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Jean AMBROISE

Master Génie Civil et Environnement

Année scolaire 2010 - 2011

LA FORMULATIONDES BETONS

-Principes généraux

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DEFINITION

Un béton est un mélange de granulats (sable, gravier etéventuellement cailloux) liés entre eux par une pâte de ciment (ciment + eau)

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Volumes occupés

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Squelette granulaire

Colle(ciment + additions + adjuvants +eau)

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Le squelette granulaire: son rôle ?On ne peut pas couler une pâte de ciment dans une large section du fait de l’exothermicité de la réaction d’hydratationdu ciment et de la contraction de Le Chatelier

1 volume de ciment + 1 volume d’eau

< 1 volume de ciment hydraté

Les granulats vont s’opposer à la propagation des fissures.

On cherchera à maximiser le volume de granulats et à minimiser le volume de pâte

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La pâte de ciment : son rôle ?

Elle assure la plasticité du béton :L’eau et les adjuvants vont jouer un rôle essentiel dans l’ajustement de la plasticité

mélange humide bloquémélange sec mélange humidegrains écartés

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La pâte de ciment : son rôle ?

La plasticité du béton sera pilotée par la plasticité et le volume de pâte dans la composition.La plasticité sera assurée par l’eau et les adjuvants.Le volume de la pâte sera assuré par :

. l’eau

. Le ciment

. Les additions (filler calcaire – cendres volantesfumées de silices – métakaolinlaitiers)

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La pâte de ciment : son rôle ?

Elle assure la résistance initiale (résistance au démoulage)

Elle contribue, avec le squelette granulaire, aux résistances finales

Elle joue un rôle majeur au niveau de la durabilité

L’attention se portera sur le choix du ciment, des adjuvantset le rapport Eau / Ciment

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En résumé

On va chercher à réaliser un mélange le plus compact possible en maximisant le volume en granulats et enminimisant le volume en ciment et le rapport Eau / Ciment,en prenant en compte les contraintes de fabrication

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Les 5 constituants du béton:

Ciment7 à 14% du volume

+ Granulats60 à 70% du volume

Eau14 à 22% du volume

+

Adjuvantinférieur à 2% du volume

+

Air1 à 6% du volume

+

11

Formuler un béton consiste à intégrer des paramètres essentiels tels que :

la nature du projet à réaliser,les moyens de mise en œuvre disponibles sur le site,la qualité de l’environnement dans lequel va “vivre” l’ouvrageà réaliser,les conditions de mise en œuvre (besoins d’ouvrabilité,

résistance aux jeunes âges, …),les délais de réalisation.

En vue de satisfaire aux objectifs : - de durabilité, - d’esthétique,- de résistance mécanique,- d’étanchéité,- …

Principe fondamental de la formulation d’un béton

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Les étapes de la formulation d’un béton

1° Définition du cahier des charges techniques

2° Choix des constituants

3° Détermination du dosage des constituants

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Définition du cahier des charges

La composition du béton va devoir répondre à trois typesd’exigences liées :1° au procédé de fabrication :

- plasticité - résistance au démoulage

2° aux propriétés d’usages- caractéristiques mécaniques- esthétique

3° à la durabilité (maîtrise du vieillissement dans un environnement donné)

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Le ciment

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Définition

- Le ciment Portland est une poudre minérale, dont la propriété est de durcir sous l'eau. De ce fait le ciment Portland est appelé liant hydraulique.

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Liants minéraux

Liants non hydrauliques

- La chaux: durcit par exposition à l’air.

-Le plâtre: . durcit en présence l’eau,

. est dissout par un excès d’eau

Liants hydrauliques

durcissent avec l’eau,insolubles dans l’eau,durcissent même sous l’eau:- ciment portland,- ciments composés,- ciment alumineux,- ciment sulfo-alumineux,- chaux hydraulique,- ciment phosphatique,- ciment phosphomagnésien

17L’industrie du ciment – Ph. Gégout 9

Ecole thématique "matériaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003

0 10 20 30

Voies ferrées, maritime, fluvial

Eau assainissement

Réseaux téléph. et autres

Génie Civil indust. et OA

Divers

Voieries, routes et annexes

Enseignement & hospitalier

Bât. Industriels

Autres bâtiments

Entretien

Logements neufs

% de la consommation

nationale

Où va le ciment ?Où va le ciment ?

Bâtiment 64%

Génie civil 36%

… z’avez pas vu mon pote

Max, un saurien un peu timide ?

