Mesure des paramètres physico- chimiques de la pate de ciment

Rondet

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Mesure des paramètres physico- chimiques de la pate de ciment N. Bentaieb, D. Touil , A. Lachemet , F.R..Zirour,S .Belaadi, and C. Frances Faculté de Génie Mécanique et Génie des Procédés, U.S.T.H.B BP 32 El Alia BEZ Alger Département De Chimie Industrielle Faculté Des Sciences De L’ingénieur U.S.D – Blida LGC, UMR 5503 CNRS/ENSIACET Toulouse France [e-mail] [e-mail] [e-mail] [e-mail] [e-mail] [e-mail] Résumé : Le travail consiste en une analyse thermique par microcalorimétrie à balayage différentiel du comportement à l’hydratation de la pate du ciment. Il a permis de mettre en évidence l’évolution de l’enthalpie et de la chaleur spécifique de ces composés en fonction d’une part du rapport massique eau/ciment (E/C) et d’autre part de l’influence de la vitesse de chauffe (∆T/mn) Par la suite notre objectif est d’évaluer l’influence de la température et l’effet des rapports E/C sur les cinétiques d’hydratation du ciment. La calorimétrie adiabatique permet de suivre l’hydratation du ciment sans pertes thermiques, plusieurs réactions sont donc accélérées par une augmentation de la température. Les paramètres tirés de ces modélisations de courbes nous ont permis de calculer les énergies d’activation apparente qui sont toutefois difficiles à interpréter.

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• Publié par: zirour
• Publié le: 24 novembre 2013
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Mesure des paramètres physico- chimiques de la pate de ciment     N. Bentaieb, D. Touil , A. Lachemet , F.R..Zirour,S .Belaadi, and C. Frances   Faculté de Génie Mécanique et Génie des Procédés, U.S.T.H.B BP 32 El Alia BEZ Alger Département De Chimie Industrielle Faculté Des Sciences De L’ingénieur U.S.D – Blida LGC, UMR 5503 CNRS/ENSIACET Toulouse France [e-mail]  [e-mail]  [e-mail]  [e-mail]  _ di@y s belaa ahoo.fr  [e-mail]    Résumé : Le travail consiste en une analyse thermique par microcalorimétrie à balayage différentiel du comportement à l’hydratation de la pate du ciment. Il a permis de mettre en évidence l’évolution de l’enthalpie et de la chaleur spécifique de ces composés en fonction d’une part du rapport massique eau/ciment (E/C) et d’autre part de l’influence de la vitesse de chauffe (∆T/mn) Par la suite notre objectif est d’évaluer l’influence de la température et l’effet des rapports E/C sur les cinétiques d’hydratation du ciment. La calorimétrie adiabatique permet de suivre l’hydratation du ciment sans pertes thermiques, plusieurs réactions sont donc accélérées par une augmentation de la température. Les paramètres tirés de ces modélisations de courbes nous ont permis de calculer les énergies d’activation apparente qui sont toutefois difficiles à interpréter. La méthode de Ténoutasse pour évaluer les paramètres cinétiques des courbes d’hydratation donne accès à une seule énergie d’activation. En effet, l’équation de type Ténoutasse peut représenter d’une manière adéquate la cinétique d’hydratation. Enfin, l’hydratation du ciment portland est due à un ensemble de réactions ayant chacune sa propre cinétique, la mesure expérimentale de la chaleur nous permet de représenter la cinétique globale de ces réactions, les valeurs d’énergie d’activation seront donc des valeurs apparentes et globales.        Mots clés : hydratation du ciment, ciments composés, analyse thermique 1/ Introduction :   L’hydratation des ciments composés donne naissance à des composés hydratés qui permettent de lier entre elles les différentes particules de ciment et de granulat pour conférer au béton ces qualités requises, notamment la résistance mécanique voulue. La dynamique des réactions d’hydratation va dépendre de nombreux facteurs tels que la finesse du ciment, le rapport eau/ciment lors de l’hydratation, la température, la technique de malaxage, la présence des sels solubles dans les fissures ainsi que les additifs tel que la pouzzolane, le tuf et les laitiers des haut fourneaux. Les ajouts pouzzolaniques forment à température ordinaire en présence d’eau par combinaison avec la chaux des composés hydratés stables, ces ajouts sont des produits essentiellement composé de silice, d’alumine et d’oxyde de fer présentant soit naturellement, soit après activation thermique des propriétés pouzzolanique. Le tuf volcanique, comme la silice amorphe ou la silice faiblement cristallisée (fumés de silice, cendres volantes, matériaux naturels : la diatomie) [1 : Mouhamadou B. Diop et al, XXIII ème Rencontre de Génie Civil 2005. Risque et Environnement]   Dans ce travail nous avons étudié l’influence de l’ajout de la pouzzolane et du tuf sur les paramètres cinétiques du ciment portland.    

