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CHAPITRE 2

2.1. Introduction

2.2 Principe defabrication cimentportland

2.3 Constituantsprincipaux et additions.

2.4 Les principalescatgories de ciment.

2.5 Caractristiques duciment portland.

Expriences

Exercices

Glossaire

COURS EN LIGNE: MATRIAUX DE CONSTRUCTIONC HAPITRE 2: L ES CIMENTS

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2.5. Les caractristiques du cimentportland

2.5.1 La priseDs que le ciment anhydre a t mlang avec de leau, lhydratation commence et les propritsde la pte ainsi obtenue sont volutives dans le temps. Tant que cette hydratation nest pas tropavance la pte reste plus ou moins mallable, ce qui permet de lui faire pouser par moulage laforme dsire. Mais au bout dun certain temps, les cristaux dhydrayes prenant de plus en plusdimportance, le mlange a chang deviscosit et se raidit, on dit quil se fait priser.

fig 2.3: Dtermination du temps de dbut de prise

Le dbut de prise correspond au moment o l'on observe une augmentation de laviscosit , ouraidissement de la pte, ce qui, dans la pratique, se mesure au moyen de l'aiguille normalise(appareil de Vicat) et correspond au temps coul depuis le gchage de la pte jusqu'au moment ol'aiguille sarrte une distance (d = 4 mm 1 mm) du fond de lanneau de 40 mm de hauteur remplie de pte pure de ciment.De mme, la fin de prise correspond au moment o l'aiguille ne s'enfonce plus dans lanneau.

fig 2.4: Dtermination du temps de fin de prise

Le phnomne de prise du ciment est li de nombreux paramtres tels:la nature du ciment,la finesse de mouture du ciment; plus son broyage a t pouss, plus le temps de prise estcourt,la temprature; alors qu' zro degr la prise est stoppe, plus la temprature ambiante estleve plus la prise est rapide, pour un ciment donn le dbut de prise sera de 18 heures 2C, de 5 heures 10 C, de 3h 30 20 C et de 30 min 35 C (fig 2.5),la prsence de matires organiques dans l'eau ou dans l'un des autres constituants du btonqui ralenti la prise,l'excs d'eau de gchage qui a, entre autres inconvnients, une action retardatrice sur la prise(fig 2.7)

En fonction de leur classe de rsistance, les normes spcifient un temps de prise minimum qui est, la temprature de 20 C, de:1 h 30 pour les ciments de classes 35 et45.

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1 h pour les ciments des classes 55 et HP.Il est noter que pratiquement tous les ciments ont des temps de prise largement suprieurs cesvaleurs minimales, l'ordre de grandeur tant de 2 h 30 3 h pour la majorit des ciments.

fig 2.5: Evolution du temps de prise en fonction de la temprature

fig 2.6: Influence de la temprature sur la prise des ciments

fig 2.7: Influence du E/C sur le temps de prise

2.5.2 Le durcissementCest la priode qui suit la prise et pendant laquelle se poursuit lhydratation du ciment. Sa dure se prolonge pendant des mois au cours desquels les rsistances mcaniques continuent augmenter.Comme le phnomne de prise, ledurcissement est sensible la temprature, ce qui conduitnotamment en prfabrication, chauffer les pices pour lesquelles on dsire avoir des rsistancesleves au bout de quelques heures.Prise et durcissement des constituants du clinker :

Pour mieux comprendre les proprits des ciments portland, il est intressant dtudier commentragit en prsence deau chacun des constituants anhydres du ciment pris isolment.

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Tableau 2.5: Le comportement et le dgagement de chaleur des constituants du clinker

Le graphique ci-dessous montre le dveloppement des rsistances dans le temps des constituants purs du ciment portland.

fig 2.8: Le dveloppement des rsistances dans le temps des constituants purs du CP.

