2 Le Ciment

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1

Le ciment

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2

SOMMAIRE Généralités

La ligne de fabrication  Le cru  La cuisson  La fabrication du ciment  Les ciments courants

 Composition + finesse = performances  L ’hydratation

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3

DEFINITIONS (Norme NF P 15-301) • Le ciment est un liant hydraulique, c’est-àdire une matière inorganique finement moulue qui, gâchée avec de l’eau, forme une pâte qui fait prise et durcit … Le matériau formé est ensuite insoluble dans l’eau

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DEFINITIONS (suite) Le ciment anhydre est constitué de clinker additionné de gypse ( 5 %), et éventuellement pour les ciments composés, d’autres constituants minéraux : laitiers, cendres volantes, fillers calcaires, …

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NOTATION CHIMIQUE CIMENTIERE La chimie du ciment se construit essentiellement à partir des 4 oxydes majeurs suivants :  CaO =  SiO2 =  Al2O3 =  Fe2O3 =

C S A F

 (CaO)3SiO2  (CaO)2SiO2  (CaO)3Al2O3  (CaO)4Al2O3Fe2O3

présents dans les matières premières, et qui vont former les silicates et les aluminates de calcium du clinker : ou ou ou ou

C3S (silicate tricalcique) ou (alite) C2S (silicate bicalcique) ou (bélite) C3A (aluminate tricalcique) C4AF (alumino-ferrite tetracalc.)

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6

LE CIMENT Fabrication

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UN PEU D’HISTOIRE • LES EGYPTIENS découvrent la chaux grasse, obtenue par cuisson de roches calcaires à une température proche de 1000°C, suivie d’une extinction avec de l’eau. • LES ROMAINS ont fait véritablement du ciment en ajoutant à la chaux de la pouzzolane. • LOUIS VICAT en 1817 élabore la théorie de l’hydraulicité, propriété jusque-là inexpliquée. • En 1824, l’écossais ASPDIN donne le nom de PORTLAND au ciment qu’il fabrique dans cette région.

• LA PREMIERE USINE DE CIMENT a été créée par Dupont et Demarle en 1846 à Boulogne-sur-Mer.

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8

LIGNE DE FABRICATION DU CIMENT La fabrication du ciment se fait selon un procédé en continu (personnel en 3x8), en suivant 3 lignes successives : • La ligne de fabrication du cru (de la carrière au silo de stock cru) • La ligne de cuisson (de l’alimentation du four au silo de stock clinker) • La ligne de fabrication du ciment (de l ’alimentation des broyeurs aux silos d’expédition ciments)

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LIGNE DE FABRICATION DU CIMENT La ligne de fabrication du cru (de la carrière au silo de stock cru) La fabrication du cru commence à la carrière et se termine au silo de stockage avant le four. Pour obtenir dans ce silo une farine crue (procédé voie sèche) homogène et « au titre », les fonctions à assurer sont le broyage, le séchage, l’homogénéisation et le dosage.

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COMPOSITION D’UN CRU Le cru est la source des éléments chimiques Ca, Si, Al, et Fe, nécessaires à la formation des silicates et aluminates du clinker. • Pour la plus grande part (généralement > 95 %), ces éléments sont fournis par une combinaison de roches naturelles: calcaire, marne, argile, sable, ... • La petite fraction restante (< 5 %) est fournie par des matières dites «de correction », qui sont généralement des produits de transformation d’autres industries : cendres de pyrite (source de Fe) ou de bauxite (source de Al), ...

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COMPOSITION D’UN CRU (suite) • Pour des raisons économiques, la cimenterie est (presque) toujours installée sur un gisement de calcaire (source de Ca), qui constitue environ 80 % de la matière crue, et dispose également d’une carrière d’argile (source de Si, Al, Fe) à proximité. • Quelques cimenteries, dépourvues de carrière d’argile, utilisent en substitution, des cendres volantes de centrales thermiques ou du laitier de haut-fourneau, qui doivent être achetées à l’extérieur, comme les matières de correction.

