MATÉRIAUX I Béton de ciment...Finesse de mouture (finesse des particules) : •Indice de la...

TCH-025

MODULE 2: BÉTON DE CIMENT

Jean Harrison, ing., M.Sc.A.

PLAN DE LA PRÉSENTATION

2.1 Introduction

2.2 Ciment Portland

2.3 Adjuvants

2.4 Ajouts cimentaires

2.5 Propriétés béton frais

2.6 Propriétés béton durci

2.7 Dosage des mélanges

2.8 Étapes d’un projet

• « Matériau mixte composé essentiellement d'un

mélange de liant et d'eau auquel on ajoute des

granulats fins et des gros granulats… (BNQ)»

• «Ciment portland avec ou sans ajouts cimentaires.»

Qu’est ce qu’un béton de ciment?

Qu’est ce qu’un liant?

Béton = Granulats + Ciment + eau

2.1 - INTRODUCTION

2.1 - INTRODUCTION

2.1 - INTRODUCTION

Granulats fins

Sable naturel ou manufacturé

≤ 5 mm

Représente de 35% à 45% de la masse ou volume

total des granulats

2.1 - INTRODUCTION

Gros granulats

Gravier ou pierre concassée

> 5 mm

Dimension maximale: généralement entre 10 et 40

mm

2.1 - INTRODUCTION

Réactivité alcalis-granulats (RAG)

Certains constituants contenus dans les granulats

peuvent réagir avec les hydroxyde de calcium alcalins

présents dans le béton

2.1 - INTRODUCTION

Réactivité alcalis-granulats (RAG)

Réaction alcalis-silice (RAS)

Réaction alcalis-carbonate (RAC)

La résistance en compression est directement reliée au rapport E/C (eau/ciment)

La résistance en compression du béton dépend de la qualité de la pâte de ciment (colle).

Si la pâte de ciment est diluée la colle sera moins forte et la résistance en compression plus faible.

E/C f ’c

Résistance en compression (f’c)

2.1 - INTRODUCTION

Résistance en compression (f’c)

2.1 - INTRODUCTION

2.1 - INTRODUCTION

Sur quels paramètres se base-t-on pour choisir

un mélange de béton?

Béton frais

Maniabilité

Contraintes de mise en place (espace, température, etc.)

Béton durci

Résistance mécanique en compression (court et long terme)

Résistance au gel

Résistance chimique

2.2 Ciment Portland

Les débuts de l’industrie

• Le ciment Portland a été breveté par Joseph

Aspdin, un maçon anglais en 1824.

• Nommé ciment Portland car une fois pris, le

béton avait la couleur de la pierre naturelle

extraite des carrières de calcaire de l’île de

Portland dans la Manche.

• Premières cimenteries:

USA – 1871 - Coplay, Pennsylvanie

Canada – 1889 – Hull, Québec

2.2 Ciment Portland

Fabrication d’un Ciment Portland?

«Liant hydraulique composé principalement

de silicates de calcium hydrauliques qui

fait prise et durcit en vertu d'une réaction

chimique à l'eau appelée hydratation

https://youtu.be/tkf-ma_BgOw?t=20

PRODUCTION DU CIMENT

Calcaire

Silice

Alumine

Fer

Clinker

Gypse

Ciment

2.2 Ciment Portland

Qu’est ce que le clinker ?

Produit obtenu à la sortie du four de la

cimenterie (Température variant entre 1450 et

1650 °C.

Constituants de base du ciment:

• Calcaire

• Silice

• Alumine

• Fer

2.2 Ciment Portland

Le ciment portland est obtenu en ajoutant

du gypse au clinker pulvérisé

Clinker Gypse

2.2 Ciment Portland

Phases cristallines du clinker

•Le silicate tricalcique3CaO.SiO2 (C3S) (50-70% du clinker).

•Le silicate bicalcique2CaO.SiO2 (C2S) (10-30% du clinker).

•L’aluminate tricalcique3CaO.Al.O3 (C3A) (2-15% du clinker).

•L’alumino-ferrite tétracalcique4CaOAl2O3.Fe2O3 (C4AF) (5-15% du clinker).

2.2 Ciment Portland

Constituants secondaires?

