ETUDE DE LA MICROSTRUCTURE D UNE PATE DE CIMENT PAR MICROSCOPIE ELECTRONIQUE A BALAYAGE

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1 EIDGENÖSSISCHE TECHNISCHE HOCHSCHULE LAUSANNE POLITECNICO FEDERALE DI LOSANNA SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY LAUSANNE INSTITUT DES MATERIAUX LABORATOIRE DE MATERIAUX DE CONSTRUCTION ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE TRAVAUX PRATIQUES DE MATERIAUX DE CONSTRUCTION : ETUDE DE LA MICROSTRUCTURE D UNE PATE DE CIMENT PAR MICROSCOPIE ELECTRONIQUE A BALAYAGE MATERIAUX 6 ème SEMESTRE Resp. : Vanessa KOCABA DATE GROUPE NOMS

2 OBJECTIFS DU TP Le but de cette séance est de montrer comment les différentes interactions électron-matière peuvent être utilisées pour étudier la microstructure d un matériau cimentaire à la fois quantitativement et qualitativement. Plus précisément, on essaiera d une part d identifier les phases en présence dans une pâte de ciment et d autre part de décrire le plus précisément possible un matériau inconnu. Pour cela, les échantillons vont être soumis au faisceau électronique d un microscope à balayage. Un filament de tungstène génère des électrons qui sont ensuite accélérés par une forte tension (jusqu à KV). Le faisceau d électrons ainsi créé est alors focalisé très finement à l aide de lentilles électromagnétiques et scanne une surface définie de l échantillon. Les interactions entre le faisceau et l échantillon ont lieu dans une poire d environ 1μm 3 (plus ou moins en fonction de la tension accélératrice appliquée et de la nature du matériau). L échantillon émet alors divers rayonnements caractéristiques parmi lesquels : - les électrons secondaires (SE) qui sont arrachés aux couches électroniques supérieures des atomes de surface lors du contact incident entre le faisceau et le matériau. Il s agit d un choc inélastique et ces électrons vont former une image de la topologie du matériau, - les électrons rétrodiffusés (backscattered electrons : BSE) qui sont des électrons du faisceau incident qui ressortent du matériau après plusieurs collisions avec des atomes de celui-ci. Il s agit d une interaction élastique (conservation de l énergie), très sensible à la densité électronique des atomes du matériau, - les rayons X caractéristiques qui correspondent à des désexcitations radiatives des atomes du matériau, suite à l arrachement des électrons de cœur de ces atomes Au cours de ce TP, on utilisera les X caractéristiques afin d identifier les phases en présence dans une pâte de ciment. PREPARATION DES ECHANTILLONS Les échantillons étudiés sont issus d une pâte de ciment Portland ordinaire dont l hydratation a été stoppée à différents temps de réaction. La pâte a été préparée en mélangeant intimement le ciment à de l eau à hauteur d un rapport massique eau/ciment égal à Un tel mélange prend en quelques heures mais la réaction d hydratation continue pourtant aussi longtemps que l échantillon est conservé dans un environnement humide. Les principaux oxydes de base contenus dans un matériau cimentaire sont : CaO, SiO 2, Al 2 O 3, et Fe 2 O 3 et sont usuellement notées : CaO SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 H 2 O C S A F H 2

3 Les composés présents dans un ciment non réagi sont des formes impures de C 3 S, C 2 S, C 3 A et C 4 AF. Le C 3 S constitue environ 60 à 70% d un ciment et c est sa réaction avec l eau (hydratation) qui est principale responsable du développement des propriétés mécaniques dans les pâtes de ciment (mortier ou béton). Les principaux produits de l hydratation sont l hydroxyde de calcium cristallin (CH) et le C-S-H amorphe (les tirets traduisent une composition variable). C 3 S H 2 O C S - H CH L examen au microscope implique une préparation préalable des échantillons déshydratés : ceux-ci ont été imprégnés sous vide avec une résine époxy puis leur surface a été polie jusqu à 0.25 micromètre et enfin recouverte d un dépôt très fin de carbone. Quels sont les autres mécanismes réactionnels et les hydrates générés? Précisez également l avancement réactionnel. 3

4 1. ANALYSE QUALITATIVE PAR RAYONNEMENT X CARACTERISTIQUE Cette première partie du TP va montrer quels types de renseignements qualitatifs peuvent être obtenus sur des matériaux, grâces aux photons X caractéristiques. Ces X sont générés lorsque des électrons incidents du faisceau rencontrent des électrons de cœur des atomes de l échantillon. Si l énergie de l électron incident est supérieure à l énergie de cohésion de l électron de cœur, alors ce dernier est arraché et laisse un site vacant dans le nuage électronique de l atome. Dés lors, des électrons des couches supérieures vont relaxer et venir occuper ce site en émettant des photons X. L énergie associée à cette relaxation est unique pour chaque atome si bien que la mesurer permet d identifier l atome émetteur. Energie des photons (transitions Kα uniquement) en ev O C Al Na Si Mg Ca & S Fe & (Lα : 0.704) Cl K A l aide des énergies de photons données ci-dessus, déterminez quelles phases ont généré les spectres qui suivent en justifiant vos réponses Les spectres ne correspondent pas exactement à ces phases. Pourquoi? 4

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6 5 6 Les spectres obtenus au cours du TP sont plus complexes. Comment pouvez-vous les exploiter? En fonction des résultats obtenus, à quels renseignements l analyse par X caractéristiques permet-elle d accéder? 6

7 2. IMAGERIE PAR ELECTRONS RETRODIFFUSES Cette partie montre comment les électrons rétrodiffusés peuvent être utilisés pour produire des images contrastées par les numéros atomiques. Les BSE sont des électrons incidents qui ont été diffusés élastiquement à grand angle par l échantillon puis qui s en sont échappés (ils ont donc des énergies similaires à celles des électrons incidents). Leur nombre dépend principalement du numéro atomique du matériau qui les émet : on peut définir un coefficient de rétrodiffusion η fonction de Z qui traduit leur quantité. D une manière générale, plus η est grand, plus l élément (ou le composé) émettra de BSE. Pour les éléments purs, la relation est : η = x x10-2 Z x10-4 Z x10-7 Z 3 Pour les composés, η est la moyenne pondérée des numéros atomiques des n constituants : η cmp = Σ w 1.η 1 +Σ w 2.η 2 +Σ w 3.η 3 +Σ w 4.η 4 +. Ci dessous sont donnés les coefficients de rétrodiffusion de quelques phases cimentaires. Phase C 4 AF C 3 S C 2 S C 3 A CH C 1.7 SH 4 η Qualitativement, sachant que C 3 S va émettre plus de BSE que C 2 S, comment cela se traduitil en imagerie? Pourquoi? 7

8 - Sur la photo qui vous sera distribuée au cours du TP, essayez d identifier (en justifiant) les principales phases visibles. A quoi correspondent les zones les plus sombres (pixels noirs)? Pourquoi? 8

9 3. ETUDE DE CAS Afin de mettre en application vos connaissances sur les matériaux cimentaires et la microscopie, vous allez tirez au sort un échantillon inconnu et en faire l étude la plus détaillée possible par microscopie. - Faire la description du matériau. Etablir une démarche d étude avec les différents «outils» qui sont à votre disposition. Vous devez identifier et évaluer l âge du ou des matériaux constitutifs de l échantillon étudié. 9