Hydratation de la pรขte de ciment
Mรฉcanismes physico-chimiques et microstructureย
Le processus dโhydratation dโun ciment Portland ordinaire est gรฉnรฉralement divisรฉ en 5 รฉtapes (dโaprรจs Rixom et Mailvaganam, 1999). Chaque รฉtape correspond ร une tendance dโรฉvolution de la chaleur dโhydratationย :
โข Phase 1: Lโhydratation initiale dure environ 15 minutes. Pendant cette รฉtape, la dissolution des composants les plus solubles (Na2SO4, K2SO4, CaSO4.xH2O) du ciment se dรฉroule en faisant augmenter le pH du coulis de ciment.
โข Phase 2: La pรฉriode dormante dure environ 4 heures. La chaleur dโhydratation nโรฉvolue presque pas. La rรฉsistance de la pรขte de ciment nโest pas encore crรฉรฉe.
โข Phase 3: Lโaccรฉlรฉration de lโhydratation dure environ 4 heures. Pendant cette phase, la chaleur dโhydratation รฉvolue trรจs rapidement. Les hydrates formรฉs se mettent en contact, ce qui forme la rรฉsistance de la pรขte.
โข Phase 4: La phase de ralentissement dure quelques jours. Lโรฉvolution de la chaleur dโhydratation ralentit.
โข Phase 5: La phase de cure se manifeste pendant plusieurs mois aprรจs la prise. Lโรฉvolution de la quantitรฉ des hydrates se stabilise progressivement.
La Porlandite est formรฉe de cristaux hexagonaux larges qui sont entourรฉs par des gels de C-S-H et elle occupe environ 20% du volume de la pรขte de ciment (Mindess et al., 2003). Mehta and Monteiro (2001) ont constatรฉ que la morphologie de la Portlandite depend de lโespace disponible et de la tempรฉrature dโhydratation. Les monosulfoaluminates sont des cristaux prismatiques et lโettringite est sous forme des aiguilles trรจs minces. Ils jouent un rรดle mineur dans la structure de la pรขte de ciment durcie avec une fraction volumique de 15%-20%. Le produit majeur est le C-S-H qui est une phase poreuse avec une structure amorphe et colloรฏdale et une composition chimique variรฉe. Il occupe entre 50% et 70% du volume total de la pรขte de ciment. A cause de sa forte fraction volumique, les propriรฉtรฉs du C-S-H ont un rรดle dominant dans les propriรฉtรฉs macroscopiques de la pรขte de ciment. Selon Jennings et Tennis (1994), le C-S-H existe sous deux types intitulรฉs โhaute densitรฉโ C-S-H HD et โfaible densitรฉโ C-S-H LD. Jennings (2000) et Jennings (2004) ont postulรฉ que le C-S-H LD et le C-S-H HD ont la mรชme unitรฉ fondamentale, appelรฉe โglobuleโ. La diffรฉrence entre les deux types de C-S-H est dans lโarrangement des globules rรฉsultant des diffรฉrentes porositรฉs de gel qui est dโenviron 24% pour le CโSโH HD contre 37% pour le CโSโH LD. Pendant lโhydratation, le C-S-H LD est formรฉ plus tรดt et il correspond ร une taille de pores de 10nm ร 100nm (Constantinides, 2006). Le C-S-H HD est ensuite formรฉ correspondant ร une taille de pores de 5nm ร 50nm. Jennings (2008) a proposรฉ un modรจle conceptuel pour la microstructure de C-S-H. Lโunitรฉ fondamentale est un feuillet solide sec de C-S-H qui forme le globule de C-S-H, la porositรฉ intra-globule est remplie par lโeau intercouche et une mono-couche de lโeau adsorbรฉe sur la surface du globule . Les pores les plus petits sont dans la microstructure : pore IntraGlobules (IGP) avec une taille infรฉrieure ร 2nm oรน lโeau peut sortir et entrer. La structure de CโSโH dans le modรจle de Jennings contient de petits pores de gel (SGP) dโune taille de 1nm ร 3nm dans lโespace entre les globules adjacents et de larges pores de gel (LGP) avec une taille comprise entre 3nm et 12nm entre des groupes de quelques globules .
