Dans les mortiers prêts à l'emploi, la quantité d'éther de cellulose ajoutée est très faible, mais elle améliore considérablement les performances du mortier humide. C'est un additif essentiel qui influe sur la qualité de mise en œuvre du mortier. Un choix judicieux d'éthers de cellulose (variétés, viscosités, granulométries, degrés de viscosité et quantités ajoutées) contribue à améliorer les performances des mortiers secs. Actuellement, de nombreux mortiers de maçonnerie et d'enduit présentent une faible rétention d'eau, la suspension aqueuse se séparant après quelques minutes. La rétention d'eau est une propriété importante de l'éther de méthylcellulose, à laquelle de nombreux fabricants de mortiers secs, notamment dans les régions chaudes du sud, accordent une grande importance. Parmi les facteurs influençant la rétention d'eau des mortiers secs, on peut citer la quantité d'éther de méthylcellulose ajoutée, sa viscosité, la finesse des particules et la température ambiante.
1. Concept
L'éther de cellulose est un polymère synthétique obtenu par modification chimique de la cellulose naturelle. Dérivé de la cellulose naturelle, sa production diffère de celle des autres polymères synthétiques. Sa matière première de base est la cellulose, un polymère naturel. Du fait de sa structure particulière, la cellulose naturelle ne réagit pas directement avec les agents d'éthérification. Cependant, après traitement avec un agent gonflant, les fortes liaisons hydrogène entre les chaînes moléculaires sont rompues, libérant ainsi des groupes hydroxyle qui transforment la cellulose en une cellulose alcaline réactive. On obtient alors l'éther de cellulose.
Les propriétés des éthers de cellulose dépendent du type, du nombre et de la distribution des substituants. Leur classification repose également sur le type de substituants, le degré d'éthérification, la solubilité et les propriétés d'application associées. Selon le type de substituants sur la chaîne moléculaire, on distingue les monoéthers et les éthers mixtes. Le MC couramment utilisé est un monoéther, tandis que l'HPMC est un éther mixte. L'éther de méthylcellulose (MC) est obtenu par substitution du groupe hydroxyle du glucose de la cellulose naturelle par un groupe méthoxy. Il s'agit d'un produit résultant de la substitution partielle des groupes hydroxyle par un groupe méthoxy et partielle par un groupe hydroxypropyle. Sa formule structurale est [C₆H₇O₂(OH)₃-mn(OCH₃)m[OCH₂CH(OH)CH₃]ₙ]ₓ. L'éther d'hydroxyéthylméthylcellulose (HEMC) est l'une des principales variétés utilisées et commercialisées.
En termes de solubilité, on distingue les éthers de cellulose ioniques et non ioniques. Les éthers de cellulose non ioniques, solubles dans l'eau, sont principalement composés de deux séries d'alkyléthers et d'hydroxyalkyléthers. La CMC ionique est principalement utilisée dans les détergents synthétiques, l'impression et la teinture textile, l'agroalimentaire et l'exploration pétrolière. Les MC non ioniques, HPMC, HEMC, etc., sont principalement utilisées dans les matériaux de construction, les revêtements en latex, les produits pharmaceutiques, les produits chimiques d'usage courant, etc. Elles servent d'épaississants, d'agents de rétention d'eau, de stabilisants, de dispersants et d'agents filmogènes.
Deuxièmement, la rétention d'eau de l'éther de cellulose
Rétention d'eau de l'éther de cellulose : Dans la production de matériaux de construction, notamment de mortier en poudre sèche, l'éther de cellulose joue un rôle irremplaçable, en particulier dans la production de mortier spécial (mortier modifié), il est un composant indispensable et important.
Le rôle important de l'éther de cellulose hydrosoluble dans le mortier se manifeste principalement sous trois aspects : son excellente capacité de rétention d'eau, son influence sur la consistance et la thixotropie du mortier, et son interaction avec le ciment. L'effet de rétention d'eau de l'éther de cellulose dépend de l'absorption d'eau de la couche de base, de la composition du mortier, de l'épaisseur de la couche de mortier, des besoins en eau du mortier et du temps de prise du liant. La rétention d'eau de l'éther de cellulose lui-même provient de sa solubilité et de sa déshydratation. Comme on le sait, bien que la chaîne moléculaire de la cellulose contienne un grand nombre de groupes OH hautement hydratables, elle est insoluble dans l'eau en raison du haut degré de cristallinité de sa structure.
