Effets des processus de mélange prolongés sur les propriétés fraîches, durcies et durables des systèmes de ciment incorporant des cendres volantes

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6091 (2023) Citer cet article

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Des spécifications qui correspondent aux performances du système peuvent garantir l'ajout de valeur. La plupart des spécifications pour le béton prêt à l'emploi traitent des limites de temps de décharge et du nombre de révolutions du camion-tambour. Ces limites ont été développées pour le béton conventionnel. Comme les utilisations des matériaux cimentaires supplémentaires (MCS) deviennent omniprésentes, il est important de déterminer si ces spécifications sont applicables aux MCLS, c'est-à-dire aux systèmes contenant des cendres volantes. Cet article présente les résultats des effets du temps de malaxage et du nombre de tours du malaxeur sur les caractéristiques des pâtes et mortiers fabriqués en laboratoire contenant 20 % et 50 % de cendres volantes. Leurs caractéristiques évaluées comprennent les concentrations d'ions variant dans le temps, le temps de prise, le débit, la résistance à la compression, la porosité et le coefficient de diffusivité apparente du chlorure. Les résultats indiquent qu'avec l'augmentation du temps de mélange et du nombre de tours du mélangeur, les mélanges avec remplacement des cendres volantes présentent des caractéristiques améliorées à la fois fraîches et durcies. Lorsqu'ils sont mélangés pendant 60 min ou 25 505 révolutions, les résistances à la compression à 28 jours des mélanges contenant 20 % et 50 % de cendres volantes sont de 50 % à 100 % supérieures à celles du ciment pur. Il est suggéré d'adopter les cendres volantes dans les processus de mélange prolongés des systèmes de ciment.

Les cendres volantes sont un sous-produit pouzzolanique du processus de combustion du charbon utilisé pour produire de l'électricité. Actuellement, le processus de combustion du charbon représente environ 50 à 55 % de la production totale d'énergie aux États-Unis1,2. Environ 75 % des sous-produits de cette opération sont des cendres volantes3,4,5. Par conséquent, on prévoit que 500 à 550 millions de tonnes de cendres volantes sont produites chaque année à l'échelle mondiale6,7. De nombreux secteurs emploient des cendres volantes, notamment l'agriculture et les industries du ciment et du béton. Il a été constaté que l'utilisation de cendres volantes dans les industries du ciment et du béton améliore les caractéristiques de performance des produits hydratés8,9. L'utilisation principale des cendres volantes pour la production de composites de béton modernes, conduisant à de nouvelles solutions innovantes dans ce domaine, telles que les nanomatériaux10, les liants quaternaires et ternaires11,12,13 et les graines actives14,15. Les nouvelles solutions innovantes peuvent offrir des produits en béton personnalisés pour diverses applications. Cependant, plus de 70 % des cendres volantes collectées dans les centrales électriques ne sont pas utilisées, ce qui pose un sérieux problème d'élimination16,17. Les centrales électriques au charbon engagent des dépenses supplémentaires en raison de l'élimination des cendres volantes. Le coût annuel devrait être d'environ 1,2 milliard de dollars18. Par conséquent, davantage de recherches et d'innovations susceptibles d'étendre l'utilisation des cendres volantes sont nécessaires, en particulier dans les secteurs du ciment et du béton. En plus de réduire les coûts d'élimination, cela peut améliorer les caractéristiques de performance des mélanges de béton.

Le béton est la deuxième substance la plus utilisée dans le monde après l'eau19. Des efforts importants ont été déployés pour limiter les émissions de CO2 des secteurs du ciment et du béton en raison de préoccupations environnementales. Néanmoins, les émissions de CO2 de ces entreprises restent particulièrement élevées et des efforts supplémentaires sont nécessaires. L'American Coal Ash Association (ACAA)20 a calculé que l'utilisation de cendres volantes comme source de matériau de cimentation supplémentaire (SCM) dans le béton peut réduire les émissions de CO2 de 10 à 14 tonnes/an rien qu'aux États-Unis. Non seulement le remplacement partiel des cendres volantes peut favoriser la durabilité en réduisant les émissions de CO2, mais il diminue également les dépenses associées à la production de béton et à l'élimination des cendres volantes. Les règles de la Federal Highway Administration (FHWA) encouragent les systèmes de béton contenant des cendres volantes. Cela est particulièrement vrai lorsque le prix du béton de cendres volantes est comparable ou inférieur à celui du béton de ciment Portland (PCC)21. Par conséquent, tout le ciment ne doit pas être remplacé par des cendres volantes dans un mélange donné. En plus des avantages environnementaux et économiques, il est reconnu que le remplacement du ciment Portland (PC) par des cendres volantes améliore les propriétés fraîches et les performances durcies du produit hydraté. En tant que matériau pouzzolanique, l'hydroxyde de calcium (Ca(OH2)) peut être mis à réagir pour produire des hydrates de silicate de calcium qui augmentent la résistance (CS–H). Ces hydrates se traduisent par une zone de transition interfaciale (ITZ) densifiée et des microstructures de béton améliorées à l'interface de la pâte de ciment et des granulats22,23. Par conséquent, la performance des systèmes de béton incorporant des cendres volantes peut être supérieure à celle des systèmes de béton conventionnels, et cela peut inclure du béton prêt à l'emploi.

