Caractéristiques physico-chimiques et microstructurales des matériaux cimentaires

Caractéristiques physico-chimiques et microstructurales des matériaux cimentaires 

Composition et hydratation du ciment

Composition des ciments

Le ciment est un liant hydraulique dont le principal composant est le clinker. Il est obtenu par un mélange de calcaire et d’argile chauffé à environ 1450°C.

Pour des raisons économiques et écologiques, des ciments composés ont été mis au point en se basant principalement sur la valorisation des matériaux locaux et disponibles d’origines naturelles ou issus des déchets industriels. Dans ces ciments composés, une partie du clinker est remplacée par des composés minéraux plus ou moins réactifs. L’industrie cimentière utilise notamment des fillers calcaires, des ajouts pouzzolaniques (fumées de silice, cendres volantes, schistes calcinés) et des ajouts potentiellement hydrauliques (laitiers de haut fourneaux). Dans le cas de notre étude, nous allons plus particulièrement nous intéresser aux additions présentes dans le ciment composé de CEM V/A (laitiers de hauts fourneaux et cendres volantes) à partir duquel nous allons formuler une partie de nos matériaux.

Hydratation du ciment portland 

Le ciment étant une matière minérale finement moulue, dès qu’on le mélange avec de l’eau, il forme une pâte qui fait prise et durcit par suite de réactions d’hydratation. Il se produit alors des réactions chimiques de dissolutions et de précipitations qui donnent lieu à la formation de nouveaux composants.

Hydratation des silicates de calcium

Les produits d’hydratation des silicates de calcium sont essentiellement constitués de deux composés dont le principal est une phase amorphe de silicates de calcium hydratés (C-S-H) et l’hydroxyde de calcium Ca(OH)2 ou portlandite (CH).

Les silicates de calcium hydratés (C-S-H) constituent la majeure partie de la phase liante de la pâte de ciment. En ce qui concerne sa stabilité, le C-S-H est très peu soluble dans une solution saturée par rapport à la portlandite (quelques μmol/L, soit de l’ordre de 1 mg/L), sa solubilité augmente quand la concentration en hydroxyde de calcium en solution diminue et si le pH descend au-dessous de 10, il se dissout au profit de la silice qui devient moins soluble (Greenberg, Chang et Anderson, 1960).

La phase la plus soluble de la pâte de ciment hydratée est celle de l’hydroxyde de calcium ou portlandite (CH) qui a une structure cristalline de type hexagonal. C’est un composé important car même s’il contribue peu à la résistance mécanique de la pâte de ciment, sa présence, par son équilibre de solubilité, maintient le pH (environ 12,5) élevé dans la solution interstitielle (Taylor, 1997). Le béton constitue ainsi un milieu basique qui protège les aciers contre les phénomènes de corrosion.

Hydratation des aluminates de calcium

Parmi les anhydres présents dans le ciment, le C3A est le plus réactif et est connu pour avoir une influence significative sur le début de prise du ciment portland. En présence d’eau, il forme des hydrates hexagonaux selon l’équation suivante :

?3? + 21?2? → ?4??13 + ?2??8 (I-2)

Ces hydrates hexagonaux sont instables et sous l’effet de la forte exothermicité, ils se transforment en hydrogrenat C3AH6 cristallisant dans le système cubique. Pour les phases aluminates, on ajoute une faible quantité de sulfate de calcium sous forme de gypse (CaSO4, 2H2O), d’hémihydrate (CaSO4, 1/2H2O), ou d’anhydrite (CaSO4) afin de ralentir la prise du ciment. En présence de gypse, la réaction devient :

?3? + 3??̅?2 + 26? → ?6??̅ 3?32 (I-3)

Lorsque le gypse est entièrement consommé, le trisulfoaluminate de calcium hydraté ou ettringite noté AFt se dissout et forme avec les aluminates excédentaires les monosulfoaluminates de calcium hydratés noté AFm.

