Puisque les cendres volantes sont considCrCes comme des dCchets industriels, leur utilisation dans les bCtons prCsente de nombreux avantages aux points de vue Cconomique et environnemental (Ravina 1981). Ainsi, depuis l'augmenta- tion rapide des cotits de 1'Cnergie au debut des annCes 1970,

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l'utilisation des cendres volantes dans les bttons a connu une croissance importante (Xu et Sarkar 1994).

Au cours des dernibres anntes, de nombreuses recherches ont indiqut que l'utilisation des cendres volantes contribue gtntralement B augmenter significativement la rtsistance B long terme du btton. Cependant, puisque la plupart des cen- dres volantes ne commencent B rtagir qu'aprbs plusieurs semaines de mtirissement, leur utilisation en remplacement d'une certaine quantitt de ciment contribue habituellement B diminuer le dtveloppement des rtsistances mtcaniques au cours des premiers jours de cure. C'est principalement pour cette raison que la plupart des producteurs htsitent B utiliser des cendres volantes dans les bttons prtfabriquts (Gifford et al. 1993).

I1 convient cependant de prtciser que, dans la majoritt des cas, la cinttique de rtaction des cendres volantes a t t t ttudite dans des conditions isothermes B 20°C. Quelques etudes rtcentes tendent cependant B dtmontrer que la rtac- tion pouzzolanique de certaines cendres volantes serait parti- culikrement sensible B la temptrature de cure (Huang 1981; Luke et Glasser 1988; Berry et Malhotra 1986). Une hausse de la temptrature de cure aurait comme effet d'acctltrer de manibre marqute le taux de rtaction des cendres volantes.

Aprbs une brbve revue des effets d'une cure acct l tr te sur la microstructure du btton et des difftrents cycles thermiques utilists en pratique, cet article prtsente les rtsultats d'une ttude de l'influence des cendres volantes sur le dtveloppe- ment des proprittts mtcaniques de bttons ayant subi un traitement thermique de quelques heures. Le principal objec- tif de cette ttude ttait de vtrifier la pertinence d'utiliser des cendres volantes dans les bttons prtfabriquts soumis B une cure thermique durant les premikres 24 h du mcrissement. Ces travaux ont t t t rtalists dans le cadre d'un projet de recherche sur le dtveloppement des rtsistances mtcaniques de bttons soumis B des temptratures tlevtes de mcrissement (Maltais 1996).

Microstructure des betons soumis a une cure acceleree

Quoique la cure du btton B des temptratures tlevtes permette d'acctltrer le dtveloppement des resistances mtcaniques au jeune ige, plusieurs ttudes ont cependant dtmontrt qu'une telle pratique contribue tgalement B rtduire la rtsistance B long terme du btton (Verbeck et Helmuth 1968; Mamillan 1970; Alexanderson 1972; Laplante 1993). Ce phtnomtne est illustrt B la figure 1. Selon Mamillan (1970), un btton ayant subi une cure a 50°C durant les 15 premibres heures de l'hydratation aura gtntralement une rtsistance B la com- pression B 90 jours de 20% inftrieure B celle d'un btton ayant t t t constamment mfiri a 23°C.

Au cours des dernikres dtcennies, plusieurs hypothbses ont t t t formultes pour expliquer la diminution relative de la rtsistance B la compression des bttons ayant subi une cure thermique. Pour plusieurs auteurs, les effets negatifs d'une tltvation de la temptrature de mcrissement sont directement lits B des modifications de la microstructure de la pite de ciment hydratt. Ainsi, Odler et Skalny (1973) ont remarqut que la temptrature de mfirissement avait tendance a modifier la morphologie des C-S-H. Pour leur part, Berger et McGregor (1973) ont dtmontrt que la temptrature de cure

Fig. 1. Effet de la tempkrature de cure sur le dkveloppement de la rksistance a la compression du bkton.

1 7 2 8

Temps (jours)

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affectait la cristallisation de la portlandite. A basse temptra- ture, les cristaux de Ca(OH)2 se prtsentent sous une forme lamellaire et allongte. Lorsque la temptrature augmente, l'arrangement spatial des cristaux devient plus compact, c'est-2-dire que les cristaux sont plus petits mais plus nom- breux par unite de volume. La modification de l'arrangement

23°C

spatiaides cristaux de portlandite pourrait Ctre like B la dimi- nution de la solubilitt de cette phase avec la temptrature. Selon Day (1992), la temptrature de cure aurait Cgalement

n 3 -0 a, u 60°C K ld C ln .- ln

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b

tendance B modifier les mtcanismes de cristallisation de l'ettringite. Les cristaux d'ettringite formCs B des temptra- tures tlevtes seraient gtntralement plus gros et plus faible- ment cristalists aue ceux obtenus B 25°C.

