dea 2010 - 2011 (3)

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Master Gnie Civil et EnvironnementLA FORMULATION DES BETONS Principes gnrauxAnne scolaire 2010 - 2011Jean AMBROISE1DEFINITIONUn bton est un mlange de granulats (sable, gravier et ventuellement cailloux) lis entre eux par une pte de ciment (ciment + eau)2Volumes occups31Squelette granulaireColle (ciment + additions + adjuvants +eau)4Le squelette granulaire: son rle ? On ne peut pas couler une pte de ciment dans une large section du fait de lexothermicit de la raction dhydratation du ciment et de la contraction de Le Chatelier1 volume de ciment + 1 volume deau < 1 volume de ciment hydratLes granulats vont sopposer la propagation des fissures. On cherchera maximiser le volume de granulats et 5 minimiser le volume de pteLa pte de ciment : son rle ? Elle assure la plasticit du bton : Leau et les adjuvants vont jouer un rle essentiel dans lajustement de la plasticitmlange secmlange humide bloqumlange humide grains carts62La pte de ciment : son rle ?La plasticit du bton sera pilote par la plasticit et le volume de pte dans la composition. La plasticit sera assure par leau et les adjuvants. Le volume de la pte sera assur par : . leau . Le ciment . Les additions (filler calcaire cendres volantes fumes de silices mtakaolin laitiers)7La pte de ciment : son rle ? Elle assure la rsistance initiale (rsistance au dmoulage) Elle contribue, avec le squelette granulaire, aux rsistances finales Elle joue un rle majeur au niveau de la durabilitLattention se portera sur le choix du ciment, des adjuvants et le rapport Eau / Ciment8En rsumOn va chercher raliser un mlange le plus compact possible en maximisant le volume en granulats et en minimisant le volume en ciment et le rapport Eau / Ciment, en prenant en compte les contraintes de fabrication93Les 5 constituants du bton:Ciment7 14% du volume+Granulats60 70% du volume+Eau14 22% du volume+Adjuvantinfrieur 2% du volume+Air1 6% du volume 10Principe fondamental de la formulation dun btonFormuler un bton consiste intgrer des paramtres essentiels tels que : la nature du projet raliser, les moyens de mise en uvre disponibles sur le site, la qualit de lenvironnement dans lequel va vivre louvrage raliser, les conditions de mise en uvre (besoins douvrabilit, rsistance aux jeunes ges, ), les dlais de ralisation. En vue de satisfaire aux objectifs : - de durabilit, - desthtique, - de rsistance mcanique, - dtanchit, -11Les tapes de la formulation dun bton1 Dfinition du cahier des charges techniques 2 Choix des constituants 3 Dtermination du dosage des constituants124Dfinition du cahier des charges La composition du bton va devoir rpondre trois types dexigences lies : 1 au procd de fabrication : - plasticit - rsistance au dmoulage 2 aux proprits dusages - caractristiques mcaniques - esthtique 3 la durabilit (matrise du vieillissement dans un environnement donn)13Le ciment14Dfinition- Le ciment Portland est une poudre minrale, dont laproprit est de durcir sous l'eau. De ce fait le ciment Portland est appel liant hydraulique.155Liants minrauxLiants non hydrauliquesLiants hydrauliquesdurcissent avec leau, insolubles dans leau, durcissent mme sous leau: - ciment portland, - ciments composs, - ciment alumineux, - ciment sulfo-alumineux, - chaux hydraulique, - ciment phosphatique, - ciment phosphomagnsien16- La chaux: durcit par exposition lair.