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COMPOSITION D’UN CRU (suite) • La composition élémentaire typique d’un cru est la suivante : C  43 %, S  14 %, A  3 %, F  2 %, le complément à 100 étant la perte au feu ( 35 % de CO2 et de H2O) et des oxydes mineurs: MgO, K2O, ... • La composition minéralogique potentielle du clinker peut être calculée à partir de la composition élémentaire du cru par les formules de Bogue : C3S = 4.07 C - 7.60 S - 6 72 A - 1.43 F C2S = - 3.07 C + 8.60 S + 5.07 A + 1.08 F C3A = 2.65 A - 1.69 F C4AF = 3.04 F

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13

CALCUL DE CRU Le principe du calcul de cru est de déterminer les % des matières premières dans le cru qui vont permettre de former, après cuisson, les % souhaités de C3S, C2S, C3A, et C4AF dans le clinker. La démarche est la suivante :

• on fait l’analyse élémentaire des matières susceptibles de rentrer dans la constitution du cru: calcaire, argile, ... • on écrit les équations relatives aux modules fixés • on résout le système d’équations (logiciel de calcul)

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14

LA FABRICATION DU CRU (suite) Les 2 étapes du broyage sont illustrées ci-dessous:  le concasseur primaire  le broyeur, de type vertical à (max  50 mm)

piste ou horizontal à boulets (cas du schéma ci-dessous) (refus 80µm  10 %)

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15

LA FABRICATION DU CRU (suite) L’homogénéisation se fait tout au long de la chaîne: • au niveau du concasseur primaire, par une bonne gestion de la reprise des matières au pied des fronts de taille • sur la matière 0-50 mm lorsque l’on dispose d’un atelier de préhomogénéisation (schéma ci-dessous)

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16

LA FABRICATION DU CRU (suite) L’homogénéisation se poursuit : • dans le broyeur à cru • sur la farine sortie broyeur, dans des silos d’homogénéisation (indispensables en l’absence de pré-homogénéisation).

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17

LA FABRICATION DU CRU (suite) • Le dosage se fait au niveau du broyeur à cru (schéma ciaprès) ou de la préhomogénéisation quand elle existe.

Salle de Contrôle

H R Broyeur à cru

AIR

Laboratoire Calcul de cru

Analyse

Echantillon

V

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LIGNE DE CUISSON •

La ligne de cuisson (de l’alimentation du four au silo de stock clinker)

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19

LA CUISSON La cuisson du cru va permettre aux différents oxydes C, S, A et F de se combiner entre eux pour former FUMEES les silicates et les aluminates de calcium. ( 350°C) CRU

1450°C 1000°C

COMBUSTIBLE CLINKER

AIR FROID

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20

LA CUISSON (suite) Les transformations de phases qui interviennent dans le four peuvent se décrire en parcourant le diagramme suivant de gauche à droite (du cru au clinker) : T1 : début de la décarbonatation = début de formation de la bélite

T1

T2 = apparition de la phase liquide = début de formation de l’alite

T2

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21

LA CUISSON (suite) • La trempe du clinker va permettre de stabiliser l’alite (d’éviter sa rétrogradation en bélite et chaux libre secondaire: C3S -> C2S + C) • elle va aussi influencer le mode de cristallisation de C3A et C4AF, composants principaux de la phase liquide.

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COMPOSITION D’UN CLINKER PORTLAND La composition moyenne d’un clinker gris est la suivante : C3S (alite) C2S (bélite) C3A C4AF

: 60-70 % : 10-20 % : 0-14 % : 7-14 %

C (CaO libre) :  1 %

Les aluminates (C3A,C4AF) constituent la phase interstitielle entourant les cristaux hexagonaux d’alite (C3S) et les grains bistriés de bélite (C2S).

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LIGNE DE FABRICATION DU CIMENT •

La ligne de fabrication du ciment (de l ’alimentation des broyeurs aux silos d’expédition ciments)

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24

LA FABRICATION DU CIMENT • La ligne de fabrication du ciment est indépendante de la ligne de fabrication du clinker (au stock près de clinker). Elle consiste à broyer à une finesse donnée, un mélange de constituants, incluant obligatoirement le clinker et un régulateur de prise (en général du gypse).

Salle de Contrôle

Broyeur à ciment

Laboratoire Contrôle composition + finesse

Echantillon

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25

•

LA FABRICATION DU CIMENT (suite) La matière (clinker, gypse,…) traverse le broyeur à boulets à co-courant de l’air aspiré par le ventilateur de tirage.

