de quelques Pouzzolanes naturelles

ECOLE POLYTECHNIQUE
DE L'UNIVERSITÉ DE LAUSANNE
Contribution à l'étude
de quelques Pouzzolanes naturelles
et artificielles
en vue de la fabrication
des ciments de Pouzzolanes
Thèse
présentée à 1'Ecole Polytechnique
de l'université de Lausanne pour l'obtention du grade
de Docteur ès-sciences techniques
JACQUES FRACHEBOURG
Ingdnieur chimiste diplômé EPUL
ST-MAURICE
IMPRIMERIE RRODANIQUE S, A.
1965

ECQLE POLYTECHNIQUE
DE L'UNIVERSITE DE LAUSANNE
Vu le rapport prisenté par le jury d'examen, composé de M, le
professeur G. Brünisholz, MM. H. Lafuma et Dr J. P. Vernet,
1'Ecolc Polytechnique de l'université de Lausanne autorise l'im-
pression de la thèse No 57 de
Monsieur Jacques FRACHEBOURG
intitulée
CONTRIBUTION A L'ETUDE
DE QUELQUES POUZZOLANES NATURELLES
ET ARTIFICIELLES
EN VUE DE LA FABRICATION DES CIMENTS
DE POUZZOLANES
Lausanne, le 6 octobre 1965,
Au nom
de 1'Ecole Polytechnique
de 1'Universit.d de Lausanne
Le Directeur :
M. COSANDEY.

TABLE DES MATIERES
**+**X+*********************)tx.***
INTRODUCTION
1.- Généralités
2.- Situation du problème
PARTIE THEORIQUE
Page
1. Etat actuel des connaissances dans le domaine des
pouzzolanes 8
1.- Définition des pouzzolanes 8
2.- Classification des pouzzolanes 8
a) Pouzzolanes naturelles 9
b) Pouzzolanes artificielles ll
3.- Théories de l'activité pouzzolanique des
pouzzolanes 13
a) Constituants actifs des pouzzolanes
naturelles 13
b) Constituants actifs des pouzzolanes
artificielles 14
c) Effet de la tempdrature sur les
pouzzolanes naturelles et artifi-
cielles 3-5
4.- Méthodes de détermination de l'activité
pouzzolanique 16
a) Essais de résistance mécanique des ci-
ments de pouzzolanes 16
b) Composition chimique 17
c) Solubilité 17
d) Adsorption de chaux 18
e) Détermination du temps de prise 18
f) Détermination de la chaux libre 19
g) Solubilité des produits de roaction
chaux-pouzzolane 19
. h) Analyse thermique différentielle 20
i) Méthodes optiques 20
j) Analyse rontgenographique 2 0
5.- Mécanisme de réaction de la pouzzolane avec
la chaux 20
a) Théorie des échanges de bases 21
b) Théorie de la combinaison chimique 21

1.
II.
III.
IV.
Ca~actérist.ique9 des mat6riaux et des minkrau.
examinég 2 3
A. Matériaux 2 3
B. Minéraux 24
Compos,it.ion chimique et minéralogique
A. Composition chimique 2 6
B. Composition mipdralogique 2 6
1,- Analyse thermique différenDie1le 26
a) Pouzzolaries naturelles 28
B) Matériaux de base poux la fabrlca-
tion des pouzzolanes artificielles 3 0
c) Cendres volantes 3 6
2.- halyse rontgecographique 38
a) Identification qualitative des minéraux 38
b) Estimation quantitative de la composi-
tion min&ralogique des matériaux crus 42
Effet de,la calcination sur la composition
minéralo~ique 45
a) Pouzzolane de Segni 447 et trass de
Nettetal 288 4 5
b) Terre de Santorin 440 48
c) Bentonite 353 48
d) Kaolin 515 48
e) Illite 489 5 2
f) Bauxites 385 et 386 54
g) Pouzzolane artificielle de Leiria 106 54
h) Cendres volantes Sasol 261 et
Roodepoort 317 6 O
Adsorption de chaux hydratée 6 O
1.- Description des essais et interpréta-
tion des résultats 60
2.- Corrélation entre l'activité superfi-
cielle et l'activité pouzzolanique 66
3.- Discussion des résultats 73
a) Propriété d'échange d'ions 73
b) Produits de réaction ?S
Essais des ciments de pouzzolanes selon les
normes suisses pour les liants utilisés dans
la construction 79
A. Essais de résistance à la flexion et à la
compression 7 9
1.- Description des essais de rdsistance
mécanique 79
2.- Interprétation des résultats 80

