Étude de l'effet délétère de particules de carbone sur la dispersion de l'air dans une pâte de ciment

Abstract

Le béton est le matériau de construction manufacturé le plus utilisé au monde : environ six milliards de tonnes par année. Le principal composant qui confère les propriétés mécaniques au béton est le ciment Portland, mais il contient souvent plusieurs autres additifs, dont des adjuvants tensioactifs (agents entraîneur d'air), qui protègent le béton des effets destructeurs des cycles de gel-dégel et des sels de déglaçage dans les pays nordiques. Pour améliorer la qualité du béton, diminuer son coût et réduire les impacts environnementaux associés à la fabrication du ciment Portland, on remplace souvent une partie de ce dernier par des sous-produits industriels tels les laitiers de hauts-fourneaux ou les cendres volantes. Ces sous-produits, bien dosés, ont le potentiel d'améliorer certaines caractéristiques du béton, par exemple, la perméabilité de la matrice cimentaire, ou sa résistance à la détérioration par des agents environnementaux. Cependant, selon leurs propriétés ou leur composition, ils peuvent aussi causer des effets néfastes, tels qu'un manque de résistance mécanique, ou une friabilité importante. Les cendres volantes sont le principal sous-produit industriel utilisé en remplacement partiel du ciment, ou comme ajout cimentaire. Elles sont produites lors de la combustion du charbon dans les centrales thermiques et récupérées dans les effluents gazeux, d'où leur désignation de « cendre volante ». Une grande partie de ces cendres volantes contient une quantité notable de carbone; la présence de ce carbone résiduel peut limiter les applications de ce matériau dans les bétons, particulièrement dans les bétons à air entraîné (1). En effet, la présence d'une fraction importante de cendres volantes contenant du carbone résiduel peut réduire dramatiquement le volume d'air qui peut être dispersé dans ce béton, à un dosage d'agent entraîneur d'air donné (2). Les objectifs de ce notre travail sont de mieux comprendre l'influence du carbone résiduel, présent dans les cendres volantes, sur l'entraînement (ou la dispersion) d'air dans des pâtes de ciment Portland et de trouver une voie chimique pour contrer cette influence (3). L'introduction d'un « agent sacrificiel », additif chimique neutre vis-à-vis l'entraînement de l'air, est l'approche expérimentale retenue pour contrer l'effet du carbone. Nous avons donc étudié divers aspects de l'entraînement de l'air par des tensioactifs anioniques dans les pâtes de ciment Portland, ainsi que l'influence du carbone résiduel des cendres volantes vis-à-vis de l'entraînement d'air. Nous avons également évalué le rôle d'un adjuvant proposé comme « agent sacrificiel » sur la dispersion de l'air, et tenté d'élucider le mode d'action de ce type d'adjuvant. Ce travail est donc divisé en deux grandes parties. La première est l'étude des phénomènes d'adsorption des tensioactifs et autres agents sur des particules de carbone de divers types (noir de carbone, charbon activé, graphite) et autres particules hydrophobes (Téflon, CaCO3 hydrophobe); la deuxième est l'étude des interactions entre les mêmes particules et l'interface air/pâte cimentaire. Les capacités d'adsorption des différentes particules sont évaluées à partir d'isothermes d'adsorption et des mesures de potentiel zêta nous permettent de confirmer les phénomènes d'adsorption. Des études d'entraînement d'air dans les pâtes de ciment nous ont renseignés sur les phénomènes à l'interface air/pâte, lesquels ont également été étudiés dans des mousses de tensioactif. Des mesures d'angle de contact et de cinétique de mouillage nous ont aidés à relier les phénomènes interfaciaux entre eux. Dans les divers volets de notre étude, le tensioactif (agent entraîneur d'air (AEA)) utilisé est le dodécylbenzène sulfonate de sodium (DDBS) et l'agent sacrificiel utilisé est l'éthylène glycolphényle éther (EGPE). Au départ, il avait été postulé que l'agent sacrificiel déplaçait l'agent entraîneur d'air adsorbé, le relâchant en solution pour lui permettre d'exercer son rôle normal. Au terme de notre étude, les résultats ont d'abord démontré que l'instabilité de l'air dans les pâtes de ciment, en présence de cendres volantes, n'est pas seulement due à l'adsorption du tensioactif par le carbone, mais aussi aux interactions des particules de carbone avec le film de tensioactif à l'interface air/pâte. Toujours selon nos résultats, l'ajout de l'agent sacrificiel semble agir de deux façons pour neutraliser les effets délétères du carbone résiduel : premièrement en concurrençant l'adsorption de l'agent entraîneur d'air sur le carbone; et deuxièmement en améliorant le mouillage des particules hydrophobes, réduisant leur interaction avec le film de tensioactif aux interfaces.