3 2

filtre

1

Clinker

Air chaud

fin

4

5

broyeur 1: trémies doseuses 2: séparateur dynamique 3: élévateur 4: séparateur statique 5 ventilateur de tirage

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LA FABRICATION DU CIMENT (suite) • Le séparateur dynamique opère un tri sélectif sur la matière sortant du tube broyeur, en renvoyant le gruau vers l’entrée du tube, et la partie fine vers le produit fini. Pour régler la finesse du ciment, on va agir sur: Alimentation

Gruau



les paramètres de réglage du séparateur



ou le débit des doseurs,



ou le ventilateur de tirage.

Fin

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2 7

LE CIMENT Normalisation

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Exemple de dénomination

CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2* Famille de ciments Il existe : CEM I : ciment Portland CEM II : ciment Portland composé CEM III : ciment de haut fourneau CEM IV : ciment pouzzolanique CEM V : ciment au laitier et aux cendres

* Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

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Exemple de dénomination

CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2* Famille de ciments Il existe : CEM I : ciment Portland CEM II : ciment Portland composé CEM III : ciment de haut fourneau CEM IV : ciment pouzzolanique CEM V : ciment au laitier et aux cendres

Quantité de constituants principaux 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)

* Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

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Exemple de dénomination

CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2* Famille de ciments Il existe : CEM I : ciment Portland CEM II : ciment Portland composé CEM III : ciment de haut fourneau CEM IV : ciment pouzzolanique CEM V : ciment au laitier et aux cendres

Quantité de constituants principaux 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 moins 2 constituants principaux autres que le clinker * Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

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Exemple de dénomination

CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2* Famille de ciments Il existe : CEM I : ciment Portland CEM II : ciment Portland composé CEM III : ciment de haut fourneau CEM IV : ciment pouzzolanique CEM V : ciment au laitier et aux cendres

Noms des constituants principaux S : laitier granulé de hauts fourneaux V : cendres volantes siliceuses W : cendres volantes calciques L ou LL : calcaire (en fonction du taux de carbone organique) D : fumée de silice P ou Q : matériaux pouzzolaniques T : Schiste calciné

Quantité de constituants principaux 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 moins 2 constituants principaux autres que le clinker * Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

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Exemple de dénomination

CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2* Famille de ciments Il existe : CEM I : ciment Portland CEM II : ciment Portland composé CEM III : ciment de haut fourneau CEM IV : ciment pouzzolanique CEM V : ciment au laitier et aux cendres

Quantité de constituants principaux 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)

Noms des constituants principaux S : laitier granulé de hauts fourneaux V : cendres volantes siliceuses W : cendres volantes calciques L ou LL : calcaire (en fonction du taux de carbone organique) D : fumée de silice P ou Q : matériaux pouzzolaniques T : Schiste calciné Classes de résistance (résistance caractéristique minimum à 28 jours exprimée en MPa) : 32,5 ou 42,5 ou 52,5

Ciment avec au moins 2 constituants principaux autres que le clinker * Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

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Exemple de dénomination

CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2* Famille de ciments Il existe : CEM I : ciment Portland CEM II : ciment Portland composé CEM III : ciment de haut fourneau CEM IV : ciment pouzzolanique CEM V : ciment au laitier et aux cendres

Quantité de constituants principaux 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)

Noms des constituants principaux S : laitier granulé de hauts fourneaux V : cendres volantes siliceuses W : cendres volantes calciques L ou LL : calcaire (en fonction du taux de carbone organique) D : fumée de silice P ou Q : matériaux pouzzolaniques T : 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 : Normal R : Rapide

Ciment avec au moins 2 constituants principaux autres que le clinker * Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

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LES CIMENTS COURANTS (suite) • Les ciments sont caractérisés en outre par une des classes de résistance suivantes : R2 (MPa) garantie Li

R7 (MPa) garantie

R28 (MPa) garantie Li

Ls

32.5 32.5 R

12

 13.5

17.5 -

30 30

 32.5  32.5

< 52.5 < 52.5

42.5 42.5 R

10 18

 12.5  20

-

40 40

 42.5  42.5

< 62.5 < 62.5

52.5 52.5 R

18 28

 20  30

-

50 50

 52.5  52.5

-

R2, R7 et R28 sont les résistances à la compression (en MPa), mesurées sur des barrettes de mortier standard de format 4x4x16 cm, à 2j, 7j et 28j.

