Composition et Hydratation d’un Ciment Portland

Composition et Hydratation d’un Ciment Portland

Organisation générale du mémoire

Ce mémoire comporte deux parties : la premiere est liee a l’analyse bibliographique, la seconde est consacree a l’etude numerique. Ces deux parties sont présentées en quatre chapitres. Le premier chapitre consiste en une étude bibliographique qui présente essentiellement les aspects physico-chimiques et microstructuraux lies a l’hydratation d’une pate de ciment Portland et du beton. Ces connaissances sont fondamentales pour comprendre les mecanismes qui gouvernent le processus d’hydratation ainsi que les facteurs qui les influencent. Le deuxième chapitre est dédié à la structure poreuse des matériaux cimentaires, notamment, à la porosité capillaire où la plupart des phénomènes de transport se produisent. Les methodes experimentales d’investigations les plus utilisees et les principaux paramètres qui influent cette structure porale sont présentés. Le troisième chapitre présente une étude bibliographique portant sur les phénomènes de transport dans les matériaux cimentaires.

Elle est composée de deux parties bien distinctes : la permeabilite et la diffusion ionique. Il s’agit de mettre en evidence les lois qui gouvernent les differents modes de transport ainsi d’analyser les différentes méthodes expérimentales et de simulation qui caractérisent ces phénomènes. Les différents facteurs qui influent la perméabilité et la diffusion ionique sont ainsi étudiés. L’etude numerique fera l’objet du quatrieme chapitre. On commence par la validation du modele HYMOSTRUC3D, qui s’interesse au developpement tridimensionnel de la microstructure de la pâte de ciment Portland, en se basant sur des résultats expérimentaux tirés de la littérature. Puis, une étude paramétrique a été menée avec un ciment local en etudiant l’effet de quelques parametres sur le degre d’hydratation, la porosite et la permeabilite a l’eau. Enfin pour clôturer ce mémoire, des conclusions sont exposées et des perspectives de recherches complémentaires sont dégagées.

Caractéristiques Physico-chimiques et Microstructurales des Pâtes de Ciment et Bétons Les matériaux à matrice cimentaire tels que les bétons sont les matériaux de construction les plus utilisés dans le monde. Actuellement, plus de deux milliards de tonnes de béton sont produites chaque année dans le monde entier [NGUYEN, 09]. La très grande utilisation des bétons, et donc des ciments, résulte de son faible coût de production, et de sa facilité de mise en oeuvre sur chantier. Ce matériau offre aux constructeurs un outil extraordinaire pour dépasser les formes et les dimensions habituelles. Le Ciment Portland, compose d’un melange de clinker et de gypse finement broyés, est un composant primordial dans la conception des bétons car ses hydrates, formes en presence d’eau, apportent la cohésion du squelette granulaire, et donc une tenue mécanique du matériau et de la structure en béton.

Le processus d’hydratation est complexe et malgre l’utilisation largement repandue du beton, n’est toujours pas completement connue et fait encore actuellement l’objet de nombreuses recherches [GUILLON, 04]. Ce premier chapitre a pour but de présenter essentiellement les aspects physicochimiques et microstructuraux lies a l’hydratation d’une pate de ciment portland et du béton. En premier lieu, nous décrivons le Ciment Portland a l’état anhydre, puis les différents processus d’hydratation. En deuxième lieu, les différents aspects liés à la microstructure d’une pate de ciment hydratee, sont détaillés, sachant que, nous ne considérons que les hydrates formés dans cette partie. En troisième lieu, et pour le cas de béton, nous étudierons la zone de transition qui existe entre la pâte et les granulats. En quatrième lieu, nous étudions quelques approches existantes dans la littérature simulant l’hydratation d’une pate de ciment et du beton. En fin, nous présentons les différents facteurs influencant la cinetique d’hydratation.

