Grâce aux progrès constants de l'industrie et à l'amélioration des technologies, notamment par l'introduction et le perfectionnement de machines à projeter le mortier étrangères, la technique de projection et d'enduit mécanique a connu un développement considérable en Chine ces dernières années. Le mortier projeté mécaniquement se distingue du mortier ordinaire par ses exigences élevées en matière de rétention d'eau, de fluidité et de résistance à l'affaissement. On y ajoute généralement de l'hydroxypropylméthylcellulose, dont l'éther de cellulose (HPMC) est le plus couramment utilisé. Les principales fonctions de l'HPMC dans le mortier sont l'épaississement et la viscosification, l'ajustement de la rhéologie et une excellente capacité de rétention d'eau. Cependant, ses inconvénients ne doivent pas être négligés. L'HPMC a un effet entraîneur d'air, ce qui engendre davantage de défauts internes et réduit considérablement les propriétés mécaniques du mortier. La société Shandong Chenbang Fine Chemical Co., Ltd. a étudié l'influence de l'HPMC sur le taux de rétention d'eau, la densité, la teneur en air et les propriétés mécaniques du mortier d'un point de vue macroscopique, et a étudié l'influence de l'hydroxypropylméthylcellulose (HPMC) sur la structure en L du mortier d'un point de vue microscopique.
1. Test
1.1 Matières premières
Ciment : ciment P.0 42,5 disponible dans le commerce, ses résistances à la flexion et à la compression à 28 jours sont respectivement de 6,9 et 48,2 MPa ; sable : sable fin de rivière de Chengde, 40-100 mesh ; éther de cellulose : produit par Shandong Chenbang Fine Chemical Co., Ltd. Éther d'hydroxypropylméthylcellulose, poudre blanche, viscosité nominale 40, 100, 150, 200 Pa-s ; eau : eau du robinet propre.
1.2 Méthode d'essai
Conformément à la norme JGJ/T 105-2011 « Réglementation relative à la construction pour la projection mécanique et le plâtrage », la consistance du mortier est de 80 à 120 mm et son taux de rétention d'eau supérieur à 90 %. Dans cette expérience, le rapport chaux/sable a été fixé à 1:5, la consistance a été contrôlée à (93 ± 2) mm et l'éther de cellulose a été incorporé en surface, la quantité étant calculée en fonction de la masse de ciment. Les propriétés fondamentales du mortier, telles que la masse volumique à l'état humide, la teneur en air, la rétention d'eau et la consistance, ont été testées conformément à la norme JGJ 70-2009 « Méthodes d'essai des propriétés fondamentales des mortiers de construction ». La teneur en air a été mesurée et calculée selon la méthode de la masse volumique. La préparation des éprouvettes et les essais de résistance à la flexion et à la compression ont été réalisés conformément à la norme GB/T 17671-1999 « Méthodes d'essai de la résistance du sable de mortier de ciment (méthode ISO) ». Le diamètre des larves a été mesuré par porosimétrie au mercure. Le porosimètre utilisé était un AUTOPORE 9500, avec une plage de mesure de 5,5 nm à 360 μm. Quatre séries d'essais ont été réalisées. Le rapport ciment/sable était de 1:5, la viscosité de l'HPMC de 100 Pa·s et les dosages testés étaient de 0 %, 0,1 %, 0,2 % et 0,3 % (désignés respectivement par A, B, C et D).
2. Résultats et analyse
2.1 Effet de l'HPMC sur le taux de rétention d'eau du mortier de ciment
La rétention d'eau désigne la capacité d'un mortier à retenir l'eau. Dans les mortiers projetés mécaniquement, l'ajout d'éther de cellulose permet de retenir efficacement l'eau, de réduire le ressuage et de satisfaire aux exigences d'hydratation complète des matériaux à base de ciment. Effet de l'HPMC sur la rétention d'eau du mortier.