L'hydratation assurée par les groupes hydroxyle seuls est insuffisante pour rompre les fortes liaisons hydrogène et les forces de van der Waals entre les molécules. Par conséquent, le polymère gonfle sans se dissoudre dans l'eau. L'introduction d'un substituant dans la chaîne moléculaire rompt non seulement les liaisons hydrogène, mais aussi les liaisons hydrogène interchaînes, du fait de son insertion entre les chaînes adjacentes. Plus le substituant est volumineux, plus la distance entre les molécules est grande. Plus cette distance est grande, plus la rupture des liaisons hydrogène est importante. L'éther de cellulose devient alors soluble dans l'eau après l'expansion du réseau cellulosique et la pénétration de la solution, formant une solution de haute viscosité. Lorsque la température augmente, l'hydratation du polymère diminue et l'eau entre les chaînes est expulsée. Lorsque la déshydratation est suffisante, les molécules s'agrègent, formant un gel à structure tridimensionnelle et se repliant sur elles-mêmes.
Les facteurs influençant la rétention d'eau du mortier comprennent la viscosité de l'éther de cellulose, la quantité ajoutée, la finesse des particules et la température d'utilisation :
Plus la viscosité de l'éther de cellulose est élevée, meilleures sont ses performances de rétention d'eau. La viscosité est un paramètre important des performances des éthers de cellulose. Actuellement, les fabricants d'éthers de cellulose utilisent différentes méthodes et instruments pour mesurer la viscosité de leurs produits. Les principales méthodes sont celles des appareils Haake Rotovisko, Hoppler, Ubbelohde et Brookfield. Pour un même produit, les résultats de viscosité mesurés par différentes méthodes sont très variables, parfois même du simple au double. Par conséquent, toute comparaison de viscosité doit être effectuée avec les mêmes méthodes de test, notamment en ce qui concerne la température, le rotor, etc.
De manière générale, plus la viscosité est élevée, meilleure est la rétention d'eau. Cependant, plus la viscosité et la masse moléculaire de la méthylcellulose (MC) sont élevées, plus sa solubilité diminue, ce qui nuit à la résistance et aux performances de mise en œuvre du mortier. L'effet épaississant sur le mortier est plus marqué avec une viscosité élevée, mais il n'est pas directement proportionnel à la viscosité. Plus la viscosité est élevée, plus le mortier humide est visqueux, ce qui se traduit, lors de la mise en œuvre, par une adhérence importante à la spatule et au support. Toutefois, cela n'améliore pas la résistance structurelle du mortier humide lui-même. Lors de la mise en œuvre, la résistance à l'affaissement est faible. À l'inverse, certains éthers de méthylcellulose modifiés, de viscosité moyenne à faible, présentent d'excellentes performances en matière d'amélioration de la résistance structurelle du mortier humide.
Plus la quantité d'éther de cellulose ajoutée au mortier est importante, meilleures sont les performances de rétention d'eau, et plus la viscosité est élevée, meilleures sont les performances de rétention d'eau.
Concernant la taille des particules, plus elles sont fines, meilleure est la rétention d'eau. Au contact de l'eau, les grosses particules d'éther de cellulose se dissolvent immédiatement en surface, formant un gel qui enrobe le matériau et empêche l'infiltration des molécules d'eau. Parfois, même après une agitation prolongée, l'éther de cellulose ne parvient pas à se disperser et à se dissoudre uniformément, ce qui entraîne la formation d'une solution trouble et floconneuse, voire d'agglomérats. Ce phénomène affecte considérablement la rétention d'eau de l'éther de cellulose, et la solubilité est un critère de choix important pour ce matériau.
