Hydratation CSH

hydratation des ciments: Pourquoi ça colle?

Scénario rapide du processus d'hydratation du ciment et des gels de C-S-H

A quoi ressemblent ces gels de C-S-H si particuliers?

Sommaire

Février 2024

Les super-pouvoirs des C-S-H

Conclusion

Avant de commencer, un petit test, juste pour se mettre dans le bain...

Question préliminaire

Février 2024

Scenario rapide du processus d'hydratation

Apparition des acteurs principaux, les gels de C-S-H !

Le pitch du film

Les ciments sont majoritairement constitués de silicates de calcium, des produits synthétisés à très haute température (1400-1500°C) dans les fours de cimenteries, dont vous voyez l'intérieur ici.

Le ciment est avide d’eau. Dès qu’il est mélangé avec de l’eau, il commence par se dissoudre pour produire des hydrates. Ces hydrates sont sous forme de nanocristaux et de gels, et baignent dans une solution au pH très élevé (12,5-13,5) qui remplit pores et capillaires.

Ce processus démarre dès le contact avec l’eau, mais va se prolonger longtemps et de plus en plus lentement, pendant des jours, des semaines et des mois. Au moment de la prise du ciment, quelques heures après le contact avec l’eau, seule une portion de 3 à 4 % du ciment est hydratée. Il faut attendre 28 jours pour atteindre entre 70% et 90% de portion hydratée.

La Réaction

La réaction chimique qui se produit est la suivante Silicates de calcium anhydres + Eau => Gels de silicates hydratés + Hydroxyde de calcium ou encore Silicates de calcium + Eau => C-S-H + CH

En notation de chimiste, l’hydroxyde de calcium s’écrit Ca(OH)2. Les minéralogistes l’appellent Portlandite. En notation simplifiée de cimentier, on écrit CH, avec C= CaO = Chaux et H = H2O = Eau. On parle aussi de Chaux Hydratée.

La Réaction

Silicates de calcium + Eau => C-S-H + CH

Pour les gels de silicates hydratés, c’est plus compliqué ! Ils n’’ont pas une formule chimique stricte et constante. Ils sont amorphes et poreux. Ils n’ont pas une composition et une structure mais des compositions et des structures possibles, qui varient en fonction.

• Du rapport Eau/Ciment du béton
• De la composition de départ du ciment, et notamment la présence ou non d’additions minérales fines
• De la température
• De la présence d’adjuvants (Accélérateurs, retardateurs, dispersants…)

@researchgate.net

La Réaction

Silicates de calcium + Eau => C-S-H + CH

Les cimentiers utilisent l’écriture C-S-H avec C=CaO=Chaux, S=SiO2=Silice et H=Eau=H2O, et même Cx-Sy-Hz, pour bien signifier que les valeurs de x, y et z peuvent varier localement et dans le temps. Le rapport Ca/Si des C-S-H varie entre 1,5 et 2. La composition peut également inclure,en petites quantités, des ions Al (on parle alors de C-A-S-H), Fe et Mg .

@researchgate.net

A quoi ressemblent ces gels de C-S-H si particuliers ?

Les personnages principaux du scénario, pas faciles à percer !

La nanostructure

La structure du gel de C-S-H est complexe et mal définie. Elle est généralement décrite comme un gel amorphe avec des domaines nanocristallins. Les nanoparticules de gel de C-S-H se présentent sous forme de particules sphériques ou lamellaires d'un diamètre moyen de 5 à 10 nm (1 nm = 1 milliardième de mètre). Elles s'agglomèrent en structures plus grandes, comme on peut le voir ici . Deux types de modèles sont utilisés pour décrire la structure des C-S-H : les feuillets ou la différenciation selon la densité.

Rouzbeh Shahsavary, Sung Hoon Hwang @intechopen.com

Le modèle des feuillets

Ce modèle propose l'arrangement de feuillets de silicate de calcium liés par des cations de calcium et des molécules d'eau. Ces feuillets sont souvent enchevêtrés et forment une structure en réseau. La taille des feuillets peut varier, mais elle est généralement de l'ordre de quelques nanomètres d'épaisseur. Chaque feuillet est constitué de couches de CaO polyédrique (Intralayer), en sandwich entre des chaines de tétraèdres de SiO2. Ces tétraèdres chargés négativement attirent des ions Ca2+ et des molécules d’eau en inter-couche (Interlayer).