L'augmentation de la teneur en HPMC entraîne une hausse progressive du taux de rétention d'eau du mortier. Les courbes de l'éther d'hydroxypropylméthylcellulose (HPMC) de viscosités 100, 150 et 200 Pa·s sont globalement similaires. Pour une teneur comprise entre 0,05 % et 0,15 %, le taux de rétention d'eau augmente linéairement et dépasse 93 % à 0,15 %. Au-delà de 0,20 %, la croissance du taux de rétention d'eau se stabilise, indiquant une saturation proche de la concentration en HPMC. L'influence de la teneur en HPMC de viscosité 40 Pa·s sur le taux de rétention d'eau est quasi linéaire. Au-delà de 0,15 %, le taux de rétention d'eau du mortier est nettement inférieur à celui obtenu avec les trois autres types d'HPMC de même viscosité. On considère généralement que le mécanisme de rétention d'eau de l'éther de cellulose repose sur l'association du groupe hydroxyle de la molécule d'éther et de l'atome d'oxygène de la liaison éther avec la molécule d'eau, formant ainsi une liaison hydrogène. L'eau libre devient alors de l'eau liée, assurant une bonne rétention d'eau. On suppose également que l'interdiffusion entre les molécules d'eau et les chaînes moléculaires d'éther de cellulose permet aux molécules d'eau de pénétrer à l'intérieur de ces chaînes et d'y être soumises à de fortes forces de liaison, améliorant ainsi la rétention d'eau du coulis de ciment. Une excellente rétention d'eau permet de maintenir l'homogénéité du mortier, d'éviter la ségrégation et d'obtenir un bon mélange, tout en réduisant l'usure mécanique et en prolongeant la durée de vie de la machine à projeter le mortier.
2.2 Effet de l'hydroxypropylméthylcellulose (HPMC) sur la densité et la teneur en air du mortier de ciment
Lorsque la teneur en HPMC est comprise entre 0 et 0,20 %, la densité du mortier diminue fortement avec l'augmentation de cette teneur, passant de 2050 kg/m³ à environ 1650 kg/m³, soit une diminution d'environ 20 %. Au-delà de 0,20 %, la densité diminue de façon plus stable. La comparaison des quatre types de HPMC présentant différentes viscosités révèle que plus la viscosité est élevée, plus la densité du mortier est faible. Les courbes de densité des mortiers contenant des mélanges de HPMC de viscosités 150 et 200 Pa·s se superposent quasiment, ce qui indique que la densité ne diminue plus lorsque la viscosité de l'HPMC continue d'augmenter.
La variation de la teneur en air du mortier est inverse à celle de sa densité. Pour une teneur en hydroxypropylméthylcellulose (HPMC) comprise entre 0 et 0,20 %, la teneur en air du mortier augmente de façon quasi linéaire avec la teneur en HPMC. Au-delà de 0,20 %, la teneur en air se stabilise, ce qui indique que l'effet entraîneur d'air du mortier est proche de la saturation. L'effet entraîneur d'air de l'HPMC de viscosité 150 et 200 Pa·s est supérieur à celui de l'HPMC de viscosité 40 et 100 Pa·s.
L'effet entraîneur d'air de l'éther de cellulose est principalement déterminé par sa structure moléculaire. L'éther de cellulose possède à la fois des groupes hydrophiles (hydroxyle, éther) et hydrophobes (méthyle, cycle glucose) et est un tensioactif. Son activité de surface lui confère cet effet entraîneur d'air. D'une part, le gaz introduit peut agir comme un palier dans le mortier, améliorant ainsi sa maniabilité, augmentant son volume et, par conséquent, le rendement, ce qui est avantageux pour le fabricant. D'autre part, cet effet entraîneur d'air accroît la teneur en air et la porosité du mortier après durcissement, ce qui augmente le nombre de pores nuisibles et réduit considérablement ses propriétés mécaniques. Bien que l'HPMC possède un certain effet entraîneur d'air, elle ne peut remplacer un agent entraîneur d'air. De plus, l'utilisation simultanée d'HPMC et d'un agent entraîneur d'air peut rendre ce dernier inefficace.