Hydratation des ciments composés

Les ciments composés sont obtenus à partir du mélange par cobroyage ou après broyage séparé du clinker avec d’autres éléments minéraux. Nous allons particulièrement nous intéresser au ciment composé qui sera utilisé dans cette étude à savoir le CEM V/A. Les additions présentent dans ce ciment composé sont essentiellement les laitiers de hauts fourneaux et les cendres volantes :
▪ Les laitiers de hauts fourneaux : ce sont des sous-produits de l’industrie sidérurgique. Ils partagent des caractéristiques similaires avec les particules du ciment, comme la finesse, la surface, et ils contiennent une quantité très limitée de cristaux. Ils sont utilisés comme agents cimentaires pour le béton depuis plus d’un siècle (Bijen, 1996).
▪ Les cendres volantes : ce sont des particules très fines récupérées à partir du système de dépoussiérage des centrales thermiques.

D’après les recherches de Hwang et Shen (Hwang et Shen, 1991), le mécanisme d’hydratation des ciments à cendres volantes et laitiers de hauts fourneaux est identique à celui du ciment portland ordinaire. L’observation par microscopie optique montre que pour les ciments contenant des cendres volantes et laitiers de hauts fourneaux, les cristaux de CH se développent rapidement et contribuent, aux jeunes âges, au développement de la résistance de la pâte à l’état plastique. Les réactions pouzzolaniques engendrées par les additions minérales consomment la portlandite déjà formée et réduisent à un faible pourcentage cet hydrate au profit de celui des C S-H (Powers, 1958). Duchesne et Bérubé (Duchesne et Bérubé, 1995) montrent que les silicates de calcium hydratés issus des réactions pouzzolaniques ou hydrauliques (C-S-H secondaires) sont à distinguer des C-S-H formés par hydratation du clinker (primaire). Le rapport C/S est généralement plus faible, du fait que les ciments composés sont plus riches en silice que les ciments portland ordinaires. En effet, de nombreux auteurs ont étudié la composition des produits d’hydratation du ciment selon le type d’addition minérale, la variété et la quantité utilisée en substitution du ciment.

Structure poreuse des matériaux cimentaires 

Microstructure des pâtes de ciment et bétons durcis

À l’état durci, les matériaux cimentaires se présentent sous la forme d’un matériau solide poreux dont les propriétés de transferts sont dépendantes des caractéristiques géométriques et topologiques du réseau poreux. La microstructure de la pâte de ciment ou du béton durci peut être décrite comme étant constituée d’un solide poreux et de phases liquide et gazeuse présentes dans les pores. Les matériaux cimentaires présentent des microstructures différentes en fonction de leur formulation et de leur mise en œuvre. Lors de l’hydratation du ciment, les différents hydrates formés se développent dans les espaces situés entre les grains de ciment anhydres initiaux. Ce mode de remplissage des vides originels crée un réseau poreux complexe et tortueux. Les pores présents dans les pâtes de ciment ont donc une géométrie particulière et des dimensions très variables (Baroghel-Bouny, 1994). Dans l’étude des transferts de masse, l’interconnexion des pores est une caractéristique très importante car elle modifie fortement la dimension des chemins de pénétration des agents extérieurs. On distingue ainsi trois types de pores :
▪ Les pores interconnectés : ils forment un espace connecté dans le milieu poreux et participent au transport de matière à travers le matériau.
▪ Les pores aveugles ou bras morts : ils sont interconnectés d’un seul côté et peuvent être accessibles à un fluide extérieur mais ils ne participent pas au transport de matière à l’échelle globale.
▪ Les pores isolés : ils ne communiquent pas avec le milieu extérieur.

