17.5.2 Hydratation et microstructure

L’ajout de SAP a des effets majeurs sur le processus d’hydratation et le développement de la microstructure du béton. Cela se produit pour un certain nombre de raisons. Premièrement, l’absorption initiale de SAP pourrait modifier le rapport w/b effectif et les caractéristiques d’hydratation précoce. Deuxièmement, la libération ultérieure de l’eau du SAP favorise la poursuite de l’hydratation du ciment, produisant des produits d’hydratation supplémentaires, et le raffinement des pores. Troisièmement, le SAP séché et effondré laisse derrière lui des macro-vides dispersés dans la pâte de ciment durcie, ce qui modifie la porosité totale et la distribution des tailles, en fonction du dosage du SAP. Cela induit également une interface entre le SAP et la matrice de pâte de ciment avec des caractéristiques de microstructure uniques qui peuvent avoir des conséquences importantes.

Mechtcherine et al. (2014) et Justs et al. (2014) ont observé que le SAP provoquait un léger retard dans l’hydratation précoce, tandis que Hasholt et Jensen (2015) ont signalé un léger effet d’accélération. Dans ces cas, de l’eau supplémentaire a été ajoutée pour compenser l’absorption du SAP dans le mélange frais. Néanmoins, la plupart des études s’accordent à dire que le SAP augmente le degré d’hydratation à des âges plus avancés, notamment à partir de 14 jours, en raison de l’eau supplémentaire rendue disponible pour réagir avec le ciment (par exemple, Igarashi et Watanabe, 2006 ; Lura et al., 2006 ; Justs et al., 2014). En outre, l’hydratation à plus long terme semble être contrôlée par le rapport w/b total plutôt que par le rapport w/b effectif initial (Justs et al., 2014 ; Reinhardt et Assmann, 2014 ; Hasholt et Jensen, 2015). En d’autres termes, le degré ultime d’hydratation dépend de l’eau totale disponible dans le système, indépendamment du fait qu’une partie de celle-ci a été entraînée dans le SAP à des âges précoces.

L’amélioration de l’hydratation dans les systèmes contenant du SAP devrait conduire à une réduction de la porosité capillaire et à un affinement de la distribution de la taille des pores, en particulier à des âges plus avancés. Cependant, les conclusions des études disponibles ne sont pas totalement concordantes. Cela est dû au fait que l’effet net sur la structure des pores dépend d’un certain nombre de facteurs, notamment le dosage et la capacité d’absorption du SAP, le rapport w/b et l’ajout ou non d’eau supplémentaire pendant le dosage pour compenser l’absorption du SAP. La réduction de la porosité capillaire résultant de l’amélioration de l’hydratation (durcissement interne) ou de la diminution du rapport w/b effectif due à l’absorption du SAP peut ou non être suffisante pour contrebalancer l’augmentation de la porosité due à la formation de macro-vides. L’effet net dépend également du rapport w/b car le durcissement interne n’est bénéfique que pour les systèmes ayant un rapport w/b très faible. Ceci met en évidence les effets contraires du SAP sur la microstructure. Les incertitudes dans l’estimation de l’absorption du SAP dans les matériaux cimentaires, comme discuté dans la section 17.4.3, compliquent encore cette question.

Par exemple, certaines études utilisant la porosimétrie par intrusion de mercure ont trouvé une porosité totale plus élevée dans les mortiers et les bétons contenant du SAP et de l’eau entraînée. Ceci a été attribué aux macro-vides qui se forment lorsque le SAP sèche (Mönnig, 2005 ; Mechtcherine et al., 2009). Cependant, une porosité totale plus faible a été observée dans les systèmes sans eau entraînée (Mönnig, 2005 ; Igarashi et Watanabe, 2006), probablement parce que le rapport w/b effectif a été diminué par l’absorption du SAP. En utilisant la tomographie à rayons X, Lura et al. (2008) ont observé une réduction des petits pores capillaires due aux produits d’hydratation supplémentaires provenant du durcissement interne et une réduction de la microfissuration causée par le retrait autogène. En utilisant la sorption de la vapeur d’eau, Snoeck et al. (2015) ont observé que les pâtes de ciment avec SAP et sans eau entraînée présentaient une légère diminution de la gamme des micro (<2 nm) et mésopores (2-50 nm). Les pâtes de ciment avec SAP et eau entraînée n’ont montré aucun changement significatif dans la gamme des micropores, mais une légère augmentation dans la gamme des mésopores plus grands. Beushausen et al. (2014) n’ont pas non plus trouvé d’effet significatif du SAP sur la porosité, ce qui suggère que le vide initial plus élevé créé par le SAP est compensé par une microstructure améliorée par le durcissement interne.

La Fig. 17.4 montre quelques exemples d’images électroniques rétrodiffusées de pâtes, mortiers et bétons contenant du SAP. On peut voir que les particules de SAP et les macro-vides sont isolés et bien distribués dans la pâte de ciment durcie. Les macro-vides vont de ~10 à plus de 500 μm, en fonction de la taille initiale du SAP sec et du gonflement (Lam, 2005 ; Lee et al., 2010a,b,c, 2016). La limite des macro-vides a tendance à suivre la forme initiale du SAP sec, comme cela a également été observé par tomographie à rayons X (Lura et al., 2008). La particule de SAP effondrée peut apparaître comme une particule solide, poreuse/cellulaire ou en forme d’anneau étroit. Certains échantillons présentent un espace entre la pâte et le SAP en raison du retrait (Lam, 2005), tandis qu’une bonne liaison est conservée dans les échantillons contenant du SAP polymérisé en suspension avec une texture rugueuse et une surface plus importante (Lee et al., 2010a,b,c), comme le montre, par exemple, la figure 17.4F. Parfois, les macro-vides contiennent des précipités d’hydroxyde de calcium ou de petits grains de ciment qui ont ensuite réagi pour former des produits d’hydratation dans le réservoir d’eau, remplissant l’espace initialement occupé par le SAP gonflé (Fig. 17.4D-F).

La pâte de ciment entourant le SAP présente une microstructure très variable et partage des caractéristiques similaires à la  » zone de transition interfaciale  » agrégat-pâte et à l’interface vide d’air-pâte (Scrivener et al, 2004 ; Wong et Buenfeld, 2006 ; Wong et al., 2011). L’interface contient moins de ciment que la pâte en vrac plus éloignée, en raison de la perturbation de l’emballage des particules. Elle a également tendance à être très poreuse et contient parfois de grands dépôts d’hydroxyde de calcium (Fig. 17.4C,D). Ces caractéristiques peuvent être attribuées à la forte teneur en eau à la surface du SAP gonflé, ou peut-être à la libération précoce de l’eau absorbée dans la pâte environnante, provoquant une précipitation préférentielle. Le rétrécissement du SAP lorsqu’il sèche peut entraîner la microfissuration de la pâte de ciment environnante (Lee et al., 2010a,b,c), mais l’humidité libérée par le SAP devrait favoriser la poursuite de l’hydratation et le développement de la microstructure dans la pâte environnante. Dans les mortiers et les bétons, les vides de SAP ont la taille des grains de sable et peuvent s’étendre entre les particules d’agrégat (Lee et al., 2016), par exemple, Fig. 17.4B.

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