(en France)

18L’industrie du ciment – Ph. Gégout 10

Ecole thématique "matériaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003

Les secteurs intermédiairesLes secteurs intermédiaires

0% 10% 20% 30% 40% 50%

Fibres et mortiersindustriels

Produits en béton

Production surchantiers

BPE

% de la consommation

nationale

Pas simple de faire une sieste tranquille dans

le coin !

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FABRICATION DU CIMENT PORTLANDGENERALITES

Fabrication:

Calcaire + argile

Broyage farine

Cuisson clinker

+ gypse + (ajouts) et broyage

ciment

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Carrière de calcaire Carrière d’argile

Autres matériels

Concasseur Prehomo

Broyage cruHomogénéisation

Four

Précalcinateur

Refroidisseur

Silo de Clinker

Broyage ciment

Ajouts de gypse

Silos de ciment

Sondages

LA FABRICATION DU CIMENTPRESENTATION SCHEMATIQUE D’UNE CIMENTERIE

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1ère étape : décarbonatation

Le calcaire (CaCO3) est décomposé en oxyde de calcium (CaO) + gaz carbonique (CO2). Ce dernier est évacué à la cheminée.

CaCO3 -------> CaO + CO2T° env. 900 à 1000°C

Pour 1 tonne de CaCO3, on évacue à la cheminée 440 kg de CO2, du simple fait de la décarbonatation.

1ère combinaison des différents oxydes Si + Ca et Al + Ca

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2ème étape : 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 réactions ont lieu à l ’état solide.

La réaction de formation du C2S est légèrement exothermique.

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3ème étape : - phase de cuisson

La température de la matière monte jusqu ’à 1450 °C.Formation de C3S (Silicate tricalcique): à partir de 1300°C, le C2S se transforme en C3S en réagissant avec une partie de CaO non combinée. La réaction est fortement endothermique et nécessite un apport d’énergie important.

L’alumine et le fer, combinés à 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 réalité à des phases pures. Dans le cas présent, des éléments mineurs issus de la carrière (éléments de transition: Titane, Vanadium, Chrome, Manganèse, Cobalt,…) sont inclus dans les réseaux cristallographiques des silicates, qui portent en réalité les noms respectifs d ’alite et de bélite.Il en est de même pour l ’aluminate tricalcique (C3A ---> célite).La cristallinité et la composition de ces phases influent sur leurs propriétés (couleur par exemple) et leur réactivité en présence d ’eau.

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4ème étape : trempe

La matière est refroidie brusquement de 1450 à environ 100 °C en quelques minutes. On obtient le clinker.

La trempe a pour but de figer les espèces minérales qui seraient instables à la température ambiante: le C3S se décomposerait en C2S + CaO. Le C2S cristallise sous sa forme allotropique β, seule phase capable de réagir avec l’eau, au lieu de la phase γ, 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).

26L’industrie du ciment – Ph. Gégout 28

Ecole thématique "matériaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003

CuissonCuisson

FOUR VOIE SECHE

1000

1200

1400

200

400

600

800

°C

Temps de séjour

Rép

artit

ion

des m

asse

s

CO2Calcaire

CaO

BéliteC2S

AliteC3S

Aluminates Liquide C3AC4AF

Température

Calcination Transition Cuisson TrempePréchauffage

D'après KHD Humboldt Wedag, modifié

5 3025201510 min1

H2O

Quartz

Argiles

Fe2O3

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Principales phases cristallochimiques du clinkerPrincipales phases cristallochimiques du clinker

Ca3 SiO5 Ca2 SiO4 Ca3 Al206 Ca4AI2 Fe2Olo

3CaO - SiO2 2CaO - SiO2 3 CaO Al203 4CaO Al203Fe2O3

C3S C2S C3A C4AF

ALITE BELITE

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28

Image de clinker en microscopie optique (section polie)

Alite C3S Bélite C2S

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Image de clinker en microscopie optique (section polie)

PhaseliquideC3A

C4AF

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L’industrie du ciment – Ph. Gégout 52

Ecole thématique "matériaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003

Sulfates alcalins

AluminatesC3A, C4AF

SilicatesC3S

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.

