Influence des réactions d’hydratation sur la rhéologie des matériaux cimentaires

Parmi les paramètres pouvant influer sur les propriétés rhéologiques des pâtes et mortiers de ciment, comme la température, l’humidité, la composition du mélange, les conditions de préparation etc., l’hydratation du liant inorganique semble être la plus pertinente par rapport à la problématique de cette étude. L’effet de l’avancement de l’hydratation sur les caractéristiques rhéologiques est donc expliqué, puis l’importance des produits d’hydratation formés est soulignée.

2.3.3.1. L’avancement de l’hydratation

Les réactions d’hydratation, et plus particulièrement la microstructure des produits hydratés, conditionnent la rhéologie d’une pâte de ciment. Le mélange eau-ciment passe par trois états rhéologiques différents liés à la chronologie du processus d’hydratation, lequel transforme une suspension de grains de ciment en un matériau solide offrant une résistance mécanique notable. Ces différents états sont le fluide viscoélastique, le solide viscoélastique et le solide élastique.

− Le fluide viscoélastique :

Au cours de la période de pré-induction, une structuration de la suspension de ciment se met en place. D’après Taylor [20], les ions Ca²⁺ s’adsorbent sur les surfaces hydrolysées des particules de ciment. Le potentiel, initialement négatif de ces particules, diminue, voire devient positif. La couche de diffusion qui entoure les grains de ciment se rétrécit, les

particules se rapprochent et les forces d’attraction augmentent. Les grains de ciment s’attirent mutuellement et une structure floculante apparaît [86, 87].

L’état de floculation conduit à un premier raidissement de la pâte de ciment et se maintient pendant la période d’induction. La grande surface spécifique des phases hydratées formées, le gel de C-S-H et l’ettringite, contribue à la structure par la multiplication des interactions de type électrostatique.

Le béton est un fluide binghamien jusqu’à la fin de la période dormante [40]. Au cours de cet intervalle de temps, d’une durée de deux à quatre heures selon la nature du ciment, le béton peut être malaxé et vibré sans conséquence pour les propriétés mécaniques futures du béton durci.

− Le solide viscoélastique :

Les phases C-S-H forment d’abord une structure spongieuse et volumineuse [72] dont la surface spécifique très élevée augmente fortement le nombre et l’énergie des interactions (physiques et chimiques) entre les particules de ciment [68].

L’accélération de l’hydratation conduit à la prise du ciment qui marque la conversion du fluide viscoélastique en un solide viscoélastique [40]. La suspension perd sa plasticité et se transforme en une matrice rigide, laquelle ne peut plus être mise en œuvre.

− Le solide élastique :

La dimension des phases C-S-H évolue principalement dans le sens de la longueur [75]. Des fibres se forment et vont se rassembler en paquet à la surface des grains de ciment. Ces fibres s’entremêlent et participent au développement de la résistance mécanique. Parallèlement, les fines plaquettes de portlandite se soudent entre elles. La période de décélération est ainsi caractérisée par le début du durcissement du ciment.

La poursuite des réactions d’hydratation entraîne une densification de la structure. La résistance mécanique du matériau augmente continuellement. La pâte de ciment devient progressivement un solide élastique, rigide, fragile et poreux [40].

2.3.3.2. Les produits d’hydratation

Une pâte de ciment Portland est donc un fluide viscoélastique pendant les périodes de pré-induction et d’induction de l’hydratation. Sa fluidité est influencée par les produits d’hydratation formés, lesquels sont principalement dus à l’hydratation du C3A en présence de sulfates (voir paragraphe 2.2.1.2). La figure 7, due à Locher et al. [38], illustre les différentes possibilités de produits d’hydratation formés par le C3A en présence d’ions SO4^2-, ainsi que leurs conséquences sur la fluidité et la rigidification de la pâte de ciment.

Figure 7 : Influence des produits de l’hydratation du C3A en présence d’ions SO4^2- sur la fluidité d’une pâte de ciment (d’après Locher et al. [38]).

Quatre situations différentes sont possibles :

− Cas 1 : Teneur en C3A et quantité de SO4^2- en solution faibles.

Si le ciment a une teneur en C3A modérée et si la quantité d’ions sulfate en solution n’est pas trop élevée, l’ettringite est exclusivement formée. Celle-ci apparaît d’abord finement cristallisée et est alors appelée ettringite de gâchage par Bonin [88]. Elle permet une bonne maniabilité de la pâte et ne modifie pas la fluidité de la pâte. Cette ettringite recristallise par la suite en aiguille et participe à la cohésion du matériau. Bonin [88] parle alors d’ettringite de repos. Ce cas décrit la prise normale d’un ciment.

− Cas 2 : Teneur en C3A et quantité de SO4^2- en solution élevées.

Si le ciment est riche en C3A et si la quantité en ions SO4^2- dans la solution est suffisante, l’ettringite de gâchage finement cristallisée est formée, mais en plus grande quantité que dans le cas 1. L’ettringite recristallise alors plus rapidement en ettringite de repos. Cette ettringite consomme beaucoup d’eau et diminue la plasticité du mélange [40]. La pâte de ciment reste maniable tant que les hydrates ne sont pas suffisamment grands pour connecter les grains entre eux. La prise est alors plus rapide dans cette situation que dans la précédente. La structure peut cependant être détruite par un malaxage supplémentaire si elle n’est ni trop développée ni trop consolidée.

− Cas 3 : Teneur élevée en C3A et faible quantité de SO4^2- en solution.

Si le ciment est riche en C3A et si la quantité d’ions SO4^2- en solution est insuffisante, une petite quantité d’ettringite se forme au tout début de l’hydratation jusqu’à épuisement des ions SO4^2-. Ensuite, les hydrates formés sont le monosulfoaluminate et des aluminates de calcium hydratés C-A-H. Ces composés cristallisent sous la forme de plaquettes hexagonales, lesquelles ont une influence néfaste sur la fluidité du mélange. La consistance rigide résultante est irréversible et ne peut être améliorée par un malaxage supplémentaire. Ce cas correspond au phénomène de « prise flash » du ciment.

− Cas 4 : Faible teneur en C3A et forte quantité de SO4^2- en solution.

Si la quantité d’ions SO4^2- en solution est trop élevée par rapport à la teneur en C3A, la précipitation du gypse secondaire est observée parallèlement à la formation d’ettringite. Ces cristaux ont la forme de longues et fines baguettes, lesquelles diminuent la plasticité de la pâte. Le raidissement provoqué est connu sous le nom de fausse prise et peut être éliminé par un malaxage ou des vibrations.

Il ressort de ces différents cas de figure que la quantité d’ions SO4^2- dissouts dans l’eau interstitielle doit être en adéquation avec la teneur en C3A du ciment. Un manque ou un excès d’ions sulfate conduit systématiquement à une perte de fluidité de la pâte.

La rhéologie des pâtes et mortiers de ciment évolue aujourd’hui vers une évaluation plus fondamentale des propriétés d’écoulement. La connaissance des grandeurs rhéologiques caractéristiques des matériaux, tels que le seuil d’écoulement et la viscosité plastique, est un des objectifs de plusieurs études [89 - 91]. Dans le cadre de ce travail de recherche, cette approche appliquée à la caractérisation des combinaisons compatibles et incompatibles, comparée à des essais de consistance plus classiques, constitue une alternative innovante. Les changements rhéologiques observés peuvent alors être reliés à la microstructure de la pâte, laquelle est influencée par le processus d’hydratation. Les superplastifiants, lorsqu’ils sont ajoutés aux systèmes réactionnels, entraînent certainement des modifications autant rhéologiques que chimiques au sein des mélanges.