Le clinker contient également, en faibles quantités,

• des alcalis (Na2O, K2O),

• de la magnésie (MgO),

• diverses traces de métaux.

La teneur en ALCALIS et magnésie doit rester

faible, car ces matières peuvent influencer

défavorablement la stabilité du ciment durci.

2.2 Ciment Portland

Hydratation des phases cristallines du clinker

•Le silicate tricalcique (C3S) - Développement des résistances à court terme

- Grand dégagement de chaleur d’hydratation

•Le silicate bicalcique (C2S)- Développementdes résistances à long terme

- Faible dégagement de chaleur d’hydratation

•L’aluminate tricalcique (C3A)- Prise initiale

- Très grand dégagement de chaleur d’hydratation

- Faible résistance aux sulfates

•L’alumino-ferrite tétracalcique (C4AF) - Couleur du ciment

❑Les différents ciments

• TYPE GU (10) Ciment normal, 70% des cas

• TYPE MH (20) Ciment à chaleur d’hydratation modérée

TYPE MS (20) Ciment à résistance modérée aux sulfates

• TYPE HE (30) Ciment à haute résistance initiale

• TYPE LH (40) Ciment à faible chaleur d’hydratation

• TYPE HS (50) Ciment résistant aux sulfates

2.2 Ciment Portland

2.2 Ciment Portland

Ciment de type GU (General Use)

Le ciment type GU est destiné pour les

bétons courant. Il convient à tous les usages

pour lesquels les propriétés des autres

ciments ne sont pas nécessaires. On l’utilise

dans les bétons qui ne sont pas exposés aux

attaques des sulfates du sol ou de d’eau, pas

de danger dû à l’élévation de la température

d’hydratation. Il est couramment utilisé dans

les chaussées, trottoirs, planchers, bâtiments

en béton armé, pipes, réservoirs, ponceaux,

…

2.2 Ciment Portland

Ciment de type MS (Moderate Sulfate)

Le ciment type MS est employé lorsque

des précautions contre une attaque

modérée aux sulfates est requise: cas

dans les structures de drainage où les

concentrations en sulfate du sol et des

eaux souterraines sont modérément

élevées.

2.2 Ciment Portland

Ciment de type MH (Moderate Heat)

Le type MH est un ciment à chaleur

d’hydratation modérée. L’utilisateur de

ce type de ciment doit préciser les

caractéristiques de chaleur maximales

à ne pas dépasser. Le type MH est

généralement destiné pour des

éléments massifs en béton: cas de

piliers et culées de pont, murs de

soutènement épais.

2.2 Ciment Portland

Ciment de type HE (High Early)

Le ciment de type HE est un ciment à

résistance initiale élevée. Généralement des

hautes résistances sont obtenues à moins

d’une semaine. Il est utilisé dans des

structures qui sont mis en service le plus vite

possible et qui, donc, nécessitent un

décoffrage rapide. Aussi, il peut être utilisé par

temps froid pour réduire le temps de

maturation.

2.2 Ciment Portland

Ciment de type LH (Light Heat)

Le ciment type LH est à faible chaleur

d’hydratation. C’est un ciment qui s’hydrate

lentement et qui développe des résistances d’une

manière plus lente comparé au type GU. Il est

généralement utilisé dans des bétons de masse:

cas de barrage où l’accroissement de la

température d’hydratation peut occasionner des

dégats.

2.2 Ciment Portland

Ciment de type HS (High Sulfate)

On a recours à ce type de ciment lorsque le

béton est exposé de façon intense aux

sulfates à l’exemple des sols et des eaux

souterraines ayant la teneur en sulfate très

élevée. Sa résistance s’accroit plus

lentement que celle du type GU.

2.2 Ciment Portland

Phases cristalllines

•Type de

cimentDescription

Composition (%)

C3S C2S C3A C4AF

10 Normal 49 25 11 8

20 Modéré 44 31 5 13

30 HRI 58 14 11 8

40 FCH 28 46 5 13

50 RS 41 38 4 10

2.2 Ciment Portland

Propriétés des ciments

• Finesse de mouture (finesse des particules) :

•Indice de la réactivité du ciment

•Finesse Blaine

Type GU : 300 m² / kg

Type MH : 270 m² / kg, + gros : moins de chaleur

Type HE : 500 m² / kg, + fin : réagit plus vite

•Temps de prise

•Délais entre le malaxage et la prise (3 à 6 heures)

2.2 Ciment Portland

Propriétés des ciments

• Résistance à la compression

•Mesurée sur cubes de mortier normalisés

• Chaleur d’hydratation

•Chaleur libérée lors de l’hydratation

• Densité relative

•3,15 dans la plupart des cas

2.2 Ciment PortlandHydratation du ciment

L’hydratation du ciment est une série de réactions

chimiques entre le ciment et l’eau.

