Analyse microscopique de la zone d’interphase « granulat-pâte de ciment »

Ce chapitre vise à étudier la microstructure de la zone d’interphase des mortiers dont les sables sont issus du concassage des quatre roches utilisées. Les mortiers fabriqués avec des granulats à l’état sec et à l’état sursaturé ont été analysés à l’âge de 7 et 28 jours par la méthode d’analyse d’images. Cette méthode a été présentée dans le chapitre II. Dans ce chapitre, on s’intéresse d’abord à l’évolution de la porosité moyenne de la zone d’interphase. Cette grandeur sera liée aux propriétés mécaniques des mortiers par la relation de Féret. Ensuite, on présente le gradient de porosité de la zone d’interphase. Ce gradient sera mis en relation avec d’autres gradients existant dans la zone d’interphase tels que le gradient de degré d’hydratation et celui de rapport E/C. Ces deux derniers seront calculés en appliquant le modèle de Powers. Les influences de l’âge, de la nature et du degré de saturation des matériaux sur ces gradients seront abordées. Le lien entre la résistance en compression des bétons et la porosité est fondamental. Depuis une centaine d’année, plusieurs recherches ont montré que la porosité est un paramètre qui influence fortement la résistance. La relation de Féret est l’une des premières relations empiriques permettant de relier la porosité et la résistance mécanique des bétons (Féret 1892). Dans le cadre de ce paragraphe, on utilise cette relation pour relier la porosité de la zone d’interphase et la résistance en compression du mortier. La porosité de la zone d’interphase a été mesurée par la technique d’analyse d’images (voir le paragraphe II.7.5). L’ensemble des images a été acquis sur un même agrandissement permettant de distinguer les pores de dimensions supérieures à 0,27 µm. Par cette technique, on peut mesurer les mésopores existants dans l’interphase.

Avant de déterminer la porosité moyenne de la zone d’interphase, nous devons estimer d’abord l’épaisseur maximale de cette zone. Cette grandeur est de l’ordre de la moitié de la distance entre les plus gros grains voisins. Après avoir mesuré la distance entre les gros grains voisins (dimensions de 500 µm à 2 mm), on trouve que cette distance est de l’ordre On constate que la porosité dans les 60 premiers µm est différente de celle du reste de la pâte de ciment. Au-delà de cette distance, la variation de la porosité n’est plus significative. Cette tendance a été observée pour les autres mortiers, quels que soient l’état de la teneur en eau des granulats et l’échéance. Il a été observé que l’épaisseur maximale de la zone d’interphase ne dépasse pas 60 µm quels que soit le matériau et l’échéance. On a donc décidé de mesurer la porosité moyenne des 60 premiers µm adjacents à l’interface. Par ailleurs, comme on l’a indiqué dans la partie méthodologie, les mortiers fabriqués sont très riches en sables. Le pourcentage volumique théorique de sables varie entre 55 et 63% (voir le paragraphe II.5.1). Or, certain auteurs ont montré que les interphases dans un mortier sont quasiment interconnectées lorsque la fraction volumique de sable atteint 60% (Bourdette et al. 1995; Schwartz et al. 1995; E J Garboczi & Bentz 1996). Par modélisation, E J Garboczi & Bentz (1996) ont calculé la fraction interconnectée des zones d’interphases entourant les granulats de mortiers. Cette fraction dépend de la fraction volumique de sable et de l’épaisseur de la zone d’interphase (Figure IV.2).

Une approche similaire a été proposée par Bourdette et al. (1995). Ils ont supposé une épaisseur unique de la zone d’interphase de 30 µm. Leurs résultats montrent qu’avec un mortier dont la taille des granulats est de 0,16 à 2 mm et la proportion en volume de sable de 57%, la fraction interconnectée des zones d’interphases est proche de 100%. En plus, le volume commun entre les zones d’interphase occupe 20% de la zone d’interphase interconnectée. A partir des modèles proposés sur l’interconnexion des interphases, on peut en déduire que dans notre cas la zone d’interphase couvre quasiment tout le volume de pâte de ciment existant dans le mortier. C’est pourquoi la porosité moyenne de l’interphase représente pratiquement la porosité moyenne de la matrice cimentaire du mortier. Pour un état de teneur en eau donné, la porosité moyenne de l’interphase du mortier de calcaire rose diminue lorsque la pâte de ciment durcit (Figure IV.3). Le passage de 7 à 28 jours entraîne une interphase plus dense dont le volume des pores passe de 20% à 10%. Visuellement, on constate que l’interphase à 28 jours est plus dense. Le volume des pores (couleur noire) est moins important (Figure IV.7).