Etat d’hydratation à 24 heures

3.4.1 Evolution de l’état de surfaces des anhydres et degré d’hydratation du matériau

Le développement des hydrates se produit dans les premiers temps de l’hydratation. Les études sur les mécanismes de l’hydratation^67,78 réalisées en laboratoire (environnement connu et maîtrisé) montrent que des hydrates peuvent être observés à la surface d’alite ou d’un anhydre quelconque du clinker dans les premières minutes et la première heure d’hydratation (Figure 22).

Ces premières minutes et heures correspondent aux temps de malaxage et de coulage de la pâte fraîche dans le coffrage ainsi qu’aux premiers temps de cure. Des phases anhydres ou partiellement hydratées peuvent ainsi se retrouver en contact avec la surface de coffrage.

Figure 22 : Surface d’un anhydre hydraté à 5 min, b) surface d’un anhydre hydraté à 1 h et c) surface d’alite hydratée à 1h. Berodier, 2015⁶⁷

De plus, selon la nature de la phase et les ions en solutions, le développement des hydrates à la surface des anhydres peut être modifié. Berodier⁶⁷ propose un schéma explicatif des mécanismes qui peuvent survenir (Figure 23).

La croissance des hydrates dépend ainsi de l’état de surface des anhydres, de la composition de la pâte – des espèces présentes en solution mais aussi de la quantité d’eau à disposition et de l’espace disponible^78,95,108.

Figure 23 : Proposition d’un modèle pouvant expliquer l’effet des sulfates dans la réaction d’hydratation de deux phases anhydres. Berodier, 2015⁶⁷

Les phases du clinker (C3S, C3A) sont les plus couramment étudiées. Dans le cas d’un ciment Portland au laitier CEM II, des grains de laitier sont également présents. Le processus de croissance et la morphologie des CSH au niveau des surfaces de laitier sont similaires à ceux d’une surface de quartz, eux-mêmes proches de ceux d’un anhydre de clinker⁶⁷ (Figure 24).

Figure 24 : Observations MEB : a) Grains de laitier et b) surface d’un grain de laitier au jeune âge (période d’accélération – premières heures d’hydratation). Berodier, 2015 ⁶⁷

De plus, pour un ciment Portland, le degré d’hydratation à 24 heures est inférieur à 50 %, pour différents auteurs (Tableau 2). Des phases anhydres sont observables au cœur du matériau à 24 h (Figure 25).

Figure 25 : Observations MEB de l’évolution de la microstructure cimentaire au cours de l’hydratation. Berodier, 2015 ⁶⁷

L’hydratation des laitiers tend à être plus lente que celle du clinker^67,82. Le degré d’hydratation d’un ciment CEM II /A est par exemple de 22 % pour Bouasker et al.¹¹⁰ (CEM II/A sans fines calcaires) et d’environ 25 % pour Stephant⁸².

Tableau 2 : Degrés d’hydratation pour des pâtes cimentaires et des C3S à 24 heures

Référence Type matériaux âge Degré hydratation (%)

Gallucci et Scrivener, 2007¹⁰⁶ C3S E/C = 0.4 24h _45.86 ±3.58 Gallucci et Scrivener, 2007¹⁰⁶ OPC (cem I)

E/C = 0.4

24h _40.30±-3.47

Bouasker et al., 2008¹¹⁰ CEM I 52.5 N CE CP2 NF 24 h 30 - 46 selon % fines calcaires Bouasker et al., 2008¹¹⁰ CEM II/A-LL 42.5 R CE PM-CP2 NF

E/C° = 0.4

24 h 22-34

= augmente avec % fines calcaires Bonavetti et al., 2003¹¹¹ Type I portland cement (C0)

E/C = 0.4

24 h 40-50 Scrivener et Nonat, 2011⁷³ normal Portland cement without

admixture

24 h Environ 50

Gunay, 2012⁸⁰ C3S 24 h 35-42.5 selon % gypse (respectivement 0% et 9%)

Ces valeurs correspondent à l’état d’hydratation des grains de ciment au cœur des matériaux cimentaires.

3.4.2 Arrêt de l’hydratation

A 24h, après décoffrage, les pâtes de ciment présentent un degré d’hydratation inférieur à 50 %. L’état d’hydratation de la surface de la pâte est moins connu, surtout après contact avec un coffrage. Afin d'étudier comment le contact avec le coffrage modifie la structure et les propriétés des phases cimentaires, il est indispensable de préserver l'état de surface brut de décoffrage des pâtes cimentaires. Pour répondre à cet objectif, l'état d'hydratation des pâtes cimentaires à 24 heures après décoffrage doit être stoppé.

Les méthodes d'arrêt de l'hydratation consistent à extraire l'eau de la pâte de ciment qui participe au processus d'hydratation. Différentes méthodes peuvent être mises en œuvre^61,112–115 : méthode de remplacement par solvant, méthode de séchage en étuve (température supérieure à 60 °C ^113,116), méthode de séchage par le froid : cryosublimation ou lyophilisation, méthode de séchage par le vide. L'impact de ces méthodes sur l'intégrité des structures fragiles constituant la pâte de ciment comme les CSH ou l'ettringite, est discutée. La méthode de remplacement par solvant est rapportée comme étant la méthode la moins préjudiciable pour la structure des hydrates (porosité)¹¹³. Employée dans plusieurs études^{52,112,113,117–119}, cette méthode repose sur l'échange des molécules d'eau (eau non liée)¹¹⁸ présentes dans la pâte cimentaire au profit des molécules de solvant. La pâte de ciment comprend de l'eau sous différents états : eau chimiquement liée (constitutive des hydrates), eau adsorbée (au niveau des surfaces solides: eau interfeuillet CSH ou eau interlamellaire des CSH par exemple), eau capillaire (occupant le volume poreux, localisée au-delà de la couche adsorbée et distincte de la phase gazeuse par création d'un ménisque) et eau libre (cas particulier de l'eau capillaire)⁶⁰. Selon son état, l'eau peut être considérée comme non évaporable ou évaporable, c'est cette dernière propriété qui est exploitée dans la méthode de remplacement par solvant. L'eau considérée comme évaporable comprend l'eau capillaire et l'eau adsorbée la moins liée⁶⁰. Une possible réaction entre la portlandite et les solvants organiques est rapportée, le méthanol apparaissant être le solvant au plus fort impact¹¹³.

Les surfaces cimentaires à 24 h sont hétérogènes de par leurs propriétés chimiques et physiques. Les dimensions des éléments présents en surface à 24 h, varient de l’échelle nanométrique à l’échelle micrométrique (Figure 26). Pour comprendre le lien entre la formation de ces éléments de surface à 24h et l’état de surface du coffrage, il est nécessaire de caractériser les propriétés de ces deux surfaces.

Figure 26 : Exemples des dimensions de phases anhydres et hydratées pouvant être présentes dans la pâte de ciment et en surface à 24 heures d’hydratation