2.3 Effet de l'HPMC sur les propriétés mécaniques du mortier de ciment
Lorsque la teneur en HPMC n'est que de 0,05 %, la résistance à la flexion du mortier diminue significativement, atteignant environ 25 % de moins que celle de l'échantillon témoin sans hydroxypropylméthylcellulose (HPMC). La résistance à la compression n'atteint quant à elle que 65 % à 80 % de celle de l'échantillon témoin. Au-delà de 0,20 % de HPMC, la diminution des résistances à la flexion et à la compression du mortier est moins marquée. La viscosité de l'HPMC influe peu sur les propriétés mécaniques du mortier. L'HPMC introduit de nombreuses microbulles d'air, ce qui accroît la porosité interne et la présence de pores nuisibles, entraînant ainsi une diminution significative des résistances à la compression et à la flexion. La diminution de la résistance du mortier est également due à la rétention d'eau par l'éther de cellulose, qui retient l'eau dans le mortier durci. Un rapport eau/liant élevé contribue à la diminution de la résistance de l'éprouvette. Pour les mortiers de construction mécanique, bien que l'éther de cellulose puisse augmenter considérablement le taux de rétention d'eau du mortier et améliorer sa maniabilité, un dosage trop important affectera sérieusement les propriétés mécaniques du mortier ; il convient donc de trouver un juste équilibre entre les deux.
Avec l'augmentation de la teneur en hydroxypropylméthylcellulose (HPMC), le taux de pliage du mortier a globalement augmenté de façon linéaire. Ceci s'explique par le fait que l'éther de cellulose ajouté introduit de nombreuses bulles d'air, créant ainsi davantage de défauts au sein du mortier. La résistance à la compression du mortier de la rose de guidage diminue alors fortement, bien que sa résistance à la flexion diminue également dans une certaine mesure. Cependant, l'éther de cellulose améliore la flexibilité du mortier, ce qui est bénéfique pour la résistance à la flexion et ralentit ainsi sa diminution. En définitive, l'effet combiné de ces deux facteurs explique l'augmentation du taux de pliage.
2.4 Effet de l'HPMC sur le diamètre L du mortier
D'après la courbe de distribution de la taille des pores, les données de distribution de la taille des pores et divers paramètres statistiques des échantillons AD, on peut constater que l'HPMC a une grande influence sur la structure poreuse du mortier de ciment :
(1) L'ajout d'HPMC entraîne une augmentation significative de la porosité du mortier de ciment. Sur la courbe de distribution de la porosité, la zone de l'image se déplace vers la droite et la valeur des pores correspondant au pic devient plus élevée. Après l'ajout d'HPMC, le diamètre médian des pores du mortier de ciment est nettement supérieur à celui de l'échantillon témoin, et le diamètre médian des pores de l'échantillon contenant 0,3 % d'HPMC est deux ordres de grandeur plus élevé que celui de l'échantillon témoin.
(2) On distingue quatre types de pores dans le béton : les pores inoffensifs (≤ 20 nm), les pores peu nocifs (20-100 nm), les pores nocifs (100-200 nm) et les pores très nocifs (≥ 200 nm). Le tableau 1 montre que l’ajout d’HPMC réduit significativement le nombre de pores inoffensifs ou peu nocifs, tandis que le nombre de pores nocifs ou très nocifs augmente. Dans les échantillons sans HPMC, la proportion de pores inoffensifs ou peu nocifs est d’environ 49,4 %. Après ajout d’HPMC, cette proportion diminue significativement. À titre d’exemple, pour un dosage de 0,1 %, la réduction est d’environ 45 %, tandis que le nombre de pores nocifs de plus de 10 µm est multiplié par neuf environ.
(3) Le diamètre médian des pores, le diamètre moyen des pores, le volume poreux spécifique et la surface spécifique ne suivent pas une évolution très stricte en fonction de la teneur en hydroxypropylméthylcellulose (HPMC), ce qui pourrait être lié à la sélection des échantillons lors du test d'injection de mercure et à une dispersion importante. Cependant, globalement, le diamètre médian des pores, le diamètre moyen des pores et le volume poreux spécifique de l'échantillon mélangé à l'HPMC tendent à augmenter par rapport à l'échantillon témoin, tandis que la surface spécifique diminue.
Date de publication : 3 avril 2023