Fissuration des mortiers - CSTB

Étude des phénomènes chimiques et physiques agissant sur le comportement des mortiers
1 Introduction
Ce premier chapitre est consacré à une revue bibliographique non exhaustive sur le processus
d’hydratation des matériaux cimentaires. Cette étude constitue une base de connaissance
de la microstructure et de son développement au cours de l’hydratation. Elle nous aide à comprendre
les mécanismes chimiques et physiques mis en jeu dès les premiers instants après la
mise en oeuvre. Elle nous permet également d’être averti des conséquences de l’exposition aux
conditions extérieures, qui peuvent difficilement être contrôlées lors de l’application du mortier.
Pour finir, l’analyse de l’effet de plusieurs adjuvants sur les principales propriétés des mortiers
est discutée et contribue à une meilleure compréhesion des phénomènes observés lors de la
campagne expérimentale.
2 L’hydratation
Lorsque l’on évoque la réaction d’hydratation des matériaux cimentaires, on fait référence,
en réalité, à de nombreux processus chimiques et physiques, faisant intervenir tous les composés
du ciment. Le clinker en est le composé majoritaire lorsqu’on s’intéresse à un ciment Portland
(type CEM I), mais, du gypse est également introduit lors de sa fabrication afin de réguler la
prise. Les quatres composés principaux du clinker sont : le silicate tricalcique noté C3S, le silicate
bicalcique ou C2S, l’aluminate tricalcique C3A et l’aluminoferrite tetracalcique C4AF. En
présence d’eau, ces composés vont réagir et former les principaux hydrates de la pâte de ciment,
à savoir : le silicate de calcium hydraté ou C-S-H, la portlandite Ca(OH)2, le trisulfoaluminate
de calcium appelé aussi ettringite (noté AFt) et le monosulfoaluminate (noté AFm).
D’un point de vue purement chimique, deux théories se sont très longtemps opposées pour
tenter d’expliquer les mécanismes mis en jeu lors de la réaction d’hydratation. Henri Le Chatelier
(Le Chatelier 1887 [1]), dans sa thèse, généralisa une théorie de l’hydratation pour tous
les liants hydrauliques à partir de résultats obtenus sur du gypse. Le système anhydre, mis en
contact avec l’eau, doit se dissoudre et sursaturer la solution. La différence de solubilité entre
l’hydrate et le composé anhydre, fait précipiter les hydrates, ce qui provoque une réduction de
la concentration en ions dissous dans la solution. Ce mécanisme peut ainsi se repéter dans le
temps et l’enchevêtrement progressif des cristaux, explique le phénomène mécanique de durcissement.
Michaelis (Michaelis 1909 [2]), quant à lui, défendait une théorie qualifiée de colloïdale
ou topochimique. Celle-ci s’appuie sur le fait que les produits d’hydratation se forment sur le
grain anhydre, formant un gel quasiment insoluble, sorte de barrière autour du grain de ciment.
Il semblerait que les deux théories puissent s’appliquer à différents moments de l’hydratation
et pour différents hydrates. Dans le cas des C-S-H notamment, la germination et la croissance
s’opère aussi bien à partir de la solution interstitielle, qu’à proximité du grain de ciment
(Garrault et Nonat 2001 [3]). De surcroît, de nombreuses recherches sont encore menées sur ce
sujet car tous les phénomènes ne sont pas encore totalement élucidés.
2.1 Hydratation du C3A
En l’absence de gypse, l’hydratation du C3A est extrêmement rapide, exothermique et perturbe
l’hydratation des silicates. Il s’en suit un phénomène de prise très rapide, empêchant la
mise en oeuvre du matériau. Pour remédier à cela, les cimentiers incorporent systématiquement
du gypse dans la composition de leur ciment. Ainsi, la réaction des aluminates avec le sulfate
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