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Ecole thématique "matériaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003

5 µm

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

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Basées sur les hypothèses suivantes :

• le clinker est constitué uniquement de C3S, C2S, C3A, C4AF

• les réactions de formation sont complètes et non affectées par le refroidissement

• la séquence de réaction 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)

CALCUL DE LA COMPOSITION DU CLINKERSELON BOGUE

(a partir de l’analyse chimique)

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Composition du clinkerEquations de BOGUE

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Composition du clinkerEquations de BOGUE

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COMPOSITION CRISTALLOCHIMIQUE DU CLINKER

Constituants du clinker

Teneuren %

Domaine

Moyenne

- ---

36

Le rôle des différentes phasesLe rôle des différentes phases

Le C3A : c’est la phase présentant la plus grande vitesse deréaction initiale. Elle contribue essentiellement àla prise de la pâte de ciment. Elle est par ailleursfacilement attaquée par les sulfates.

Le C3S : c’est la phase qui est responsable des résistancesaux premiers âges

Le C2S : elle contribue à la résistance à moyen et long terme

L’alumino-ferrite tétracalcique C4AF : son rôle est mineur

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Eléments mineurs du clinker (de 0.1 à quelques %)

• SO3: présent sous forme de CaSO4 ou de sulfates alcalins (limité dans le ciment): de 0.5 à ~2.5%

• Alcalins: – teneur exprimée en Na2Oequ (% Na2O + 0.658 K2O)– majoritairement dans les phases C3A (Na), C2S(K)– Pas de spécification mais ciments à basse teneur en alcalins (< 0.6

% Na2Oequ) souvent demandés– de 0.2 à 1%

• Courants: MgO (0.5 à 5%), Cl• Possibles: P2O5 (0.1 à 0.75%), Mn2O3 (0.1 à 0.5%), TiO2 (0.1 à

0.3%), Sr (0.1%)

Autres phases• CHAUX LIBRE

- CaO- Acceptable entre 0.5 et 1.5

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La réactivité du ciment va dépendre :

- de la composition minéralogique du clinker,

- de sa finesse.

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PRINCIPALES PROPRIETES DES PHASES DU CLINKER ET LEURS EFFETS

•Chaleur d ’hydratation : chaleur émise• développement de fissures thermiques dans les structures

massives• augmentation de la résistance

•Vitesse d ’hydratation :• augmentation de la résistance• propriétés du béton frais: rhéologie ...

•Capacité de liaison :• résistance à long terme

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Chaleurs d ’hydratation typiques des différentes phases du clinker

PHASE Joule/g

C3S 500C2S 250C3A 1340C4AF 420Chaux libre 1150

41

VITESSE D’HYDRATATION DES PHASES DU CIMENT

0

10

20

30

40

0 7 28 90 180 360

temps en jours

eau

fixée

(%)

C3AC4AFC3SC2S

Aluminates et ferrites présentent une plus grande vitesse d’hydratation par rapport aux silicates, mais fournissent une

contribution modeste aux résistances mécaniques

Eau fixée = H2O non évaporable à 100°C

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Résistance à la compression des principaux constituants du clinker (d’après Bogue et Lerch)

Contribution des différentes phasesContribution des différentes phasesà la résistance en compressionà la résistance en compression

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le broyage

• L'activité physico-chimique d'un ciment est d'autant plus grande que la surface totale développée des grains est élevée.Dans le ciment, une particule de diamètre > 50 µm est pratiquement inerte.

44

Augmenter la finesse du ciment signifie augmenter la surface exposée à l’action de l’eau et par conséquent accélérer le processus de durcissement.

On peut remarquer que ce paramètre influence principalement les résistances aux jeunes âges

200

250

300

350

400

450

1500 2000 2500 3000

Surface spécifique (cm2/g)

Rc (Kg/cm2)

7 jours28 jours90jours365 jours

Finesse de broyage

45

Les ajouts effectués en cours de broyage

- Le gypse pour réguler la prise du ciment à raison de 3 à 5 %,

- Des minéraux naturels : calcaire (L) matériaux pouzzolaniques (P ou Q),

- Des sous produits industriels : cendres volantes de centrales

thermiques (V ou W), laitiers de hauts fourneaux (W), fumées de silice (D),

Schistes calcinés (T).

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46

• Sans gypse : réaction violente avec fort flux de chaleur, « fausse prise »

C3A + 12 H2O +CH -> C4AH13

C4AH13 : plaquettes hexagonales avec fort effet négatif sur les propriétés rhéologiques de la pâte

47

48

G yp se: C aS O 4 . 2 H 2O

A n h yd rite : C aS O 4

L e rég u la teu r d e p r iseL e ré g u la teu r d e p r ise

N atu rel ou artif ic ie l

R ô le:R etard er la réa ction d ’h yd rata tion d u clin k er p ou r p erm ettre la m an ip u la tio n et le tran sp ort d u b éton fra is.