Dans une poudre de ciment portland en contact avec leau, laluminate tricalcique (C3A) ragit en premier, se dissous et se recristallise. Vient ensuite la raction dhydrolyse, de lalite-Silicatetricalcique (C3S) forme autour des grains une pellicule de gel et met en mme temps des ions Ca

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en solution. Lhydrolyse et la recristallisation de (C3A) sont rapides. Cette activit est si grandequil faut la retarder car elle conduirait des prises trop rapides et rendrait le liant inutilisable sur chantier.Evolution physico-chimique de la pte de ciment:

En gchant le ciment avec leau, on obtient une pte dans laquelle leau entoure chaque grain de

ciment en formant un rseau capillaire. Les composs anhydres du ciment sont alors attaqus ensurface par leau pour produire des composs hydrats. Dans le cas des silicates de calcium C3S etC2S, lachaux hydrate se dissout et il se dpose des cristaux de Ca(OH)2 en plaquettes hexagonesalors que les silicates de calcium hydrats forment un gel compos de fines aiguilles la surface duciment. Ces aiguilles se dveloppent en dimension et en nombre tout en rduisant les interstricescapillaires entre les grains. Quand les aiguilles entre les grains de ciment se rapprochent, la ptedevient plus raide. Cette rigidit est au dbut faible et peut encore tre facilement dtruitemcaniquement. Cest le dbut de la prise.Aprs quelques heures, les interstrices capillaires sont partiellement combles par le gel. La pte deciment acquiert une certaine rsistance. Cest ledurcissement qui commence. La rsistance

continue crotre mesure que le gel devient plus compact, dune part, parce quil y a unaccroissement de la cohsion entre les aiguilles et accroissement du feutrage des aiguilles, dautre part, parce quil se formerait des joints de soudure entre les aiguilles de tobermolite des diversgrains de ciment.

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Dans les ptes de ciment durcies, il reste de ce fait toujours des grains de ciment non hydrats.Lhydratation des grains de ciment continue non seulement des mois, mais des annes durant, pour autant que le gel soit entour d'eau, car le gel de tobermolite ne peut se former quen prsencedeau.

fig 2.9: L'volution physico-chimique de la pte de ciment

Quelques ractions chimiques importantes:

Les ractions dhydratation du ciment Portland sont trs complexes. Nous ne considrons que lesquelques-unes utiles connatre pour mieux comprendre les proprits des ciments portlands.

2.5.3 La finesse de mouture (finesse de Blaine )

Elle est caractrise par la surface spcifique des grains de ciment, exprime en (cm2

/g). Dans lescas courants, elle est de l'ordre de 3000 3500 cm2/g.Plus la finesse de mouture est grande, plus la vitesse des ractions d'hydratation est leve et plusces rsistances mcaniques un ge jeune sont grandes, par contre plus le ciment est sensible l'ventellement et plus leretrait est important. En outre, la finesse de mouture influence la plasticitet la cohsion de la pte de ciment l'tat frais, ainsi que son pouvoir de rtention d'eau et laressue.La surface massique de ciment tudi nest pas mesure directement, mais par comparaison avecun ciment de rfrence dont la surface massique est connue. Il sagit de faire passer un volumedair connu au travers dune poudre de ciment. Toutes choses tant gales par ailleurs, plus la

surface massique de cette poudre est importante et plus le temps t mis par lair pour traverser la poudre est longue: Dans les conditions normalises dcrites, la surface est proportionnelle .L'appareil utilis pour dterminer la finesse de mouture de ciment est appel Permabilimtre deBlaine. Cet appareil est schmatis sur fig 2.11. Il se compose pour lessentiel dune cellule dans

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laquelle est plac le ciment tester et dun manomtre constitu dun tube en verre en forme de Urempli, jusqu son repre infrieur (n 4) dune huile lgre. La cellule est quipe dune grille ensa partie infrieure. Un piston sert tasser le ciment dans la cellule sous un volume V dfini.

fig 2.10: Influence de la surface spcifique sur la rsistance la compression

fig 2.11: Principe de fonctionnement de permabilimtre de Blaine .