De nombreuses ttudes ont de plus dtmontrt que les pites de ciment hydratt ayant subi une cure thermique ont tgale- ment une microstructure plus htttrogbne et une structure poreuse plus grossikre (Verbeck et Helmuth 1968; Bray et Sellevold 1973; Radjy et Richards 1973; Sellevold 1974; Bager et Sellevold 1980). Selon Verbeck et Helmuth (1968), ces modifications de la microstructure seraient directement relites B l'effet de la temptrature sur la cinCtique de l'hydra- tation. Une augmentation de la ternptrature de rndrissement favoriserait l a formation d'une coquille d'hydrates trbs denses en bordure des grains de ciment lors des premikres heures de l'hydratation. La formation de cette coquille serait B l'origine du dtveloppement rapide des rtsistancks au jeune bge. Elle serait tgalement la cause des pertes relatives de resistance mtcanique B long terme en empschant les hydrates de diffuser loin des grains de ciment et ainsi d'aller combler les pores de grande dimension. La prtsence d'une coquille d'hydrates en bordure des grains a rtcemment t t t confirmte par des observations au microscope tlectronique B balayage rtalistes par Kjellsen et al. (1991) et par Scrivener (1992).

Pour d'autres auteurs, la cause des pertes relatives de rtsistance mtcanique B long terme pour les bttons ayant subi une cure thermique serait plut6t d70rigine physique. La dimi- nution relative de rtsistance serait imputable a une difftrence entre les coefficients d'expansion volumique des difftrents constituants du btton (Alexanderson 1972). Les coefficients d'expansion volumique des phases solides du btton (grains de ciment, granulats et hydrates) sont habituellement de l'ordre de lop6 et ils changent peu avec la temptrature. Par contre, les coefficients d'expansion volumique de l'eau et de

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l'air sont significativement plus ClevCs. De plus, leurs valeurs respectives augmentent considCrablement avec une ClCvation de la tempkrature. A 50°C, le coefficient d'expan- sion volumique de l'air est plus de 100 fois supCrieur i celui des diverses phases solides. Ainsi, l'augmentation impor- tante du volume de l'eau et de l'air, provoquCe par une ClCva- tion de tempkrature, est emp&chCe par le squelette rigide de la plte de ciment en cours de durcissement. Ce phCnomkne entraine l'apparition de contraintes internes dans les vides d'air et les capillaires, laquelle se traduit par une augmenta- tion de la porositC et de la fissuration (Alexanderson 1972; Laplante 1993).

I1 convient finalement de souligner que la grande majorit6 des Ctudes sur le sujet ont CtC rCalisCes pour des bCtons sans ajouts minCraux. A notre connaissance, il existe trks peu d'information sur les effets de la tempCrature sur la micro- structure et le dCveloppement des r~sistances mCcaniques des bCtons avec cendres volantes (Berry et Malhotra 1986). Cependant, les seules Ctudes rCalisCes sur ce sujet ont montrC que le dCveloppement des rCsistances mCcaniques des bktons CtuvCs dCpendait principalement de la quantitC de cendres volantes utilisCe et des caractkristiques de la cure thermique imposCe au bCton (Bijen et al. 1991).

Conception d9un cycle thermique d9etuvage

Plusieurs mCthodes permettent de soumettre le bCton i un traitement thermique. Certaines techniques prCconisent l'utilisation de vapeur sous haute pression-(autoclave) ou i pression atmosphCrique (Ctuvage). Par contre, il est aussi possible de rCaliser une cure accC1CrCe en utilisant des pan- neaux chauffants ou bien un isolant afin de calorifuger les moules (Kirkbride 197 1).

L'Ctuvage est la technique de cure la plus couramment utilisCe en pratique. La pCriode d'Ctuvage, souvent appelCe cycle de prkfabrication, se divise en quatre parties. Au cours des premikres heures suivant le malaxage du bCton, celui-ci est gCnCralement gardC i la tempkrature ambiante. Cette pCriode s'appelle la prCprise. Par la suite, la tempkrature du bCton est progressivement ClevCe jusqu'i la tempCrature de cure sClectionnCe. Le bCton est gCnCralement gardC i cette tempCrature pendant quelques heures. Finalement, le bCton est refroidi jusqu'i ce qu'il retrouve sa tempCrature initiale.

L'objectif de la premikre partie du cycle thermique est de minimiser la diminution de-la rCsistance i long terme du bCton (Mamillan 1970; Kirkbride 1971). En effet, en laissant la rCaction d'hydratation dCbuter quelques heures avant l'application de la chaleur, la p~riodi de prCprise permet au bCton de dCvelopper une rCsistance initiale pour reprendre les contraintes induites par la dilatation volumique diffkrentielle de ses diffkrentes ~hases (Alexanderson 1972). Cette mesure permet normalement de rCduire les risques de microfissura- tion de la matrice cimentaire. Selon la plupart des auteurs, la durCe de la pCriode de prkprise devrait &tre de 3 i 5 h (Mamillan 1970; Kirkbride 1971; Gifford et al. 1993).