Le sulfate de calcium hydraté (gypse) ou anhydre (anhydrite) est ajouté dans une proportion d’environ 5% dans les ciments. Sa fonction est de bloquer momentanément la prise du ciment pour permettre la fabrication et le transport du béton sans gêner le développement ultérieur des résistances mécaniques. Outre le gypse, on peut ajouter, selon les circonstances et les besoins, certains additifs, qui peuvent être organiques, dans une proportion qui doit rester inférieure à 1%. Ces additifs sont généralement des agents de mouture, produits servant à améliorer le broyage en évitant aux particules de se colmater, en agissant sur leurs propriétés de surface (effets répulsifs).

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. Le gypse réagit avec le C3A en présence d’eau :

C3A + 3CŠH2 + 26H → C6AŠ3H32 ΔH=-1350J/g

Formation de TSA ou ettringite en surface du C3A, qui freine l’hydratation (effet de barrière)

50

51

REGULATION DE LA PRISE

Prise rapide:Défaut de SO4

Fausse prise:Excès de SO4

Prise normale:SO4 optimum

Ca SO4 2H2OC4 AH13Clinker

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Temps d’hydratation

10 min 1 heure 3 heures

Réactivité

clinker

Disponibilité de sulfates

dans la solution Cristallisation des hydrates

basse basse

haute haute

haute basse

basse haute

ettringite

CSH

C4AH13

CaSO42H20

INFLUENCE DE LA BALANCE C3A/DISPONIBILITE EN SO4SUR LA PRISE ET LA RHEOLOGIE

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Les autres constituants du ciment

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• Laitier de haut fourneau• Pouzzolanes

NaturellesNaturelles calcinées

• Cendres volantesSiliceusesCalciques

• Schistes calcinés• Calcaire• Fumées de silice

Normalisés, disponibles de manière variable selon la situation géographique des usines.

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L’industrie du ciment – Ph. Gégout 46

Ecole thématique "matériaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003

Ca Al

Si

Portland

Laitiers

Alumineux

CV. calciques

Pouzzolanes

CV. siliceuses

Fumées de silice

Les principaux constituants des cimentsLes principaux constituants des ciments

Le ciment portland a des propriétés hydrauliques. A gauche du trait en pointillé, le matériau a la propriété de faire prise en présence d ’eau, même sous l ’eau.

A droite des pointillés, propriétés pouzzolaniques: même en présence d ’eau, le matériau ne fait pas prise (ou extrêmement lentement): il lui manque du calcium. Les principaux constituants entrant dans la composition des ciments sont situés sur le trait rouge, qui représente un rapport Si/Al constant. Ces éléments ne contiennent pas tous les mêmes quantités de calcium. Aussi ceux qui en contiennent moins, comme les pouzzolanes, seront-ils plus lents à s’hydrater car ils nécessiteront un apport calcique plus important.

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Les types de ciments

Les ciments sont caractérisés, de manière normalisée:

leur type: sans/avec ajoutleur classe de résistancele type de (des) ajoutsd ’autres caractéristiques éventuelles: montée en résistance,résistance aux sulfates…le temps de prise

EXEMPLES

CEM I 52.5 PM CP2CEM II/B (LS) 42,5 R CP2

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Les types de ciments

S’y ajoutent

leurs caractéristiques physiques: finesseleur caractéristiques chimiques: composition élémentaire, enphasesla chaleur d’hydratation

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Le CimentExemple de dénomination

CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2*

Famille de cimentsIl existe :CEM I : ciment PortlandCEM II : ciment Portland composéCEM III : ciment de haut fourneauCEM IV : ciment pouzzolaniqueCEM V : ciment au laitier et aux cendres

Quantité de constituantsprincipaux autres que le clinker (en % d’ajout)A : de 6 à 20%B : de 21 à 35 %C : de 36 à 65 %

(laitier pour les CEM III)

Ciment avec au moins2 constituants principaux autres que le clinker

Noms des constituants principauxS : laitier granulé de hauts fourneauxV : cendres volantes siliceusesW : cendres volantes calciquesL ou LL : calcaire (en fonction du taux de carbone organique)D : fumée de silice P ou Q : matériaux pouzzolaniquesT : Schiste calciné

Classes de résistance (résistance caractéristique minimum à 28 jours exprimée en MPa) : 32,5 ou 42,5 ou 52,5

Sous-classes de résistance (résistance caractéristique minimum à 2 jours exprimée en MPa).N : NormalR : Rapide

Caractéristiques complémentairesPM : ciment pour travaux à la merES : ciment pour travaux en eau à haute teneur en sulfatesCP : ciment à faible chaleur d’hydratation initiale et à teneur en sulfures limitée * Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

59

Le CimentUtilisations

CIMENT UsagesCEM I Béton armé en général coulé sur place ou préfabriqué.

