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TP Matériaux de Construction- Section Matériaux
EIDGENÖSSISCHE TECHNISCHE HOCHSCHULE LAUSANNE
POLITECNICO FEDERALE DI LOSANNA
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY LAUSANNE
INSTITUT DES MATERIAUX
LABORATOIRE DE MATERIAUX DE CONSTRUCTION
TRAVAUX PRATIQUES DE MATERIAUX DE CONSTRUCTION :
ETUDE DE MATERIAUX CIMENTAIRES PAR
DIFFRACTION DES RAYONS X
A remettre avant le : 23 mai 2008
MATERIAUX 6 ème SEMESTRE – 2007-2008
Resp. : Gwenn Le Saout
DATE……………………
GROUPE ………………
NOMS……………………
ECOLE POLYTECHNIQUE
FEDERALE DE LAUSANNE
Version 3, mise à jour : 080318 1/10

TP Matériaux de Construction- Section Matériaux
Le but de cette séance est de montrer comment la diffraction des rayons X sur poudre
peut être utilisée pour étudier la microstructure d’un matériau cimentaire à la fois
quantitativement et qualitativement. Plus précisément, on essaiera d’une part d’identifier les
phases en présence dans un ciment anhydre et une pâte de ciment, et d’autre part de
déterminer approximativement l’âge d’une pâte de ciment.
Pour un rappel de cours de diffraction des rayons X et de cristallographie, vous pouvez
vous reporter au site web du Laboratoire de Cristallographie :
http://lcr.epfl.ch/page37304.html.
1. Principes de base de la mesure
La méthode générale consiste à bombarder l'échantillon avec des rayons X, et à regarder
l'intensité de rayons X qui est diffusée selon l'orientation dans l'espace. Les rayons X diffusés
interfèrent entre eux, l'intensité présente donc des maxima dans certaines directions ; on parle
de phénomène de diffraction. On enregistre l'intensité détectée en fonction de l'angle de
déviation 2θ du faisceau; la courbe obtenue s'appelle le diffractogramme.
L'échantillon est une poudre homogène isotrope ou bien un solide composé de minuscules
cristaux soudés entre eux; on parle de fait de méthode des poudres.
La source de rayons X est un tube sous vide, muni d'un dispositif permettant de ne
sélectionner qu'une seule longueur d'onde (filtre, monochromateur); on travaille en
monochromatique.
Diffractomètre Bragg-Brentano
C'est le montage le plus courant. L'échantillon se présente dans une coupelle remplie
de poudre avec un niveau plan. Dans la configuration dite «θ-θ», l'échantillon est horizontal et
immobile, le tube et le détecteur de rayons X bougent symétriquement. Si 2θ est la déviation
du faisceau, l'angle entre l'horizontale et le tube vaut donc θ de même que l'angle entre
l'horizontale et le détecteur, d'où le nom du montage.
Figure 1: Définition des angles dans le montage de Bragg-Brentano
2. Introduction à la diffraction de poudre des rayons X
Les rayons X sont une onde électromagnétique et interagissent avec le nuage électronique
des atomes. Parmi les interactions possibles, il y a la diffusion élastique : les rayons X sont
diffusés dans toutes les directions de l'espace, en gardant la même énergie, la même longueur
d'onde.
Lorsque les rayons X frappent un morceau de matière, ils sont donc diffusés par chacun
des atomes de la cible. Ces rayons X diffusés interfèrent entre eux. Si les atomes sont
ordonnés, c.-à-d. placés à des intervalles réguliers (ce qui caractérise les cristaux), alors ces
interférences vont être constructrices dans certaines directions (c.-à-d. les ondes
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s'additionnent), destructrices dans d'autres (c.-à-d. les ondes s'annulent). Ces interférences
d'ondes diffusées forment le phénomène de diffraction. Donc, pour certains angles de
déviation 2θ du faisceau, on détecte des rayons X (interférences constructrices), ce sont les
pics du diffractogramme; ces angles de déviation sont caractéristiques de l'organisation des
atomes dans la maille cristalline. Dans les autres directions, on ne détecte pas de rayon X,
c'est la ligne de fond du signal.
Position des pics sur le diffractogramme, loi de Bragg
Si on calcule les directions dans lesquelles on a du signal, on s'aperçoit que l'on obtient
une loi très simple: si on trace des plans imaginaires parallèles passant par les atomes (Figure
3), et si on appelle d la distance entre ces plans (ou «distance interréticulaire»), alors les
interférences sont constructrices si elles obéissent à la loi de Bragg (Figure 4).
Maille élémentaire Réseau cristallin
Indices de Miller
OA=1 , OB=2 , et OC=3 pour le plan ABC
1/OA = 1/1 1/OB = 1 /2 1/OC = 1/3
indices de Miller ( h k l )
( 1/1 x 6 =6 ) ( 1 /2 x 6 = 3 ) ( 1 /3 x 6 = 2 ) 632
Figure 2: plan cristallographique et indices de Miller
Loi de Bragg nλ=2 d sinθ
Figure 3: Loi de Bragg
Intensité
K e K
I ( hkl ) α =
ρ
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α
( hkl ) α
X
( μ/ρ ) s
α

