Ciments d aluminates de calcium (NF EN 14647)

25 avril 2010

C’est à la fin du 19e siècle qu’on inventera le ciment d’aluminates de calcium pour remplacer le ciment Portland dans les bétons de structure exposés aux attaques sulfatiques. Depuis plus d’un siècle, ce ciment, en fonction des périodes et des pays, a connu plusieurs appellations différentes comme ciment à haute teneur en alumine, ciment alumineux, ciment fondu, etc.

Outre sa résistance aux sulfates, le ciment d’aluminates de calcium a montré de nombreuses particularités : un durcissement  très rapide et des qualités qui lui permettent de résister à des conditions extrêmes qui peuvent même être associées entre elles : abrasion sévère, attaque acide, attaque bactérienne, températures élevées, cycles thermiques et hydriques, cycles de gel-dégel.Le ciment alumineux peut atteindre, en 24 h, une résistance équivalente à celle d’un ciment Portland à 28 jours. La rapidité du durcissement du ciment d’aluminates de calcium l’a naturellement recommandé pour des applications de préfabrication, et ses qualités de résistance l’ont destiné à des emplois en conditions environnementales et thermiques particulièrement sévères.

Aluminates de calcium prises avec le MEB . Tous droits réservés LERM 2010

Constituants et hydratation du ciment d’aluminates de calcium et phénomène de conversionLe ciment alumineux est obtenu par fusion d’un mélange de calcaire (CaCO3) et de bauxite (Al2O3), puis par broyage du produit ainsi obtenu.Le principal constituant du ciment d’aluminates de calcium est l’aluminate monocalcique (CaO Al2O3). Ses autres constituants sont les aluminoferrites de calcium, le silicate bicalcique et le silico-aluminate de calcium.Compte tenu de son constituant principal, l’hydratation du ciment d’aluminates de calcium produit des aluminates de calcium hydratés et du trihydrate d’alumine insoluble, sans libérer de portlandite. C’est cette absence de portlandite qui lui confère sa résistance à de nombreux

agents agressifs.A une température inférieure à 30°C, l’hydratation du ciment d’aluminates de calcium commence par la formation d’hydrates hexagonaux métastables(CAH10 et C2AH8+AH3). Avec l’élévation de la température, les hydrates hexagonaux se transforment en hydrates cubiques stables (C3AH6+AH3). Cette évolution inévitable est connue sous le nom de conversion et que la température des constituants lors du gâchage (eau, granulats, ciment) soit contenue.

Dans les bétons à base de ciment d’aluminates de calcium, du fait des différences de densité entre hydrates hexagonaux et cubiques, la conversion s’accompagne d’une augmentation de la porosité et d’un affaiblissement notable de la résistance. Du fait de ce phénomène de conversion, la norme NF EN 14647 précise,  dans son Annexe A consacrée à l’emploi du ciment d’aluminates de calcium dans les bétons et les mortiers, que seule la résistance minimale après conversion doit être prise en compte.

Nous traiterons, dans notre prochaine lettre d’information (n°18) consacrée aux bétons spéciaux, des particularités des bétons à base de ciment d’aluminates de calcium.

(Zoom sur Le phénomène de conversion).

Bibliographie- Norme NF EN 14647 (décembre 2006) : Ciment d’aluminates de calcium – Composition, spécifications et critères de conformité- La durabilité des bétons, Bases scientifiques pour la formulation des bétons durables dans leur environnement, sous la dir. de Jean-Pierre Ollivier et Angélique Vichot, Presses de l’Ecole nationale des Ponts et Chaussées, 2008.- M. Scrivener and A. Capmas. Calcium aluminate cements, in Lea’s Chemistry of cement and concrete. Arnold, 1998.

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Historique du ciment d’aluminates de calcium

24 avril 2010

C’est Vicat qui, en 1864, émit l’hypothèse selon laquelle un ciment qui serait obtenu à partir de compositions où le rapport moléculaire (SiO2+Al2O3) / (CaO+MgO) serait supérieur à l’unité résisterait à l’attaque des sulfates. Dans la perspective de lutter contre les attaques sulfatiques en provenance des sols, Jules Bied étudia, dans les laboratoires de la Société J. et A. Pavin de Lafarge au Teil, en Ardèche, des formulations riches en alumine. Ses travaux le menèrent à un brevet qu’il déposa en 1908 en France. Outre sa  résistance aux sulfates, ce ciment alumineux montra de nombreuses autres propriétés :

- un durcissement très rapide- la possibilité de bétonner par temps froid- son adéquation à des bétons réfractaires pour des températures allant jusqu’à 1350°C.

Sa fabrication commença en 1913 à l’usine Lafarge du Teil et sa commercialisation sur le marché mondial démarra en 1918 sous le nom de « Ciment Fondu ». La production du ciment alumineux s’élargit ensuite à de nombreux pays. Il prend alors plusieurs appellations : ciment alumineux, ciment à haute teneur en alumine… Ciment rapide, ce ciment servit à la construction d’ouvrages de génie civil et fut mis à contribution pendant la Seconde Guerre mondiale, pour les réparations de sites militaires. Le phénomène de conversion des hydrates est alors encore assez mal connu. L’apparition de désordres entraîne, en France la parution d’une circulaire, en 1943, qui soumet l’usage des ciments alumineux dans les « ouvrages définitifs » à une autorisation ministérielle.

Dans les années 60, ce sont les applications réfractaires de ce ciment qui se développent, ainsi que son usage  dans la préfabrication d’éléments structuraux. En 1973, l’effondrement d’un plafond en Angleterre, suivi de nombreux autres incidents, mène à une interdiction de l’emploi de ce ciment dans de nombreux pays, puis à une recherche sur les conditions d’emploi et les règles d’usage de ce ciment.Le respect des règles de la norme NF EN 14647 permet aujourd’hui l’utilisation sûre du ciment d’aluminates de calcium dans le béton.