Béton précontraint.Décoffrage rapide, mise en service rapideBétonnage jusqu’à une température extérieure entre 5 et 10° C.Béton étuvé ou auto-étuvé.

CEM II / A ou B Ces ciments sont les plus couramment utilisésCEM II/A ou B classe R : travaux nécessitant une résistance initiale élevée (décoffrage rapide par exemple).Béton en élévation, armé ou non, d’ouvrages courants.Fondations ou travaux souterrains en milieux non agressifs.Dallages, sols industriels.Maçonneries.Stabilisation des sols.

(de préférence classe R).

60

Le CimentUtilisations

CIMENT Usages

CEM III / A,B ou C Travaux souterrains en milieux agressifs (terrains gypseux, eaux CEM V / A ou B d’égouts, eaux industrielles…).

Ouvrages en milieux sulfatés : les ciments utilisés sont tous ES, ciments pour travaux en eaux à haute teneur en sulfates, en conformité à la norme NF P 15-319.

Travaux à la mer : les ciments utilisés sont tous PM, ciments pour travaux à la mer, en conformité à la norme NF P 15-317.

Bétons de masse.

Travaux en béton armé ou non, hydrauliques et souterrains (fondations).

Travaux nécessitant une faible chaleur d’hydratation.

Stabilisation des sols.

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Hydratation du ciment

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Processus d’hydratation

1° Dissolution

2° Sursaturation

3° Précipitation

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Le suivi d’hydratation

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HYDRATATION DES PHASES

CRISTALLOCHIMIQUES

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HYDRATATION DES

SILICATES

DE CALCIUM

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69

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70

L’hydratation des silicates de calcium

2C3S + 7H → C3S2H6 + 3CH ΔH=-500J/g

2C2S + 7H → C3S2H6 + CH ΔH=-250J/g

. Les produits d’hydratation des silicates de calciumsont les CSH et la portlandite (CH);

. Le C3S produit plus de portlandite que le C2S;

. La chaleur libérée au cours de l’hydratation du C3Sest plus élevée que la chaleur libérée par l’hydratationdu C2S;

. L’hydratation du C3S est plus rapide que l’hydratationdu C2S;

. L’hydratation du C3S contribue aux résistances à courtterme, l’hydratation du C2S contribue aux résistances àmoyen terme.

71

Pâte de ciment hydratée 7 jours: Ca(OH)2 et CSH (SEM 7000 X)

72

4 0 0 0. 0 3 6 0 0 3 2 0 0 2 8 0 0 2 4 0 0 2 0 0 0 1 8 00 1 6 0 0 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 4 5 0 .04 0 .0

4 1

4 2

4 3

4 4

4 5

4 6

4 7

4 8

4 9

5 0

5 1

5 2

5 3

5 4

5 5

5 6

5 7

5 8

5 9

6 0

6 1

6 2

6 3

6 4

6 5

6 6

6 7

6 8

6 9

7 0 .0

cm -1

% T

C E M I hydrat é

36 4 43 43 5

1 65 1

1 42 8

11 1 6

9 7 4

5 1 914 7 3

87 5

84 7

6 1 9

7 1 8

8 24

CSH

CH

Spectre IR d’ine pâte de CEM I hydratée

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25

73

74

HYDRATATION DES

ALUMINATES

DE CALCIUM

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L’hydratation des aluminates de calcium

Le C3A réagit avec le gypse ajouté au broyage pour réguler l’hydratationC3A + 3CŠH2 + 26H → C6AŠH32 ΔH=-1350J/g

Après l’épuisement du gypse :C6AŠH32 + C3A + 4H → 3C4AŠH

L’hydratation du C4AF est plus lenteC4AF + 2CH + 14H → 2C3(A,F)H6,5 + (A,H)H3

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26

76

77

78

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27

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80

MORPHOLOGIES ACICULAIRES D’ETTRINGITE(MEB)

81

HYDRATATION

DU CIMENT

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28

82

83

84

L’hydratation du ciment s’opère par dissolution des solides anhydres,

suivi d’une précipitation en hydrates formant une structure

mécaniquement stable (théorie de Le Chatelier).