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CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2* Famille de ciments Il existe : CEM I : ciment Portland CEM II : ciment Portland composé CEM III : ciment de haut fourneau CEM IV : ciment pouzzolanique CEM V : ciment au laitier et aux cendres

Quantité de constituants principaux 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 moins 2 constituants principaux autres que le clinker * Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

Noms des constituants principaux S : laitier granulé de hauts fourneaux V : cendres volantes siliceuses W : cendres volantes calciques L ou LL : calcaire (en fonction du taux de carbone organique) D : fumée de silice P ou Q : matériaux pouzzolaniques T : 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 : Normal R : Rapide Caractéristiques complémentaires PM : ciment pour travaux à la mer ES : ciment pour travaux en eau à haute teneur en sulfates CP : ciment à teneur en sulfures limitée

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LES LABELS COMPLEMENTAIRES (NF) LABEL CP : ciments à teneur en sulfure limitée pour béton précontraint (NF P 15-318) 

CP1 : S= < 0.7 % post-tension



CP2 : S= < 0.2 % pré-tension

Domaine d’application : ouvrages d’art (en particulier) Principe : limiter les risques de corrosion liés aux sulfures

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LES LABELS COMPLEMENTAIRES (NF) LABEL PM : ciments pour travaux à la mer (NF P 15-317) C3A  10 % C3A + 0.27 C3S  23.5 % SO3  2.5 % (3.0 % si C3A  8 %)



CEM I :



CEM II : limitation de SO3, C3A, % ajouts



CEM III : sont PM d’office si % laitier  60



CEM V : sont PM d’office si CaO  50 %

Principe : limiter le C3A pour éviter la formation de sels chlorés ou sulfatés donnant de l’expansion

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LES LABELS COMPLEMENTAIRES (NF) LABEL ES : ciments pour travaux en eaux à haute teneur en sulfates (XP P 15-319) C3A  5 % C4AF + 2 C3A  20 % SO3  2.5 % (3.5 % si C3A  3 %)



CEM I :



CEM II : limitation de SO3, C3A, % ajouts



CEM III : sont ES d’office si % laitier  60



CEM V : sont ES d’office si CaO  50 %

Principe : limiter le C3A pour éviter la formation de sels sulfatiques faisant gonfler le béton

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39

Utilisations CIMENT

Usages

CEM I

Béton armé en général coulé sur place ou préfabriqué. Béton précontraint. Décoffrage rapide, mise en service rapide(de préférence classe R). Bétonnage 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 utilisés CEM 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.

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40

Utilisations CIMENT CEM III / A,B ou C CEM V / A ou B

Usages Travaux souterrains en milieux agressifs (terrains gypseux, eaux 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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Autres Ciments

Ciment prompt (NF P15-314) résistance aux eaux séléniteuses et eaux acides Ciment alumineux fondu (NF P15-315) par temps froid jusqu’à -10°C

pour les bétons réfractaires jusqu’à 1300°C Ciment à maçonner (NF P15-307)

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INDUSTRIE DU CIMENT Marché du Ciment en France : 20 MM Tm MARCHE NATIONAL : 33 Cimenteries et 7 centres de broyage Cimentiers Lafarge

12 usines

Vicat

8 usines

Ciments Clacia

10 usines

Holcim

6 usines

Lafarge Aluminate

3 usines

Ciments de l’Adour

1 usine

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INDUSTRIE DU CIMENT PRODUCTION DE CIMENT EN FRANCE (millions de tonnes) 35 30 25 20 15 10 5 0 1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

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44

INDUSTRIE DU CIMENT

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45

INDUSTRIE DU CIMENT Les cimentiers dans le monde : Prod. annuelle • Lafarge + Blue Circle (France) • Holderbank (Suisse) • Cemex (Mexique) • Heidelberg Zement (Allemagne) • Italcementi Group (Italie)

151 MT 142 MT 95 MT 65 MT 59 MT

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COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES Le ciment va jouer un rôle très important dans l’obtention des caractéristiques d’un béton dans les domaines de : • la rhéologie (béton frais) temps: 0 (gâchage) à qqs heures (mise en place) • la résistance mécanique (béton durci): temps: qqs heures (décoffrage) à 28 j (Rcaractéristique) • la durabilité (béton durci) temps: >> 10 ans (durée de vie de l’ouvrage) Les exemples qui suivent montrent dans quelle mesure ces caractéristiques sont influencées par le type de ciment.