La finesse est un critère de performance important pour l'éther de méthylcellulose. L'éther de méthylcellulose utilisé pour les mortiers secs doit se présenter sous forme de poudre à faible teneur en eau, et sa finesse exige que 20 à 60 % des particules aient une taille inférieure à 63 µm. La finesse influe sur la solubilité de l'éther de méthylcellulose. Un éther de méthylcellulose grossier, généralement granulaire, se dissout facilement dans l'eau sans agglomération, mais sa vitesse de dissolution est très lente, ce qui le rend inadapté aux mortiers secs. Dans ces mortiers, l'éther de méthylcellulose est dispersé parmi les liants tels que les granulats, les fillers fins et le ciment. Seule une poudre suffisamment fine permet d'éviter l'agglomération de l'éther de méthylcellulose lors du mélange avec l'eau. L'ajout d'eau pour dissoudre les agglomérats rend la dispersion et la dissolution de l'éther de méthylcellulose très difficiles.
L'utilisation d'un mortier à poudre trop fin est non seulement source de gaspillage, mais réduit également la résistance locale du mortier. Appliqué sur une grande surface, ce type de mortier à poudre sèche entraîne un ralentissement important de la prise locale et l'apparition de fissures dues aux différences de temps de prise. En revanche, pour les mortiers projetés utilisés dans la construction mécanique, la finesse requise est plus élevée en raison du temps de malaxage plus court.
La finesse de la méthylcellulose influe également sur sa capacité de rétention d'eau. De manière générale, pour des éthers de méthylcellulose de même viscosité mais de finesse différente, à quantité ajoutée égale, plus la particule est fine, meilleure est la rétention d'eau.
La rétention d'eau du mortier de méthylcellulose (MC) est également liée à la température d'application ; celle de l'éther de méthylcellulose diminue avec l'augmentation de la température. Or, dans la pratique, le mortier en poudre est souvent appliqué sur des supports chauds à des températures élevées (supérieures à 40 °C) dans de nombreux environnements, comme par exemple pour l'enduit de façade en plein soleil en été. Ces conditions climatiques accélèrent souvent la prise du ciment et le durcissement du mortier. La diminution du taux de rétention d'eau affecte sensiblement la maniabilité et la résistance à la fissuration, et il est donc crucial de minimiser l'influence de la température dans ces conditions.
Bien que les additifs à base d'éther de méthylhydroxyéthylcellulose soient actuellement considérés comme étant à la pointe du développement technologique, leur sensibilité à la température entraîne toujours une diminution des performances des mortiers en poudre sèche. Même en augmentant la quantité de méthylhydroxyéthylcellulose (formule d'été), la maniabilité et la résistance à la fissuration restent insuffisantes. Grâce à un traitement spécifique de la méthylhydroxyéthylcellulose, comme l'augmentation du degré d'éthérification, il est possible de maintenir la rétention d'eau à haute température et ainsi d'obtenir de meilleures performances dans des conditions difficiles.
3. Épaississement et thixotropie de l'éther de cellulose
Épaississement et thixotropie de l'éther de cellulose : La seconde fonction de l'éther de cellulose, son effet épaississant, dépend de son degré de polymérisation, de la concentration de la solution, du taux de cisaillement, de la température et d'autres conditions. La gélification est une propriété spécifique de l'alkylcellulose et de ses dérivés modifiés. Les propriétés de gélification sont liées au degré de substitution, à la concentration de la solution et aux additifs. Pour les dérivés hydroxyalkylés, les propriétés du gel dépendent également du degré de modification par l'hydroxyalkyle. Pour la MC et l'HPMC de faible viscosité, on peut préparer des solutions à 10-15 %, pour la MC et l'HPMC de viscosité moyenne, à 5-10 %, et pour la MC et l'HPMC de haute viscosité, seulement à 2-3 %. La classification de la viscosité de l'éther de cellulose se fait généralement par paliers de 1-2 %.
L'éther de cellulose de haut poids moléculaire possède un pouvoir épaississant élevé. À concentration égale, les polymères de poids moléculaires différents présentent des viscosités différentes. La viscosité cible ne peut être atteinte qu'en ajoutant une grande quantité d'éther de cellulose de bas poids moléculaire. Sa viscosité est peu dépendante du taux de cisaillement, et une faible quantité d'éther de cellulose est nécessaire pour atteindre la viscosité cible. La viscosité dépend alors du pouvoir épaississant. Par conséquent, pour obtenir une consistance donnée, une certaine quantité d'éther de cellulose (concentration de la solution) et une viscosité de solution précise doivent être garanties. La température de gélification de la solution diminue linéairement avec l'augmentation de sa concentration, et la gélification se produit à température ambiante après avoir atteint une certaine concentration. La concentration de gélification de l'HPMC est relativement élevée à température ambiante.
