Interactions entre organo-silanes et client : conséquences sur l'hydratation et les propriétés mécaniques

Interactions ciment-organofunctional silanes : implications on hydration and on mechanical properties of the modified systems

• Auteur / Autrice : Anca Itul
• Direction : André Nonat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie - physique
• Date : Soutenance le 20/05/2010
• Etablissement(s) : Dijon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot (Dijon ; .....-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Bourgeois
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Robert Flatt, Andraz Legat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mette Geiker, Donald Macphee

Mots clés

Mots clés contrôlés

Béton -- Chimie

Rhéologie

Silane -- Dérivés

Ciment

Mots clés libres

Ciment

Silanes organofonctionnels

Hydratation

Rhéologie

Résistance

Cement

Organofunctional silanes

Hydration

Rheology

Strength

Résumé

Aujourd'hui le béton est l'option la plus attrayante pour le secteur de la construction. Ceci est du au fait que le béton est un matériau peu couteux et que sa fabrication nécessite peu d'énergie et a un faible impact environnemental En outre, les structures en béton sont durables et performantes mais le béton nécessite d’être associé à des armatures d’acier, car le il présente une faible résistance à la traction.Du point de vue de la chimie, le point faible provient de l’origine de la cohésion du ciment utilisé pour la fabrication du béton. Des expériences à l’échelle nanométrique et des simulations numériques ont montré que la cohésion de la pâte de ciment résulte de forces de courte portée qui s'exercent entre les surfaces de silicates de calcium hydratés (C-S-H) dans la solution interstitielle.Cette thèse explore l'ingénierie de la liaison entre les grains de ciment en vue d'améliorer les propriétés mécaniques des matériaux cimentaires. Nous visons à introduire en plus de celles déjà existantes, des forces de cohésion à longue portée entre les grains à l’aide de liaisons chimiques pour conduire à une augmentation de la résistance à la traction et de la ténacité. La stratégie choisie a été de greffer différents silanes organo-fonctionels sur le ciment anhydre. Deux méthodes possibles de silanisation ont été étudiées et les produits modifiés ont été caractérisés.La première méthode a consisté à mélanger directement la poudre de ciment avec les silanes. Il a été montré que, ce faisant, pâtes de ciment et de mortiers présentent une maniabilité améliorée. En outre, il a été observé que les silanes influent fortement l'hydratation, principalement en retardant l'hydratation des silicates et en réduisant leur degré d'hydratation. En conséquence, une perte sévère de résistance a été constatée dans tous les tests mécaniques standards effectués. Ceci est lié à la dose excessive de silane incorporée au ciment pour atteindre l'homogénéité du mélange au cours de l’hybridation.Une deuxième méthode de silanisation a été développée afin de permettre la diminution du dosage des silanes en gagnant en homogénéité. Elle consiste à mélanger le ciment dans une solution de silane dans un solvant non aqueux. Cette méthode à permis en outre d’obtenir des données quantitatives relatives à l’adsorption des silanes utiles à une meilleure compréhension des interactions silane-ciment. Elles constituent en effet des moyens indirects aidant à caractériser les substrats modifiés. Il a été constaté que les interactions silane-ciment dépendent fortement du type de solvant utilisé. La couverture de la surface a également été calculée et est loin d'être une monocouche. Elle est constituée d’espèces chimiquement et physiquement adsorbées qui influencent les propriétés des ciments modifiés.En termes de vitesse d'hydratation, les plus forts effets de ralentissement sur l’hydratation des silicates sont toujours associés aux silanes affichant une plus faible affinité avec la surface, mais fortes de liaisons avec cette dernière. En termes de rhéologie, tous les silanes améliorent grandement la capacité des pâtes à résister à une charge au-dessus de la limite élastique. Il en résulte une augmentation de résistance à la flexion jusqu'à 35% par rapport au ciment pur.

Nowadays concrete is the most attractive option for the construction sector. This is because concrete itself is a low cost, low energy and low environmental impact material. Moreover, concrete structures are very durable and high load bearing. This is achieved by incorporating steel, because concrete itself is a very low tensile strength material. Chemically, the weakness originates in the cohesive nature of cement used for concrete making. Nanoscale experimental investigations and numerical simulations showed that cohesion of cement paste is caused by short range surface forces acting between calcium silicate hydrates (C-S-H) in the interstitial solution. This thesis addresses the possibility of engineering the bonding between hydrates in order to tune the mechanical properties of cementitious materials. We aim at introducing long range cohesion forces between hydrates in addition to the existing ones. This should potentially lead to an increase in strength and toughness. The strategy chosen was to hybridize the cement prior to hydration with organofunctional silanes. Two possible methods of silanization were investigated and the modified products have been characterized. The first method consisted in dry blending cement powder to silanes. It is shown that by doing so, cement pastes and mortars exhibit improved workability. In addition, we have observed that silane agents strongly affect the hydration kinetics, mainly by retarding the hydration of silicates and reducing their degree of hydration. As a consequence, severe strength loss was evidenced in all standard mechanical tests. This was related to excessive dosage of silane to cement imposed to reach good mix homogeneity during hybridization.A second silanization methodology was developed in order to allow diminishing the dosage of silane without facing inhomogeneity mix issues. It is shown that by adsorbing silane from organic solvents we gain a better understanding of silane-cement interactions. In addition, the adsorption data provide indirect means to help characterize the modified substrates. It was found that silane-cement interactions strongly depend on the type of the solvent used as vehicle media. The surface coverage has also been calculated and is far from being monolayer because both chemically bonded and physically adsorbed species are assumed to be present. This further influences the properties of the modified cements. In terms of hydration kinetics, stronger retarding effects of silicates hydration are always associated to silanes displaying lower surface affinity, but stronger surface bonding. In terms of rheology, all silanes greatly improved the ability of pastes to withstand load above the critical deformation. This results in increased bending strength by up to 35% compared to neat cement.