SBEIDCO – 1 st International Conference on Sustainable Built Environement Infrastructures in Developing Countries ENSET Oran (Algeria) - October 12-14, 2009 T2, L’influence de l’ajout polymère sur la résistance des mortiers vis-à-vis d’une attaque chimique d’acide chlorhydrique; A. S. Benosman , M. Mouli, H. Taïbi, M. Belbachir, Y. Senhadji, I. Bahlouli, D. Houivet 383 L’INFLUENCE DE L’AJOUT POLYMÈRE SUR LA RÉSISTANCE DES MORTIERS VIS-A-VIS D’UNE ATTAQUE CHIMIQUE D’ACIDE CHLORHYDRIQUE A. S. Benosman 1 , M. Mouli 2 , H. Taïbi 3 , M. Belbachir 4 , Y. Senhadji 5 , I. Bahlouli 6 , D. Houivet 7 T. 2. Performance of materials RÉSUMÉ Le béton est un matériau durable qui offre une résistance remarquable aux agressions lorsqu’il est correctement dosé et correctement mis en œuvre. Cependant, il est occasionnellement exposé à des substances qui le détériorent. La plupart des solutions acides le rongent selon le type d’acide et de sa concentration. Les agressions chimiques externes sont dues essentiellement aux acides, aux bases et aux solutions salines qui dissolvent la chaux du ciment et en formant des composés nouveaux, entraînant l’érosion, le gonflement et l’éclatement des ouvrages en béton, ce qui peut mettre en péril la stabilité des ces derniers. Les composites mortier-polymère sont souvent employés en tant que matériaux prometteurs peu coûteux pour empêcher ou réparer de diverses structures en béton renforcées. En vue d’améliorer la durabilité de ces composites, on a évalué l’influence de l’ajout du polytéréphtalate d’éthylène PET sur les caractéristiques de ces derniers vis-à-vis des milieux agressifs tels que les acides. L’objectif de cette étude est de faire une analyse comparative du comportement mécanique et durabilité des mortiers et des composites de différents teneurs en PET, sous l’attaque de la solution d’acide chlorhydrique (HCl) de différente concentrations 0.5%, 1% et 1.5%. Cette analyse doit conduire à des prescriptions concernant les mortiers modifiés par le polymère, permettant d’obtenir des matériaux durables. MOTS CLES: . Mortier- polymère, déchet du PET, Composite, Acide HCl, ATD. 1 University of Oran Es-Sénia, Laboratory of Polymer Chemistry, Faculty of Science, B.P. 1524, El Mnaouer, Oran 31000; Algeria, Phone/Fax 00 213 41581413, [email protected]1 ENSET Oran, LABMAT, Civil Engrg. Department, BP. 1523, El Mnaouer, Oran 31000, Algeria, Phone 00 213 41514347, Fax 00 213 41582066, [email protected]2 ENSET Oran, LABMAT, Civil Engrg. Department, BP. 1523, El Mnaouer, Oran 31000, Algeria, Phone 00 213 41514347, Fax 00 213 41582066, [email protected]3 University of Oran Es-Sénia, Laboratory of Polymer Chemistry, Faculty of Science, B.P. 1524, El Mnaouer, Oran 31000; Algeria, Phone/Fax 00 213 41581413, [email protected]4 University of Oran Es-Sénia, Laboratory of Polymer Chemistry, Faculty of Science, B.P. 1524, El Mnaouer, Oran 31000; Algeria, Phone/Fax 00 213 41581413, [email protected]5 ENSET Oran, LABMAT, Civil Engrg. Department, BP. 1523, El Mnaouer, Oran 31000, Algeria, [email protected]6 University of Oran Es-Sénia, Laboratory of Polymer Chemistry, Faculty of Science, B.P. 1524, El Mnaouer, Oran 31000; Algeria, [email protected]7 Université de Caen Basse-Normandie, Laboratoire LUSAC EA 2607, BP 78 – 50130 Cherbourg Octeville, France, phone : 02 33 01 42 33, Fax : 02 33 01 41 35 [email protected]
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T2, L’influence de l’ajout polymère sur la résistance des mortiers vis-à-vis d’une attaque chimique d’acide chlorhydrique; A. S. Benosman, M. Mouli, H. Taïbi, M. Belbachir, Y. Senhadji, I. Bahlouli, D. Houivet
383
L’INFLUENCE DE L’AJOUT POLYMÈRE SUR LA RÉSISTANCE DES MORTIERS VIS-A-VIS D’UNE ATTAQUE
CHIMIQUE D’ACIDE CHLORHYDRIQUE
A. S. Benosman1, M. Mouli2, H. Taïbi3, M. Belbachir4, Y. Senhadji5, I. Bahlouli6, D. Houivet7
T. 2. Performance of materials
RÉSUMÉ
Le béton est un matériau durable qui offre une résistance remarquable aux agressions lorsqu’il est correctement dosé et correctement mis en œuvre. Cependant, il est occasionnellement exposé à des substances qui le détériorent. La plupart des solutions acides le rongent selon le type d’acide et de sa concentration. Les agressions chimiques externes sont dues essentiellement aux acides, aux bases et aux solutions salines qui dissolvent la chaux du ciment et en formant des composés nouveaux, entraînant l’érosion, le gonflement et l’éclatement des ouvrages en béton, ce qui peut mettre en péril la stabilité des ces derniers.
