Soutenance de thèse de Justine HENRY sous la direction de Thibaut DIVOUX
Résumé de la thèse
Les colles à carrelage cimentaires sont couramment adjuvantées par de petites quantités d’additifs polymères afin d’améliorer leur flexibilité et leur performance adhésive. Parmi ces additifs, les poudres polymères redispersables (PRD), composées de colloïdes organiques stabilisés, souvent appelés particules de latex, jouent un rôle central : une fois incorporées à la pâte cimentaire, ces particules coalescent et forment progressivement des films autour des grains de ciment et des produits d’hydratation. Cependant, le couplage entre les mécanismes d’hydratation du ciment et la formation de films polymères, ainsi que leur impact sur les propriétés mécaniques des colles à carrelage restent encore mal compris. Cette thèse vise à clarifier comment les particules de latex s’organisent au sein de la matrice cimentaire, comment leurs propriétés viscoélastiques évoluent durant la formation de films, et comment elles influencent les propriétés mécaniques des pâtes cimentaires adjuvantées, notamment pour de faibles teneurs en PRD pour lesquelles aucun film polymère continu ne peut se former.
La première partie examine l’évolution des propriétés viscoélastiques de suspensions denses de latex issues de PRD commerciales durant la formation de films par spectroscopie mécanique résolue en temps. Cette technique met en évidence un principe robuste de superposition temps-vieillissement, valable pour différentes températures, chimies de PRD, et environnements ioniques, et souligne le rôle essentiel des agents stabilisants. À mesure que les films se forment, une transition « ductile-fragile » est observée. Des mesures complémentaires de rhéo-SAXS permettent de dissocier la contribution de la suspension encore liquide de celle du film solide en cours de formation.
La deuxième partie étudie la distribution de particules de latex marquées au chlore dans des matrices cimentaires durcies. Nous montrons qu'à faible teneur en PRD, les particules de latex ne forment pas un réseau continu au sein de la matrice cimentaire, mais s’assemblent en agrégats locaux.
Enfin, la dernière partie présente la caractérisation des propriétés micro-mécaniques de pâtes cimentaires adjuvantées par des PRD de différentes natures, teneurs, et conditions de stockage, à l'aide de tests de micro-rayure et de micro-indentation. Nous montrons qu’une teneur plus élevée en latex conduit à un module de fluage plus faible, ce qui signifie que les particules de latex permettent à la matrice cimentaire de se déformer davantage au cours du temps. Cette capacité accrue de fluage permet au matériau de mieux accommoder les contraintes subies, plutôt que de se fracturer brutalement et de manière fragile.
Globalement, cette étude démontre comment les particules de latex renforcent les pâtes cimentaires durcies, même à des concentrations inférieures au seuil de formation d’un réseau de polymère continu.
Impact of redispersable polymer powders in cementitious tile adhesives: from film formation to composite mechanical properties
Cementitious tile adhesives (CTA) are commonly modified with small amounts of polymer additives to enhance their flexibility and adhesion performance. Among these additives, re-dispersible polymer powders (RDP) – composed of stabilized polymer colloids – often referred to as “latex” particles, play a central role: once incorporated to cement paste, they can coalesce and gradually form films around cement grains and hydration products. However, the coupling between cement hydration and latex film formation mechanisms, and how this interplay controls the mechanical properties of CTA remains insufficiently understood. This thesis aims to clarify how latex particles organize within the cement matrix, how their viscoelastic properties evolve during film formation, and how they impact the mechanical properties of polymer-modified cement (PMC) pastes, especially at low RDP contents where no continuous polymer film can form.
The first part examines the evolution of viscoelastic properties in dense latex suspensions of commercial RDP during film formation using time-resolved mechanical spectroscopy. This technique reveals a robust time-aging superposition principle across temperatures, RDP chemistries, and ionic content, and highlights the key role of stabilizing agents. As polymer films age, a ductile-to-brittle transition at yielding is also observed. Complementary rheo-SAXS measurements disentangle the contributions of the liquid bulk and the forming solid film.
The second part investigates how chlorine-marked latex particles are distributed within hardened PMC. We show that a low RDP contents, latex particles do not form a continuous network, but instead assemble into local latex clusters.
The final part characterizes the micro-mechanical properties of PMC pastes with varying RDP nature, content, and curing conditions using micro-scratch and grid micro-indentation. We show that higher latex contents lead to a lower creep modulus, meaning that latex particles allow the cementitious matrix to undergo more time-dependent deformation. This enhanced creep capacity helps the material accommodate stresses rather than abruptly failing in a brittle fashion.
Overall, this study demonstrates how latex particles reinforce hardened cement pastes, even at concentrations below the percolation threshold for polymer network formation.
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