etude de la microstructure d'une pate de ciment par microscopie ...

EIDGENÖSSISCHE TECHNISCHE HOCHSCHULE LAUSANNE
POLITECNICO FEDERALE DI LOSANNA
SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY LAUSANNE
INSTITUT DES MATERIAUX
LABORATOIRE DE MATERIAUX DE CONSTRUCTION
ECOLE POLYTECHNIQUE
FEDERALE DE LAUSANNE
TRAVAUX PRATIQUES DE MATERIAUX DE CONSTRUCTION :
ETUDE DE LA MICROSTRUCTURE
D’UNE PATE DE CIMENT
PAR MICROSCOPIE ELECTRONIQUE A BALAYAGE
MATERIAUX 6 ème SEMESTRE – 2007-2008
Resp. : Vanessa KOCABA
DATE……………………
GROUPE ………………
NOMS……………………

OBJECTIFS DU TP
Le but de cette séance est de montrer comment les différentes interactions électron-matière peuvent
être utilisées 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
une pâte de ciment et d’autre part de décrire le plus précisément possible un matériau inconnu.
Pour cela, les échantillons vont être soumis au faisceau électronique d’un microscope à balayage. Un
filament de tungstène génère des électrons qui sont ensuite accélérés par une forte tension (jusqu’à
30-35 KV). Le faisceau d’électrons ainsi créé est alors focalisé très finement à l’aide de lentilles
électromagnétiques et scanne une surface définie de l’échantillon. Les interactions entre le faisceau et
l’échantillon ont lieu dans une poire d’environ 1μm 3 (plus ou moins en fonction de la tension
accélératrice appliquée et de la nature du matériau). L’échantillon émet alors divers rayonnements
caractéristiques parmi lesquels :
- les électrons secondaires (SE) qui sont arrachés aux couches électroniques supérieures des
atomes de surface lors du contact incident entre le faisceau et le matériau. Il s’agit d’un choc
inélastique et ces électrons vont former une image de la topologie du matériau,
- les électrons rétrodiffusés (backscattered electrons : BSE) qui sont des électrons du faisceau
incident qui ressortent du matériau après plusieurs collisions avec des atomes de celui-ci. Il s’agit
d’une interaction élastique (conservation de l’énergie), très sensible à la densité électronique des
atomes du matériau,
- les rayons X caractéristiques qui correspondent à des désexcitations radiatives des atomes du
matériau, suite à l’arrachement des électrons de cœur de ces atomes
Au cours de ce TP, on utilisera les X caractéristiques afin d’identifier les phases en présence dans
une pâte de ciment.
PREPARATION DES ECHANTILLONS
Les échantillons étudiés sont issus d’une pâte de ciment Portland ordinaire 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.
Les principaux oxydes de base contenus dans un matériau cimentaire sont : CaO, SiO2, Al2O3, et
Fe2O3 et sont usuellement notées :
CaO C
SiO2 S
Al2O3 A
Fe2O3 F
H2O H
2

Les composés présents dans un ciment non réagi sont des formes impures de C3S, C2S, C3A et
C4AF. Le C3S constitue environ 60 à 70% d’un ciment et c’est sa réaction avec l’eau (hydratation) qui
est principale responsable du développement des propriétés mécaniques dans les pâtes de ciment
(mortier ou béton). Les principaux produits de l’hydratation sont l’hydroxyde de calcium cristallin (CH)
et le C-S-H amorphe (les tirets traduisent une composition variable).
C3S + 5.3 H2O ⎯⎯→ C1.7 - S - H4 + 1.3 CH
L’examen au microscope implique une préparation préalable des échantillons déshydratés : ceux-ci
ont été imprégnés sous vide avec une résine époxy puis leur surface a été polie jusqu’à 0.25
micromètre et enfin recouverte d’un dépôt très fin de carbone.
Quels sont les autres mécanismes réactionnels et les hydrates générés ?
Précisez également l’avancement réactionnel.
3