Le béton prêt à l'emploi est défini par l'American Society for Testing and Materials (ASTM) comme un béton fabriqué et livré à un client à l'état frais. Les spécifications pour le béton prêt à l'emploi de l'American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), de l'American Concrete Institute (ACI), de l'ASTM et/ou des State Highway Agencies (SHA) traitent du temps de décharge, des rotations des camions et des tambours et /ou des limitations de température concrètes. Aux États-Unis, 48 SHA sur 50 restreignent la durée avant décharge entre 45 et 120 min ; 30 des 50 SHA limitent le nombre de tours de tambour de camion entre 250 et 320 ; et 45 des 50 SHA limitent la température du béton entre 28 et 38 °C. Étant donné que l'augmentation de la durée de décharge et du nombre de révolutions du tambour peut affecter la maniabilité des nouveaux mélanges de ciment et de béton24,25, la majorité des SHA limitent ces facteurs. La maniabilité réduite rend difficile la consolidation d'un nouveau béton. Un placement et une consolidation incorrects peuvent entraîner de grands vides, des nids d'abeilles et une perméabilité accrue dans le béton durci26,27,28, entraînant une diminution considérable de la résistance à la compression et de la durabilité. Selon Anderson et Hodson29, le coût du polissage de la surface durcie une fois la coulée terminée est environ deux à cinq fois supérieur au coût des matières premières du béton. L'amélioration de la maniabilité du béton frais peut réduire les efforts de mise en place, ce qui entraîne une baisse des dépenses de construction.

Selon la Portland Cement Association (PCA)30, plus de cinquante pour cent du béton prêt à l'emploi contient des cendres volantes. Dans les systèmes d'infrastructure, les bétons contenant des cendres volantes sont omniprésents. Bien que de nombreuses recherches aient évalué les impacts des facteurs de mélange sur la performance du PCC, peu d'études ont évalué les effets des variables de mélange sur les caractéristiques de performance du béton contenant des cendres volantes.

De plus, comme le CCP et les bétons contenant des cendres volantes utilisent les mêmes limites de temps de malaxage (c'est-à-dire 45 à 120 min) et de révolutions totales du tambour (c'est-à-dire 250 à 320 tours), les entrepreneurs se demandent si ces limites actuelles sont toujours applicables aux bétons contenant des cendres volantes. et, dans le cas contraire, s'il convient de les modifier. Il est essentiel que les exigences limites s'adaptent aux nouveaux développements dans les matériaux et les procédés de construction, permettant l'ajout de valeur. En outre, Hooton31 a déclaré que les exigences de limites devaient être modifiées en spécifications basées sur les performances afin de ne pas restreindre le développement de systèmes alternatifs (par exemple, les systèmes contenant des cendres volantes). Avant de déterminer ces difficultés, il est nécessaire de mieux connaître les performances des systèmes cimentaires incorporant des cendres volantes.

Cette recherche décrit l'évaluation en laboratoire des effets du temps de mélange et du nombre de tours du mélangeur sur les propriétés fraîches et durcies des pâtes et mortiers PC contenant 20 % et 50 % de cendres volantes en poids. Cette recherche évalue les concentrations en fonction du temps des ions hydroxyle, calcium et aluminate en solution, le temps de prise des pâtes et la fluidité des nouveaux mortiers. Les résistances à la compression à 1, 7 et 28 jours (fc), la porosité à 28 jours et le coefficient apparent de diffusion des chlorures (Da) sont testés en tant que propriétés durcies des mortiers de ciment.

Le PC de type I a été obtenu auprès de SCG, Thaïlande et utilisé pour tous les mélanges dans cette recherche. Les cendres volantes de classe F selon la norme ASTM C618 ont été achetées auprès d'une centrale électrique locale. La composition chimique de la diffraction des rayons X (XRD) du PC et des cendres volantes est illustrée dans le tableau 1. Une image au microscope électronique à balayage (SEM) des particules de cendres volantes est illustrée à la Fig. 1. Les particules de cendres volantes qui ont été observées ont un forme sphérique, une surface lisse et une large gamme de distribution granulométrique. Du sable classé standard conforme à la norme ASTM C778 a été utilisé pour la fluidité, la porosité à 28 jours et les échantillons Da. De l'eau désionisée (DI) de type II (1 MΩ·cm à 25 °C) a été utilisée pour tous les mélanges et expériences. Le granulat fin, utilisé pour les spécimens fc, a été acheté auprès d'une source locale à Saraburi, en Thaïlande, et répondait aux exigences de la norme ASTM C33. Le module de finesse du granulat fin était de 3,1 déterminé selon la norme ASTM C136. La gravité spécifique du granulat fin était de 2,47 et l'absorption était de 3,08 %. Les valeurs de gravité spécifique et d'absorption ont été déterminées selon la norme ASTM C128.

Micrographie SEM de particules de cendres volantes.

Les pâtes de ciment et les mortiers ont été mélangés conformément à la norme ASTM C305. Les systèmes de cendres volantes ont été préparés en substituant les cendres volantes au ciment en poids. Une combinaison témoin (100 % PC) a été formulée et évaluée à des fins de comparaison. Le rapport eau-liant (w/b) de l'échantillon de pâte était de 0,40. Les échantillons de mortier ont été fabriqués en utilisant un rapport aw/b de 0,48 et un rapport ciment-granulat fin de 1,27:1. La norme C305 impose deux étapes de malaxage pour les pâtes et les mortiers : malaxage à basse vitesse (140 tr/min) suivi d'un malaxage à vitesse intermédiaire (250 et 285 tr/min). Seuls le temps et la vitesse de malaxage du deuxième étage ont été modifiés tout au long de cette étude. Les techniques de malaxage des pâtes et mortiers de ciment sont détaillées dans le tableau 2. Quatre durées de malaxage (2, 15, 60 et 90 min) et deux vitesses de malaxage (140 et 285 rpm) ont été étudiées. Cela a abouti à 210, 355, 2030, 4060, 8330, 12 600, 16 885 et 25 578 dénombrements de révolution pour le mélange de pâte et 350, 568, 2170, 4273, 8330, 12 600, 17 098 et 25 505 comptes de révolution pour le mélange de morts. Tous les résultats des tests sont basés sur des tests en triple.