-Le pltre: . durcit en prsence leau, . est dissout par un excs deauEcole thmatique "matriaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003O va le ciment ?Logements neufs Entretien Autres btiments Bt. Industriels Enseignement & hospitalier Voieries, routes et annexes Divers Gnie Civil indust. et OA Rseaux tlph. et autres Eau assainissement Voies ferres, maritime, fluvial 0 10(en France) zavez pas vu mon pote Max, un saurien un peu timide ?Btiment 64%Gnie civil 36%20% de la consommation nationale30Lindustrie du ciment Ph. Ggout9 17Ecole thmatique "matriaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003Les secteurs intermdiairesBPEProduction sur chantiersProduits en btonPas simple de faire une sieste tranquille dans le coin !Fibres et mortiers industriels 0% 10% 20% 30% 40% 50%% de la consommation nationaleLindustrie du ciment Ph. Ggout18 106FABRICATION DU CIMENT PORTLAND GENERALITESFabrication: Calcaire + argile Broyage Cuisson farine clinker+ gypse + (ajouts) et broyage ciment19LA FABRICATION DU CIMENT PRESENTATION SCHEMATIQUE DUNE CIMENTERIESondages Prehomo Carrire dargileConcasseur Carrire de calcaireAutres matriels Silos de ciment Homognisation Prcalcinateur Broyage cru Ajouts de gypseFour Silo de Clinker Refroidisseur Broyage ciment202171re tape : dcarbonatation Le calcaire (CaCO3) est dcompos en oxyde de calcium (CaO) + gaz carbonique (CO2). Ce dernier est vacu la chemine. CaCO3 -------> CaO + CO2 T env. 900 1000C Pour 1 tonne de CaCO3, on vacue la chemine 440 kg de CO2, du simple fait de la dcarbonatation. 1re combinaison des diffrents oxydes Si + Ca et Al + Ca222me tape : phase de transition Combinaison de CaO avec : - Si pour former du C2S (Silicate bicalcique) - Al pour former une solution solide d aluminates de calcium Les ractions ont lieu l tat solide. La raction de formation du C2S est lgrement exothermique.233me tape : - phase de cuisson La temprature de la matire monte jusqu 1450 C. Formation de C3S (Silicate tricalcique): partir de 1300C, le C2S se transforme en C3S en ragissant avec une partie de CaO non combine. La raction est fortement endothermique et ncessite un apport dnergie important. Lalumine et le fer, combins CaO, sont sous forme liquide: c est la phase interstitielle (C3A et C4AF), qui sert de fondant.Remarque: Le terme C3S ou C2S s applique en ralit des phases pures. Dans le cas prsent, des lments mineurs issus de la carrire (lments de transition: Titane, Vanadium, Chrome, Manganse, Cobalt,) sont inclus dans les rseaux cristallographiques des silicates, qui portent en ralit les noms respectifs d alite et de blite. Il en est de mme pour l aluminate tricalcique (C3A ---> clite). La cristallinit et la composition de ces phases influent sur leurs proprits 24 (couleur par exemple) et leur ractivit en prsence d eau.84me tape : trempe La matire est refroidie brusquement de 1450 environ 100 C en quelques minutes. On obtient le clinker. La trempe a pour but de figer les espces minrales qui seraient instables la temprature ambiante: le C3S se dcomposerait en C2S + CaO. Le C2S cristallise sous sa forme allotropique , seule phase capable de ragir avec leau, au lieu de la phase , qui est inerte. Les aluminates, phase liquide dans le four (phase interstitielle), vont coller entre eux les cristaux de silicate lors du refroidissement brutal (voir photos plus loin).25Ecole thmatique "matriaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003H2OCuissonFOUR VOIE SECHE Transition TrempePrchauffage CalcinationCO2Cuissonre TempratuC1400 1200 1000Calcaire Rpartition des massesCaO Blite C2S AluminatesQuartz Argiles Fe2O3Alite C3S800 600 400 200Liquide 15 20 25 30C3A C4AF1510min28Temps de sjourD'aprs KHD Humboldt Wedag, modifiLindustrie du ciment Ph. Ggout26Principales phases cristallochimiques du clinkerCa3 SiO5 3CaO - SiO2 C3S ALITECa2 SiO4 2CaO - SiO2 C2S BELITECa3 Al206 3 CaO Al203 C3 ACa4AI2 Fe2Olo 4CaO Al203Fe2O3 C4AF279Image de clinker en microscopie optique (section polie)Alite C3SBlite C2S28Image de clinker en microscopie optique (section polie)Phase liquide C3A C4AF29Ecole thmatique "matriaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003Silicates C3S Aluminates C3A, C4AFSulfates alcalinsLindustrie du ciment Ph. Ggout52Les sulfates alcalins sont issus des gaz produits lors de la combustion et viennent se condenser sur les faces des cristaux de silicates lors de la trempe.3010Ecole thmatique "matriaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 20035 mLindustrie du ciment Ph. Ggout 56MEB: cristallisation de sulfates alcalins dans un pore du clinker.31CALCUL DE LA COMPOSITION DU CLINKER SELON BOGUE (a partir de lanalyse chimique)Bases sur les hypothses suivantes : le clinker est constitu uniquement de C3S, C2S, C3A, C4AF les ractions de formation sont compltes et non affectes par le refroidissement la squence de raction est : le C4AF se forme en premier vient ensuite le C3A CaO et SiO2 restant se combinent pour former C2S et C3S (calcul en retour)32Composition du clinker Equations de BOGUE3311Composition du clinker Equations de BOGUE34COMPOSITION CRISTALLOCHIMIQUE DU CLINKERConstituants du clinkerDomaine Teneur en % Moyenne----35Le rle des diffrentes phases Le C3A : cest la phase prsentant la plus grande vitesse de raction initiale. Elle contribue essentiellement la prise de la pte de ciment. Elle est par ailleurs facilement attaque par les sulfates. Le C3S : cest la phase qui est responsable des rsistances aux premiers ges Le C2S : elle contribue la rsistance moyen et long terme Lalumino-ferrite ttracalcique C4AF : son rle est mineur3612Elments mineurs du clinker (de 0.1 quelques %) SO3: prsent sous forme de CaSO4 ou de sulfates alcalins (limit dans le ciment): de 0.5 ~2.5% Alcalins: teneur exprime en Na2Oequ (% Na2O + 0.658 K2O) majoritairement dans les phases C3A (Na), C2S(K) Pas de spcification mais ciments basse teneur en alcalins (< 0.6 % Na2Oequ) souvent demands de 0.2 1% Courants: MgO (0.5 5%), Cl Possibles: P2O5 (0.1 0.75%), Mn2O3 (0.1 0.5%), TiO2 (0.1 0.3%), Sr (0.1%) Autres phases CHAUX LIBRE- CaO - Acceptable entre 0.5 et 1.537La ractivit du ciment va dpendre : - de la composition minralogique du clinker, - de sa finesse.38PRINCIPALES PROPRIETES DES PHASES DU CLINKER ET LEURS EFFETS Chaleur d hydratation : chaleur mise dveloppement de fissures thermiques dans les structures massives augmentation de la rsistance Vitesse d hydratation : augmentation de la rsistance proprits du bton frais: rhologie ... Capacit de liaison : rsistance long terme3913Chaleurs d hydratation typiques des diffrentes phases du clinker PHASE C3S C2S C3A C4AF Chaux libre Joule/g 500 250 1340 420 115040VITESSE DHYDRATATION DES PHASES DU CIMENTEau fixe = H2O non vaporable 100C40 eau fixe (%) 30 20 10 0 0 7 28 90 180 360 temps en jours C3A C4AF C3S C2SAluminates et ferrites prsentent une plus grande vitesse dhydratation par rapport aux silicates, mais fournissent une contribution modeste aux rsistances mcaniques41Contribution des diffrentes phases la rsistance en compressionRsistance la compression des principaux constituants du clinker (daprs Bogue et Lerch)4214le broyage L'activit physico-chimique d'un ciment est d'autant plus grande que la surface totale dveloppe des grains est leve. Dans le ciment, une particule de diamtre > 50 m est pratiquement inerte.43Finesse de broyageAugmenter la finesse du ciment signifie augmenter la surface expose laction de leau et par consquent acclrer le processus de durcissement.Rc (Kg/cm2)450On peut remarquer que ce paramtre influence principalement les rsistances aux jeunes ges400 350 300 250 200 1500 7 jours 28 jours 90jours 365 jours20002500300044Surface spcifique (cm2/g)Les ajouts effectus en cours de broyage- Le gypse pour rguler la prise du ciment raison de 3 5 %, - Des minraux naturels : calcaire (L) matriaux pouzzolaniques (P ou Q), - Des sous produits industriels : cendres volantes de centrales thermiques (V ou W), laitiers de hauts fourneaux (W), fumes de silice (D), Schistes calcins (T).4515Sans gypse : raction violente avec fort flux de chaleur, fausse prise C3A + 12 H2O +CH -> C4AH13C4AH13 : plaquettes hexagonales avec fort effet ngatif sur les proprits rhologiques de la pte4647L e r g u la te u r d e p r is e rN a tu r e l o u a r tific ie lG yp se: A n h y d rite :C aSO 4 . C aSO 42H 2OR le : R e ta r d e r