Plusieurs Ctudes tendent Cgalement i dCmontrer que la vitesse i laquelle on augmente la ,tempCrature de mfirisse- ment influence la r~sistance i long terme du bCton (Hanson 1963; Kirkbride 197 1). On recommande gCnCralement de limiter la vitesse de chauffage de la chambre d'Ctuvage 2 20°C/h (Courtault et Briand 1979). Cette lente augmentation

de la tempkrature rCduit les risques de microfissuration de la matrice cimentaire.

Le choix de la tempkrature maximale de cure a Cgalement des consCquences directes sur la microstructure et le dCve- loppement des rksistances mCcaniques du bCton. Comme mentionnC prCcCdemment, la morphologie de plusieurs hydrates est directement affectCe par la tempkrature de cure. De plus, certaines Ctudes tendent Cgalement i dCmontrer qu'au deli d'une tempCrature critique, la composition chimi- que des hydrates serait Cgalement modifike. Par exemple, il est connu que l1ettringit6 perd la plupart de ses molecules d'eau lorsque la tempkrature atteint environ 70°C (Abo-El- Enein et al. 1988; Darr et al. 1977). Elle se dCcompose et le cristal se dksintkgre. D'aprbs Ghorab et al. (1980), l'insta- bilitC apparente de l'ettringite semble &tre like i l'aug- mentation de sa solubilitC avec la tempkrature. Ainsi, la tempCrature maximale du cycle de prkfabrication ne devrait jamais dCpasser 70°C. Pour sa part, Hanson (1963) recom- mande une tempCrature de 65°C. En Allemagne, la limite d'Ctuvage est fixCe i 65°C.

La durCe optimale de la cure isotherme dCpend de la com- position minkralogique du ciment. Selon les rksultats de Budnikov et Erschler (1966), la durCe optimale d'une cure isotherme i 80°C est de 6 i 8 h pour un ciment possCdant une teneur en C3A supCrieure i 10% et une teneur en C3S infkrieure i 45 % . Aprks 8 h de cure, le gain de rCsistance en fonction du temps devient trks faible. Par contre, pour un ciment possCdant une teneur en C3S de 66,8% et une teneur en C3A de 1,2%, une cure de 10 h n'a pas CtC suffisante pour obtenir la rCsistance maximale.

Programme d9essai

Tel que mentionnC prCcCdemment, l'objectif de cette Ctude Ctait l'analyse du dkveloppement de la rCsistance i la com- pression de bCtons avec cendres volantes soumis i un traite- ment thermique. En plus de la tempCrature de cure (23 et 60°C), les variables de cette sCrie d'essai Ctaient le type de ciment et la source de cendres volantes. En tout, 10 bCtons ont CtC fabriquCs et testb.

Materiaux, fabrication des betons et procedures experimentales

Matbriaux Tous les mClanges ont CtC fabriquis i un rapport eaulliant constant de 0,45. Deux mClanges de rCfirence ont CtC riali- sCs, l'un utilisant un ciment de type 10 et l'autre un ciment de type 30. Les huit autres mClanges ont CtC rCalisCs en utili- sant soit un ciment de type 10, soit un ciment de type 30 et quatre types de cendres volantes de classe F selon la norme ASTM C 618. Les cendres volantes ont CtC utilisCes en remplacement de 20% de la masse de ciment. Aucun agent entraineur d'air n'a CtC utilisC au moment de la rkalisation des bCtons. Le seul adjuvant ajoutC i tous les bCtons est un rduc - teur d'eau. Un super plastifiant a cependant CtC utilisC lors du glchage du bCton 8. Le dosage des adjuvants a CtC ajustC afin d'obtenir un affaissement du bCton de 50 i 150 mm i 15 min. Les compositions chimiques des ciments et des cendres volantes sont donnCes au tableau 1. Les compositions mink- ralogiques des deux ciments apparaissent au tableau 2. Les

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Tableau 1. Composition chimique du ciment et des cendres volantes (en pourcentage).

Ciment Cendre volante

Oxyde Type10 Type30 CV1 CV2 CV3 CV4

SiO, Al,03 TiO,

P2°5

Fe203 CaO SrO

MgO Na,O K2O so3 Mn203

MnO Cr203 LO1

Total

Tableau 2. Composition mintralogique de Bogue et finesse du ciment.

Ciment

Type 10 Type 30

Compose (%)

c3s 52 54 C2S 19 18 C3A 6 9 C, AF 9 7

Finesse

Blaine (m2/kg) 370 515

caracttristiques des diffkrents mClanges de bCton sont rCsumCes au tableau 3.

Preparation des eprouvettes La m&me sCquence de malaxage a CtC utilisCe lors de la fabri- cation de tous les mClanges de bCton. Les granulats Ctaient d'abord introduits avec une faible proportion de l'eau de glchage dans le malaxeur de type planetaire. Par la suite, le ciment et les cendres volantes Ctaient ajoutCs et malaxCs pen- dant quelques secondes pour permettre une homogCnCisation satisfaisante du melange. Finalement, l'eau de glchage et les adjuvants Ctaient incorporCs au melange. Tous les consti- tuants 6:aient malaxCs pendant 3 min, suivi d'un arr&t de 3 min. A la fin de cette pCriode, les constituants Ctaient de nouveau malaxes pendant 2 min.