Composition chimique de la solution interstitielle

Pendant l’hydratation, l’eau de gachage se charge en ions. Ces ions ont pour origine les anhydres qui se sont dissous (C3S, C2S, C3A, C4AF et gypse). La précipitation des hydrates se produit suivant des processus de germination et croissance de cristaux, en fonction de la concentration des ions dans cette solution aqueuse, nommée dans la pâte de ciment hydratée la solution interstitielle [GUILLON, 04]. Au cours de l’hydratation de la pate de ciment, la composition chimique de la solution interstitielle évolue. Cette évolution est à mettre en relation avec les espèces solides présentes, au contact direct avec la solution. [LONGUET et al., 74] ont étudié l’evolution des especes en solution. Une augmentation au cours du temps de la concentration en alcalins (Na+ et K+) est observée lors de la dissolution des phases alite et bélite, ainsi une diminution globale de la quantité de calcium et de sulfates en solution (figure 1.6). La première baisse de la concentration du calcium en solution, après pratiquement cinq heures, est liee a une precipitation de portlandite. L’augmentation de la concentration en sulfates apres sept jours d’hydratation est a mettre en relation avec la mise en place d’un nouvel equilibre chimique liee a la formation de monosulfoaluminate au detriment de l’ettringite. De plus, la composition de la solution interstitielle pour une pâte de ciment hydratee n’evolue pratiquement plus apres six mois d’hydratation. Elle se caractérise par un pH très élevé (13, 5 environ en presence d’alcalins), une forte concentration en alcalins (de l’ordre de 100 à 300mmol.l-1), et une concentration en calcium assez faible (1mmol.l-1).

Les sulfoaluminates de calcium

Les sulfoaluminates de calcium sont issus de l’hydratation de l’aluminate tricalcique (C3A) et de l’aluminoferrite tetra-calcique (C4AF) en présence de gypse. Dans les premiers instants, seule l’ettringite (tri-sulfoaluminate de calcium) se forme, par précipitation dans le réseau poreux. La formation de monosulfoaluminate de calcium intervient plus tardivement dans le processus d’hydratation et precipite dans les pores suite a l’hydratation du C3A et à la dissolution de l’ettringite prealablement forme (qui devient vis-à-vis du monosulfoaluminate la source d’ions sulfates lorsque tout le gypse a été consommé) [GUILLON, 04]. L’ettringite issue de l’hydratation du ciment est souvent designee ettringite primaire. Elle a une structure en aiguilles (figure 2.9 à gauche), son volume molaire est important et est bénéfique au comportement mécanique de la pâte de ciment en contribuant à assurer une résistance mécanique aux jeunes âges et à diminuer la porosité capillaire. Le taux de formation et la morphologie de l’ettringite dependent de la concentration en calcium. La taille et la quantité de cristaux formés diminuent avec un excès de portlandite.

La formation d’ettringite peut se faire aussi a long terme dans une matrice cimentaire durcie. Selon [GUILLON, 04], deux origines d’ettringite differee sont actuellement connues. D’une part, l’ettringite differee peut se former par la transformation du monosulfoaluminate ou par l’hydratation du C3A residuel suite a l’apport d’ions sulfates provenant de l’environnement exterieur. D’autre part, suite a une cure thermique pour accelerer les processus d’hydratation, ou dans les structures massives en beton, si la temperature au coeur du materiau est trop importante et depasse 80°C, l’ettringite primaire se dissout puis reprécipite après le refroidissement du matériau cimentaire durci. Dans les deux cas, la precipitation d’ettringite se fait dans un milieu durci et confiné et peut générer des contraintes puis une expansion au sein du matériau cimentaire. La figure 1.9 à droite met en évidence une forme d’ettringite massive. Elle remplit intégralement les pores, puis elle initialise des fissures. Pour éviter ces désordres micro structurels, il faut limiter la temperature de cure a 65°C et, en fonction de l’environnement extérieur, à limiter la teneur en aluminates dans le ciment.

