CARACTERISATION DES AGGLOMERATS DES FINES PARTICULES PAR COMBINAISON DES TECHNIQUES NUMERIQUES DE LA GEOMETRIE ALGORITHMIQUE ET LA METHODE DE MONTE-CARLO : DETERMINATION DE LA MORPHOLOGIE, DE LA COMPACITE ET DE LA POROSITE

Résumé

La valorisation des fines particules dans les bétons constitue un enjeu majeur pour la fabrication de matériaux de construction répondant aux exigences de développement durable. En effet, les additions minérales sont souvent des déchets ou des sous-produits industriels qui sont nettement moins coûteux que le ciment et permettent également de réduire les émissions de gaz à effet de serre (). Toutefois, leur incorporation en quantité massive dans les bétons, en remplacement ou en substitution du ciment, accroît de façon importante leur demande en eau pour le maintien de leur ouvrabilité. Malheureusement, cette augmentation de la demande en eau constitue un frein à leur valorisation. En effet, cet ajout d’eau se fait au détriment des résistances mécaniques du béton à l’état durci. Cette augmentation de la demande en eau est souvent imputée à l’agglomération des fines particules qui, d’une part, modifie la distribution granulométrique des particules en suspension et, d’autre part, emprisonne une partie de l’eau interstitielle ; ceci a pour conséquence l’augmentation de la fraction volumique effective pouvant conduire à une augmentation de la viscosité des suspensions et même à des situations de blocage de l’écoulement. La microstructure des agglomérats doit ainsi être étudiée en fonction des paramètres caractéristiques de la suspension pour pouvoir déterminer leur morphologie, quantifier leur taille et l’eau qu’ils renferment. La compréhension des mécanismes d’agglomération de ces fines est un enjeu majeur pour l’optimisation des mélanges contenant des quantités importantes de fines particules. Ce travail est une contribution à la caractérisation des agglomérats de fines particules dans le béton : estimation de la morphologie, de la compacité et de la porosité. Son objectif principal est de contribuer à l’amélioration des méthodes de caractérisation des agglomérats en se basant sur les techniques numériques éprouvées. Notre contribution dans cet article consiste à proposer des solutions alternatives pour pallier aux limites des méthodes actuelles. Nous appliquons les techniques numériques de la géométrie algorithmique combinées à la méthode de Monte Carlo. Plus précisément, nous considérons la population des fines particules (nuage de points) qui constituent l’agglomérat et nous déterminons la géométrie (morphologie) de l’agglomérat en considérant son enveloppe convexe enveloppante et son volume déterminé par la méthode de Monte Carlo. Le calcul du volume de l’enveloppe convexe enveloppante de l’agglomérat nous permet ensuite de quantifier l’eau immobilisée dans les flocs et de déduire sa compacité et sa porosité. Dans cette étude, les fondamentaux de l’analyse fractale sont développés ainsi que les différents paramètres caractéristiques des agglomérats de fines particules. Les techniques de la géométrie algorithmique (convexité et enveloppe convexe notamment) sont aussi rappelées et appliquées sur des populations de fines particules. La compacité et la porosité de l’agglomérat sont estimées à l’aide de la méthode de Monte Carlo. Les résultats obtenus sont analysés et confrontés à ceux obtenus avec d’autres méthodes connues dans la littérature : méthode du cube digitalisée pour l'approximation du contour effectif de l’agglomérat et de sa compacité locale, méthodes d'estimation de la compacité des agglomérats à partir des volumes enveloppants (sphère enveloppante, cube enveloppant, méthode d’analyse des photographies hémisphériques des coupes de béton, ...), etc.  Cette étude comparative met en évidence les gains de notre approche.