Soutenance mémoire
Généralités sur les matériaux cimentaires
Les matériaux cimentaires
Le Ciment portland
Le ciment est une poudre minérale très fine, constituée de silicates et d’aluminates de chaux qui s’hydratent en présence d’eau et qui durcissent progressivement à la suite de réactions chimiques. Sa fabrication se fait en plusieurs étapes :
• Extraction des calcaires (CaCO3) et argiles (Al2O3 – SiO2) des carrières.
• Concassage des matériaux puis homogénéisation : 80% de calcaire / 20% d’argile.
• Cuisson dans un four jusqu’à 1450-1550°C.
• Refroidissement (trempe) du mélange, le clinker est alors obtenu.
Plusieurs réactions se produisent à la température de fusion (1450-1550°C) :
? ??? + ???? + ????? → ? ???,?????, ????? (????) Équation 1
? ??? + ????? → ? ???,????? (???) Équation 2
? ??? + ???? → ??????? (???) Équation 3
? ??? + ???? → ??????? (???) Équation 4
Le clinker (mélange obtenu) est broyé et une source de sulfates (gypse ou anhydrite) est ajoutée à hauteur de 3 à 5 %, ce dernier est indispensable car il permet la régulation de la prise du ciment. Cette dernière étape permet l’obtention du ciment Portland. D’autres éléments peuvent être ajoutés au clinker pour obtenir différents types de ciments :
• Fumée de silice : sous-produit de l’industrie du silicium composé de plus de 95 % de SiO2 amorphe.
• Cendres volantes : fine poudre provenant de la combustion du charbon (SiO2, Al2O3 et Fe2O3).
• Laitier de haut-fourneau : sous-produit provenant de l’industrie métallurgique.
• Pouzzolane : roche volcanique de structure alvéolaire constituée de scories basaltiques.
L’hydratation
Hydratation du ciment Portland
L’hydratation est l’ensemble des réactions chimiques qui interviennent lorsque la poudre de ciment est mélangée avec de l’eau. Ces réactions chimiques se produisent en différentes étapes décrites pour la première fois en 1887 par Henri Le Chatelier [4]:
1. Les quatre constituants principaux du ciment (C3S, C2S, C3A et C4AF) se dissolvent.
2. L’eau de gâchage s’enrichit en calcium, silicium, aluminium, alcalins et sulfates. Il y a sursaturation de la solution vis-à-vis des phases hydratées.
3. La limite de sursaturation étant atteinte, il y a précipitation des hydrates (Portlandite (CH) et Silicates de calcium hydratées (C-S-H)).
4. Cette précipitation fait diminuer la concentration des espèces en solution et permet un nouveau passage en solution des composés anhydres.
Hydratation des silicates
Au contact de l’eau (H), les C3S se dissolvent très rapidement et conduisent à la précipitation de silicates de calcium hydratés (C-S-H) et de portlandite (CH). Les C-S-H formés présentent un rapport CaO/SiO2 (C/S) variant entre 1,5 et 1,7. Pour un rapport de 1,7, le bilan de ces réactions peut s’écrire comme ceci [5] :
??? + ? → ? − ? − ? + ?, ? ?? Équation 5
Les C2S ont une cinétique lente mais donnent les mêmes hydrates que les C3S, seules les quantités diffèrent.
??? + ? → ? − ? − ? + ?, ? ?? Équation 6
Hydratation des aluminates
Le C3A est une phase qui réagit extrêmement vite en contact de l’eau. C’est pour cette raison que du sulfate de calcium est rajouté au clinker afin de ralentir et contrôler ces réactions d’hydratation qui conduisent à la formation de sulfoaluminate de calcium hydraté. Il s’agit le plus souvent de l’ettringite (C6A?̅3H32) et de monosulfoaluminate de calcium hydraté (C4A?̅H12).
Les principales phases hydratées
La Portlandite Ca(OH)2
La Portlandite (hydroxyde de calcium) représente environ 25 % en volume des produits d’hydratation pour une pâte de ciment Potland (ou CEMI) durcie. Elle provient de l’hydratation des C3S et C2S. Elle se dissout et précipite dans les pores du matériau et contribue avec les alcalins (Na2O et K2O) à la basicité de la solution interstitielle du béton (pH = 12,5 à 13,5).