Les concentrations d'ions hydroxyle variables dans le temps en solution aux âges précoces ont été évaluées à l'aide d'une électrode de pH. La valeur w/b des solutions était de 4,0. Le mélange pour tous les systèmes a été effectué à l'aide d'un agitateur magnétique tournant à 0 et 400 tr/min tout au long de la période de mélange. Le mélange à 0 tr/min signifie que les échantillons de ciment ont été mélangés manuellement avec de l'eau jusqu'à ce qu'ils soient uniformes, puis laissés sans agitation supplémentaire. Le temps écoulé après l'introduction du PC non hydraté dans la solution est appelé ici "temps d'hydratation". Les solutions utilisées pour évaluer les concentrations d'ions hydroxyle ont été analysées à 5, 10, 15, 30, 45, 60, 90, 120, 150, 180, 210 et 240 min (mélangées à 0 et 400 tr/min).

En utilisant la spectroscopie d'absorption atomique de flamme (FAAS), les quantités d'aluminate et d'ions calcium ont été calculées. Le processus de détermination des concentrations en ions hydroxyle a été suivi d'un mélange. Aux mêmes durées d'hydratation que les études sur les concentrations d'ions hydroxyle, les solutions ont été évaluées à 300, 360 et 420 min de temps d'hydratation supplémentaire.

A chaque temps d'hydratation, la solution d'essai (30 ml) a été décantée du bécher de mélange et filtrée à l'aide d'une pompe à vide et d'un papier filtre n° 40. Dix ml de solution filtrée ont été utilisés pour analyser les concentrations en ions aluminate et 1 ml de solution filtrée ont été utilisés pour analyser les concentrations en ions calcium. Étant donné que des concentrations élevées d'ions calcium se produisent à un âge précoce, les solutions filtrées pour analyser les concentrations d'ions calcium ont été diluées avant les analyses FAAS. Les solutions filtrées pour déterminer les concentrations en ions calcium ont été diluées avec 9 ml d'eau DI pour obtenir la solution dans la plage de détection du FAAS. Après décantation et dilution, 1 ml de solution d'acide de lanthane [50 g/l d'oxyde de lanthane (La2O3) dans de l'acide chlorhydrique (HCl) 3 M] a été ajouté aux solutions pour les analyses FAAS. Les concentrations d'ions aluminate ont été déterminées en utilisant le FAAS avec du gaz protoxyde d'azote-acétylène à une longueur d'onde de 309,3 nm allumé à une température de 2600 à 2800˚C. Les concentrations de calcium ont été déterminées à l'aide d'un gaz air-acétylène à une longueur d'onde de 422,7 nm allumé à une température de 2100 à 2400 °C. Un échantillon vierge (eau DI uniquement) a également été analysé et utilisé comme correction de fond.

Conformément à la norme ASTM C1437, la fluidité des mortiers neufs a été évaluée. Le temps de prise des pâtes de ciment a été évalué selon la norme ASTM C191. Conformément à la norme ASTM C109, les valeurs fc à 1, 7 et 28 jours ont été établies. Après coulée, les éprouvettes ont été stockées pendant 24 h dans des moules en plastique avant d'être démoulées. Avant les essais, les éprouvettes déformées ont été traitées dans une solution saturée de chaux. La porosité à 28 jours des mortiers a été mesurée à l'aide d'une technique ASTM C642 modifiée. Prasittisopin et Trejo28 détaillent les méthodes pour le test de porosité modifiée. Le Da a été calculé en utilisant la norme ASTM C1556. Après avoir coulé des éprouvettes cylindriques de mortier mesurant 75 mm sur 150 mm pour déterminer le Da, les éprouvettes ont été stockées dans des moules en plastique pendant 24 h avant d'être démoulées. Les échantillons ont ensuite été soumis à une solution de chlorure pendant 35 jours après avoir été durcis dans une solution saturée de chaux pendant 28 jours. Des échantillons de poudre ont été examinés pour la concentration en ions chlorure conformément à la norme ASTM C1152. Pour tester la concentration en ions chlorure, un titreur automatique potentiométrique contrôlé par ordinateur avec un passeur d'échantillons a été utilisé. Après avoir calculé la concentration en ions chlorure à différentes profondeurs sous la surface, le Da a été calculé en utilisant la deuxième règle de Fick, comme indiqué dans l'équation. 1.

où \(C(x,t)\) est le pourcentage de concentration en ions chlorure à la profondeur x et au temps d'exposition t ; Cs est le pourcentage prévu de la concentration en ions chlorure à la surface du mortier exposé ; Ci est le pourcentage de la concentration initiale en ions chlorure des échantillons avant l'exposition à la solution ; et erf est la fonction d'erreur.

