Soutenance mémoire
Composition des matériaux cimentaires
Fabrication du ciment Portland
Le fabrication du ciment peut se résumer schématiquement aux étapes suivantes :
1. l’ extraction : les matières premières majeures sont le calcaire CaCO3 et l’argile SiO2 − Al2O3 dans des proportions proches de 80 % – 20 % : elles sont généralement tirées de carrières.
2. la préparation du cru : la matière est échantillonnée ou prélevée de manière à obtenir un mélange homogène afin d’assurer une composition régulière dans le temps. Il se compose de :
(a) Carbonate de Calcium CaCO3: de 77 à 83 %
(b) Silice SiO2: de 13 à 14 %
(c) Alumine Al2O3: de 2 à 4 %
(d) Ferrite Fe2O3: de 1,5 à 3 %
3. le séchage et le broyage : pour favoriser les réactions chimiques ultérieures, les matières premières sont séchées, homogénéisées et finement broyées. Ce mélange homogène est appelé cru ou farine.
4. la cuisson : elle se fait à une température proche de 1450◦C dans un four rotatif. La matière circule à contre sens de gaz de combustion et subit différents transformations physico-chimiques : (a) la décarbonatation du carbonate de calcium entre 600 et 1000◦C donne de la chaux vive :
CaCO3 → CaO + CO2
La chaux se recombine immédiatement avec la silice et l’alumine provenant de la scission de l’argile :
CaO + Al2O3 → (CaO)Al2O3 noté CA
2CaO + SiO2 → (CaO)2 SiO2 noté C2 S
enfin à la sortie du four, vers 1450◦C, les produits commencent à fondre et s’agglutinent sous forme de billes : c’est la clinkérisation. Les réactions précédemment citées se parachèvent.
5. le broyage : le clinker est refroidi brutalement en sortie du four. Il est ensuite broyé finement pour former une farine avec des grains de quelques dizaines de µm de diamètre. On y ajoute ensuite 3 à 5 % de gypse CaSO4 destiné à réguler la prise : on obtient ainsi le ciment Portland. D’éventuels composés peuvent alors être ajoutés, tels que des laitiers de hauts fourneaux, des cendres volantes, des fillers calcaires,..
Les principales phases du ciment Portland sont donc :
– le silicate tricalcique C3S ou alite ( 45 à 80 % )
– le silicate bicalcique C2S ou bélite ( 5 à 30 % )
– l’aluminate tricalcique C3A ( 1 à 15 % )
– l’aluminoferrite tétracalcique C4AF ( 2 à 17 % )
Nous utilisons ainsi la notation cimentière :
C ↔ CaO │S ↔ SiO2 │ H ↔ H2O │ A ↔ Al2O3 │ F ↔ Fe2O3
Hydratation du ciment
Comme dit précédemment, le ciment est un liant hydraulique. Ses composés vont réagir avec l’eau. Comme le C3 S est l’élément majoritaire, son hydratation contrôle approximativement la cinétique globale. Néanmoins, il existe une synergie entre les réactions d’hydratation des différents composés minéraux. En 1887, Le Châtelier conclue que l’hydratation du ciment suit un processus de dissolution des phases anhydres du clinker suivie d’une précipitation de phases hydratées. Le processus d’hydratation est de plus thermoactivé : la cinétique des réactions chimiques entrant en jeu augmente avec la température.
1. Réaction d’hydratation du C3S : au cours d’une première phase dite initiale, le C3S se dissout superficiellement, libérant des ions silicates, des ions OH− qui procurent un pH élevé (de l’ordre de 12,8) et des ions calcium Ca2+.
