Caractérisation multi-échelles de matériaux poreux en évolution

Le plâtre pris se présente sous la forme d’un matériau poreux à texture désordonnée. Sa microstructure est formée d’un assemblage de cristaux de gypse, aléatoirement enchevêtrés. Il doit sa bonne cohésion à cet enchevêtrement et aux interactions intercristallines [1]. Les points forts du plâtre pris, par rapport aux autres matériaux de construction, sont essentiellement sa faible densité apparente et sa grande porosité (~50%), qui lui confèrent de très bonnes propriétés d’isolation thermique et phonique. La conductivité thermique du de plâtre est de l’ordre de 0.26 W.m⁻¹, contre 1.15 pour le ciment ou 50 pour de l’acier. Par ailleurs, ce matériau présente un pouvoir de régulation hygrométrique à l’intérieur des maisons et une bonne résistance au feu (présence d’eau de structure), tout cela pour un faible coût de production.

Longtemps utilisé comme enduit ou élément décoratif, les techniques d’utilisation ont évolué et son emploi s’est diversifié. L’avenir est dans la réalisation de produits préfabriqués nouveaux et performants, avec un cahier des charges toujours plus contraignant. Il est donc nécessaire de développer des nouvelles techniques de caractérisation, permettant de modéliser sa microstructure et de suivre son comportement à court et à long terme, pour une meilleure exploitation de ses propriétés d’usage.

Dans cette étude, nous définissons les matériaux poreux comme étant des systèmes interfaciaux, polyphasiques, dont l’une des phases est solide (Figure I-1). Par « solide », nous entendons un ensemble d’atomes ou de molécules ayant une mobilité restreinte et possédant un chemin de percolation continu d’un bout à l’autre de l’échantillon. Par exemple, un gel de polymère sera considéré comme solide, vu qu’une molécule de polymère prise au hasard ne peut pas explorer tout l’espace à cause des liaisons avec ses voisines. Un verre, même s’il est par définition « un liquide sous-refroidi figé », constitue pour nous un solide. Au contraire, les molécules d’eau dans un bécher peuvent explorer tout l’espace par mouvement brownien : elles constituent donc un liquide. Pour nous, une suspension colloïdale, pourtant constituée d’une phase solide et d’une phase liquide, ne constitue pas un milieu poreux par absence de chemin de percolation solide continu. Par contre, un empilement de billes constitue un milieu poreux grâce à la présence de ce chemin de percolation.

Le mot plâtre désigne à la fois le matériau de structure solide et la poudre qui permet de l’obtenir. Cette poudre (sulphate de calcium hémihydraté, CaSO4,½H2O) s’obtient en déshydratant du gypse (sulphate de calcium dihydraté, CaSO4,2H2O). C’est la réhydratation de l’hémihydrate en gypse (après mélange de la poudre avec de l’eau) qui permet la constitution d’un matériau solide.

Le gypse est le matériau de base de la fabrication industrielle des plâtres. Il existe deux grandes catégories de gypses :

– Les gypses naturels : le gypse qui se trouve dans la nature est sous forme d’une roche compacte, avec une porosité totale de l’ordre de 10 à 15%. C’est une roche sédimentaire provenant de l’évaporation intense, en milieu lagunaire, d’une eau riche en sulfate de calcium dissout. Formé à l’ère tertiaire (il y a 65 millions d’années), il est extrait dans des carrières à ciel ouvert ou souterraines. Les gypses naturels de grande pureté permettent d’obtenir des plâtres de qualité. Les principales impuretés des gypses sont la calcite, la silice et la dolomie. En France, c’est dans le bassin parisien que sont exploités les meilleurs gypses.

– Les gypses de synthèse : diverses industries (chimiques, centrales thermiques, traitement des fumées…) produisent du gypse comme sous-produit. Ce gypse (désulfogypse, phosphogypse…), qui concentre les impuretés du minerai de base, pose souvent des problèmes de stockage et de préservation de l’environnement. Après purification, une utilisation comme matière première pour fabriquer du plâtre peut être envisagée, en particulier dans certains pays dépourvus de gypse naturel (Belgique, PaysBas, Japon…).

Le sulfate de calcium dihydraté (CaSO4,2H2O) cristallise dans le système monoclinique . La maille élémentaire de ce cristal a été décrite par De Jong et Bouman [10] en 1938 et affinée par Cole et Lancucki [11] en 1974.

Sa structure révèle un édifice cristallin construit sur un empilement de deux types de feuillets qui s’alternent parallèlement au plan (010). Les doubles feuillets d’ions calcium Ca2+ et sulfate SO4 2- (tétraèdre avec un atome de soufre au centre des atomes d’oxygène) sont séparés par des doubles feuillets de molécules d’eau . Cet arrangement explique le clivage très aisé des cristaux de gypse d’orientation (010). Le gypse [10, 11, 13, 14] comporte des liaisons ioniques dans les feuillets (Ca2+/SO4 2-), dues aux différences de charges électriques, (liaisons fortes), et des liaisons hydrogènes entre les molécules d’eau et les atomes d’oxygène des ions sulfate, l’atome d’oxygène de la molécule d’eau étant relié à un ion calcium.

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Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
I. CARACTERISATION DES POREUX : CAS DU PLATRE
A. LES POREUX
B. CAS DU PLATRE : CARACTERISTIQUES PHYSICO-CHIMIQUES
1. Généralités
2. Le gypse
3. Les produits de déshydratation du gypse
C. TECHNIQUES DE CARACTERISATION DES POREUX : PRINCIPES ET LIMITES
1. Techniques d’imagerie
2. Caractérisation de la porosité
3. Suivi cinétique de l’hydratation et de la texturation des matériaux poreux
4. Conclusion
D. CHOIX D’UNE METHODE : LA RELAXATION MAGNETIQUE DU PROTON
1. Critères de choix
2. Principe de la relaxation magnétique nucléaire (cas du proton)
3. Facteurs limitants de la relaxation d’un liquide dans un poreux
4. Informations texturales accessibles
5. Spectromètre utilisé
II. CINETIQUE D’HYDRATATION ET DE TEXTURATION DU PLATRE
A. LES MODELES D’HYDRATATION DU PLATRE
1. Le modèle de dissolution – cristallisation
2. Théories faisant intervenir la surface du solide initial
3. Conclusion
B. CINETIQUE D’HYDRATATION DU PLATRE
1. Caractéristiques du plâtre étudié
2. Résultats du suivi cinétique par RMN du proton et calorimétrie
3. Influence de la fluidité de la pâte
4. Modification de la cinétique
C. TEXTURATION DU PLATRE
1. Ajustement continu des signaux au cours de la prise
2. Influence du rapport de gâchage (e/p)
3. Effet de l’ajout de gypse broyé
4. Cas d’un plâtre adjuvanté (agent anti-fluage)
CONCLUSION GENERALE