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47

COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES •

Dans l’exemple qui suit, on peut juger de l’influence de la composition-finesse sur les résistances et sur le dégagement de chaleur, pour 6 ciments de la même usine : Résistance (MPa) = f (jours)

72.5

I 52.5 R I 42.5 R

62.5

Dégagement thermique = f (heures)

60 50

II 52.5 R (D7)

52.5

II 42.5 R (L7) II 32.5 R (L21F2)

42.5

40 30

V 42.5 (S22V22)

32.5

D7 = 7% fumée de silice L7 = 7% calcaire F2 = 2% filler S22V22 = 22% laitier + 22% cendre

22.5 12.5 0

7

14

21

28

20 10 0 0

4

8

12

16

20

24

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48

COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES •

Dans l’exemple suivant, on peut juger de l’influence de la surface spécifique Blaine (SSB) sur les résistances et sur le dégagement de chaleur, pour 3 ciments de type CEM I à base du même clinker et de SSB différentes : Dégagement thermique = f (heures)

Résistance (MPa) = f (jours)

60

72.5

5050 cm2/g 3890 cm2/g

62.5

50

3270 cm2/g 52.5

40

42.5

30

32.5

20

22.5

10

12.5

0

0

7

14

21

28

0

4

8

12

16

20

24

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49

COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES •

La distribution granulométrique du ciment, va influer sur ses performances, en particulier sur sa demande en eau : un ciment avec une courbe granulométrique % de refus cumulé = f ( grains en µm) étroite (en rouge) va 100 avoir une demande en 80 eau plus forte que celui présentant une 60 courbe large (en vert). 40 20 0 1

10

100

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50

COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES •

L’influence du gypsage sur les caractéristiques du ciment, s’exerce à la fois qualitativement (forme du sulfate) et quantitativement (« optimum de gypsage »). • Les différentes formes de sulfate de calcium se distinguent par la solubilité : Solubilité (g/litre) = f (min)  le gypse : CaSO4, 2 H2O 6  l’hémihydrate (ou plâtre): Phosphogypse 5 CaSO4,1/2 H2O Hémihydrate  l’anhydrite : CaSO4 4  des gypses « chimiques » 3

Gypse

2

Anhydrite

1 0 0

1

2

3

4

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51

COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES • Le graphique ci-dessous montre comment ces différences de solubilité influent sur une caractéristique rhéologique : la demande en eau 38 Clinker 2 + Anhydrite

37 36 35 34

Clinker 2 + Gypse

33 32 31 Clinker 1 + Anhydrite 30 29 28 01/01/94

02/04/94

02/07/94

01/10/94

31/12/94

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5 2

LE CIMENT Hydratation

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53

DU CLINKER AUX HYDRATES Les anhydres du clinker au contact de l’eau vont se transformer en silicates et aluminates de calcium hydratés qui vont constituer la phase liante des granulats au sein du béton.

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54

HYDRATATION DU CIMENT • L’hydratation d’un ciment portland peut se décrire comme la résultante de :  l’hydratation des silicates, qui ne met en jeu que C3S, C2S et l’eau (H),  et l’hydratation des aluminates, qui met en jeu C3A, C4AF, l’eau (H) et le gypse (CSH2). Ces 2 hydratations se déroulent simultanément mais pas indépendamment l’une de l’autre, du fait de couplages chimiques et thermiques.

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55

HYDRATATION DES SILICATES L’hydratation des silicates conduit à 2 types d’hydrates : (C3S , C2S) + H

CSH + CH  80 %  20 %

La portlandite (cristal non-liant) Les C-S-H : peu cristallisés (“gel”) et liants, ce sont les hydrates les plus importants. Le rapport C/S dans ces CSH est

typiquement compris entre 1,6 à 1,8.