Les composites mortier-polymère sont souvent employés en tant que matériaux prometteurs peu coûteux pour empêcher ou réparer de diverses structures en béton renforcées. En vue d’améliorer la durabilité de ces composites, on a évalué l’influence de l’ajout du polytéréphtalate d’éthylène PET sur les caractéristiques de ces derniers vis-à-vis des milieux agressifs tels que les acides.
L’objectif de cette étude est de faire une analyse comparative du comportement mécanique et durabilité des mortiers et des composites de différents teneurs en PET, sous l’attaque de la solution d’acide chlorhydrique (HCl) de différente concentrations 0.5%, 1% et 1.5%. Cette analyse doit conduire à des prescriptions concernant les mortiers modifiés par le polymère, permettant d’obtenir des matériaux durables.
MOTS CLES: .
Mortier- polymère, déchet du PET, Composite, Acide HCl, ATD.1 University of Oran Es-Sénia, Laboratory of Polymer Chemistry, Faculty of Science, B.P. 1524, El Mnaouer, Oran 31000; Algeria, Phone/Fax 00 213 41581413, [email protected] ENSET Oran, LABMAT, Civil Engrg. Department, BP. 1523, El Mnaouer, Oran 31000, Algeria, Phone 00 213 41514347, Fax 00 213 41582066, [email protected] ENSET Oran, LABMAT, Civil Engrg. Department, BP. 1523, El Mnaouer, Oran 31000, Algeria, Phone 00 213 41514347, Fax 00 213 41582066, [email protected] University of Oran Es-Sénia, Laboratory of Polymer Chemistry, Faculty of Science, B.P. 1524, El Mnaouer, Oran 31000; Algeria, Phone/Fax 00 213 41581413, [email protected] University of Oran Es-Sénia, Laboratory of Polymer Chemistry, Faculty of Science, B.P. 1524, El Mnaouer, Oran 31000; Algeria, Phone/Fax 00 213 41581413, [email protected] ENSET Oran, LABMAT, Civil Engrg. Department, BP. 1523, El Mnaouer, Oran 31000, Algeria, [email protected] 6 University of Oran Es-Sénia, Laboratory of Polymer Chemistry, Faculty of Science, B.P. 1524, El Mnaouer, Oran 31000; Algeria, [email protected] Université de Caen Basse-Normandie, Laboratoire LUSAC EA 2607, BP 78 – 50130 Cherbourg Octeville, France, phone : 02 33 01 42 33, Fax : 02 33 01 41 35 [email protected]
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T2, L’influence de l’ajout polymère sur la résistance des mortiers vis-à-vis d’une attaque chimique d’acide chlorhydrique; A. S. Benosman, M. Mouli, H. Taïbi, M. Belbachir, Y. Senhadji, I. Bahlouli, D. Houivet
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1. INTRODUCTION
La durabilité des ouvrages en béton est une caractéristique très importante, car c’est la garantie d’une sécurité et d’une durée de service accrues de ces ouvrages [Baron & Ollivier 1992]. Cette durabilité garantie aussi une économie considérable sur le long terme, car de tels ouvrages nécessitera peu ou pas de réparations, d’où une économie de coûts induits par des réparations, qui peuvent être très élevés, et peuvent même dépasser les coûts initiaux de construction [Neville 2000]. L’élaboration de tels ouvrages doit passer obligatoirement par la maîtrise et la compréhension des facteurs affectant leur durabilité [Arliguie & Hornain 2007].
