ANALYSE THERMIQUE

Sommaire
	Introduction
	L'analyse thermique pondérale ou thermogravimétrie
	L'analyse thermique différentielle
	Appareillage utilisé au LERM
	Quelques exemples d'utilisation au LERM

Introduction

Le terme "analyse thermique" désigne un ensemble de techniques permettant la mesure de caractéristiques d'un corps ou d'un système en fonction de la montée en température.
Les mesures sont effectuées le plus souvent en continu, l'échantillon étant soumis à un cycle de température préprogrammé. Les domaines de température explorés les plus courants s'étendent de la température ambiante jusqu'à 1000 et 1600°C.

On distingue essentiellement deux techniques :

	l'analyse thermique pondérale ou thermogravimétrique
	l'analyse thermique différentielle

L'analyse thermique pondérale ou thermogravimétrie

L'analyse thermique pondérale (ATP) ou l'analyse thermogravimétrique (ATG) permet l'étude d'espèces ou de systèmes réactionnels dont la transformation au cours du cycle de température s'effectue avec variation de masse.

C'est le cas des systèmes donnant lieu à des réactions de décomposition avec formation de gaz, vapeur ou tout produit volatile :

	réactions de déshydratation, décarbonatation, combustion etc.… qui donnent lieu à des pertes de poids
	réactions d'oxydation par action de l'air, carbonatation, hydratation… qui conduisent à des gains de poids

L'exploitation à des fins analytiques utilise :

	la température de début de réaction pour identifier la nature de cette réaction (aspect qualitatif)
	la mesure en continu (balance enregistreuse) de la variation de masse pour un éventuel dosage quantitatif
	Des changements d'atmosphère gazeuse pouvant également être mis à profit pour identifier ou isoler une réaction

Les changements de pente de la courbe des variations pondérales permettent de repérer les débuts et fins de réactions ou de transformation. Les variations pondérales du système entre ces repères donnent des informations quantitatives et permettent certains dosages.

Cette technique permet relativement simplement de quantifier certains composés présents dans les matériaux de construction comme les chaux, les plâtres, les liants hydrauliques, les pierres ,les mortiers et bétons :

	Dosage de la portlandite par déshydratation de Ca(OH)2 à 430°C selon la réaction suivante : Ca(OH)2-> CaO + H2 O
	Dosage des sulfates hydratés par déshydratation, à titre d'exemple, aux environs de 80°C pour le gypse selon la réaction suivante : CaSO4 , 2(H2O)-> CaSO4 + 2H2O
	Dosage des carbonates par décarbonatation à environ 630°C pour CaCO3 selon la réaction suivante : (CaCO3-> CO2 +CaO)

L'analyse thermique différentielle

Beaucoup de réactions ou de transformations se produisent sans variations de poids. La thermogravimétrie est alors inapplicable seule.
En revanche toute transformation met en jeu une certaine dose d'énergie. Par conséquent, si l'on dispose d'un signal permettant de déceler et de mesurer mieux les échanges d'énergie d'un système soumis à un cycle de température, l'analyse thermique s'applique à un grand nombre de cas.

L'analyse thermique différentielle (ATD) permet d'enregistrer, en fonction du temps ou de la température la différence de température entre l'échantillon et un milieu de référence inerte et d'inertie calorifique comparable. Les différences de température sont mesurées à l'aide de deux systèmes de thermocouples en opposition. Les montages peuvent atteindre de très grandes sensibilités.

Les courbes se présentent sous l'allure de pics successifs orientés vers le haut ou vers le bas selon que la réaction est endo ou exothermique.
La proportionnalité entre l'aire d'un pic et la quantité de chaleur dégagée ou absorbée par l'échantillon, elle-même proportionnelle à l'enthalpie de la réaction conduit à des applications quantitatives, mais l'interprétation quantitative est assez délicate.

Outre les applications déjà données de la thermogravimétrie, l'ATD est très utilisée pour étudier la clinkerisation, certaines transformations allotropiques, l'évolution de polymères, etc…

Appareillage utilisé au LERM

Un appareil classique se compose d'une enceinte étanche qui permet le contrôle de l'atmosphère de l'échantillon, d'un four permettant de gérer la température, d'un module de pesée (microbalance), d'un thermocouple pour mesurer la température et d'un ordinateur qui contrôle et enregistre l'ensemble des données.

Au LERM, l'appareil utilisé est un STA 409C de marque NETZSCH. Ses deux cannes d'analyse permettent d'obtenir simultanément les signaux ATG-ATD ou les signaux ATG-DSC. La plage de température généralement utilisée est comprise entre l'ambiante et 1000°C mais le four en carbure de silicium permet d'atteindre des températures proches de 1700°C pour des applications spécifiques. Un système de switch automatique permet également de changer de type de gaz en cours d'analyse afin de séparer certaines pertes de masse pouvant se produire à des températures très proches ou afin de passer d'un gaz neutre à un gaz oxydant. Cet appareil est également équipé d'une pompe à vide permettant de travailler en atmosphère neutre très propre.

Ci-dessous, un thermogramme est présenté, qui illustre le type de résultat obtenu et son exploitation. Ici, c'est un échantillon de béton, dont l'analyse nous renseigne sur la quantité et la nature de ses hydrates et la présence de carbonates :

Thermogramme -Bleu, perte de masse -Vert, thermographie différentielle

Quelques exemples d'utilisation au LERM

Nous venons de le décrire, ATG et ATD méritent d'être réalisées et étudiées ensemble et encore, nous n'avons pas évoqué l'apport de la DSC… Mais gardons un peu de secret…

Ce qui est aussi clair, c'est que ce système analytique isolé, même s'il est fort d'avancées dans les études de caractérisation et de diagnostic, doit être couplé à d'autres techniques et à d'autres compétences.

Ainsi au LERM, grâce à l'expérience de nos experts et à nos échanges internes, l'analyse thermique est indispensable à :

	la recomposition des bétons et mortiers par le biais de l'exploitation de données chimiques et microscopiques et l'utilisation du logiciel spécifique " Calcul Minéraux " élaboré par le LCPC et optimisé au LERM dans le cadre de recherches relatives aux matériaux de construction anciens,
	l'évaluation du rapport Eau/Ciment des bétons, si souvent analysé dans le cadre de désordres et d'expertises faisant le cas de fissurations précoces ou tardives,
	la détermination du taux de charges de résines de sol permettant d'approcher leur formulation et/ou leur mode de mise en œuvre,
	la mesure du taux d'hydratation de ces bétons d'ouvrage ou l'évaluation de cette cinétique dans des matériaux nouveaux dont l'optimisation nous est confiée. A cette fin, le suivi, par analyse d'images en microscopie optique, de l'hydratation du clinker et autres constituants, constitue un complément approprié,
	la quantification des compositions des enduits au plâtre ou des mortiers à base de chaux en la couplant à des analyses chimiques spécifiques, notamment les mesures isotopiques qui ont été explicitées dans notre lettre d'information précédente,
	l'estimation de la transformation des hydrates de matériaux ayant subi des chocs thermiques, en relation avec un incendie par exemple.( Notre article sur les bétons soumis à un incendie...)