Pour comparer les moyennes d'échantillon avec deux groupes et plus de deux groupes, respectivement, le test t à deux échantillons et l'analyse des variances (ANOVA) ont été utilisés. Avant l'analyse, le test de Shapiro-Wilk a été utilisé pour déterminer si les données avaient une distribution normale, et le test de Levene a été utilisé pour déterminer si les données avaient une variance égale. Les hypothèses statistiques suivantes ont été définies comme suit :

Les intervalles de confiance à 95 % ont été utilisés pour toutes les analyses. Si le H0 est rejeté (valeur de p ≤ 0,05), on en conclut qu'il existe une différence statistiquement significative au niveau de 5 % entre les moyennes des populations du groupe. Alternativement, si le H0 n'est pas rejeté (valeur de p > 0,05), il est conclu qu'il n'y a pas de différence statistiquement significative au niveau de 5 % entre les moyennes des populations du groupe.

Cette section comprend six études expérimentales, y compris (1) la concentration en ions d'hydroxyle, d'aluminate et de calcium, (2) la fluidité des mélanges frais, (3) le temps de prise initial, (4) les résistances à la compression à différents temps de durcissement, (5) 28- d porosité, et (6) Da.

L'effet du temps d'hydratation sur les concentrations d'ions hydroxyle pour les systèmes de contrôle, 20% et 50% de cendres volantes mélangés à 0 et 400 tr/min est illustré Fig. 2a, b, respectivement. Les résultats indiquent que les concentrations en ions hydroxyle de tous les systèmes augmentent lorsque le temps d'hydratation augmente. La pente de la courbe ajustée est appelée vitesse de dissolution des ions hydroxyle en solution. Une pente plus grande indique un taux de dissolution plus élevé des ions hydroxyle en solution.

Effet du temps d'hydratation sur la concentration en ions hydroxyle mélangés à (a) 0 tr/min et (b) 400 tr/min du système de contrôle et des systèmes contenant 20 % et 50 % de cendres volantes.

Sur la figure 2a, les pentes des systèmes de contrôle, 20 % et 50 % de cendres volantes sont respectivement de 9,0, 7,7 et 5,2 mmol/l/min. La plus grande pente du système de contrôle correspond à un taux de dissolution des ions hydroxyle plus élevé que les systèmes à 20 % et 50 % de cendres volantes. Il a été rapporté que l'augmentation du pourcentage de remplacement des cendres volantes dans les systèmes cimentaires entraîne une diminution de la concentration en ions hydroxyle dans la solution32. On pense que cela se produit parce que les cendres volantes agissent comme "inertes". Par conséquent, les mélanges de cendres volantes contiennent moins de ciment. Les résultats de la Fig. 2b sont similaires aux résultats de la Fig. 2a, dont la pente du système de contrôle mélangé à 400 tr/min (17 mmol/l/min) est supérieure aux pentes des 20 % (15 mmol/l/ min), systèmes à 50 % de cendres volantes (13 mmol/l/min) mélangés à 400 tr/min. L'augmentation du niveau de remplacement des cendres volantes entraîne une diminution des taux de dissolution des ions hydroxyle, quelle que soit la vitesse de mélange.

La comparaison des résultats de la Fig. 2b avec les résultats de la Fig. 2a indique que les pentes des systèmes de contrôle, 20 % et 50 % de cendres volantes mélangées à 400 tr/min sont environ 89 %, 95 % et 150 % plus élevées que les pentes des systèmes de contrôle, 20 % et 50 % de cendres volantes mélangés à 0 tr/min, respectivement. La pente plus raide est attribuée à une vitesse de dissolution plus rapide des ions hydroxyle. Cela indique que la vitesse de mélange affecte fortement le taux de dissolution des ions hydroxyle de tous les systèmes et pourrait affecter les caractéristiques des mélanges au jeune âge (comme discuté plus loin). La vitesse de mélange affecte de plus en plus le taux de dissolution des ions hydroxyle dans les systèmes contenant des niveaux de remplacement plus élevés de cendres volantes.

La figure 3a montre les concentrations variables dans le temps des ions aluminate des systèmes de contrôle, 20 % et 50 % de cendres volantes mélangés à 0 tr/min. Les résultats indiquent que les concentrations en ions aluminate du système de contrôle sont inférieures aux concentrations en ions aluminate des systèmes à 20 % et 50 % de cendres volantes. Le tracé des concentrations en ions aluminate des systèmes de contrôle, 20% et 50% de cendres volantes mélangés à 400 tr/min en fonction du temps d'hydratation est illustré à la Fig. 3b. Comme les résultats de tous les systèmes mélangés à 0 tr/min sur la figure 3a, les concentrations en ions aluminate du système de contrôle sont inférieures à celles des systèmes à 20 % et 50 % de cendres volantes. Plus important encore, les concentrations en ions aluminate mélangés à 400 tr/min pour tous les systèmes ne sont pas stables, par rapport aux concentrations en ions aluminate dans des solutions mélangées à 0 tr/min. Cet état "instable" se produit probablement en raison de la vitesse de mélange. Étant donné que les concentrations en ions aluminate ne sont pas stables dans les systèmes mélangés à 400 tr/min, on s'attend à ce qu'il y ait des différences de caractéristiques au jeune âge (par exemple, prise) entre les systèmes qui sont continuellement mélangés et les systèmes qui sont mélangés puis arrêter de mélanger.

Effet du temps d'hydratation sur la concentration en ions aluminate mélangés à (a) 0 tr/min et (b) 400 tr/min du système de contrôle et des systèmes contenant 20 % et 50 % de cendres volantes.

