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ALEXANDER PISCHBLANDINE ALBERT Octobre 2009

ALEXANDER PISCHBLANDINE ALBERT Octobre 2009D

R MediathequeLafarge

Formation « Ciment »Formation « Ciment »

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SOMMAIRE

� Principes de l’hydratation du ciment� Les différents types de ciment (normes). � Chiffres-clés du ciment. � Historique du béton� Fabrication du béton prêt à l’emploi� Produits spéciaux issus de la recherche

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1. Le Ciment Portland : un liant hydraulique

� Définition :CIMENT [simã] . n.m. (fin XIIIe ; lat. caementum "pierre

naturelle"). Le ciment est un liant hydraulique, une matière inorganique finement moulue qui, gâchée avec de l’eau, forme une pâte qui fait prise et durcit en réaction au processus d’hydratation. Après durcissement, cette pâte conserve sa résistance et sa stabilité, même sous l’eau. Le ciment est un constituant de base du béton.

Le ciment hydraté constitue un liant entre des gravillons(dans les bétons), entre des blocs (mortiers de pose de blocs béton, mortier-colle de carrelages…).

Un « bon » matériau cimentaire :Des constituants, un dosage et une mise en œuvre appropriés. Tout un métier…

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R=ãã

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Prise et durcissement

� On passe d’une suspension à un matériau durci ( « pierre liquide »).

Structure

Suspension concentrée de grains de ciment anhydre et de granulats.

Propriétés

Propriétés rhéologiques : Maniabilité, coulabilité.BBééton ton

«« fraisfrais »»

BBééton ton «« durcidurci »»

Matériau « dur ». Matériau poreux (matrice solide + solution interstitielle + phase gazeuse).

Propriétés mécaniques+ d’autres (durée de vie, esthétique…)

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Terminologie

� Raidissement : le matériau frais perd de sa consistance plastique et devient moins maniable (« ça tire »).

� Prise : Solidification de la pâte. • Début de prise : début de solidification (la pâte n’est plus maniable). • Fin de prise :

Solidification finale.

� Durcissement :

• Acquisition des résistances mécaniques.

COMMENT SCOMMENT S’’OPERE CE PASSAGE ? OPERE CE PASSAGE ?

Tem

ps

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Composition typique d’un ciment Portland

� Composition typique d’un ciment :

(%)

Mas

sique

Sulfates

d’alcalins.

C3S C4AF MgOC3AgypsumC2S

0

10

20

30

40

50

60

70

Chaux

libre

Phases réactives en présence d’eau.

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Principe d’hydratation selon Le Chatelier

L'hydratation du ciment commence dès le gâchage, c'est-à-dire lorsque le ciment anhydre est mis en contact avec de l'eau. Le principe général de l'hydratation du ciment a été énoncépar Le Chatelier. Ce principe est le suivant :

� Dissolution des phases anhydres du clinker L'eau de gâchage est sous-saturée vis-à-vis des phases anhydres du clinker, qui se dissolvent.

� Obtention d'une solution sursaturée vis-à-vis de phases hydratéesAvec la dissolution des composés anhydres, l'eau de gâchage devient riche en calcium, silicium, sulfates, aluminium et alcalins. Le seuil de saturation de phases hydratées est atteint.

� Précipitation de phases hydratées.

Photo Le Chatelier.

Henry LE CHATELIER (1850-1936)

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Réactions de dissolution/précipitation.

�La suspension EAU+CIMENT se trouve fortement sous-saturée par rapport aux phases anhydres du clinker, qui vont se dissoudre. �La solution va ensuite devenir saturée, voire sur-saturée par rapport aux d’autres phases, des hydrates.

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Réactions d’hydratation des silicates

H2OC3S

+ 5.3 C1.7-S-H4 + 1.3 Ca(OH)2

C2S+ 4.3 C1.7-S-H4H

2O + 0.3 Ca(OH)2

« C-S-H » Portlandite

« C-S-H » Portlandite

10

+ 18 H2OC3A + Ca(OH)2

C4AHn

Problèmes :-Prise « flash » (raidissement vers 15 mn)� Problème de maniabilité. -Les produits d’hydratation précipitent sur des silicates de calcium (C3S, C2S) et les empêchent de s’hydrater.

Réactions d’hydratation des silicates

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Hydratation des aluminates en présence de sulfate de calcium

C3A

Eau

clinker

Gypse

Ca2+ SO42-

Ca2+ Al(OH)4-

En présence d’eau, dissolution superficielle du C3A et du gypse. Précipitation d’ettringiteà la surface des grains de clinker. � Nouveau schéma réactionnel.

