Caractéristiques des hydrates formés en présence de clinker

Plusieurs travaux [KOKUBU et al, 1989 ; ESCALANTE, 2001; MARUYAWA et al, 2005; WANG et LEE, 2010] ont montré que la quantité de portlandite contenue dans les pâtes de ciment à base de laitier diminue avec l’augmentation de la proportion de laitier dans le liant. Pour des taux de substitutions très élevés, on ne retrouve aucune quantité de portlandite disponible dans la pâte et cela indique une consommation de la portlandite par l’hydratation du laitier. Des mesures de rapports C/S et A/S des C-S-H formés par l’hydratation du laitier sont consignés dans le Tableau I-3. Ces mesures ont été réalisées par [RICHARDSON et GROVES, 1992] sur des pâtes de ciment conservées à 20°C jusqu’à une échéance de 14 mois.

Alors que pour des C-S-H formés par hydratation du laitier pur on a des rapports molaires C/S qui sont de l’ordre de 1.1, les résultats obtenus par [RICHARDSON et GROVES, 1992] indiquent clairement un enrichissement en calcium des C-S-H formés par le laitier en présence du clinker provenant incontestablement de la consommation de la portlandite produite par le clinker. La prise en compte de la consommation de la portlandite produite par le clinker par l’hydratation du laitier est par conséquent déterminante dans la modélisation de ciments composés à base de laitier.

% de laitier dans le liant C/S A/S

0 1,76 0,027 10 1,89 0,020 25 1,78 0,032 50 1,55 0,050 66,7 1,43 0,065 75 1,37 0,065 83,3 1,38 0,075 90 1,28 0,075 100 1,14 0,095

Tableau I-3 : Stœchiométrie des C-S-H formés par l’hydratation du laitier [RICHARDSON et GROVES, 1992]

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2.3.4. Modélisation

[De SCHUTTER, 1999] propose un modèle d’hydratation pour les liants composés de ciment portland et de laitier afin de palier aux problèmes de fissuration du béton au jeune âge due aux contraintes thermiques. Le modèle proposé est basé sur des essais de calorimétries isotherme et adiabatique. L’approche consiste à découpler le terme source de chaleur q en superposant la chaleur produite par chaque phase anhydre :

q = q‘+ q¾ I-22

Où q_‘ et q_¾ sont les taux de chaleur du ciment portland et du laitier respectivement.

Il définit pour chaque anhydre, un degré de réaction (r_‘ et r_¾ respectivement pour le ciment portland et le laitier) comme étant le rapport entre la chaleur dégagée à un instant t donné et la chaleur maximale libérée à la fin des réactions d’hydratation.

Ainsi, la chaleur dégagée par le ciment portland est donnée par :

q‘= q‘,ƒ~¿,!}∙ f‘
r‘  ∙ g‘
T I-23

Avec

f‘
r‘  = cÀ∙ [sin
r‘ π]~Ã∙ exp
−bÀ∙ r‘  I-24

g‘
T = exp ÅE_R
‘ _{293 +} 1 _{273 + TÆ}1 I-25

Où q_‘,ƒ~¿,!} est la chaleur maximum dégagée par la réaction du ciment à 20°C, r_‘ est le degré de réaction du ciment, E_‘ est l’énergie d’activation du ciment, R est la constante des gaz parfaits, a_À, b_À et c_À sont des constantes.

La réaction du LGHF est aussi décrite par les équations suivantes :

q¾ = q¾,ƒ~¿,!}∙ f¾
r¾  ∙ g¾
T I-26

Avec

f_¾
r_¾  = [sin
r_¾ π]~Ç _I-27

56

Où q_¾,ƒ~¿,!} est la chaleur maximum dégagée par la réaction du LGHF à 20°C, r_¾ est le degré de réaction du LGHF, E_¾ est l’énergie d’activation du LGHF, R est la constante des gaz parfaits, a_¾ est une constante.

Le modèle proposé intègre le fait que la réaction d’hydratation du laitier nécessite la présence d’une certaine quantité d’alcalins issus de la réaction du ciment portland. Ceci est pris en compte en gardant le terme q_¾ égal à zéro jusqu’à ce que le degré de réaction du ciment portland atteigne une valeur seuil r_‘,¾ . Le paramètre r_‘,¾ est supposé varier linéairement en fonction de la température (à défaut de données expérimentales) :

r‘,¾ = A × T + B ≥ 0 I-29

Où A et B sont des constantes.