La microstructure des bétons dépend à la fois de celle de la pâte de ciment mais aussi de celle de la zone constituée à l’interface pâte-granulat. En effet, dans les bétons durcis, en plus de la porosité de la matrice cimentaire, un autre type de porosité appelé auréole de transition apparaît lors de l’ajout de granulats à une pâte de ciment. Cette interface qui s’établit ainsi entre la pâte et les granulats au moment de l’hydratation du ciment dépend de plusieurs facteurs à savoir la nature des deux phases, la teneur en ciment du mélange et les conditions de conservation après coulage. La formation de cette zone à l’interface pâte-granulat est souvent attribuée à l’effet de paroi exercé localement par les surfaces des granulats sur les grains de ciment (Maso, 1996 ; Monteiro, Maso et Ollivier, 1985). Bajja (Bajja, 2016) explique que lors du gâchage, les espaces entre les grains de ciment anhydre, à proximité de la surface du granulat, deviennent plus grands du fait de l’effet de paroi, ce qui engendre une accumulation d’eau qui vient combler ce vide et donc créer un gradient du rapport E/C local. Cette interface présente de ce fait un rapport E/C plus élevé que le reste de la pâte et donc une porosité plus importante que le reste de la matrice. Aussi, du point de vue mécanique, c’est une zone de faiblesse du fait de la concentration des contraintes, initiant ainsi plus généralement la fissuration. Les pores, plus grossiers dans cette zone, deviennent un réseau de cheminement privilégié pour les transferts. L’épaisseur de cette zone, généralement inférieure à 50µm augmente avec la taille du granulat et le rapport E/C (Chen, 2011 ; Diamond, 1984 ; Larbi et Bijen, 1990). Baroghel-Bouny (Baroghel-Bouny, 1994) montre l’existence de cette auréole de transition sur un béton à hautes performances.