la r a ctio n d h y d r a ta tio n d u clin k e r p o u r p e rm ettre la m a n ip u la tio n e t le tr a n sp o r t d u b to n fr a is.Le sulfate de calcium hydrat (gypse) ou anhydre (anhydrite) est ajout dans une proportion denviron 5% dans les ciments. Sa fonction est de bloquer momentanment la prise du ciment pour permettre la fabrication et le transport du bton sans gner le dveloppement ultrieur des rsistances mcaniques. Outre le gypse, on peut ajouter, selon les circonstances et les besoins, certains additifs, qui peuvent tre organiques, dans une proportion qui doit rester infrieure 1%. Ces additifs sont gnralement des agents de mouture, produits servant amliorer le broyage en vitant aux particules de se colmater, en agissant sur leurs proprits de surface (effets rpulsifs). 4816. Le gypse ragit avec le C3A en prsence deau : C3A + 3CH2 + 26H C6A3H32 H=-1350J/gFormation de TSA ou ettringite en surface du C3A, qui freine lhydratation (effet de barrire)4950REGULATION DE LA PRISEClinker C4 AH13 Ca SO4 2H2OPrise normale: SO4 optimumPrise rapide: Dfaut de SO4Fausse prise: Excs de SO45117INFLUENCE DE LA BALANCE C3A/DISPONIBILITE EN SO4 SUR LA PRISE ET LA RHEOLOGIERactivit clinker Disponibilit de sulfates dans la solution Temps dhydratation 10 min 1 heure 3 heuresCristallisation des hydratesCSH ettringitebassebassehautehauteC4AH13haute bassebassehauteCaSO42H2052Les autres constituants du ciment53 Laitier de haut fourneau PouzzolanesNaturelles Naturelles calcines Cendres volantesSiliceuses Calciques Schistes calcins Calcaire Fumes de siliceNormaliss, disponibles de manire variable selon la situation gographique des usines.5418Ecole thmatique "matriaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003Les principaux constituants des cimentsSiFumes de silicePouzzolanesLaitiersCV. siliceusesCV. calciquesPortlandCaLindustrie du ciment Ph. GgoutAlumineuxAl46Le ciment portland a des proprits hydrauliques. A gauche du trait en pointill, le matriau a la proprit de faire prise en prsence d eau, mme sous l eau. A droite des pointills, proprits pouzzolaniques: mme en prsence d eau, le matriau ne fait pas prise (ou extrmement lentement): il lui manque du calcium. Les principaux constituants entrant dans la composition des ciments sont situs sur le trait rouge, qui reprsente un rapport Si/Al constant. Ces lments ne contiennent pas tous les mmes quantits de calcium. Aussi ceux qui en contiennent moins, comme les pouzzolanes, seront-ils plus lents shydrater 55 car ils ncessiteront un apport calcique plus important.Les types de cimentsLes ciments sont caractriss, de manire normalise: leur type: sans/avec ajout leur classe de rsistance le type de (des) ajouts d autres caractristiques ventuelles: monte en rsistance, rsistance aux sulfates le temps de prise EXEMPLES CEM I 52.5 PM CP2 CEM II/B (LS) 42,5 R CP256Les types de cimentsSy ajoutent leurs caractristiques physiques: finesse leur caractristiques chimiques: composition lmentaire, en phases la chaleur dhydratation5719Le CimentExemple de dnominationCEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2*Famille de ciments Il existe : CEM I : ciment Portland CEM II : ciment Portland compos CEM III : ciment de haut fourneau CEM IV : ciment pouzzolanique CEM V : ciment au laitier et aux cendres Noms des constituants principaux S : laitier granul de hauts fourneaux V : cendres volantes siliceuses W : cendres volantes calciques L ou LL : calcaire (en fonction du taux de carbone organique) D : fume de silice P ou Q : matriaux pouzzolaniques T : Schiste calcin Classes de rsistance (rsistance caractristique minimum 28 jours exprime en MPa) : 32,5 ou 42,5 ou 52,5 Sous-classes de rsistance (rsistance caractristique minimum 2 jours exprime en MPa). N : Normal R : Rapide Caractristiques complmentaires PM : ciment pour travaux la mer ES : ciment pour travaux en eau haute teneur en sulfates CP : ciment faible chaleur