Compétition d’adsorption entre un super-plastifiant et un agent de viscosité

Pour répondre aux exigences rhéologiques des bétons auto-plaçants, il est souvent nécessaire de combiner l’utilisation de superplastifiants et agents de viscosité [16]. En effet, ces bétons sont caractérisés par une fluidité élevée permettant un pompage à des hauteurs

importantes et un coulage dans des armatures métalliques denses sans avoir recours à la vibration. De plus, ces bétons doivent être suffisamment visqueux pour résister à la ségrégation et au ressuage jusqu’au début de la prise. Tandis que les superplastifiants s’adsorbent et dispersent la suspension, les agents de viscosité non adsorbés augmentent la viscosité du fluide interstitiel et stabilisent le système [17]. Toutefois, certains agents de viscosité s’adsorbent à la surface des particules de ciment et peuvent même entrainer une augmentation du seuil par pontage [18] comme nous avons pu le voir au chapitre 5.

Dans le cas où ces deux types de polymères s’adsorbent à la surface des particules de ciment, une compétition d’adsorption peut avoir lieu et considérablement affecter le comportement rhéologique du système. Pour une meilleure compréhension de ce processus, nous étudions ici la compétition d’adsorption entre le PCE1 et le HEC5. Nous mesurons à la fois la quantité de polymères adsorbés et les conséquences de cette compétition sur le comportement rhéologique du système en termes de seuil et de viscosité. 6.3.3.1 Adsorption

Nous avons préparé cinq pâtes de ciment contenant un dosage fixe de HEC5 (0,2%) et un dosage croissant en PCE1 (de 0% à 0,8%) et nous avons mesuré l’adsorption de ces deux polymères. Nous rappelons que le HEC5 est rajouté à la pâte de ciment 10 minutes avant le PCE1 et nous faisons ici aussi l’hypothèse que, 10 minutes après l’ajout du HEC5, un nouvel équilibre d’adsorption de toutes les espèces est atteint. Nous traçons sur la Figure 6-17, le résultat de la compétition d’adsorption entre les deux polymères.

En première observation, nous notons l’absence du premier régime, observé dans les sections 6.3.1 et 6.3.2.1, où les polymères s’adsorbent comme s’ils étaient seuls et où aucune compétition d’adsorption n’a lieu. En effet, dans cette situation, l’addition du PCE1 entraine directement la désorption graduelle du HEC5 de la surface des particules de ciment.

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Dosage du PCE1 (%eau)

Polymère adsorbé (% eau)

Adsorption de PCE1 en présence de 0,2% HEC5

Adsorption de 0,2% de HEC5 de PCE en présence d'un dosage croissant en PCE1 Adsorption du PCE1 seul

Figure 6-17. Isotherme de désorption de HEC5 pré-adsorbé (dosage initial 0,2%) de la surface des particules de

ciment par ajout de PCE1. L’isotherme d’adsorption simultanée du PCE1 est aussi tracée ainsi que son

adsorption lorsqu’il est seul dans une pâte de ciment.

A partir d’un dosage critique en PCE1 (autour de 0,5%), nous notons la désorption totale des HEC5. Dans ce troisième régime, les particules de ciment sont uniquement recouvertes par le PCE1 tandis que la totalité des HEC5 (0,2%) a été déplacée dans la solution interstitielle de la pâte de ciment.

Par ailleurs, nous constatons que l’adsorption du PCE1 n’est pas affectée par la présence du HEC5. Ces résultats suggèrent que, dans cette situation, c’est l’adsorption du PCE1 qui est énergétiquement favorisée. Ce polymère s’adsorbe donc en priorité déplaçant le polymère à plus faible affinité, le HEC5. Toutefois, l’énergie d’adsorption du HEC5 mesurée au chapitre 4 est supérieure à l’énergie d’adsorption du PCE1. Ceci montre que nous ne pouvons pas comparer les affinités des espèces adsorbantes pour anticiper le résultat de la compétition d’adsorption. La comparaison se fait, en effet, au niveau des monomères adsorbés ou des énergies d’adsorption par unité de surface occupée. Dans ce cas, il est possible que sur une

surface donnée les HEC5 adsorbés occupent, de manière effective, moins de site que les PCE et minimisent, par conséquent, moins l’énergie du système.

Par ailleurs, il faut aussi garder à l’esprit qu’au-delà du LSC, l’affinité des polymères est très dépendante de la couverture de surface, rendant l’anticipation du résultat de la compétition d’adsorption encore plus difficile.

6.3.3.2 Conséquences rhéologiques

Avant d’étudier les conséquences rhéologiques de la compétition d’adsorption entre ces deux polymères, il nous semble nécessaire de rappeler le mécanisme d’action du HEC5 dans une pâte de ciment observé au chapitre 5. Ce polymère s’adsorbe sur plusieurs particules de ciment simultanément créant ainsi un nouveau réseau d’interactions de pontage. En introduisant cette nouvelle force dans le système, ce polymère augmente le seuil de la pâte de ciment (Cf. chapitre 5). La fraction de polymères non adsorbés augmente, elle, la viscosité du fluide interstitiel. Ceci résulte en une augmentation de la viscosité de la pâte de ciment.

0,001 0,01 0,1 1 10 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Dosage PCE1 (%eau)

Seuil relatif (-)

0,2% HEC5 + PCE1 PCE1 seul

Figure 6-18 Seuil relatif (i.e. ratio entre le seuil de la pâte de ciment contenant les polymères et le seuil de la

0,1 1 10

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Dosage PCE1 (%eau)

Viscosité plastique relative (-)

0,2% HEC5 + PCE1 PCE1 seul

Figure 6-19 Viscosité résiduelle relative (i.e. ratio entre la viscosité résiduelle de la pâte de ciment contenant les polymères et la viscosité résiduelle de la pâte de référence) en fonction du dosage en PCE1

Nous traçons sur la Figure 6-18 et la Figure 6-19, l’évolution du seuil relatif (i.e. ratio entre le seuil de la pâte de ciment contenant les polymères et le seuil de la pâte de référence et de la viscosité résiduelle relative (i.e. ratio entre la viscosité résiduelle de la pâte de ciment contenant les polymères et la viscosité résiduelle de la pâte de référence) en fonction du dosage de PCE1 respectivement. A titre comparatif, nous avons ajouté à ces figures, l’évolution du seuil et de la viscosité des pâtes de ciment contenant uniquement du PCE1. En première observation, nous notons une diminution du seuil et de la viscosité en fonction du dosage de PCE1. A partir d’un dosage critique de PCE1 de l’ordre de 0.4%, correspondant au dosage séparant les régimes 2 et 3 d’adsorption, le seuil de la pâte de ciment contenant le HEC 5 et le PCE1 devient similaire au seuil de la pâte de ciment contenant uniquement du PCE1. En revanche, la viscosité reste supérieure à la viscosité de la pâte de ciment contenant uniquement le super-plastifiant PCE1.