Pourquoi ajouter du nano carbonate de calcium aux matériaux à base de ciment ?

La nanotechnologie, technologie de pointe, connaît un essor considérable dans les applications des matériaux à base de ciment et est devenue un sujet de recherche brûlant. Comparé à la nanosilice, le nanocarbonate de calcium (nano-CaCO3) est une poudre minérale nanométrique moins réactive et peu coûteuse, dont le prix représente environ un dixième du prix de la nanosilice. Grâce à son respect de l'environnement, sa facilité de préparation, sa bonne stabilité et sa taille nanométrique, le nano-CaCO3 présente une augmentation rapide de la surface atomique, de la surface spécifique et de l'énergie de surface, ce qui lui confère des propriétés distinctes des particules ordinaires.

Compte tenu des excellentes performances du nano-CaCO3, de nombreuses études nationales et internationales ont exploré son application aux matériaux à base de ciment. Cet article examine les effets du nano-carbonate de calcium sur le processus d'hydratation, l'ouvrabilité, les propriétés mécaniques et la durabilité des matériaux à base de ciment, en s'appuyant sur des études de cas illustrant ses fonctions spécifiques et ses principes d'application.

1. Effet du nanocarbonate de calcium sur la maniabilité des matériaux à base de ciment
L'ajout de nano-CaCO3 au ciment peut favoriser l'hydratation et augmenter le taux d'hydratation, réduisant ainsi le temps de prise. Wei Huihui a constaté que les temps de prise initiale et finale de la pâte de ciment diminuent avec l'augmentation de la teneur en nano-CaCO3 ; lorsque le dosage passait de 0,44 % à 4,88 %, le temps de prise initiale était réduit de 35 à 81 minutes et le temps de prise finale de 23 à 71 minutes. Cet effet est également observé pour le béton. Des résultats similaires ont été obtenus dans des études sur le béton à ultra-hautes performances (BFUP), où un dosage de 5 % de nano-CaCO3 procurait une maniabilité optimale.

Camiletti et al. ont souligné que le nano-CaCO3 accélère la prise et le durcissement du BFUP en fournissant des sites de nucléation, en augmentant le rapport eau/ciment effectif et en augmentant les points de contact. Cependant, certaines études ont montré que lorsque le nano-CaCO3 et les cendres volantes sont mélangés, le temps de prise dépend de leurs quantités ; une teneur en nano-CaCO3 supérieure à 20 % peut prolonger le temps de prise.

2. Effet sur le processus d'hydratation
La littérature suggère trois rôles principaux du nano-CaCO3 dans les bétons modifiés : réaction chimique, nucléation et effet de charge. Le processus d'hydratation est principalement influencé par les effets chimiques et de nucléation. Detwiler et Tennis ont constaté que lors de l'hydratation du ciment, les particules de CaCO3 agissent comme sites de nucléation, augmentant la probabilité de précipitation du gel de CSH (silicate de calcium hydraté) sur les particules de calcaire et accélérant l'hydratation de C3S. De nombreuses particules de carbonate d'aluminate de calcium hydraté se développent à la surface du CSH et du Ca(OH)2, formés par la réaction entre le nano-CaCO3 et le C3A, améliorant ainsi la résistance initiale.

Xiao Jia et al. ont mesuré la teneur en Ca(OH)2 dans les produits d'hydratation et effectué une calorimétrie, constatant que l'ajout de nano-CaCO3 rétrécit, augmente et avance le premier pic de dégagement de chaleur de l'hydratation du C3S, augmentant la chaleur d'hydratation et accélérant le taux d'hydratation précoce avec l'augmentation du dosage. Le nano-CaCO3 réagit avec le C3A pour former de nouveaux produits d'hydratation, favorisant l'hydratation, et augmente également le Ca(OH)2 dans les systèmes de cendres volantes, accélérant ainsi l'hydratation des cendres volantes.

3. Effet sur les propriétés mécaniques
L'ajout de nano-CaCO3 exerce des effets combinés de micro-agrégation, d'imbrication et de nucléation, améliorant la granulométrie et le tassement des particules, réduisant la porosité et augmentant la densité, ce qui améliore la résistance à la flexion et à la compression. Cependant, il existe un dosage optimal.

Des recherches indiquent qu'en utilisant 29,0 % de cendres volantes comme base, le dosage optimal de nano-CaCO3 pour améliorer la résistance à la compression et à la flexion est de 2,2 %, augmentant ainsi respectivement ces résistances de 27,3 % et 19 %. L'ajout de nano-CaCO3 au béton contenant des cendres volantes atténue le retard de résistance initial causé par les cendres volantes, améliorant ainsi le développement de la résistance initiale et finale.