Les ions non consommés restent alors en solution et leur concentration augmente. Cette phase initiale fait suite à une phase dormante : les réactions précédentes se poursuivent à vitesse lente. Lorsque la solution devient sursaturée en ions calcium et hydroxyle, la portlandite Ca(OH)2 précipite en cristaux plats hexagonaux empilés (de 0, 01 à 0, 1 µm) , selon la réaction suivante :
Ca2+ + 2OH− → Ca(OH)2
Il y a un effet de « pompe à calcium » qui accélère le processus d’hydratation et les C-S-H précipitent en grande quantité, à la fois autour des grains anhydres consommés et dans la solution interstitielle. Ceci est la phase de prise : la fraction volumique de CSH est alors suffisante pour former un chemin continu conférant au milieu une rigidité mécanique. On parle de seuil de percolation. La phase de prise fait place à une phase de durcissement. Après une dizaine d’heures, la couche d’hydrates autour des grains est suffisamment dense pour ralentir la diffusion des ions et de l’eau. La vitesse des réactions diminue alors fortement et l’hydratation totale ne sera atteinte que plusieurs années après, si l’eau disponible dans la pâte est en quantité suffisante. On résume donc l’hydratation du C3S par la réaction bilan suivante :
C3S + eau → C − S − H + x Ca(OH)2
Le gypse étant consommé, la concentration en sulfates chute. L’ettringite se dissout alors pour devenir la nouvelle source d’ions sulfates. Ces derniers réagissent alors avec le C3A pour former du monosulfoaluminate de calcium hydraté ou ettringite monosulfate. En terme de durabilité, le dosage en gypse est très important ; l’un des risques majeur pour les structures est la formation d’ettringite différée (ou DEF), qui est expansive et peut alors fissurer les structures. En effet l’ettringite monosulfate peut réagir avec des ions sulfates pour reformer de l’ettringite. Une solution est d’utiliser des ciments à faible teneur en aluminates pour diminuer la quantité de gypse nécessaire. Pour le C4AF les réactions sont similaires, en substituant aux aluminates des aluminoferrites. Quel est alors l’intérêt d’utiliser des composés alumineux ? En fait, ils sont utilisés pour leur pouvoir fondant lors de la fabrication du ciment, ce qui permet d’abaisser la température de fusion dans le four. De plus, l’hydratation du C3A est très exothermique, et le dégagement de chaleur induit peut accélérer l’hydratation des silicates de calcium. Les aluminates ont de fait un effet accélérateur de prise et de durcissement. Les composants présentés précédemment sont les éléments majoritaires du clinker. Toutefois le clinker ne se résume pas à ces seuls éléments, qui n’ont déjà pas en plus une composition totalement homogène. On peut, suivant les applications choisies, y ajouter des additions minérales tels des fillers calcaires, des laitiers vitrifiés, des cendres volantes ou des fumées de silice, . .. Les produits d’hydratation du clinker sont donc eux mêmes très hétérogènes .
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Table des matières
Introduction
1 Problématique et approche envisagée
1.1 Composition des matériaux cimentaires
1.1.1 Fabrication du ciment Portland
1.1.2 Hydratation du ciment
1.1.3 Microstructure de la pâte durcie
1.1.4 Caractère multi-échelle des matériaux cimentaires
1.1.5 L’eau dans la pâte
1.2 Approche multi-échelle envisagée
1.2.1 Approche expérimentale
1.2.2 Outils de modélisation
1.3 Matériaux utilisés et préparation des échantillons
1.3.1 Présentation des matériaux utilisés
1.3.2 Choix d’un état de référence
1.3.3 Températures de traitement choisies
2 Propriétés élastiques de composites cimentaires secs
2.1 Mesure macroscopique des propriétés élastiques du mortier
2.1.1 L’essai de compression uni-axiale
2.1.2 L’essai de compression hydrostatique
2.2 Résultats expérimentaux sur mortier
2.2.1 Résultats sur le mortier M58
2.2.2 Influence de la fraction volumique de sable
2.3 Séchage des mortiers et bétons : conséquences mécaniques
2.3.1 Mécanismes de séchage
2.3.2 Variations dimensionnelles
2.3.3 Effets mécaniques du séchage
2.4 Estimation des propriétés élastiques du mortier
2.4.1 Le schéma de Mori-Tanaka
2.4.2 Application au milieu poreux
2.4.3 Application à l’estimation des modules élastiques
2.4.4 ITZ et homogénéisation : modèle de double inclusion
2.4.5 ITZ et homogénéisation : modèle avec interfaces imparfaites
2.4.6 Coefficient de Biot homogénéisé
2.5 Application au mortier étudié
2.5.1 Estimation des propriétés élastiques
2.5.2 Estimation du coefficient de Biot
2.5.3 Influence de la fraction volumique de sable
2.5.4 Commentaires sur les modélisations réalisées
3 Propriétés élastiques de la pâte de ciment sèche
3.1 La pâte de ciment durcie
3.1.1 Les différents ciments
3.1.2 Microstructure de la pâte durcie
3.1.3 Paramètres influant sur les propriétés élastiques
3.2 Mesure des propriétés élastiques des pâtes étudiées
3.2.1 Résultats expérimentaux de compression simple
3.2.2 Résultats expérimentaux poro-mécaniques
3.3 Estimation des propriétés élastiques de la pâte de ciment
3.3.1 Le schéma auto-cohérent
3.3.2 Modèle d’hydratation
3.3.3 Schéma d’homogénéisation
3.3.4 Schéma d’homogénéisation avec des sphères CSH
3.3.5 Coefficient de Biot homogénéisé
3.3.6 Remarques sur le modèle proposé
Conclusion
