Compatibility between cements and superplasticizers in high-performance concrete : influence of alkali content in cement and of the molecular weight of PNS on the properties of cement pastes and concretes

La recherche présentée avait pour premier objectif: d'évaluer les effets de la teneur en alcalis d'un ciment et de la masse moléculaire d'un polynaphtalène sulfonate (PNS) sur les propriétés rhéologiques de pâtes de ciment et de bétons, et pour deuxième objectif: de proposer un mécanisme de dispersion des molécules de PNS tenant compte du rôle des alcalis. Pour atteindre ces deux objectifs, six ciments, ayant des teneurs en C3A et N~O équivalent qui variaient sur une assez grande gamme de valeur, ont été sélectionnés ainsi que trois superplastifiants commerciaux ayant des distributions moléculaires différentes. Les résultats obtenus montrent qu'il existe une teneur en alcalis solubles optimale qui confère au ciment non seulement une bonne fluidité initiale mais aussi minimise la perte de fluidité dans le temps. Dans le cas des ciments étudiés nous avons trouvé que cet optimum était de l'ordre de 0,4 à 0,5% de Na2O équivalent soluble. L'étude menée sur les six ciments a montré en outre qu'il n'y avait pas de relation simple entre la teneur en N11zO équivalent total et la teneur en N~O équivalent soluble dans les pâtes de rapport E/C = 0,35. Par conséquent, il est donc très important de mesurer la teneur en alcalis solubles plutôt que la teneur en alcalis totaux. L'addition d'un sulfate alcalin dans les ciments à faible teneur en alcalis réduit de façon significative les pertes de fluidité observées sur les ciments, cependant, l'addition de sulfate alcalin augmente la perte de fluidité des pâtes de ciment faites avec des ciments à forte teneur en alcalis. Nous avons trouvé que ]es trois ciments incompatibles qui avaient une faible teneur en alcalis solubles avaient tendance à absorber une grande quantité de superplastifiant tandis que les trois ciments compatibles qui avaient une teneur en alcalis solubles plus élevée absorbaient moins de superplastifiant de sorte qu'il restait plus de molécules de superplastifiant dans la solution interstitielle. La capacité d'adsorption d'un PNS sur un ciment donné est très fortement influencée par la teneur en alcalis solubles. Nous avons aussi trouvé que l'addition de sulfate alcalin augmentait de façon significative la quantité de PNS qui demeure dans la phase interstitielle en augmentant non seulement la concentration en ions sulfates, mais aussi le pH de la solution interstitielle, tout en diminuant la concentration en ions calciums. Toutes ces observations nous ont amené à proposer un mécanisme de compétition entre le PNS, les ions hydroxyles et les ions sulfates.Abstract: The aim of this study is to evaluate the effects of alkali content in cement and the molecular weight of PNS on the properties of cement pastes and concretes. Moreover, the dispersing mechanism of the PNS superplasticizer and the role of alkali in the dispersing mechanism are also proposed in this study. Six cements, having a wide range of C3A and Na2O equivalent contents, have been carefully selected for this study. Three commercial PNS superplasticizers, having different molecular weights, were selected and were characterized by their molecular weight distribution. The results obtained from the study of the effects of alkali content show that there is an optimum content of soluble alkali with respect to fluidity and fluidity loss, which was found to be 0.4 - 0.5 % Na2O soluble equivalent in the cements. It was found that there is not a close relation between the total alkali and the soluble alkali content measured in the cement pastes having a W/C = 0.35. Therefore, it is important to measure the soluble alkali content rather than the total alkali content. It was found that the three incompatible cements containing a low amount of soluble alkalies have a tendency to adsorb a high amount of PNS superplasticizer, while the three compatible cements containing a higher amount of soluble alkalies do not, leaving a higher amount of PNS superplasticizer in solution. It was found that the influence of the molecular weight of PNS superplasticizer on the rheological behavior of cement pastes depends greatly on the alkali content in the cement; relatively high-molecular-weight PNS is more effective in fluidizing pastes made with high-alkali cements than low-molecular-weight PNS, however, PNS molecular weight has little effect in fluidizing pastes made with low-alkali cements. However, in the study on concretes, the high-molecular weight PNS is always better in improving the fluidity of concretes than low-molecular weight PNS. The fluidity of cement pastes containing a high molecular weight PNS is more affected by the addition of Na2SO4 because the amount of large molecules remaining in solution is determined by the alkali content in the cement. However, low-molecular-weight PNS does not affect greatly the fluidity of cement paste when some Na2SO4 is added."--Résumé abrégé par UM