Les mesures de l'affaissement, de la teneur en air et de la densite du biton Ctaient rCalisCes immkdiatement ?I la fin de la ptriode de malaxage. Le bCton Ctait ensuite place dans des moules cylindriques de 100 sur 200 mm en deux couches

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Fig. 2. Cycle thermique d'Ctuvage appliquC au mClange l(T10).

T I 0 80,O

Temps (h)

successives vibrtes mtcaniquement. La ptriode entre la fin du malaxage et la fabrication des Cprouvettes de btton ttait d'environ 30 min.

Miirissement du beton Deux stries d'tprouvettes ont t t t prtpartes pour chacune des glchtes de btton. La premikre strie a t t t soumise B une cure isotherme B 18 2°C et B 100% d'humiditt relative pour une ptriode de 24 h. Par la suite, les tprouvettes ont t t t dtmoultes et gardtes dans une chambre humide B 23°C jusqu'au moment de l'essai de compression. La seconde strie d'Cprouvettes a Ctt immergte dans des bacs d'eau B 18 k 2°C pour une ptriode de prtprise de 4 h. Par la suite, les Cprouvettes ont t t t soumises B un traitement thermique dans une ttuve ii vapeur oh la temptrature ttait graduellement Clevte de 23 B 60 5 1 "C pendant une ptriode de 2 h. L't lt- vation de temptrature ttait contr6lte manuellement. Une fois la temptrature de 60°C atteinte, cette dernikre ttait gardte constante durant 9 h. Le contr6le de la temptrature ttait assurt par un thermostat. De plus, les temptratures dans l'ttuve et dans le beton ttaient suivies a l'aide de thermo- couples (voir la fig. 2). Aprks la ptriode de cure isotherme B 60°C, les Cprouvettes ont t t t immergtes dans des bacs d'eau B la temptrature ambiante pour Ctre refroidies progres- sivement. Tous les paramktres du cycle thermique ont t t t sClectionnCs afin de rtduire au minimum l'effet ntgatif du traitement thermique sur la microstructure du btton. Le dtmoulage des cylindres a Ctt effectut 24 h aprks le malaxage. Une fois dtmoultes, les Cprouvettes ttaient plactes dans une chambre humide B 23°C jusqu'a l'tchtance de l'essai.

Mesure de la resistance a la compression La rtsistance B la compression de tous les bttons a t t t mesurte selon les prescriptions de la norme canadienne ACNOR A23.1-94. La dimension des cylindres testts ttait de 100 sur 200 mm. Trois Cprouvettes par condition d'essai ont kt6 testtes. Les rtsistances ?I la compression ont kt6 mesurees B 15 et 24 h, ainsi que 3, 7, 28 et 9 1 jours.

Presentation des resultats

R6ultats des essais sur le beton frais Les rtsultats des essais sur le btton frais sont donnts au bas du tableau 3. Comme on peut le voir, l'affaissement rnoyen des bttons est de 80 mm. Seul le mtlange 9 a un affaissement suptrieur a la limite fixte de 100 mrn. Les rtsultats du tableau 3 indiquent tgalement que la prtsence de cendres volantes augmente, dans la plupart des cas, la maniabilitt du btton. Tous les mtlanges avec cendres volantes ont un affais- sement suptrieur B celui d e leur mtlange de rtftrence. On note cependant que 40 mL de superplastifiant ont dQ &tre ajoutts au mtlange 8 afin d'atteindre un affaissement de 60 mm. Ce mtlange a t t t prtpart avec la cendre 3 qui a une teneur en charbon imbrQlt nettement suptrieure B celle des autres cendres.

Les mesures sur le btton frais ont aussi montrt que la prt- sence de cendres volantes ne semble pas vraiment influencer la teneur en air. La teneur en air moyenne est de 2,5% avec un tcart type de 0,4%. La teneur en air ttant relativement constante, on peut considtrer qu'elle n'a eu que peu d'effet sur les mesures de rksistance B la compression des bttons.

Resultats des essais de resistance 2 la compression du beton Le tableau 4 prtsente l'ensemble des rtsultats des essais de rtsistance B la compression. Comme mentionnt prtcMem- ment, chacun de ces rtsultats est la moyenne de trois tprou- vettes. Pour une m&me mesure, l'tcart maximum entre la rtsistance d'une tprouvette donnte et la rtsistance moyenne des trois tprouvettes est de 6 % . Dans ce tableau, la prernikre lettre et les deux premiers chiffres de la codification des mtlanges representent le type de ciment utilist pour la glchte. De plus, pour les mtlanges 2 B 8, on retrouve aussi la codification CV 1 B CV4 qui identifie chacune des cendres volantes.

Les rtsultats du tableau 4 dtmontrent clairement que le traitement thermique permet d'acctlirer, pour les bttons tCmoins, le dtveloppement de la resistance B la compression au jeune lge (voir tgalement la fig. 3). L'effet acctltrateur est particulikrement prononct pour le mClange de btton ttmoin fabriqut avec un ciment de type 10 (mtlange T10) pour lequel le traitement thermique a permis de doubler la rtsistance B la compression aprks 24 h.

