L’hydratation du ciment

L’hydratation du ciment 

La plupart des propriétés du béton, et plusieurs aspects de sa durabilité, dépendent des caractéristiques de la pâte de ciment durcie. Il est donc important de comprendre la structure de la pâte de ciment hydraté. Ainsi, nous nous intéressons dans ce paragraphe au processus d’hydratation du ciment [Baroghel-Bouny, 1994 ; Nonat, 2008].

Le clinker, constituant de base des ciments, correspond à une poudre composée de phases minérales anhydres (silicates de calcium bicalcique et tricalcique, aluminate tricalcique et alumino-ferrite de calcium) issues de la cuisson d’un mélange d’environ de 80% de calcaire et de 20% d’argile. Les notations abrégées utilisées pour désigner les phases cimentières en écrivant les transformations chimiques sont les suivantes : C pour CaO (chaux), S pour SiO2 (silice), A pour Al2O3 (alumine), F pour Fe2O3 (hématite) et H pour H2O. Ainsi, les principaux constituants du clinker s’écrivent :

Silicate tricalcique, Ca3SiO5 ou 3CaO.SiO2 : C3S ;
Silicate bicalcique, Ca2SiO4 ou 2CaO.SiO2 : C2S ;
Aluminate tricalcique, Ca3Al2O6 ou 3CaO.Al2O3 : C3A ;
Aluminoferrite tetracalcique, Ca4Al2 O10Fe2 ou 4CaO.Al2O3.Fe2O3 : C4AF.

Les différents types de ciments sont constitués par des proportions variables de clinker, d’additions minérales (laitier de haut-fourneau, cendres volantes, fumée de silice, filler…) et de régulateur de prise (gypse de formule CaSO4.2H2O). Le mélange de ciment et d’eau conduit à la prise et au durcissement par formation de constituants hydratés (silicates de calcium hydratés, portlandite, aluminates et sulfo-aluminates de calcium hydratés).

D’autre part, l’aluminate tricalcique est le composé du ciment le plus réactif avec l’eau. Sa réaction d’hydratation est très violente (dégage beaucoup de chaleur) et elle doit être contrôlée par le gypse. Les réactions s’effectuent en plusieurs étapes. D’abord, les aluminates réagissent avec le sulfate du gypse pour former de l’ettringite (trisulfoaluminate de calcium hydraté) selon la réaction suivante :

C3A + 3(CaSO4.2H2O) + 26 H2O → 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O

Cette réaction est fortement exothermique. Une couche d’hydrates vient entourer les aluminates qui forment alors une couche protectrice autour du grain. Ensuite, lorsque le gypse est épuisé, la concentration en sulfates de la solution baisse. L’ettringite devient alors instable et se dissout pour former du monosulfate de calcium hydraté de formule 3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O. Puis au bout de quelques semaines en général, l’ettringite se transforme totalement en monosulfo-aluminate. Au-delà d’un mois, les réactions se poursuivent lentement avec l’aluminate (C3A) et l’aluminoferrite (C4AF) pour former de l’aluminoferrite de calcium hydraté. Même si les séquences réactionnelles sont proches du C3A, l’aluminoferrite tétracalcique (C4AF) est nettement plus lent à réagir et n’apparaît de manière significative qu’une fois que le gypse est totalement épuisé.

Le C-S-H occupe entre 50% et 60% du volume solide d’une pâte de ciment complètement hydratée. Il correspond à un gel qui influence la plupart des propriétés de la pâte et qui fait combler progressivement les interstices capillaires entre les grains. La réaction du C4AF dégage peu de chaleur et participe peu au développement de la résistance.

Période dormante : Pendant cette période, le dégagement de chaleur est faible et aucune évolution de la pâte ne semble se produire. Les réactions chimiques ont pourtant commencé : des ions passent en solution dans l’eau durant cette phase (ions calcium, silicates, hydroxydes et sulfates). Quand l’eau de gâchage est saturée en ions, le début de la prise se produit. Le pH de la solution augmente, ce qui ralentit la dissolution des constituants. La durée de cette période est de quelques heures. C’est une période d’inertie thermique. L’élévation rapide du pH et de la teneur en calcium de l’eau de gâchage ralentit la dissolution des constituants.

Période de prise ou d’accélération : Cette période débute lorsque la concentration en ions Ca2+ et OHde la solution devient critique, la conductivité électrique de la solution étant alors à son maximum. Cette sursaturation induit la précipitation de la portlandite. Il s’ensuit alors les mécanismes de dissolution et de précipitation des différentes phases, permettant la formation des hydrates (ettringite, portlandite, C-S-H). Cette activité chimique dégage beaucoup de chaleur. Les hydrates formés commencent à s’enchevêtrer et créent donc un solide. La fin de la période de prise est caractérisée par une accélération de l’hydratation.