Durant la phase d’hydratation, le mélange ciment – eau

forme une pâte qui durcie en liant les granulats

ensemble pour former une masse solide.

L’hydratation du ciment est l’étape primordiale dans

le développement des résistances des bétons.

2.2 Ciment Portland

Hydratation du ciment

Les 72 heures suivant le malaxage sont les heures les

plus critiques. Durant cette période, le béton peut

atteindre jusqu’à 50 % et plus de sa résistance

souhaitée.

Durant cette période, le béton est très susceptible aux

différentes contraintes extérieures. Ces contraintes

pourraient engendrer la fissuration du béton car ce

dernier n’a pas atteint sa pleine résistance.

2.2 Ciment Portland

CHALEUR D’HYDRATATION

2.3 Adjuvants

Définitions

Constituant autre que l'eau, les granulats, les liants et

les fibres, ajouté au mélange immédiatement avant ou

pendant le malaxage, afin d'en modifier les

caractéristiques et les comportements usuels.

En petite quantité……. Maximum 2% en

masse

2.3 Adjuvants

Diminuer le coût des constructions en béton

Donner au béton certaines caractéristiques plus efficacement que par d’autres moyens

Assurer la qualité du béton durant le malaxage, le transport, la mise en place et la cure dans des conditions météorologiques défavorables

Palier à certaines urgences durant le bétonnage

2.3 Adjuvants

Avantages

➢ Améliorer la maniabilité ou la consistance

➢ Améliorer la durabilité

➢ Réduire la teneur en eau

➢ Accélérer la prise ou le durcissement

➢ Retarder la prise ou le durcissement

➢ Améliorer l’imperméabilité

➢ Améliorer la résistance à l’abrasion

➢ Diminuer la chaleur d’hydratation

➢ …..

2.3 Adjuvants

Entraineurs d’air : provoquent le

développement d'un réseau de bulles d'air

microscopiques dans le béton ou le mortier au

cours du malaxage ce qui permet de résister aux

cycles de gel et de dégel

Réducteurs d’eau : permettent d’augmenter

l’affaissement d’un béton sans avoir à

augmenter la teneur en eau ou permettent

d’augmenter la résistance en compression

du béton en réduisant le rapport E/C sans

compromettre la maniabilité du béton.

2.3 Adjuvants

Retardateur de prise : permettent d’allonger

le temps où le béton reste plastique et

maniable ce qui permet de compléter sa mise en

place.

Accélérateur de prise : permettent d’accélérer

le développement des résistances en

compression ce qui permet d’augmenter la

vitesse de murissement, décoffrer plus vite,

accélérer la mise en service, ...

2.3 Adjuvants

Superplastifiants: réducteur d’eau à haute

efficacité. Permettent d’obtenir des bétons

fluidifiés à affaissement élevé (>190 mm) ou des

bétons à très haute résistance.

2.4 Ajouts cimentaires

Poudres minérales, calciques, siliceuses ou silico-

alumineuses qui utilisées en ajout ou en

substitution partielle du ciment, améliorent les

propriétés des bétons frais et durcis.

De gauche à droite :

• Cendres volantes (classe C),

• Métakaolin (argile calcinée),

• Fumée de silice,

• Cendres volantes (classe F),

• Laitier

• Schiste calciné

2.4 Ajouts cimentaires

Provenance des ajouts cimentaires

Cendres volantes: Centrales thermiques au charbon

Laitiers: Industrie sidérurgique (hauts fourneaux)

