Améliorer la qualité du béton pour optimiser les constructions

Depuis la fin du XX^e siècle, le béton est devenu le matériau manufacturé le plus utilisé au monde. Cette grande popularité s’accompagne de problèmes récurrents qui affectent sa qualité et sa durabilité. Parmi eux : le ressuage de la pâte de ciment, une des composantes du béton. Mimoune Abadassi, doctorant en génie civil à IMT Mines Alès, cherche à résoudre ce problème.

 « Quand le béton est à l’état frais, l’eau présente à l’intérieur va remonter à sa surface et former une pellicule », présente Mimoune Abadassi, doctorant en génie civil à IMT Mines Alès. Ce phénomène est appelé ressuage du béton. « Lorsque ce processus a lieu, une partie de l’eau ne va pas atteindre la surface et va rester piégée à l’intérieur du béton, ce qui peut fragiliser sa structure, ajoute le doctorant avant de préciser que le ressuage n’a pas que des effets négatifs sur la qualité du béton puisque l’eau permet de garantir une cure humide au matériau, ce qui limite son dessèchement et l’apparition de fissures qui diminuent sa durabilité ».

Dans sa thèse, Mimoune Abadassi étudie précisément le ressuage de la pâte cimentaire : un des constituants du béton parmi le sable et les gravillons. En analysant des pâtes cimentaires préparées avec différentes quantités d’eau, le jeune chercheur a remarqué que le taux de ressuage de la pâte de ciment est d’autant plus important que la quantité d’eau incorporée est grande. Le doctorant s’est également intéressé à l’effet des superplastifiants, des produits chimiques qui, lorsqu’ils sont incorporés dans la pâte de ciment, la fluidifient, la rendent plus malléable à l’état frais et plus résistante à l’état durci. « En augmentant le dosage en superplastifiant, nous avons constaté que le ressuage de la pâte cimentaire augmente lui aussi », indique Mimoune Abadassi. « Cela s’explique par le fait que les superplastifiants dispersent les particules de ciment en suspension et favorisent la libération de l’eau contenue dans les agglomérats formés par ces particules, pointe le doctorant avant d’ajouter que ce phénomène va engendrer une augmentation du volume d’eau dans le mélange ce qui va accroitre le ressuage de la pâte de ciment ».

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Des études à l’échelle nanométrique, microscopique et macroscopique

Les superplastifiants, en jouant sur le ressuage, conditionnent également la perméabilité des pâtes de ciment. Pour étudier leur perméabilité à l’état frais, Mimoune Abadassi se sert d’un œdomètre, un appareil largement utilisé dans le domaine de la mécanique des sols. L’œdomètre, en compressant un échantillon, extrait l’eau présente à l’intérieur et mesure son volume afin de déterminer la perméabilité de l’échantillon. Plus le volume d’eau récupéré est grand, plus l’échantillon est perméable. Dans le cas de la pâte cimentaire, une trop grande perméabilité accroit le passage de l’eau à l’intérieur ce qui diminue la cohésion entre les granulats et engendre une fragilisation de la structure du matériau.

En faisant varier les paramètres de préparation de la pâte cimentaire tels que la quantité de superplastifiant, Mimoune Abadassi souhaite observer les changements non visibles à l’œil nu qui ont lieu au sein de la pâte. Dans ce but, il utilise un Turbiscan. Cette machine généralement employée dans l’industrie cosmétique permet d’analyser dans le proche infrarouge la dispersion des particules et l’organisation des agglomérats. En observant l’échantillon à des échelles allant du nanomètre au millimètre, il est possible d’identifier la formation de flocs : des ensembles de particules en suspension qui adhèrent les unes aux autres et qui, en présence de superplastifiant, se désassemblent et libèrent de l’eau dans le mélange de la pâte cimentaire.    

Pour comprendre quelles sont les conséquences à l’échelle macroscopique des phénomènes ayant lieu à l’échelle microscopique et mésoscopique de la pâte de ciment, Mimoune Abadassi utilise la microscopie électronique à balayage. Cette méthode lui permet d’observer à une échelle nanométrique et microscopique la microstructure de la pâte cimentaire et les interfaces entre les granulats. « Avec cette technique, il est possible de visualiser le ressuage interne qui se manifeste par la présence d’eau ne remontant pas en surface et restant piégée entre les granulats », explique-t-il. A l’état durci du béton, la microscopie à balayage est utile pour identifier les phénomènes de fissuration et la formation de cavités dues au ressuage de la pâte.

Mimoune Abadassi a également étudié les effets d’une étape obligatoire dans la production de la pâte de ciment : la vibration. Cette application permet un réarrangement des particules de ciment afin de laisser le moins de vide possible entre elles et ainsi obtenir une meilleure résistance et compaction de la pâte. Après avoir vibré la pâte cimentaire à différentes fréquences, Mimoune Abadassi a conclu que le ressuage était favorisé par l’augmentation de la fréquence de vibration. « La vibration des particules de ciment en suspension va causer leur réarrangement ce qui va engendrer une libération de l’eau contenue dans les flocs, décrit le doctorant qui ajoute que plus la vibration est grande plus le réarrangement des particules est important et la libération d’eau est favorisée ».

Une fois ces essais terminés, les performances mécaniques du béton seront analysées. Il s’agit entre autres d’exercer une pression mécanique sur un objet, en l’occurrence un échantillon de béton pour mesurer sa résistance aux contraintes exercées sur lui. Les résultats obtenus à l’issue de cette expérience seront mis en relation avec ceux des observations au microscope, des analyses au Turbiscan et des essais sur les variations des paramètres de formulation de la pâte cimentaire. L’ensemble des résultats de Mimoune Abadassi serviront à construire une échelle des dosages utilisables par les entreprises productrices de béton. Celles-ci pourront ainsi connaître les quantités optimales des constituants tels que l’eau ou les superplastifiants, à incorporer dans la préparation de ciment destinée à la fabrication de béton. De cette façon, la qualité et la durabilité du matériau manufacturé le plus utilisé au monde pourront être améliorées.

Rémy Fauvel