Soutenance mémoire
Hydratation des matériaux cimentaires
Le suivi de l’hydratation du ciment constitue l’un des objectifs de ces travaux de recherche. Le processus d’hydratation est décrit dans ce deuxième chapitre tout en passant en revue la chronologie des réactions d’hydratation, les principaux paramètres influençant l’hydratation, les différentes méthodes de mesure associées ainsi que les différentes approches de modélisation.
Processus d’hydratation
Le ciment est un liant de nature hydraulique. Mélangé avec de l’eau, il forme une pâte plus ou moins consistante et visqueuse. Lors du mélange, appelé gâchage, les particules anhydres du ciment vont s’hydrater pour former différents hydrates. Ces hydrates vont par la suite conférer des propriétés mécaniques (résistance à la compression et à la flexion) et des propriétés chimiques (résistance à la carbonatation, résistance à la diffusion des ions chlorure, …) à la pâte de ciment durcie. La réaction d’hydratation du ciment est un phénomène complexe qui dépend de plusieurs paramètres intrinsèques et extrinsèques au matériau. Ces paramètres vont influencer l’hydratation des phases anhydres présentes dans le ciment. A titre d’exemple, la phase anhydre du clinker présent dans le ciment Portland est essentiellement composée :
● de silicate tricalcique, (CaO)3.SiO2, appelé alite, noté C3S ;
● de silicate bicalcique, (CaO)2.SiO2, appelé bélite, noté C2S ;
● d’aluminate tricalcique, (CaO)3.Al2O3 noté C3A ;
● d’aluminoferrite de calcium tétracalcique, (CaO)4.Al2O3.Fe2O3, noté C4AF.
A cela s’ajoute le gypse, CaSO4.(H2O)2, noté CS̅, qui va cristalliser pour réguler la prise des silicates. Lors de l’hydratation, les phases du clinker anhydre passent en solution dans la phase aqueuse en libérant des ions. On trouve dans la solution aqueuse principalement des ions calcium Ca2+ et des ions silicates SiO4H2²⁻ , SiO4H³⁻ et SiO7H4²⁻.
L’hydratation des C3S et des C2S sont les plus rapides . Ces deux phases anhydres vont former de la Portlandite (CH) et des silicates de calcium hydratés (C-S-H). La recristallisation du gypse va ralentir la vitesse de réaction des C3A qui est très élevée (Équation II.4). En effet, le sulfate (CS̅H2), issu de la cristallisation du gypse, va réagir avec les C3A et les C4AF pour former du trisulfoaluminate de calcium, C6AS̅ 3H32 appelé ettringite et noté AFt . À la fin de la réaction du gypse, l’ettringite va se dissoudre et réagir avec les C3A et les C4AF pour former alors du monosulfoaluminate de calcium, C4AS̅H12 noté AFm et de la Portlandite .
Lors de l’hydratation, les C-S-H constituent la plus grande partie de la phase liante de la pâte de ciment (50 à 70 % d’une pâte de ciment durcie [Baroghel-Bouny, 1994]). Ils sont à l’origine de la résistance mécanique de la pâte de ciment. Dans un matériau cimentaire composé d’additions minérales à caractère pouzzolanique, d’autre C-S-H peuvent se former via une consommation de la Portlandite .
Le principal inconvénient des C-S-H, dans la compréhension des réactions d’hydratations, est que leurs stœchiométries dépendent de plusieurs facteurs (composition chimique du ciment, quantité d’eau, température, âge, …). Ils sont constitués d’atomes de calcium Ca, de silicium Si, d’oxygène O et de molécules d’eau H2O. Deux rapports permettent de différencier les différentes phases de C-S H, le rapport calcium sur silicium et le rapport eau sur silicium respectivement notés « a » et « b ». On a donc la stœchiométrie suivante (CaO)a.SiO2.(H2O)b ou en notation cimentaire CaSHb.
Dans la littérature, il existe trois phases distinctes de C-S-H en fonction du rapport calcium sur silicium noté C / S :
❖ C-S-H α : 0,66 < C / S < 1 formée dans une concentration de [Ca2+] inférieure à 2 mmol.L-1 ;
❖ C-S-H β : 1 < C / S < 1,5 formée dans une concentration de [Ca2+] entre 2 et 22 mmol.L-1 ;
❖ C-S-H γ : C / S = 1.7 formée dans une concentration de [Ca2+] supérieure à 22 mmol.L-1.
La présence de Portlandite solide à 25 °C dans les matériaux cimentaires est due à une concentration en [Ca2+] supérieure à 22 mmol.L-1 . C’est donc principalement la forme γ des C-S-H qui est présente dans une pâte de ciment d’où le rapport C / S de 1,7 utilisé dans l’Équation II.1 et l’Équation II.2 (C1,7SH?). D’autre part, la teneur en eau des C-S-H est représentée par le rapport eau sur silicium noté H / S qui varie de 1, pour des C-S-H séchés sous vide, à 4 pour des C-S-H saturés en eau. Dans l’Équation II.1 et l’Équation II.2, les C-S-H sont considérés comme saturés. Un rapport H / S de 4 est de ce fait utilisé (C1,7SH4).