4. Effet sur la durabilité
4.1 Rétrécissement
Des études montrent que l'ajout de nano-CaCO3 augmente significativement le retrait de séchage du mortier à tous les âges, avec un pic à 2,22 %, l'effet le plus important étant le retrait de séchage précoce. Dans les BFUP, l'augmentation du dosage de nano-CaCO3 tend à accroître le retrait endogène. Jayapalan et al. ont constaté que l'ajustement de la taille des particules de nano-CaCO3 peut améliorer le taux d'hydratation précoce, réduire le retrait et optimiser la structure des pores, ce qui indique que le dosage et la taille des particules sont des facteurs clés influençant le comportement du retrait.

4.2 Perméabilité et résistance à la corrosion saline
Des quantités appropriées de nano-CaCO3 favorisent la formation de gel CSH et augmentent la production de Ca(OH)2 tout en réduisant le C3S non hydraté, améliorant ainsi la microstructure et la durabilité. Le nano-CaCO3 améliore l'imperméabilité du béton et sa résistance à la corrosion. Des études ont montré qu'un dosage optimal de 1,33 % réduisait le flux électrique sur 6 heures de 10,4 % par rapport au mortier témoin. Les recherches de Meng Tao ont confirmé une amélioration significative de la résistance à la pénétration des ions chlorure, surpassant ainsi la poudre minérale. Faiz et al. ont rapporté qu'une concentration de 1 % de nano-CaCO3 dans un béton à forte teneur en cendres volantes améliore considérablement la résistance aux ions chlorure et la durabilité à l'érosion hydrique.

4.3 Résistance au gel-dégel et à la carbonatation
Les effets de nucléation du nano-CaCO3 réduisent l'arrangement orienté et la distribution dense du Ca(OH)2 aux interfaces du béton, améliorant ainsi la structure de l'interface. L'amélioration de la granulométrie fine réduit la porosité, améliorant ainsi la résistance au gel-dégel. La carbonatation ralentit la migration du CO2, augmentant ainsi la résistance à la carbonatation. Le dosage optimal de nano-CaCO3 pour la durabilité au gel-dégel est de 1,33 %, avec une perte de résistance à la compression de 4,7 % et 9,8 % après 25 et 50 cycles respectivement. La porosité, les caractéristiques et la taille des pores sont des facteurs clés de la résistance au gel-dégel, que le nano-CaCO3 améliore en améliorant la structure de l'interface et en réduisant la porosité.

5. Mécanismes d'amélioration des matériaux à base de ciment par le carbonate de calcium nanométrique
5.1 Effet micro-chargeur
Les particules de nano-CaCO3 sont beaucoup plus petites que les particules de ciment et se dispersent bien, remplissant les petits vides et améliorant la classification des particules, ce qui donne une microstructure plus dense.

5.2 Effet de nucléation
Une énergie de surface élevée attire les ions Ca2+ et OH-, facilitant la nucléation des cristaux de Ca(OH)2 et réduisant l'orientation, améliorant ainsi l'hydratation et la croissance de C3S dans la zone de transition. Une grande surface spécifique augmente le contact avec l'eau, favorisant ainsi l'hydratation. Les gels CSH se nucléent sur le nano-CaCO3, réduisant ainsi les barrières de nucléation et formant un réseau colonnaire imbriqué bien défini qui comble les pores nocifs et améliore l'interface ciment-granulats.

5.3 Réactivité chimique
Le nano-CaCO3 réagit avec le C3A pendant l'hydratation, produisant des hydrates d'aluminate de calcium à haute ou basse teneur en carbonate, favorisant l'hydratation et augmentant la résistance durcie.

5.4 Amélioration de la zone de transition
Les propriétés mécaniques sont souvent affectées par des zones d'interface faibles ; l'ajout de nano CaCO3 améliore les produits d'hydratation et l'hétérogénéité de la microstructure dans cette zone, réduisant la porosité et les fissures, optimisant ainsi les performances.

Perspectives
Des études récentes montrent que le nano CaCO3 améliore efficacement la microstructure et les propriétés mécaniques des matériaux cimentaires, notamment en régulant l'hydratation et en améliorant la durabilité, surmontant ainsi les faiblesses techniques intrinsèques du béton. De plus, son faible coût offre de vastes perspectives d'application dans les matériaux béton.

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