On sait depuis longtemps que la r´eaction d’hydratation du ciment est une r´eaction tr`es exothermique. Dans les structures massives, et comme nous le verrons au chapitre 6, les ´el´evations de temp´erature qui accompagnent le durcissement du b´eton peuvent at-teindre 50˚C. En outre, l’hydratation du ciment est une r´eaction thermo-activ´ee, ce qui implique que la vitesse de cette r´eaction chimique croˆıt avec la temp´erature. Par ailleurs, le b´eton est un mat´eriau vieillissant, ce qui signifie que ses propri´et´es m´ecaniques (mo-dule d’´elasticit´e, r´esistance) [De Schutter et Taerwe,1996], voire certaines de ses com-posantes de d´eformations diff´er´ees comme le d´eveloppement du fluage au jeune ˆage [De Schutter et Taerwe,2000], ´evoluent en fonction de degr´e d’hydratation du ciment. Tout ceci nous am`ene naturellement `a consid´erer le degr´e d’hydratation comme un des param`etres fondamentaux pour mod´eliser le comportement du b´eton. Par ailleurs, la notion de degr´e d’hydratation s’av`ere particuli`erement adapt´ee `a la description de l’´evolution des caract´eristiques du b´eton au jeune ˆage, car elle permet d’int´egrer la notion de temp´erature et la notion de temps (au sens de l’histoire du chargement en temp´erature subi par le mat´eriau). Comme nous le verrons dans la suite de la th`ese, en utilisant le degr´e d’hydratation pour d´ecrire le comportement du b´eton, on dispose ainsi d’une base unifi´ee pour la caract´erisation de plusieurs ph´enom`enes : retrait, fluage, r´esistance en compres-sion, r´esistance `a la traction, module d’´elasticit´e.
L’hydratation se manifeste par un certain nombre de ph´enom`enes, ainsi le caract`ere exothermique des r´eactions d’hydratation se traduit par un d´egagement de chaleur impor-tant. En cons´equence, pour suivre l’hydratation, on peut donc mesurer soit les quantit´es de r´eactifs ayant r´eagi (ciment hydrat´e, eau non ´evaporable, silice ayant r´eagi) ou n’ayant pas r´eagi (ciment anhydre, eau libre, silice amorphe), soit des grandeurs caract´erisant les ph´enom`enes qu’on vient d’´evoquer : chaleur d´egag´ee par l’hydratation, variation dimen-sionnelle d’une ´eprouvette, r´esistance . . . [Byfors,1980].
Les diff´erentes m´ethodes utilis´ees pour d´eterminer le degr´e d’hydratation (ξ) am`enent `a diff´erentes d´efinitions du ” degr´e d’hydratation ”, qui sont pass´ees en revue dans le para-graphe suivant.
1. Le degr´e d’hydratation est d´efini par [Byfors, 1980] en fonction de la quantit´e de gel de ciment form´ee :
ξ= Quantit ´e de gel de ciment f orm ´e
Quantit ´e de gel de ciment f orm ´e apr `es hydratation compl `ete (1.13)
ou de mani`ere ´equivalente :
ξ= Quantit ´e de ciment hydrat ´e
Description du m´ecanisme de l’hydratation du ciment 17
Il est difficile de determiner directement la quantit´e de gel de ciment form´ee, car ce gel est le r´esultat de l’hydratation des composants du clinker. La connaissance de la composition originale du ciment permet par contre de d´eterminer la quantit´e de ciment non hydrat´e, ceci am`ene `a deuxi`eme d´efinition.
2. Le degr´e d’hydratation peut ˆetre d´efini en fonction de la quantit´e de ciment anhydre encore pr´esente :
ξ= 1 −Quantit ´e de ciment non hydrat ´e
Quantit ´e initiale de ciment (1.15)
Les d´efinitions 1 et 2 peuvent diff´erer, en particulier au jeune ˆage.
