Tentatives d’observation de la géométrie microscopique de la pâte de ciment

Le but de ces observations est d’obtenir la géométrie réelle de la pâte de ciment à l’échelle des pores, c'est-à-dire de caractériser la forme et l’arrangement des pores afin de déterminer une cellule unitaire précise.

2.3.1 Observation au micro-tomographe à rayons X

Nous avons tout d’abord utilisé la tomographie aux rayons X, pour tâcher d’obtenir des images en 3 dimensions des pores de la pâte de ciment. La résolution à obtenir doit être au minimum équivalente à la taille moyenne des pores, c’est-à-dire de l’ordre de 0,1 µm.

Nous avons fait des premiers tests avec le micro-tomographe de l’IMFT (Skyscan 1174, puissance jusqu’à 90kV), mais sa puissance étant limitée et la résolution théorique minimale accessible étant de 10 microns, nous avons ensuite utilisé celui de la Fédération de Recherche FERMaT (Nanotom, Phoenix X-Ray, puissance jusqu’à 180 kV). Cet appareil donne la possibilité d’obtenir des images avec une résolution inférieure au micromètre (cf. description au chapitre suivant). Mais la résolution dépend aussi du matériau traversé par les rayons X : avec le béton, la meilleure résolution que nous ayons obtenue était de 3 µm, ce qui n’est pas suffisant pour observer l’échelle souhaitée. Aucune singularité n’était distinguable sur les images obtenues.

Nous nous sommes alors tournées vers l’obtention d’images en 2 dimensions, en utilisant un Microscope Electronique à Balayage (MEB).

2.3.2 Observation au Microscope Electronique à Balayage

L’objectif reste d’obtenir des images avec une résolution au moins de l’ordre de 0,1 µm pour observer les pores de la pâte de ciment, ce qui est théoriquement possible avec un MEB, qui permet de grossir des images avec une résolution de l’ordre de la dizaine d’Angström (1 Ǻ=1.10^-10 m). Nous

avons fait des essais d’observation avec les MEB du LMDC (INSA Toulouse), et du GET (Géosciences Environnement Toulouse, Observatoire Midi-Pyrénées).

L’observation au MEB permet de visualiser les contrastes chimiques (en mode « électrons rétrodiffusés », BSE) ou le relief de l’échantillon (en mode « électrons secondaires », SE ) et en même temps d’identifier les composés chimiques de l’objet observé, grâce à la spectrométrie de rayons X. L’inconvénient de cette méthode, est que la taille des échantillons à observer est très limitée : 2 cm de côté seulement, donc il faut découper de très petits morceaux de béton, ce qui n’est pas évident, la difficulté étant d’obtenir deux faces bien planes et parallèles. La préparation des échantillons pour l’observation au M.E.B nécessite, en plus des découpes, un polissage de l’échantillon, et une métallisation (afin qu’il soit conducteur).

Les images obtenues avec le MEB du LMDC n’ont pas donné de résultats exploitables quant à l’observation à l’échelle microscopique de la pâte de ciment, telle que nous l’avons définie. Les essais réalisés au GET ont permis d’obtenir une série d’images de meilleure qualité (Fig.IV. 16 et Fig.IV. 17).

Fig.IV. 16 : Images MEB de pâte de ciment, en mode BSE (a,b,c), et SE (d). Grossissement 1400 (a), zoom sur une partie à 3300x (b), zoom supérieur à 9000x (c et d).

Les Fig.IV. 16a) et Fig.IV. 17 permettent de distinguer deux nuances de gris principales, i.e., deux domaines de composition chimique différente. Les parties les plus claires correspondent à des amas de clinker.

La Fig.IV. 16, est composée de 4 images qui correspondent à des zooms successifs que nous avons effectués sur une zone qui avait attiré notre attention : des petits bourgeonnements qui auraient pu correspondre à l’organisation de « plaques » d’aiguilles de ciment hydraté (en clair) entourant des pores (en noir). L’image d) en relief permet en effet de voir que les pores supposés seraient plus profonds. Mais après observation minutieuse, nous nous rendons compte que ce ne sont pas les pores qui sont en profondeur, mais les plaques qui sont en surépaisseur. En fait l’alignement de ces boursouflures semble correspondre à un problème de carbonnatation autour d’une fissure par exemple.

Fig.IV. 17 : Images MEB de pâte de ciment, en mode BSE, au grossissement x1400.

D’autre part, nous distinguons sur la Fig.IV. 16a) des stries orientées en diagonale, qui sont encore mieux visibles sur les images de la Fig.IV. 17. Ces stries parallèles sont manifestement un artefact dû à la découpe des échantillons et qui n’est pas observable sur un échantillon brut. En plus des stries, nous observons également des séries de microfissures parallèles entre elles et orientées perpendiculairement aux stries. Il est clair que ce sont des artefacts de découpe et polissage, et qu’elles ne correspondent pas à ce que nous souhaitions observer, i.e., la géométrie microscopique réelle de la pâte de ciment.

2.3.3 Conclusions quant à la géométrie de la pâte de ciment

Suites à ces essais d’observation de la géométrie microscopique de la pâte de ciment, nous avons conclu qu’avec les moyens techniques (bien qu’étant des outils avancés) dont nous disposons actuellement sur les laboratoires partenaires toulousains, nous n’étions pas capables d’obtenir

correctement la géométrie de ce qui correspondrait à une cellule unitaire de pâte de ciment, à l’échelle des pores. Or, comme nous l’avons vu dans la partie précédente, l’obtention théorique des paramètres macroscopiques (coefficient effectif) par changement d’échelle nécessite une représentation géométrique de la porosité de la cellule unitaire proche de celle effectivement présente dans la pâte de ciment.

Vu la difficulté à obtenir une description microscopique correcte, il est difficile d’utiliser les modèles théoriques pour obtenir une bonne évaluation des propriétés effectives à l’échelle de la pâte de ciment. Il vaut donc mieux obtenir ces propriétés par mesure expérimentale directe, pour obtenir une bonne description macroscopique. Indirectement, ces mesures nous fourniront, à fortiori, des informations sur la structure à petite échelle.

Nous avons donc décidé d’étudier la pâte de ciment à l’échelle à laquelle nous sommes capables d’effectuer les mesures, i.e., à l’échelle appelée « macroscopique », qui correspond à une pâte de ciment considérée comme un milieu continu équivalent, homogène, de quelques millimètres de côté. C’est à cette échelle que nous allons mesurer les propriétés caractéristiques de ce matériau, sans décrire la microstructure qui est encore actuellement difficilement accessible.

Comme nous l’avons vu, les équations gouvernant les transferts font intervenir des paramètres dont nous allons mesurer les valeurs dans la partie suivante.

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