Table des matières

Introduction générale
I. : Etat de l’art
I.1 Introduction
I.2 Caractéristiques physico-chimiques et microstructurales des matériaux cimentaires
I.2.1 Composition et hydratation du ciment
I.2.1.1 Composition des ciments
I.2.1.2 Hydratation du ciment portland
I.2.1.2.1 Hydratation des silicates de calcium
I.2.1.2.2 Hydratation des aluminates de calcium
I.2.1.3 Hydratation des ciments composés
I.2.2 Structure poreuse des matériaux cimentaires
I.2.2.1 Microstructure des pâtes de ciment et bétons durcis
I.2.2.2 Caractérisation de la microstructure
I.2.2.2.1 Porosité totale et distribution de la taille des pores
I.2.2.2.2 Méthodes de caractérisation de la microstructure
I.2.2.2.3 Facteurs influents
I.3 Transferts dans les matériaux cimentaires
I.3.1 L’eau dans la pâte de ciment
I.3.1.1 Classification de l’eau
I.3.1.2 Mécanismes d’adsorption et de désorption
I.3.1.2.1 Adsorption capillaire
I.3.1.2.2 Imbibition capillaire
I.3.1.2.3 Désorption capillaire
I.3.1.3 Isothermes de sorption
I.3.2 Modes de transfert de l’humidité
I.3.2.1 Transfert diffusif de l’humidité
I.3.2.2 Transfert d’humidité par perméation
I.3.2.2.1 Notions sur la perméabilité
I.3.2.2.2 Perméabilité au gaz
I.3.2.2.3 Perméabilité au liquide
I.3.2.2.4 Perméabilité à la vapeur
I.3.3 Modélisation des transferts hydriques en milieux poreux
I.3.3.1 Etat de l’art des modèles de transfert hydrique
I.3.3.2 Récapitulatif
I.4 Méthodes de mesure non destructives pour le suivi de la teneur en eau
I.4.1 Thermographie Infrarouge
I.4.2 Gammadensimétrie
I.4.3 Technologie radar
I.4.4 Sondes thermo-hygrométriques (THR)
I.4.5 Résistivité électrique
I.4.5.1 Définition et principe de la méthode
I.4.5.2 Mécanismes de conduction du courant électrique dans les matériaux
I.4.5.3 Les facteurs influençant la résistivité du béton
I.4.6 Récapitulatif des techniques de mesure non destructives
I.5 Conclusions
II Chapitre II : Matériaux et Méthodes : Stratégies d’acquisition des paramètres de transfert et de suivi des cinétiques
II.1 Introduction
II.2 Matériaux d’étude
II.2.1 Composition
II.2.2 Fabrication et conservation des matériaux
II.2.3 Caractérisation à l’état frais
II.2.4 Caractérisation à l’état durci
II.2.4.1 Résistance en compression et module de Young
II.2.4.2 Porosité accessible à l’eau et masse volumique apparente
II.3 Acquisition des paramètres de transferts nécessaires à la modélisation
II.3.1 Sorption de vapeur d’eau
II.3.2 Perméabilité au gaz
II.3.3 Perméabilité à la vapeur
II.3.4 Perméabilité au liquide
II.4 Méthodologie de détermination des profils de teneur en eau à partir de la résistivité électrique
II.4.1 Principe de mesure de la résistivité
II.4.2 Modélisation du facteur géométrique
II.4.3 Essais préliminaire et mise au point de dispositifs de mesure
II.4.4 Mesure locale de la résistivité par anneaux de cuivre
II.4.4.1 Configuration et protocole de mesure
II.4.4.2 Validation du dispositif de mesure par anneaux de cuivre
II.4.4.2.1 Facteur géométrique
II.4.4.2.2 Analyse des mesures
II.4.4.2.3 Calibration de la résistivité par anneaux de cuivre
II.4.5 Mesure locale de la résistivité par capteurs en circuit imprimé
II.4.5.1 Configuration et protocole de mesure
II.4.5.2 Validation du dispositif de mesure par capteurs en circuit imprimé
II.4.5.2.1 Facteur géométrique
II.4.5.2.2 Analyse des mesures
II.5 Etude des mécanismes entrant en jeu dans un processus de rééquilibrage hydrique
II.5.1 Mesure expérimentale de l’imbibition capillaire d’eau dans les bétons
II.5.2 Expériences de séchage/ humidification sur des bétons
II.5.3 Mise en place d’un dispositif de suivi du rééquilibrage hydrique entre deux matériaux
II.6 Conclusions
III Chapitre III : Propriétés de transferts hydrique dans les matériaux cimentaires : analyses et interprétations des résultats
III.1 Introduction
III.2 Analyses des paramètres de transfert
III.2.1 Isothermes de sorption à la vapeur d’eau
III.2.1.1 Analyse des courbes de suivi de masse
III.2.1.2 Analyse des isothermes de sorption de vapeur d’eau
III.2.1.3 Analyse de la chute initiale de l’isotherme de désorption aux fortes humidités relatives
III.2.2 Perméabilité au gaz
III.2.2.1 Perméabilité apparente au gaz
III.2.2.2 Perméabilité intrinsèque et relative au gaz
III.2.3 Perméabilité au liquide
III.2.4 Diffusion de vapeur (Perméabilité à la vapeur)
III.3 Etudes des mécanismes entrant en jeu dans un processus de rééquilibrage hydrique
III.3.1 Expériences de séchage/humidification sur des bétons
III.3.1.1 Analyse des courbes de suivi de masse
III.3.1.2 Analyse des profils de résistivité au cours du séchage
III.3.1.3 Analyse des profils de résistivité au cours de l’humidification
III.3.2 Mesure expérimentale de l’imbibition capillaire d’eau dans les bétons
III.3.2.1 Analyse des courbes d’absorption d’eau
III.3.2.1.1 Influence du préconditionnement et du degré de saturation initial
III.3.2.1.2 Influence du type de ciment et de l’épaisseur des matériaux
III.3.2.2 Analyse des profils de résistivité et hauteur de front d’eau au cours de l’imbibition capillaire
III.3.2.2.1 Mise en évidence d’un temps de redistribution de l’humidité plus long que le temps de séchage
III.3.2.2.2 Profils de résistivité et hauteur de remontée capillaire
III.3.3 Suivi du rééquilibrage hydrique entre deux matériaux
III.4 Conclusions
Conclusion générale

Lire le rapport complet