La prise du ciment vue par les neutrons.

©1995 - Institut Laue-Langevin
La prise du ciment
vue par les neutrons.
Le ciment, cette poudre grise familière, devient un
matériau dur et résistant si on le mélange avec de l'eau et
du sable ou du gravier. Cette transformation plus ou
moins rapide est-elle bien comprise ? Partiellement. Mais
grâce aux neutrons on peut en savoir plus !
Que savons nous du ciment ?
Le ciment avec lequel nous construisons nos
maisons, nos ponts, et bien d'autres choses encore, peut
être utilisé de plusieurs manières différentes : pour coller
entre eux deux objets (mur de briques) ou comme
élément d'un matériau de construction, le béton. Dans les
deux cas, on prend une poudre, on la mélange avec de
l'eau, et on ajoute du sable et/ou des pierres et on attend
que cela prenne !
La poudre de ciment est composée de petits grains
cristallisés, c'est à dire d'arrangements réguliers
d'atomes. Quand on ajoute de l'eau, celle-ci réagit avec
les cristaux, qui disparaissent tandis que, lentement, un
nouveau type de cristaux apparaît qui enrobe les grains
de sable et ainsi les ‘cimente’ entre eux. Ce phénomène
appelé ‘prise du ciment’ donne un matériau solide
maintenant constitué des nouveaux cristaux dans un
environnement d'atomes moins organisés. Les cristaux
apportent la rigidité, le reste assure la cohésion entre eux.
Voir à l'intérieur du ciment.
Pour comprendre comment le ciment poudre se
transforme en ciment solide, et comment il travaille, il
faut étudier des détails très fins.
On peut évidemment utiliser un microscope. Il faut
alors couper des tranches de béton dont on observe la
surface. Cela ira si le matériau est dur, mais pas facile de
suivre ainsi l'évolution de la prise et en plus cela ne
donnera pas de renseignements sur l'évolution de la
composition des constituants !
Une autre technique consiste à utiliser un
rayonnement qui pénètre le matériau et est modifié par
lui. Cette technique appelée ‘diffraction’ utilise la faculté
des cristaux à réfléchir certaines ‘lumières’ et ce, de
façons différentes en fonction de leur composition et
organisation interne. Le signal obtenu renseigne donc sur
les types de cristaux présents dans l'échantillon et, dans
le cas du ciment, permet d'observer la prise, de l'intérieur
même du ciment, sans avoir à le couper ou à le casser.
Quelle sorte de lumière utiliser ?
Les rayons X et les neutrons peuvent tous deux être
utilisés, mais il ne montrent pas la même chose.
Les rayons X pénètrent peu la matière très
condensée comme le ciment et le signal obtenu
proviendra essentiellement de la surface. Les neutrons,
eux, traversent aisément un centimètre ou plus de ciment.
Par ailleurs, les faisceaux de rayons X sont très étroits et
n'éclairent que quelques grains, tandis que les faisceaux
de neutrons, plus larges, permettent l'observation d'une
zone étendue. Chaque fois que les neutrons sont
disponibles, ils sont le meilleur rayonnement pour
étudier un matériau dans sa masse.
Figure 1: Schéma d'une expérience de diffraction des
neutrons par une poudre.
L'empreinte digitale du ciment.
L'expérience est très simple. Les neutrons illuminent
un récipient contenant de la poudre de ciment mélangée

avec de l'eau (Fig. 1). On peut même, pour changer la
vitesse de prise, mettre le récipient dans un four dont les
neutrons traversent les parois. Des neutrons sont diffusés
(déviés) par l'échantillon traversé et le résultat est ce
qu'on appelle un ‘spectre de poudre’.
Chaque type de cristal a son propre spectre qui
l'identifie sans ambiguïté, comme une empreinte digitale
(Fig 2).
Figure 2. Spectre de poudre de (CaO)3Al2O3(H2O)6, un des
constituants du ciment alumineux.
Ciment alumineux et neutrons.
Le ciment alumineux est un mélange d'alumine
(oxyde d'aluminium, Al2O3) et d'oxyde de calcium
(CaO). Sa réaction avec l'eau pour produire le ciment
solide a été étudiée par un groupe de l'ILL et de
l'université de Arhus au Danemark.
Les mesures aux neutrons (Fig. 3) montrent
nettement l'évolution du signal au cours du temps. Un
type de cristaux disparaît (Al2O3 & CaO) tandis qu'un
autre apparaît progressivement à sa place.
Figure 3. La prise du ciment alumineux vue aux neutrons.
Après avoir ajouté de l'eau à la poudre de ciment, on a mesuré
plusieurs fois le spectre de poudre pendant les heures qui
suivirent. Les différents spectres sont "empilés" l'un derrière
l'autre, le premier étant placé devant.
Les scientifiques ont étudié une série de mélanges
différents d'alumine et d'oxyde de calcium à plusieurs
températures. Ils ont observé que la vitesse de réaction
est plus rapide s'il y a plus d'oxyde de calcium dans le
mélange. La relation entre la nature de ce dernier et le
temps de prise était déjà connue mais, grâce à la capacité
des neutrons à voir l'intérieur du matériau, le processus a
été examiné en détail.
La prise commence par une phase amorphe où tous
les cristaux ont disparu et ce n'est que plus tard que de
nouveaux types de cristaux réapparaissent.
Autre résultat inattendu, après la phase amorphe, un
type de cristaux de composition encore inconnue apparaît
transitoirement au cours de la prise pour disparaître dans
le ciment solide.
Ciment de Portland.
Des travaux similaires ont été menés sur le ciment
de Portland qui, lui, contient en plus des silicates et du
fer. Ils ont montré qu'il existe une relation entre les
distances entre atomes de calcium et le temps de prise.
Il n'y a pas que le ciment dans la vie !
Cette étude montre qu'un matériau aussi banal que le
ciment peut avoir été utilisé de façon empirique depuis
des lustres sans qu'on ait totalement compris “comment
ça marche” et qu'on peut donc peut-être encore le faire
progresser !
Mais il n'y a pas que le ciment dans ce cas. De
nombreux autres types de matériaux ou types de
réactions peuvent être étudiés de cette manière. Par
exemple, on peut observer comment les cristaux
croissent à partir de mélanges sous pression, et on peut
évidemment suivre cette évolution en fonction des
impuretés qui sont présentes dans les matériaux réels,
etc.
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