Caractérisation microstructurale

L’analyse de la pâte de CSA (DRX, IR, ATG et calorimétrie) nécessite une préparation préalable d’un échantillon représentatif de l’éprouvette cylindrique (D = 3cm, L = 6cm) selon le protocole suivant :

- Un échantillon cylindrique représentatif de 3 mm de hauteur est prélevé au milieu de l’éprouvette, le sciage se fait par un disque métallique à jet d’eau ; la présence d’eau permet d’éviter l’échauffement de la pâte qui engendrerait la décomposition de l’ettringite.

- L’échantillon est mis dans le four à 40°C pendant 2 heures pour sécher l’échantillon issu du sciage à jet d’eau.

- Ensuite il est broyé manuellement à l’aide de mortier d’agate et tamisé à 63 µm.

Le séchage à 40°C permet de retirer non seulement l'eau libre dans les pores mais aussi 2 molécules d’eau les moins liées, appelées « eau zéolitique » (Chapitre I). L’ettringite passe ainsi de 32 à 30 molécules d'eau par mole. Ce phénomène est complètement réversible et n’est pas considéré comme une étape de décomposition (Zhou et al. 2004). Ce préchauffage est réalisé dans le but de contrôler plus facilement la teneur en d’eau sans perturber la structure de l'ettringite (Pourchez et al. 2006).

4.2 Diffraction des rayons X (DRX)

L’appareil SIEMENS D5000 (rayonnement Co Kα) est utilisé pour l'analyse de diffraction des rayons X qui sert à identifier les hydrates présents dans la pâte de CSA. L'irradiation de l'échantillon est effectuée avec l'application d'une tension électrique de 40 kV et un courant de 30 mA, un angle d'incidence compris entre 2θ = 4° et 2θ = 70° avec un pas d’avancement de 0,04°. Mais l’inconvénient de cette technique de caractérisation est le fait que seuls les

hydrates cristallisés sont identifiables avec des pics intenses, par exemple l’hydroxyde d’aluminium amorphe y apparait sous forme d’un halo.

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4.3 Spectrométrie infrarouge (IR)

La spectrométrie infrarouge est utilisée pour compléter l’identification des hydrates cristallisés ou amorphes. L’appareil Perkin Elmer Spectrum est utilisé pour obtenir le spectre infrarouge des échantillons. Quelques milligrammes de l’échantillon broyé selon le protocole défini précédemment sont placés sur le porte-échantillon, une pression constante de 120 kN est appliquée sur la poudre pour immobiliser les particules, puis un faisceau infrarouge de longueur d'onde connue impacte l'échantillon. La transmittance (%) est le rapport entre les intensités transmises et intensités incidentes, ces intensités étant mesurées à chaque longueur d'onde. Le spectre est donné par la variation de la transmittance en fonction de la longueur d'onde. La qualification d'un composant de l’échantillon à partir du spectre est réalisée par l'identification de bandes d’absorption générée par la vibration de ses liaisons chimiques. La plage de longueur d'onde utilisée se situe entre 700 et 1800 cm-1 car la plupart des bandes de liaison étudiées s’y situent.

4.4 Analyse thermogravimétrique (ATG)

La quantification des hydrates présents dans la pâte de CSA à chaque échéance d’hydratation est effectuée à l’aide de l’ATG. Le dispositif utilisé est de marque NETZSCH STA 449 F3 et est équipé d’une thermo-balance intégrée pour mesurer automatiquement la perte de masse de l'échantillon chauffé en fonction du temps. Un gramme de l'échantillon en poudre préalablement préparé selon le protocole défini précédemment est introduit dans le creuset de platine utilisé comme porte-échantillon. Le chauffage automatique de l'échantillon entre 40°C et 1100°C est réalisé avec une vitesse de montée en température de 10°C/min. La quantification des réactions de liants est réalisée par un procédé de déconvolution des pics de la courbe à partir de la courbe différentielle de l’analyse thermogravimétrique (DTG).

4.5 Microscope Electronique à Balayage (MEB)

Le microscope électronique utilisé, pour obtenir des images des hydrates et anhydres présents dans la matrice cimentaire, est de de type JEOL JSM 6700F. Pour observer une face transversale de la pâte, l’échantillonnage préalable se fait par le sciage de l'éprouvette cylindrique. Ensuite l’échantillon est noyé dans de la résine puis poli après durcissement. La métallisation de la face à observer est faite en utilisant du carbone. Les échantillons ainsi préparés sont observés au MEB sous vide avec une tension d'accélération de 10 kV. L’identification des éléments présents dans la matrice est confirmée par l’analyse spectromètre de dispersion d’énergie (EDS).

4.6 Microsonde électronique

La microsonde Electronique (CAMECA SXFive) permet de faire une quantification précise de la concentration massique d’un élément présent sur le point de l’échantillon analysé. Lorsque les électrons impactent l’échantillon avec une énergie de 15keV, les atomes excités émettent des rayons X. Pour analyser ce spectre de rayons X, l’appareil est équipé de 5 spectromètres de dispersion de longueur d’onde (WDS) autour de la sonde. Chaque spectromètre WDS est équipé d’un cristal monochromatique spécifique et d’un détecteur mobile pour n’analyser que les longueurs d’ondes caractéristiques de quelques éléments atomiques (alors que la spectrométrie EDS analyse tout le spectre de rayons X en une fois). Les fortes amplifications dans le détecteur (WDS) permettent d’avoir un bruit de fond faible par rapport à la spectrométrie EDS.

4.7 Calorimètre isotherme

Les essais décrits précédemment sont ponctuels dans le temps et par conséquent ne fournissent pas un suivi continu de l’hydratation des pâtes de CSA. La calorimétrie isotherme (de marque TAM air) permet de mesurer continuellement la quantité de chaleur dégagée par les réactions exothermiques lors de l’hydratation de la pâte de ciment. Le calorimètre dispose de deux cellules, une réservée à l’échantillon et l’autre à la référence. Un pilulier contenant 3 g d’eau est introduit dans la cellule réservée à la référence, cette quantité d’eau est calculée pour avoir la même capacité calorifique entre la référence et l’échantillon. Puis la ligne de base est mesurée pendant 15 heures pour atteindre le critère de stabilité thermique de l’appareil.

A l’aide d’un agitateur, le liant sulfoalumineux est mélangé avec de l’eau pendant 1 minute en respectant le rapport E/C requis pour le mélange. Ensuite, 5 g de la pâte de ciment résultante sont introduites dans un pilulier en verre qui est ensuite bouché puis mis dans la cellule du calorimètre réservé à l’échantillon. Mais il faut noter que la chaleur issue de la réaction initiale du ciment (premières 45 minutes d’hydratation) parasitée par la température extérieure n’est pas mesurée, donc la mesure est faite entre 45 minutes et 72 heures d’hydratation.

L’appareil refroidit l’échantillon pour compenser la chaleur issue de l’hydratation, maintenant ainsi l’échantillon et la référence à la même température pendant la durée de l’essai (20°C dans le cas présent). Le flux de chaleur dégagée par l’hydratation (en W) et la chaleur cumulée (en J) sont respectivement déduits de la puissance fournie par l’appareil et l’intégration temporelle de celle-ci.

5 Essais de durabilité