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 ©1995 - Institut Laue-Langevin La prise du ciment vue par les neutrons. 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 cristaux, qui disparaissent tandis que, lentement, un Les rayons X pénètrent peu la matière très nouveau type de cristaux apparaît qui enrobe les grains condensée comme le ciment et le signal obtenu de sable et ainsi les ‘cimente’ entre eux. Ce phénomène proviendra essentiellement de la surface. Les neutrons, appelé ‘prise du ciment’ donne un matériau solide eux, traversent aisément un centimètre ou plus de ciment. maintenant constitué des nouveaux cristaux dans un Par ailleurs, les faisceaux de rayons X sont très étroits et environnement d'atomes moins organisés. Les cristaux n'éclairent que quelques grains, tandis que les faisceaux apportent la rigidité, le reste assure la cohésion entre eux. de neutrons, plus larges, permettent l'observation d'une zone étendue. Chaque fois que les neutrons sont Voir à l'intérieur du ciment. Pour comprendre comment le ciment poudre se disponibles, ils sont le meilleur rayonnement pour étudier un matériau dans sa masse. transforme en ciment solide, et comment il travaille, il faut étudier des détails très fins. 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 ! 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. 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 type de cristaux disparaît (Al2O3 & CaO) tandis qu'un type de cristaux de composition encore inconnue apparaît vitesse de prise, mettre le récipient dans un four dont les autre apparaît progressivement à sa place. transitoirement au cours de la prise pour disparaître dans neutrons traversent les parois. Des neutrons sont diffusés le ciment solide. (déviés) par l'échantillon traversé et le résultat est ce qu'on appelle un ‘spectre de poudre’. Ciment de Portland. Chaque type de cristal a son propre spectre qui Des travaux similaires ont été menés sur le ciment l'identifie sans ambiguïté, comme une empreinte digitale de Portland qui, lui, contient en plus des silicates et du (Fig 2). 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 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 Figure 2. Spectre de poudre de (CaO)3Al2O3(H2O)6, un des constituants du ciment alumineux. 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 Ciment alumineux et neutrons. mélange. La relation entre la nature de ce dernier et le Le ciment alumineux est un mélange d'alumine (oxyde d'aluminium, Al2O3 ) et d'oxyde de calcium temps de prise était déjà connue mais, grâce à la capacité (CaO). Sa réaction avec l'eau pour produire le ciment été examiné en détail. 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 des neutrons à voir l'intérieur du matériau, le processus a 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 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. ✿❀✿