Evolution d’une pâte de ciment

L’hydratation du ciment est un processus physico-chimique complexe. Lorsque le ciment est au contact avec l'eau, une réaction chimique a lieu. Les principaux composés du

ciment C3S, C2S, C3A et C4AF se réorganisent ainsi pour former de nouveaux composés

insolubles dans l'eau et qui durcissent avec le temps [3]. Nous parlons, alors, d’une pâte de ciment hydraté et les nouveaux composés sont les hydrates.

La pâte de ciment hydraté, comme montré dans la Figure 2-2, est formée par des espaces

capillaires remplis ou partiellement remplis d'eau, des grains de ciment non hydratés et des hydrates (C-S-H, portlandite, ettringite).

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Les hydrates les plus importants sont les silicates de calcium hydratés appelés C-S-H qui

proviennent de l’hydratation des silicates tricalciques (C3S). Ils constituent la partie

majeure de la phase liante du ciment et occupent entre 50% et 60% du volume solide

d'une pâte de ciment complètement hydratée. La portlandite Ca(OH)2 provient de

l’hydratation des dicalciques (C2S) et représente de 25 à 27% des hydrates. [5, 6]

Très sommairement et sans prendre en considération la complexité de la réaction, la

réaction d'hydratation du C3S et du C2S peut être représentée par l'équation suivante :

C3S ou C2S + H2O ----> C-S-H + Ca(OH)2 + T° C2S (2-1)

Par ailleurs, l’aluminate tricalcique (C3A) est le composé du ciment le plus réactif avec

l’eau. Celui-ci réagit avec les ions calcium et sulfate pour former le trisulfoaluminate de calcium (ettringite de type AFt dite primaire, se formant dans le matériau non encore durci). Une fois les sulfates du gypse épuisés, l’ettringite de type AFt se dissout afin de se

transformer en ettringite de type (AFm ) [7,8]

Enfin, il semble important de savoir que la formation et le développement de ces produits d’hydratation dépendent de la concentration des espèces en solution, de la disponibilité de l’eau, et du niveau des interfaces solide/liquide [9,10].

2.2.1.2 Conséquences physiques de la réaction d’hydratation sur l’évolution des matériaux cimentaires

Les réactions mises en jeu au cours du phénomène d’hydratation ont lieu simultanément et à des vitesses différentes. Ainsi, l’évolution des matériaux cimentaires peut être décrite par les quatre périodes suivantes :

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Période de gâchage (les premières minutes, de 0 à 15 min) : Après le malaxage les grains de ciment sont dispersés. Chargés électriquement, les grains de ciment ont tendance naturelle à floculer à cause des forces attractives de Van der Waals. A quelques secondes, le réseau floculé formé n’évolue plus et les interactions « molles » entre les grains de ciment se transforment localement en des interactions rigides [11].

Période dormante (environ 4 heures) : La formation de C-S-H se poursuit lentement et conduit à la formation des ponts initiaux de CSH. Leurs nombres, leurs tailles et leurs rigidités continuent à augmenter avec le temps en rigidifiant tout d’abord les points de contact entre les grains anhydres [11]. Ceci conduit par conséquence à l’augmentation du seuil de la pâte de ciment.

Cette période est appelée dormante car son activité chimique est faible et elle peut durer une ou plusieurs heures selon le type du ciment. Durant cette période, le matériau est toujours maniable.

Les différentes étapes de l’évolution des matériaux cimentaires pendant la période de

gâchage et la période dormante sont présentées sur la Figure 2-3.

Figure 2-3: réseaux des particules de ciment en interactions. (a) particules de ciment dispersé juste après la fin du malaxage ; (b) Formation du réseau d’interactions colloïdales quelques secondes après le malaxage, transformation des interactions molles en interactions rigides ; (c) Apparition des ponts CSH et formation d’un

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Période d'accélération : La formation du C-S-H diminue progressivement la

concentration de la solution en ions sulfates. L’ettringite réagit rapidement avec le C3A

restant pour former du monosulfoaluminate de calcium hydraté, d’où une accélération de l’hydratation.

Période de ralentissement : Au bout de quelques heures, la couche d’hydrates recouvrant la partie les grains de ciment anhydres devient assez épaisse. Ceci ralentit la diffusion de l’eau vers ces grains et ralentit par la suite l’hydratation. Ce phénomène peut s'étaler sur des mois voir des années en permettant une amélioration des propriétés mécaniques du béton.

2.2.1.3 L’eau dans une pâte de ciment : Rappel de la typologie de l’eau présente dans une pâte de ciment hydraté

Dans la pâte de ciment hydratée, l’eau se retrouve sous différentes formes que nous classerons comme suit [9]:

L’eau adsorbée : C’est l’eau retenue par les forces de surface sur les parois externes des grains de ciment. Quand elle est soumise aux forces d’attraction de type Van der Waals, l’eau est alors adsorbée physiquement sans modification de la structure moléculaire.

L’eau combinée : C’est l’eau consommée au cours de la réaction d’hydratation. L’eau peut être alors chimiquement combinée avec d’autres composants pour former des

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L’eau des pores de gel : C’est l’eau présente dans les pores de gel de C-S-H. Cette eau n’est pas libre puisqu’elle est fortement retenue sur les surfaces entre les feuillets. Elle est présente en faible quantité.

L’eau libre : C’est l’eau présente dans les pores capillaires entre les grains de ciment. Cette eau n’est pas encore consommée pour l’hydratation et elle n’est pas soumise aux effets de surface des solides. Pour cela, elle se trouve libre dans les pores capillaires inter-granulaires.

Ces différentes formes d’eau sont schématisées dans la Figure 2-4suivante :

Figure 2-4 Représentation schématique du C-S-H et de l'état de l'eau qui y est associé [14]