3. [Powers et Brownyard, 1947] ont d´efini le degr´e d’hydratation de la mani`ere sui-vante :
ξ=Wn(t)
W∞ (1.16)
Wn: la quantit´e d’eau li´ee `a l’instant t,
W∞: la quantit´e d’eau li´ee au temps t∞, n´ecessaire pour l’hydratation compl`ete de chaque composant du ciment.
Powers et Brownyard [Powers et Brownyard, 1947] ont observ´e que le ciment lie environ 25 % du poids total de l’eau en relation avec l’hydratation compl`ete. De cette fac¸on, la quantit´e d’eau li´ee peut ˆetre utilis´ee comme une mesure de la quantit´e de ciment hydrat´e ou de gel form´e, et conduit `a la d´efinition suivante du degr´e d’hydratation :
ξ= Wn
0.25 × c (1.17)
Avec :
c : la quantit´e de ciment totale employ´ee.
4. La quantit´e de chaleur d´egag´ee pendant la r´eaction d’hydratation est utilis´ee dans certains cas pour mesurer le degr´e d’hydratation. Le degr´e d’hydratation peut ainsi ˆetre d´efini par le rapport entre la chaleur d´egag´ee `a l’instant t et la chaleur ultime :
ξ(t) =Q(t)
Q∞ (1.18)
Avec :
ξ(t) : le degr´e d’hydratation `a l’instant t,
Q(t) : la quantit´e de chaleur d´egag´ee `a l’instant t [J.g−1],
Q∞: la quantit´e de chaleur d´egag´ee `a t−→∞[J.g−1].
Cette d´efinition sera utilis´ee par la suite dans ce travail pour estimer le degr´e d’hy-dratation du ciment.
Le ciment n’est pas totalement r´eactif : le total des phases r´eactives du ciment se situe autour de 95 %, pour la fum´ee de silice ce total avoisine 90 %, tandis que l’alumine et la silice r´eactives d’une cendre volante repr´esentent environ 60 % du mat´eriau brut [Waller, 1999]. Pour faire en sorte que le degr´e d’hydratation d’un ciment dont les phases r´eactives ont totalement r´eagi soit bien ´egal `a 1, Waller a d´efini la quantit´e de ciment hydrat´e comme le produit de la quantit´e de ciment par la proportion de phases r´eactives ayant r´eagi :
ch= c.
∑
i ξi.ϕi∑
i ϕi (1.19) Avec :c la quantit´e initiale de ciment,
chla quantit´e de ciment hydrat´e,
ξile degr´e d’hydratation de la phase i du ciment,
ϕila proportion de la phase i dans le ciment.
La d´efinition pr´ec´edente revient `a calculer le degr´e d’hydratation `a partir des seules phases r´eactives : ξc=
∑
i ξi.ϕi∑
i ϕi (1.20)[Lea, 1970] a d´etermin´e le rapport d’hydratation pour chaque composant du ciment Portland, ses r´esultats sont r´esum´es dans le Tableau1.1.
Age (h) Composant du ciment
C3S C2S C3A C4AF Degr´e d’hydratation (%) 0,01 0,0 0,0 0,0 0,0 1 0,0 0,0 11,3 9,0 2 1,4 0,0 11,3 9,0 3 3,3 0,0 11,3 9,0 4 5,7 0,0 12,4 9,0 24 33,7 0,0 26,3 10,4 48 43,0 8,6 35,4 13,6 64 44,5 10,4 38,0 19,8
TABLE 1.1: Rapport d’hydratation des composants de la pˆate de ciment ( E/C = 0.4 `a 21˚C ) [Lea,1970]
En conclusion de cette section, nous pouvons dire qu’il n’existe aucune d´efinition uni-voque et commun´ement admise du degr´e d’hydratation. En pratique, diff´erentes d´efinitions sont utilis´ees selon les m´ethodes de mesure appliqu´ees.
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