Paramètres conditionnant la tenue des bétons

Cours paramètres conditionnant la tenue des bétons, tutoriel & guide de travaux pratiques en pdf.

PÂTE HYDRATE

Le ciment est constitué principalement de Clinker Portland (K) : C’est un constituant obtenu à partir de la cuisson à haute température, supérieure à 1450 °C, d’un mélange approprié de calcaire et d’argile en proportion moyenne 80 % – 20 %. Les silicates et aluminates hydrauliques formés lors de cette cuisson (clinkérisation) sont :  le silicate tricalcique, 3CaO.SiO2, que l’on écrit C3S ; (60 à 65 %)  le silicate bicalcique, 2CaO.SiO2, que l’on écrit C2S ; (20 à 25 %)  l’aluminate tricalcique, 3CaO.Al2O3, que l’on écrit C3A ; (8 à 12 %)  l’aluminoferrite tétracalcique 4CaO.Al2O3.Fe2O3, que l’on écrit C4AF (8 à 10 %) Suivant la carrière d’origine et les performances recherchées, le clinker est constitué de 62 % à 67 % de chaux combinée (CaO), de 19 % à 25 % de silice (SiO2), de 2 % à 9 % d’alumine (Al2O3), et de 1 % à 5 % d’oxyde de fer (Fe2O3). Le ciment HRS (Haute résistance aux sulfates) est défini par les normes NT 47.01 et NT 47.26. Sa particularité est teneur en C3A < 3% et la sommeC4AF + 2 C3A < 20%. Dès le contact de l’eau avec la poudre d’un liant (t0), l’hydratation commence et les propriétés de la pâte obtenue sont évolutives dans le temps. Au départ, c’est la période dormante de l’hydratation où la température stagne et la consistance évolue lentement. A partir d’un certain moment, l’hydratation devient plus active et on constate une augmentation relativement brusque de la viscosité avec élévation de la température. Ce moment est appelé début de prise (t1). La fin de prise correspond au moment où la pâte devient un bloc rigide (t2). Au début de prise, des ponts d’hydrates commencent à lier les grains du liant. A la fin, les grains de sont tous solidarisés. C’est le début du durcissement.
Le phénomène de prise du ciment est lié à de nombreux paramètres tels:  la nature du ciment,  la finesse de mouture du ciment; plus son broyage a été poussé, plus le temps de prise est court,  la température; alors qu’à zéro degré la prise est stoppée, plus la température ambiante est élevée plus la prise est rapide. Pour un ciment donné, si le début de prise est de 3h30 à 20 °C, il sera de 18 heures à 2 ºC, de 5 heures à 10 ºC et de 30 min à 35 ºC.  la présence de matières organiques dans l’eau ou dans l’un des autres constituants du béton qui ralenti la prise,  l’excès d’eau de gâchage qui a, entre autres inconvénients, une action retardatrice sur la prise Il est à noter que pratiquement tous les ciments ont des temps de prise largement supérieurs aux valeurs minimales fixées par la norme, l’ordre de grandeur étant de 2 h 30 à 3 h pour la majorité des ciments. Le durcissement est la période qui suit la prise et pendant laquelle se poursuit l’hydratation du ciment. Sa durée se prolonge pendant des mois au cours desquels les résistances mécaniques continuent à augmenter. Comme le phénomène de prise, le durcissement est sensible à la température, ce qui conduit notamment en préfabrication, à chauffer les pièces pour lesquelles on désire avoir des résistances élevées au bout de quelques heures. Pour mieux comprendre les propriétés des ciments portland, il est intéressant d’étudier comment réagit en présence d’eau chacun des constituants anhydres du ciment pris isolément.
La chaleur d’hydratation est une autre manifestation des réactions d’hydratation. Elle augmente, en général, avec la classe de résistance du ciment, le dosage, la température initiale. Le phénomène de prise du ciment s’accompagne d’une réaction exothermique dont l’importance dépend de différents paramètres, en particulier:  la finesse de mouture: plus le ciment est broyé fin, plus la chaleur d’hydratation est élevée  la nature des constituants: les ciments CEM 1 comportant presque exclusivement du clinker et dégagent plus de chaleur que des ciments avec constituants secondaires  la nature minéralogique du clinker : plus les teneurs en aluminate tricalcique (C3A) et silicate tricalcique (C3S) sont élevées, plus la chaleur d’hydratation est forte  la température extérieure. L’échauffement du béton qui en résulte, d’autant plus important que l’isolation naturelle (béton de masse) ou provoquée (coffrage isolant) est plus grande, provoque une accélération de l’hydratation au jeune âge. L’hydratation du ciment produit des hydrates baignés par une solution interstitielle basique. Dans le béton armé, le pH élevé de la pâte protège normalement les armatures de la corrosion : c’est le phénomène de passivation. Après hydratation avec l’eau, les hydrates comprennent : Les silicates de calcium hydratés (C-S-H), les aluminates hydratés, la chaux hydratée (portlandite), de l’eau adsorbée sur certains cristaux et des impuretés.  Les C-S-H : occupent entre 50% et 60% du volume solide d’une pâte de ciment complètement hydratée. Le C-S-H est un gel solide qui a les propriétés d’un corps solide. Le pH de la solution interstitielle contenant les C-S-H est très alcalin (voisin de 13). À des pH plus faibles, il peut y avoir lixiviation alors des transformations peuvent augmenter leur porosité et diminuer les propriétés mécaniques.  La chaux hydratée (CH ou portlandite) : occupe de 20 à 25% du volume des solides de la pâte de ciment complètement hydratée. Dans la pâte de ciment hydraté, elle devient instable (lixiviation) lorsque le pH devient inférieur à environ 12,5. Elle participe peu au développement de la résistance du béton.  Les aluminates hydratés : Ils occupent de 15 à 20 % du volume solide de la pâte de ciment hydraté. On les retrouve généralement sous deux formes Ettringite ou Monosulfoaluminates. La pâte de ciment hydraté est formée par :  Les hydrates  Des grains de ciment non hydraté
 Des espaces capillaires  Des bulles d’air On y retrouve après hydratation (fig. 3) :  Des grains de ciment (10 à 80 µm au départ) partiellement hydratés et recouverts d’une couche d’hydrates.  Des capillaires remplis ou partiellement remplis d’eau  Des hydrates  Les pores de gel ne sont pas représentés (trop petits) et les bulles d’air sont trop grandes pour apparaître sur la figure au dessous.

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