Elle passe par les 5 étapes suivantes :

1- une phase de "pré-induction“

2- une phase "d’induction“ ou période dormante

3- une phase d’accélération coïncidant avec le début de prise

4- une phase de décélération (après 6 heures jusqu’à 24 heures)

5- une phase de densification

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29

85

La phase de "pré-induction"

La phase de "pré-induction“ se caractérise par le mouillage desgrain, suivi d’une réaction chimique très rapide et d’un brusquedégagement de chaleur. Les premiers hydrates se forment et entourent les grains de ciment

1-eau2-clinker3-gypse4-bulle d’air5-sable6-hydrates

Pâte de ciment à1 heure

86

La phase de “d’induction"

Pendant la phase de “d’induction“ou période dormante la dissolutiondes anhydres est ralentie par la couche protectrice des premiershydrates. Cette période peut durer quelques heures

Pâte de ciment à2 heures

Allongement descristaux d’ettringite.La pâte s’épaissit mais reste plastique

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La phase d’accélération

La phase d’accélération coïncide approximativement avec le début deprise

Pâte de ciment à5 heures

Précipitation de la portlanditeet accélération des réactionsd’hydratation

Augmentation de la couche deCSH et collage des particulesentre elles

L’état rigide est atteint

La réaction entre le C3A et legypse se poursuit

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Essai de l’aiguille de VicatPar cet essai sont relevés par la pénétration dans la pâte d’une aiguille cylindrique (section 1 mm2 et chargée d’un poids de 300 g) les temps au cours desquels la pâtes de ciment prend deux consistances déterminées.

• Celle du début de prise est obtenue lorsque l’aiguille n’est pas en mesure de pénétrer toute la hauteur de la pâte (40 mm) et s’arrête à 3 mm du fond.

• Celle de la fin de prise qui correspond à une pénétration de 0.5 mm seulement.

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90

La phase de décélération

Cette phase correspond à la formation de la microstructure; l’hydratation est ralentie par un effet de barrière poreuse; ellese poursuit suivant un processus de diffusion

Pâte de ciment à1 jour

Le gypse ayant été consommé,l’ettringite devient la source de sulfates

L’eau doit traverser une épaissecouche d’hydrates pour arriverà la surface des anhydres

Les pores capillaires contiennenttoujours de l’eau

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La phase de densification

La phase de densification du ciment hydraté est limitée par desphénomènes de diffusion à travers les couches d’hydrates

Pâte de ciment à1 mois

La microstructure est compacte,

La porosité de plus en plus fine

L’évolution se poursuit de plus en plus lentement

L’état définitif est quasiment atteintau bout d’un an en milieu sec maisl’hydratation peut se poursuivre trèslentement en milieu humide

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. 1 kg de ciment 0.25 kg de chaux,70 kg/m3 de béton.

5 cm extérieurs d’un m2 de parement 3,5 kg de CH.. 20 à 30 g/m2 de CH déposés en surface donnent un voile blanc perceptible à l’oeil.

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CHALEUR

D’HYDRATATION

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POROSITE

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RESUME

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• 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 isslower to react. It does however continue to hydrate late in thesetting period, and may then contribute to the strength of thecement.

C2S

• The head clinker component in cement, typical more than 50 %• Quick development of strength - C3S reacts more quickly thanC2S• High contribution to the final strength• Resistant to sulphur attack• 25 weight % water bind under hydration of C3S• Heat development: 500 kJ/kg

C3S

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• 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/kg

C4AF

• 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/kg

C3A

120

Cements with a high free lime content may react with waterand result in expansion

Free CaO

• Cements with a high magnesia content may after settinghydrate and expand.

