Influence des ions aluminates sur la composition, la structure et les propriétés cohésives des hydrosilicates de calcium, constituants principaux de la pate de ciment Portland hydratée

Effect of aluminate ions on composition, structure and cohesive properties of calcium silicate hydrate, the main component of Portland cement paste

• Auteur / Autrice : Xiaolin Chen
• Direction : André Nonat, Isabelle Pochard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences. Chimie - Physique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Dijon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicates

Réactivité (chimie)

Carbonate de calcium

Aluminium -- Composés

Ciment Portland

Ciment

Résumé

Le ciment Portland est un matériau comportant des phases silicates et aluminates. Les hydrosilicates de calcium (C-S-H), issus de l’hydratation des phases silicates, sont majoritaires et assurent la cohésion de la pâte de ciment. L’hydratation des phases aluminates conduit à la présence d’ions aluminates en solution, qui peuvent se substituer aux silicates des C-S-H, donnant ainsi un alumino-silicate de calcium hydraté noté C-S-A-H. Cette thèse consiste à étudier l’influence de la substitution Al/Si sur la composition, la structure et les propriétés cohésives des particules de C-S-H. Des C-S-H ont été équilibrés dans des solutions d’hydratation de Ca3Al2O6 (C3A, une des phases du ciment) pour tenter une substitution Si/Al dans le solide. La caractérisation des solides obtenus et de leur solution d’équilibre indique que des C-S-A-H de stoechiométrie Al/Si contrôlée et de structure cristallographique analogue à celle des C-S-H ont été obtenus. Une étude de l’interface C-S-A-H/solution a été menée par AFM et mesures de mobilité életrophorétique des particules. Grâce à une nouvelle méthode de décomposition des spectres RMN MAS 27Al permettant une quantification de chaque type d’aluminium dans le solide, une répartition de l’aluminium a été proposée dans l’hypothèse d’une structure de type tobermorite. A partir de cette répartition, une simulation des spectres RMN 29Si a été réalisée. Les spectres expérimentaux sont conformes à la prédiction, ce qui valide l’hypothèse de structure des C-S-A-H et l’attribution des sites pour l’aluminium. Enfin, l’analyse quantitative globale indique que le taux de substitution Al/Si du C-S-H dans une pâte de ciment est de 0,04.

Portland cement is mostly constituted of silicates and aluminates phases. When cement is hydrated, the main appearing component is calcium silicate hydrate (C-S-H) which results from the silicate phases hydration. The C-S-H is responsible for the cement paste setting. Aluminate phases after hydration, will produce the aluminate ions in the solution. It is well known that aluminate ions may substitute Si in C-S-H to form calcium alumino-silicate hydrate which is called C-S-A-H. This work aims to determine the effect of the Al/Si substitution on composition, structure and cohesion of C-S-H particles. C-S-H powders have been equilibrated in Ca3Al2O6 (C3A, one of cement components) hydration solutions in order to involve the Al/Si substitution in the solid. The analyses of the equilibrium solutions and solids show that C-S-A-H with tobermorite-like crystallographic structure and different Al/Si ratios have been obtained. AFM and electrokinetic investigations have been performed to describe the C-S-A-H/solution interface. An aluminum speciation on the solid has been achieved thanks to a new decomposition method of NMR 27Al spectra. By this method, we can distinguish and quantify each aluminum site in the solid and give a hypothesis of the structure based on tobermorite. With this structure, we have simulated the NMR 29Si spectra. These calculated spectra are in very good agreement with the experimental ones, which corroborates our C-S-A-H structure hypothesis. Finally, the overall quantitative analysis shows that the Al/Si ratio of C-S-H in a cement paste is around 0. 04.