??(??)? ⟷ ???+ + ???− Équation 7
L’équilibre chimique de la portlandite dans un milieu cimentaire sans présence d’alcalins s’établit à un pH de l’ordre de 12,45 à 25°C. Ce dernier monte à 13,5 en présence des bases alcalines. La portlandite cristallise sous forme de cristaux hexagonaux plus ou moins développés dans la pâte de ciment.
Les silicates de calciums hydratés (C-S-H)
Les C-S-H sont les principaux composés et hydrates de la pâte de ciment après hydratation (Figure 1). Ils résultent de l’hydratation des C3S et des C2S. On les appelle également le « gel de C-S-H » à cause de leur caractère gorgé d’eau et le fait qu’ils ont un faible taux de cristallisation. Ils désignent un ensemble de particules contenant du calcium, du silicium et de l’eau. L’essentiel des propriétés mécaniques de la matrice cimentaire est apporté par les C-S-H.
Autres phases
Il s’agit principalement des phases issues de l’hydratation des C3A et C4AF :
● L’ettringite (trisulfoaluminate de calcium hydraté ou AFt) (Figure 2)
● Le monosulfoaluminate de calcium hydraté (AFm)
Paramètres influant sur la diffusion gazeuse
Degré de saturation
Les propriétés hydriques du matériau, notamment son degré de saturation, ont un impact sur la diffusion gazeuse [21], [22], [25], [26]. Les résultats de Vu obtenus par des essais de diffusion H2 confirme la diminution du coefficient de diffusion avec l’augmentation du degré de saturation. Cette baisse est accentuée quand on se rapproche de la saturation (entre 80 et 100 %). Ceci s’explique par le fait que le gaz peut diffuser sous forme dissoute mais à une vitesse très faible (environ 10000 fois moins vite ) (Figure 6).
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Table des matières
Introduction générale
1. Généralités sur les matériaux cimentaires
1.1 Les matériaux cimentaires
1.1.1 Le Ciment portland
1.1.2 L’hydratation
1.2 Les principales phases hydratées
1.2.1 La Portlandite Ca(OH)2
1.2.2 Les silicates de calciums hydratés (C-S-H)
1.2.3 Autres phases
1.3 Structure poreuse des matériaux cimentaires
1.4 Quelques grandeurs caractéristiques de l’état hydrique des matériaux cimentaires
2. Propriétés de transport dans les matériaux cimentaires
2.1 Diffusion d’un gaz à travers un matériau poreux – Généralités
2.1.1 Diffusion de Knudsen
2.1.2 Diffusion ordinaire
2.1.3 Diffusion surfacique
2.2 Paramètres influant sur la diffusion gazeuse
2.2.1 Degré de saturation
2.2.2 Porosité
2.2.3 Rapport eau / ciment (e/c)
2.3 Perméabilité au gaz
2.4 Paramètres influant sur la perméabilité au gaz
2.4.1 Degré de saturation
2.4.2 Rapport eau / ciment (e/c)
2.5 Effet de la fissuration sur les phénomènes de transport
3. Carbonatation atmosphérique
3.1 Systèmes réactionnels
3.1.1 Dissolution du dioxyde de carbone
3.1.2 Carbonatation de la portlandite
3.1.3 Carbonatation des silicates de calcium hydratés (C-S-H)
3.1.4 Carbonatation des aluminates
3.2 Modèles de carbonatation
3.2.1 Modèle général
3.2.2 Modéle de Papadakis
3.2.3 Model Duracrete
4. Corrosion des armatures
4.1 Processus de corrosion induite par carbonatation
4.2 Paramètres influant sur la corrosion
4.2.1 Effet de la fissuration sur la corrosion
4.2.2 Effet de la qualité d’interface acier/béton sur la corrosion (top bar effect)
4.2.3 Conditions environnementales
5. Produits de protection pour bétons
5.1 Les systèmes de protection et/ou de réparation des surfaces en béton
5.2 Les familles de produits colmateurs
5.2.1 Produits d’imprégnation
5.2.2 Produits d’imprégnation hydrophobe
5.2.3 Revêtements
5.3 Efficacité des produits colmateurs
5.3.1 Efficacité vis-à-vis de la carbonatation
5.3.2 Efficacité vis-à-vis de la corrosion
5.4 Durabilité des produits colmateurs
6. Synthèse bibliographique et justification du programme expérimental
Conclusion générale