MgO

• Cements with a low alkali content may be required for use in the manufacture of concrete in which the use of aggregateintroduces silica. Alkalis may enhance reactions withamorphous silica. The content of alkalis contributed to theacceleration of the early strength and lowering of the final strength. The content of alkalis is dependent on the rawmaterials but also the manufacturing process decide thecontent of alkalis. Cement manufactured by the wetprocessing will compared to the dry processing contain lessalkalis.• Alkalis as Na2O = Na2O + 0.658 * K2O

Alkalis(Na2O +

K2O)

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Les Additions

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Norme NF EN 206-1

« addition minérale » = matériau minéral finement diviséet pouvant être ajouté au béton pour améliorer certainesde ses propriétés ou pour lui conférer des propriétésparticulières

2 types d’additions :. Type I : additions quasiment inertes,. Type II : pouzzolanes et additions à caractèrehydraulique latent

123

Matériau quasiment inerte : en présence d’eau, il ne se passeaucune réaction d’hydratation. Il se peut qu’il y ait cependantdes interactions avec certains constituants du clinker.En présence de filler calcaire, on enregistre une accélérationde l’hydratation du C3S. Il se crée des liaison épitaxiques.Le filler calcaire peut réagir aussi avec le C3A pour formerdes carboaluminates de calcium hydratés.

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124

Une pouzzolane est un matériau siliceux ou aluminosiliceux

qui, finement divisé et en présence d‘eau, réagit chimique -

ment avec l’hydroxyde de calcium libéré par l’hydratation du

ciment portland pour former des composés stables ayant

des propriétés hydrauliques, c’est-à-dire capables de faire

prise sous l’eau.

125

Caractérisation de l’effet pouzzolanique en ATDpar la mesure de la quantité chaux libérée

Exemple d’un mélange CEM - Métakaolin

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Incidence de l’utilisation d’un matériau pouzzolaniquesur la distribution poreuse d’une pâte de ciment hydratée

CEM

CEM + MK

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Un matériau hydraulique latent est un matériau qui fait priseen présence d’eau pour former des composés stables ayantdes propriétés hydrauliques.

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Additions usuelles :. fillers calcaires,. cendres volantes de centrales thermiques.

Autres : . fumées de silices,. fillers siliceux,. laitiers vitrifiés,. métakaolin (en cours de normalisation).

Les fillers calcaires et siliceux sont des additions inertes

Les fumées de silice, les cendres volantes, les métakaolinsont des additions pouzzolaniques.

Les laitiers vitrifiés ont des propriétés hydrauliques.

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L’industrie du ciment – Ph. Gégout 62

Ecole thématique "matériaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003

Calcaire broyéMicroscope Electronique à Balayage

50 µm

Calcaire

Calcaire brut issu de la carrière

Filler calcaire

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L’industrie du ciment – Ph. Gégout 58

Ecole thématique "matériaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003

EDF

Cendres volantes

Cendres volantes

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Les cendres volantes se présentent sous la forme de sphères creuses de granulométrie équivalente à celle du ciment.

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Fumée de silice

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133

Grains de ciment (gauche) et fumées de silice (droite) au même 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 fumées de silice pour chaque grain de ciment

134

0.020.040.060.080.0

100.0

0.1 0.3 0.5 0.7 0.9Diameter, micrometers

Perce

nt pa

ssing Granulométrie

type

“packing effect”

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Packing effect

Béton ordinaire (CH)

BHP (C-S-H)

Modification des interfaces

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Fumées de siliceFumées de silice Cendres volantesCendres volantes Fillers calcaires CimentCiment

Diamètre moyen µm 0,4 12 Diamètre moyen µm 0,4 12 -- 15 12 15 12 -- 15 10 15 10 -- 1212

Surface spécifique 17,000 17,000 -- 30,000 400 30,000 400 -- 700700 400 400 -- 700 300 700 300 -- 500500m2/kg

Couleur Noires GriCouleur Noires Grises ses -- Noires Blancs Blanc Noires Blancs Blanc -- GrisGris

Matériau Matériau PouzzolaniquePouzzolanique PouzzolaniquePouzzolanique Inerte Inerte HydrauliqueHydraulique

DomaineDomaine d’utilisationd’utilisation BHP BHP BétonsBétons courantscourants BétonsBétonscourantscourants,,

BétonsBétonsde de parementparement

Comparaison des propriétés entreles fumées de silice, les cendres volantes,

les fillers calcaires et le ciment

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L’industrie du ciment – Ph. Gégout 59

Ecole thématique "matériaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003

Laitier granulé de haut-fourneau

…fait trop chaud par ici...

Le laitier de haut-fourneau est un sous-produit de l’industrie sidérurgique. Il provient du résidu de la gangue du minerai de fer après extraction de la fonte.

Chaque tonne de fonte génère de l’ordre de 250 à 300 kg de laitier.

