Microstructure des matériaux cimentaires

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1.2 Transferts dans les matériaux cimentaires

1.2.1 Microstructure des matériaux cimentaires

1.2.1.1 Porosité et taille de pores

Les matériaux cimentaires sont des matériaux poreux et la connaissance de la structure porale est une donnée essentielle pour comprendre les phénomènes de transfert.

Dans un milieu poreux, schématisé comme sur la Figure 1 - 7, on peut distinguer deux phases : la phase solide minérale et l'espace constitué des vides.

Figure 1 - 7 : Vue schématique d’un matériau poreux

Quelle que soit la taille des pores, la porosité 𝜙 d’un matériau est définie comme le rapport du volume de ses pores 𝑉_% et de son volume apparent 𝑉 :

𝜙 =^𝑉%

𝑉 ^{1 - 13}

La taille des pores des matériaux cimentaires est très variable (Figure 1 - 8).

[MINDESS et al., 2002]

[MEHTA, 1986]

IUPAC

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1.2.1.1.1 La porosité des pâtes de ciment

Pour décrire le réseau poreux d’un matériau cimentaire, il est courant de regrouper les types de pores sous deux appellations :

• Les pores « capillaires », qui sont des pores de grand diamètre (supérieur à 10-30 nm selon les classifications) [POWERS, 1958], définis comme l’espace non comblé entre les grains de ciment par les hydrates. La porosité capillaire forme un réseau continu de pores interconnectés dans la pâte fraiche, qui devient discontinu au fur et à mesure de l’hydratation. La taille et le volume de ces pores décroit avec l’avancement de l’hydratation. De plus, à un âge donné, la taille et le volume des pores capillaires diminuent également avec le rapport E/C.

• Les pores des hydrates, qui correspondent à la porosité induite par la structure très fines des CSH. Elle est en proportion plus faible par rapport à la porosité capillaire et présente des diamètres inférieurs à quelques nanomètres. La porosité des hydrates est une caractéristique intrinsèque aux CSH et ne dépend pratiquement pas du rapport E/C, ni de l’état d’avancement de l’hydratation [BARON et SAUTEREY, 1981]. Elle est égale à 28% du volume des CSH [POWERS et BROWNYARD, 1947], valeur vérifiée expérimentalement par [BAROGHEL-BOUNY, 1994] par l’exploitation des isothermes de sorption d’eau d’une pâte de ciment Portland.

1.2.1.1.2 L’interface pâte-granulat

En plus de la porosité de la matrice cimentaire, un autre type de porosité apparait lors de l’ajout de granulats à une pâte de ciment : l’auréole de transition. Cette zone à l’interface granulat / pâte, appelée aussi ITZ « Interfacial Transition Zone », est souvent attribuée à l’effet de paroi exercé localement par les surfaces des granulats sur les grains de ciment ([MONTEIRO et al., 1985], [SCRIVENER et PRATT, 1996], [CARCASSES et al., 1998]). En effet, ces auteurs considèrent que, lors du gâchage, les espaces entre les grains de ciment anhydre, à proximité de la surface du granulat, deviennent plus grands, ce qui engendre une accumulation d’eau qui vient combler ce vide et donc créer un gradient du rapport E/C local. Lors de l’hydratation et du durcissement de la pâte, l’eau disparait et laisse une porosité plus élevée autour des granulats.

Figure 1 - 9 : Microstructure d’un béton ordinaire mettant en évidence l’ITZ obtenue par microscopie [BAROGHEL-BOUNY, 1994]

Diamond et d’autres auteurs remettent en cause les effets systématiquement néfastes de l’ITZ ([DIAMOND, 2003], [RANGARAJU et al., 2010]) et considèrent que cet effet est plutôt lié au rapport E/C et à la distribution granulaire et pas simplement à la présence de granulats. [[BAJA, 2016] a quantifié l’influence de l’ITZ sur les propriétés de transport et a montré que l’effet de la dilution induit par l’ajout de granulats non poreux est dominant devant l’interconnexion des couches d’ITZ.

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1.2.1.1.3 La microstructure des ciments au laitier

La microstructure de la pâte de ciment Portland mélangé à un laitier est plus fine, en raison de la structure dense provoquée par la quantité relativement importante de CSH formée pendant l’hydratation. Les quantités de Portlandite sont évidemment plus réduites du fait de sa dilution et de sa consommation pour activer le laitier [REGOURD, 1980]. La morphologie des CSH dans les pâtes au laitier se caractérise plus sous la forme de feuillets alors que celle des CSH des pâtes au ciment Portland seul sera plus fibreuse [CHEN, 2007].

La porosité et la distribution de taille des pores de la pâte de ciment au laitier durcie seront donc différentes de celles de la pâte de ciment Portland. Cependant, au jeune âge, les structures poreuses sont assez semblables pour les deux familles de liant. Aux âges plus avancés, lorsque les laitiers ont réagi, le volume des pores dans la gamme de taille 3-5 nm devient plus important [UCHIKAWA et UCHIDA, 1986]. De plus, [FELDMAN, 1986] constate que les pores de la pâte de ciment au laitier sont moins connectés que les pâtes au CEM I.

1.2.1.2 Topologie de la microstructure

Pour décrire la structure poreuse des matériaux cimentaires, le paramètre de porosité n’est pas suffisant, notamment lorsqu’on s’intéresse aux phénomènes de transfert. En effet, l’accessibilité de la matrice cimentaire va dépendre d’autres paramètres plus difficilement quantifiables. Les modèles mathématiques pour décrire les milieux poreux vont introduire des coefficients d’ignorance, comme la connectivité et la tortuosité, ou facteurs de formation.

Tableau 1 - 9 : Paramètres décrivant la topologie de la microstructure

Paramètres Principe Références

Connectivité (C)

Caractérise le degré avec lequel une structure poreuse est connectée et correspond au plus grand

nombre de branches du réseau poreux pouvant être coupées sans déconnecter de nœuds du reste

du réseau.

[DULLIEN, 1979]

Tortuosité (

t

Caractérise l’augmentation du chemin à parcourir pour traverser le réseau poreux.

Les valeurs de tortuosité peuvent varier fortement selon la méthode employée.

[AUROY, 2015] montre une augmentation de la tortuosité pour des matériaux avec laitier et lie cette

augmentation à la finesse du réseau poreux.

[DAïAN, 1986], [KATZ et THOMPSON, 1987], [BOHER, 2012], [AUROY, 2015] Constrictivité (

d

Caractérise la variation de section des pores. Plusieurs modèles utilisent ce paramètre pour s’adapter aux résultats de porosimétrie au mercure.

[PHILIP, 1958], [AÏT-MOKHTAR et al., 2002], [AMIRI et al.,

2005]

Ces paramètres topologiques vont permettre de caractériser l’accessibilité de la structure poreuse et vont influencer les phénomènes de transfert dans nos matériaux cimentaires. [SCRIVENER, 2001] résume cela par la Figure 1 - 10.

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Figure 1 - 10 : Effet des paramètres décrivant la structure poreuse sur les phénomènes de transfert de masse [SCRIVENER, 2001]