dhydratation initiale et teneur en 58 sulfures limiteQuantit de constituants principaux autres que le clinker (en % dajout) A : de 6 20% B : de 21 35 % C : de 36 65 % (laitier pour les CEM III) Ciment avec au moins 2 constituants principaux autres que le clinker * Voir la norme franaise du ciment NF EN 197-1Le CimentUtilisationsCIMENTCEM IUsagesBton arm en gnral coul sur place ou prfabriqu. Bton prcontraint. Dcoffrage rapide, mise en service rapide (de prfrence classe R). Btonnage jusqu une temprature extrieure entre 5 et 10 C. Bton tuv ou auto-tuv. Ces ciments sont les plus couramment utiliss CEM II/A ou B classe R : travaux ncessitant une rsistance initiale leve (dcoffrage rapide par exemple). Bton en lvation, arm ou non, douvrages courants. Fondations ou travaux souterrains en milieux non agressifs. Dallages, sols industriels. Maonneries. Stabilisation des sols.CEM II / A ou B59Le CimentUtilisationsCIMENTCEM III / A,B ou C CEM V / A ou BUsagesTravaux souterrains en milieux agressifs (terrains gypseux, eaux dgouts, eaux industrielles). Ouvrages en milieux sulfats : les ciments utiliss sont tous ES, ciments pour travaux en eaux haute teneur en sulfates, en conformit la norme NF P 15-319. Travaux la mer : les ciments utiliss sont tous PM, ciments pour travaux la mer, en conformit la norme NF P 15-317. Btons de masse. Travaux en bton arm ou non, hydrauliques et souterrains (fondations). Travaux ncessitant une faible chaleur dhydratation. Stabilisation des sols. 6020Hydratation du ciment61Processus dhydratation1 Dissolution 2 Sursaturation 3 Prcipitation626321Le suivi dhydratation64HYDRATATION DES PHASES CRISTALLOCHIMIQUES656622HYDRATATION DES SILICATES DE CALCIUM67686923Lhydratation des silicates de calcium 2C3S + 7H C3S2H6 + 3CH 2C2S + 7H C3S2H6 + CH H=-500J/g H=-250J/g. Les produits dhydratation des silicates de calcium sont les CSH et la portlandite (CH); . Le C3S produit plus de portlandite que le C2S; . La chaleur libre au cours de lhydratation du C3S est plus leve que la chaleur libre par lhydratation du C2S; . Lhydratation du C3S est plus rapide que lhydratation du C2S; . Lhydratation du C3S contribue aux rsistances court terme, lhydratation du C2S contribue aux rsistances moyen terme.70Pte de ciment hydrate 7 jours: Ca(OH)2 et CSH (SEM 7000 X)71Spectre IR dine pte de CEM I hydrate7 0 .0 69 68 67 66 65 64 63 62 61 60 59 5811 1 6 14 7 3 1 65 1 1 42 8 87 5 84 7 8 24 6 19C E M I h yd r at 71 851957 56 55 %T 54 53 52 51 50 49 48 47 46 45 44 43 42 41 4 0 .0 4 0 0 0. 036 4 4 3 43 5 974CSH3600 3200 280 0 240 0 2000 1 8 00 c m -1 1 600 1 400 12 00 10 00 800 600 4 5 0 .0CH722473HYDRATATION DES ALUMINATES DE CALCIUM74Lhydratation des aluminates de calciumLe C3A ragit avec le gypse ajout au broyage pour rguler lhydratation H=-1350J/g C3A + 3CH2 + 26H C6AH32 Aprs lpuisement du gypse : C6AH32 + C3A + 4H 3C4AH Lhydratation du C4AF est plus lente C4AF + 2CH + 14H 2C3(A,F)H6,5 + (A,H)H375257677782679MORPHOLOGIES ACICULAIRES DETTRINGITE (MEB)80HYDRATATION DU CIMENT81278283Lhydratation du ciment sopre par dissolution des solides anhydres, suivi dune prcipitation en hydrates formant une structure mcaniquement stable (thorie de Le Chatelier). Elle passe par les 5 tapes suivantes : 1- une phase de "pr-induction 2- une phase "dinduction ou priode dormante 3- une phase dacclration concidant avec le dbut de prise 4- une phase de dclration (aprs 6 heures jusqu 24 heures) 5- une phase de densification8428La phase de "pr-induction" La phase de "pr-induction se caractrise par le mouillage des grain, suivi dune raction chimique trs rapide et dun brusque dgagement de chaleur. Les premiers hydrates se forment et entourent les grains de cimentPte de ciment 1 heure1-eau 2-clinker 3-gypse 4-bulle dair 5-sable 6-hydrates85La phase de dinduction" Pendant la phase de dinductionou priode dormante la dissolution des anhydres est ralentie par la couche protectrice des