Calorimétrie isotherme

L’étude par calorimétrie isotherme a été réalisée dans le but de mesurer le temps de prise du plâtre et de comprendre le mécanisme d’hydratation en étudiant notamment les phénomènes d’adsorption et d’absorption de l’eau. De nombreuses études, portant sur la réaction d’hydratation du semihydrate de calcium ont mis en évidence une modification de la cinétique de la réaction d’hydratation du plâtre en fonction de la granulométrie et en présence de charges. Le calorimètre utilisé est de type Tian Calvet-température ambiante. Il est maintenu à une température de 25 °C pendant les mesures. L’échantillon de plâtre et les additifs selon les cas, sont placés dans un creuset contenu dans une canne de mesure. Creuset et canne sont en verre de silice. Le volume d’eau déterminé pour un rapport massique eau/plâtre (e/p) donné est introduit dans le creuset grâce à une seringue graduée. L’eau est tout d’abord thermalysée dans la zone isotherme du calorimètre au dessus du plâtre afin qu’avant réaction, Teau = Téchantillon = Tcalorimètre. Le système atteint l’équilibre thermique à 25 °C en une quarantaine de minutes. Toute perturbation thermique dans la cellule de mesure due au mouvement de l’eau dans la canne est ainsi minimisée. Au moment où l’eau est injectée dans le creuset l’acquisition des mesures commence. On mesure en fonction du temps, la f.e.m (µV) proportionnelle au flux de chaleur mis en jeu au cours de la réaction d’hydratation du plâtre et qui traverse le capteur constitué d’une pile thermoélectrique. Le dispositif utilisé est présenté Figures V-1 et V-2.

Dans la littérature [82], l’enthalpie d’hydratation du semi hydrate pur reconnue est – 111,72 J/g. Pour déterminer le coefficient d’étalonnage il faut effectuer le rapport entre l’effet thermique mesuré expérimentalement (Qexp) et l’effet thermique reconnu de la réaction (Qthéo). Qexp est obtenu en intégrant l’aire du pic observé par la méthode des trapèzes et Qthéo est calculée à partir de l’enthalpie de la réaction d’hydratation du semihydrate et de la masse initiale d’échantillon analysé. L’effet thermique mesuré expérimentalement (Qexp) au cours de la réaction d’hydratation est comparé à l’effet thermique théorique de la réaction (Qthéo). Le coefficient d’étalonnage σ est donné par le rapport Qthéo / Qexp. Qthéo est calculée à partir de l’enthalpie de la réaction d’hydratation du semihydrate et de la masse initiale d’échantillon analysé et Qexp est obtenue en intégrant l’aire du pic observé par la méthode des trapèzes. Les valeurs obtenues pour les cinq mesures sont données dans le Tableau V-1.

Analyse par calorimétrie isotherme du plâtre industriel

La figure V-5 présente deux pics exothermiques, le premier représente le phénomène de mouillage correspondant à la physisorption de l’eau à la surface du plâtre, on parle d’adsorption, le second pic représente le phénomène d’hydratation par absorption de l’eau. A partir de cette courbe nous pouvons déterminer la quantité de chaleur dégagée au cours de l’hydratation du plâtre en intégrant l’aire des deux pics par la méthode des trapèzes et grâce au coefficient d’étalonnage. Dans le cas de l’hydratation du plâtre l’enthalpie totale calculée est de -103 J/g L’énergie d’adsorption est de -10 J/g et l’énergie d’absorption est de -93 J/g d’où le rapport des deux énergies est de 9,3. Le temps écoulé entre le moment où on injecte l’eau dans le calorimètre et le temps correspondant au maximum du pic d’hydratation nous permet d’évaluer le temps de prise tm. Dans le cas du plâtre industriel le temps de prise tm est de 68 ± 3 min.

Influence de la granulométrie du plâtre industriel sur la cinétique de la réaction d’hydratation

Afin d’observer l’influence de la granulométrie du sulfate de calcium sur la réaction d’hydratation, nous avons tamisé du plâtre industriel à différentes granulométries moyennes. L’appareil utilisé est une tamiseuse As 200 control « g » de la marque Retsch. Les thermogrammes de mesures en calorimétrie isotherme effectuées sur les différentes tranches granulométriques sont présentés sur la figure V-6. La figure V-6 montre que les cinq courbes présentent deux pics exothermiques. Le pic 1 qui est le pic de mouillage et le pic 2 qui est le pic d’hydratation. Plus les grains sont gros et plus le flux de chaleur maximal enregistré est grand. Toutefois la quantité de chaleur totale dégagée pour les différentes granulométries de plâtre est la même comme le montre le tableau V-2. En effet, l’hydratation des tranches granulométriques faibles présente un maximum de flux de chaleur (vitesse maximale de réaction) moins intense mais se déroule sur un temps plus long.