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Hydratation des aluminates en présence de sulfate de calcium

+ 26 H2OC3A +3 CaSO4.2H2O

C6AS3H32

EttringiteTrisulfo-aluminate de calcium

A l’épuisement de la source de sulfate de calcium, le C3A résiduel réagit avec l’ettringiteformée pour former du monosulfoaluminate de calcium :

C6AS3H32 + 2 C3A → 3 C4ASH12

Monosulfoaluminatede calcium

HYDRATATION DE C4AF : même schéma avec Fe ayant le même comportement que Al.

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Enchaînement des étapes

Pâte de ciment à e/c voisin de 0.4

Le caractère polyphasique des grains de ciment entraînede nombreuses possibilités d ’interactions physique et chimique

t = 0

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Pâte de ciment à e/c voisin de 0.4 ( t = 1 heure )

Enchaînement des étapes

Mouillage :

Hydratation superficielle instantanée des particules lorsqu’elles entrent en contact avec l’eau

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Pâte de ciment à e/c voisin de 0.4 ( t = 2 heures )

La formation d ’aiguilles enchevêtrées (ettringite, gypse) peut produire un raidissement de la pâte

Enchaînement des étapes

Période d’induction des silicates : - Ca en solution augmente

progressivement - Formation d’une couche de CSH en surface des grains (tendance des hydrates à précipiter dans les zones de concentration maximum autour des granules de ciment et non dans le volume de la solution où les concentrations ioniques sont inférieures et uniformes).

Réaction du C3A avec l’eau et le sulfate de calcium pour former de l’ettringite.

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Pâte de ciment à e/c voisin de 0.4 ( t = 5 heures )

La percolation des contacts assurés par les différents hydrates donnela signification physique de la prise

Enchaînement des étapes

Fin de la période dormante avec la précipitation de laportlandite qui joue le rolede « gâchette » de la prise

� Période d’accélération des silicates.

Poursuite formation d’ettringite.

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Pâte de ciment à e/c voisin de 0.4 ( t = 24 heures )

La fin de connexion des grains se traduit par la stabilisation du coefficient de Poissonet une augmentation moins forte du module de cisaillement G ’

Enchaînement des étapesDurcissement. La porosité se remplit progressivement de CSH, Les résistances se développentLe flux de chaleur diminueLa vitesse de dissolution diminue rapidement à cause de la formation des hydrates et de la modification conséquente des gradients de concentration.

Les dimensions des capillaires contenant l’eau diminuent L’eau a plus de difficulté à traverser l’épaisseur des produits hydratés pour atteindre les surfaces anhydres du clinker.

Les sulfates sont épuisés �conversion de l’ettringite en Monosulfoaluminate.

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Passage suspension / pâte durcie

Percolation des liaisons entre particules���� Module d’Young croissant.

Les amas

connectés

sont de plusen plus gros

Les amas nonconnectés

sont de plus

en plus petits

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Cinétique globale

AirSolution interstitielle (« jus »)Très basique (pH à 13 environ).

Hydrates

Ciment anhydre résiduel

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Origine de la cohésion ?

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Phases à l’origine de ces forces : les « mystérieux » C-S-H

� Groupe de phases qui a donné (et donne toujours) l’occasion de grands débats…

� Est-ce un cristal ? Ou un gel ?Faible signal en DRX � nanocristaux (arrangement sur quelques

nm). � Quelle est sa composition ?Rapport Ca/Si variable, selon la composition en Ca de la solution

interstitielle ; peut intégrer d’autres éléments (Al, Fe). � Quelle est sa structure ?Démystifiée vers 1995 grâce à des mesures de RMN du solide

(29Si).

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Phases à l’origine de ces forces : les « mystérieux » C-S-H

Structure modèle : Tobermorite 11Å

(minéral naturel)CSH

Variation du rapport C/S via la variation des chaînes

de silicates.

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2. Différents types de ciment

� Le ciment évoqué dans ses cours : CEM I = 95% de clinker + 5%Autres (hors gypse).

� Il existe d’autres ciments dits composés : Clinker + autre

constituant.

� Norme européenne :

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Les constituants des ciments

Propriétés hydrauliques.

Propriétés hydrauliqueslatentes.

Propriétés pouzzolaniques : faculté de former à température ordinaire,en présence d’eau, par combinaison avec la chaux,des composés hydratés, stables (CSH, + sulfoaluminates de calcium hydratés).

Améliorent certaines qualités du ciment (accroissement de la maniabilité, diminution du ressuage, teinte, etc…).

Propriétés hydrauliques.

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Classes mécaniques des ciments

� Exemples :

CEM I 52.5 RCEM II/A-LL 42.5 NCEM III/B-V 32.5 R

Résistances garanties sur mortier normalisé

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D’autres ciments, hors EN 197.1

Le ciment prompt naturel (CNP) NF P 15-314Le ciment prompt naturel, à prise et durcissementrapides, résulte de la cuisson à température modérée,d’un calcaire argileux de composition régulière,extrait de bancs homogènes, suivie d’unbroyage très fin.Le ciment prompt naturel est caractérisé par la présencede silicates de calcium, essentiellement sousforme de silicate bicalcique actif, d’aluminate decalcium riche en alumine et de sulfo-aluminatede calcium qui est une spécificité du produit.

