Bien qu'il soit utilisé pour construire certaines des plus grandes structures du monde, il s'avère que le ciment a en fait quelque chose en commun avec une éponge.

Un matériau très poreux, le ciment a tendance à absorber l'eau des précipitations et même l'humidité ambiante. Et tout comme la forme d'une éponge change en fonction de la saturation en eau, il en va de même pour celui du ciment, selon des travaux récents menés au MIT.

Dans un article publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , chercheurs du MIT Concrete Sustainability Hub (CSHub), Le Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et l'Université Aix-Marseille discutent de la manière dont le réseau poreux du matériau absorbe l'eau et proposent comment le séchage réarrange définitivement le matériau et conduit à des dommages structurels potentiels.

Mais pour comprendre comment l'eau peut modifier la structure des pores du ciment, il faut d'abord voir comment il contribue à la formation de cette même structure.

La pâte de ciment commence sous la forme d'une poudre sèche composée d'ingrédients soigneusement mélangés, notamment du calcium, fer à repasser, aluminium, et silicium. D'ici, cette poudre est mélangée à une certaine proportion d'eau pour former une pâte de ciment. C'est là que le réseau de pores commence à se former.

Une fois l'eau et la poudre mélangées, ils réagissent ensemble et produisent des composés appelés hydrate de silicate de calcium (CSH), également connu sous le nom d'hydrates de ciment.

"Les hydrates de ciment sont petits, à l'échelle nanométrique, " dit Tingtao Zhou, un doctorat étudiant au Département de physique et auteur principal de l'article. "Ce sont les blocs de construction du ciment."

Lors de l'hydratation du ciment, les nanograins de l'hydrate de ciment s'agrègent entre eux, formant un réseau qui colle tous les constituants ensemble. Bien que cela donne au ciment sa force, les espaces entre les hydrates de ciment créent un vaste réseau de pores dans la pâte de ciment.

"Vous avez de nombreux pores de tailles variables qui sont interconnectés, " décrit Zhou. " Cela devient très complexe. Et comme ils sont si petits, vous n'avez même pas besoin de pluie pour les remplir d'eau. Même l'humidité ambiante peut combler ces pores."

Ceci pose un problème lorsqu'on essaie d'étudier l'assèchement d'un réseau de pores.

« Disons que vous n'avez que deux grains de silicate de calcium hydraté ; vous pouvez imaginer qu'il y a de la condensation d'eau entre eux, " explique Zhou. " Dans ce cas, il est facile de mesurer l'eau dans l'espace interstitiel et la pression de cette condensation, que nous appelons pression capillaire. Mais quand vous avez un nombre énorme de grains, la distribution de l'eau devient vraiment compliquée - la géométrie devient un gâchis. »

Pour faire face à l'eau dans le réseau de pores désordonnés du ciment, Zhou et Katerina Ioannidou, chercheur au CNRS et au MIT Energy Initiative et auteur correspondant de l'article, a d'abord lutté avec deux problèmes.

Le premier était la saturation partielle. Étant donné que le réseau de pores est si complexe, l'eau devient inégalement répartie, ce qui rend difficile le calcul de sa distribution.

Le deuxième problème est celui des échelles multiples.

"Autrefois, les chercheurs étudieraient le mouvement de l'eau dans les pores à l'échelle de l'atome ou sur le continuum, ou visible, escalader, " rapporte Zhou. " Cela signifie qu'ils ont perdu beaucoup d'informations sur l'échelle méso, qui se situe entre les échelles atomistique et continue. "

Durant la dernière décennie, Ioannidou, avec les chercheurs Roland Pellenq, Franz-Josef Ulm, Sidney Yip, et Emanuela Del Gado de l'Université de Georgetown ont tous travaillé pour faire avancer la modélisation du ciment à plusieurs échelles. Ce document récent s'est appuyé sur leurs travaux pour aborder ces questions.

En utilisant des techniques de modélisation informatique, Zhou et Ioannidou ont calculé comment l'eau se distribue dans un pore, puis ont déterminé la force que l'eau a exercée sur la paroi du pore. Une fois terminé, ils ont regroupé les pores et simulé l'effet du séchage à l'échelle méso.

Après examen des simulations, Zhou et Ioannidou ont découvert que les grains s'étaient "réarrangés de manière irréversible sous un séchage doux".

Même si ces changements semblaient faibles, ils n'étaient pas nécessairement insignifiants. "Nous avons trouvé des changements structurels irréversibles à mésoéchelle, " note Zhou. " Il ne se propage pas encore à plus grande échelle. Mais que se passe-t-il lorsque nous avons plusieurs de ces cycles de séchage sur de nombreuses années ? »

Bien qu'il soit trop tôt pour savoir exactement comment ce type de changement structurel affecte les structures en béton, Zhou espère développer un nouveau modèle pour étudier les conséquences à long terme du séchage.

"Dans ce document, nous avons traité différentes échelles spatiales. Mais nous devons encore composer avec des échelles de temps différentes. Ces changements se produisent dans une période de quelques nanosecondes et nous aimerions voir leur influence sur la durée de vie typique des structures en béton, " il explique.

Toujours, cette approche informatique représente une nouvelle façon de mieux comprendre les effets du séchage dans le ciment. « Dans les expériences physiques passées, il est très difficile d'observer des dégâts à cette échelle. Mais le calcul permet de simuler ce genre de dommage, " explique Zhou. " C'est la puissance de l'informatique. "

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.