Comme on peut le constater au tableau 4 , le type de cure ne semble pas avoir eu d'influence significative sur la rbis- tance B la compression B long terrne des deux mtlanges de btton ttmoin. En effet, aprks 91 jours de mcrissement, la rtsistance moyenne des Cprouvettes de btton fabriqutes avec un ciment de type 30 (mtlange T30) sournises B un traitement thermique ttait de 47,l MPa, alors que celle des tprouvettes gardtes constamment a 23°C ttait de 47,3 MPa. La situation est similaire lorsque le btton ttmoin est fabriqut avec un ciment de type 10. Dans ce cas, la rtsistance moyenne des Cprouvettes ayant subi un traitement thermique est de 42,8 MPa alors que celle ayant subi une cure a 23°C est de 42,O MPa. Dans le cas de la rtsistance ?i 28 jours, la diminu- tion de la rtsistance des bttons ttuvts par rapport B ceux mQris normalement est tgalement trks faible, soit moins de 6 % dans les deux cas.

Les rtsultats du tableau 4 dCmontrent aussi que le traite- ment thermique a un effet tout B fait difftrent sur le compor-

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Tableau 4. RCsultats des essais de rCsistance i la compression du bCton

MClange Cure 1 5 h 1 d 3 d 7 d 2 8 d 9 1 d

1 : T10 Normale 3,7 13,2 29,3 35,l 39,3 42,O AccClCrCe 22,3 26,3 28,8 33,7 36,9 42,8

2 : T30 Normale 11,4 23,8 40,s 41,7 42,8 47,3 AccClCrCe 29,9 35,4 38,6 38,5 41,8 47,l

3 : TlO+CVl Normale 2,5 9,4 21,6 26,9 37,7 43,7 AccClCrCe 14,O 18,5 22,l 25,2 32,8 45,3

4 : T30+CV1 Normale 6,2 16,9 28,8 3 3 3 39,3 47,7 AccClCrCe 19,4 25,O 25,9 29,O 35,9 38,4

5 : TlO+CV2 Normale 3,5 10,3 24,O 30,2 44,2 55,6 AccClCrCe 17,l 21,O 23,7 28,5 35,9 44,7

6 : T30+CV2 Normale 5,2 16,2 30,O 34,3 45,O 46,3 AccCltrCe 21,O 26,4 30,3 31,7 39,4 42,9

7 : TlO+CV3 Normale 2,3 6,5 22,4 29,8 39,6 52,O AccClCrCe 15,4 19,7 23,3 25,7 35,8 45,2

8 : T30+CV3 Normale 5,3 15,3 27,6 33,7 38,7 42,l AccClCrCe 19,7 24,8 28,4 31,6 34,9 40,4

9 : TlO+CV4 Normale 2, l 10,7 24,4 29,2 34,l 50,7 AccClCrCe 12,7 20,l 24,8 23,2 30,5 45,9

10 : T30+CV4 Normale 2,6 16,4 32,4 35,4 43,7 53,2 AccClCrCe 22,5 29,l 32,6 35,l 40,8 47,l

tement des bCtons avec cendres volantes. Comme on peut le voir, le traitement therrnique a 60°C a, dans tous les cas, contribuC a augmenter la rtsistance a la compression de ces bCtons aprbs 24 h de mcrissement. I1 faut cependant noter que la rCsistance ?i la compression des tprouvettes ayant subi une cure thermique tend a plafonner aprbs seulernent quel- ques jours de merissement alors que celle des bttons ayant CtC constamment conservts a 23°C continue d'augmenter. Aprbs 7 jours de cure, la rCsistance a la compression de tous les bCtons Ctuvts est ltgkrement infkrieure a celle des bttons meris a 23°C. Ce phtnomkne est illustrt a la figure 4.

Les rCsultats du tableau 4 indiquent Cgalement que les rCsistances a la compression a long terme des bCtons avec cendres volantes sont nettement influenctes par la temptra- ture de mcrissement. Pour l'ensemble de ces mClanges, la resistance a la compression 28 jours des Cprouvettes ayant un traitement thermique est, en moyenne, 11 % infkrieure celle des Cprouvettes ayant CtC conservCes a 23C. Dans la plupart des cas, cette tendance se maintient a p r b 91 jours de mcrissement. Les seules exceptions i cette rbgle sont les mClanges 3 et 8 pour lesquels les tprouvettes ayant subi un traitement thermique parviennent dCvelopper des rCsistan- ces la compression comparables 2 celles des Cprouvettes gardtes 23C.

