Le rôle de l'éther de cellulose dans le mortier prêt à l'emploi

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, en fonction de leur variété, de leur viscosité, de leur granulométrie, de leur degré de viscosité et de leur dosage, contribue à améliorer les performances des mortiers en poudre. Actuellement, de nombreux mortiers de maçonnerie et d'enduit présentent une faible rétention d'eau et la suspension aqueuse se sépare après quelques minutes de repos.

La rétention d'eau est une performance importante du méthyleéther de celluloseC'est également une performance à laquelle de nombreux fabricants de mortiers secs, notamment dans les régions du sud où les températures sont élevées, accordent une grande importance. Parmi les facteurs influençant la rétention d'eau du mortier sec, on peut citer la quantité de liant ajoutée, sa viscosité, la finesse des particules et la température ambiante.

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 présents 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. Une partie des groupes hydroxyle est substituée par un groupe méthoxy, et l'autre partie par un groupe hydroxypropyle. L'éther d'éthylméthylcellulose (HEMC) est l'une des principales variétés largement 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.

Rétention d'eau de l'éther de cellulose : Dans la production de matériaux de construction, notamment de mortiers secs, l'éther de cellulose joue un rôle irremplaçable, en particulier dans la fabrication de mortiers spéciaux (mortiers modifiés), où il constitue un composant indispensable. L'importance de l'éther de cellulose soluble dans l'eau dans le mortier repose principalement sur 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'efficacité de la rétention d'eau de l'éther de cellulose dépend de l'absorption d'eau de la couche de base, de la composition et de l'épaisseur de la couche de mortier, des besoins en eau du mortier et du temps de prise du liant. Cette rétention d'eau est due à la solubilité et à la déshydratation de l'éther de cellulose lui-même. 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 granulométrie, plus les particules 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 ne parvient pas à se disperser et à se dissoudre uniformément, formant une solution trouble et floconneuse ou des agglomérats. Ce phénomène affecte considérablement la rétention d'eau de l'éther de cellulose, et la solubilité est un critère de choix important. La finesse est également un indice de performance essentiel pour l'éther de méthylcellulose. L'éther de méthylcellulose utilisé pour les mortiers secs doit se présenter sous forme de poudre, avec une 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. L'éther de méthylcellulose grossier est généralement granulaire et se dissout facilement dans l'eau sans agglomération, mais sa vitesse de dissolution est très lente ; il n'est donc pas adapté aux mortiers secs. Dans les mortiers en poudre sèche, la méthylcellulose (MC) est dispersée parmi les liants tels que les granulats, les fillers 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 ces agglomérats rend leur dispersion et leur dissolution très difficiles. Une granulométrie trop grossière de la MC est non seulement source de gaspillage, mais réduit également la résistance locale du mortier. Appliqué sur une grande surface, un tel mortier en poudre sèche entraîne un ralentissement important de la prise locale, et des fissures apparaissent en raison des différences de temps de prise. Pour les mortiers projetés utilisés en construction mécanique, la finesse requise est encore plus élevée du fait du temps de mélange 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, et 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 été, ce qui accélère 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 peut encore entraîner une baisse des performances du mortier en poudre. Même en augmentant la quantité d'éther de méthylhydroxyéthylcellulose (formule été), la maniabilité et la résistance à la fissuration restent insuffisantes. Grâce à un traitement spécial du MC, tel que l'augmentation du degré d'éthérification, etc., l'effet de rétention d'eau peut être maintenu à une température plus élevée, ce qui permet d'obtenir de meilleures performances dans des conditions difficiles.

De plus, l'épaississement et la thixotropie de l'éther de cellulose : la seconde fonction de l'éther de cellulose, l'épaississement, dépendent du degré de polymérisation de l'éther, de la concentration de la solution, du taux de cisaillement, de la température et d'autres conditions. La propriété gélifiante de la solution est spécifique à l'alkylcellulose et à 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 sont également liées au degré de modification hydroxyalkylée. Pour la MC et l'HPMC de faible viscosité, une solution à 10-15 % peut être préparée, pour la MC et l'HPMC de viscosité moyenne, une solution à 5-10 %, tandis que pour la MC et l'HPMC de haute viscosité…HPMCIl est uniquement possible de préparer des solutions à 2-3 %, et la classification de la viscosité des éthers de cellulose se fait généralement par paliers de 1-2 %. Les éthers de cellulose de haut poids moléculaire présentent un pouvoir épaississant élevé. À concentration égale, les polymères de poids moléculaires différents ont des viscosités très différentes. La viscosité cible ne peut être atteinte qu'en ajoutant une grande quantité d'éther de cellulose de faible poids moléculaire. Sa viscosité est peu dépendante du taux de cisaillement, et une viscosité élevée permet d'atteindre la viscosité cible avec une faible quantité d'ajout. 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 sélectionnant la taille des particules et en choisissant 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 du 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 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 forte concentration et faible viscosité présentent une thixotropie même en dessous de leur température de gélification. Cette propriété est très avantageuse pour corriger le nivellement et 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'un poids moléculaire relatif plus important 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 parfaitement proportionnelle. Pour des viscosités moyennes et faibles, l'éther de cellulose modifié offre de meilleures performances en termes d'amélioration de la résistance structurelle du mortier humide. L'augmentation de la viscosité améliore la rétention d'eau de l'éther de cellulose.

Retardateur d'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 du ciment 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. Plus la concentration d'éther de cellulose dans le gel minéral est élevée, plus le retard d'hydratation est marqué. L'éther de cellulose retarde non seulement la prise, mais aussi le durcissement du mortier de ciment. Son effet retardateur dépend non seulement de sa concentration dans le gel minéral, mais aussi de sa structure chimique. Plus le degré de méthylation de l'HEMC est élevé, plus l'effet retardateur de l'éther de cellulose est important. Le rapport entre la substitution hydrophile et la substitution augmentant la teneur en eau renforce cet effet retardateur. En revanche, la viscosité de l'éther de cellulose influe peu sur la cinétique d'hydratation du ciment.

L'augmentation de la teneur en éther de cellulose allonge significativement le temps de prise du mortier. Il existe une forte corrélation non linéaire entre le temps de prise initial et la teneur en éther de cellulose, et une forte corrélation linéaire entre le temps de prise final et cette même teneur. On peut ainsi moduler le temps de prise du mortier en ajustant la quantité d'éther de cellulose.

En résumé, dans le mortier prêt à l'emploi,éther de celluloseL'éther de cellulose joue un rôle dans la rétention d'eau, l'épaississement, le ralentissement de l'hydratation du ciment et l'amélioration des performances de construction. Une bonne capacité de rétention d'eau favorise une hydratation plus complète du ciment, améliore la viscosité à l'état humide du mortier, renforce son adhérence et permet d'ajuster le temps de prise. L'ajout d'éther de cellulose au mortier projeté mécaniquement améliore les performances de projection ou de pompage ainsi que la résistance structurelle du mortier. C'est pourquoi l'éther de cellulose est largement utilisé comme additif important dans les mortiers prêts à l'emploi.