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Intensité théorique des pics
L'intensité intégrale Ihkl d’une phase cristalline α dans un mélange s, c.-à-d. la surface d'un
pic de diffraction, correspond à l'énergie diffractée par le plan (hkl) de la phase α, est donnée
par :
K eK
I ( hkl)
α =
ρ
avec :
α
( hkl)
α
X
( μ/ρ)
s
α
Ke constante de l’appareillage (longueur d’onde incidente, distance échantillondétecteur…)
K(hkl)α constante caractéristique du plan de diffraction (hkl) de la phase α dans
l’échantillon (positions atomiques, volume de la maille…)
Xα fraction massique phase α
ρα densité de la phase α
(μ/ρ)s coefficient d’atténuation massique de l’échantillon
Au cours de ce TP, nous effectuerons :
- Une acquisition de diffractogramme d’un composé sur un diffractomètre Bragg-
Brentano ;
- Une analyse qualitative avec le logiciel X’Pert High Score Plus ;
- Une analyse quantitative par la méthode de Rietveld.
3. Application aux matériaux cimentaires
Analyse qualitative d’un échantillon de la série I, phases anhydres:
Les composés présents dans le clinker sont des formes impures de 3CaO SiO2, 2CaO SiO2,
3CaO Al2O3 et 4CaO Al2O3 Fe2O3. Pour former le ciment Portland du gypse (CaSO4 2H2O)
est ajouté et broyé avec le clinker. Ces phases sont cristallines et présentent des pics de
diffractions relativement fins. D’autres ajouts peuvent également se trouver dans les
matériaux cimentaires pour former des ciments mélangés.ces ajouts peuvent être :
- de la calcite,
- du laitier de haut fourneaux
- de la fumée de silice,
- des cendres volantes,
- de l’argile calcinée…
Ainsi, la fumée de silice est une silice (SiO2) ultra fine issue de l’industrie de la fabrication du
silicium ou des alliages à base de silicium. Sa structure est amorphe et ne présente pas de pics
de diffraction.
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Quelles sont les origines du laitier et des cendres volantes ?
Pourquoi l’utilisation de ces matériaux permet de réduire le taux d’émission de CO2 ?
Le logiciel utilisé permet une analyse qualitative des différents échantillons. Deux
échantillons (série I) par groupe seront analysés.
Décrivez les différentes étapes de l’analyse qualitative
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Quelles sont les phases cristallines contenues dans les échantillons analysés ?
Selon vous quelle est l’origine de chacun de ces échantillons (ciment, laitier, cendres…) ?
N° de l’échantillon analysé
N° de l’échantillon analysé
Analyse quantitative d’un échantillon de ciment anhydre par analyse Rietveld:
Décrire succinctement le principe de l’analyse par affinement Rietveld?
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Analyse quantitative d’un ciment Portland?
N° de l’échantillon analysé
3CaO SiO2 :
2CaO SiO2 :
3CaO Al2O3 :
4CaO Al2O3 Fe2O3 :
Sulfates :
Analyse qualitative d’un échantillon de la série II, phases hydrates:
Les échantillons étudiés sont issus d’une pâte de ciment dont l’hydratation a été stoppée à
différents temps de réaction. La pâte a été préparée en mélangeant intimement le ciment à de
l’eau à hauteur d’un rapport massique eau / ciment égal à 0.40. Un tel mélange prend en
quelques heures mais la réaction d’hydratation continue pourtant aussi longtemps que
l’échantillon est conservé dans un environnement humide.
Quels sont les mécanismes réactionnels des phases du ciment et les hydrates générés?
Quelles phases sera-t-il difficile a priori de caractériser par diffraction des Rayons X ?
Hydratation de 3CaO SiO2 :
Hydratation de 2CaO SiO2 :
Hydratation de 3CaO Al2O3
Hydratation de 4CaO Al2O3 Fe2O3
:
Quelles sont les avantages d’une analyse sur une tranche d’échantillon ?
-
-
:
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Quelles sont les phases cristallines contenues dans les échantillons analysés ?
N° de l’échantillon analysé :
Phases du matériau anhydre :
Phases apparues lors de l’hydratation :
Trouver vous une bonne cohérence entre les mécanismes réactionnels décrits ci-dessus et
l’analyse qualitative par DRX, si non pourquoi ?
Le taux de Portlandite (CH) dans un ciment peut être un bon indicateur du degré
d’hydratation d’un ciment (sauf si on a une réaction pouzzolanique). En vous référant à la
figure ci-dessous, pouvez vous estimer approximativement l’age de votre échantillon ?
En vous référant à la figure ci-dessous, pouvez vous estimer approximativement l’âge de
votre échantillon ?
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anhydre
2 j
7 j
28 j
1 an
30 32 34
Angle 2θ (degrees) CuKα
La méthode du standard interne permet d’estimer la quantité d’amorphe dans un
ciment. On ajoute 10% en masse de CaF2 à notre échantillon. L’analyse Rietveld
indique une teneur en CaF2 de 20% en masse. Quelle est la teneur en amorphe dans
l’échantillon initial ? (indiquez les étapes du calcul).
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CH
C 3 S

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Quelle technique permet une analyse élémentaire (teneur en oxyde des différents
éléments) ? Peut-on établir un lien entre les résultats de cette analyse élémentaire et une
analyse Rietveld ?
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