  2/ Matériels et Méthodes : Nos échantillon sont analysés a l’aide d’un microcalorimètre différentiel à balayage (DSC 6) de Perkin’s-Elmer.  On prélève 0.035 ml d’eau à l’aide d’une micropipette, et d’autre part on pèse 100 mg de ciment portland, en mélangeant ces quantités d’eau et de ciment on obtient une pâte, de cette pate de ciment on prélève une quantité ne dépassant pas les 10 mg qu’on sertie dans une pastille en Aluminium, de cette façon on aura obtenu un rapport massique E/C = 0.35. L’échantillon préparé, on lance notre programme de chauffe : - La gamme de température de 20°C à 200°C Vitesse de chauffe 5°C/min - Les échantillons à analyser sont : a) ciment portland avec une surface spécifique Blaine (S.S.B) = 3495 cm 2 /g. b) ciment composé avec comme ajout le tuf et ayant une (S.S.B) = 3482 cm 2 /g. c) ciment composé avec comme ajout la pouzzolane et ayant une (S.S.B)= 3726 cm 2 /g On peut dire qu’on gardé la vitesse de chauffe et la surface spécifique Blaine constantes. Le flux thermique observé peut être identifie à la vitesse de réaction globale d’hydratation. Les courbes de dégagement de chaleur sont obtenues par intégration du flux thermique en fonction du temps..   2.1 Méthodes de Calculs 2.1.1 Calcul du degré d’hydratation         a (t)1 Q Q( m t ax ) :Cem et Con Res 32 (2002) 1277-1289][2 :L. D’Aloia, G. Chanvillard.     Q(t) : Chaleur dégagée en fonction du temps. Q max : Chaleur total dégagée après hydratation complète du ciment et calculée comme suit : Q max (J)1517M C3S #262M C2S #1144M C3A #418M C4AF #1166M CaO #850M MgO  (1)   [3 : Jean-Philippe Gagnon, thèse (M.Sc). Sherbrooke, Québec, Canada. Mai 1996]   2.1.2 Constante de vitesse K Pour calculer la constante de vitesse on applique la loi de Ténoutasse : C’est une équation cinétique de germination similaire à l’équation d’Avrami-Erofeev.   [%ln(1% a )] 1 / 2 1kt  (2)     2.1.3 Energie d’activation Les cinétiques d’hydratations utilisées dans ce travail décrivent la vitesse de réaction en termes d’équation de vitesse dépendante du temps et de la chaleur dégagée. Ces équations sont aussi dépendantes de la température d’hydratation des échantillons. L’équation d’Arrhenius permet de calculer l’influence de la température sur la vitesse de réaction. Selon la réaction l’équation est modifie sous forme :   lnk1 % Ea  (3) a

Ea : L’énergie d’activation. Les courbes de ln k en fonction de 1/T donnent selon l’équation (3) une droite dont la pente est égale à –Ea/R.

    3/ Résultats et Discussions :  

    Figure N°1 : Evaluation du flux de chaleur d’un ciment portland en fonction de la température (SSB= 3495 cm2/g , vitesse de chauffe = 5 °C/min et rapport E/C = 0.35)

    Figure N° 2 : Evaluation du flux de chaleur d’un ciment composé avec du tuf en fonction de la température (SSB= 3482 cm2/g , vitesse de chauffe = 5 °C/min  Et rapport E/C = 0.35  

    Figure N°3 : Evaluation de flux de chaleur d’un ciment composé a base de pouzzolane en fonction de la température (SSB= 3726 cm2/g , vitesse de chauffe = 5 °C/min et un rapport E/C= 0.35    Tableau N°1 : Résultats des thermogrammes Nature de ciment Température du pic  H de la réaction Ciment portland 105.19 °C 172.404 j/g Ciment composé avec du tuf 111.87 °C 358.395 j/g Ciment composé avec de la 135.32 °C 398.976 j/g pouzzolane  

80

70

60

50

40

30

20

10 0

Evaluation de flux de chaleur en fonction de la température

50

dQ/Dt(portland)

100

dQ/Dt(tuf )

150

Te m pé ratute (°C)

dQ/Dt(pouz)

200

250

300

  Fig. N° 4 : Evaluation du flux de chaleur en fonction de la température pour les trois ciments

  D’après la figure N° 4 ci-dessus, tous les échantillons représentent un seul pic thermique Exothermique et la chaleur spécifique des ciments composés est plus importante que le ciment portland.    