L'effet du temps d'hydratation sur les concentrations d'ions calcium pour les systèmes de contrôle, 20% et 50% de cendres volantes mélangés à 0 et 400 tr/min est illustré Fig. 4a, b, respectivement. Les résultats des deux figures indiquent que les systèmes de contrôle mélangés à 0 et 400 tr/min ont des concentrations en ions calcium plus élevées que les systèmes à 20 % et 50 % de cendres volantes. La présence de cendres volantes entraîne une réduction des concentrations d'ions calcium aux âges précoces en raison de la moindre teneur en ciment. De plus, ces concentrations plus faibles en ions calcium pourraient être le résultat de particules de cendres volantes agissant comme noyaux pour la précipitation de la chaux. Lawrence33 et Fraay et al.34 ont signalé que la précipitation de chaux peut se produire lors du remplacement du ciment par des ajouts cimentaires. Comme les résultats des concentrations en ions aluminate dans des solutions mélangées à différentes vitesses (illustrées à la Fig. 3a, b), les concentrations en ions calcium dans des solutions mélangées à 400 tr/min ne sont pas stables par rapport aux solutions mélangées à 0 tr/min. Apparemment, les résultats des concentrations d'aluminate et d'ions calcium indiquent que lorsque le mélange progresse continuellement, les ions sont probablement instables, affectant ainsi d'autres caractéristiques du jeune âge.

Effet du temps d'hydratation sur la concentration en ions calcium mélangés à (a) 0 tr/min et (b) 400 tr/min du système de contrôle et des systèmes contenant 20 % et 50 % de cendres volantes.

Le tableau 3 résume les effets du remplacement des cendres volantes dans les systèmes cimentaires sur les concentrations d'hydroxyle, d'aluminate, de silicate et d'ions calcium dans les solutions aux âges précoces. En ce qui concerne les études de concentration en ions pour les processus de mélange prolongés, le remplacement du ciment par des cendres volantes peut entraîner (1) une diminution de la concentration en ions hydroxyle en raison d'une moindre teneur en ciment, (2) une augmentation de la concentration en ions aluminate en raison de la formation de couches de gel riches en aluminate, ( 3) augmentation de la concentration en ions silicate due à une plus grande quantité de silicium provenant des cendres volantes dans les systèmes cimentaires, et (4) diminution de la concentration en ions calcium due à la précipitation de la chaux et à une moindre teneur en ciment35,36.

L'effet du temps de mélange sur la fluidité normalisée des systèmes de contrôle, 20 % et 50 % de cendres volantes mélangés à 285 tr/min est illustré à la Fig. 5a. Les valeurs de débit sont normalisées avec les valeurs de débit maximales (183 mm) des systèmes à 50 % de cendres volantes. Les résultats indiquent qu'une réduction du débit de tous les systèmes est le résultat d'un temps de mélange accru. Le débit des mortiers frais des systèmes à 20 % et 50 % de cendres volantes mélangés pendant 2 min présente un débit environ 12 % et 31 % plus important que le système de contrôle, respectivement. Le débit des mortiers frais des systèmes à 20 % et 50 % de cendres volantes mélangés pendant 15 min présente un débit environ 30 % et 48 % supérieur à celui du système de contrôle, respectivement. Enfin, le débit des mortiers frais des systèmes à 20 % et 50 % de cendres volantes mélangés pendant 60 min présente un débit environ 50 % et 43 % plus important que le système de contrôle, respectivement. Il est à noter que la fluidité sur les figures a été testée à 285 tr/min uniquement. La vitesse de mélange inférieure (140 tr/min) a été utilisée pour calculer différents nombres de tours du mélangeur. Bentz et Ferraris37 ont rapporté qu'au fur et à mesure que les produits hydratants se forment, le comportement de raidissement précoce est contrôlé par la perte progressive d'eau libre à partir des réactions d'hydratation.

Effet (a) du temps de mélange et (b) du nombre de tours du mélangeur sur le débit normalisé du système de contrôle et des systèmes contenant 20 % et 50 % de cendres volantes.

Paya et al.38 ont rapporté que l'écoulement des systèmes cimentaires contenant des cendres volantes est influencé par plusieurs facteurs tels que la distribution granulométrique, la morphologie, l'état de surface, la finesse et la perte au feu des particules de cendres volantes. On pense que le remplacement du ciment par des cendres volantes rend plus d'eau disponible pour l'écoulement. Gopalan39 a signalé que les caractéristiques d'absorption d'eau des systèmes cimentaires sont réduites en présence de cendres volantes. De plus, les particules sphériques et une meilleure répartition granulométrique des cendres volantes (qui est illustrée à la Fig. 1) conduisent à la réduction de la friction entre les particules constitutives des systèmes (ce que l'on appelle communément la "ball-ability" ou "ball-ability"). effet portant")40,41. Ainsi, bien qu'un temps de mélange accru entraîne une réduction du débit des systèmes de cendres volantes, les mélanges frais peuvent être mélangés plus longtemps et être encore coulables grâce à un débit amélioré.

Le tracé du débit normalisé des systèmes de contrôle, 20 % et 50 % de cendres volantes en fonction du nombre de tours du mélangeur est illustré à la Fig. 5b. Les résultats indiquent que le débit de tous les systèmes diminue de manière significative avec l'augmentation du nombre de révolutions du mélangeur. Le système de contrôle a moins de débit que les systèmes à 20 % et 50 % de cendres volantes. Le remplacement du ciment par des cendres volantes entraîne une augmentation significative du débit du mélange frais et permet d'effectuer un processus de consolidation approprié des mélanges mélangés à des nombres de tours de mélangeur plus élevés. Sur la base des données d'essai, les limites de la spécification sur le temps de malaxage et le nombre de tours du malaxeur peuvent ne pas être appropriées lorsque des cendres volantes sont présentes dans les systèmes cimentaires.

