Effet des ajouts minéraux sur le béton à haute performance : formation de C-S-H et propriétés physico-mécaniques / Efecto de los aditivos minerales en concretos de alto comportamiento: formación de C-S-H y propiedades físico-mecánicas

Abstract: In order to improve the environmental impact of concrete, there is a global trend to replace Portland cement by mineral admixtures. In addition to the reduction in the environmental impact of the material, the incorporation of supplementary cementitious materials in concrete will densify the cementitious matrix and consequently improve its impermeability, a property associated with the durability and the service life of concrete. However, in most cases, the performance of a cementitious material is typically evaluated through the impact on the mechanical properties and the cost, leaving aside the durability and the effects at the microstructural level. This work intends to study the effect of supplementary cementitious materials on formation of C-S-H and the development of the concrete microstructure. The effect of this development on mechanical properties and durability is evaluated. In this investigation, concretes with water/binder ratio of 0,45 and 0,35, where Portland cement is replaced by natural pozzolan or fly ash in dosage of 20% and 60% by mass of each material where used. The experimental results indicate that the incorporation of 60% natural pozzolan leads to the production of concretes extremely resistant to the chloride ingress without a significant decrease in the compressive strength and modulus of elasticity (11% and 10% respectively at 90 days). The paste analysis by nanoindentation in combination with the qualitative Energy-Dispersive Spectroscopy (NI-EDS) reveals that the physical and mechanical properties of concrete with natural pozzolans are originated from an optimal combination of aluminum-containing hydrated products, a predominant phase of C-(A)-S-H and a well distributed small hard anhydrous inclusions. While the compressive strength and the modulus of elasticity in plain Portland cement concretes depend mainly on the formation of C-S-H.Afin d´améliorer l'impact environnemental du béton, il existe une tendance mondiale à remplacer le ciment Portland par des adjuvants minéraux, parce que en plus de réduir l'impact environnemental du matériau, l'incorporation de matériaux cimentaires supplémentaires dans le béton permet de densifier la matrice cimentaire et, par conséquent, améliorer son imperméabilité, propriété associée à la durabilité et à la vie utile du béton. Toutefois, dans la plupart des cas, la performance d'un matériau cimentaire est généralement évaluée par l´impact sur les propriétés mécaniques et le coût, en laissant de côté la durabilité et les effets au niveau microstructural. Ce travail vise à étudier l'effet de ses propriétés mécaniques et de leur durabilité des matériaux cimentaires supplémentaire sur la formation des C-S-H et le développement de la microstructure du béton. Cet effet sur les propriétés mécaniques et la durabilité ont été évalués. Dans cette recherche, des bétons (avec un rapport eau/ciment de 0,45 et 0,35) ou 20% et 60% du ciment portland a été remplacé par des pouzzolanes naturelles ou des cendres volantes, ont été utilisés. Les résultats obtenus expérimentalement indiquent que l'incorporation de la pouzzolane naturelle avec un dosage de 60% conduit à la production de bétons extrêmement résistants à la pénétration des chlorures sans diminution significative de la résistance à la compression et du module d'élasticité (11% et 10% respectivement à 90 jours). Les résultats des essais de nanoindentation copulé à la spectroscopie qualitative aux rayons X à dispersion d’énergie (NI-EDS) révèlent que les propriétés physiques et mécaniques des bétons avec des pouzzolanes proviennent d'une combinaison optimale de produits hydratés contenant de l'aluminium, une phase de prédominante C-(A)-S-H et des petites inclusions anhydres dures bien réparties; tandis que la résistance à la compression et le module d'élasticité des bétons avec seulement du ciment Portland dépendent principalement de la formation des C-S-H.Resumen: Para mejorar el impacto ambiental del concreto existe una tendencia global a sustituir el cemento Portland por adiciones minerales porque adicionalmente a la reducción del impacto ambiental del material, la incorporación de materiales cementantes suplementarios en el concreto densificará la matriz cementante y en consecuencia también mejorará su impermeabilidad, propiedad asociada con la durabilidad y vida útil del concreto. Sin embargo, en la mayoría de los casos, el desempeño de un material cementante se evalúa típicamente a través del impacto en las propiedades mecánicas y el costo, dejando de lado la durabilidad y los efectos a nivel microestructural. Este trabajo pretende estudiar el efecto de los materiales cementantes suplementarios en la formación del C-S-H y la microestructura del concreto. Se evalúa el efecto de la microestructura en las propiedades mecánicas y la durabilidad. En esta investigación, fueron estudiados concretos con relaciones agua/aglutinante de 0,45 y 0,35, donde el cemento Portland es reemplazo por puzolana natural o ceniza volante en dosificaciones de 20% y 60% con respecto a la masa de cada material. Los resultados experimentales de este trabajo indican que la incorporación de la puzolana natural con dosificaciones de 60% conducen a producir concretos extremadamente resistentes al ingreso de cloruros sin una disminución significativa de la resistencia a compresión y el módulo de elasticidad (11% y 10% respectivamente a 90 días). En este sentido, los resultados de los análisis estadísticos de pruebas de nanoindentación en conjunto con la Espectroscopía de Energía-Dispersiva cualitativa (NI-EDS), revelan que las propiedades físicas y mecánicas de concretos con puzolanas naturales, provienen de una combinación óptima de productos hidratados que contienen aluminio, una fase de predominante C-(A)-S-H y pequeñas inclusiones anhidras duras bien distribuidas. Mientras que la resistencia a compresión y el módulo de elasticidad de concretos con sólo cemento portland dependen principalmente de la formación de C-S-H