premiers hydrates. Cette priode peut durer quelques heuresPte de ciment 2 heures Allongement des cristaux dettringite. La pte spaissit mais reste plastique86La phase dacclration La phase dacclration concide approximativement avec le dbut de prisePte de ciment 5 heures Prcipitation de la portlandite et acclration des ractions dhydratation Augmentation de la couche de CSH et collage des particules entre elles Ltat rigide est atteint La raction entre le C3A et le gypse se poursuit8729Essai de laiguille de Vicat Par cet essai sont relevs par la pntration dans la pte dune aiguille cylindrique (section 1 mm2 et charge dun poids de 300 g) les temps au cours desquels la ptes de ciment prend deux consistances dtermines. Celle du dbut de prise est obtenue lorsque laiguille nest pas en mesure de pntrer toute la hauteur de la pte (40 mm) et sarrte 3 mm du fond. Celle de la fin de prise qui correspond une pntration de 0.5 mm seulement.8889La phase de dclration Cette phase correspond la formation de la microstructure; lhydratation est ralentie par un effet de barrire poreuse; elle se poursuit suivant un processus de diffusionPte de ciment 1 jour Le gypse ayant t consomm, lettringite devient la source de sulfates Leau doit traverser une paisse couche dhydrates pour arriver la surface des anhydres Les pores capillaires contiennent toujours de leau9030La phase de densification La phase de densification du ciment hydrat est limite par des phnomnes de diffusion travers les couches dhydratesPte de ciment 1 mois La microstructure est compacte, La porosit de plus en plus fine Lvolution se poursuit de plus en plus lentement Ltat dfinitif est quasiment atteint au bout dun an en milieu sec mais lhydratation peut se poursuivre trs lentement en milieu humide919293319495963297. 1 kg de ciment0.25 kg de chaux, 70 kg/m3 de bton. 3,5 kg de CH.5 cm extrieurs dun m2 de parement blanc perceptible loeil.. 20 30 g/m2 de CH dposs en surface donnent un voile989933CHALEUR DHYDRATATION100101102341031041053510610710836109POROSITE1101113711211311438115116RESUME11739C3S The head clinker component in cement, typical more than 50 % Quick development of strength - C3S reacts more quickly than C2S High contribution to the final strength Resistant to sulphur attack 25 weight % water bind under hydration of C3S Heat development: 500 kJ/kg C2S Second clinker component in cement, between 10 - 60 % Slow development of strength - C2S reacts more slow than C3S High contribution to the final strength Resistant to sulphur attack 20 weight % water bind under hydration of C2S Heat development: 250 kJ/kg On hydration, C2S shows similar behaviour to C3S, but is slower to react. It does however continue to hydrate late in the setting period, and may then contribute to the strength of the 118 cement.C3A Range in the cement between 3 - 10 % High contribution to the early strength Low contribution to the final strength Not resistant to sulphur attack 40 - 210 weight % water bind under hydration of C3A Fast and high heat development: 900 kJ/kgC4AF Range in the cement between 5 - 10 % Small contribution to the development of strength 37 - 70 weight % water bind under hydration of C4AF Moderate to low heat development: 300 kJ/kg119Alkalis (Na2O + K2O) Cements with a low alkali content may be required for use in the manufacture of concrete in which the use of aggregate introduces silica. Alkalis may enhance reactions with amorphous silica. The content of alkalis contributed to the acceleration of the early strength and lowering of the final strength. The content of alkalis is dependent on the raw materials but also the manufacturing process decide the content of alkalis. Cement manufactured by the wet processing will compared to the dry processing contain less alkalis. Alkalis as Na2O = Na2O + 0.658 * K2OMgO Cements with a high magnesia content may after setting hydrate and expand. Free CaO Cements with a