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56

HYDRATATION DES SILICATES (suite)

Pâte de ciment à 7 j : Fibres de CSH (MEB 1100 x)

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57

HYDRATATION DES SILICATES (suite)

Pâte de ciment à 7 j : cristaux de portlandite (MEB 7000 x)

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58

HYDRATATION DES SILICATES (suite)

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59

HYDRATATION DES ALUMINATES L’hydratation des aluminates, du C3A en particulier, obéit à la séquence de réactions suivantes, dans l’ordre 1, 2, 3 : (1)

C3A + 3CSH2 + 26 H2O Gypse

(2)

2 C3A + C3A(CS)3H32 + 4 H2O Ettringite

(3)

C3A + CH + 12 H2O

C3A(CS)3H32 Ettringite ou trisulfoaluminate C3A(CS)H12 Monosulfoaluminate C4AH13

L’effet régulateur de prise du gypse est lié au fait que : (2) ne démarre que quand tout le gypse est consommé dans (1) (3) ne démarre que quand l’ettringite est consommée dans (2)

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60

HYDRATATION DES ALUMINATES

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HYDRATATION DES ALUMINATES

Aiguilles d’ettringite (MEB 10000 x) Sika France

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HYDRATATION DES ALUMINATES

Cristaux hexagonaux de monosulfoaluminates (MEB 8000 x)

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HYDRATATION DES ALUMINATES

Cristaux de C4AH13 (MEB 10000 x) Sika France

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HYDRATATION DES ALUMINATES En l’absence de sulfate de calcium, l’hydratation conduit rapidement à la formation de cristaux dont la morphologie est défavorable à une bonne rhéologie de la pâte : CRISTAUX HEXAGONAUX MÉTASTABLES

2 C3A + 21 H2O C4AF + H2O

C4AH13 + C2AH8

CRISTAUX CUBIQUES

C3AH6 + 9H2O C4(A,F)H13 + C2(A,F)H8 C3(A,F)H6+ 9H2O

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REGULATION DE LA PRISE Réactivité clinker

Disponibilité des sulfates en solution

Temps d'hydratation 10 min Hydratation

Faible

Faible

Haute

Haute

1h

3h

CSH ettringite

C4AH13 Haute

Faible

CaSO42H20 Faible

Haute

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EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE Pâte de ciment 1 h

1. Eau 2. Clinker 3. Gypse 4. Bulle d’air 5. Grain de sable 6. C-S-H

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EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE Pâte de ciment 2 h - Croissance des aiguilles d’ettringite

fig 25 pg 52

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EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE Pâte de ciment 4 h - Prise - Précipitation de cristaux de Portlandite

fig 26 pg 53

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EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE Pâte de ciment 3 jours - Durcissement - Apparition de vides

fig 247pg 54

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EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE Pâte de ciment 1 mois - Réseau de pores capillaires qui se développe

fig 28 pg 55

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7 1

LES ESSAIS DE CARACTÉRISATION DU CIMENT

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LES ESSAIS DE CARACTERISATION Il existe des essais de caractérisation qui se font sur le ciment, sur pâte (ciment + eau) et sur mortier normalisé (ciment + sable CEN + eau). Sur ciment : • • • • •

Finesse - Méthode Blaine (EN 196-6 / NF P 15-476) Masse volumique Granulométrie laser Tamisage Alpine - refus à 40 µm et 80 µm Colorimétrie - Niveau de gris

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LES ESSAIS DE CARACTERISATION Sur pâte : • Consistance normalisée, temps de prise et stabilité (EN 196-3 / NF P 15-473) • Fausse prise - Essai de Tusschenbroeck (NF P18363)

Sur mortier : • • • •

Maniabilité (NF P 15-437) Résistances mécaniques (EN 196-1) Retrait gonflement (NF P 15-433) Chaleur d’hydratation (EN 196-9 / NF P 15-436)

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LES ESSAIS SUR CIMENT Masse volumique On utilise un pycnomètre afin de travailler à volume constant. Le liquide utilisé est non réactif avec le ciment : toluène, cyclohexane

La masse volumique des ciments varient de 2,85 à 3,21 g/cm3

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LES ESSAIS SUR CIMENT Finesse - Méthode Blaine (EN 196-6 / NF P 15-476) p3 1 1 S  K. t . . . c 1  p 0,1.

p  1

mc  0,500 V . c

K : constante de l’appareil  : viscosité de l’air à T° de l’essai c : masse volumique du ciment mc : masse de ciment V : volume de la cellule

La surface Blaine des ciments varie de 3100 à 6000 cm2/g

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LES ESSAIS SUR PÂTE Consistance normalisée (EN 196-3 / NF P 15-473) Trouver le rapport E/C pour lequel la sonde de consistance s’arrête à : d = 6 mm ± 1 mm

La demande en eau varie de 28% à 33% selon les ciments.