Hydratation des matériaux cimentaires à faible teneur en clinker
Afin de diminuer la teneur en clinker (enjeu environnemental) ou conférer de nouvelles propriétés aux matériaux cimentaires, plusieurs additions minérales sont employées. Chacune entraine une modification du processus d’hydratation. Les additions minérales les plus répandues sont les fillers calcaires, les additions siliceuses telles que les fillers de quartz, les laitiers de haut-fourneau, les cendres volantes et les fumées de silice.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre I. Matériaux cimentaires à base de fines recyclées
I.1. Introduction
I.2. Réduction des émissions de CO2 des matériaux cimentaires
I.3. Préservation des ressources naturelles
I.4. Diminution des espaces de stockage des déchets de bétons démolis
I.5. Réutilisation des fines recyclées
I.5.1. Valorisation en tant que matière première dans la fabrication du clinker
I.5.2. Valorisation en tant qu’addition minérale sans prétraitement thermique
I.6. Conclusion
Chapitre II. Hydratation des matériaux cimentaires
II.1. Introduction
II.2. Processus d’hydratation
II.3. Hydratation des matériaux cimentaires à faible teneur en clinker
II.4. Hydratation des matériaux cimentaires à base de fines recyclées sans prétraitement thermique
II.5. Paramètres influençant l’hydratation
II.5.1. Paramètres intrinsèques au matériau
II.5.1.1. La composition chimique du clinker
II.5.1.2. La granularité
II.5.1.3. Le rapport eau sur ciment (E/C)
II.5.2. Paramètres extrinsèques au matériau
II.5.2.1. La température (T°)
II.5.2.2. L’humidité relative ambiante (HR)
II.5.2.3. Le mode de malaxage
II.6. Caractérisation expérimentale de l’hydratation
II.6.1. Degré d’hydratation
II.6.2. Degré d’avancement de l’hydratation
II.6.3. Degré d’hydratation ultime
II.7. Modélisation de l’hydratation
II.7.1. Principaux modèles d’hydratation
II.7.1.1. Modèles analytiques
II.7.1.2. Modèles semi-analytiques
II.7.1.3. Modèles thermodynamiques
II.7.1.4. Modèles associés au développement de la microstructure
II.7.2. Choix du modèle
II.8. Conclusion
Chapitre III. Programme expérimental
III.1. Introduction
III.2. Matières premières
III.2.1. Ciment Portland CEM I 52,5 N
III.2.2. Fine recyclée
III.2.2.1. Pâte de ciment d’origine
III.2.2.2. Méthodes de caractérisation de la fine recyclée
III.2.2.3. Propriétés de la fine recyclée (FPO)
III.2.3. Sable
III.3. Compositions des mortiers et de leurs pâtes de ciment équivalentes
III.4. Préparation et cure des échantillons
III.5. Propriétés des mortiers et des pâtes équivalentes
III.5.1. Affaissement au mini-cône
III.5.2. Demande en eau
III.5.3. Hydratation
III.5.3.1. Calorimétrie semi-adiabatique
III.5.3.2. Analyse thermogravimétrique (ATG)
III.5.3.3. Quantification des C-S-H par absorption d’eau
III.5.3.4. Spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF)
III.5.4. Microstructure
III.5.4.1. Porosimétrie à l’eau
III.5.4.2. Isothermes de sorption et de désorption
III.5.4.3. Coefficient de diffusion hydrique
III.5.5. Résistance à la compression
III.5.6. Carbonatation accélérée
III.6. Synthèse du programme expérimental
III.7. Conclusion
Chapitre IV. Résultats et analyses
IV.1. Introduction
IV.2. Rôle des hydrates et du clinker anhydre de FPO
IV.2.1. Influence de FPO sur l’état frais des mortiers
IV.2.2. Cinétiques d’hydratation
IV.2.2.1. Chaleur d’hydratation des mortiers
IV.2.2.2. Quantité de Portlandite par ATG
IV.2.2.3. Quantité de Portlandite par IRTF
IV.2.3. Evolution de la microstructure des mortiers et des pâtes équivalentes
IV.2.3.1. Porosité accessible à l’eau
IV.2.3.2. Isothermes de sorption et de désorption de la vapeur d’eau
IV.2.3.3. Coefficient de diffusion hydrique des pâtes de ciment
IV.2.4. Propriétés mécaniques des mortiers
IV.2.5. Quantité de C-S-H des pâtes de ciment
IV.2.6. Cinétique de carbonatation accélérée des mortiers
IV.3. Synthèse sur le rôle des hydrates et du clinker anhydre
IV.4. Influence de T° et HR ambiantes sur l’hydratation des pâtes de ciment
IV.4.1. Cinétiques d’hydratation
IV.4.1.1. Influence de la température de conservation
IV.4.1.2. Influence de l’humidité relative ambiante
IV.4.1.3. Influence de la composition des pâtes de ciment
IV.4.2. Synthèse sur l’influence de T° et HR sur l’hydratation
IV.5. Conclusion
Conclusion générale
