I -6) Mécanisme et réactions
d'hydratation:
Lorsque le ciment est au contact de l'eau, les
réactions au cours du gâchage forment des CSH en libérant
des ions Ca2+ et OH-, ces deux espèces se
combinent et forment la portlandite.
Comme on peut le voir, l'hydratation des silicates peut
être séparée en cinq périodes
distinctes :
Figure I -5:Flux thermique
dégagé par une pate de ciment Portland en cours
d'hydratation. [8]
Dans sa thèse, Barcelo [40]
décrit ces 5 périodes de la manière suivante :
- Période 1 : réactions
initiales (réaction quasi-instantanée et fortement exothermique,
provoquant un premier pic de dégagement de chaleur. Cette
première réaction consomme moins de 1 % de
C3S).Lorsque les silicates entrent en contact avec l'eau, les ions
(SiO4)4- qui sont en surface des grains passent en
solution (sous la forme de complexes (H2SiO4)
2- ou (H3SiO4)-). La
présence de ces ions fait alors augmenter la conductivité du
milieu. Une couche protectrice de C-S-H se forme alors autour des grains ne
permettant plus la réaction entre les silicates et l'eau.
-Période 2 :
(période d'induction) Durant cette période (appelée aussi
période dormante) il y a peu d'activité chimique, ce qui se
traduit par un faible dégagement de chaleur (Cette étape permet
notamment le transport du béton ou du mortier avant qu'il ne fasse
prise) Durant cette période, la concentration en calcium croît
alors que celle en silice décroît. La conductivité augmente
toujours, mais plus faiblement que dans la 1ère
période. Ainsi, il apparaît que des C-S-H dits métastables
(C-S-H (m)) continuent de se former autour des grains de C3S alors
que la portlandite ne précipite pas. Cette période peut varier
considérablement d'un type de mélange à l'autre.
-Période 3 :
(période d'accélération) Cette période est
marquée par un fort dégagement de chaleur ce qui se traduit par
une activité chimique intense. En général, c'est durant
cette période que survient la prise. Deux types de réactions
mènent à la formation des C-S-H dits stables (C-S-H(s)) et de la
portlandite : soit par l'hydroxylation des C-S-H(m), soit par celle des
C3S. La formation de ces hydrates fait diminuer les concentrations
ioniques de la solution interstitielle, ce qui se traduit alors par une baisse
de la conductivité.
-Période 4 :
(période de décélération) La couche d'hydrates
formée ne permet plus qu'une réaction d'hydratation par
diffusion. L'eau diffuse dans le matériau afin d'atteindre les
composants anhydres du système, ralentissant alors
considérablement la cinétique d'hydratation. Ceci correspond sur
la courbe à une diminution de la chaleur dégagée. De
même que pour la 3ème période, plus les hydrates
se forment, moins il y a d'ions dans la solution interstitielle, ce qui
entraîne une diminution de la conductivité.
Période 5 :
(période de consolidation) Le ralentissement, dû au
caractère diffusionnel de la réaction d'hydratation, peut
s'étaler sur des mois ou des années. Cette période va
permettre au béton de mûrir et à ses
caractéristiques d'atteindre leurs valeurs maximales en terme de
résistance ou de durabilité, la microstructure continue de se
densifier. Les C-S-H ainsi que les cristaux de portlandite continuent de se
former et de remplir la porosité.
Pour comprendre les changements chimiques et physiques qui
se produisent au cours de l'hydratation du ciment portland, il est essentiel
d'étudier séparément les réactions des silicates et
des aluminates :
A-Hydratation du silicate tricalcique (C3S) (alite) :
Le C3S est le constituant majeur du clinker (50
à 70% de sa masse). Le C3S confère rapidement au
ciment une résistance élevée, son hydratation
n'évolue pratiquement plus après 28 jours. La réaction du
C3S avec l'eau conduit à la formation de deux composés
:
· Du silicate de calcium hydraté ou
CSH (Calcium Silicate Hydraté), composé non
stoechiométrique, dont le rapport CaO/SiO2 varie autour de
3/2. Les forces de Vander Walls sont en partie responsables de la
cohésion du gel CSH. Les CSH assurent les caractéristiques de
cohésion des matériaux cimentaires et contribuent essentiellement
à la résistance mécanique.
· La portlandite Ca(OH)2 ou
CH qui est un composé défini bien
cristallisé, sous forme de larges feuillets hexagonaux, joue un
rôle primordial sur la durabilité du béton mais participe
peu au développement de sa résistance mécanique. En
présence de matériaux à propriétés
pouzzolaniques, la portlandite se combine avec SiO2 pour former du
C-S-H cela entraîne une augmentation de la résistance du
mélange. La portlandite (hydroxyde de calcium, Ca(OH)2 )
occupe 20-25 % du volume de la pâte hydratée de ciment, c'est un
produit soluble qui assure la stabilité du tampon basique des ciments
(pH < 12,4).Cela crée un milieu favorable aux
armatures métalliques.
La réaction d'hydratation des silicates
tricalciques peut être représentée, sans prendre en
considération la complexité de la réaction, par
l'équation suivante :
2
C3 S + 6 H ? C3 S2 H3
+3CH [8]
Figure I -6 : CSH fibreux avec
Cristal de Portlandite (X) entre des CSH (#),
La porosité est repérée par (O) .
[3]
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