high free lime content may react with water and result in expansion12040Les Additions121Norme NF EN 206-1 addition minrale = matriau minral finement divis et pouvant tre ajout au bton pour amliorer certaines de ses proprits ou pour lui confrer des proprits particulires2 types dadditions : . Type I : additions quasiment inertes, . Type II : pouzzolanes et additions caractre hydraulique latent122Matriau quasiment inerte : en prsence deau, il ne se passe aucune raction dhydratation. Il se peut quil y ait cependant des interactions avec certains constituants du clinker. En prsence de filler calcaire, on enregistre une acclration de lhydratation du C3S. Il se cre des liaison pitaxiques. Le filler calcaire peut ragir aussi avec le C3A pour former des carboaluminates de calcium hydrats.12341Une pouzzolane est un matriau siliceux ou aluminosiliceux qui, finement divis et en prsence deau, ragit chimique ment avec lhydroxyde de calcium libr par lhydratation du ciment portland pour former des composs stables ayant des proprits hydrauliques, cest--dire capables de faire prise sous leau.124Caractrisation de leffet pouzzolanique en ATD par la mesure de la quantit chaux libre Exemple dun mlange CEM - Mtakaolin125Incidence de lutilisation dun matriau pouzzolanique sur la distribution poreuse dune pte de ciment hydrateCEMCEM + MK12642Un matriau hydraulique latent est un matriau qui fait prise en prsence deau pour former des composs stables ayant des proprits hydrauliques.127Additions usuelles : . fillers calcaires, . cendres volantes de centrales thermiques. Autres : . fumes de silices, . fillers siliceux, . laitiers vitrifis, . mtakaolin (en cours de normalisation). Les fillers calcaires et siliceux sont des additions inertes Les fumes de silice, les cendres volantes, les mtakaolin sont des additions pouzzolaniques. Les laitiers vitrifis ont des proprits hydrauliques.128Filler calcaireEcole thmatique "matriaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003CalcaireCalcaire brut issu de la carrire50 mCalcaire broy Microscope Electronique BalayageLindustrie du ciment Ph. Ggout 6212943Cendres volantesEcole thmatique "matriaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003Cendres volantesEDFLindustrie du ciment Ph. Ggout58130Les cendres volantes se prsentent sous la forme de sphres creuses de granulomtrie quivalente celle du ciment.131Fume de silice13244Grains de ciment (gauche) et fumes de silice (droite) au mme grossissement. Le rapport ACI 234R-96 estime que pour un taux de substitution de 15% de ciment, il y a environ 2 000 000 particules de fumes de silice pour chaque grain de ciment133100.0 80.0 Percent passing 60.0 40.0 20.0 0.0 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 D eter, m eters iam icromGranulomtrie type packing effect134Modification des interfaces Packing effectBton ordinaire (CH)BHP (C-S-H)13545Comparaison des proprits entre les fumes de silice, les cendres volantes, les fillers calcaires et le cimentFumes de silice Diamtre moyen m Surface spcifique m2/kg Couleur Matriau Domaine dutilisation 0,4 17,000 - 30,000 Noires Pouzzolanique BHPCendres volantes 12 - 15 400 - 700 Grises - Noires Grises Pouzzolanique Btons courantsFillers calcaires 12 - 15 400 - 700 Blancs Inerte Btons courants, courants, Btons de parementCiment 10 - 12 300 - 500 Blanc - Gris Hydraulique136Ecole thmatique "matriaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003Laitier granul de haut-fourneaufait trop chaud par ici...Lindustrie du ciment Ph. Ggout59Le laitier de haut-fourneau est un sous-produit de lindustrie sidrurgique. Il provient du rsidu de la gangue du minerai de fer aprs extraction de la fonte. Chaque tonne de fonte gnre de lordre de 250 300 kg de laitier.137Ecole thmatique "matriaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003Profil dun haut-fourneauGueulardCDshydratation Eclatement du minerai Cuve Rduction FeO Rduction des