La cinétique du processus d’hydratation du C3S est considérablement affectée par la
concentration initiale en hydroxyde de calcium de l’eau de gâchage. Les mesures conducti- métriques sont particulièrement sensibles et adaptées au suivi de l’hydratation des phases silicates. L’hydratation de C3S se déroule en quatre périodes distinctes (figure 5 A et B).
L’impact de la concentration initiale en hydroxyde de calcium sur ces différentes périodes est interprété grâce aux conclusions émises par Garrault [Garrault, 1998].
Figure 5 : Hydratation du C3S avec différentes concentrations en Ca(OH)2 [Garrault,1998]
1ére période : Dissolution pure du C 3S
La première période correspondant à la dissolution pure du C3S. Cette étape se manifeste
par une augmentation instantanée de la conductivité (figure 5 A). L’impact de la concen- tration initiale en Ca(OH)2 se répercute sur l’ampleur de cette dissolution. La dissolution
pure dans une solution d’hydroxyde de calcium libère moins d’espèces ioniques que dans l’eau. En effet, pour l’hydratation dans l’eau il est nécessaire de dissoudre plus de C3S pour
atteindre la sursaturation maximale par rapport au C-S-H. Cet impact de la concentration initiale en hydroxyde de calcium sur la dissolution pure de C3S est illustrée par les chemins
cinétiques de dissolution O1-I1 et O2-I2 (figure 6). La phase de dissolution pure de C3S est
ainsi d’autant plus importante que la concentration initiale en hydroxyde de calcium en solution est faible. Mais, outre la quantité de C3S dissout durant la période de dissolution
pure, la vitesse de dissolution est également sensible à la concentration en Ca(OH)2. La
Chapitre I : Description du système d’étude
Figure 6 : Diagramme chaux-silice pour une hydratation du C3S dans l’eau et dans une solution
d’hydroxyde de calcium
2ème période : Germination hétérogène des C-S-H
La seconde période correspond au ralentissement de l’hydratation qui se traduit par une faible variation de la conductivité formant un plateau dans certain cas (figure 5 A). L’impact de la concentration initiale en Ca(OH)2 sur la durée de cette période de faible
activité apparente est attribuable au nombre initial de germes de C-S-H formés [Garrault et al., 1999]. La germination du C-S-H s’effectue de manière hétérogène sur la surface du C3S.
La quantité initiale de germes de C-S-H formée est faible pour d’importantes concentrations initiales en Ca(OH)2, comme l’illustre les chemins cinétiques I1-C1 et I2-C2 sur la figure 6.
Si beaucoup d’ions ont été accumulés en solution pour atteindre la sursaturation maximale, la précipitation instantanée de C-S-H à partir de cet état sursaturé induit un grand nombre de germes (cas de suspensions dans l’eau - chemin I1-C1). En revanche, si peu d’ions sont produits lors de la dissolution pure, le nombre de germes formés lors de la précipitation initiale de C-S-H est très faible (cas de suspensions avec [Ca(OH)2] élevée - chemin I2-
C2). La quantité de germes qui précipite initialement est donc d’autant plus faible que la concentration initiale en hydroxyde de calcium est importante. Par conséquent, la réaction d’hydratation démarrera d’autant plus lentement que la concentration initiale en hydroxyde de calcium sera élevée.
Paragraphe I.B : Réactivité et facteurs cinétiques La période de faible activité correspond ainsi à une faible quantité de germes de C-S-H formés. Or, des hypothèses faisant intervenir une couche protectrice d’hydrate sont généra- lement émises afin d’expliquer l’origine et la fin de cette période [Rilem, 1977]. Mais cette hypothèse d’une barrière d’hydrate semble peu pertinente, car la quantification du nombre de germes et la détermination de leur taille critique a permis de montrer qu’il ne peut y avoir suffisamment de C-S-H pour recouvrir la surface des grains de C3S à la fin de la
période d’induction [Garrault, 1998]. Ainsi, ces résultats expérimentaux tendent à prouver les phénomènes de germination-croissance représentent des facteurs clefs pour comprendre la "période dormante" lors de l’hydratation du C3S.
3ème période : Croissance libre des C-S-H
La troisième période correspond à l’accélération de l’hydratation engendrant la fin de la zone de faible activité (figure 5 A). Cette accélération est due à la croissance libre des premiers ilôts de C-S-H qui commencent à coalescer. Cette période n’est limitée que par le nombre de germes ayant précipités. Le régime de croissance libre se termine dès que la surface de C3S est entièrement recouverte par le C-S-H. Cet événement se traduit par un
point d’inflexion sur le suivi conductimétrique, comme sur l’avancement de l’hydratation de C3S. La croissance s’effectue par agrégation de particules nanométriques de C-S-H perpen-
diculairement ou parallèlement à la surface des grains de C3S. Le rapport entre ces deux
vitesses de croissance va ainsi déterminer la durée de cette phase de croissance libre. En ef- fet, plus la vitesse de croissance parallèle des C-S-H à la surface de C3S sera élevée, plus une
couche d’hydrate recouvrira rapidement les grains de C3S (entraînant la fin de la période de
croissance libre de C-S-H). Le mode de croissance du C-S-H s’avère également sensible à la concentration en Ca(OH)2. Plus [Ca(OH)2] est élevée, plus la vitesse de croissance parallèle
des C-S-H à la surface des grains anhydres diminue (figure 7) [Damidot,1990;Lecocq,1993;
Chapitre I : Description du système d’étude
La durée pour lequel le grain de C3S est recouvert d’une couche continue d’hydrate est
d’autant plus longue, et le taux d’avancement de la réaction d’hydratation du C3S atteint au
début de la période limitée par la diffusion est d’autant plus important, que la concentration en hydroxyde de calcium de la solution est élevée (figure 8).
Figure 8 : Avancement du C3S en fonction de [Ca(OH)2] maintenue constante [Garrault,1998]
4ème période : Croissance des C-S-H limitée par la diffusion
La quatrième période témoigne d’un ralentissement de l’hydratation s’expliquant par le recouvrement complet de la surface du C3S par une couche de C-S-H d’épaisseur et de
perméabilité variable (figure 5 A). La cinétique hydratation est alors régie par la diffusion des espèces ioniques à travers la couche d’hydrate. La durée de la période de croissance des C-S-H limitée par la diffusion est d’autant plus longue que la concentration en hydroxyde de calcium est faible (figure 5 B). En fait, plus [Ca(OH)2] est faible (respectivement éle-
vée), plus la couche de C-S-H recouvrant le C3S est fine et imperméable (respectivement
épaisse et perméable). Enfin, quand la sursaturation maximale par rapport à la portlandite est atteinte, celle-ci précipite provoquant un décrochement de conductivité caractéristique (figure 5 A et B).
L’hydratation dans une solution d’hydroxyde de calcium permet d’obtenir un mécanisme d’hydratation du C3S comparable à celui observé en pâte [Nonat et al., 1997]. La concen-
tration en hydroxyde de calcium de la solution détermine le nombre initial de germes, la vitesse de croissance parallèle ou orthogonale du C-S-H à la surface du C3S, la perméabilité
Paragraphe I.B : Réactivité et facteurs cinétiques