La figure 6a montre l'effet du temps de mélange sur le temps de prise initial des systèmes de contrôle, 20 % et 50 % de cendres volantes. Les résultats indiquent que l'augmentation du niveau de pourcentage de remplacement des cendres volantes entraîne des temps de prise initiaux retardés. Les raisons possibles de l'effet retardateur sont probablement dues à l'adsorption des ions calcium à la surface des cendres volantes42 et à la baisse des concentrations en ions hydroxyle. Ceux-ci conduisent à un processus de nucléation et de précipitation retardé du Ca(OH)2, du CS–H et de l'ettringite. Les résultats indiquent également que l'augmentation du temps de mélange entraîne une augmentation du temps de prise initiale du contrôle et des systèmes à 20 % de cendres volantes (test ANOVA avec valeur p < 0,05). Cela est probablement dû au fait que les ions dans les systèmes sont dans un état instable (comme discuté) et que les particules du constituant sont toujours déformées par un mouvement des outils de mélange pendant un mélange continu. Cette déformation des particules perturbe probablement la liaison par adhérence des particules hydratantes pour former une structure plus grande. Ainsi, lors du mélange, les particules hydratantes perdent leur capacité de support de charge, ce qui entraîne par conséquent une prise plus lente. Après l'arrêt du mélange, la liaison par adhérence commence à former une structure plus grande et cette structure, avec le temps, commence à supporter des charges externes. Cependant, on suppose qu'une partie de l'eau est consommée par les réactions d'hydratation pendant un mélange prolongé, car les réactions d'hydratation peuvent générer une quantité substantielle de chaleur, et cette chaleur d'hydratation entraîne une augmentation du taux d'évolution de l'eau. Par conséquent, moins de quantité d'eau disponible pour l'écoulement avant la coulée et la consolidation des spécimens. Cette moindre quantité d'eau des mélanges se traduit finalement par une énergie accrue pour couler et consolider les éprouvettes28. Les spécimens durcis semblent avoir un volume de vide plus élevé et une taille de vide plus grande. Les vides dans les systèmes de ciment durci entraînent généralement une fc inférieure et conduisent finalement à détériorer la durabilité et à raccourcir la durée de vie. La porosité sera discutée plus loin dans la section "Résistance à la compression". Il convient toutefois de noter que ce travail a été effectué dans des systèmes de pâte et de mortier alors que la recherche sur l'augmentation du volume de mélange pour le camion de béton prêt à l'emploi pour chaque région ou le passage aux systèmes de béton est obligatoire.

Effet de (a) le temps de mélange et (b) le nombre de tours du mélangeur sur le temps de réglage initial du système de contrôle et des systèmes contenant 20 % et 50 % de cendres volantes.

La figure 6b montre l'effet du temps de prise initial en fonction du nombre de tours du mélangeur des systèmes de contrôle, 20 % et 50 % de cendres volantes. D'après les résultats, il apparaît que le temps de prise initial tend à s'allonger en fonction du nombre de tours du mélangeur. Les temps de prise initiaux des systèmes cimentaires contenant des cendres volantes sont retardés en raison des temps de mélange accrus ainsi que des nombres de révolutions du mélangeur accrus.

Les figures 7a, b montrent le fc sur 1 jour des systèmes de contrôle, 20 % et 50 % de cendres volantes en fonction du temps de mélange et du nombre de tours du mélangeur, respectivement. Les résultats indiquent que l'augmentation du pourcentage de remplacement des cendres volantes entraîne une diminution de la résistance à la compression sur 1 jour. Les analyses statistiques indiquent que le fc sur 1 jour de tous les systèmes n'est pas influencé par le temps de mélange et le nombre de tours du mélangeur (test ANOVA avec valeur p > 0,05).

Effet de (a) le temps de mélange et (b) le nombre de tours du mélangeur sur 1 jour fc ; (c) temps de mélange et (d) nombre de tours du mélangeur sur 7 jours fc ; (e) temps de mélange et (f) nombre de révolutions du mélangeur sur 28 jours fc du système de contrôle et des systèmes contenant 20 % et 50 % de cendres volantes.

Les figures 7c,d montrent l'effet du temps de mélange et du nombre de révolutions du mélangeur sur le fc à 7 jours pour le système de contrôle et les systèmes contenant respectivement 20 % et 50 % de cendres volantes. Les résultats indiquent que le fc à 7 jours de tous les systèmes n'est pas significativement affecté par le temps de mélange (valeur p ANOVA > 0,05). De plus, le fc à 7 jours des systèmes témoins n'a pas d'effet significatif sur le temps de mélange (valeur p ANOVA > 0,05) ; cependant, le fc sur 7 jours des 20 % et 50 % de cendres volantes le fait (valeur p ANOVA < 0,05).