3.- Comparaison des résultats avec les
valeurs minimales prescrites par les
normes suisses pour le ciment Port-
land normal
4.- Indices de résistance à la compression
85
86
5.- Influence de la calcination préalable 94
6.- Vitesse de durcissement 97
B. Temps de prise 100
C. Stabilité de volume 100
VI. Comparaison entre 1' activité pouzSolanique
mesurée par les résistances mécaniques et la
structure cristaliograuhiaue déterminée par
les analyses thermique différentielle et
rontnenographique 103
1.- Pouzzolanes naturelles
2.- Pouzzolanes artificielles
3.- Cendres volantes
103
104
106
VII. Influence du fractionnement granulom6triaue
sur les propriétés pouzzolaniques 107
A. Trass de Nettetal 288 107
1.- Composition chimique des fractions
2.- Composition minéralogique des fractions
a) Analyse thermique diffërentielle
b) Analyse rontgenographique
3.- Essais de résistance mécanique
4.- Temps de prise et stabilité de volume
5.- Relation entre La composition mindralogique
des fractions et les résistances
mécaniques
107
109
109
112
112
116
116
B. Argile latéritique 587 118
1.- Composition chimique
2.- Composition minéralogique
a) Analyse thermique diffdrentielle
b) Analyse rontgenographigue
3.- Essais de résistance mécanique
4.- Temps de prise et stabilité de volume
5.- Relation entre la composition minéralogique
des fractions et les résistances
mécaniques
118
120
120
123
127
131
131
VIII. Conclusions 134
LX. Bibliographie 136

i
i
I
I
INTRODUCTION
Il estüepui~ longtemps connu que certains matdriaux
possèdent la propri6fé de réagir à température ordinaire avec
la chaux hydratge pour former des composés 21, caractére hydraulique.
Ils sont appeles pouzaolanes et sont constitués principalement
par de la silice, de l'alumine et de l'oxyde de fer.
L'emploi de matériaux pulv6rulenta en mélange avec la
chaux grasse pour obtenir des mortiers durcissant au contact
de l'eau remonte B la plu^ haute antiguitd. Au VIIe siècle avant
J.C., les Greca utili~aient déj& ce que l'on appelle aujourdrhui
la terre do Santorin ( de 1 @ île du meme nom) ' pour 'fabriquer de8
mortiers dont ils enduisaient lfint6rieur des citernes. Les
constmctions romaines, aussi bien aériennes que maritimes
Btaiant executtles à partir de la cendre volcanique du VQsuve.
On appelait cette cendre ftPuLvis puteolanufitt parce qu'elle provenait
de la région situde &. proximit6 de la ville de Pouzzoles.
En Italie, le terme de pouzzolane s'appliqua au début
aux mat4riau.x volcaniquee du Péauve, Il s'étendit par la suite
aux roches volcaniques italiennes en général. Actuellement, on
englobe sous cette dhmination un grand nombre de roches sili-
ceuses, volcaniques ou s6dimentairee, telles que par exemple
la terre de Santorin, les tram allemands ou roumains, les tufs
amdricains et la gaiee française,
Outre ces matdriaux dont le caractbre poumolanique se
manifeste déj& à l'état naturel, il en existe d'autre# dont ce
caractère ne ressort qulaprbs un trattement approprié, en gé-
ndral thermique, comme par exemple les argiles.
L'étude des phhomènes chimico-physiques se ddroulant
entre la chaux et la pouzzolane remonte au debut du sibcle passé
et a occup6 un grand nombre de chercheurs. Les théories klabordeêi
pour expliquer l'activité pouzeolanique contienrient encore de

