Un regard approfondi sur l’hydratation du ciment

Le béton est une masse fluide qui prend et durcit de manière saisissante en quelques heures, même sous l’eau. Composé de ciment, d’eau, de sable et de gravier, ce roc fabriqué est la plus grande denrée fabriquée au monde.

Sa production colossale, notamment celle du ciment Portland (CP), à hauteur de 4 milliards de tonnes par an, engendre 2,7 milliards de tonnes de CO2 par an. Si la production de ciment était un pays, il serait le troisième émetteur de CO2, juste après la Chine et les États-Unis. Par conséquent, il est indispensable pour notre société de réduire l’empreinte carbone du ciment, du mortier et du béton.

Le principal inconvénient des propositions actuelles de ciments à faible émission de carbone réside dans leur lente cinétique d’hydratation pendant les trois premiers jours.

« Comprendre les processus liés à la production de ciment dès ses premiers stades est essentiel« , explique Shiva Shirani, première auteure de l’article et doctorante à l’Université de Málaga. « Notre compréhension des processus de dissolution et de précipitation du ciment à ses débuts est encore très limitée. « Nous avons donc développé une méthode pour obtenir une image complète de l’hydratation du ciment Portland« , ajoute-t-elle.

L’équipe de recherche, dirigée par l’Université de Málaga et comprenant l’ESRF, l’Institut Paul Scherrer PSI (Suisse) et l’Université Grenoble Alpes (France), a réalisé une étude tomographique initiale en laboratoire, suivie d’expériences de microtomographie à contraste de phase avec rayonnement synchrotron pour obtenir des données rapidement et sur de grands volumes d’échantillons, puis enfin des expériences à l’échelle nanométrique, utilisant la ptychotomographie synchrotron.

Les scientifiques ont combiné des approches expérimentales complémentaires à l’ESRF et à la Swiss Light Source (SLS) de l’Institut Paul Scherrer pour obtenir des données spatiales et temporelles (4D).

Les expériences réalisées sur la ligne de faisceau ID19 de l’ESRF ont permis à l’équipe de suivre un grand volume de pâte de CP hydratante avec une résolution temporelle de 5 minutes, fournissant des degrés d’hydratation très précis en fonction des tailles de particules et du temps.

Des données 4D ont également été prises sur la ligne de faisceau cSAXS de la Swiss Light Source, avec une résolution spatiale et un contraste plus élevés, mais dans un volume 640 fois plus petit et nécessitant 180 minutes par jeu de données.

La ptychotomographie en champ proche a révélé l’hydratation du CP commercial. Le taux de dissolution spatial des petits grains d’alite, le principal composant des PC, pendant le premier jour, est de 100 nm/h, soit quatre fois plus rapide que celui des grands grains d’alite pendant les trois jours suivants, à 25 nm/h. De plus, à 19 heures, une coque de gel de silicate de calcium hydraté poreux d’une épaisseur de 500 nm recouvre chaque grain d’alite, enfermant une cavité d’eau.

Miguel A.G. Aranda, professeur à l’Universidad de Málaga et auteur correspondant de la publication, souligne : « Cette étude est la première étape d’une visualisation détaillée de l’hydratation du ciment à ces âges. Comprendre la mécanique des processus les plus lents permettra, nous l’espérons, de mettre en place des stratégies pour accélérer rationnellement l’hydratation des ciments à faible émission de carbone, comme des adjuvants accélérant la résistance, nécessaires pour enlever à temps le coffrage« .

Légende illustration : Vue artistique de l’hydratation précoce du ciment à l’échelle micro et nanométrique. Crédit : Shiva Shirani, Conception graphique : Maziar Moussavi

Nano-imagerie 4D de l’hydratation du ciment au premier âge
Shiva Shirani, Ana Cuesta, Alejandro Morales-Cantero, Isabel Santacruz, Ana Diaz, Pavel Trtik, Mirko Holler, Alexander Rack, Bratislav Lukic, Emmanuel Brun, Inés R. Salcedo et Miguel A. G. Aranda
Nature Communications 14, 2652 (2023). doi : 10.1038/s41467-023-38380-1