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L’industrie du ciment – Ph. Gégout 60

Ecole thématique "matériaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003

Déshydratation

Eclatement du minerai

Réduction FeO

Réduction des oxydes

Formation des silicates

Fusion de la fonte

et du laitier

24 m

7 m

Trempe

°CGueulard

Cuve

VentreEtalageCreuset

d=7.8d=1.2

Profil d’un haut-fourneau

Après réduction du fer, le métal est recueilli dans un creuset.

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139

Le surnageant, de densité plus faible, est:

- soit granulé par refroidissement brutal (trempe): arrosageviolent sous haute pression destiné à le vitrifier. L’énergie calorifique contenue dans le laitier en fusion provoque son explosion et forme instantanément du laitier vitrifié.Une variante consiste à le tremper, partiellement ou totalement, à l’air en le pulvérisant. Ce procédé s’appelle bouletage et le laitierest dit bouleté.

140

- soit dirigé vers des fosses où il va refroidir à l’air et secristalliser sous forme de roche. Après le début de la solidification, le laitier est arrosé afin d’en abaisser latempérature et de le fragmenter. On obtient ainsi du laitier cristallisé brut, qui peut alors être concassé et criblé pourproduire des granulats.

Le laitier cristallisé est typiquement gris et généralement poreux, avec une masse volumique de 1200 à 1400 kg/m3.

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Laitier de haut-fourneau vitrifié (granulé ou bouleté)

. Il se présente sous la forme d’un sable (0/8 mm) de couleurjaune/beige.

L’industrie du ciment – Ph. Gégout 61

Ecole thématique "matériaux cimentaires" du 19 au 24 octobre 2003

Laitier observé auMicroscope

Optique

10 µm

Laitier frais

Structure cristallisée

Structure vitreuse

Le laitier, c’est qui celui-là

encore ?

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142

. Composants principaux:. CaO: 40%,. SiO2: 35%,. Al2O3: 11%,. MgO: 8%.

. Structure vitreuse + quelques éléments cristallisés:- mélilite: solution solide de gehlénite (C2AS) et

d’ackermanite (C2MS2),- merwinite: C3MS2,- larnite: C2S.

143

144

Sa structure vitreuse lui procure une réactivité en présence d’alcalins et de chaux.

C’est un véritable « ciment » car il suffit d’ajouter un catalyseuractivant pour amorcer la prise et le développement des résistances mécaniques.

Son hydratation conduit à des hydrates semblables à ceux du clinker, bien que légèrement plus acides.

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Les trois activants classiques sont:

- la chaux: . provenant de l’hydratation du ciment,. ou ajoutée au laitier sous forme de chaux

vive (CaO) ou de chaux éteinte [Ca(OH)2].

- la soude (NaOH) ou des sels de soude,

- le sulfate de calcium (gypse, par exemple).

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. Alumino-silicate (AS2 ou Al2O32SiO2) obtenu par calcination à moyenne température (< 800°C) de kaolin,

. Réagit avec la chaux libérée par l’hydratation du ciment pour donner des silicates et des silico-aluminates de calcium hydratés:

AS2 + CH + H C2ASH8 + C-S-H

Le métakaolin

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Morphologie

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En résumé :

Le métakaolin, les fumées de silice, les cendres volanteset le laitier ont pour propriétés de consommer partiellementla chaux au cours de l’hydratation du ciment.Cependant la réaction est lente. Elle démarre au plustôt après 48 heures pour les matériaux les plus réactifscomme le métakaolin d’où l’obligation de veiller à ce que l’eaune s’évapore pas trop rapidement

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Les principales caractéristiques des additions

Additions inertes et pouzzolaniques : indice d’activité

Additions à caractère hydraulique latent : indice d’hydraulicité

Sous produits issus de la combustion : teneur en carbone (perte au feu)

Additions pouzzolaniques et à caractère hydraulique latent :Capacité à combiner la chaux, teneur en Na2O équivalent, CaO libre,sulfates et sulfures

Toutes les additions : finessemesure du besoin en eau

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. Indice d’activité des fillers calcaires et des cendresvolantes: i

“Rapport des résistances à la compression d’éprouvettes normalisées de mortier du même âge , les unes préparées avec 75% de ciment d’essai et 25% de l’addition considérée (en masse), les autres préparéesavec le ciment d’essai uniquement”.

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. Indice d’hydraulicité des laitiers

“Rapport des résistances à la compression d’éprouvettes normalisées de mortier du même âge , les unes préparées avec 50% de ciment d’essai et 50% de laitier (en masse), les autres préparées avec le cimentd’essai uniquement”.


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