Les effets du temps de mélange et du nombre de révolutions du mélangeur sur le fc à 28 jours des systèmes de contrôle, 20% et 50% de cendres volantes sont illustrés sur les figures 7e, f, respectivement. De même, avec les résultats des fc à 1 et 7 jours, les résultats indiquent que le temps de mélange n'a pas d'effet significatif sur le fc à 28 jours de tous les systèmes. En résumé, un temps de mélange prolongé n'a pas d'influence à la fois sur le fc à un âge précoce et à un âge plus avancé. En ce qui concerne la résistance à la compression des systèmes de béton prêt à l'emploi, leurs limites de temps de décharge actuelles, telles que spécifiées dans de nombreux SHA, semblent être d'une utilisation peu pratique. Cependant, ici, le nombre de révolutions du mélangeur influence le FC sur 28 jours. L'augmentation du nombre de révolutions du mélangeur entraîne une réduction de 28 jours fc du système de contrôle, mais entraîne une augmentation de 28 jours fc des systèmes contenant des cendres volantes. Il a été rapporté qu'une augmentation de la consommation d'énergie de consolidation est responsable de la chute de fc sur 28 jours qui se produit en fonction du nombre de tours du mélangeur28. Le fc commencera à décroître dès que l'énergie disponible sera insuffisante pour consolider les éprouvettes. Les vides des systèmes de ciment s'agrandissent et augmentent. Comme mentionné ci-dessus, des vides plus grands et des volumes de vides plus importants dans les systèmes de ciment conduisent probablement à une réduction de fc et, par conséquent, à un raccourcissement de leur durée de vie. Lorsque l'on considère le nombre de révolutions, les résultats montrent apparemment que les limites des SHA devraient être en place. Ceux-ci peuvent garantir que le béton prêt à l'emploi peut être livré aux utilisateurs dans de bonnes conditions. Cependant, les systèmes qui contiennent des cendres volantes montrent une augmentation du fc sur 28 jours, et on suppose que cela est dû au fait qu'il y a moins d'eau dans leurs mélanges (ce qui se traduit par une valeur w/b plus faible). L'augmentation des taux d'évaporation de l'eau et des réactions d'hydratation a été affirmée comme étant la cause de la diminution de la présence d'eau dans les mélanges par Dewar et Anderson43.

Les résultats ici indiquent que le temps de mélange n'a pas d'influence significative sur les fc à 1, 7 et 28 jours. Le résumé de l'influence du nombre de révolutions du mélangeur sur le fc des systèmes témoins, 20 % et 50 % de cendres volantes est présenté dans le tableau 4. Les valeurs de fc au jeune âge (1 et 7 jours) n'ont pas d'effet significatif. impact en augmentant le nombre de tours du mélangeur. D'autre part, le fc de 28 jours diminuera pour le système de contrôle à mesure que le nombre de tours du mélangeur augmente, mais il augmentera pour les systèmes qui incluent des cendres volantes. Dans des conditions de mélange prolongées, la présence de cendres volantes dans les systèmes cimentaires peut améliorer la résistance à la compression à long terme. Par conséquent, les produits en béton prêt à l'emploi doivent contenir partiellement des cendres volantes, en particulier lorsqu'un long transport est nécessaire. Comme indiqué précédemment, les limites des SHA sur le temps de décharge et le nombre de tours du mélangeur du béton prêt à l'emploi semblent nécessiter une révision lorsque des cendres volantes sont présentes. Dans les versions révisées, il est recommandé que le temps de décharge plus long et le nombre de révolutions plus élevé puissent être pris en compte, ce qui peut être bénéfique pour tous les acteurs de la chaîne du béton prêt à l'emploi. Les producteurs de béton prêt à l'emploi peuvent facilement planifier divers itinéraires et horaires logistiques. Les consommateurs peuvent recevoir une bonne qualité des produits en béton résultants. Enfin, les déchets générés par une quantité excessive de béton prêt à l'emploi peuvent être réduits, ce qui offre finalement des moyens plus rentables et plus durables à l'industrie44.

Les effets du temps de mélange et du nombre de révolutions du mélangeur sur la porosité à 28 jours des systèmes de contrôle, 20% et 50% de cendres volantes sont illustrés aux Fig. 8a, b, respectivement. Les résultats indiquent que l'augmentation du temps de mélange n'affecte pas de manière significative la porosité à 28 jours pour tous les systèmes (valeur p ANOVA > 0,05). Les résultats révèlent également qu'une augmentation significative de la porosité ne devrait concerner que le mélange témoin. L'augmentation du niveau de pourcentage de remplacement des cendres volantes entraîne une porosité plus élevée. La figure 8b montre que l'augmentation du nombre de révolutions du mélangeur à des révolutions inférieures (moins d'environ 3000) entraîne une augmentation significative de la porosité (test ANOVA avec valeur p = 0,013). Cependant, l'augmentation du nombre de tours du mélangeur à des nombres de tours plus élevés (plus d'environ 3000) a moins d'influence sur la porosité des mélanges (valeur p du test ANOVA > 0,05). La porosité des systèmes contenant des cendres volantes ne présente pas cet effet comme le système de contrôle.

Effet (a) du temps de mélange et (b) du nombre de tours du mélangeur sur la porosité à 28 jours du système de contrôle et des systèmes contenant 20 % et 50 % de cendres volantes.

La figure 9 montre la corrélation entre la résistance à la compression normalisée à 28 jours et la porosité durcie à 28 jours des systèmes de contrôle, 20 % et 50 % de cendres volantes pour différents nombres de révolutions du mélangeur. Les valeurs de fc à 28 jours sont normalisées avec la moyenne de fc à 28 jours pour tous les mélanges. La courbe ajustée linéaire a été illustrée dans cette étude. La courbe ajustée logarithmique indiquée est rapportée par Neveille45 et les courbes ajustées exponentielles et linéaires sont rapportées par Brandt46. Bien que les différents types de courbe ajustée ne soient pas similaires aux courbes des études précédentes, la courbe ajustée linéaire de cette étude ne se distingue pas des autres. Les résultats indiquent que le fc à 28 jours est réduit avec l'augmentation de la porosité et cette porosité accrue est probablement due à un débit réduit causé par des nombres de tours de mélangeur plus élevés. Il est supposé que les principaux critères reflétant la performance globale des macrostructures sont des paramètres relatifs à l'écoulement adéquat des mélanges de ciment frais résultant d'un malaxage prolongé.

