Modes d’action des éthers de cellulose sur la retention d’eau des mortiers à l’état frais

par Laëtitia Patural

Thèse de doctorat en Génie des Procédés

Sous la direction de Philippe Grosseau.

Soutenue le 11-04-2011

à Saint-Etienne, EMSE , dans le cadre de ED SIS 488 .

Le président du jury était Abdel Karim Ait-Mokhtar.

Le jury était composé de Bertrand Ruot, Alexandre Govin.

Les rapporteurs étaient Jean-Pierre Korb, Henri Vandamme.


  • Résumé

    Les éthers de cellulose (EC) sont des adjuvants couramment introduits dans les mortiers pour améliorer leurs propriétés. Malgré le retard d’hydratation du ciment engendré par ces polysaccharides, ils sont capables d’améliorer la maniabilité et la rétention d’eau des matériaux cimentaires.Cette étude a été initiée afin d’accroître les connaissances sur l’effet des EC sur la rétention d’eau des mortiers à l’état frais. L’objectif est double : identifier les paramètres physico-chimiques jouant un rôle clé et clarifier les mécanismes d’action de dérivés cellulosiques dans les matériaux cimentaires.Pour ce faire, grâce à un large panel d’EC, l’influence des paramètres structuraux des molécules a été élucidée. Les résultats ont démontré que la masse moléculaire était un paramètre primordial alors que les degrés de substitution des groupements greffés sur la molécule ont un impact négligeable sur la rétention d’eau des mortiers. Pour comprendre les mécanismes d’action des EC dans les phénomènes de rétention d’eau, deux pistes ont été explorées. La première a consisté à savoir s’il existait une relation entre le comportement rhéologique des mortiers et leur capacité à retenir l’eau lors d’un contact avec un substrat. L’étude rhéologique a montré que les EC sont des agents viscosants et que pour des EC ayant des degrés de substitution identiques, la viscosité et la rétention d’eau du mortier semblent aller de paire. Cependant, cette relation n’est pas aussi simple. En effet, des propriétés de rétention d’eau différentes ont été mesurées pour des mortiers ayant des consistances voisines. La capacité des mortiers à retenir l’eau ne peut donc pas être déterminée uniquement à partir de son comportement rhéologique. Par ailleurs, d’autres molécules telles que les dérivés de l’amidon, ont mis en évidence une évolution opposée de la rétention d’eau avec les propriétés rhéologiques. Ainsi, la consistance d’un mortier ne peut pas à elle seule expliquer les phénomènes de rétention d’eau des mortiers adjuvantés avec les éthers de cellulose.La seconde hypothèse souvent avancée pour expliquer les propriétés de rétention d’eau est que les dérivés cellulosiques forment une barrière de diffusion à l’eau dans le mortier. La capacité des polymères à former des films a été étudiée à l’aide de deux techniques de résonance magnétique nucléaire (RMN) : la RMN à gradients de champ et la relaxométrie RMN. A l’aide de ces deux techniques, il a été montré que les EC n’ont aucun effet sur le coefficient de diffusion de l’eau dans le volume et à la surface des solides. Une étude temporelle menée par relaxométrie a mis en avant l’importance de la quantité d’eau piégée transitoirement à la surface des solides.

  • Titre traduit

    Water retention mechanisms of cellulose ethers in freshly mixed mortars


  • Résumé

    Cellulose ethers (CE) are commonly used as additives to improve the quality of cement-based materials. As admixtures, they improve the properties of mortars such as workability, open time and water retention. This study is devoted to improve the knowledge on the influence of cellulose ethers on the freshly-mixed mortars water retention. The aims of this thesis are to identify they key structural parameters of the CE which influence the water retention and to clarify the water retention mechanisms of CE in freshly mixed mortars.In this frame, the influence of cellulose ethers molecular parameters was explored. The results demonstrated that molecular weight is the key parameter concerning the water retention capacity of mortars. On the contrary, the substitution degrees seem to have a lower impact on this property. To understand water retention mechanisms, two ways were investigated. The first hypothesis is that there is a relationship between the rheological behavior of mortars and their ability to retain water upon contact with a substrate. The rheological study showed that CE are viscosity modifiers. Moreover, for CE with the same substitution parameters, mortar’s viscosity and its water retention seem to go hand in hand. However, this relationship is not so simple. Indeed, the water retention properties were measured for different mortars with close consistencies. This comparison demonstrated that the ability of mortars to retain water cannot be determined from its rheological behavior. In addition, other molecules such as starch derivatives, showed an opposite trend: the higher the consistency, the lower the water retention. Thus, mortar’s consistency is not the only parameter which can explain water retention capacities of CE-admixed mortars.The second hypothesis proposed to explain water retention properties is that cellulose derivatives form a diffusion barrier to water into the fresh mortar, because CE used to form film. The ability of polymers to reduce water mobility was investigated using two techniques of nuclear magnetic resonance (NMR): NMR field gradient and relaxometry NMR. Using these two techniques, it was shown that the EC have no effect on the diffusion coefficient of water in the volume and surface of solids. A study conducted by relaxometry NMR highlighted the importance of the amount of water trapped temporarily at the surface of solids.


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