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D’autres ciments, hors EN 197.1

Le ciment alumineux fondu (CA) NF P 15-315 (encours de remplacement par NF EN 14647 ciments d’aluminates de calcium)

Le ciment alumineux fondu (ou ciments d’aluminatesde calcium) est un liant hydraulique qui résultede la mouture, après cuisson jusqu’à la fusion, d’unmélange composé principalement d’alumine, dechaux, d’oxydes de fer et de silice, dans des proportionstelles que le ciment obtenu renferme unemasse d’alumine n’excédant pas 30 % de la massede ciment.

Sa découverte : Début 1900, Jules Bied, directeur du laboratoire de la société Pavin de Lafarge, découvre le Ciment Fondu©, fabriqué à partir de calcaire et de bauxite, alors qu'il était à la recherche d'un liant hydraulique qui ne soit attaqué ni par l'eau de mer ni par les eaux sulfatées.

+ Liants géotechniques NF P 15-308. Composés essentiellement de laitier et de clinker ; permettent de valoriser des sols en modifiant leurs caractéristiques géotechniques.

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3. Chiffres-clés / Monde

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Chiffres-clés / France

Cimenteries+ stations de broyage

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Chiffres-clés / France

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Chiffres-clés / France

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4. HISTORIQUE DU BETON

http://www.lafarge.fr

34http://www.lafarge.fr

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5. Domaines d’utilisation du ciment : bétons, etc…

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Propriétés désirées des bétons

� OUVRABILITÉ� RÉSISTANCES MÉCANIQUES� DURABILITÉ

Composition Volumique :

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OUVRABILITÉ

� Liée au volume de pâte.

� Peut être modifiée par des adjuvants type plastifiant, superplastifiant.

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OUVRABILITÉ

� Le malaxage entraîne un cisaillement local important au sein de la pâte (action des granulats sur la pâte) � Dispersion des fines.

+ L’usage de molécules organiques appelées plastifiant ou superplastifiant permet d’augmenter la défloculation (dispersant polyélectrolyte).

Particule de ciment

Molécules de

superplastifiantadsorbées.

Exemple de POE utilisé comme superplastifiant :

Mécanismes:

R. FlattVIDEO

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RESISTANCES MÉCANIQUES

� Le béton est un matériau est performant en compression, moins en traction.

� Les bétons sont vendus avec des résistances en compression garanties.

� Paramètre influençant la résistance en compression d’un béton : rapport Eau /Ciment (qui conditionne la porosité) et la résistance propre du ciment.

� Un modèle, la formule de Bolomey :

Rcdu béton à 28 jours.

Coeff lié auxgranulats

Résistance du ciment utilisé, mesurée sur mortier normalisé à 28j.

Masse de ciment(kg/m3)

Volume d’air et d’eau (l/m3)

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OPTIMISATION DE L’EMPILEMENT GRANULAIRE –Effet sur la rhéologie et les résistances mécaniques

� Un levier d’optimisation en formulation qui a permis d’élaborer des bétons à hautes performances : l’optimisation de l’empilement granulaire.

VIDEO

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DURABILITÉ

� Des résistances, oui, mais pour combien de temps ?

� Risque d’endommagement des bétons (hors armatures) :

� Dégradation mécanique : abrasion, fatigue. � Attaque externe : pénétration dans le béton d’agents « agressifs »

qui réagissent avec les phases du ciment hydraté �

déstabilisation de l’assemblages d’hydrates � Chute des résistances.

� Cycles de gel/dégel en présence ou pas de sels de déverglaçage. � Attaque interne : modification de l’assemblage d’hydrates du fait de

réactions internes (RSI, réactions alcali-granulats, réactions avec des sulfates venant des granulats).

� Risque d’endommagement des armatures métalliques, qui ne jouent plus leur rôle.

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ATTAQUES CHIMIQUES

� Déstabilisation de l’assemblage d’hydrates � Déstructuration des bétons.

� Exemple : attaque sulfatique externe.

Béton immergé dans une eau riche en ions sulfates (SO4

2-).

Le monosulfoaluminate de calcium et les grains de C3A résiduels réagissent avec les sulfates pour former des cristauxd’ettringite � Expansion � Fissuration.

Il faut recourir à un type de ciment spécifique pauvre en C3A, et avoir une microstructure dense (rapport Eau/Ciment faible). Cf. Normalisation du pays.

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ATTAQUES CHIMIQUES

� Attaque par des solutions acides. � Exemple d’un tuyau en béton pour eaux usées (présence

de H2S) :

Il faut recourir à un type de ciment résistant aux attaques chimiques (ciment au laitier, ciment alumineux) et avoir une microstructure dense (rapport Eau/Ciment faible). Cf. Normalisation du pays.