Relation entre le fc à 28 jours normalisé et la porosité à 28 jours des systèmes de contrôle et des systèmes contenant 20 % et 50 % de cendres volantes mélangées à différents nombres de révolutions du mélangeur.

Les figures 10a et b montrent les effets du temps de mélange et du nombre de tours du mélangeur sur le Da des systèmes de contrôle, 20 % et 50 % de cendres volantes, respectivement. Les résultats indiquent que ni le temps de mélange ni le nombre de tours du mélangeur n'ont d'effet significatif sur le Da pour tous les systèmes (valeur p ANOVA > 0,05). Le système de contrôle présente un Da plus élevé que les systèmes contenant des cendres volantes (valeur p ANOVA = 0,026). Par conséquent, seule l'influence des composants du matériau influence la résistance à la corrosion, pas les activités de mélange. Il est de notoriété publique que l'ajout de cendres volantes aux systèmes de ciment peut entraîner une microstructure plus dense et une porosité réduite à des âges plus avancés. En effet, les réactions pouzzolaniques (réaction entre CaO et S pour former des produits CS-H) progressent à des âges plus avancés47,48. Golewski47 a mentionné que la structure homogène et uniforme du système de ciment portland contenant du FA a été observée après une période de durcissement de 14 jours, résultant de la transformation des phases désordonnées en formes compactes et homogènes et du remplissage des vides poreux de la phase CS-H. Sabet et al.49 ont rapporté que la présence de cendres volantes dans les systèmes cimentaires peut réagir avec le Ca(OH)2 pour produire des produits CS-H et également lier les ions chlorure par les phases d'aluminate pendant la période d'exposition au chlorure. Ceux-ci conduisent à des taux de transport réduits et, enfin, la durée de vie de la structure en béton peut être prolongée.

Effet (a) du temps de mélange et (b) du nombre de tours du mélangeur sur Da du système de contrôle et des systèmes contenant 20 % et 50 % de cendres volantes.

Cette étude a évalué l'influence des processus de mélange prolongés sur les paramètres de performance des systèmes cimentaires incluant les cendres volantes. À diverses périodes et vitesses de mélange, la cinétique de dissolution des ions hydroxyle, calcium et aluminate a été examinée. A différentes périodes de malaxage et nombre de tours de malaxage, les caractéristiques fraîches et durcies des pâtes et des mortiers ont été examinées. Les conclusions suggèrent que :

L'augmentation de la vitesse de mélange a entraîné une augmentation de la cinétique de dissolution de l'ion hydroxyle dans les solutions et a permis aux ions calcium et aluminate de rester à l'état instable.

L'augmentation du niveau de remplacement des cendres volantes entraîne une augmentation des valeurs de débit mais un temps de prise plus lent. Ainsi, alors que des processus de mélange plus longs réduisent les valeurs d'écoulement, les mélanges de cendres volantes peuvent être coulés en raison d'un meilleur écoulement.

Avec l'augmentation du nombre de révolutions du mélangeur, le fc de 28 jours des systèmes sans cendres volantes diminue, mais le fc de 28 jours des systèmes avec cendres volantes augmente.

La porosité des mortiers de cendres volantes n'est pas influencée par le temps de malaxage et le nombre de tours du malaxeur.

Le Da n'est pas affecté par ces temps de mélange et ces nombres de tours du mélangeur. Cependant, lorsque des cendres volantes sont présentes, le Da peut être affecté par ces temps de mélange et ces nombres de révolutions du mélangeur.

Les exigences existantes de la majorité des SHA peuvent ne pas être pertinentes pour les systèmes à base de ciment, y compris les cendres volantes, sur la base des conclusions de l'étude sur le temps de mélange et le nombre de révolutions du mélangeur. Des recherches en cours examinent l'influence de ces contraintes actuelles sur les performances des bétons contenant des cendres volantes.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Les auteurs tiennent à remercier l'école d'ingénierie civile et de construction de l'Université d'État de l'Oregon et le ministère des Transports de Washington pour l'investigation partielle de cette étude.

Ce projet de recherche a été soutenu financièrement par Program Management Unit for Competitiveness Enhancement (PMU-C), Office of National Higher Education Science Research and Innovation Policy Council, Thailand and Thailand Science Research and Innovation Fund, Chulalongkorn University (SOC66250010).

Faculté d'ingénierie et de technologie, Université de Pathumthani, Pathumthani, 12000, Thaïlande

Issara Sereewatthanawut

École d'ingénierie et de science des matériaux, Université Queen Mary de Londres, Londres, E1 4NS, Royaume-Uni

Chinnapat Panwisawas

Département de génie civil, Faculté de génie, Université Chulalongkorn, Bangkok, 10330, Thaïlande

Chayut Ngamkhanong

Département d'architecture, Faculté d'architecture, Université Chulalongkorn, Bangkok, 10330, Thaïlande

Lapyote Prasittisopin

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SI : Méthodologie, Investigation, Data curation. CP : curation des données, rédaction - révision et édition. CN : Ressources, Rédaction - Révision et édition. WP : Supervision, Acquisition de financement. LP : Conceptualisation, Validation.

Correspondance à Lapyote Prasittisopin.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Sereewatthanawut, I., Panwisawas, C., Ngamkhanong, C. et al. Effets des processus de mélange prolongés sur les propriétés fraîches, durcies et durables des systèmes de ciment incorporant des cendres volantes. Sci Rep 13, 6091 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33312-x

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Reçu : 02 décembre 2022

Accepté : 11 avril 2023

Publié: 13 avril 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-33312-x

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