Concentrations en C-S-H

(3.7) avec : x représente C3S, C2S ou C4AF, mciment est la masse de ciment dans 1 litre de pâte ; %x est la fraction massique du constituant dans le ciment (déduit de Bogue) ; Mx est sa masse molaire. Le résultat de ce calcul est donné dans le tableau 3.2, pour comparaison avec les résultats d’ATG. Les concentrations en Ca(OH)2 calculées sont du même ordre de grandeur que celles déduites de l’ATG et la méthode horizontale. Le calcul semble donc valider cette dernière (ce qui tient, bien sûr, au fait que nous avons utilisé les degrés d’hydratation obtenus par MEB, proches de degrés obtenus avec la méthode horizontale). Signalons aussi que le résultat du calcul dépend beaucoup de la stœchiométrie choisie pour les équations d'hydratation.

3.2.1.3 Concentrations en C-S-H

Nous supposons que la stœchiométrie des C-S-H est la suivante : C3,4S2H3 (soit un rapport C/S de 1,7). C’est l’expression choisie par [Olson et Jennings, 2001] dont nous utilisons, dans la suite, la méthode d’évaluation de la concentration en C-S-H.

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Détermination à partir des équations dÊhydratation – cas des pâtes au CEM I

Sur les thermogrammes, le pic des C-S-H se distingue très difficilement de ceux de l’eau libre, de l’ettringite et des AFm. Il est donc impossible de quantifier la teneur en C-S-H à partir d’une ATG. Cependant, comme nous l’avons fait précédemment pour la Portlandite, on peut chercher à estimer la teneur en C-S-H à partir des réactions d’hydratation des constituants du ciment, C3S et C2S et le degré d’hydratation (α).

À partir des équations d’hydratation, on déduit l’expression de la concentration en C-S-H suivante :

[CSH]

=

0,5α([C S

3

]

+

[C S

2

])

(3.8) Le tableau 3.3 donne les concentrations en C-S-H ainsi calculées.

TAB 3.3 – Concentrations en C-S-H des pâtes au CEM I

C-S-H (mol/l)

C3 2,3

C4 2,2

C5 1,9

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Détermination à partir des équations dÊhydratation – cas des pâtes L3 et L5

Les réactions d’hydratation des liants composés de clinker et de laitier sont plus complexes que celles du clinker seul. Les hydrates formés ont une stœchiométrie qui évolue en cours d’hydratation. Par exemple, le rapport C/S du principal hydrate formé par le laitier, CSAH, dépend de la concentration en Ca disponible dans la solution interstitielle. Pendant l’hydratation, [Kolani et al., 2012] montre, à l’aide d’un modèle, que le rapport C/S d’un liant composé de 70% de laitier et 30% de CEM I évolue entre 1,4 et 1,65.

À défaut de modèle d’hydratation, nous choisissons d’estimer la concentration en silicates de calcium hydratés des pâtes L3 et L5 à partir de la teneur en SiO2 du laitier et du ciment. Nous négligeons pour commencer la présence de Al au sein des silicates produits par le laitier. Nous faisons ensuite l’hypothèse que le rapport du nombre de moles de C-S-H et du nombre de moles de SiO2 du laitier est égal à 0,5 (stœchiométrie : CxS2Hy). Pour le ciment des pâtes C3 et C5, nous supposons également que 1 mole de SiO2 produit 0,5 mole de C-S-H4. Le nombre total de C-S-H ainsi obtenu est corrigé du degré d’hydratation (tableau 3.3), car ce paramètre nous donne une information globale sur l’hydratation. Le tableau 3.4 récapitule le calcul.

TAB 3.4 – Concentrations en SiO2 et C-S-H des pâtes au laitier (mol/l)

Ciment Laitier Total α = 1 Total α < 1 SiO2 C-S-H SiO2 C-S-H C-S-H C-S-H L3 1,3 0,6 6,3 3,2 3,8 2,8 L5 1,0 0,5 4,8 2,4 2,9 2,7

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Détermination à partir des isothermes de désorption – cas des pâtes C3, C4, L3 Olson et Jennings [Olson et Jennings, 2001] ont proposé une méthode d’estimation de la teneur en C-S-H connaissant l’isotherme d’adsorption de vapeur d’eau de la pâte. Les auteurs supposent que la teneur en eau mesurée à l’équilibre à une humidité relative de 20% à 20°C correspond à la

4 Le calcul de la concentration en CSH à partir de la concentration en SiO₂ du ciment CEM I donne un résultat quasiment équivalent au calcul effectué à partir de la composition de Bogue et des réactions dÊhydratation du

quantité d’eau maximale que peuvent adsorber les C-S-H. Ils évaluent à 0,1 g la masse d’eau adsorbée à la surface de 1 g de C-S-H. Cette méthode a été validée à la fois pour des ciments Portland mais aussi pour des ciments composés, donc pour différentes stœchiométrie de C-S-H [Auroy, 2014 ; Drouet, 2010].

Dans nos travaux, nous avons déterminé les isothermes de désorption de vapeur d’eau des pâtes C3, C4 et L3 (présentées dans la section 2.4.4). Pour utiliser la méthode de [Olson et Jennings, 2001], nous faisons l’hypothèse que l’isotherme d’adsorption est confondue avec celle de désorption. Cependant, d’après les résultats de [Baroghel-Bouny, 2007], même pour les faibles humidités relatives, la différence entre isothermes d’adsorption et de désorption est significative (entre 1 et 2 points de teneur en eau). L’utilisation de l’isotherme de désorption ne peut donc fournir qu’une surestimation de la concentration en C-S-H.

Pour évaluer la concentration en C-S-H (en mole par litre de pâte), il faut également connaître la masse volumique du matériau sec. Cette propriété est obtenue lors de la détermination de la porosité accessible à l’eau.

La concentration en C-S-H se calcule comme suit :

[ ]

^{20 d} C-S-H C-S-H 0,1M W ρ = ^% (3.9)

avec : W20% [-] la teneur en eau à l’équilibre pour HR = 20% ; ρd [g/l] la masse volumique apparente de la pâte sèche (étuvée à 105°C) ; MC-S-H [g/mol] la masse molaire des C-S-H (pour la stœchiométrie considérée MC-S-H = 364,9 g/mol).

Le tableau 3.5 donne les résultats du calcul pour les pâtes C3, C4 et L3 sur la base des teneurs en eau à HR = 20% (après plus d’un an de mise à l’équilibre en désorption à cette HR).

TAB 3.5 – Concentrations en C-S-H déterminées avec la méthode de [Olson & Jennings, 2001]

Pâte W20% (%) ρd (g/l) [C-S-H] (mol/l)

C3 6,4 1870 < 3,3

C4 6,5 1697 < 3,0

L3 6,0 1701 < 2,8

Dans le cas de la pâte L3, on trouve une concentration en C-S-H avec cette méthode égale à celle obtenue avec le degré d’hydratation et la composition chimique des liants. En revanche, dans le cas des pâtes au CEM I, la teneur en C-S-H obtenue avec l’isotherme est significativement supérieure à celle calculée avec α et la composition du ciment. La différence provient, comme évoqué plus haut, du fait que l’isotherme utilisée a été obtenue en désorption et non en adsorption. De plus, on peut s’interroger sur la teneur en eau à HR=20% qui a été interpolée à partir des teneurs en eau mesurées aux HR égales à 12 et 33%.

Dans le document Etude expérimentale de la diffusion du CO2 et des cinétiques de carbonatation de matériaux cimentaires à faible dosage en clinker (Page 76-79)