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LES ESSAIS SUR PÂTE Temps de prise (EN 196-3 / NF P 15-473) On fait une mesure sur une pâte à consistance normalisée. Le temps de début de prise correspond au temps au bout duquel l’aiguille de Vicat s’arrête à d = 4 mm ± 1 mm du fond. On retourne le moule tronconique. Le temps de fin de prise correspond au temps au bout duquel l’aiguille de Vicat munie de son accessoire annulaire ne s’enfonce plus que de 0,5 mm dans la pâte.

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LES ESSAIS SUR PÂTE Stabilité (EN 196-3 / NF P 15-473) : Appareil Le Chatelier On travaille sur pâte normalisée. La stabilité est caractérisée par : Stabilité = C - A

(mm)

La stabilité permet d’estimer les gonflements que pourraient provoquer les oxydes de calcium et de magnésium contenus dans le ciment. La norme impose pour tous les ciments une stabilité  10 mm

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LES ESSAIS SUR PÂTE Fausse prise - Essai de Tusschenbroeck (NF P18-363) • E/C=0,35 • Malaxage 1’ à vitesse rapide • Mesures à 3’, 5’, 7’, 10’, 15’

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LES ESSAIS SUR MORTIER Mortier normalisé c’est : • • • •

Rapport E/C = 0,5 Sable calibré CEN 0/2,5 mm (sac de 1350 g) Rapport S/C = 3 Protocole de malaxage normalisé :

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LES ESSAIS SUR MORTIER Maniabilité (NF P 15-437)

La maniabilité se mesure à E/C=0,5. Elle caractérise la capacité d’écoulement du mortier sous vibration. La maniabilité des ciments varie de 3 s à plus de 25 s.

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LES ESSAIS SUR MORTIER Résistances mécaniques (EN 196-1) Mesures sur 3 éprouvettes prismatiques 4×4×16 cm3 conservées sous eau à 20°C jusqu’à l’échéance de mesure. Résistance à la traction par flexion 3 points

1,5.F .l Rf  3 b

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LES ESSAIS SUR MORTIER Résistances à la compression Mesures sur les 6 demi-éprouvettes prismatiques 4×4×16 cm3 cassées par flexion. Résistance à compression

Fc Rf  2 b avec b = 40 mm

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LES ESSAIS SUR MORTIER Retrait gonflement (NF P 15-433) Mesure des variations dimensionnelles de prismes 4*4*16 en fonction du temps : L/L (µm) • retrait : éprouvettes conservées à l’air (20°C, Hr=50%) • gonflement : éprouvettes conservées dans l’eau (20°C)

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LES ADDITIONS POUR BETON

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DEFINITION Addition : matériau minéral finement divisé utilisé dans le béton afin d ’améliorer certaines propriétés ou pour lui conférer des propriétés particulières. Il existe deux types d’additions: • les additions quasi-inertes (de type I)

• les additions à caractère pouzzolanique ou hydraulique latent (de type II)

(extrait de la norme NF EN 206: « Béton: performances, production et conformité »)

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CADRE NORMATIF La norme française du BPE (P 18-305) autorise les additions suivantes, en substitution partielle du ciment : du type I :  les additions calcaires conformes à NF P 18-508  les additions siliceuses conformes à NF P 18-509

du type II :  les cendres volantes de houille conformes à NF EN 450  les fumées de silice conformes à NF EN 13263  les laitiers de haut-fourneau conformes à NF P 18-506

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SPECIFICATIONS DES ADDITIONS POUR BETON

teneur en eau (%) masse volumique (kg/m3)

calcaire NF P 18-508 stat garantie <1

refus à 45 µm (%) passant à 63 µm (%) Li > 70 > 65 passant à 160 µm (%) SSB ou BET (m2/kg) Li > 220 > 200 Indice d'activité 28 j (90 j) Li > 0.71 > 0.68 Valeur de bleu Ls < 1.0 < 1.3 % matières organiques Ls < 0.2 % perte au feu % carbonates (CaCO3 éq.) Li > 90 (65) > 87 (62) % chlorures Ls < 0.1 % SO3 (sulfates) Ls < 0.15 % S (soufre total) Ls < 0.40 % SiO2 % Silice libre % CaO libre Stabilité (mm)

siliceux (A) NF P 18-509 stat garantie < 0.5 Li > 2600 > 2550 Ls < 2700 < 2750

cendres NF EN 450 stat

fumée silice NF EN 13263 stat

écart à moyenne

< 150 Ls < 40

Li > 55 Li > 95 Li > 150 Li > 0.70 Ls < 10

> 52.5 > 92.5 > 140 > 0.68 < 11.5

Ls < 0.15

< 0.20

Ls < 5.0

Ls < 4.0

Ls < 0.10

< 0.10

Ls < 0.10 Ls < 3.0

Ls < 0.3 Ls < 2.0

Ls < 0.15 Li > 96

< 0.20 > 93.5

Li > 15000 Li > 0.75 (0.85)