1. ANALYSE QUALITATIVE PAR RAYONNEMENT X CARACTERISTIQUE
Cette première partie du TP va montrer quels types de renseignements qualitatifs peuvent être
obtenus sur des matériaux, grâces aux photons X caractéristiques.
Ces X sont générés lorsque des électrons incidents du faisceau rencontrent des électrons de cœur
des atomes de l’échantillon. Si l’énergie de l’électron incident est supérieure à l’énergie de cohésion
de l’électron de cœur, alors ce dernier est arraché et laisse un site vacant dans le nuage électronique
de l’atome. Dés lors, des électrons des couches supérieures vont relaxer et venir occuper ce site en
émettant des photons X. L’énergie associée à cette relaxation est unique pour chaque atome si bien
que la mesurer permet d’identifier l’atome émetteur.
Energie des photons (transitions Kα uniquement) en eV
O 0.523 C 0. 282
Al 1.487 Na 1.041
Si 1.740 Mg 1.254
Ca 3.691 & 4.001 S 2.308
Fe 6.403 & 7.100 (Lα : 0.704) Cl 2.622
K 3.313
A l’aide des énergies de photons données ci-dessus, déterminez quelles phases ont généré les
spectres qui suivent en justifiant vos réponses.
1-
2-
3-
4-
5-
6-
Les spectres ne correspondent pas exactement à ces phases. Pourquoi ?
4

1
0.0 2.0 4.0 6.0
2
0.0 2.0 4.0 6.0
3
0.0 2.0 4.0 6.0
4
0.0 2.0 4.0 6.0
5

5
0.0 2.0 4.0 6.0
6
0.0 2.0 4.0 6.0
Les spectres obtenus au cours du TP sont plus complexes. Comment pouvez-vous les
exploiter ?
En fonction des résultats obtenus, à quels renseignements l’analyse par X caractéristiques
permet-elle d’accéder ?
6

2. IMAGERIE PAR ELECTRONS RETRODIFFUSES
Cette partie montre comment les électrons rétrodiffusés peuvent être utilisés pour produire des
images contrastées par les numéros atomiques.
Les BSE sont des électrons incidents qui ont été diffusés élastiquement à grand angle par l’échantillon
puis qui s’en sont échappés (ils ont donc des énergies similaires à celles des électrons incidents).
Leur nombre dépend principalement du numéro atomique du matériau qui les émet : on peut définir un
coefficient de rétrodiffusion η fonction de Z qui traduit leur quantité. D’une manière générale, plus η
est grand, plus l’élément (ou le composé) émettra de BSE.
Pour les éléments purs, la relation est :
η = - 5.23 x10 -3 + 1.504 x10 -2 Z - 1.673 x10 -4 Z 2 + 7.16 x10 -7 Z 3
Pour les composés, η est la moyenne pondérée des numéros atomiques des n constituants :
ηcmp = Σ w1.η1 +Σ w2.η2 +Σ w3.η3 +Σ w4.η4 + ….
Ci dessous sont donnés les coefficients de rétrodiffusion de quelques phases cimentaires.
Phase C4AF C3S C2S C3A CH C1.7SH4
η 0.2021 0.1857 0.1805 0.1781 0.166 0.1198
- Qualitativement, sachant que C3S va émettre plus de BSE que C2S, comment cela se traduitil
en imagerie ? Pourquoi ?
7

- Sur la photo qui vous sera distribuée au cours du TP, essayez d’identifier (en justifiant) les
principales phases visibles. A quoi correspondent les zones les plus sombres (pixels
noirs) ? Pourquoi ?
8

3. ETUDE DE CAS
Afin de mettre en application vos connaissances sur les matériaux cimentaires et la microscopie, vous
allez tirez au sort un échantillon inconnu et en faire l’étude la plus détaillée possible par microscopie.
- Faire la description du matériau.
Etablir une démarche d’étude avec les différents « outils » qui sont à votre disposition.
Vous devez identifier et évaluer l’âge du ou des matériaux constitutifs de l’échantillon
étudié.
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