Propriétés à l’état durci et vieillissement

Pour l’étude des matériaux cimentaires, les propriétés généralement étudiées sont les propriétés mécaniques, la porosité et les indicateurs de durabilité tels que la perméabilité, et la résistance à la pénétration des ions chlorure. Les paragraphes qui suivent donnent les grandes lignes de l’influence des polymères sur ces propriétés, de même que l’évolution des propriétés des composites mortier-polymère dans le temps.

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Propriétés à l’état durci, paramètres de durabilité

Du point de le vue de la résistance mécanique, il est montré dans la littérature que l’influence de la présence de polymères n’est pas la même selon que les formulations ont été réalisées à consistance fixe ou à E/C fixe. En effet, comme évoqué précédemment (chap. I.1.3.1), à consistante constante une augmentation du taux de polymère induit une diminution de la quantité d’eau. En revanche, à ratio E/C constant un composite mortier-polymère est plus fluide qu’un mortier non modifié. De ce fait, dans le cas d’une formulation à consistance constante, les résistances en traction et en flexion augmentent avec le taux de polymère, tandis que la résistance en compression reste inchangée. Toutefois, dans le cas d’une formulation à E/C constant, la résistance en compression diminue fortement [BARL04, GOTO06, OHAM95, SAIJ95, SAKA95, SCHU01]. Ces évolutions étant directement liées à la présence de polymère, elles dépendent donc de la nature du polymère, du système de stabilisation ou encore des conditions de cure qui sont appliquées.

La présence de polymère permet de limiter l’accessibilité aux pores par la formation de films de polymère dans les porosités. Cet effet dépend de la quantité de polymères introduits initialement. Il apparaît, de plus, qu’en présence de polymères, la distribution de la taille des pores est décalée vers les petits pores [OLLI98, ROZE05, SHAK97, SILV01]. Rozenbaum et al. [ROZE05] ont retrouvé ce résultat sur des échantillons incorporant des latex SBR. Ils montrent qu’à ratio E/C fixé, la proportion de pores de grande taille tend à diminuer en faveur des petits pores (Figure I.19). Ceci est attribué à la présence des polymères qui remplissent les pores larges.

Les études sur le sujet s’accordent sur l’implication des polymères dans les faibles valeurs de perméabilité à la vapeur d’eau, mais aussi à l’eau liquide recensées pour de tels matériaux [OHAM98, RAML12b, SAIJ95]. En effet, la présence de films de polymère dans la porosité des composites mortier-polymère a pour effet de ralentir la diffusion des espèces agressives [AMBA09, OHAM98, ROZE05]. Il en résulte que ces matériaux présentent une perméabilité plus faible et une plus grande résistance à la pénétration des ions chlorure que des mortiers exempts de polymères, comme l’ont observé Aggarwal et al. [AGGA07] sur des échantillons contenant des polymères acryliques, formulés à consistance constante. Après immersion pendant 7 jours dans une solution de chlorure de sodium à 2,5%, ils mettent en évidence que le front de pénétration des ions chlorure est réduit en présence de polymères, et que cette amélioration est fonction du taux de polymères (Figure I.20).

Figure I.19 – Évolution de la distribution de la taille des pores en fonction du taux de polymères [ROZE05]

Figure I.20 – Évolution de la pénétration des ions chlorure en fonction du taux de polymères [AGGA07]

23 résultats obtenus dépendent de la nature du polymère et du substrat. Des différences apparaissent également selon que l’on mesure l’adhésion en traction, en flexion ou en compression. Néanmoins, il semble que globalement les composites mortier-polymère présentent une adhésion en traction et en flexion améliorée par rapport à un mortier exempt de polymères [AFRI95, NICO08, OHAM98]. Cet effet est attribué par les auteurs aux excellentes propriétés d’adhésion des polymères seuls. Ainsi, plus la quantité de polymères est importante, plus l’adhésion augmente. Ce résultat est observé par Afridi et al. [AFRI95] pour une large gamme de mortiers incorporant des polymères en poudre, et formulés à consistance constante. Ils montrent une augmentation de l’adhésion en traction qui dépend également de la nature du polymère considéré, et un mode de rupture modifié avec l’ajout de polymères (Figure I.21).

De même, il apparaît que la présence de polymères retarde l’apparition de fissures. En effet, le pontage assuré par les films de polymères permet de limiter, voire d’inhiber, la microfissuration [AMBA08, NICO08, OHAM98].