Table des matières

Introduction générale
Première partie : Analyse bibliographique
Chapitre 1 Caractéristiques Physico-chimiques et Microstructurales des Pâtes de Ciment et Bétons
1.1 Introduction
1.2 Composition et Hydratation d’un Ciment Portland
1.2.1 Composition chimique d’un ciment Portland a l’etat anhydre
1.2.2 Hydratation d’un Ciment Portland
a) Hydratation des silicates
b) Hydratation des aluminates
c) Aspects cinetiques de l’hydratation
d) Composition chimique de la solution interstitielle
1.2.3 Suivi de l’hydratation
1.3 Microstructure d’une pate de ciment hydratee – Les hydrates formés
1.3.1 Les silicates de calcium hydrates (designes par C−S−H),
1.3.2 La portlandite
1.3.3 Les sulfoaluminates de calcium
1.4 L’interface pate – granulats du béton
1.4.1 Hydratation du ciment au niveau de l’ITZ
1.4.2 Microstructure de l’ITZ
1.5 Simulation de l’Hydratation des Pâtes de Ciment et Bétons
1.5.1 Pâte de Ciment Portland
a) Modèles analytiques
b) Modèles semi-analytiques
c) Modèles thermodynamiques
d) Modèles associés au développement de la microstructure
1.5.2 Béton
1.5.3 Approches Multi-Echelles
1.6 Facteurs influençant la cinétique d’hydratation
1.6.1 Relations Pâte-Mortier-Béton
1.6.2 Composition chimique du clinker
1.6.3 Finesse du ciment
1.6.4 Influence de la température
1.6.5 Rapport E/C
1.6.6 Humidité relative interne
1.6.7 Conditions de cure
1.7 Conclusion
Chapitre 2 Conséquences Physiques de l’Hydratation : Création d’un Milieu Poreux
2.1 Introduction
2.2 Formation de la matrice solide
2.2.1 Suspension
2.2.2 La coagulation
2.2.3 La Prise
2.2.4 Durcissement
2.3 Le réseau poreux
2.3.1 Distribution de la taille des pores
a) Porosité nanométrique
b) Porosité capillaire
c) Les bulles d’air
2.3.2 L’eau dans la pate de ciment hydratee et le béton
2.3.3 Méthodes d’investigation de la structure poreuse
a) Porosite accessible a l’eau par pesee hydrostatique
b) Porosimétrie par intrusion de mercure
c) Sorption de vapeur ou de gaz
d) Par analyse d’image
2.3.4 Prétraitement des échantillons
2.4 Paramètres influençant la structure poreuse
2.4.1 Le rapport E/C
2.4.2 Ajouts minéraux
2.4.3 Les granulats
2.4.4 Fissuration
a) Physico-chimiques
b) Chargement mécanique
c) Température
2.5 Conclusion
Chapitre 3 Phénomènes de transport dans les matériaux poreux – cas des matériaux cimentaires
3.1 Introduction
3.2 La perméation
3.2.1 Notions générales sur le transport de l’eau et des gaz dans les milieux poreux
a) Caracteristiques et nature d’un ecoulement
b) Viscosité
c) Transport de l’eau
d) Transport des gaz
3.2.2 Techniques de mesure au laboratoire
a) Permeabilite a l’eau liquide
b) Perméabilité au gaz
3.2.3 Modélisation de la perméabilité
a) Modèles se basant sur des réseaux de tubes
b) Modèles se basant sur des microstructures construites numériquement
3.2.4 Paramètres influençant la perméabilité
a) Le rapport E/C
b) Les granulats
c) Ajouts minéraux
d) L’etat hydrique
c) Fissuration
3.3 La diffusion ionique
3.3.1 Notions générales sur le transport ionique
a) Diffusion dans un milieu poreux – Coefficient de diffusion effectif
b) La cinétique de pénétration d’une espèce par diffusion – Coefficient de diffusion apparent
c) Transport par interactions électrostatiques
e) Transport par convection
3.3.2 Techniques de mesure au laboratoire
a) Essais de diffusion
b) Essais de migration sous champ électrique
3.3.3 Modélisation des transferts ioniques
a) Modèles basés sur les lois de Fick
b) Approche multi-espèces
c) Approche de type géochimie
3.3.4 Paramètres influençant la diffusion
a) Le rapport E/C
b) Les granulats
c) Ajouts minéraux
d) L’etat hydrique
e) La température
f) Fissuration
3.4 Conclusion
Deuxième partie : Simulation Numérique
Chapitre 4 Etude Paramétrique
4.1 Introduction
4.2 Choix du modèle
4.3 Méthode de caractérisation
4.3.1 Le degre d’hydratation et porosite
4.3.2 La perméabilité
4.4 Matériaux utilisés – Caractéristiques physiques et chimiques
4.5 Modélisation par HYMOSTRUC3D
4.5.1 Les donnees d’entree du modele
4.5.2 Les volumes élémentaires représentatifs (VER) considérés dans cette
étude
4.6 Validation du modèle – Résultats et discussions
4.6.1 Le degre d’hydratation
a) Calibration de la cinetique d’hydratation
b) Proposition d’une modelisation par des parametres generes par défaut
4.6.2 La porosité
4.6.3 Permeabilite a l’eau
4.7 Etude paramétrique
4.7.1 Le degre d’hydratation
a) Influence du rapport E/C
b) Influence de la finesse de ciment
c) Influence de la température initiale du mélange
4.7.2 Etude du développement de la structure poreuse
a) Influence du rapport E/C
b) Influence de la finesse de ciment
c) Influence de la température du mélange initiale
4.7.3 La permeabilite a l’eau
a) Influence du rapport E/C
b) Influence de la finesse de ciment
c) Influence de la température du mélange initial
4.8 Conclusion
Conclusion générale
Bibliographie

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