Stabilité des mousses de ciment : lien avec les propriétés rhéologiques de la pâte de ciment

Cement foam stability : link with cement paste rheological properties

• Auteur / Autrice : Blandine Feneuil
• Direction : Olivier Pitois, Nicolas Roussel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 11/10/2018
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est) - Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205
• Jury : Président / Présidente : Véronique Schmitt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Pitois, Nicolas Roussel, Jean-Baptiste d' Espinose
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne-Laure Biance, Guillaume Ovarlez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Mousses cimentaires

Plasticité

Ciment

Rhéologie

Mots clés libres

Ciment

Mousse

Rhéologie

Cement

Foam

Rheology

Résumé

Les mousses de ciment présentent d'intéressantes propriétés : une faible densité, une faible consommation de matière première et une bonne résistance thermique. Certaines propriétés finales de la mousse dépendent de sa morphologie. Pour mieux comprendre cette dépendance, on veut créer des échantillons de mousse de ciment avec une structure bien contrôlée. On crée des échantillons de mousses de ciment composés de bulles de même taille, en choisissant la quantité d'air, de ciment, d'eau et de tensioactif. Pour ce faire, on mélange d'une part une mousse aqueuse de morphologie contrôlée, stabilisée par des tensioactifs, et d'autre part une pâte de ciment. Le but de cette thèse est d'étudier comment conserver cette structure jusqu'à la prise du ciment. Tout d'abord, nous étudions d'interaction entre tensioactifs et pâte de ciment. Certains tensioactifs ne sont pas compatibles avec la solution alcaline présente dans la pâte de ciment et ne permettent pas de produire une mousse dans ces conditions. Parmi les tensioactifs compatibles avec la solution interstitielle de ciment, certains s'adsorbent sur les grains de ciment. Cette adsorption change les interactions entre grains de ciment et par conséquent, la contrainte seuil de la pâte. A faible concentration en tensioactif, la monocouche de molécules adsorbée rend les grains de ciment hydrophobes, ce qui produit une attraction hydrophobe entre grains et une augmentation de la contrainte seuil de la pâte. A forte concentration en tensioactif, les micelles adsorbées engendrent une répulsion stérique entre les grains de ciment et une chute de la contrainte seuil. Dans un deuxième temps, nous étudions l'effet des bulles d'air sur la contrainte seuil d'une pâte de ciment aérée, lorsque celle-ci contient moins de 40% d'air. Les mesures sont normalisées par la contrainte seuil de la pâte interstitielle afin d'être comparées à la littérature. Lorsque le tensioactif utilisé s'adorbe peu sur les grains de ciment, les résultats sont semblables à ceux de la littérature obtenus sur des fluides à seuil modèles. En revanche, lorsque le tensioactif utilisé a une grande affinité avec les grains de ciment, la contrainte seuil normalisée est bien au-dessus des prédictions. Notre hypothèse pour expliquer ce résultat est une modification des propriétés de surface des bulles à cause de l'adsorption des grains de ciment rendus partiellement hydrophobes par le tensioactif. Ensuite, nous nous focalisons sur la stabilité des mousses de ciment avant la prise, pour une fraction d'air de 83%. On s'intéresse tout d'abord à trois séries de mesures, en gardant pour chacune le rapport eau-sur-ciment et la taille des bulles constante. Pour chacune des trois séries, seule la contrainte seuil de la pâte de ciment est changée par l'addition de superplastifiant ou d'une grande quantité de tensioactif anionique. On obtient alors un résultat inattendu : la meilleure stabilité est observée pour des tailles de bulles relativement faibles. La comparaison avec les mesures des propriétés rhéologiques de la mousse fait penser que la bonne stabilité aux faibles contraintes seuil est due à la réorganisation des grains de ciment en un réseau granulaire plus dense. Pour aller plus loin sur l'étude de la stabilité des mousses, nous avons ensuite fait varier la taille des bulles, la rapport eau-sur-ciment et la quantité de tensioactif. Nous avons pu définir un critère de stabilité pour l'ensemble de ces mousses qui dépend de la contrainte seuil interstitielle de la pâte de ciment confinée par les bulles et de la taille des bulles. Pour finir, nous mesurons la résistance en compression de mousses de ciment et leur vitesse d'imbibition afin de corréler ces propriétés à leur structure

Cement foams advantages compared to normal concrete is their low density, low material need and thermal insulation properties. To better understand how the morphology of the cement foam affects its properties, we create solid cement foam with well controlled structure. This involves two steps: the creation of the fresh cement foam with chosen structure, and the stability of this structure up to cement hardening. Our cement foam fabrication protocol allows us to obtain fresh cement foams samples with very well controlled parameters. For each sample, all the bubbles have the same size, and we can select the content of air, water, cement and surfactant. This technique consists in mixing a well-controlled precursor aqueous foam stabilized by surfactant, with a cement paste prepared separately. First, we study the interaction of surfactants and cement paste. Some surfactants cannot stabilize foam in cement paste highly alkaline solution. Some others, mainly anionic surfactants, adsorb on cement grains surface, which modifies interactions between cement grains and consequently the yield stress of the cement paste. At low surfactant concentration, cement grain surface becomes hydrophobic and yield stress increases due to hydrophobic attraction between cement grains. At high surfactant concentration, adsorbed micelles create a steric repulsion between cement grains and make yield stress of cement paste drop. In a second chapter, we study the effect of bubbles on the yield stress of aerated cement paste. To compare the results with the literature, the measured yield stress is normalized by the yield stress of the suspending cement paste, i.e. taking into account the effect of surfactant. For a surfactant with low affinity to cement grains surface, results are consistent with literature, whereas reduced yield stress is much higher than expected when surfactant strongly adsorb on cement grain surface. This effect is attributed to the change of the bubble surface properties due to the adsorption of hydrophobic cement grains at the air-liquid interface. Then, we focus on cement foam stability, at air content 83%. We first study three series of experiments at given water-to-cement ratio and bubble size. For each series, the yield stress of the cement paste is changed by addition of superplasticizer or high amount of anionic surfactant. Unexpectedly, the best foam stability is obtained for relatively low yield stress. Rheological measurements on the fresh cement foams allowed us to understand this improved stability as a consequence of the reorganization of cement grains into denser packing. In a second part on stability, we study the influence of bubble size, water-to-cement ratio and surfactant content. A stability criterion is defined from the bubble size and the interstitial cement paste yield stress. Eventually, we observe that cement foam structure affects water imbibition velocity and mechanical resistance to compression of hardened cement foams