Période de durcissement : La durée de cette période se prolonge pendant des mois au cours desquels les résistances mécaniques continuent à augmenter. Les grains anhydres se trouvent recouverts d’une couche d’hydrates qui s’épaissit de plus en plus. Pour que l’hydratation se poursuive, il faut que l’eau diffuse à travers les pores des hydrates. La chaleur dégagée diminue. Si le réseau poreux est fermé, une partie du ciment n’est jamais atteinte et donc ne sera jamais hydratée.

Différentes catégories d’ettringite 

Selon les conditions de sa formation, l’ettringite peut être expansive ou non expansive. On trouve dans la littérature plusieurs propositions de nomenclature associées aux différents types d’ettringite. Celle adoptée par le groupe de travail AFGC-RGCU GranDuBé [GranDuBé, 2007], distingue trois catégories principales d’ettringite dépendant du moment où le minéral se forme et de son processus de formation dans le béton, et qui peuvent coexister dans un même béton :

● Ettringite de formation primaire (précoce) qui correspond à un produit issu de l’hydratation des ciments et qui se forme dans les premiers temps par réaction entre le régulateur de prise, le gypse, avec l’aluminate tricalcique. Elle constitue l’hydrate principal à l’origine de la prise et du durcissement du matériau et elle ne provoque pas d’expansion car elle se développe au moment où le béton est toujours fluide. Elle revêt même un caractère bénéfique puisqu’elle contribue à la cohésion de la pâte de ciment au jeune âge et que sa formation s’accompagne par une diminution de la porosité et par une augmentation de la résistance mécanique du mélange.

● Ettringite de formation secondaire (tardive) qui se forme dans le béton durci, à la faveur de circulation d’eau dans les bétons (phénomène de dissolution/ recristallisation) et de sources de sulfates externes ou internes. Cette ettringite peut générer des gonflements internes pouvant conduire à l’apparition de désordres sur les ouvrages. Dans le cas des phénomènes de dissolution/recristallisation, elle se forme par dissolution puis recristallisation de l’ettringite préexistante (ettringite primaire, ettringite de formation différée) sous forme aciculaire dans les espaces libres du béton (pores, fissures, interfaces pâte-granulats) à partir de la solution interstitielle, et ne présente généralement pas de caractère expansif. En revanche, l’ettringite de formation secondaire consécutive à un apport externe ou interne de sulfates, est susceptible de générer des gonflements internes principalement attribués aux pressions de cristallisation. Contrairement aux faciès non expansifs, cette ettringite pathologique cristallise sous une forme massive et comprimée.

● Ettringite de formation différée qui se développe suite à la mise en jeu de processus complexes consécutifs à une augmentation de température au jeune âge, température au delà de laquelle l’ettringite de formation primaire ne peut se former au cours des réactions d’hydratation du ciment et/ou est décomposée. Par la suite, des cristaux d’ettringite peuvent se former, après retour à la température ambiante et en présence d’humidité, dans le béton durci, et sont ainsi susceptibles de provoquer des pressions de gonflement conduisant à des phénomènes d’expansion.

L’exothermie des bétons 

Suite à l’exothermie des réactions d’hydratation du ciment Portland, un dégagement de chaleur accompagne les phases de prise et de durcissement. La quantité de chaleur dégagée dépend essentiellement de la formulation du béton, en particulier de la nature et du dosage du liant. De plus, les vitesses des réactions d’hydratation sont fortement influencées par la température (thermo-activation). À titre d’exemple, une température de 40°C au lieu de 20°C provoque une accélération par un facteur allant de 2 à 4 [LCPC, 2007].

L’élévation de température au sein d’un élément en béton dépend de l’exothermie du béton mais aussi de la géométrie des pièces, de la température initiale du matériau et des déperditions thermiques. Ainsi, le matériau, la géométrie de la pièce et les conditions aux limites sont des paramètres qui sont à la fois mis en jeu. Cette élévation de température peut provoquer des endommagements pouvant être dus notamment à des fissurations par retrait thermique gêné [Meland et al., 1997], à des altérations des propriétés mécaniques à long terme [Taylor et al. , 2001] ou à des formations différées d’ettringite. Ainsi, ces endommagements peuvent faciliter les pénétrations d’eau dans le matériau et favoriser les réactions sulfatiques internes. De plus, des températures élevées modifient la nature des hydrates formés et abaissent les caractéristiques du béton à long terme par rapport au même béton non étuvé, et en particulier la résistance en compression [Fu et al., 1995 ; Kjelssen et Detwiler, 1992].