Ls < 1.0 (2.5) Ls < 10

Li > 85 Ls < 0.4 Ls < 1.0

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L’EFFET FILLER Un filler va réduire le volume de vide entre les grains de ciment. La résultante sur le béton sera :

  compacité (imperméabilité)  aspect de parement  ressuage  Rc (à même teneur en eau)

  demande en eau (calcaire)

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L’EFFET POUZZOLANIQUE Une pouzzolane est un matériau susceptible de libérer de la silice (S) en présence d’un porteur de chaux (C). La silice libérée se combine à la portlandite CH pour former des CSH. La consommation de portlandite non liante et soluble, au profit de CSH est synonyme de :

 résistances  durabilité Sika France

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L’EFFET POUZZOLANIQUE % de portlandite en fonction du temps (en mois)

14 12 10 8 6 4 2 0

CEM I 52.5 R CEM II/A 52.5 (FS=7%) CEM V/A 32.5 (L=23%, CV=23%) CEM III/B 32.5 (L=68%)

0

1

2

3

4

5

6

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FILLER, POUZZOLANE, HYDRAULIQUE LATENT • Les additions de type I (calcaires ou quartzeuses) se comportent essentiellement comme des fillers • Les cendres volantes et les fumées de silice sont des pouzzolanes. Le laitier moulu, « hydraulique latent », a un comportement intermédiaire entre celui d’un ciment et celui d’une pouzzolane. Ces 3 additions peuvent simultanément se comporter en fillers, en fonction de leur degré de finesse (les fumées de silice ont un fort effet filler).

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LES CENDRES VOLANTES Les principaux avantages / inconvénients des cendres sont les suivants :

 maniabilité (écoulement)  Rc 28 (effet pouzzolanique)  compacité  ressuage  temps de prise  aspect de parement (traces noirâtres)  résistance au gel - dégel Sika France

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LES CENDRES VOLANTES

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LA FUMEE DE SILICE Les principaux avantages / inconvénients de la fumée de silice sont les suivants :

 Rc 1, Rc 2 (effets filler + pouzzolanique)  Rc 28 (effet pouzzolanique)  compacité (imperméabilité)  aspect de parement (régularité)  demande en eau  retrait endogène  sensibilité à la cure Sika France

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LA FUMEE DE SILICE

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LE LAITIER DE HAUT-FOURNEAU Les principaux avantages / inconvénients du laitier sont les suivants :

 résistance chimique (eau de mer, sulfates)  résistance à l’alcali -réaction  Rc 28 (effet pouzzolanique)  parement clair (à partir d’une certaine teneur)  demande en eau  temps de prise  sensibilité à la cure  résistances mécaniques initiales Sika France

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LE LAITIER DE HAUT-FOURNEAU

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L’EAU DE GACHAGE

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L’EAU DE GACHAGE L’eau de gâchage doit être conforme à la norme NF P 18-303 et satisfaire en particulier les conditions suivantes:

chlorures (g/l) nitrates (g/l) sucres, phosphates, Pb, Zn (g/l) sulfates (g/l) alcalins (g/l)

béton précontraint < 0.5

béton béton armé non armé < 1.0 < 4.5 < 0.5 < 0.1 < 2.0 < 1.5

En outre, par rapport à de l’eau distillée, l’eau ne doit pas induire de variation du temps de prise > 25%, et de baisse de Rc7 > 10 %.

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L’EAU DE GACHAGE (suite) L’eau de lavage récupérée des installations de recyclage de l’industrie du béton, peut être utilisée comme eau de gâchage des bétons dans la mesure où: • la quantité de fines apportées est < 1.5 % de la masse totale de granulats

• son influence éventuelle vis-à-vis des prescriptions particulières est prise en compte • elle est répartie le plus également possible sur la production de la journée

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