L'effet nCfaste du traitement thermique sur le comporte- ment des bCtons avec cendres volantes est particulibrement tvident si l'on compare le dtveloppement de la rCsistance la compression de ces bCtons celle des bCtons tkmoins. Globalement, les rCsultats du tableau 4 indiquent que l'utili- sation d'une cendre volante contribue gCnCralement 2 dimi- nuer la rCsistance 2 la compression du btton au jeune ige. Cet effet est plus ou moins marquC selon la cendre utilisCe, mais les rCsultats obtenus dCmontrent que, pour les 7 pre-

miers jours de cure, les rksistances i la compression des bCtons avec cendres sont touiours infkrieures celles obtenues pour les bCtons tCmoins, et ce indtpendamment du type de cure utilist.

~ ' s rCsultats du tableau 4 dCmontrent que, lorsque soumis i un mcrissement 23"C, les bCtons avec cendres volantes dCveloppent des resistances a la compression comparables B celles des bCtons tCmoins aprbs environ 28 jours de cure (voir les fig. 5 et 6). Ce dClai est nettement plus important pour les bCtons CtuvCs. Les bCtons avec cendres volantes ayant subi un traitement thermique prennent en moyenne un peu moins de 60 jours pour dCvelopper des rCsistances ii la com- pression comparables B celles des bCtons tkmoins.

I1 mtrite cependant d'Ctre soulignC que l'influence nCga- tive de la cure a 60°C sur le dCveloppement des resistances 2 la compression des bCtons avec cendres volantes ne semble pas Ctre like 2 une modification de la rCaction pouzzolanique. kprbs 7 jours de merissement, le taux de dCveloppement des rksistances a la compression des bCtons CtuvCs est sensible- ment le mCme que celui des bCtons conservCs 23°C (voir la fig. 4). ~ ' e f f e t nCgatif du traitement thermique semble plu- t6t Ctre limit6 i la pCriode comprise entre le ler et le 7e jour de cure, ptriode au cours de laquelle la rCaction pouzzolani- que n'a pas encore eu le temps de se dCvelopper.

Les rtsultats des essais de rCsistance a la compression semblent indiquer que les quatre cendres volantes testtes ne rCagissent pas toutes i la meme vitesse. Selon les donntes recueillies, les cendres CV2 et CV4 sont celles qui semblent Ctre les plus rCactives. La plus grande rCactivitC de ces cendres est probablement like leur teneur en calcium Clevte (1 8,10 et 12,52 % , respectivement). Des mesures de la surface spCcifique des cendres volantes rCalistes selon la mCthode Brunker, Emmet et Teller indiquent Cgalement que

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Fig. 3. Resistance B la compression des mClanges tCmoins de beton T10 (a) et T30 (b) suite i des cures normale et accC1CrCe.

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- Cure acceleree

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la cendre CV4 posskde des particules plus fines que les autres cendres (la surface spCcifique de la cendre CV4 est de l'ordre de 1,2 m2/g alors que celle des autres cendres est plut6t de l'ordre de 0,6 m2/g).

Discussion

Les rCsultats obtenus dans le cadre de cette Ctude dCmontrent clairement que 1'efficacitC d'une cure thermique varie de f a ~ o n significative selon le type de bCton utilisC. Dans le cas des bCtons tCmoins, l'utilisation d'une cure thermique appa- rait trks avantageuse puisqu'elle permet d7accC1Crer les rCsis- tances 2 la compression au jeune 2ge sans rCduire de manikre significative les rhistances 2 long terme. A premibre vue, le peu d'influence de la cure thermique sur le comportement B long terme du bCton semble 2tre en contradiction avec les conclusions de nombreuses Ctudes antCrieures. Tel que men- tionnC prCcCdemment, plusieurs auteurs ont observC que l'utilisation d'une cure thermique pouvait contribuer ?I rCduire les rksistances h long terme du bCton (Verbeck et Helmuth 1968; Mamillan 1970; Alexanderson 1972; Laplante 1993). Dans la majorit6 de ces Ctudes, les bCtons avaient CtC soumis h un cycle thermique sans prCprise, ou les Cprouvettes Ctaient directement exposCes B des tempkratures ClevCes.

Fig. 4. Resistance B la compression des melanges de bCton 5 (TI0 + CV2) (a) et 6 (T30 + CV2) (b) suite B des cures normale et accC1CrCe.

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. Cure acceleree

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Dans notre Ctude, les mClanges de bCton Ctaient d'abord con- serves h 23°C durant 4 h avant de subir la cure thermique. I1 est fort possible, comme le souligne Alexanderson (1972) que cette pCriode de prCprise ait permis de rCduire les dom- mages B la microstructure.

I1 est Cgalement fort probable que les effets nCgatifs de la cure thermique sur le comportement des bCtons avec cendres volantes soient reliCs a la durCe de la pCriode de preprise. Comme l'explique Alexanderson (1972), la pCriode de prC- prise doit permettre au bCton de dCvelopper une risistance initiale afin de reprendre les contraintes induites par la dilata- tion volumique diffkrentielle des composantes du biton. Dans le cas des mClanges avec cendres volantes, les rCsultats du tableau 4 semblent indiquer que la pCriode de prCprise de 4 h n'Ctait pas suffisamment longue pour permettre aux bCtons d'atteindre cette rCsistance B la compression critique. ~ t a n t donnC leur teneur rCduite en ciment, le dClai requis pour dCvelopper cette rCsistance minimale est plus long pour les bCtons avec cendres volantes que pour les bCtons ordi- naires. Cette hypothkse semble permettre 5 la fois d'expli- quer le plafonnement rapide (au cours des premiers jours de mfirissement) des rksistances ?I la compression des bCtons avec cendres volantes ayant subi une cure accClCrCe et le peu

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Fig. 5. Comparaison des resistances i la compression des melanges 5 (TI0 + CV2) et 1 (T10) suite a des cures normale (a) et accC16rCe (b).

