Hydratation du ciment Portland

3.1.2.1 Théorie sur l’hydratation du ciment Portland

En 1887, Le Chatelier décrit pour la première fois les mécanismes d’hydratation du ciment

comme un cycle de dissolution-précipitation [Bogue, 1954] [Powers et al, 1946]. Dans un premier temps, les produits anhydres du ciment passent en solution jusqu’à atteindre une

sursaturation du milieu. Lorsque les produits de solubilité des éléments en solution sont atteints, il se produit une précipitation des hydrates. La diminution de la concentration des éléments en solution permet un nouveau passage en solution des constituants anhydres. Ce

phénomène se produit jusqu’à l’hydratation totale des produits anhydres. Les produits d’hydratation majeurs sont, sous leur notation cimentaire, les silicates de calcium hydratés

C-S-H, la portlandite CH, l’ettringite C6AS3H32, et les aluminates de calcium hydraté CxAyHz.

Après plus de cent ans d’évolution des connaissances et de techniques, les mécanismes de

naissance et de croissance des hydrates sont mieux compris. Nous vous présentons le mécanisme d’hydratation proposé par Waller [Waller, β000], issu de différentes études marquantes portant sur l’hydratation des silicates du ciment.

Au contact de l’eau, le C3S commence immédiatement à se dissoudre. Un premier type de C-S-H précipite, ce qui provoque un premier pic de dégagement de chaleur. L’hydratation se poursuit ensuite très lentement (période dormante) puis s’accélère, le début de l’accélération

coïncidant avec la précipitation de la chaux (formant de la portlandite). A la fin de la période dormante, le degré d’hydratation du C3S est de quelques pourcent. L’intensité de la réaction

(dissolution et précipitation) passe par un maximum et décroit ensuite rapidement. La nature des C-S-H évolue tout au long ces différentes périodes. Après le pic, la réaction se poursuit de

plus en plus lentement pendant des temps pouvant atteindre des dizaines d’années. L’hydratation du C2S est similaire à celle du C3S, mais est plus lente (10 à 30 fois). Les

152 rapport C/S approche une valeur finale de 1,7 [Waller, 2000], ce qui donne les Equation V-2 et Equation V-3 pour l’hydratation des silicates du ciment.

C₃S + (1,3+y) H  C1,7SH_y + 1,3 CH _{Equation V-2} C2S + (0,3+y) H  C1,7SHy + 0,3 CH Equation V-3 Taylor cité par Waller propose la valeur y = 3,91 pour une humidité relative de 100%, cette valeur retombe à 1,96 lorsqu’on baisse cette humidité relative à 11 %. La démonstration de la

détermination du coefficient « y » est développée dans l’annexe J. Les réactions stœchiométriques d’hydratation des silicates du ciment portland (pour une humidité relative

de 100%) en notation cimentaire sont donc les suivantes :

C3S + 5,3H  C1,7SH4 + 1,3 CH ^{(silicates de calcium hydratés +}

portlandite) ^{Equation V-4}

C2S + 4,3H  C1,7SH4 + 0,3 CH Equation V-5

Il existe d’autres phases présentes dans un ciment Portland. Ces phases, riches en alumine s’hydratent d’après les relations Equation V-6 et Equation V-7 pour le C3A et les relations Equation V-8 et Equation V-9 pour le C₄AF.

2C₃A + 21H  C2AH₈ + C₄AH₁₃ 2C3AH₆ +9H (aluminates) Equation V-6 C₃A + 3 CS H2 +26H  C6AS3H₃₂ (ettringite) Equation V-7 C4AF + 3CS H2+30H C6AS3H32 + CH +FH3 Equation V-8 2C₄AF + ettringite+12H3C4AS H12+2CH+2FH₃ Equation V-9

D’après Waller, un ciment moyen produit une quantité approximative de 70% de C-S-H, 20% de portlandite et 10% d’aluminates [Waller, β000].

153 3.1.2.2 Hydratation de la formulation F1-CEM I

Dans notre cas, nous retrouvons bien les hydrates formés lors de l’hydratation du ciment Portland

(présentés dans le Tableau V-5), les hydrates ont étés mis en évidence à partir du diagramme de DRX

d’une formulation à base de ciment hydraté pendant 28 jours. Ce diagramme est présenté dans la

Figure V-5. Dans les composés minéralogiques caractérisés, le quartz, l’albite, la muscovite et

la kaolinite apparaissent. Ces composés proviennent du sable utilisé.