Effet de la tempรฉrature et de la pression sur la cinรฉtique dโhydratation
Effet de la tempรฉrature dโhydratationย
Lโeffet de la tempรฉrature sur la cinรฉtique dโhydratation est en gรฉnรฉral รฉtudiรฉ en mesurant lโรฉvolution de la rรฉsistance et des modules รฉlastiques dynamiques . Il nโexiste pas beaucoup de donnรฉes concernant lโeffet de la tempรฉrature dโhydratation sur le degrรฉ dโhydratation. Lerch et Ford (1948) ont trouvรฉ une augmentation plus rapide du degrรฉ dโhydratation de quatre types de ciment Portland (diffรฉrentes compositions et diffรฉrentes finesses) avec la tempรฉrature dโhydratation pour des valeurs comprises entre 4ยฐC et 40ยฐC. En utilisant la mรฉthode de la diffractomรฉtrie aux rayons X (DRX), Escalante-Garcia (2003) a estimรฉ le degrรฉ dโhydratation pour une pรขte de ciment Portland ordinaire pour des tempรฉratures dโhydratation de 10ยฐC, 20ยฐC, 30ยฐC, 40ยฐC et 60ยฐC. Il a trouvรฉ que le degrรฉ dโhydratation รฉvolue plus rapidement pour des tempรฉratures plus รฉlevรฉes et que le degrรฉ dโhydratation ร une tempรฉrature de 60ยฐC devient plus faible que celui ร 40ยฐC aprรจs environ 20 jours. Selon cet auteur, les produits autour des grains de clinker sont plus compactรฉs ร 60ยฐC quโร 20ยฐC et cโest cette couche des produits qui ralentit les rรฉactions chimiques. Thomas (2007) a รฉtudiรฉ lโeffet de la tempรฉrature dโhydratation sur la cinรฉtique dโhydratation de C3S en rรฉalisant des essais calorimรฉtriques isothermes ร 10ยฐC, 20ยฐC, 30ยฐC et 40ยฐC. Cet auteur a trouvรฉ aussi une accรฉlรฉration du degrรฉ dโhydratation avec la tempรฉrature dโhydratation. Zhang et al. (2010) ont utilisรฉ la mรฉthode dโanalyse thermogravimรฉtrique (TGA) dans le but de calculer le degrรฉ dโhydratation des รฉchantillons hydratรฉs ร diffรฉrentes tempรฉratures. Cette technique consiste ร mesurer la perte du poids de lโรฉchantillon qui est chauffรฉ ร haute tempรฉrature. Un changement de masse dans une gamme de tempรฉrature spรฉcifique permet dโidentifier la prรฉsence des particules chimiques des constituants du matรฉriau. La grandeur de ce changement de masse permet dโรฉvaluer la quantitรฉ du produit dans lโรฉchantillon et donc dโestimer le degrรฉ dโhydratation de la pรขte de ciment. Zhang et al. (2010) ont trouvรฉ une augmentation plus rapide du degrรฉ dโhydratation ร des tempรฉratures plus รฉlevรฉes pour un ciment de classe H avec w/c=0,35 .
Effet de la pressionย
Une accรฉlรฉration de lโhydratation sous lโeffet de la pression est en gรฉnรฉral observรฉe. Ludwig et Pence (1956) ont montrรฉ que sous une pression plus importante, la chaleur dโhydratation รฉvolue plus rapidement pendant les premiers heures, mais aprรจs 6h la vitesse dโaugmentation de la chaleur dโhydratation devient progressivement plus faible quโavec une pression plus petite .
