Généralités sur les matériaux cimentaires

Les matériaux cimentaires

Le ciment est une poudre minérale très fine, constituée de silicates et d’aluminates de chaux qui s’hydratent en présence d’eau et qui durcissent progressivement à la suite de réactions chimiques. Sa fabrication se fait en plusieurs étapes :• Extraction des calcaires (CaCO3) et argiles (Al2O3 – SiO2) des carrières. • Concassage des matériaux puis homogénéisation : 80% de calcaire / 20% d’argile. • Cuisson dans un four jusqu’à 1450-1550°C. • Refroidissement (trempe) du mélange, le clinker est alors obtenu.

Le clinker (mélange obtenu) est broyé et une source de sulfates (gypse ou anhydrite) est ajoutée à hauteur de 3 à 5 %, ce dernier est indispensable car il permet la régulation de la prise du ciment. Cette dernière étape permet l’obtention du ciment Portland. D’autres éléments peuvent être ajoutés au clinker pour obtenir différents types de ciments : • Fumée de silice : sous-produit de l’industrie du silicium composé de plus de 95 % de SiO2 amorphe. • Cendres volantes : fine poudre provenant de la combustion du charbon (SiO2, Al2O3 et Fe2O3). • Laitier de haut-fourneau : sous-produit provenant de l’industrie métallurgique. • Pouzzolane : roche volcanique de structure alvéolaire constituée de scoriesbasaltiques.

Hydratation du ciment Portland

L’hydratation est l’ensemble des réactions chimiques qui interviennent lorsque la poudre de ciment est mélangée avec de l’eau. Ces réactions chimiques se produisent en différentes étapes décrites pour la première fois en 1887 par Henri Le Chatelier [4]: 1. Les quatre constituants principaux du ciment (C3S, C2S, C3A et C4AF) se dissolvent. 2. L’eau de gâchage s’enrichit en calcium, silicium, aluminium, alcalins et sulfates. Il y a sursaturation de la solution vis-à-vis des phases hydratées. 3. La limite de sursaturation étant atteinte, il y a précipitation des hydrates (Portlandite (CH) et Silicates de calcium hydratées (C-S-H)). 4. Cette précipitation fait diminuer la concentration des espèces en solution et permet un nouveau passage en solution des composés anhydres.

Au contact de l’eau (H), les C3S se dissolvent très rapidement et conduisent à la précipitation de silicates de calcium hydratés (C-S-H) et de portlandite (CH). Les C-S-H formés présentent un rapport CaO/SiO2 (C/S) variant entre 1,5 et 1,7. Pour un rapport de 1,7, le bilan de ces réactions peut s’écrire comme ceci [5] : Le C3A est une phase qui réagit extrêmement vite en contact de l’eau. C’est pour cette raison que du sulfate de calcium est rajouté au clinker afin de ralentir et contrôler ces réactions d’hydratation qui conduisent à la formation de sulfoaluminate de calcium hydraté. Il s’agit le plus souvent de l’ettringite (C6A𝑆̅3H32) et de monosulfoaluminate de calcium hydraté (C4A𝑆̅H12).

Les principales phases hydratées

La Portlandite (hydroxyde de calcium) représente environ 25 % en volume des produits d’hydratation pour une pâte de ciment Potland (ou CEMI) durcie. Elle provient de l’hydratation des C3S et C2S. Elle se dissout et précipite dans les pores du matériau et contribue avec les alcalins (Na2O et K2O) à la basicité de la solution interstitielle du béton (pH = 12,5 à 13,5). L’équilibre chimique de la portlandite dans un milieu cimentaire sans présence d’alcalins s’établit à un pH de l’ordre de 12,45 à 25°C. Ce dernier monte à 13,5 en présence des bases alcalines. La portlandite cristallise sous forme de cristaux hexagonaux plus ou moins développés dans la pâte de ciment.

Les C-S-H sont les principaux composés et hydrates de la pâte de ciment après hydratation (Figure 1). Ils résultent de l’hydratation des C3S et des C2S. On les appelle également le « gel de C-S-H » à cause de leur caractère gorgé d’eau et le fait qu’ils ont un faible taux de cristallisation. Ils désignent un ensemble de particules contenant du calcium, du silicium et de l’eau. L’essentiel des propriétés mécaniques de la matrice cimentaire est apporté par les C-S-H. La porosité est un paramètre déterminant quant aux propriétés de transport des matériaux cimentaires. Cette porosité est d’autant plus influente quand elle est interconnectée [9]. La distribution porale est un paramètre tout aussi important.

Powers [10] fait l’hypothèse que cette porosité des hydrates ne dépend pas du rapport eau/ciment et de l’état d’avancement de l’hydratation. Feldman et al [11] Daimon et al [12] distinguent deux gammes de pores dans la porosité des C-S-H : des larges pores inter- cristallites situés entre les particules du gel, et des petits pores intracristallites situés à l’intérieur des particules de C-S-H. Tennis et al [13] distinguent également une porosité inter-cristallite et une porosité intra-cristallite. Les pores capillaires sont des pores de grand diamètre (supérieur à 10-30 nm) [10], définis comme l’espace entre les grains de ciment non comblé par les hydrates. La porosité capillaire forme un réseau continu de pores interconnectés. Le volume et la taille de ces pores décroit avec l’avancement de l’hydratation. Le rayon critique se situant au niveau du pic des pores capillaires et défini comme étant le rayon à partir duquel il se forme un chemin continu d’écoulement à travers le matériau. Il diminue avec le rapport eau/ciment (Figure 4) [14], [15]. Les pores capillaires influencent donc très fortement les phénomènes de transport dans les matériaux cimentaires.