Chapitre 2 Revue de documentation
2.4 L’hydratation des systèmes cimentaires
2.4.3 Hydratation des systèmes OPC-CAC
L’étude de ce système cimentaire présente de nombreux défis. Une des grandes difficultés liées à ce type de système provient de sa formulation complexe. En effet, ce liant cimentaire est produit à partir de 2 types de ciments (OPC et CAC) qui contiennent chacun plusieurs phases minéralogiques bien distinctes en proportion et en composition. Celles-ci jouent un rôle clé dans l’hydratation des systèmes OPC-CAC- ̅. Le type de sulfates intégré au système, sous forme de sulfate de calcium anhydre, hémihydrate ou dihydrate, joue également un rôle important dans la cinétique des réactions. Ces systèmes peuvent être classés selon leur composante majeure, soit majoritairement à base de CAC (zone 1 sur la figure 2.7) ou principalement à base d’OPC (zone 2 sur la figure 2.7). Dans le cadre de cette revue de la documentation, seule la présentation des systèmes ternaires majoritairement composés de ciment d’aluminate de calcium est présentée, car ce type de liant possède des résistances en jeune âge plus élevé.
La figure 2.7 illustre la composition de ces liants à l’aide d’un diagramme ternaire. Ce diagramme permet d’observer que la stabilité de ce type de mélanges en fonction du dosage de chacun de ces constituants (adapté de (Lamberet 2005)). Tel que présenté sur la figure, le dosage en sulfate de calcium menant à une expansion est fonction de la position sur l’axe CAC-OPC. Plus la formulation se situe à gauche, soit contenant plus de CAC, plus elle peut incorporer de sulfates de calcium sans démontrer d’expansion. La compréhension de l’hydratation des mélanges ternaires majoritairement à base de CAC est donc pertinente afin de comprendre la formation d’ettringite primaire et le gain de résistance en compression qui lui est associé.
Figure 2.7 : Diagramme ternaire avec limite expansive approximative, adapté de
(Lamberet 2005)
Il est important de préciser que les limites entre chaque système ne sont pas clairement définies. La limite entre les deux systèmes présentés à la figure 2.7 n’est qu’approximative. Le comportement exact des formulations situées au centre du graphique n’est à ce jour, pas encore compris.
Un béton composé de ce type de liant ternaire majoritairement à base de CAC (zone 1) comporte de nombreux avantages par rapport à une composition classique. Les principaux bénéfices sont un temps de prise rapide et un développement des résistances accéléré (Evju et Hansen 2001). Ces avantages sont reliés à l’hydratation et sont fonction de la source de sulfate utilisée (Evju et Hansen 2005). Les sources de sulfate généralement utilisées dans ces systèmes sont le sulfate de calcium hémihydrate et anhydre.
2.4.3.1 Source de sulfate : sulfate de calcium hémihydrate ̅
L’hydratation théorique idéalisée (l’hydratation ne considérant que les principales réactions) en présence de sulfate de calcium hémihydrate comporte 5 réactions de base qui sont proposées à partir de l’enthalpie générale du système et des produits formés (Evju et Hansen 2005). Dès le contact entre l’eau et les liants, deux réactions se produisent simultanément. La réaction 2.6 mène à la formation de gypse, tandis que la réaction 2.7 forme à la fois de l’ettringite et des C-S-H. Puisqu’il s’agit de cas idéalisés, les formules utilisent comme simplification que les CACs ne sont constitués que de CA et le ciment Portland de C3S. Une différence majeure entre ce type de système et un système
traditionnel est que les ions calcium en surplus du ciment Portland ne contribuent pas à la création de la Portlandite, mais plutôt à la précipitation de l’ettringite.