Les pluies acides (pH souvent compris entre 4 et 4,5) peuvent légèrement attaquer les surfaces de béton, ordinairement sans effet sur le comportement des structures de béton exposées. Des précautions spéciales doivent d’être prises en compte lors de la réalisation des constructions dans des lieux submergés [Zivica & Bajza 2002]. Le renouvlement continuel d’acide à pH<4 est considéré très agressif pour le béton enterré, comme les tuyaux. Le béton continuellement exposé à un liquide dont le pH<3 doit être protégé de la même manière que le béton exposé à des solutions acides diluées [Zivica & Bajza 2001].
Le développement des composites Mortier-Polymère a pour origine certains besoins exprimés par les professionnels du bâtiment et des travaux publics [Ohama 1995]. Ces matériaux [Chandra & Ohama 1994] and [Sakai & Sugita 1995] sont utilisés le plus souvent dans des travaux de second œuvre tels les colles carrelages ou revêtements d’étanchéité; ils sont aussi utilisés dans le domaine des travaux publics comme produits de réparation d’ouvrages d’arts, et dans certaines applications routières.
En vue d’appréhender l’influence du polymère sur le comportement des matériaux cimentaires, une première étude expérimentale a été menée sur un mortier témoin substitué de différents teneurs en polytéréphtalate d’éthylène (déchets de bouteilles en PET broyés). Après une durée d’attaque chimique d’une solution d’acide chlorhydrique HCl de différente concentrations (0.5%, 1% et 1.5%), on a effectué des essais mécaniques telles la résistance à la compression ainsi que des mesures de perte en poids. La détermination des caractéristiques mécaniques à long terme et la résistance chimique des composites Mortier-Polymère semble confirmer les effets des propriétés du polytéréphtalate d’éthylène (PET) sur la durabilité.
2. CONDITIONS EXPÉRIMENTALES
On décide de réaliser des composites avec des teneurs en polymère différentes telles P/C {0, 2.5, 5, 7.5} %m, avec P : polymère (polytéréphtalate d’éthylène) et C : ciment. Le mortier utilisé dans notre étude, se compose de la proportion en masse suivante: (1 ciment, 3 sable et un rapport eau sur ciment E/C = 0.5 constant pour tous les mortiers).
Les mortiers et/ou composites ont été coulés dans des moules prismatiques (4x4x16 cm3) et compactés mécaniquement à l’aide d’une table à choc (NF EN 196.1). Les moules contenant les spécimens ontété couverts de film plastique et stockés dans l’environnement du laboratoire. Après 24 heures, les échantillons ont été démoulés et conservés jusqu’à l’âge de l’essai dans l’environnement suivant : eausaturée en chaux : (T= 20 ± 2 °C, R.H = 100%).
Après 56 jours de cure sous l’eau, les spécimens de mortiers et/ou composites Mortier-PolymèreCPJ, PET2.5, PET5 et PET7.5 sont immergés dans la solution d’acide chlorhydrique à différente concentrations: 0.5%, 1% et 1.5%. La variation du poids des éprouvettes est examinée après 7, 14, 21, 28, 42 et 56 jours. L’évaluation des performances mécaniques telles que les résistances à la compression est examinée à l’âge de 7, 28 et 56 jours. Les solutions chimiques sont renouvelées tous les 7 jours. Après attaque, les parties altérées du mortier et/ou composites sont nettoyées avec de
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l’eau, puis sont séchées pendant une demi-heure selon la norme ASTM C 267-96, et enfin la résistante chimique est évaluée par la mesure de la perte de masse des éprouvettes: Perte de masse (%) = [(M1-M2) / M1] x 100 (1)
Avec M1 et M2 les masses des éprouvettes avant et après immersion, respectivement. Ainsi que la caractérisation mécanique des mortiers et composites selon l’ASTM C267-96 après l’attaque chimique par l’acide.