Fumées de silice: Industrie du silicium et ferro-silicium

Pouzzolanes naturelles: Argiles et schistes calcinés, etc…

2.4 Ajouts cimentaires

Proportions des ajouts cimentaires dans les bétons

1. Cendres volantes

▪ Classe C 15% à 40%

▪ Classe F 15% à 25%

2. Laitier 30% à 45%

3. Fumée de silice 5% à 10%

4. Les pouzzolanes naturelles

▪ Argile calcinée 15% à 35%

▪ Métakaolin 10% à 20 %

▪ Schiste calciné 15% à 35%

EFFETS DES AJOUTS CIMENTAIRES

SUR LE BÉTON PLASTIQUE

Réduction Non / peu d'effet

Cendres

volantesLaitier

Fumée

silice

Pouzzolanes

Naturellesaugmenté Varies

Besoins en eau

Ouvrabilité

Ségrégation et ressuage

Teneur en air

Chaleur d’hydratation

Temps de prise

Finition

Pompabilité

Retrait plastique

EFFETS DES AJOUTS CIMENTAIRES SUR LE BÉTON DURCI

Réduction Non / peu

d'effet Cendres

volantesLaitier

Fumée

silice

Pouzzolanes

Naturellesaugmenté Varies

Résistance

Résistance à l’impact et à l’abrasion

Résistance aux cycles de gel-dégel

Résistance aux agents de déglaçage

Perméabilité

Réaction alcali-granulat

Résistance à l’attaque des sulfates

Carbonatation

Couleur du béton

2.5 Propriétés du béton frais

Délais pour la mise en place: selon le type

de mélange, il faut s’assurer que les réactions

d’hydratation entamées ne nuisent pas à la

mise en place et la qualité du béton

(maximum de 2h selon la CSA).

Maniabilité (mise en œuvre) mesurée avec

l’essai d’affaissement

2.5 Propriétés du béton frais

Teneur en air (si requis): fonction des conditions

d’exposition et de la dimension des gros granulats

Teneur en air recommandée selon la catégorie d’exposition au gel-dégel

Catégorie Teneur en air (en %)

Granulats de

grosseur

maximale 10

Granulats de

grosseur

maximale 14 à 20

Granulats de

grosseur

maximale 28 à

40

1 si gel-dégel 6-9 5-8 4-7

2 autrement 5-8 4-7 3-6

2.5 Propriétés du béton frais

Condition d’exposition et E/C

Température du béton frais : indicateur de

l’hydratation

Critères pour le bétonClasse

d’exposition

Rapport E/C

Maximum

Résistance

spécifiée minimale

à 28 jours en MPa

Catégorie de teneur

en air

C-1

C-2

C-3

C-4

F-1

F-2

N

0,40

0,45

0,50

0,55

0,50

0,55

Selon les besoins

structuraux

35

32

30

25

30

25

Selon les besoins

structuraux

1

1

2

2

1

2

Aucune exigence

2.5 Propriétés du béton frais

• Masse d’un mètre cube de béton. On pèse la

masse d’un volume connu de béton

Masse volumique

• La masse volumique doit se situer entre 2150 et

2550 kg/m3

RÉSUMÉ DES PROPRIÉTÉS DU BÉTON FRAIS

Propriété Type de béton Valeurs

Maniabilité Béton raide

Béton moyen

Béton fluide

Affaissement < 50 mm

50mm < Affaissement < 100

Affaissement > 100 mm

Teneur en air Béton normal

Béton à air entraîné

0,5 à 3% d’air emprisonné

3 à 10% d’air entraîné

Masse volumique Béton léger isolant

Béton léger structural

Béton normal

Béton lourd

400 à 1400 kg/m3

1400 à 1850 kg/m3

1850 à 2550 kg/m3

2750 à 6400 kg/m3

2.5 Propriétés du béton frais

Ségrégation : séparation des différents

composants

Ressuage : remontée d’eau à la surface du

béton

Autres indicateurs visuels

Consolidation : augmenter la compacité et

réduire les vides ce qui entraine une bonne

résistance et durabilité

2.5 Propriétés du béton frais

Consolidation du béton frais

2.5 ESSAIS DE CONTRÔLE DE LA QUALITÉ

SUR LE BÉTON FRAIS

Essai d’affaissement

Source : Association canadienne du ciment portland (2004)

2.5 ESSAIS DE CONTRÔLE DE LA QUALITÉ

SUR LE BÉTON FRAIS

Prise de température

Source : Association canadienne du ciment portland (2004)

