Understanding of the polymer reinforcement mechanism in cementitious matrix : application to latex

L’ajout de latex dans les matériaux cimentaires confère à ce composé minéral des avantages considérables en terme de propriétés adhésives et mécaniques. Néanmoins, le lien entre la structure chimique des latex, leur formulation, l’adsorption des particules sur le ciment et les propriétés mécaniques des composites néoformés n’était pas établi. L’objectif de la thèse a donc été d’identifier et caractériser, à l’échelle microscopique, les mécanismes et les paramètres contrôlant les interactions entre latex et ciment et d’en déterminer les effets sur les propriétés mécaniques.Nous présentons dans ce travail de thèse une approche physico-chimique « pas à pas » afin d’acquérir une meilleure compréhension des systèmes complexes ciment-latex. Deux types de latex ont été étudiés, des latex commerciaux largement employés dans l’industrie du ciment et des latex modèles synthétisés par copolymérisation radicalaire en émulsion. Ces derniers permettent d’obtenir un réel contrôle sur les paramètres physico-chimiques des polymères étudiés et plus particulièrement sur leurs propriétés de surface. Le ciment étant un matériau complexe et réactif, une étude préliminaire a porté sur l’adsorption des particules polymères sur un matériau modèle non réactif ; le gypse. Pour aller au-delà de ce matériau modèle, une étude des interactions ciment-latex à l’état frais a été menée. Il s’agissait de déterminer : la stabilité colloïdale des latex dans une solution riche en ions comme les solutions interstitielles de ciment, la quantité de polymère adsorbée sur les hydrates et sur les grains de ciment, la distribution des particules dans la matrice cimentaire et le possible retard de l’hydratation du ciment. L’effet de la présence de charges minérales dans les latex commerciaux, en raison du procédé de séchage utilisé, a également été examiné. Après la prise, à l’état durci, les propriétés mécaniques des composites ont été cartographiées à l’échelle microscopique par micro-indentation. Ces propriétés mécaniques varient selon la nature des groupements chimiques présents à la surface des latex modèles et selon la présence de charges minérales dans les latex commerciaux. Enfin, pour se rapprocher de l’application de colle à carrelage, des premières expériences de mesures macroscopiques de l’adhésion ont été effectuées sur des carreaux.The addition of latex particles in cement confer to this mineral compound, considerable benefits towards both final adhesive and mechanical properties. However, the correlation between the latex chemical structure, its formulation, its adsorption on cement and the resulting macroscopic properties of the newly obtained composite material was still lacking. The aim of the thesis was therefore to identify the mechanisms as well as the relevant parameters that control the cement-latex interactions and to determine their effects on the mechanical properties.In this regard, we present a "step-by-step" physicochemical approach. Two different types of latex were investigated, the commercial lattices commonly used in the cement industry and model lattices synthesized by radical copolymerization emulsions. The latter allows a real control over the physicochemical parameters of the used polymers and especially over their surface properties. As cement is a complex and reactive material, a preliminary study was carried out on the polymer adsorption on a non-reactive model material such as gypsum. To go beyond this model non-reactive material, a study of cement-latex interactions at the fresh state was pursued. The objectives were to determine the latex colloidal stability in an ion-rich solution environment like the pore solution, the amount of latex adsorbed either at the cement grain or hydrate surfaces, the polymeric particle distribution in cement and the possible impact of the latex nature on the cement hydration. The impact of mineral charges used during spray drying for commercial lattices was also examined. After hardening, the mechanical properties, at the microscopic scale, were mapped using micro-indentation. These mechanical properties depend on the chemical moieties present at the model latex particle surfaces and on the mineral charges in commercial lattices. Finally, to come closer to the application, adhesion tests were performed on tiles