L’hydratation du ciment

Le ciment est un liant hydraulique : il se combine avec l’eau en donnant des hydrates stables qui lui confèrent une résistance mécanique. La réaction chimique d’hydratation du ciment conduit donc à la formation d’une pâte qui, après la prise, durcit progressivement à l’air ou dans l’eau.

Les mécanismes fondamentaux de l’hydratation ont été mis en lumière, dès la fin du XIXème siècle, par Henri Le Chatelier. Différents mécanismes ont été proposés pour expliquer les observations faites pendant l’hydratation du ciment. Cependant, celui décrit par Le Chatelier semble être le plus pertinent et le plus proche des constatations expérimentales. Appelé « mécanisme Le Chatelier » ou de dissolution-précipitation, il décompose l’hydratation du ciment anhydre en trois étapes successives :

dissolution congruente des phases anhydres du ciment ;

formation de solutions sursaturées par rapport aux différents hydrates ;

précipitation et cristallisation des différents hydrates (Tableau I-3), à des vitesses différentes (l’hydrate qui précipite en premier ayant la plus faible solubilité).

Les réactions d’hydratation de toutes les phases de ciment Portland se déroulent en même temps. Cependant, le silicate tricalcique et l’aluminate tricalcique jouent des rôles prépondérants. L’hydratation de ces phases a fait l’objet de nombreux travaux antérieurs qui seront brièvement résumés dans ce mémoire [11-18].

Tableau I-3 : Principaux hydrates formés lors de l’hydratation du ciment anhydre.

Hydrate Notation Formule chimique

Portlandite CH Ca(OH)2

Silicate de calcium hydraté C-S-H (CaO)x-SiO2-(H2O)y

Trisulfoaluminate de calcium hydraté

ou ettringite C3ACS3H32 [Ca3Al(OH)6]2, 3SO4, 26H2O

Monosulfoaluminate de calcium

hydraté ou AFt C3ACSH12 [Ca2Al(OH)6]2, SO4, 6H2O

Aluminate dicalcique hydraté ou AFm C₂AH₈ (CaO)2-Al2O3-(H2O)8

Aluminate tricalcique hydraté ou

hydrogrenat C3AH6 (CaO)3-Al2O3-(H2O)6

I.2.1.

Hydratation des phases silicates

Le silicate tricalcique est la phase dominante du ciment. De nombreux travaux ont porté sur son hydratation qui est généralement décrite en trois étapes [7, 11-15].

La dissolution des constituants : lors du contact entre les grains de C3S et l’eau, il se

produit une réaction quasi-instantanée et fortement exothermique. La dissolution se poursuit jusqu’à atteindre des valeurs de pH élevées (12,5). Puis, la solution riche en ions silicate, calcium et hydroxyde devient saturée puis sursaturée par rapport aux différents hydrates. L’évolution des concentrations en espèces ioniques en solution suit une courbe, appelée par Barret et Bertrandie, le « chemin cinétique » [15]. Ce chemin se situe entre les courbes de solubilité des C-S-H et du C3S (Figure I-1). Le fait que le système tende toujours vers ce

chemin cinétique résulte d’une autorégulation de la vitesse d’hydratation. Ce phénomène est dû aux effets opposés de la composition chimique de la solution sur les vitesses de dissolution du C3S et de précipitation des C-S-H.

Figure I-1 : Diagramme chaux-silice montrant l’évolution de la composition de la solution au cours de l’hydratation du C3S [19].

Les C-S-H précipitent par un processus de germination-croissance. Ce sont des composés non stœchiométriques dans lesquels la valeur du rapport C / S varie entre 0,6 et 2 en fonction de la concentration en hydroxyde de calcium [20]. Leur morphologie est aussi très variable, elle dépend des conditions de concentration et de pH de la solution.

Durant cette phase initiale, les germinations de C-S-H et de Ca(OH)2 entrent en

compétition (Equations (I-1) et (I-2)). Cependant, tant que la teneur en ions silicate de la solution dépasse une valeur limite, la germination des C-S-H l’emporte.