La consistance peut également être ajustée en choisissant la taille des particules et en sélectionnant des éthers de cellulose présentant différents degrés de modification. Cette modification consiste à introduire un certain degré de substitution de groupes hydroxyalkyles sur la structure squelettique de la cellulose microcristalline (MC). En modifiant les valeurs relatives de substitution des deux substituants, c'est-à-dire les valeurs DS et ms des groupes méthoxy et hydroxyalkyles, on peut obtenir des éthers de cellulose aux performances variées.
Relation entre consistance et modification : l'ajout d'éther de cellulose influe sur la consommation d'eau du mortier ; la modification du rapport eau/liant (eau et ciment) a un effet épaississant ; plus le dosage est élevé, plus la consommation d'eau est importante.
Les éthers de cellulose utilisés dans les matériaux de construction en poudre doivent se dissoudre rapidement dans l'eau froide et conférer au système une consistance adaptée. Sous un certain taux de cisaillement, ils forment des blocs floconneux et colloïdaux, ce qui indique un produit de qualité inférieure.
Il existe une bonne corrélation linéaire entre la consistance de la pâte de ciment et le dosage d'éther de cellulose. L'éther de cellulose peut augmenter considérablement la viscosité du mortier. Plus le dosage est important, plus l'effet est marqué. Les solutions aqueuses d'éther de cellulose à haute viscosité présentent une thixotropie élevée, caractéristique majeure de l'éther de cellulose. Les solutions aqueuses de polymères MC présentent généralement une fluidité pseudoplastique et non thixotrope en dessous de leur température de gélification, mais des propriétés d'écoulement newtonien à faibles vitesses de cisaillement. La pseudoplasticité augmente avec la masse moléculaire ou la concentration de l'éther de cellulose, indépendamment du type de substituant et du degré de substitution. Par conséquent, les éthers de cellulose de même grade de viscosité, qu'il s'agisse de MC, HPMC ou HEMC, présenteront toujours les mêmes propriétés rhéologiques tant que la concentration et la température restent constantes.
Des gels structuraux se forment lorsque la température augmente, et des écoulements fortement thixotropes apparaissent. Les éthers de cellulose à haute concentration et faible viscosité présentent une thixotropie même en dessous de leur température de gélification. Cette propriété est très avantageuse pour le contrôle du nivellement et de l'affaissement lors de la mise en œuvre de mortiers de construction. Il convient de préciser que plus la viscosité de l'éther de cellulose est élevée, meilleure est la rétention d'eau. Cependant, une viscosité plus élevée s'accompagne d'une masse moléculaire relative plus importante et, par conséquent, d'une diminution de sa solubilité, ce qui a un impact négatif sur la concentration du mortier et ses performances de mise en œuvre. Plus la viscosité est élevée, plus l'effet épaississant sur le mortier est marqué, mais cette relation n'est pas totalement proportionnelle. Certains éthers de cellulose de viscosité moyenne à faible présentent de meilleures performances pour améliorer la résistance structurale du mortier humide. La rétention d'eau de l'éther de cellulose s'améliore avec l'augmentation de sa viscosité. 4. Retard de prise de l'éther de cellulose
Ralentissement de l'hydratation par l'éther de cellulose : La troisième fonction de l'éther de cellulose est de retarder l'hydratation du ciment. L'éther de cellulose confère au mortier diverses propriétés bénéfiques, tout en réduisant la chaleur d'hydratation initiale et en ralentissant la cinétique d'hydratation. Ceci est défavorable à l'utilisation du mortier dans les régions froides. Cet effet retardateur est dû à l'adsorption des molécules d'éther de cellulose sur les produits d'hydratation tels que C-S-H et Ca(OH)₂. En augmentant la viscosité de la solution interstitielle, l'éther de cellulose réduit la mobilité des ions en solution, retardant ainsi l'hydratation.
Date de publication : 4 février 2023