L N ( K ) e n f o n c t i o n d e 1/ T p o u r u n c i m e n t p o r t l a n d

-8, 7 0, 002664 0, 002666 0, 002668 0, 00267 0, 002672 0, 002674 0, 002676 0, 002678 0, 00268 0, 002682 0, 002684 -8, 75 -8, 8 8, 85 - -8, 9 y = -19871x + 44,195 -8, 95 2 = 99 R 0,99 -9 -9, 05 -9, 1

-9, 15

1 / T ( k -1 )

- 8 0 , 0 0 2 4 4 6 - 8 , 0 5 - 8 1 ,

- 8 , 15

- 8 , 2 - 8 , 2 5 - 8 , 3 - 8 , 3 5 - 8 , 4 - 8 , 4 5

- 8 , 5

0 , 0 0 2 4 4 8

-7,85 0,002596

-7,9

Evaluation de LN K en fonction de 1/T pour nu cimen t composé à base de tuf

0,002598 0,0026 0,002602 0,002604 0,002606 0,002 608 0,00261 0,002612

-7,95 -8 y = -15645x + 32,742 -8,05 R 2 = 0,999

-8,1

-8,15

E v a l u a t i o n d e L N k e n f o n c t i o n d e 1 / T

1/T (K-1)

 

0 , 0 0 2 4 5 0 , 0 0 2 4 5 2 0 , 0 0 2 4 5 4 0 , 0 0 2 4 5 6 0 , 0 0 2 4 5 8 0 , 0 0 2 4 6 0 , 0 0 2 4 6 2

y = -30606x + 66,878 R 2 = 0,9975

1 / T ( K -1 )

    Fig. N° 5 : Evaluation des constantes de vitesses et des énergies d’activation pour les trois ciments étudiés   Tableau N° 2 : Résultats des paramètres cinétiques des trois ciments étudiés   Echantillon Degré d’hydratation Constante de vitesse Energie d’activation maximum (s -1  (Kj/mol)) Ea/R  ciment portland  0.136 0.000255 -19871   Ciment composé au tuf 0.27 0.00037 -16071     Ciment composé à la pouzzolane 0.30 0.000315 -30606        

Conclusion : D’après les résultats obtenus on remarque que pour les ciments composés la chaleur dégagée lors de l’hydratation est plus intense, ceci est du à notre avis à la réactivité des ajouts additionnées qui sont très réactifs, cette réactivité est très prononcée pour la pouzzolane. Ces résultats confirment les résultats antérieurs quant à la réactivité de la pouzzolane et son influence sur l’hydratation du ciment en général. Les paramètres cinétiques nous renseignent également sur la réactivité de ces ciments en analysant les valeurs des degrés d’hydratations et des constantes de vitesses.     References [1] Barbara Lothenbach, Thamas Matschei , Goril Mosschner ,Fred P. Glasser, 2008, Thermodynamic modelling of the effect of temperature on the hydration and porosity of Portland cement, Cement and concrete research, Vol 38.   [2] David G. Snelson a, Stan Wild a, Martin O'Farr, 2008, Heat of hydration of Portland Cement– Metakaolin–Fly ash (PC–MK–PFA) blends, vol.38, Cemnet and Concrete Research Elsevier.   [3] J.Bensted. et P.N. Aukchand, 1991, Application of Heat Flow Calorimetry to the study of oil well cements, Proceeding of fifth European Symposium on Thermal Analysis and Calorimetry ,Nice, France, Vol 3,reprinted from the journal of thermal Analysis.   [4] W. Sha ,G.B.Pereira, 2001, Differential scanning calorimetry study of ordinary Portland cement paste containing metakaolin and theoretical approach of metakaolin activity , Cement and Concrete Composites vol.23.   [5] W. Sha, E.A. O’Neill, Z. Guo , 1999, Differential scanning calorimetry study of ordinary Portland cement, Cement and Concrete Research Elsevier, vol. 29   [6] G.Kakali, S. Tsivilis,andA.Tsialta, 1998, Hydratation of ordinary Portland cement made from raw mix  containing transition element oxides, cement and concrete Research, Vol. 28   [7] L.Pliskin, . 1993, La fabrication du ciment, Edition Eyrolles.   [8] R. Cioffi, M, Marroccoli, L , Santoro et G.L. Valenti, 1992,DTA study of the Hydration of systems in the field of building Materials Manufacture, journal of Thermal Analysis Vol.38.   [9] W. Nocun- Wczelik ,1992, Microcalorimetry Studies of some Cementitious Materials, Journal of Thermal Analysis.,Vol..38 , edition John Wily and Sons.   [10] K.L.Scrivener. et W.Wieker, 1992,Advances in Hydration at low, Ambient and Elevated Temperature, 9th Int. congr. Chem. Cement, New Delhi, India.