Les valeurs initiales des degrés de réaction r_‘,} et r_¾,} traduisant respectivement la période d’induction du ciment portland et du laitier sont aussi des paramètres du modèle. Le modèle ainsi décrit a été validé en condition adiabatique et isotherme sur des ciments de type CEM III/B 32,5 et CEM III/C 32,5. Toutefois, le modèle développé par [De SCHUTTER, 1999] est un modèle en conditions endogènes car il ne prend pas en compte l’effet de variation de la teneur en eau sur l’hydratation du liant binaire. La mise en œuvre de ce modèle demande un calage complexe de plusieurs paramètres. D’autre part l’interaction entre l’hydratation du laitier et celle du clinker n’est prise compte que par le biais du degré d’hydratation seuil r_‘,¾ qui est indépendant de la chimie du clinker et du laitier.

[MEINHARD et LACKNER, 2008] propose un modèle d’hydratation multiphasique en estimant le degré d’hydratation des différents constituants du clinker (C3S, C2S, C3A et C4AF)

et celui du LGHF. Il distingue trois phases au cours de l’hydratation des constituants du clinker et du LGHF. L’évolution du degré d’hydratation de chaque phase est régie par des hypothèses spécifiques. Ainsi pour les constituants du ciment portland, on distingue :

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• Une période d’induction correspondant à la dissolution des différentes phases du clinker. Elle dure pour chaque phase un temps t_,} et correspond à un degré d’hydratation ξ_,} . Compte tenu de la très courte durée de la période d’induction, elle est simulée avec un taux d’hydratation constant.

• La période de nucléation et de structuration de la pâte approximée par le modèle d’Avrami :

ξ_ = 1 + ξ_,}− expÉ−aÊË _I-30

Où a et k sont des paramètres.

• Une période de diffusion durant laquelle l’hydratation est contrôlée par la diffusion des ions à travers les couches d’hydrates formés autour des grains de clinker. Elle est décrite par l’équation suivante :

ξ_= 1— Í Î2D
t − t ∗_ rÐ√ArrÎØ}/Ø+ Ó1 − ξ ∗ Ô Õ  _I-31 Avec Arr = exp Ö E~, R ×1T −T1}Ø Ù I-32

Où D est un coefficient de diffusion, r_Ð est la taille des particules, Ø_} est la surface spécifique du ciment, ξ_∗ est le degré d’hydratation correspondant à la fin de la période de nucléation et t_∗ le temps correspondant.

Pour le laitier, le modèle distingue une période d’induction représentant la dissolution de ce dernier suivie d’une première phase de nucléation par l’aluminium présent dans la phase vitreuse du laitier. Enfin, une deuxième phase de nucléation contrôlée par la formation de C − S − A − H est décrite par l’équation suivante :

dξ‘Üݒ

dt = dξ‘Üݒ,Þdt + <dξ‘Üݒ,}.)dt −dξ‘Üݒ,Þdt A exp Å−t − tτ‘Üݒ}.)Æ

58 Où :

- ξ_‘Üݒ est le degré d’hydratation du laitier durant la phase de formation des C-S-A-H - t_}.) est le temps correspondant à ξ_‘Üݒ= 0,4

- τ_‘Üݒ est le temps caractéristique de la décroissance exponentielle de l’hydratation - ξ_‘Üݒ,Þ est le degré d’hydratation du laitier en fin de formation des C-S-A-H - dξ_‘Üݒ,Þ⁄ est le taux d’hydratation à tà _}.)

Cependant, le modèle de [MEINHARD et LACKNER, 2008] est aussi un modèle en condition endogène car les effets des transferts hydriques sur l’hydratation ne sont pas pris en compte.

Comme dans le cas des additions pouzzolaniques, d’autres modèles d’hydratation des liants à base de laitier existent comme celui proposé par [WANG et LEE, 2010] qui est un modèle microscopique, développé certes pour l’hydratation des liants composés à base laitier mais, compte tenu des délais de calcul trop important pour des applications industrielles, ce type de modèle n’est pas adapté à notre usage.