L’analyse du polymère PET utilisé a été faite en utilisant un appareil ATG/ATD 92 de Setaram, porte échantillon en alumine de 100 microL, rampe de température : montée 10K/mn jusqu’à 350 °C, disponible à l’ Université de Caen Basse-Normandie, Laboratoire LUSAC EA, France.
2.1. Le ciment
Il s’agit d’un ciment Portland composé type CPJ-CEM II/A provenant de l’usine de Zahana (située au Nord-Ouest de l’Algérie). Ce ciment a une finesse de 2987 cm2/g, de densité absolue 3.09 et d’une résistance à la compression à 28 jours de 36 MPa. Les caractéristiques chimiques et minéralogiques duciment sont données par le tableau 1.
Table 1. Composition chimique et minéralogique du ciment (CPJ-CEM II/A).
Le polymère utilisé est le polytéréphtalate d’éthylène (PET), son analyse thermique ATD faite au laboratoire LUSAC EA montre une température de fusion aux environs de 250 °C (Fig. 1). Le PET est obtenu par le broyage très fin des bouteilles de boisson, sa courbe granulométrique est représentée dans la Fig. 2. Après plusieurs essais préliminaires, on a choisi pour cette étude les particules du polymère dont le diamètre est inférieur à 1 mm.
0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0
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T e m p é r a t u r e ( ° C )
P E T b r o y é
Figure 1. Courbe d’analyse thermique ATD du polytéréphtalate d’éthylène PET broyé.
2.3. Le sableC’est un sable concassé de la carrière de Kristel (Oran, Ouest Algérien). Ses principales caractéristiques physiques et chimiques sont regroupées dans le tableau 2. Sa courbe granulométrique est représentée dans la Fig. 2.
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Table 2. Paramètres physiques du sable utilisé.
Masse volumique absolue (g/cm3) 2.53Equivalent du sable (%) 74.68Module de finesse 2.455Nature CalcaireCoefficient d’absorption (%) 0.5
1 0 0 1 0 1 0 ,1 0 ,0 1 1 E -30
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Figure 2. Les courbes granulométriques du polytéréphtalate d’éthylène broyé et du sable concassé.
3. RESULTATS ET DISCUSSION
3.1. Attaque des Mortiers et Composites par Différentes concentrations d’acide chlorhydrique HCl.
D’après la représentation graphique des échantillons de mortier non modifié CPJ ou composites mortier-polymère PET2.5, PET5 et PET7.5 (Figures 3-6), on remarque l’effet de l’incorporation de l’ajout du polymère (PET) qui à pour rôle de densifier la matrice cimentaire en réduisant la porosité de la pâte durcie. La réduction de la porosité du matériau polyphasé à base du polytéréphtalate d’éthylène empêche la solution acide (HCl) de pénétrer à l’intérieur de l’échantillon du composite.
On constate donc une perte de masse permanente concernant le mortier et /ou composites immergés dans la solution chlorhydrique. Avant 7 jours d’immersion dans 1% et 1.5% de HCl, aucun effet du dosage en PET des mortiers n’est observé (Figures 4 et 5). Après cette période d’immersion, les matériaux polyphasés qui contiennent différents pourcentages du polymère (PET2.5, PET5 et PET7.5) augmentent leur aptitude à résister à l’acide.
La réduction de la perte en poids, due à l’attaque par la solution de l’acide chlorhydrique à 0.5% est de 3% pour le composite PET2.5 et PET5 et de 1.6% pour le composite PET7.5 par rapport au mortier de contrôle de ciment CPJ à 56 jours.
La perte en poids due à l’attaque par la solution d’acide chlorhydrique à 1% est de 4.9% pour PET2.5, 4.5% pour PET7.5 et de 5.3% pour le mortier de ciment CPJ a 56 jours. On constate les même résultats lors de l’immersion des mortiers et/ou composites dans la solution d’acide HCl à 1.5% à 56 jours. Si on compare les résultats des pertes en masse des mortiers et/ou composites immergés en solution d’acide HCl à 0.5%, aux deux autres concentrations, on constate que la perte de masse due à l’acide
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T2, L’influence de l’ajout polymère sur la résistance des mortiers vis-à-vis d’une attaque chimique d’acide chlorhydrique; A. S. Benosman, M. Mouli, H. Taïbi, M. Belbachir, Y. Senhadji, I. Bahlouli, D. Houivet
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HCl à 0.5% est égale à environ un tiers de la perte en masse due à la solution de l’acide chlorhydrique à 1% et 1.5% (Fig. 6).