oxydes Ventre Etalage Creuset Formation des silicates Fusion de la fonte et du laitier d=7.8 7mLindustrie du ciment Ph. Ggout 6024 mTrempe d=1.2Aprs rduction du fer, le mtal est recueilli dans un creuset.13846Le surnageant, de densit plus faible, est: - soit granul par refroidissement brutal (trempe): arrosage violent sous haute pression destin le vitrifier. explosion et forme instantanment du laitier vitrifi. Une variante consiste le tremper, partiellement ou totalement, lair en le pulvrisant. Ce procd sappelle bouletage et le laitier est dit boulet. Lnergie calorifique contenue dans le laitier en fusion provoque son139- soit dirig vers des fosses o il va refroidir lair et se cristalliser sous forme de roche. temprature et de le fragmenter. produire des granulats. Le laitier cristallis est typiquement gris et gnralement poreux, avec une masse volumique de 1200 1400 kg/m3. Aprs le dbut de la On obtient ainsi du laitier solidification, le laitier est arros afin den abaisser la cristallis brut, qui peut alors tre concass et cribl pour140Laitier de haut-fourneau vitrifi (granul ou boulet) . Il se prsente sous la forme dun sable (0/8 mm) de couleur jaune/beige.Ecole thmatique "matriaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003Le laitier, cest qui celui-l encore ?Laitier fraisLaitier observ au Microscope OptiqueStructure cristallise10 mStructure vitreuseLindustrie du ciment Ph. Ggout 6114147. Composants principaux: . CaO: . SiO2: . Al2O3: . MgO: 40%, 35%, 11%, 8%.. Structure vitreuse + quelques lments cristalliss: - mlilite: solution solide de gehlnite (C2AS) et dackermanite (C2MS2), - merwinite: C3MS2, - larnite: C2S.142143Sa structure vitreuse lui procure une ractivit en prsence dalcalins et de chaux. Cest un vritable ciment car il suffit dajouter un catalyseur activant pour amorcer la prise et le dveloppement des rsistances mcaniques. Son hydratation conduit des hydrates semblables ceux du clinker, bien que lgrement plus acides.14448Les trois activants classiques sont: - la chaux: . provenant de lhydratation du ciment, . ou ajoute au laitier sous forme de chaux vive (CaO) ou de chaux teinte [Ca(OH)2]. - la soude (NaOH) ou des sels de soude, - le sulfate de calcium (gypse, par exemple).145Le mtakaolin. Alumino-silicate (AS2 ou Al2O32SiO2) obtenu par calcination moyenne temprature (< 800C) de kaolin, . Ragit avec la chaux libre par lhydratation du ciment pour donner des silicates et des silico-aluminates de calcium hydrats: AS2 + CH + H C2ASH8 + C-S-H146Morphologie14749En rsum :Le mtakaolin, les fumes de silice, les cendres volantes et le laitier ont pour proprits de consommer partiellement la chaux au cours de lhydratation du ciment. Cependant la raction est lente. Elle dmarre au plus tt aprs 48 heures pour les matriaux les plus ractifs comme le mtakaolin do lobligation de veiller ce que leau ne svapore pas trop rapidement148Les principales caractristiques des additionsAdditions inertes et pouzzolaniques : indice dactivit Additions caractre hydraulique latent : indice dhydraulicit Sous produits issus de la combustion : teneur en carbone (perte au feu) Additions pouzzolaniques et caractre hydraulique latent : Capacit combiner la chaux, teneur en Na2O quivalent, CaO libre, sulfates et sulfures Toutes les additions : finesse mesure du besoin en eau149. Indice dactivit des fillers calcaires et des cendres volantes: iRapport des rsistances la compressiondprouvettes normalises de mortier du mme ge , les unes prpares avec 75% de ciment dessai et 25% de laddition considre (en masse), les autres prpares avec le ciment dessai uniquement.15050. Indice dhydraulicit des laitiersRapport des rsistances la compressiondprouvettes normalises de mortier du mme ge , les unes prpares avec 50% de ciment dessai et 50% de laitier (en masse), les autres prpares avec le ciment dessai uniquement.15151

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