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d'effet apparent du traitement thermique sur le taux de dCve- loppement des rCsistances a long terme. Les effets nCgatifs de l'application d'un traitement thermique sur un bCton avec cendres volantes pourrait &tre possiblement Cvitts en aug- mentant la d u d e de la pCriode de prtprise B plus de 4 h.

Du point de vue d'un producteur de bCton, la pertinence d'utiliser des cendres volantes dans la fabrication de pikces pr6fabriquCes doit 6tre Cvalute en fonction de diffkrents critkres. Dans un premier temps, l'utilisation d'une cendre volante, bien qu'elle permette de rtduire le coOt du mClange de bCton, ne doit pas augmenter les dClais de production B l'usine. Dans un second temps, l'emploi de la cendre volante ne doit pas rCduire la durabilitt du bCton. L'Ctude de la dura- bilitC des bCtons avec cendres dCpasse nettement le cadre de cette Ctude. Par contre, les rCsultats obtenus nous permettent d'kvaluer l'effet des cendres sur les dClais de production.

La rtsistance minimale requise pour dCcoffrer et dCplacer les p ikes de btton est difficile a dtterminer puisqu'elle a ten- dance a varier quelque peu en fonction de la forme et des dimensions de l'tltment prtfabriquk. Pour des ouvrages usuels, comme des dalles de faible portke et des poteaux, la rCsistance minimale doit se situer aux environs de 10 MPa (Mamillan 1970). Pour ce qui est de la prtcontrainte par prC-

Fig. 6. Comparaison des resistances i la compression des melanges 4 (T30 + CV1) et 2 (T30) suite B des cures normale (a) et accClCrCe (b).

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Temoin

d Temps (jours)

Temps (jours)

tension, elle est gCnCralement appliquCe lorsque le bCton atteint une resistance minimale de 25 MPa (Picard 1983). A l'aide des rCsultats du tableau 4 , il est possible de dCterminer le temps d'attente minimum avant de pouvoir retirer les coffrages, et le dtlai requis avant l'application d'une prCcon- trainte par prktension. Ces deux temps sont notCs respective- ment td et tp.

La determination de td et t , a CtC rCalide par rkgression lintaire en utilisant l'une des kquations propo&es par Chan- villard et D'Aloi'a (1994) et Kjellsen (1990). Les equations sont montrCes au tableau 5. Les regressions ont Ctt rtaliskes a partir des donntes expCrimentalLs recueillies a 15 h, 1, 3, 7 et 28 jours. La valeur du temps de dicoffrage a ttC obtenue en posant Rb(t) = 10 MPa. De la m&me manikre, la valeur du iemps d'attente avant de pouvoir faire l'application de la prkcontrainte a Ctt obtenue en posant Rb(t) = 25 MPa. Les rtsultats des calculs sont montrCs au tableau 6.

Comme l'indiauent les rCsultats du tableau 6. l'utilisation d'une cure accClCrCe permet de rdu i re de manikre trks importante les dClais de production des bCtons tkmoins. Ainsi, pour le mClange fabriqut avec un ciment de type 30, la rCsistance minimale requise pour appliquer une prCcon- trainte est atteinte 13 h aprks le contact eau-ciment. Pour le

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Tableau 5. ~quations de regression linCaire utilistes lors de la determination de t, et t,.

Rb(t) (atb)/(l f ctd) Chanvillard et D'Alo'ia (1994) Rb(t) = a exp - (blt)' Kjellsen (1990)

mtlange fabriqut avec le ciment de type 10, le dtlai requis pour atteindre cette rtsistance est ltgkrement suptrieur. On doit alors attendre 19 h. Cependant, le temps d'attente reel avant de pouvoir prtcontraindre le btton en usine sera ntces- sairement suptrieur puisque le btton devra d'abord &tre refroidi, dtcoffrt et transport6 au site de prtcontrainte. Ainsi, puisque cette strie d'optrations est assez longue, l'application de la prtcontrainte est gtntralement possible seulement 24 h aprks le contact eau-ciment.

