Notions de rappel sur l’hydratation du ciment

L’hydratation du ciment 

Le ciment est un liant hydraulique qui, mélangé avec l’eau, donne des produits chimiquement stables même dans l’eau conférant au solide, après cure, une résistance mécanique élevée. Le ciment Portland, le plus répandu parmi les liants hydrauliques, est un mélange de gypse et clinker. Le clinker est un produit obtenu en cuisant, vers 1450° C, des mélanges appropriés de calcaire et d’argile. Le clinker du ciment Portland est donc un mélange de plusieurs constituants minéralogiques impurs [Che, 06].

L’hydratation du ciment est l’ensemble de réactions chimiques qui se produisent entre le ciment et l’eau. Ces réactions vont commencer dès la mise en contact de ces deux phases. L’hydratation du ciment s’opère par dissolution des solides anhydres, suivie d’une précipitation des hydrates formant une structure mécaniquement résistante. Les réactions d’hydratation forment la portlandite Ca(OH)2, noté CH, sous forme de plaquettes hexagonales et des silicates de calcium hydratés, noté C-S-H [Gui, 04].

L’excès de calcium, libéré par les réactions d’hydratation du liant, se retrouvent sous forme de portlandite Ca(OH)2 cristallisée. La portlandite (CH), formée lors de l’hydratation du ciment Portland est en partie responsable du pH élevé de la solution interstitielle (tampon à pH ~12,5) [Cod, 07].

Plusieurs études ont été élaborées sur l’acier en présence d’un milieu électrolytique où la solution est l’hydroxyde de calcium saturé [Sar, 02(b) et Bla, 06] ; bien que la solution interstitielle des bétons contient aussi des ions supplémentaires différents selon le type de ciment utilisé [Mor, 87 et Pag, 83]. Les espèces ioniques majeures incluent les cations tels que Ca2+, Na+ et K+ et les anions tels OH- et SO4 2-. Les ions de sodium et potassium proviennent des oxydes alcalins, Na2O et K2O que l’on trouve dans le ciment. En revanche, les ions de sulfates peuvent provenir du gypse ajouté pendant la production du ciment, ou des agrégats contaminés, ou bien de l’eau de gâchage [Oli, 08].

La chimie de la solution des pores 

Le processus de l’hydratation du ciment concerne essentiellement les interactions entre les composés solides et la phase liquide dans la pâte de ciment. Cette phase liquide contenant des ions, est appelée « solution du pore”. La solution du pore est importante dans les applications du béton à cause des cinq facteurs qui suivent :

1. la phase liquide dans le béton est principalement responsable du transfert des substances et fournit des chemins pour la pénétration de substances externes,
2. la probabilité d’être en présence de la réaction Alcali-Silice « ASR », réaction de détérioration majeure observée dans quelques structures en béton, qui est due exclusivement à la concentration de l’hydroxyle dans la solution du pore, bien que la plupart du temps ce terme inclut les ions alcalins [Dia, 75],
3. l’hydratation des constituants du ciment contaminés est influencée par la composition chimique de la solution du pore en changeant la solubilité des précipitants [Van, 01],
4. l’importance du maintien de la haute alcalinité de la solution du pore pour stabiliser le film oxydant en surface de la barre d’acier qui inhibe la corrosion supplémentaire,
5. l’effet de quelques additions supplémentaires (fumées de silice, cendres volantes, etc.) dépend de la composition chimique de la solution du pore [Bro, 02 et Zho, 93].

En plus de l’influence chimique de la solution du pore sur les propriétés du béton, on peut avoir aussi des effets physiques ayant une incidence sur les propriétés globales du béton. Citons l’exemple de la solution du pore, qui se trouve concentrée de plus en plus suite au processus de l’hydratation, ce qui engendre la diminution de l’humidité relative interne dans les milieux du pore et aggrave ainsi l’effet de dessiccation.

La compréhension de ces phénomènes, a été à l’origine de nombreuses recherches sur la composition de la solution du pore de la pâte du ciment et du béton lors de ces dernières décennies [Ber, 04 ; Dia, 81 ; Lar, 90 ; Lon, 76 ; Lon, 73 ; Lot, 06 ; Pag, 83 ; Rot, 02 ; Des, 04 et Van, 01]. La plupart de ces recherches se sont concentrées sur le développement de la composition de la solution du pore dans la pâte du ciment hydratée à l’aide de tests expérimentaux. Les effets de différents facteurs sur la composition de la solution du pore ont été examinés, comme l’utilisation de matériaux complémentaires [Dia, 81 et Lon, 76], l’addition de sels minéraux [Pag, 83; Sch, 01 et Xu, 97], l’alcalinité du ciment [Deh, 02], la carbonatation du béton [Ans, 04] et lixiviation des substances [Sag, 97].

Les méthodes proposées par Taylor [Tay, 87] et d’autres développées par Brouwers et Van Eijk [Bro, 03] sont très utiles pour prévoir les concentrations alcalines dans un ciment portland durci et des pâtes de ciment hydraté [Che, 06].