Byong Hooi Cho, Wonseok Chung, Boo Hyun Nam @mdpi.com

Qi Zhang, Guang Ye @akjournals.com

La différenciation par la densité

L’autre façon de classer et caractériser les gels de C-S-H consiste à les différencier en 2 catégories selon leur densité :

Gel de C-S-H de faible densité (Low Density LD C-S-H: 1,6 à 2,0 g/cm³, structure poreuse et ouverte, feuillets fins et allongés • Propriétés: Haute capacité d'absorption d'eau, Faible résistance mécanique, Bonne perméabilité

Gel de C-S-H de forte densité (High Density HD C-S-H): 2,2 à 2,6 g/cm³ Structure compacte et dense, feuillets plus courts et plus larges • Propriétés: Faible capacité d'absorption d'eau, Haute résistance mécanique, Faible perméabilité

Le gel de faible densité (LD C-S-H) est associé à une structure plus ouverte et poreuse, tandis que le gel de forte densité (HD C-S-H) est associé à une structure plus compacte. Il se forme avec des rapports Eau/Ciment faibles, donc dans des bétons à Haute ou Ultra-Haute Performance.

Jeffrey J. Thomas, Georgios Constantinides @researchgate.net

Les super pouvoirs des C-S-H

Le dénouement : On va savoir pourquoi ça colle !

Les super pouvoirs des C-S-H

Les C-S-H constituent environ 60% partie des produits issus de l’hydratation des ciments. De ce fait, ils jouent un rôle crucial sur les propriétés des bétons dans lesquels ils vont se développer au contact des autres ingrédients tels quels les sables ou les additions minérales fines. En fait, si ça colle, c’est grâce à eux !

Ils sont responsables :• De la cohésion et de la maniabilité du béton frais • De la montée en résistance mécanique du béton durci, en liant les grains entre eux • De la durabilité des bétons, en particulier en protégeant les armatures d’acier contre la corrosion • De la perméabilité des bétons en créant une matrice poreuse

@researchgate.net

By Murat Soyluoglu

Les super pouvoirs des C-S-H

1 g => 1 m2 de recouvrement

Leur premier super-pouvoir: Ils développent une surface spécifique énorme Surface spécifique = Superficie de la surface réelle (« dépliée ») par unité de masse (m²/kg ou m²/g, plus « parlant »).

By Rachel Claire

Silicates de calcium anhydres des grains de ciment : Surface spécifique = 1 m2 /g => Si on parvenait à étaler une couche de ces grains sans qu’ils ne se superposent en hauteur (c’est une image très simplificatrice bien sûr), avec un gramme, on recouvrerait une petite table de cuisine.

1 g => 200 m2 de recouvrement

Gels de C-S-H : Surface spécifique = 200 m2 /g => Si on parvenait à étaler une couche « sans recouvrement » de ces gels, avec un gramme, on recouvrerait 20 tables de banquet de 10m de long.

Les super pouvoirs des C-S-H

En créant cette quantité énorme de surface poreuse, ils vont avoir 2 effets bénéfiques pour les bétons :

• Ils vont remplir la porosité initiale du béton, c’est-à-dire tous les vides qui existent au départ entre les grains, depuis les plus gros (macropores > 1µm) jusqu’aux plus petits (micropores < 0,01 µm) en passant par les pores capillaires (0,1µm) . • Ils vont développer des forces de surface (Forces de Van Der Waals + Liaisons Hydrogène + Forces électrostatiques d'attraction et de répulsion).

En contrôlant ces forces, on peut influencer la microstructure, la résistance et la durabilité du béton final.

Pas d'évaluation chiffrée, juste une question pour vous assurer que les messages-clès sont passés...

Test d'ancrage

Février 2024

Pas d'évaluation chiffrée, juste une question pour vous assurer que les messages-clès sont passés...

Test d'ancrage

Février 2024

En conclusion

Le comblement de la porosité initiale (eau et air) de la pâte de ciment et les forces de surface jouent LE rôle fondamental dans la formation, la structure et les propriétés des gels de C-S-H formés pendant l'hydratation du ciment. Comprendre ces forces est essentiel pour optimiser la conception du béton et améliorer ses performances mécaniques et durables.

MERCI pour votre attention !

jmcasabonne@flexilearn.fr