Dans le cas oh l'ouvrage de btton ne ntcessite pas l'appli- cation d'une prtcontrainte, le mtlange doit posstder une rtsistance minimale de 10 MPa au moment du dtcoffrage de l'ouvrage. Pour les mtlanges de btton sans cendre volante, le dtmoulage et le transport des pikes peuvent se faire 10,6 h (sur le ciment de type 30) et 12,2 h (sur le ciment de type 10) aprks le contact eau-ciment. Puisque ces temps d'attente sont inftrieurs 2 la duke du cycle dlCtuvage, il est donc souhaitable de rtduire ce dernier. Par condquent, les coOts de production pourraient donc etre sensiblement dimi- nu&. I1 convient tgalement de souligner que, dans le cas ou le btton est fabriqut avec un ciment de type 30 et qu'aucune cure accClCrCe n'est appliquee, le temps de dtcoffrage est de seulement 14,4 h. I1 est donc possible d'Cviter l'application d'une cure accClCrCe et de diminuer considCrablement le coiit de production en utilisant un ciment de type 30.

Les rCsultats prCsentCs au tableau 6 indiquent que l'utilisa- tion des cendres volantes augmente de manikre importante le dClai ntcessaire pour atteindre la resistance minimale de prt- contrainte. L'application d'une cure acctltrte sur un btton compost d'un ciment de type 10 et de cendres volantes donne des temps d'attente beaucoup trop longs pour rencontrer les tchtances de production habituelles. Pour l'ensemble des cendres volantes de cette Ctude, la valeur rnoyenne de t, est de 120 + 30 h. Dans le cas des mtlanges fabriquCs avec un ciment de type 30 et des cendres volantes, le dClai minimum varie selon la cendre utilisCe. Comme on peut le constater, seules les cendres 2 et 4 permettent de precontraindre le bCton 24 h aprks le contact eau - ciment.

D'autre part, il est intCressant de noter que le dtlai ntces- saire pour le dtcoffrage n'est pas significativement affect6 par l'utilisation de cendres volantes. Les rCsultats du tableau 5 dCmontrent que le temps d'attente avant le dtcof- frage d'un bCton fabriquC avec un ciment de type 30 et une cendre volante est, en moyenne, de 11,8 h. Avec un ciment de type 10, le temps d'attente avant le dtcoffrage atteint en moyenne 13,8 h. Comme on peut le constater, ces dClais sont du m&me ordre de grandeur que ceux calcults pour les bttons tCmoins.

Conclusion

Les rCsultats de cette ttude demontrent que l'utilisation d'une cure thermique permet d'accC1Crer de manikre importante les

Tableau 6. Temps d'attente avant le dCcoffrage et la prkcontrainte du bCton (en heures).

Temps (h)

MClange Cure DCcoffrage Prkontrainte

1 : T10 Normale 21,l 50,5 AccCltree 12,2 19,2

2 : T30 Normale 14,4 25,2 AcctlC~Ce 10,6 13,4

3 : T lOfCVl Normale 26,O 144 AccClCrCe 13,4 160

4 : T30fCV1 Normale 18,2 43,7 AccClCrCe 12,2 41,s

5 : TlOfCV2 Normale 24,7 99,4 AccClCrCe 11,8 88,l

6 : T30+CV2 Normale 19,l 45,6 AccClCrCe 12,2 20,5

7 : TlOfCV3 Normale 23,3 90,5 AccClCrCe 15,6 109

8 : T30fCV3 Normale 17,5 57,8 AccClCrCe 11,5 25,3

9 : TlOfCV4 Normale 26,7 97,2 AccCltrCe 14,4 136

10 : T30fCV4 Normale 20,8 34,6 AcctlCrCe 11,4 16,5

gains de resistance B la compression d'un btton au jeune lge. Cette augmentation des rksistances initiales a Ctt mesurCe pour tous les bttons test& quel que soit le type de liant utilisk.

Les rCsultats des essais indiquent Cgalement que les rbis- tances B long terme des bCtons tCmoins sont peu affecttes par le traitement thermique. Le peu d'influence de la cure accC1C- r te sur les rCsistances B long terme est probablement lib aux caracttristiques du cycle d'ttuvage et plus particulikrement B la durte de la pCriode de prCprise.

Bien qu'elle ait permis d'augmenter les gains de rtsis- tance B la compression des bttons avec cendres volantes au cours des premikres heures, l'utilisation d'une cure acctlCrte a cependant contribue 2 rtduire le dCveloppement des rtsis- tances mCcaniques pour la ptriode comprise entre 1 et 28 jours de cure. De plus, les resistance B 91 jours sont systtmatique- ment plus faibles pour les bCtons avec cendres volantes soumis B une cure thermique comparativement B ceux miiris normalement .

Remerciemants

Les auteurs tiennent B remercier Y. Machabte et E. Ouellet pour leur excellent travail lors de la fabrication des bttons et la rkalisation des essais. Cette ttude a t t t rendue possible grlce au financement du Conseil de recherches en sciences naturelles et en genie du Canada et du Fonds pour la forma- tion des chercheurs et l'aide B la recherche du QuCbec.

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Liste des symboles Rb(t) Resistance la compression du btton CvaluCe au

temps t . td Temps d'attente avant d'atteindre la resistance mini-

male pour decoffrer l'ouvrage de beton.

t , Temps d'attente avant d'atteindre la rtsistance mini- male pour appliquer une prkcontrainte au beton.

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