Properties of paste-rock interfaces and their influence on composite behaviour

The results are presented of an investigation into the interfacial properties of composite materials based on plain and silica fume pastes, and andesite, dolomite and granite rocks used as commercial concrete aggregates. Microstructural studies are reported, and the observations are shown to assist qualitatively in the interpretation of mechanical test results. Fracture properties of the various combinations show that the mechanical response of the composites is material specific. In general, andesites develop superior interfacial bond properties, and the use of silica fume tends to embrittle composites. For the mix proportions and materials used in this study, no direct (micrographic) evidence of a transition zone between interface and bulk paste could be observed.ResumeNous avons étudié les propriétés de l'interface pâte/roche sur des éprouvettes de composites réalisées à partir de pâte de ciment avec et sans fumée de silice et d'andésite, de pierres dolomitiques et granitiques, utilisées comme granulats commerciaux. Nous avons d'abord abservé la microstructure des faciès de rupture à l'aide du microscope à balayage électronique (MEB) muni à l'intérieur d'un système de ‘stereo pair imaging’. Des sections prélevées perpendiculairement aux faciès de rupture on été polies et examinées à l'aide du MEB équipé d'un détecteur d'électrons rétrodiffusés et d'un détecteur d'électrons secondaires. Pour déterminer les propriétés à la rupture des composites, nous avons appliqué la méthode d'essai ISRM I développée pour la caractérisation à la rupture de carottes de pierre. L'ensemble des observations de la microstructure a servi à l'interprétation qualitative des résultats expérimentaux.Nos résultats montrent que la morphologie des faciès de rupture dépend du type de pierre, de pâte, et du type de composite pâte/pierre observé. La croissance des fissures se développe soit à l'interface pâte/pierre, soit à l'intérieur de la pâte. Les pâtes contenant de la fumée de silice ont tendance à conférer aux composites une adhérence pâte/pierre suffisamment bonne pour favoriser la croissance des fissures à travers la pâte, à l'exception cependant des composites pâte/andésite. Les deux types de fissuration sont accompagnés d'un important phénomène de coalescence des microfissures en retrait du plan de rupture. Finalement, sur les éprouvettes examinées, il n'y a pas d'indication évidente de la présence d'une zone de transition près de l'interface pâte/pierre.Les courbes charge/fléchissement obtenues montrent que les éprouvettes de composite pâte/andésite possèdent de meilleures propriétés mécaniques que les autres matériaux. Cependant, ce résultat n'a pas été observé avec les éprouvettes de mortiers réalisés à partir de granulats andésite dans les proportions étudiées ici. Les composites contenant de la fumée de silice sont légèrement plus fragiles si on se base sur la réduction de l'aire sous les courbes charge-fléchissement. D'après les résultats expérimentaux obtenus lors de l'étape de la caractérisation à la rupture, les pâtes sans fumée de silice ont une résistance à la rupture, Kcb, et un travail à la rupture, Rcb, plus élevés que les pâtes avec fumée de silice. L'andésite améliore les propriétés à la rupture de l'interface. Pour les mortiers, Kcb est peu influencé par la présence de fumée de silice ou par les caractéristiques des différents types de granulats, sauf pour les mortiers réalisés à partir de granulats granitiques. Enfin, l'énergie à la rupture est plus faible pour les mortiers contenant de la fumée de silice.Cette étude montre clairement que l'interaction entre les différentes phases constituant les matériaux composites est complexe et propre à chaque matériau. Des essais réalisés avec soin sont donc nécessaires à l'obtention des propriétés optimales de ces composites.