7 jo u r s 1 4 jo u r s 2 1 jo u r s 2 8 jo u r s 4 2 j o u r s 5 6 j o u r s0 , 0
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Figure 3. Variation de la perte de masse en fonction de la période d’immersion dans 0.5% HCl.
Figure 4. Variation de la perte de masse en fonction de la période d’immersion dans 01% HCl.
7 jo u rs 1 4 jo u rs 2 1 jo u rs 2 8 jo u rs 4 2 jo u rs 5 6 jo u rs0
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L e s c o n c e n t r a t i o n s d e la s o l u t i o n d 'a c i d e c h l o r y d r i q u e ( % )
C P J P E T 2 .5 P E T 5 .0 P E T 7 .5
Figure 5. Variation de la perte de masse en fonction de la période d’immersion dans 1.5% HCl.
Figure 6. Variation de la perte de masse après 56 jours d’immersion dans les différentes concentrations d’acide HCl des mortiers et/ou composites mortier-polymère.
La réduction des poids est due à la dissolution des hydrates formés qui mènent à des mortiers poreux. Cependant, l’incorporation des ajouts organiques (polymères) augmente la résistance chimique des composites dans les milieux agressifs (la solution HCl avec différente concentrations). Ceci a été confirmé par d’autres équipes de recherches [Rossignolo & Agnesini 2004] and [Monteny et al.2001]. La perte de masse est due au fait que le ciment Portland, après hydratation, libère une partie considérable d’hydroxyde de calcium libre (Ca(OH)2) qui peut être lixiviée de l’intérieur quand elle est soumise à l’acide. Pour le mortier en contact avec l’acide chlorhydrique (HCl), l’hydroxyde de calcium réagit avec l’acide chlorhydrique pour former le chlorure de calcium CaCl2 de grande solubilité 46.08 g/100ml dans H2O selon la réaction suivante :
La diminution de la porosité due à l’incorporation du PET dans les mortiers modifiés a pour rôle d’atténuer l’absorption de la solution acide accompagnée d’une réduction de la perte de masse. Ces résultats sont en accord avec ceux trouvés par Omrane et al.[2008].Cette étude montre que le polymère à un effet supplémentaire sur le comportement des matériaux composites. En général, les composites contenant du polymère PET développe une résistance différente de celle du mortier contrôle contre les diverses attaques chimiques illustrées par les figs 3-6.
3.2 Caractérisation mécanique des différents composites après attaque par l’acide chlorhydriqueDans le but d’une analyse comparative des propriétés mécaniques des différents mortiers modifiés par le polymère PET vis-à-vis de l’attaque par l’acide chlorhydrique de différentes concentrations, on a déterminé la chute de la résistance à la compression des différents mortiers (Figures 7-10).
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T2, L’influence de l’ajout polymère sur la résistance des mortiers vis-à-vis d’une attaque chimique d’acide chlorhydrique; A. S. Benosman, M. Mouli, H. Taïbi, M. Belbachir, Y. Senhadji, I. Bahlouli, D. Houivet
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D’après les figures 7, 8 et 9 qui exposent la variation de la résistance à la compression des mortiers et /ou composites mortier-polymère en fonction de la période d’immersion dans les différentes concentrations de la solution HCl : 0.5%, 01% et 1.5%.
On remarque que la résistance à la compression évolue positivement jusqu’à 7 jours pour le mortier non modifié CPJ et les composites PET2.5, 5 et 7.5. Au delà de cet âge on constate une chute de résistance à la compression. Cette chute de résistance à la compression pour une attaque de 0.5% de HCl est estimée à l’âge de 56 jours à 7.07 MPa pour le mortier CPJ, 6.6MPa pour PET5 et 1.86 MPa pour le composite PET7.5. La chute de résistance à la compression pour une attaque de 01% de HCl est estimée à l’âge de 56jours à 9.65 MPa pour le mortier CPJ et 2.7 MPa pour le composite PET7.5.
Pour une attaque d'acide de 1.5% HCl, il y a une chute de résistance à la compression qui est estimée à l'âge de 56 jours à 8.72 MPa pour le mortier CPJ et 8.58 MPa pour le composite PET7.5.