2.5.4 Le retraitLa pte de ciment se rtracte dans l'air sec (alors qu'au contraire elle gonfle dans l'eau), ce phnomne se poursuivant dans le temps et ceci pendant des dures d'autant plus longues que les pices sont massives. C'est leretrait qui est cause des fissures que l'on observe dans des pices en bton.En fait il existe plusieurs types deretrait:

Le retrait avant prise d essentiellement la perte prmature d'une partie de l'eau degchage par vaporation et dont l'amplitude est dix fois celle duretrait hydrauliqueclassique. Ceretrait qui provoque des contraintes de traction suprieures la rsistance du bton la traction, qui est alors pratiquement nulle, se traduit par l'apparition, la surface du bton encore plastique, de grosses crevasses peu profondes, pouvant tre refermes par talochage,le retrait hydraulique, qui dcoule d'une part de lacontraction Le Chatelier (le volume des

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hydrates est infrieur au volume des constituants de dpart) et d'autre part duretrait dedessiccation (contraction au schage), est de l'ordre de 0,2 0,4 mm/m pour les btons. Dansle cas de bton faible rapport E/C, la dessiccation d'origine "endogne" (consommation del'eau de gchage pour hydratation) peut tre prpondrante sur la dessiccation par changeavec le milieu externe,le retrait thermique, qui est d la contraction du bton lors de son refroidissement.

L'importance duretrait hydraulique, en dehors du facteur de temps, est fonction de nombreux

paramtres parmi lesquels:

la nature du cimentle dosage en eau (fig 2.12)la propret dessablesla forme et la dimension des granulats

fig 2.12: Influence du E/C sur le retrait plastique des mortier.

2.5.5 Chaleur d'hydratationLe phnomne de prise du ciment s'accompagne d'une raction exothermique dont l'importance

dpend de diffrents paramtres, en particulier:la finesse de mouture: plus le ciment est broy fin, plus la chaleur d'hydratation est levela nature des constituants: les ciments CPA comportant presque exclusivement duclinker dgagent plus de chaleur que des ciments avec constituants secondairesla nature minralogique duclinker : plus les teneurs en aluminate tricalcique (C3A) et silicatetricalcique (C3A et C3S) sont leves, plus la chaleur d'hydratation est forte

la temprature extrieure.

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fig 2.13: Chaleur dgage lors de l'hydratation du CP

2.5.6 Stabilit de volumeLa raction d'hydratation est acclre par un traitement thermique de la pte, de faon pouvoir constater lexpansion ventuelle du ciment dans un dlai trs court.

fig 2.13: Aiguilles de Le Chtelier

Un essai permet de s'assurer que le ciment ne contient pas de substances susceptibles de provoquer

une expansion dangereuse au cours du temps.On simule l'effet du temps en acclrant les processus dedurcissement par une cuisson 100 C pendant 2 heures d'une pte durcie de ciment consistance normale ge de 24 heures. Pour mesurer l'expansion, on utilise les aiguilles de Le Chtelier (fig 2.13). La diffrence d'ouverture desaiguilles avant et aprs cuisson doit rester infrieure 10 mm.Ouverture d'aiguille cause par cuisson 10 mm.

L'essai d'tuvage a t supprim pour les ciments Portland, car depuis de nombreuses annes, il n'ya jamaiseu de ciment Portland dfectueux selon cet essai. On continue par contre utiliser ce typed'essai pour contrler la stabilit de volume deschaux hydrauliques.Aujourd'hui on contrle la puret et la stabilit des ciments portland par voie chimique tels:

Perte au feuInsolubleTeneur en SO3, en MgO, en C3A etc..

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2.5.7 Rsistance la compressionLes rsistances mcaniques des ciments sont dtermines par les essais sur mortier dit "normal", 28 jours d'ges en traction et en compression des prouvettes 4 x 4 x 16 cm. La rsistance dumortier est alors considre comme significative de la rsistance du ciment. Elle dpend de laclasse de ciment et est exprime en Mpa.Le mortier utilis est ralis conformment la norme EN 196-1. Lesable utilis est unsable

appel "sable normaliser CEN EN 196-1".Pour chaque type de ciment, il existe effectivement plusieurs classes de rsistances pour lesquellesles fabricants garantissent des valeurs minimales et maximales.

fig 2.14: Rsistance du mortier normal

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