Rahman et Double (1982) ont trouvรฉ que lโapplication puis le relรขchement dโune pression de 75MPa pendant lโhydratation peut causer une augmentation du degrรฉ dโhydratation. Selon ces auteurs, une application de la pression sur la pรขte de ciment ร lโรขge infรฉrieur ร 160h dรฉclenche une augmentation de la quantitรฉ dโeau passant ร travers la couche des hydrates aux anhydrates, conduisant ร une accรฉlรฉration du processus dโhydratation. Cependant, ces รฉtudes ont รฉtรฉ rรฉalisรฉes pendant la pรฉriode oรน la pรขte de ciment est sous forme de gels. En mesurant la conductivitรฉ รฉlectrique dans la pรขte de ciment en cours dโhydratation, Bresson et al. (2002) ont montrรฉ quโร 20ยฐC, lโhydratation de C3S est plus rapide sous une pression plus importante . Meducin et al. (2008) ont montrรฉ que la prรฉcipitation de CH apparaรฎt plus tรดt et les anhydrates disparaissent plus rapidement sous des pressions รฉlevรฉes. Ceci est attribuรฉ ร lโaccรฉlรฉration de la dissolution des anhydrates sous une pression plus importante. Ces auteurs ont confirmรฉ aussi que la pression dโhydratation nโa pas dโeffet sur la microstructure des hydrates. Jupe et al. (2007) ont comparรฉ lโรฉvolution de lโhydratation des รฉchantillons hydratรฉs ร 180ยฐC et sous des pressions de 7MPa et 52MPa. Ils ont observรฉ que la quantitรฉ de CH est beaucoup plus รฉlevรฉe (environ 25%) sous 52MPa que sous 7MPa pendant les 140 premiรจres heures. Ceci confirme lโeffet de la pression sur la cinรฉtique dโhydratation. Ce rรฉsultat a รฉtรฉ confirmรฉ aussi par Jupe et Wilkinson (2011) pour lโhydratation ร 25ยฐC. Ils ont observรฉ que la quantitรฉ de CH du ciment de classe G รฉvolue plus vite sous 60MPa que sous 3MPa.
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Table des matiรจres
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE 1. ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE SUR LE COMPORTEMENT DU CIMENT AU JEUNE AGE
1.1. Hydratation de la pรขte de ciment
1.1.1. Mรฉcanismes physico-chimiques et microstructure
1.1.2. Degrรฉ dโhydratation
1.1.3. Effet de la tempรฉrature et de la pression sur la cinรฉtique dโhydratation
1.1.4. Modรฉlisation de la cinรฉtique dโhydratation
1.1.5. Cavitation, retrait chimique et retrait endogรจne
1.1.6. Fraction volumique des constituants pour lโhydratation ร 20ยฐC et sans application de contrainte
1.1.7. Effet de la tempรฉrature sur la microstructure
1.2. Comportement de la pรขte de ciment en cours de prise
1.2.1. Effet de la tempรฉrature et de la pression
1.2.2. Evaluation des propriรฉtรฉs mรฉcaniques par homogรฉnรฉisation
1.3. Conclusions
CHAPITRE 2. COMPORTEMENT DE LA PรTE DE CIMENT AU JEUNE AGE
2.1. Matรฉriau
2.2. Effet de la pression et de la tempรฉrature sur la cinรฉtique dโhydratation
2.2.1. Etude expรฉrimentale
2.2.2. Modรฉlisation de la cinรฉtique dโhydratation
2.2.3. Evaluation des paramรจtres du modรจle
2.3. Effet de la pression et de la tempรฉrature sur le comportement en cours de prise
2.3.1. Essais uniaxiaux, mesures soniques et module dโรฉlasticitรฉ dynamique
2.3.2. Modรฉlisation
2.4. Comportement au jeune รขge sous chargement oedomรฉtrique isotherme
2.4.1. Dispositifs STCA
2.4.2. Descriptions des essais
2.4.3. Rรฉsultats expรฉrimentaux
2.5. Conclusions
CHAPITRE 3. COMPORTEMENT THERMO-HYDRO-MECANIQUE DE LA PรTE DE CIMENT DURCIE
3.1. Matรฉriau et dispositifs expรฉrimentaux
3.1.1. Matรฉriau
3.1.2. Dispositifs expรฉrimentaux
3.2. Comportement diffรฉrรฉ sous chargement isotrope
3.3. Fluage uniaxial
3.4. Comportement รฉlastoplastique
3.4.1. Procรฉdure dโessais
3.4.2. Analyse des rรฉsultats expรฉrimentaux
3.4.3. Observations des รฉchantillons aprรจs essai
3.4.4. Modรฉlisation
3.4.5. Conclusions
3.5. Effet des cycles thermiques et mรฉcaniques
3.5.1. Effet de cycles thermiques
3.5.2. Effet de cycles mรฉcaniques
3.5.3. Conclusions
CHAPITRE 4. CONCLUSIONS
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