Généralement l’attaque du mortier non modifié CPJ et les différents composites PET2.5, PET5 et PET7.5 par la solution d’acide HCl augmente avec la période d'immersion. Indépendamment des types de rapports de polymère-ciment, l’attaque par l’acide chlorhydrique des composites mortier-polymère est nettement inférieure à celle du mortier non modifié. Ainsi, nos résultats sont en accord avec ceux rapportés par Rossignolo & Agnesini [2004]. En outre, Ceci peut être expliqué par le fait que le polytéréphtalate d’éthylène (PET) rend la matrice cimentaire plus dense et réduit la porosité de la pâte durcie [Benosman et al. 2006] and [Benosman et al. 2008].
0 jours 7 jours 28 jours 56 jours0
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Figure 7. L’évolution de la résistance à la compression en fonction de la période d’immersion en 0.5% HCl
Figure 8. L’évolution de la résistance à la compression en fonction de la période d’immersion en 01% HCl.
0 jo u rs 7 jo u rs 2 8 jo u rs 5 6 jo u rs0
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Figure 9. L’évolution de la résistance à la compression en fonction de la période d’immersion en 1.5% HCl.Remarque : (0 jours : avant immersion dans l’acide HCl).
Figure 10. La résistance à la compression après 56 jours d’immersion dans les différentes concentrations d’acide HCl des mortiers et/ou composites mortier-polymère.
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T2, L’influence de l’ajout polymère sur la résistance des mortiers vis-à-vis d’une attaque chimique d’acide chlorhydrique; A. S. Benosman, M. Mouli, H. Taïbi, M. Belbachir, Y. Senhadji, I. Bahlouli, D. Houivet
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Les solutions sulfatiques conduisent à une formation de gypse CaSO4 (sel peu soluble) en surface et d'ettringite au contact de la matrice cimentaire. Avec l'acide acétique, il y a formation d’acétate de calcium Ca(CH3COO)2 (sel très soluble) sous forme spongieuse tandis qu’avec l'acide chlorhydrique, la surface du mortier est recouverte de chlorure de calcium CaCl2 (sel très soluble) et d'hydroxyde de fer [Achoura et al. 2004]. Les résistances mécaniques sont plus ou moins affectées par la concentration et par la nature des acides par ordre d’agressivité : l’acide chlorhydrique HCl 1.5%, l’acide chlorhydrique HCl 1% et l’acide chlorhydrique HCl 0.5% (Fig. 10).On propose pour cela la séquence suivante :
1.5% HCl > 1% HCl > 0.5% HCl.
4. CONCLUSIONS
Les composites Mortier-Polymère étudiés sont composés de ciment contenant des proportions croissantes de polytéréphtalate d’éthylène (0%, 2.5%, 5.0% et 7.5%m) en substitution. L’exploitation des résultats de notre travail a permis d’aboutir aux conclusions suivantes :
Les premiers résultats obtenus ont mis en évidence l’effet bénéfique de l’ajout du PET comme substituant au ciment CPJ-CEM II/A sur la durabilité des composites.
La perte en poids des mortiers non modifiés immergés dans la solution d’acide HCl de concentration 0.5%, 1% et 1.5% est superieure à celles des composites Mortier-polymère. La réduction des poids est due à la dissolution des hydrates formés qui mènent à des mortiers poreux.
L’utilisation du polytéréphtalate d’éthylène améliore la résistance chimique des mortiers vis-à-vis de l’attaque par les différentes concentrations d’acide HCl. On peut constater en général que la substitution de cet ajout entraîne une amélioration des performances mécaniques par une attaque chimique de 0.5%, 1% et 1.5% d’HCl. Les résistances mécaniques sont plus ou moins affectées par la concentration et par la nature des acides par ordre d’agressivité : l’acide chlorhydrique HCl 1.5%, l’acide chlorhydrique HCl 1% et l’acide chlorhydrique HCl 0.5%.On propose pour cela la séquence suivante :
1.5% HCl > 1% HCl > 0.5% HCl.
En dernier, il est intéressant de prolonger la durée d’immersion des spécimens en milieu acide pouvant aller jusqu’à 90 jours et 180 jours pour mieux comprendre le comportement de ces matériaux.
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