Etude des principaux modes d’action de systèmes accélérateurs des ciments Portland

par Marie Jachiet

Thèse de doctorat en Chimie et physico-chimie des matériaux

Sous la direction de Nathalie Azema.

Soutenue le 24-11-2017

à Montpellier , dans le cadre de Sciences Chimiques (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-....) , en partenariat avec Centre des Matériaux des Mines d'Alès (Alès) (laboratoire) .

Le président du jury était Eric Garcia-Diaz.

Le jury était composé de Nathalie Azema, Eric Garcia-Diaz, Martin Cyr, Philippe Grosseau, Gwenn Le Saout, Vanessa Kocaba, Frédéric Leising.

Les rapporteurs étaient Martin Cyr, Philippe Grosseau.


  • Résumé

    Les accélérateurs sont des adjuvants couramment employés dans les matériaux cimentaires afin d’accélérer leur prise et/ou leur durcissement. Leur ajout permet d’accélérer les cadences de production de béton préfabriqué ou encore de compenser le retard d’hydratation induit par l’emploi d’ajouts minéraux cimentaires ou par des conditions hivernales. De nombreuses espèces chimiques, molécules ou ions, connues pour leur pouvoir accélérateur ont été étudiées dans la littérature. Néanmoins, souvent leur mode d’action est associé à une simple activation chimique, se caractérisant par l’accélération de l’hydratation de certaines phases cimentaires. Or au sein de la pâte cimentaire, ces adjuvants peuvent aussi avoir une action physique et modifier l’état de dispersion des grains de ciment, ce qui pourrait indirectement influencer la réactivité chimique.L’objectif de ce travail est donc d’étudier les modes d’action de différents systèmes accélérateurs en combinant l’analyse de la réactivité chimique du ciment et de l’organisation mésostructurale. Plusieurs amines de structures moléculaires différentes et plusieurs sels sodiques ont été employés seuls ou de manière combinée dans des pâtes cimentaires et des mortiers normalisés. Ces matériaux ont alors été étudiés de l’échelle nano/microscopique, puis mésoscopique à macroscopique, sur une période de temps s’étalant des premières minutes d’hydratation jusqu’à 28 jours. L’analyse du liquide interstitiel des pâtes cimentaires a permis d’évaluer les capacités de sorption et de complexation des adjuvants. Via des suivis d’hydratation par calorimétrie isotherme, diffraction des rayons X et analyse thermogravimétrique, l’impact des accélérateurs sur la dissolution des phases cimentaires anhydres et la précipitation d’hydrates a été déterminé. En parallèle, l’organisation mésostructurale des suspensions cimentaires adjuvantées a été analysée de manière directe par microscopies et granulométrie laser. Le comportement rhéologique et le suivi de sédimentation ont aussi permis d’appréhender indirectement l’état de dispersion des pâtes cimentaires. Pour finir, à l’échelle du mortier, des mesures de résistance à la compression ont été réalisées et la microstructure des échantillons a été étudiée par porosimétrie mercure et surface spécifique BET.La combinaison de ces caractérisations chimiques, physico-chimiques et granulaires a permis de mettre en évidence les principaux modes d’action des différentes familles d’accélérateurs. En particulier l’influence sur l’accélération de la structure moléculaire des amines et des espèces ioniques présentes dans le sel a été appréhendée. Enfin, l’emploi de combinaisons d’accélérateurs a permis de moduler l’accélération d’hydratation du matériau cimentaire et d’obtenir des effets synergiques.

  • Titre traduit

    Study of the main modes of action of Portland cement accelerator systems


  • Résumé

    Accelerators are common cement additives used in order to accelerate setting and/or hardening. Their addition allows accelerating production rates of precast concrete or compensating hydration retardation induced by the use of supplementary cementitious materials or by winter conditions. Several chemical species, molecules or ions, known for their accelerator power have been studied in the literature. However, their mode of action is often simply associated to chemical activation, which is characterized by hydration acceleration of particular cement phases. Yet, inside the cement paste, these additives can also have a physical action and modify the dispersion state of cement grains, which might indirectly influence chemical reactivity.Therefore the objective of this work is to study the modes of action of different accelerator systems by combining the analysis of cement chemical reactivity and mesostructural organization. Some amines with different molecular structures and some sodic salts were used individually or in a combined way in cement pastes and normalized mortars. These materials were then studied from nano/microscopic to mesoscopic and macroscopic scale over a period of time ranging from the first minutes of hydration till 28 days. The analysis of the pore solution allowed evaluating the additive sorption and complexation ability. Cement hydration was followed by isothermal calorimetry, X-ray diffraction and thermogravimetric analysis in order to determine the impact of accelerators on anhydrous cement phase dissolution and hydrate precipitation. In parallel, mesostructural organization of admixtured cement suspensions was analyzed indirectly by microscopy and laser granulometry. Rheological and sedimentation behavior also allowed apprehending indirectly the dispersion state of cement paste. Lastly, at mortar scale, compressive strength measurements were performed and sample microstructure was studied by mercury intrusion porosimetry and BET specific surface.The combination of these chemical, physicochemical and granular characterizations allowed highlighting the main modes of action of the different accelerator systems. In particular, the influence on acceleration of amine molecular structure and salt ionic species was apprehended. Finally, the use of combinations of accelerators allowed modulating the hydration acceleration of cementitious materials and obtaining synergetic effects.



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