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Chapitre I : Etude bibliographique 7 Chapitre I : Etude bibliographique I.1. La

Chapitre I : Etude bibliographique 7 Chapitre I : Etude bibliographique I.1. La matrice cimentaire. I.1.1. Définition : Le ciment est un liant hydraulique qui se présente sous la forme d’une poudre très fine, composée d’oxydes minéraux dont les deux principaux sont la chaux (CaO) et la silice (SiO2). Il réagit avec l’eau en donnant des hydrates stables qui lui confèrent une résistance mécanique. Les réactions d’hydratation du ciment conduisent à la formation d’une pâte durcissant progressivement à l’air ou dans l’eau. I.1.2. Constituants : Le Ciment Portland Artificiel (CPA) se compose principalement de clinker. Ce dernier est obtenu par mélange de matières premières naturelles de composition chimique adéquate. La préparation du cru consiste à mélanger de manière homogène du calcaire (80%) et l’argile (20%). Le cru est ensuite calciné à 1450°C pour former le clinker. Les granules de clinker, dont la taille varie de 5 à 40 mm de diamètre, sont finement broyés avec addition de gypse (3 à 5%) pour réguler la prise. Un ciment est composé en général des 4 phases principales C3S, C2S, C3A, C4AF (Tableau I.1). Chapitre I : Etude bibliographique 8 Les phases C3A et C2 (A,F), plus couramment dénommée C4AF, se situent généralement entre les grains de C3S et C2S. Le clinker contient aussi des éléments mineurs tels que : Na2O, K2O, MgO, CaO libre, TiO2, SO3, P2O5 et Cr2O3. Désignation des minéraux purs Formules Abréviation Solution solide de la phase pure présente dans le clinker Répartition % Silicate tricalcique 3CaO, SiO2 C3S Alite 45 à 65 Silicate bicalcite 2CaO, SiO2 C2S Bélite 10 à 30 Aluminate tricalcique 3CaO, Al2O3 C3A Aluminate tricalcique ou célite 5 à 15 Alumino-ferrite de calcium 2CaO, pAL2O3 (1-p)Fe2O3 C2APF1-P Alumino-ferrite 5 à 15 Tab. I.1 : Les différentes phases du clinker [Seid et al. 80] I.1.3. Hydratation du Ciment Portland Artificiel (CPA) : Le contact du ciment avec l’eau déclenche un mécanisme d’hydratation comprenant (dans l’ordre où elles s’effectuent) les réactions d’adsorption, d’hydrolyse, de dissolution, de solvatation, de précipitation, de cristallisation, de germination, de migration et de diffusion. Ce mécanisme doit être considéré dans toute sa complexité, en tenant compte des différentes interactions mutuelles de ses différentes réactions. L’hydratation du CPA correspond à une suite de réactions chimiques entre les différents composants du clinker, le gypse et l’eau. Celles-ci s’effectuent suivant un processus de dissolution précipitation très complexe [Seid et al. 80], [Jaw et al. 85], [Ver, 89] qui peut être schématisé sur la Figure I.1. L’ordre de réactivité des composants du ciment est connu : C3A> C3S > C4AF> C2S L’hydratation du CPA est un phénomène complexe faisant intervenir divers processus (mécanisme d’hydratation) qui ont été élucidés dès la fin du 19éme siècle par Henri Le Chatelier (1887). Il a notamment décrit trois étapes relatives à la prise du ciment : ¾ L’adsorption physique et chimique de l’eau par les grains de ciment ; Chapitre I : Etude bibliographique 9 ¾ La dissolution ou solvatation, correspondant à un changement d’état du solide ionique (ciment) en présence de solvant (eau) ; ¾ La cristallisation, qui débute par la germination et se poursuit par la croissance de cristaux. Fig. I.1. : Représentation schématique de l’hydratation du ciment [Jaw et al. 85] I.1.4. La prise du ciment Le ciment est un matériau fortement alcalin (pH >12,5) et contient des groupes hydroxydes de métal comme : dus à l’hydratation et à l’hydroxydation des silicates, des aluminates et des ferrites de calcium qui sont présents dans la matrice ciment. La prise du ciment provient de l’augmentation du volume des produits hydratés, conduisant à la diminution des distances entre les particules individuelles, jusqu’à ce que l’écoulement plastique soit réduit par la force de cohésion [Jaw et al. 85]. La dissolution des espèces ioniques et des compositions de la phase liquide jouent un rôle important dans la prise du ciment. Par contre, la réactivité de C3A et la présence des sulfates de calcium dans le ciment ont une influence sur la prise, en raison des larges différences de solubilité du gypse semi- hydraté et de l’anhydrite soluble. La quantité d’ions sulfates disponibles dans la solution contenue dans les pores est fonction de la présence des 0 0 2 4 6 8 10 12 200 400 600 800 1000 Temps (min) Flux thermique (mW/g) Formation de l’ettringite de dissolution Augmentation de temps d’induction de la concentration Ca2 Formation rapide de C-S-H