̅
+
̅ (2.6)(Plâtre de Paris) (Eau) (Gypse)
+
+
̅+
̅+
(2.7)(Eau) monocalcique) (Aluminate (Plâtre de Paris) (Alite) (Ettringite) (C-S-H)
Ces réactions se produisent jusqu’à l’épuisement du sulfate de calcium hémihydrate ( ̅ ). Par la suite, une réaction similaire à la réaction 2.7 se produit, mais ayant comme source de sulfate le gypse ( ̅ ) créé précédemment :
+
+
̅+
̅
+
(2.8)(Eau) monocalcique) (Aluminate (Gypse) (Alite) (Ettringite) (C-S-H)
Cette réaction se poursuit jusqu’à ce que tout le sulfate disponible soit incorporé à l’ettringite. La formation de C2AH8, qui s’apparente à une phase d’Afm « aluminate » sans
sulfate, se produit alors et est présenté à l’équation 2.9. Dans cette réaction, les C3S sont
l’agent limitant et lorsque la source est épuisée (lorsqu’il n’y a plus d’OPC), la réaction 2.10 se produit.
+
+
+
(2.9)
+
+
(2.10)(Eau) monocalcique) (Aluminate d’aluminate) (Hydrate d’aluminium) (Hydroxyde
Il est important de noter que l’ettringite formée à partir de ces systèmes est plus stable que l’ettringite formé avec du ciment Portland. L’ettringite formée par les réactions 2.7 et 2.8 est stable et ne se transforme pas en Afm ou en C2AH8 (Evju et Hansen 2001). Les
réactions précédentes ont été déterminées expérimentalement à l’aide de coulis possédant un E/C=1 et des proportions massiques de liant de 25% OPC, 50% CAC, 25% ̅ . L’importance relative des phases à travers le temps est illustrée sur la figure 2.8.
Figure 2.8 : Évolution et expansion à travers le temps de différents composés, adapté de
(Evju et Hansen 2001)
Les résultats sur la figure ayant été déterminée par diffraction au rayon X (DRX), il est impossible de déterminer les phases non cristallines, telles que les C-S-H. L’expansion associée à ce mélange se produit en deux temps et correspond à deux périodes distinctes de l’hydratation. La première phase d’expansion se produit jusqu’à la dissolution complète du ̅ , comme présenté précédemment à l’équation 2.6 et 2.7. La deuxième phase expansive, qui est beaucoup plus importante, commence dès la fin de la première phase et se termine lorsque le gypse est épuisé, soit l’équation 2.8. Le remplacement du gypse par une matrice d’ettringite s’accompagne par une expansion importante (figure 2.8).
Il est intéressant de noter que la formulation expansive employée par Evju et Hansen (25% OPC, 50% CAC, 25% sulfate de calcium) se situe dans la zone non expansive de la figure
2.7, mais qu’il obtienne de l’expansion. Au-delà de la formulation adoptée dans leur protocole, c’est les réactions chimiques qui sont les phénomènes intéressants pour ce projet. Cette expansion vient rappeler à quel point ces matrices sont sensibles aux matériaux employés et que la limite expansive doit être réévaluée dès qu’un constituant diffère.
2.4.3.2 Source de sulfate : sulfate de calcium anhydre ̅
L’hydratation en présence de sulfate de calcium anhydre est beaucoup moins bien comprise. La réaction majeure, basée sur l’enthalpie générale du système, est :
+
+
̅+
̅
+
(2. 11)(Eau) monocalcique) (Aluminate (Anhydrite) (Alite) (Ettringite) (C-S-H)
À l’exception de la source de sulfate, la réaction précédente est identique à l’équation 2.7. Cependant, des résultats expérimentaux ont démontré que la réaction 2.11 est seulement valide durant les 6 premières heures de l’hydratation (Evju et Hansen 2005). Par la suite, une réaction supplémentaire semble se produire, mais celle-ci mène à un hydrate non cristallin qui ne peut être identifié par DRX. De par les quantités de sulfates fixés à l’ettringite, l’hydrate inconnu ne peut être de l’Afm et doit être un hydrate ne contenant pas d’ions SO3-. Selon Evju et Hansen, aucune expansion ne peut survenir lorsqu’un sulfate de
calcium anhydre est utilisé (Evju et Hansen 2005). Selon ces auteurs, puisque l’ettringite se forme en solution, elle ne peut être expansive. Cependant, cette affirmation est limitée à l’étude de cette seule formulation et requiert donc plus d’études pour permettre de généraliser cette hypothèse.