Figure I.21 – Évolution de l’adhérence en traction avec le taux de polymère pour différents polymères [AFRI95]

Évolution des propriétés dans le temps, vieillissement

Le vieillissement d’un matériau est lié à la modification de ses propriétés dans le temps en fonction de son environnement. Le comportement à plus ou moins long terme des matériaux cimentaires est fonction d’une part de leur composition initiale, mais aussi des conditions de leur mise en œuvre. Au jeune âge, les matériaux cimentaires (bétons, mortiers) sont très alcalins et présentent des pH de l’ordre 12-13. Sous l’effet du temps et en présence de dioxyde de carbone, le béton se carbonate : la portlandite de la matrice cimentaire réagit avec le CO2 atmosphérique en présence d’humidité. Cette réaction entraîne la formation de calcite, selon l’équation (I.1).

𝐶𝑂_{2,𝑎𝑡𝑚}+ 𝐶𝑎(𝑂𝐻)₂→ 𝐶𝑎𝐶𝑂₃+ 𝐻₂𝑂 (I.1)

Ce phénomène conduit à une diminution du pH des matériaux concernés, jusqu’à des valeurs pouvant attendre 9,5. Cet abaissement de pH a pour conséquence principale de favoriser le développement de micro-organismes. Cette action biologique est plus largement étudiée dans la suite de cette synthèse bibliographique (chap. I.2.1.3).

Relativement à la susceptibilité des mortiers à la carbonatation, les études d’Aggarwal et al. [AGGA07], d’Ohama [OHAM87] et de Ramli et Tabassi [RAML12a] montrent que la présence de polymères conduit à une diminution des profondeurs de carbonatation observées notamment pour

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des composites mortier-polymère acrylique. En particulier, dans leur étude, Aggarwal et al. [AGGA07] montrent dans le cas d’ajout de polymères acryliques que la profondeur de carbonatation décroît lorsque le taux de polymères augmente (Figure I.22). Ce résultat est obtenu sur des échantillons formulés à consistance constante, après 14 jours de carbonatation accélérée (maintien dans une chambre à 5% de CO2, 30°C et 60% d’humidité relative).

Figure I.22 – Influence des polymères sur la profondeur de carbonatation [AGGA07]

Schulze et al. [SCHU01] ont étudié l’évolution sur le long terme des performances de mortiers modifiés par ajout de polymères sous forme de poudre. Trois formulations à base de polymères ont été comparées à une formulation de mortier sans polymère : RE545Z (à base de polymère EVA), RI551Z (à base de terpolymère éthylène-vinychloride-vinyllaurate) et LL512 (à base de polymère SA). Ces formulations ont été réalisées à ratio E/C constant. Dans cette étude, deux types de conditions d’exposition sont retenues : exposition intérieure (23°C, 50% d’humidité relative) et exposition extérieure (après sept jours en exposition intérieure, conservation des échantillons en extérieur, à Burghausen en Allemagne, orientation Sud, et inclinés à 45°). Dans cet essai, les mortiers sont appliqués sur une épaisseur de 10mm sur un bloc en béton, et un essai d’adhésion par traction est réalisé à différentes échéances. Les résultats obtenus montrent que, dans les deux cas d’exposition, les composites mortier-polymère ont une meilleure adhérence qu’un mortier non modifié, et que cette tendance se maintient sur le long terme (Figure I.23 et Figure I.24). Dans le cas d’une exposition intérieure, les auteurs montrent qu’un mortier ne contenant pas de polymère présente de faibles valeurs d’adhérence et mettent en cause l’évaporation de l’eau avant l’hydratation complète du ciment. Plus généralement, les auteurs montrent que les composites mortier-polymère ont des performances mécaniques qui restent stables sur le long terme. Ils montrent également que la morphologie de ces matériaux reste inchangée durant les dix ans qu’a duré cette étude. Les auteurs attribuent ces résultats au fait que les polymères agissent en synergie avec le liant hydraulique : le ciment apporte la stabilité mécanique tandis que les polymères jouent le rôle de renfort, notamment aux interfaces.

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Figure I.23 – Évolution sur le long terme de l’adhésion de

composites mortier-polymère, exposition intérieure [SCHU01]

Figure I.24 – Évolution sur le long terme de l’adhésion de composites mortier-polymère, exposition extérieure

[SCHU01]