dea 2010 - 2011 (3)

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Master Gnie Civil et Environnement

LA FORMULATION DES BETONS Principes gnraux

Anne scolaire 2010 - 2011

Jean AMBROISE1

DEFINITION

Un bton est un mlange de granulats (sable, gravier et ventuellement cailloux) lis entre eux par une pte de ciment (ciment + eau)

2

Volumes occups

3

1

Squelette granulaire

Colle (ciment + additions + adjuvants +eau)4

Le 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 Chatelier

1 volume de ciment + 1 volume deau < 1 volume de ciment hydrat

Les granulats vont sopposer la propagation des fissures. On cherchera maximiser le volume de granulats et 5 minimiser le volume de pte

La pte de ciment : son rle ? Elle assure la plasticit du bton : Leau et les adjuvants vont jouer un rle essentiel dans lajustement de la plasticit

mlange sec

mlange humide bloqu

mlange humide grains carts

6

2

La 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)

7

La 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 durabilit

Lattention se portera sur le choix du ciment, des adjuvants et le rapport Eau / Ciment

8

En rsum

On 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 fabrication

9

3

Les 5 constituants du bton:Ciment7 14% du volume

+

Granulats60 70% du volume

+

Eau14 22% du volume

+

Adjuvantinfrieur 2% du volume

+

Air1 6% du volume 10

Principe 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, -11

Les tapes de la formulation dun bton

1 Dfinition du cahier des charges techniques 2 Choix des constituants 3 Dtermination du dosage des constituants

12

4

Dfinition 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)13

Le ciment

14

Dfinition- 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.

15

5

Liants minraux

Liants non hydrauliques

Liants 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 deau

Ecole thmatique "matriaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003

O 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 nationale

30

Lindustrie du ciment Ph. Ggout

9 17

Ecole thmatique "matriaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003

Les secteurs intermdiairesBPE

Production sur chantiers

Produits en bton

Pas simple de faire une sieste tranquille dans le coin !

Fibres et mortiers industriels 0% 10% 20% 30% 40% 50%

% de la consommation nationale

Lindustrie du ciment Ph. Ggout

18 10

6

FABRICATION DU CIMENT PORTLAND GENERALITESFabrication: Calcaire + argile Broyage Cuisson farine clinker

+ gypse + (ajouts) et broyage ciment

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LA FABRICATION DU CIMENT PRESENTATION SCHEMATIQUE DUNE CIMENTERIESondages Prehomo Carrire dargile

Concasseur Carrire de calcaire

Autres matriels Silos de ciment Homognisation Prcalcinateur Broyage cru Ajouts de gypse

Four Silo de Clinker Refroidisseur Broyage ciment

20

21

7

1re 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 + Ca22

2me 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.

23

3me 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.

8

4me 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).25

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H2O

CuissonFOUR VOIE SECHE Transition Trempe

Prchauffage CalcinationCO2

Cuissonre Tempratu

C1400 1200 1000

Calcaire Rpartition des masses

CaO Blite C2S AluminatesQuartz Argiles Fe2O3

Alite C3S

800 600 400 200

Liquide 15 20 25 30

C3A C4AF

1

5

10

min28

Temps de sjourD'aprs KHD Humboldt Wedag, modifi

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Principales phases cristallochimiques du clinker

Ca3 SiO5 3CaO - SiO2 C3S ALITE

Ca2 SiO4 2CaO - SiO2 C2S BELITE

Ca3 Al206 3 CaO Al203 C3 A

Ca4AI2 Fe2Olo 4CaO Al203Fe2O3 C4AF

27

9

Image de clinker en microscopie optique (section polie)

Alite C3S

Blite C2S28

Image de clinker en microscopie optique (section polie)

Phase liquide C3A C4AF

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Silicates C3S Aluminates C3A, C4AF

Sulfates alcalins

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Les 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.30

10

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5 mLindustrie du ciment Ph. Ggout 56

MEB: cristallisation de sulfates alcalins dans un pore du clinker.31

CALCUL 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)32

Composition du clinker Equations de BOGUE

33

11

Composition du clinker Equations de BOGUE

34

COMPOSITION CRISTALLOCHIMIQUE DU CLINKER

Constituants du clinker

Domaine Teneur en % Moyenne

-

-

-

-

35

Le 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 mineur

36

12

Elments 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 1.5

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La ractivit du ciment va dpendre : - de la composition minralogique du clinker, - de sa finesse.

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PRINCIPALES 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 terme

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13

Chaleurs d hydratation typiques des diffrentes phases du clinker PHASE C3S C2S C3A C4AF Chaux libre Joule/g 500 250 1340 420 1150

40

VITESSE DHYDRATATION DES PHASES DU CIMENTEau fixe = H2O non vaporable 100C

40 eau fixe (%) 30 20 10 0 0 7 28 90 180 360 temps en jours C3A C4AF C3S C2S

Aluminates et ferrites prsentent une plus grande vitesse dhydratation par rapport aux silicates, mais fournissent une contribution modeste aux rsistances mcaniques41

Contribution des diffrentes phases la rsistance en compressionRsistance la compression des principaux constituants du clinker (daprs Bogue et Lerch)

42

14

le 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.

43

Finesse 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)

450

On peut remarquer que ce paramtre influence principalement les rsistances aux jeunes ges

400 350 300 250 200 1500 7 jours 28 jours 90jours 365 jours

2000

2500

300044

Surface 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).

45

15

Sans gypse : raction violente avec fort flux de chaleur, fausse prise C3A + 12 H2O +CH -> C4AH13

C4AH13 : plaquettes hexagonales avec fort effet ngatif sur les proprits rhologiques de la pte

46

47

L 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 l

G yp se: A n h y d rite :

C aSO 4 . C aSO 4

2

H 2O

R 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). 48

16

. Le gypse ragit avec le C3A en prsence deau : C3A + 3CH2 + 26H C6A3H32 H=-1350J/g

Formation de TSA ou ettringite en surface du C3A, qui freine lhydratation (effet de barrire)

49

50

REGULATION DE LA PRISEClinker C4 AH13 Ca SO4 2H2O

Prise normale: SO4 optimum

Prise rapide: Dfaut de SO4

Fausse prise: Excs de SO451

17

INFLUENCE 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 heures

Cristallisation des hydrates

CSH ettringite

basse

basse

haute

haute

C4AH13haute basse

basse

haute

CaSO42H20

52

Les autres constituants du ciment

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Laitier de haut fourneau Pouzzolanes

Naturelles Naturelles calcines Cendres volantes

Siliceuses Calciques Schistes calcins Calcaire Fumes de silice

Normaliss, disponibles de manire variable selon la situation gographique des usines.

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Les principaux constituants des ciments

Si

Fumes de silice

Pouzzolanes

Laitiers

CV. siliceuses

CV. calciques

Portland

CaLindustrie du ciment Ph. Ggout

Alumineux

Al46

Le 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, com...