Les bétons bas pH - Formulation, caractérisation et étude à long terme
Résumé
Using of Portland cement in association with clay in a deep geological repository could present some difficulties. The clay properties may be altered by the high pH conditions set by the cement pore water. Moreover, a high temperature rise caused by cement hydration in massive concrete elements could induce microcracking of the material. Investigations have thus been carried out to formulate low-alkalinity and low-heat blended cements referred as “low-pH” binders, which would show an improved compatibility with the repository environment and which could be used to elaborate high-strength concrete. A list of specifications to be checked by the concrete materials has been defined including pore solution pH around 11, temperature rise during hydration less than 20°C, moderate shrinkage and high compression strength (superior to 70 MPa).
Several systems comprising Portland cement, a pozzolan (silica fume or fly ash) and blastfurnace slag were compared. All blends were characterized by high amounts of additions, the OPC fractions ranging only from 20 to 60%.
The pore solution pH values of the blended pastes were within the range [11.7 – 12.2] after one year of hydration. The decrease in pH as compared to a reference made with OPC was due to a i) strong reduction of the alkali concentration in the porewater, ii) depletion or decrease of the portlandite content in the blends and iii) enrichment of C-S-H with silica.
These low pH binders were successfully used to prepare high strength concretes (pH porewater values within the range [10.7 – 11.6] according to the binders) with usual tools of civil engineering.
Finally, leaching tests carried out in pure water indicated a very slow decalcification (reduced by a factor 4) of the blended pastes, as compared to a Portland cement paste. The mineralogical evolution and leached fluxes could be modelled by using a coupled reactive transport code (HYTEC).
Several systems comprising Portland cement, a pozzolan (silica fume or fly ash) and blastfurnace slag were compared. All blends were characterized by high amounts of additions, the OPC fractions ranging only from 20 to 60%.
The pore solution pH values of the blended pastes were within the range [11.7 – 12.2] after one year of hydration. The decrease in pH as compared to a reference made with OPC was due to a i) strong reduction of the alkali concentration in the porewater, ii) depletion or decrease of the portlandite content in the blends and iii) enrichment of C-S-H with silica.
These low pH binders were successfully used to prepare high strength concretes (pH porewater values within the range [10.7 – 11.6] according to the binders) with usual tools of civil engineering.
Finally, leaching tests carried out in pure water indicated a very slow decalcification (reduced by a factor 4) of the blended pastes, as compared to a Portland cement paste. The mineralogical evolution and leached fluxes could be modelled by using a coupled reactive transport code (HYTEC).
L'utilisation de bétons à base de ciment Portland en association avec de l'argile dans un site de stockage en profondeur de déchets radioactifs se heurterait à deux difficultés. La forte alcalinité du matériau cimentaire dégraderait les propriétés imperméables de l'argile. De plus, l'importante augmentation de température induite par l'hydratation du ciment dans un ouvrage massif pourrait provoquer des microfissures nuisibles à la durabilité du matériau. Des recherches ont donc été engagées pour mettre au point un béton permettant de pallier ces deux principaux écueils. L'objectif est d'obtenir un béton satisfaisant aux contraintes suivantes : pH de la solution interstitielle du matériau hydraté inférieur à 11 afin de limiter l'attaque alcaline de l'argile (d'où l'appellation de béton « bas pH »), échauffement inférieur à 20 °C au cours de l'hydratation, retrait modéré, performances mécaniques élevées (résistance à la compression supérieure à 70 MPa).
Plusieurs liants incorporant du ciment Portland, de la fumée de silice, des cendres volantes et / ou du laitier sont comparés. Tous ces systèmes sont caractérisés par des teneurs en ajouts très importantes, la fraction de clinker n'étant comprise qu'entre 20 et 60 %.
Après un an d'hydratation, la solution interstitielle des pâtes de liants bas pH présente des pH compris entre 11,7 et 12,2 selon la formulation, réduit de plus d'une unité par rapport aux témoins à base de CEM I ou CEM V. Cette chute de pH (comparé à celui d'un CEM I (13,5)) est concomitante i) d'une forte réduction de la concentration en alcalins dans la solution porale, ii) de la disparition ou de la diminution de la teneur en portlandite dans les matériaux, iii) et de l'enrichissement en silice des C-S-H.
Ces liants ont été utilisés avec succès pour mettre au point des bétons bas pH haute performance (pH de la solution interstitielle compris entre 10,7 et 11,6 selon les liants) avec les outils classiques du génie civil.
Enfin, des études de lixiviation en eau désionisée montrent que les pâtes de liants bas pH se décalcifient environ 4 fois moins vite que celle à base de ciment Portland. Les évolutions minéralogiques et les flux lixiviés par l'eau pure (pH 7) à 25 °C ont pu être modélisés à l'aide du code HYTEC en associant deux modules de réactivité chimique et de transport par diffusion.
Plusieurs liants incorporant du ciment Portland, de la fumée de silice, des cendres volantes et / ou du laitier sont comparés. Tous ces systèmes sont caractérisés par des teneurs en ajouts très importantes, la fraction de clinker n'étant comprise qu'entre 20 et 60 %.
Après un an d'hydratation, la solution interstitielle des pâtes de liants bas pH présente des pH compris entre 11,7 et 12,2 selon la formulation, réduit de plus d'une unité par rapport aux témoins à base de CEM I ou CEM V. Cette chute de pH (comparé à celui d'un CEM I (13,5)) est concomitante i) d'une forte réduction de la concentration en alcalins dans la solution porale, ii) de la disparition ou de la diminution de la teneur en portlandite dans les matériaux, iii) et de l'enrichissement en silice des C-S-H.
Ces liants ont été utilisés avec succès pour mettre au point des bétons bas pH haute performance (pH de la solution interstitielle compris entre 10,7 et 11,6 selon les liants) avec les outils classiques du génie civil.
Enfin, des études de lixiviation en eau désionisée montrent que les pâtes de liants bas pH se décalcifient environ 4 fois moins vite que celle à base de ciment Portland. Les évolutions minéralogiques et les flux lixiviés par l'eau pure (pH 7) à 25 °C ont pu être modélisés à l'aide du code HYTEC en associant deux modules de réactivité chimique et de transport par diffusion.