Brique après birque : distributions granulométriques des matériaux de construction

Problématique / Besoin :

Les propriétés des matériaux de construction composites sont définies non seulement par leurs composants et leur proportions relatives, mais également par leur distribution granulométrique respective. L'analyse de la taille des particules permet et prend en charge la conception de nouveaux produits, l'optimisation des processus et garantit de manière significative la qualité du produit. L'analyse par diffraction laser avec le PSA permet d'effectuer des mesures rapides et précises des matières premières ainsi que des mélanges pré-mouillés complexes couvrant des tailles allant jusqu'au millimètre. 

Méthode utilisée / Réponse apportée :

1. Introduction

Le terme "Matériaux de construction" couvre tous les matériaux et produits utilisés pour les projets de construction en tenant compte de méthodes traidtionnelles ainsi que des procédures de construction modernes. Outre les matériaux naturels, tels que l'argile, le sable ou le bois, de nombreux produits fabriqués par l'homme ont été développés, notamment des composants synthétiques. Le béton est l'un des matériaux synthétiques les plus couramment utilisés sur terre, composé d'un liant (ciment, bitume), d'eau et de granulats (sable, gravier, calcaire, granit). Différentes applications appellent différentes propriétés : la résistance, la densité mais aussi les résistances chimiques et thermiques du produit final sont déterminées par la composition, les ratios des ingrédients ainsi que la distribution granulométrique. L'ajustement des propriétés du ciment est un processus délicat. Le liant primaire, le ciment Portland, est mélangé à des substituts de ciment riches en silice et en alumine, qui affectent les réactions de durcissement du ciment. En consommant de l'hydroxyde de calcium et en produisant du silicate de calcium hydraté, entre autres propriétés, la résistance, le dégagement de chaleur pendant le durcissement, la surface spécifique ainsi que la densité peuvent être ajustés. L'exemple le plus important de matériaux siliceux (pouzzolanes) actuellement utilisés est la cendre volante du produit de la combustion du charbon. Sa composition chimique varie, mais les composés courants sont le dioxyde de silicium, l'alumine et l'oxyde de calcium. En général, deux formes peuvent être différenciées en fonction de leur teneur en calcium; cendres volantes siliceuses (ASTM classe F) et cendres volantes calcaires (ASTM classe C). Une source alternative de silice largement utilisée est le scorie, un sous-produit industriel récupéré des hauts fourneaux de fer, riche en oxydes métalliques et en dioxyde de silicium. De petites quantités de gypse sont également mélangées au ciment afin d'éviter la prise de flash. De plus grandes quantités peuvent être trouvées dans le mortier de gypse ou la plâtre. L'analyse granulométrique prend en charge l'optimisation des processus pour améliorer les propriétés du produit ainsi que le contrôle qualité pour répondre aux normes internationales. Dans le présent rapport d'application, nous démontrerons que l'analyseur de taille de particules (PSA) est un outil puissant pour effectuer une analyse rapide et facile. La configuration unique 2 en 1 permet des mesures liquides et sèches sans changer de module. Alors que le mode liquide facilite l'analyse de petites quantités d'échantillons avec une reproductibilité et une précision élevées, le mode sec est un choix parfait pour les matériaux hydrauliques ou les échantillons qui changent leurs propriétés physiques au contact d'un liquide. Le travail quotidien avec des solvants organiques, courants dans l'industrie du béton et du ciment, nécessite des solutions écologiques et économiques telles que l'unité de dispersion à petit volume (SVU) ou le régénérateur d'alcool. Une gestion efficace du temps et du travail dans le contrôle qualité régulier des produits en vrac est également prise en charge par une option d'échantillonneur automatique. 

2. Configuration expérimentale

Dix échantillons de matériaux de construction indépendants allant de matières premières comme le gypse à des échantillons de ciment prémélangé mouillé ont été mesurés avec le PSA 1190 LD en mode liquide et sec pour déterminer les distribtuions granulométriques. 

Les matériaux de construction sous leur forme pulvérulente sont assez proéminents pour réagir avec l'eau; empêchant les mesures avec le milieu de dispersion le plus approprié. Pour surmonter ce problème, deux options, offertes par le PSA, ont été utilisées. La combinaison de solvants organiques et de l'unité de dispersion à petit volume (SVU) est une solution. Les échantillons ont été mesurés en mode liquide. Le gypse et l'anhydrite ont été mesurés en mode venturi sec. Afin de vérifier la reproductibilité et de calculer l'écart type, trois mesures consécutives de chaque échantillon ont été analysées. Si les propriétés optiques des échantillons étaient connues, l'approximation de Mie a été utilisée pour reconstruire la distribution granulométrique; sinon, l'approximation de Fraunhofer a été appliquée. 

3. Résultats et discussion

Chaux

Les deux formes de base de la chaux, la chaux hydratée (CA(OH)2) et la chaux calcinée (CaO), ont été analysées par diffraction laser en mode liquide. La chaux hydratée présente une distribution monomodale avec une fraction principale comprise entre 5 m et 50 m. En revanche, la distribution granulométrique de la chaux brûlée est moins uniforme, plus large avec une fraction principale comprise entre 10 µm et 100 µm. Cela conduit à une augmentation des valeurs D50 et D90 de la chaux brûlée. 

 Gypse

Le gypse en tant que composant de base des matériaux de construction composites a été analysé en mode venturi sec. Il montre une large distribution granulométrique polymodale avec une fraction principale comprise entre 30 µm et 400 µm. Sa forme anhydre, CaSO4 (anhydrite), était de taille beaucoup plus petite avec une population principale comprise entre 1 et 15 m. Les valeurs D reflètent la taille réduite des particules d'anhydrites par rapport au gypse. 

Ciment et substituts de ciment

Tous les échantillons présentaient une distribution presque monomodale avec un maximum entre 15 m et 25 m. Les courbes moyennes du ciment 2 et du scorie se chevauchent, ce qui permet de visualiser complètement la similitude du ciment et des subsituts du ciment en ce qui concerne la taille des particules. FlyAsh montre une distribution plus large avec une valeur D90 de 60,6 m.

Echantillons prémélangés

La distribution granulométrique de deux échantillons de ciment prémélangé complexe a été analysée en mode liquide. Pour mesurer le mélange hétérogène comprenant très peu de particules grossières, le temps de mesure a été augmenté de 4 min. La solution A présente une distribution multimodale très large allant de 1 µm à 1 mm. La solution B montre deux populations importantes, une dans la gamme inférieure du m et une seconde population entre 400 m et 1 mm représentant les particules grossières. 

4. Conclusion 

Une large gamme de matériaux de construction sont des matériaux composites dont les propriétés sont définies par leurs composants, leurs proportions relatives et la distribution granulométrique. Dans ce rapport d'application, nous avons décrit l'utilisation des techniques de diffraction laser pour la caractérisation d'une grande variété de matériaux de construction. L'analyseur de taille de particules (PSA) est capable de mesurer la taille des particules de composants simples ainsi que de mélanges complexes de manière précise et hautement reproductible pour garantir les propriétés du produit et permettre le contrôle qualité. Différents modes de mesure facilitent cette tâche ainsi que les accessoires : le SVU, qui est recommandé lorsque des solvants organiques ou des quantités d'échantillons faibles et toxiques sont pris en compte, et le régénérateur d'alcool, offrant une réutilisation rentable des solvants organiques. Les échantillons qui couvrent des plages de tailles étroites sont aussi faciles à manipuler et à analyser que les échantillons couvrant de grandes plages de tailles jusqu'à l'échelle du mm.