et CH Formation de monosulfate Réactions- diffusion commandées 0 0 2 4 6 8 10 12 200 400 600 800 1000 Temps (min) Flux thermique (mW/g) Formation de l’ettringite de dissolution Augmentation de temps d’induction de la concentration Ca2 Formation rapide de C-S-H et CH Formation de monosulfate Réactions- diffusion commandées OH F et OH l A OH, i S OH, C 1 1 1 1 1 1 1 1 − − − − − − − − Chapitre I : Etude bibliographique 10 alcalins solubles dans le ciment, qui augmentent la solubilité du gypse. Quand le C3A réagit avec les sulfates pour former l’ettringite ou le monosulfo- aluminate hydraté, la concentration en sulfate diminue, et la phase liquide devient une solution d’hydroxydes de calcium et d’hydroxydes alcalins. En présence de gypse, celui-ci se trouve quelque peu modifié. Le gypse est ajouté au clinker en temps que régulateur de prise qui bloque l’hydratation de C3A et permet celle de C3S. L’hydratation de C3A en présence de C3S conduit à la formation, autour des grains de C3A, de trisilicoaluminates [Jaw et al. 85]. Comme la solubilité du calcium en présence d’alcalins est faible (Fig. I.2), l’hydroxyde de calcium cristallise et la phase liquide devient essentiellement formée d’une solution d’hydroxydes alcalins. Ce phénomène a d’importantes implications sur la prise, l’accélération de l’hydrations de C3S et la durabilité du béton. Fig. I.2 : Solubilités relatives des alcalins et de CaO à 20°C et de CaSO4 [Jaw et al, 85]. I.1.5. Propriétés mécaniques du ciment au cours du durcissement. La prise et le durcissement du ciment ou béton sont le résultat d’un certain nombre de réactions chimiques dont les principales l’hydratation des silicates du clinker s’accompagnent d’un fort dégagement de chaleur. Les silicates de calcium C3S et C2S sont les constituants les plus importants du ciment portland pour les propriétés mécaniques de la pâte durcie. Selon la quantité d’eau utilisée dans les mélanges, deux niveaux d’hydratation sont observés. Chapitre I : Etude bibliographique 11 • Hydratation totale, où la quantité d’eau est suffisante pour hydrater les grains du ciment. • Hydratation partielle, où la quantité d’eau n’est pas suffisante pour hydrater totalement les grains du ciment. Au temps zéro, la pâte est constituée de grains de ciment anhydre et d’eau. L’hydratation de C3S et C2S forme des produits hydratés dans la porosité capillaire (outer product) ainsi que la surface des grains anhydre (inner product). Lorsque les surfaces de contact entre des hydrates s’accroissent, elles conduisent à une augmentation de la résistance mécanique du matériau. La Fig. I.3 montre un schéma simplifié des mécanismes d’hydratation des grains de ciment. Fig. I.3 : Mécanismes simplifiés d’hydratation des grains de ciment [Alq, 03] Les propriétés mécaniques (résistance en compression, en traction, module d’Young), évoluent continûment avec le durcissement du matériau. Par ailleurs, la croissance de ces caractéristiques est fortement accélérée par la chaleur. Comme pour un grand nombre de réactions chimiques, la cinétique de l’hydratation répond assez bien à la loi d’Arrhenius Le durcissement des pâtes de ciment s’accompagne d’un accroissement important des résistances mécaniques. Mais, il y a des paramètres principaux dont dépend la résistance de la pâte durcie comme la porosité et la composition du solide. En ce qui concerne la porosité, il ressort des travaux de nombreux chercheurs que la résistance à la compression et le module d’élasticité sont des fonctions exponentielles de la porosité et quand elle augmente pendant le temps de durcissement, elle conduit à la diminution la résistance à la compression et du module d’élasticité (Fig. I.4). Chapitre I : Etude bibliographique 12 Fig. I.4 : Effet de la porosité sur la résistance à la compression (à gauche) et au module d’Young pour divers types de pâtes à température ambiante [Fel et al. 74] Les résultats de [Gra et al. 78] tendent à prouver que, dans le cas des pâtes de ciment hydratées à température ambiante, pendant un temps très long, c’est la porosité capillaire et non la porosité totale qui est le paramètre essentiel. Ces auteurs utilisent comme paramètre de porosité le rapport Leurs essais montrent deux types de comportement selon que Γ est supérieur ou inférieur à 0,465 (Fig. I.5) Fig. I.5 : Résistance à la compression σult en fonction de Γ [Gra et al. 78] volume) (en ciment eau ciment Γ + = 0 200 400 600 800 1000 1200 0 0,6 0,465 Log σult (daN/cm2) Γ Temps de durcissement infini + + + + + + + + + + + 0 200 400 600 800 1000 1200 0 0,6 0,465 Log σult (daN/cm2) Γ Temps de durcissement infini + + + + + + + + + + + uploads/Finance/ 08-chapitre-1.pdf