nombreuses lacunes dues à la complexité d"une part des substances
entrant en réaction et d'autre part des produits sortant de
réaction,
2 ,- Situation du problbme
Le présent travail a QtB effectué dans les Iiaboratoires
du Centre technique de Rolderôwk, Il a pour but de caractérifler
de manikre plus prdcise Lfactivitk pauaeolanique des pouzzola-
nes naturelles et artificielles,
De pax leur composition chimique, les pouzzolanes sont
des compos&s minéraux î.neolubles dans l'eau. Elles réagissent
donc i l'état solide avec la chaux en solution. Pour que la ou
les réactions puissent se produire dans ces conditions, il est
nécessaire que les pouzzol~es posskdent une structure partieulibre.
bu point de vue thermodynamique, 8. Fricke ') dkfinit
une telle substance comme ins-table en raZeon de sa grande
surface interne, de ses dkfauts de rdaeau etc,, soit comme poseédant
une dnsrgie potentielle interne plu# Blsttée que celle
de 8011 état normal. Par exemple, un compos6 amorphe ou don* le
réseau cristallin est très fortement ddfeckueux est plus riche
en énergie et r6agit plus facilement qu'un compas4 de même composition
chimique B structure cristalline bien oxdonn4e (Si02
amorphe et SiQ2 cristallis6 sous fame de quartz).
Dans notre dtude, nous nous attacherons h consid&er
la structure cristalline et les modifications de structure paur
que les matériaux prdsentent un caractére pouzzolanique,

VI11 Conclusions
Pour prdsenter une activité pouzzolanique, un matériau
eiliceux ou alwuineux doit se trouver dans un état particulier
de structure correspondant à un état amorphe ou crgptocristallin.
Las pouzeolanes naturellee remplissent cette condition sans subir
de traPtement préalable. Les matériau argileux n'acquièrent des
proprié t ka pouzzolaniques qut après un traltement , en particulier
thermique, qui transforme les phases montmorillo&.te, kaolinite
et illite en une phase amorphe aux rayons X. L'alumine des bauxffea
doit se trouver sous forme intermédiaire entre la phase hydratée
et le corindon.
Le domaine de température du traitement thermique des
argiles ee situe entre la ddahydratation B 600 - 80' 0. (effet
endothermique) et la recristallisation vers 1000' O. ( effet
exothermique), Pour l'alumine hydratke (gibbsite, boehmite), ce
domaine se situe entre l'effet endothermique de déshydratation
vers 60' C. et lq effet exothermique de recristalliaation en
corindon vers 1050' C.
L 'amélioration de 1' activité pouzzolanique par traftement
thermique des pouazolanes naturelles repose en grande partie sur
la dégradation des phases argileuses qui en constituent le8 im-
puretés .
La d4termination de la quantite d'eau de constitution
ne fournit pae un critbre de ltactivit6 pouzmlanique, &a déter-
mination de la perte au feu servant B caractériser les tram
allemands ne peut servir qut8 cette classe de matériaux et peut
&me conduire pou. celle-ci B des concluafona errondes si, par
hasard, il appardt des substances argileuaea en proportion va-
riable,
Il n'y a pas de relation entre la surface spécifique déter-
minde par adsorption de chaux et 11activit4 pouzzolanique manifss-
tke par les résistances B la compression. Ainsi, Pour les argiLes
qui posaédent elles-mêmes une activité superficielle (capacit6
d'échange d'ions) trés variable suivant la nature du mindral ar-
gileux et la teneur en celui-ci, 11activit8 pouzzolanique repose

non seulement sur un effet physique de ~urface, mais encore sur
une réaction chimique.
L'Btude du fractionnement, granulométrique, soit d'me
poumolane naturelle, soit d'une pouzzolane artificielle, a
permis de mettre en évidence le fait que l'activité pouzzola-
nique est la glus élevés pour les fractions les plus fines.
Cela résulte d'une part de la grande finesse e t d'autre part da
l~enriohissenent de ces fractions en minéraux pouzzol~iquement
actifs ou susceptibles d'être activ4s.
Les argiles du type montmorillonit;e* kaolinite et illite
et les bauxites sont eusceptiblea de présenter, aprbs une acti-
vation thermique, une activité pouzzolanique 6gale ou même
supérieure B celle dea pouzzolane^ naturelles, En outre, les
rbsistances mécanique$ des mortiers de 65 $ de ciment Portland
et 35 $ de pouzzolane peuvent atteindre cellaa du ciment Port-
land nom1 et dans certains cas même les d4paessr. Les temps
de prise demeurent du même ordre de grandeur que ceux du ciment
Portland normal, sailf si la pouzzolane contient de l'alumine sous
forme d'oxydes libres (cas des bauxitee, diminution du temps de
prise). Par leurs propriétés de réagir avec la chaux et la ma-
gndaie, les pouzzolanes sont particulibrement indiquée8 avec
les cimenta 9. haute teneur en Ca0 libre et en Mg0 pour en diminuer
le défaut dtexpanaion.
Ainsi, les gouzmlanes se trouvent
intéresearite,au potnt de vue industrie& de
hydraulique. '
Btre une souce trbs
matdriaux B caractbre