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I. Etude bibliographique
I.1. Introduction
I.2. L’hydratation du ciment
I.3. Différentes catégories d’ettringite
I.4. L’exothermie des bétons
I.5. Formation différée d’ettringite
I.6. Manifestations des désordres dus à la formation différée d’ettringite
I.7. Paramètres influençant la RSI
I.7.1. Conditions thermiques aux jeunes âges
I.7.2. Paramètres liés au ciment
I.7.3. Paramètres liés au béton
I.7.4. Paramètres liés à l’environnement de conservation
I.7.5. Interdépendance des différents paramètres : Etudes de Brunetaud
I.8. Essais accélérés d’évaluation
I.9. Mécanismes d’expansion
I.9.1. Théorie colloïdale
I.9.2. Expansion uniforme de l’ettringite
I.9.3. Expansion par pression de cristallisation
I.9.4. Mécanisme proposé par Brunetaud
I.10. Effets des sollicitations mécaniques sur la perméabilité du béton
I.11. Modélisation de la RSI
I.12. Conclusion
Chapitre II. Evaluation du risque de développement de la RSI dans un béton d’enceinte de confinement
II.1. Introduction
II.2. Simulation de l’échauffement au jeune âge du radier général d’une enceinte de confinement
II.2.1. Modèle thermo-chimique
II.2.2. Structure à modéliser – maillage
II.2.3. Réponse thermique du radier
II.2.4. Conclusion
II.3. Programme expérimental
II.3.1. Formulation du béton du radier
II.3.2. Fabrication des éprouvettes
II.3.3. Traitement thermique
II.3.4. Cycles de séchage et d’humidification
II.3.5. Conditionnement des éprouvettes
II.3.6. Procédures de suivi des corps d’épreuve
II.4. Présentation et analyse des résultats
II.4.1. Comparaison des variations massiques et dimensionnelles
II.4.2. Evolution des modules dynamiques
II.4.3. Effet du gonflement sur les propriétés mécaniques
II.4.4. Interaction gonflement – perméabilité – porosité
II.4.5. Couplage expansion-prise de masse
II.4.6. Apport des mesures complémentaires
II.5. Conclusion
Chapitre III. Etude de l’effet de l’hygrométrie environnante sur la RSI
III.1. Introduction
III.2. Matériaux et techniques expérimentales
III.2.1. Composition et fabrication des bétons
III.2.2. Traitement thermique
III.2.3. Conservation des éprouvettes
III.2.4. Suivi des corps d’épreuve
III.2.5. Observations au Microscope Electronique à Balayage
III.3. Présentation et analyse des résultats
III.3.1. Etude des évolutions massiques et dimensionnelles
III.3.2. Comportement hydrique
III.3.3. Caractérisation du lessivage des alcalins
III.3.4. Etude des évolutions du module dynamique
III.3.5. Etude de l’interaction gonflement-perméabilité-porosité
III.3.6. Etude du couplage expansion-variation de masse
III.3.7. Apport des observations microscopiques
III.4. Conclusion
Chapitre IV. Etude de l’impact du squelette granulaire sur le phénomène de gonflement par RSI
IV.1. Introduction
IV.2. Programme expérimental : définition, mise au point et fabrication
IV.2.1. Matériaux étudiés
IV.2.2. Fabrication et échauffement
IV.2.3. Conservation et suivi des corps d’épreuve
IV.3. Etude des comportements des matériaux
IV.3.1. Comparaison des évolutions des courbes d’expansion
IV.3.2. Discussion sur la nature des inclusions
IV.3.3. Discussion sur l’influence de la granulométrie
IV.3.4. Variations massiques et comportements hydriques
IV.3.5. Caractérisation microscopique
IV.3.6. Evolutions des modules dynamiques
IV.4. Analyse quantitative de la fissuration des matériaux
IV.4.1. Méthode des sécantes orientées
IV.4.2. Préparation de l’échantillon
IV.4.3. Analyse d’images et calcul des paramètres de fissuration
IV.4.4. Comparaison des paramètres de fissuration
IV.5. Modélisation numérique des gonflements par RSI
IV.5.1. Méso-modèle mécanique
IV.5.2. Réponse macroscopique
IV.6. Conclusion
Conclusion générale

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