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La période d’induction : les réactions précédentes se poursuivent pendant quelques

heures à vitesse décroissante du fait du pH élevé et de la forte concentration en calcium. Durant cette période d’induction, la quantité de C-S-H formée est très faible, de même que la consommation en eau. La pâte reste donc fluide et maniable. Lorsque le taux de sursaturation par rapport à la portlandite atteint une valeur limite, celle-ci précipite en cristaux hexagonaux entre les grains de C3S partiellement hydratés. Cette réaction produit un effet « pompe à

calcium », qui provoque une accélération de la dissolution des grains en cours d’hydratation. Ceci aboutit à la fin de cette période, dite d’induction ou « dormante », caractérisée par une décroissance de la concentration en calcium et en ions hydroxydes.

La phase de prise : les réactions, ralenties dans l’étape précédente, s’accélèrent tout en

générant une quantité abondante d’hydrates accompagnée d’une consommation d’eau. Les C-S-H et la portlandite s’enchevêtrent et remplissent les pores. Ainsi, la consistance de la pâte augmente peu à peu, le matériau se densifie et devient solide.

Finalement, après une dizaine d’heures, la couche d’hydrates enrobant les grains de C3S

atteint une épaisseur suffisante pour ralentir de plus en plus la diffusion des ions et de l’eau. L’hydratation totale peut durer jusqu’à une année.

Le processus d’hydratation du C2S est analogue à celui du silicate tricalcique en donnant

les mêmes silicates de calcium hydratés (C-S-H). Cependant, la réaction est plus lente, car, en présence de C3S, le système se trouve dans la zone de sursaturation par rapport au C2S. Sa

dissolution s’accélère lorsque la quantité de C3S est plus faible.

I.2.2.

Hydratation des phases aluminates

Les phases aluminates sont principalement composées d’aluminate tricalcique. Le C3A est

une phase extrêmement réactive et sa réaction avec l’eau est rapide et incontrôlable en absence de gypse. Afin d’éviter ce phénomène, une source de sulfate est ajoutée pour permettre de réguler l’hydratation du C3A. Comme pour le silicate tricalcique, il se produit

une réaction lente à cinétique variable. Mélangés à l’eau au cours du gâchage, l’aluminate tricalcique et le gypse se dissolvent rapidement aboutissant à la formation d’une solution sursaturée par rapport aux hydrates [16-18]. Les ions se combinent pour former un composé relativement stable (en fonction des conditions) : l’ettringite ou AFt (Equation (I-3)).

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I-3

Le C3A étant en excès par rapport au gypse, ce dernier est donc rapidement consommé

dissoudre et libérer des ions sulfate pour former avec l’aluminate tricalcique excédentaire le monosulfoaluminate de calcium hydraté ou AFm (Equation (I-4)).

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I-4

La suite des réactions dépend des proportions initiales d’aluminates et de gypse qui déterminent le rapport stœchiométrique des produits formés à l’équilibre. Le monosulfoaluminate de calcium hydraté va réagir avec le C3A en excès pour former des

hydrates de moins en moins riches en sulfates. Les hydroaluminates (hydrates hexagonaux) métastables disparaissent au profit de l’hydrogrenat (C₃AH₆, hydrate cubique).

L’hydratation de l’aluminoferrite tétracalcique (C4AF) est similaire à celle du C3A. Elle

aboutit à la formation de sulfoaluminates et de sulfoferrates de calcium hydratés mais elle est plus lente que celle du C3A.

I.2.3.

Hydratation du ciment : structuration de la pâte de ciment

L’hydratation du ciment Portland combine les réactions d’hydratation des principaux composants du clinker (décrites ci-dessus), et des composants secondaires. La quantité d’eau théorique nécessaire à l’hydratation complète de tous les composants représente environ 30 % de la masse de ciment [21]. La réactivité relative des phases minérales d’un ciment avec l’eau peut être classée comme suit :  &  &   ' _( [21]. L’hydratation des phases cimentaires va suivre les étapes décrites pour les phases aluminates et silicates, cependant les interactions entre les différentes phases vont les rendre plus complexes.

Les mortiers sont des matériaux de construction utilisés pour solidariser les éléments entre eux, assurer la stabilité de l’ouvrage, combler les interstices entre les blocs de construction. Ils peuvent être adjuvantés par des plastifiants, des entraîneurs d’air, des rétenteurs d’eau, des accélérateurs ou des retardateurs de prise, des hydrofuges... Ces différents adjuvants vont maintenant être détaillés dans la partie suivante.