Contribution au développement d'un calorimètre isotherme plan à large domaine d'applications : mortiers, bétons, matériaux très réactifs, hautes températures...

Development of a plane isothermal calorimeter with broad applicability : mortars, concrete, highly reactive materials, high temperatures...

• Auteur / Autrice : Dalila Feddal
• Direction : Bruno Duthoit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science pour l'ingénieur. Génie civil
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Artois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calorimètres

Propriétés mécaniques

Plasticité

Béton

Béton -- Cure

Résumé

La connaissance de la cinétique d'hydratation est un facteur majeur pour la compréhension du comportement mécanique et rhéologique des bétons durant leur prise et leur durcissement. Deux calorimètres isothermes (9x9x16 cm et 11x22 cm) ont été développés au sein de notre laboratoire basés sur l'instrumentation fluxmétrique. Ils ont amené des avancées significatives pour l'étude des cinétiques d'hydratation. Pour des mélanges classiques et des conditions normales de cure, la condition d'isothermie de la réaction est correctement assurée. Cependant, dans le cas des mélanges très réactifs ou pour des températures de réactions élevées, les processus d'hydratation sont fortement exothermiques et la condition d'isothermie n'est plus assurée. Nous avons donc développé un nouveau calorimètre isotherme plan de faible épaisseur de base 15x15 cm et de hauteur modulable. Il permet l'étude de matériaux très réactifs tels que les coulis de ciment ou des bétons contenant des ciments à prise rapide et permet également des essais à haute température. Le second objectif du travail est de prospecter les principaux apports et applications de ce calorimètre pour l'étude de l'hydratation. Ces études ont tout d'abord pour but la compréhension de la cinétique d'hydratation en fonction de la température mais aussi des paramètres de formulation des bétons. D'autre part, ces mesures calorimétriques permettent de calculer un paramètre essentiel des études maturométriques à savoir l'énergie d'activation apparente. La première application concerne une étude à températures usuelles entre 10 et 40°C. De part sa géométrie variable, une des applications possibles est de comparer la cinétique d'hydratation et l'énergie d'activation apparente à différentes échelles à savoir sur béton, sur son MBE et sur mortier CEN. Une autre application possible est l'étude de bétons en conditions quasi-isothermes à haute température entre 40 et 80°C. L'objectif est de montrer si la loi d'Arrhénius est encore applicable à très haute température.

The knowledge of the kinetics of hydration is a major factor to highlight the mechanical and rheological behaviour of the concrete during setting and hardening. Two isothermal calorimeters were developed within our laboratory. Whereas usual adiabatic or semi adiabatic calorimeters are based on temperatures measurements, heat flux is monitored on 110x220 mm cylindrical or 90x90x160 mm prismatic samples. They brought significant advances in the study of the kinetics of hydration. For traditional mixtures and normal curing conditions, the isothermy is correctly assured. However, in the case of very reactive mixtures or for high curing temperatures, the processes of hydration are strongly exothermic and the isothermy is no more assured. Thus, new 150x150 mm plane calorimeter with low basic thickness and flexible height was developed and presented herein. It allows the study of very reactive materials such as concrete or grouts containing quick-setting cements and allows high test temperature. Then, the main contribution and application of this newly developed calorimeter was prospected. The purposes of these studies are, first, to highlight the effect of temperature of the hydration process and the mix design of concrete. In addition, these calorimetric measurements enable to determinate the apparent activation energy which is an essential parameter for maturometry. Results of a study at temperatures ranging from 10 to 40°C are presented. Of share its variable geometry, one of the possible applications is to compare the kinetics of hydration and apparent activation energy at various scales (concrete, concrete equivalent mortar ''CEM'' and CEN mortar). Then, another possible application is the concrete study in quite isothermal conditions at high temperature (40 to 80°C), to verify if the Arrhénius law is still accurate for cement-based materials cast at high temperature.