Tableau V-5 : Composés minéralogiques détectés pour F1 CEM I à 28 jours

Ref. Composé

Composé (notation cimentaire)

Teneur Nomination Commentaire

A SiO₂ S ++++ Quartz ^Sable

normalisé

B Ca(OH)₂ CH + Portlandite ^Ciment

hydraté C CaCO3 C C Tr Calcite Ciment anhydre ou carbonatation de portlandite D Ca₆ Al₂(SO₄)₃(OH)₁₂.26 H₂O C₆AS3H₃₂ Tr Ettringite ^Ciment

hydraté E Ca₃SiO₅ C3S Tr ^{Silicate de} calcium Ciment anhydre F Na Al Si₃O₈ Tr Albite ^Sable normalisé G ^{(K,Na)(Al,Mg,Fe)2(Si3.1Al0,9)}

O₁₀ (OH)₂ Tr Muscovite ^Sable

normalisé

H Al2Si2O5(OH)4 Tr Kaolonite ^Sable

normalisé I Ca₄Al₂O₆CO₃.11H₂O C_xAH_y Tr Carboaluminates de calcium hydraté Ciment hydraté J Ca8Al4O14CO2.24H2O C_xAH_y Tr Carboaluminates de calcium hydratés Ciment hydraté

Dans le Tableau V-5 les teneurs des composés minéraux ou hydratés, mesurées à partir de la hauteur des pics du diagramme de diffraction des rayons X, sont une mesure semi-quantitative. ++++ représente une

154 très forte quantité, + représente une faible quantité et Tr représente une trace. Dans notre cas, le quartz,

issu du sable normalisé, est le composé minéralogique le plus important. La

Figure V-5 présente le diagramme de diffraction des rayons X de la formulation F1 à 28 jours.

Figure V-5 : Diffractogramme des rayons X de F1 CEM I à 28 jours

Les résultats des analyses DRX (ainsi que les courbes d’analyse thermiques) de la formulation

F1 CEM I, font office de référence pour les formulations à base de laitier afin de détecter

d’autres hydrates formés, propres aux laitiers. A β8 jours, le diagramme DRX révèle la

présence de C₃S, ce qui montre que la formulation n’est pas encore totalement hydratée. A 90

jours, la formulation de mortier présente toujours des traces de C₃S, illustré dans le

diagramme des rayons X. Les courbes d’analyse thermique permettent de quantifier les

hydrates des formulations cimentaires tels que les C-S-H et la portlandite. La méthode de caractérisation et les pics caractéristiques de ces hydrates sont présentés dans le chapitre II.

La Figure V-6 présente les courbes d’analyse thermique pour la formulation à base de ciment

portland à 28 jours. La méthode de détermination des teneurs en C-S-H et en portlandite sont présentées dans le chapitre 2 à partir de la méthode 58 des laboratoires des ponts et chaussées 58 [LCPC 58, 2002]. L’analyse diffractométrique indique que l’ettringite présente dans les formulations se trouve en très faible quantité. Les pertes relatives à l’ettringite et aux C-S-H se trouvent dans la même zone. Compte tenu de la faible présence d’ettringite détecté par

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l’analyse diffractométrique, les pertes relatives à l’ettringite seront négligées afin de quantifier

les C-S-H.

Figure V-6 : Courbes d’analyse thermique de F1 CEM I à 28 jours

Les pertes d’eau reliées aux C-S-H et en portlandite ainsi que les teneurs calculées en C-S-H

et portlandite pour toutes les échéances sont présentées dans le Tableau V-6. L’annexe K présente les courbes d’analyse thermiques entre β et 90 jours pour la formulation F1. La stœchiométrie des C-S-H dans le système cimentaire a été présentée précédemment, on

présente alors les teneurs en C1,7SH4issus de l’hydratation des silicates du ciment anhydre.

Tableau V-6 : Evolution des teneurs en C-S-H et en portlandite de la formule F1 CEM I

Composition C-S-H Portlandite Eau % Teneur % Eau % Teneur % F1 – J2 2,07 24,15 1,00 4,11 F1 – J7 2,49 29,05 1,23 5,06 F1 – J28 3,01 35,12 1,43 5,88 F1 – J90 3,10 36,17 1,39 5,72

On note que les pertes relevées sont exprimées par rapport à la masse totale de l’échantillon.

La formation de C-S-H, issus de l’hydratation du C2S et du C3S, apparait dès les premiers jours, et progresse rapidement à 28 jours. Les silicates de calcium hydratés sont la phase la plus importante dans la pâte de ciment durcie. Ils définissent les principales caractéristiques

156 mécaniques du système cimentaire. La portlandite elle aussi progresse continuellement. La teneur en portlandite joue également un rôle dans la durabilité, en se développant dans les pores, en tamponnant la solution interstitielle à un pH d’environ 1β,5 à 1γ, mais ne participe pas au développement des résistances mécaniques. Les données issues de l’analyse thermique

et de la caractérisation microstructurale seront utilisées à titre de comparaison avec les formules à base de laitier afin de mettre en exergue les avantages et les inconvénients de

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