2.5 ESSAIS DE CONTRÔLE DE LA QUALITÉ

SUR LE BÉTON FRAIS

Masse volumique

Source : Association canadienne du ciment portland (2004)

2.5 ESSAIS DE CONTRÔLE DE LA QUALITÉ

SUR LE BÉTON FRAIS

Teneur en air

Source : Association canadienne du ciment portland (2004)

2.6 Propriétés du béton durci

Charge appliquée (N) sur une unité de surface

mm2

La résistance en compression est exprimée en MPa

Elle est mesurée sur un échantillon cylindrique de

100 mm x 200 ou 150 x 300 mm

Résistance à la compression

Elle peut être mesuré à 3 jours, 7 jours, 21 jours, 28

jours, 56 jours…. Mais la valeur de référence est à 28

jours. La norme CSA recommande 3 échantillons

dont 1 à 7 jours et 2 à 28 jours…

2.6 ESSAIS DE CONTRÔLE DE LA QUALITÉ

SUR LE BÉTON DURCI

Essai de résistance en compression

3 cylindres

20 minutes après le prélèvement pour confectionner

les cylindres

Entreposage temporaire pour 24 h

Cure en chambre humide

1 essai à 7 jours

2 essais à 28 jours

2.7 DOSAGE DE BÉTON DE CIMENTS

EXIGENCES DE LA NORME CSA A23.1

Teneur en air: dépend de l’exposition au gel-dégel et de la grosseur maximale des granulats.

Rapport E/C maximum à utiliser selon la classe d’exposition.

Affaissements maximum et minimum recommandés

Grosseur maximale des granulats:

ne doit pas excéder :

un cinquième de l’espace entre les coffrages ;

trois quarts de l’espace entre les barres d’armatures ou entre le coffrage et les barres d’armatures ;

un tiers de l’épaisseur des dalles.

2.7 Dosage de béton de ciments

Il existe plusieurs méthodes de calcul d’un mélange.

Le dosage des bétons de ciment par la méthode des

volumes absolus (méthode ACI) est le plus utilisé

La méthode de dosage proposée par Ciment St-

Laurent CSL-1991 est une méthode simplifiée

dérivée de la méthode ACI

2.7 Dosage de béton de ciments

On vous demande de réaliser la conception, selon la méthode

CSL, d’un mélange de béton ayant les caractéristiques

suivantes:

Résistance à la compression f’c = 42 Mpa

Avec air entrainé (5% à 8%)

Caractéristiques des granulats qui seront utilisés:

Sable:

Densité sss=2,631

Teneur en eau= 3,3%

Absorption: 1,1%

Gros granulat:

Densité sss=2,742

Teneur en eau= 2,5%

Absorption: 0,7%

Ciment:

densité=3,14

2.7 Dosage de béton de ciments

2.6 –Dosage de béton de ciments

Réponse

Matériaux

utilisés

Volume

occupé

(L/m3)

Caractéristiques

des matériaux

Masse en

Kg/m3

(SSS)

Masse en

Kg/m3

À peser

eau 156,7 E/C=0,32 156,7 123,8

ciment 156 Densité=3,14 489,8 489,8

Gros

granulat

374 Densité sss=2,742;

abs=0,7%

humidité=1,8%

1025,5 1044,0

Granulat fin 248,3 Densité sss=2,631;

abs=1,1%

humidité=2,2%

653,3 667,7

Teneur en

air

65 6,5%

2325,3

Volume total 1000

2.8 ÉTAPES D’UN PROJET : TRANSPORT

« La norme CSA A23.1 limite à 2 heures le temps

entre le gâchage et la mise en place. »

2.8 ÉTAPES D’UN PROJET : CURE OU

MÛRISSEMENT

Le béton doit être maintenu dans des conditions

d’humidité et de température pour une période

de temps convenable immédiatement après la

mise en place et la finition afin que les propriétés

puissent se développer

Cure minimale: 3 jours

Cure pour conditions sévères d’exposition: 7 jours

2.8 ÉTAPES D’UN PROJET : CURE OU

MÛRISSEMENT

https://www.youtube.com/watch?v=mDEywgSP4xk

2.8 ÉTAPES D’UN PROJET : TYPES DE

JOINTS

Joint de désolidarisation

Joint de retrait

Joint de construction