Mécanismes de rétention d’eau envisageables

Dans la littérature, peu de travaux portent sur l’impact des éthers de cellulose sur la rétention d’eau des mortiers. L’impact des paramètres physico-chimiques des polymères et le(s) mécanisme(s) d’action restent mal compris. Plusieurs hypothèses peuvent être mises en avant.

I.4.2.1.

Les paramètres clés

Les éthers de cellulose sont définis par plusieurs paramètres : la masse moléculaire moyenne, et leurs degrés de substitution (- et )). Ces deux paramètres ont une influence sur la rétention des mortiers à base de ciment [93]. L’introduction de 0,27 % d’un éther de cellulose par rapport à la quantité totale du mélange sec (composé de ciment, sable et filler calcaire) a pour effet d’améliorer la rétention d’eau du mortier. Les valeurs atteintes, plus ou moins élevées selon les polymères (HEC et MHPC), varient de 86 % à 99 % (sachant que le mortier non adjuvanté atteint 60 %). Ainsi, la chimie (nature des substituants) et la structure (nombre de substituants et masse moléculaire moyenne) des éthers de cellulose semblent être des paramètres importants pour contrôler la rétention d’eau. Cependant, cette étude qualitative ne permet pas d’isoler l’influence d’un paramètre en particulier.

Certaines études portant sur des adjuvants (latex [89] et MHEC [91, 92]) dont les structures moléculaires ne sont pas communiquées, ont permis de démontrer que la concentration en polymère semble être un paramètre clé.

I.4.2.2.

Les différents scénarios d’interaction

Dissouts en milieu aqueux, les éthers de cellulose agissent, dans les peinture et les matériaux de construction, en tant que rétenteurs d’eau, épaississants, stabilisants, liants, et agents de dispersion. Ces propriétés variées, souvent utilisées en combinaison, expliquent le large spectre d’utilisations de ces molécules [24]. Ajoutés dans les mortiers et bétons, ces polymères procurent de fortes rétentions d’eau pouvant s’expliquer par plusieurs phénomènes.

Certains auteurs mettent en avant des hypothèses similaires [60, 89, 91, 92] : effet de la viscosité, formation d’un film et stabilisation de l’air entrainé.

Lorsqu’un polymère est introduit dans l’eau, la viscosité de la solution augmente et ce, d’autant plus que la concentration est élevée. Dans les mortiers adjuvantés, la phase interstitielle est donc absorbée moins rapidement par le support que l’eau pure. Wagner a relié le taux d’eau absorbée par un carreau de céramique en fonction de la viscosité de la solution de méthyle cellulose [90]. Par exemple, la quantité d’eau absorbée varie de 0,154 mL.cm-2 pour une solution ayant une viscosité égale à 1 cPo (proche de l’eau pure) à 0,009 mL.cm-2 pour solution de méthyle cellulose ayant une viscosité de 750 cPo. Les propriétés rhéologiques des solutions de polymère pourraient donc expliquer partiellement la capacité à retenir l’eau du mortier. De plus, la viscosité et le seuil d’écoulement des pâtes de ciment adjuvanté évoluent de façon similaire à la rétention d’eau des mortiers [54]. L’hypothèse couramment employée pour expliquer la capacité d’un matériau à retenir l’eau est son comportement rhéologique. Dans ce travail, grâce à une étude rhéologique des mortiers et de l’effet de nombreux adjuvants, cette hypothèse, qui demande de plus amples investigations, sera vérifiée.

Le comportement rhéologique des mortiers adjuvantés peut résulter de la formation d’un réseau associatif de polymères plus ou moins « rigide ». La formation de ce réseau et donc une réduction de la mobilité de l’eau intervient-elle dans les mécanismes de rétention d’eau ? Un tel scénario d’interaction, mettant en avant l’effet des polymères sur la mobilité de l’eau mérite donc d’être examiné au cours de cette étude.

D’autre part, la formation d’un film de polymère pour limiter l’évaporation de l’eau est une autre hypothèse mise en avant par Afridi et Capener [89, 91, 92]. Jenni a étudié l’influence des polymères sur la microstructure et l’adhésion des mortiers [95]. Dans son travail, la présence des films de polymères de latex et d’éther de cellulose dans les mortiers a été mise en évidence par des observations au microscope électronique à balayage environnemental et au microscope à lumière polarisée (Figure I-26).

(a) (b)

Figure I-26 : Formation d’un film de polymère dans un mortier au jeune âge observé par microscopie électronique à balayage environnementale après congélation dans l’azote liquide (a) et

par microscopie à lumière polarisée dans un mélange filler, polymère et eau (b).

Les films d’éther de cellulose sont fréquemment observés entre deux bulles d’air juxtaposées et autour d’une bulle d’air isolée. Or, ces polymères augmentent significativement l’air entrainé dans les mortiers frais. Leur filmification engendre donc une stabilisation de ces bulles d’air et du réseau « poreux » du mortier à l’état frais. Fréquemment utilisés dans le domaine de la pharmacie, les films d’éther de cellulose semblent capables de ralentir les transferts d’eau liquide en créant une barrière de diffusion. Les éthers de cellulose forment-ils un film et donc une barrière de diffusion à l’eau dans les mortiers ?

Jusqu’à présent, la rétention d’eau apportée par les adjuvants a été examinée uniquement vis-à-vis du support. Cependant, ont-ils un effet sur la rétention de l’eau vis-à-vis de l’air ? Gasparo et al. ont apporté quelques éléments de réponse en étudiant la distribution des adjuvants dans les mortiers auto-nivelant grâce à un marquage fluorescent avec l’isothiocyanate de fluorescéine [96]. Dans les pâtes de ciment Portland, comme pour les matériaux de référence (ne contenant aucune phase cimentaire), ils ont noté un enrichissement de la surface en éther de cellulose. Selon Gasparo et al., deux facteurs sont à l’origine de ces gradients : l’évaporation de l’eau et l’hydratation du ciment. Au contraire, dans les pâtes de ciment alumineux, l’EC est réparti de façon homogène dans le matériau. Ces deux phénomènes sont donc fortement dépendants des interactions entre les phases cimentaires et l’adjuvant. Cependant, cette étude ne porte que sur un seul EC dont aucune caractéristique n’est fournie. Il nous a donc paru important de connaître l’effet des EC et de leurs paramètres structuraux sur l’évaporation de l’eau.

Film de polymère Matrice ciment -polymère Bulle d’air

Grâce à cette revue bibliographique, plusieurs hypothèses sont mises en avant. Cette étude a donc pour but de répondre à deux grandes questions :

existe-t-il une relation entre le comportement rhéologique des mortiers et leur capacité à retenir l’eau ?

les EC forment-ils une barrière de diffusion (film ou réseau) qui ralentirait la mobilité de l’eau dans le matériau à l’état frais ?

Dans la littérature, les études sont menées sur un faible nombre de molécules ou sur des polymères trop peu caractérisés. Elles ne permettent pas d’élucider l’influence des paramètres structuraux des éthers de cellulose sur la rétention d’eau des mortiers à l’état frais. De plus, aucun mécanisme rigoureux n’est clairement proposé dans la bibliographie. Cette étude a donc un double objectif : déterminer les paramètres clés des éthers de cellulose et comprendre le(s) mécanisme(s) d’interaction entre ces polymères et la matrice cimentaire pour élucider la rétention d’eau dans les mortiers à l’état frais.

Chapitre II.

Méthodes et techniques