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ATTAQUE PAR L’EAU DE MER

Il faut recourir à un type de ciment spécifique (« PM ») et avoir une microstructure dense (rapport Eau/Ciment faible). Cf. Normalisation du pays.

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ALCALI-RÉACTION

� Si utilisation de granulats siliceux mal cristallisés, qui sont réactifs en milieu basique.

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ALCALI-RÉACTION

Formation d’un gel de silice riche en alcalins à caractère expansif� Fissuration des bétons.

Prévention :Caractérisation des granulats. Formule de béton à bilan d’alcalins faible. Possibilité de pratiquer un test dit de performance accéléré.

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CYCLES DE GEL/DEGEL

Recours à un entraîneur d’air pour obtenir un réseau de bulles d’air. + Rc élevées (35MPa mini)+ Ciment « PM »si sels de déverglaçage.

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� En milieu basique, les armatures sont dites « passives » (formation d’une couche d’oxyde protectrice Fe(OH)2 et Fe3O4).

� Si baisse du pH (<10) ou pénétration de chlorures, formation d’un autre type d’oxydes (« rouille » commune), qui a une densité différente �Expansion � Fissuration du béton.

CORROSION DES ARMATURES

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CORROSION D’ARMATURES

� Corrosion due à la carbonatation :

Exté

rieu

rC

O2

(0,0

3 %

-1 %

)

- Expansion

- ↓↓↓↓ section effective

- Coulée de rouille

M. Thiery.

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CORROSION D’ARMATURES

� Corrosion due à la carbonatation (suite) :

pH<9

Progression carbonatation

XC

pH>9

Utilisation de phénolphtaléine comme indicateur de basicité.

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CORROSION D’ARMATURES

� Corrosion par les chlorures : • Milieu côtier, ouvrages en contact avec des sels de déverglaçage.

Au lieu de Fe(OH)2 et Fe3O4 (couche protectrice)=> formation de FeCl2 et FeCl3 solubles

=> pas de passivation=> corrosion

Dans le temps, ces chlorures de fer donnent du Fe2O3 et Fe(OH)3 (rouille) et du CaCl2 (avec le Ca du béton).

Zone d’embruns Zone de marnage

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CHIFFRES-CLES

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CHIFFRES-CLES

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PROCESSUS DE FABRICATION

BPE : Béton Prêt à l’Emploi. Fabrication en centrale à béton.

Stockage des matières premières (ciment, granulats, Adjuvants). Pesée, Malaxage.

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Mise en place sur chantier

Cement Plant

Quarry of aggregates

Ready-Mix PlantPrecast

Steel or wood formwork

Curing time.

If strength ok,

Protection from dessiccation.

Facility to settle down fresh concrete made with these new bonders ?Risk of defaults (holes), bleeding (segregation)…

Vibration.

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6. ASPECT NORMATIF

P. GUIRAUD

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EN 206.1

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EN 206.1 / Exemple de classe d’exposition XC (risque de corrosion due à la carbonatation du béton)

�Les classes d’exposition conditionnent la teneur en liant (valeur mini), le rapport Eau / Liant (valeur maxi), le type de ciment et d’additions.

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7. INNOVATIONS

� Ciment alumineux – 1908� …� BHP (Rc > 60MPa) – Années 90� BFUP – Vers 2000. � BAP – Bétons autoplaçants (Agilia). 2000 en France. � Ciment sans poussière (Sensium). 2006.� Bétons à décoffrage rapide (Chronolia) 2007� Bétons de dallage de grande surface (Extensia) 2007

� A venir fin 2009 : Bétons isolants.

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BFUP

� Produit Lafarge Ductal®

Ductal® est un béton :– ultra-hautes performances : sa résistance est 6 à 8

fois supérieure à celle d'un béton traditionnel, – fibré : il contient des fibres métalliques qui le rendent

ductile. Résistant à la flexion, il peut subir d'importantes transformations (pression ou dilatation par exemple) sans se rompre,

– résistant aux agressions extérieures comme l'abrasion, la pollution, les intempéries ou les éraflures.

Passerelle piétons de Séoul.

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BAP

� Béton autoplaçant (B.A.P.) et autonivelant(B.A.N.). Très fluide, ils s'étalent sans efforts.

� Un BAN est rapide à mettre en œuvre, il assure un fini parfait, très esthétique.

– Il améliore considérablement les conditions de travail sur un chantier.

– Grâce à sa fluidité, il ne nécessite pas l'étape de vibration, une étape pénible. Le confort des ouvriers s'en trouve donc accru.

– Il diminue les nuisances liées au bruit d'un chantier, pour les ouvriers et les riverains.

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Autres

� Vidéos Chronolia ™, Extensia