BibliographieNorme NF EN 14647 (décembre 2006) : Ciment d’aluminates de calcium – Composition, spécifications et critères de conformité.C. M. George, Emploi du béton de ciment alumineux dans la construction, in Revue des matériaux de construction, n° 701, pp. 201-209.A. Nevil, High Alumina Cement, John Wiley & Sons, 1975.H. Lafuma, Note sur le ciment alumineux, CERILH, 1967.La durabilité des bétons, Bases scientifiques pour la formulation des bétons durables dans leur environnement, sous la dir. de Jean-Pierre Ollivier et Angélique Vichot, Presses de l’Ecole nationale des Ponts et Chaussées, 2008.Leas’chemistry of Cement and Concrete, fourth edition, Arnold, 1998.site internet: www.kerneosinc.com

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oom sur le phénomène de conversion des ciments d’aluminates de calcium

23 avril 2010

A des températures inférieures à 30°C, l’hydratation du ciment d’aluminates de calcium conduit à la formation d’hydrates CAH10 à structure hexagonale et C2AH8+AH3. Ces

hydrates sont métastables et se transforment graduellement au cours du temps en hydrates à structure cubique (C3AH6 +AH3). Ce processus, qu’on appelle conversion, s’accélère en fonction des conditions de chaleur et d’humidité. Autour de 40°C la conversion s’effectue en quelque mois. A 70°C la conversion complète s’effectuera en quelques heures. Si les températures d’hydratation sont assez élevées, les hydrates hexagonaux ne sont pas détectés et seuls apparaissent les hydrates cubiques stables.

Les changements microstructuraux associés à la conversion  n’impliquent pas seulement un changement dans la structure cristalline et la morphologie des hydrates.En effet, la formation des hydrates hexagonaux nécessite plus d’eau que celle des hydrates cubiques ; la transformation des hydrates hexagonaux libère donc de l’eau, avec, comme conséquence un accroissement de la porosité qui implique d’importantes baisses de résistance mécanique et de durabilité du béton.

Il est donc important que le rapport eau/ciment utilisé dans le gâchage du ciment d’aluminates soit dosé pour la seule hydratation du ciment sous sa forme cubique, c’est-à-dire inférieur à 0,40.

Dans le même temps, le dosage en ciment d’aluminates de calcium ne doit jamais être inférieur à 400 kg/m3 afin d’une part, de disposer de la quantité d’eau nécessaire à l’ouvrabilité sans dépasser le seuil de E/C = 0,4, et d’autre part, de limiter l’impact de la conversion, sur les performances mécaniques du béton.

Béton : résistances avant et après conversion pour différents ratios E/C, tiré de la norme française EN 14647 (2006)

BibliographieLes bétons. Bases de données pour leur formulation. Sous le dir. De J. Baron et J. P. Ollivier. Eyrolles, 2e tirage, 1997.

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iments spéciaux à très faible chaleur d’hydratation (NF EN 14216)

22 avril 2010

Pont des Sablons sur l’Isère

UsageLes ciments à très faible chaleur d’hydratation conviennent aux ouvrages en béton de masse dont le rapport volume surface est faible.

La dispersion de la chaleur due à l’hydratation, dans ces ouvrages, est très lente. L’élévation de température peut donc être importante.Les gradients thermiques qui se créent au sein du béton entre zones internes chaudes et zones externes plus rapidement refroidies peuventcréer des contraintes qui provoquent des fissurations ou même des ruptures. Le choix d’un ciment à très faible chaleur d’hydratation minimise ces contraintes en les étalant dans le temps.

Environnement normatifLa norme 206-1, dans les exigences complémentaires concernant la spécification du béton, mentionne la nécessité de maîtriser le dégagement de chaleur au cours de l’hydratation du béton. Le choix d’un ciment approprié contribue à cette maîtrise.Pour les ciments courants, la propriété de faible chaleur d’hydratation est traitée dans l’amendement A1 de décembre 2004 de la norme EN 197-1.Mais il existe également des ciments spéciaux à très faible chaleur d’hydratation. L’objet de la norme EN14216 est donc de spécifier la chaleur d’hydratation de ces ciments spéciaux, tandis que les exigences portant sur les constituants de ces ciments doivent être conformes à celles de la norme EN 197-1.En fonction de leur composition, les ciments à très faible chaleur d’hydratation sont regroupés en 3 principaux types :

    Composition (% de masse)

    Constituants principaux  

TypesNotation Clinker

Laitier de haut

fourneau

Fumée de

silice

Pouzzolane Cendre volanteConstituants secondaires

  NaturelleNaturelle calcinée

Siliceuse Calcique  

VLH Ciment de haut VLH 20 à 34 66 à 80 - - - - - 0 à 5

III fourneauIII

VLH III

5 à 19 81 à 95 - - - - - 0 à 5

VLH IV

Ciment pouzzolanique

VLH IV

65 à 89 - < 11 à 35 > 0 à 5

VLH IV

45 à 64 - < 36 à 55  > 0 à 5

VLH V

Ciment composé

VLH V

40 à 64 18 à 30 - < 18 à 30  > 0 à 5

VLH V

20 à 38 31à 50 - < 31 à 50  > 0 à 5

Chaleur d’hydratation

La chaleur d’hydratation des ciments spéciaux à très faible chaleur d’hydratation ne doit pas excéder la valeur de 220 J/g. Cette valeur est déterminée selon la norme 196-8 à 7 jours ou selon la norme EN 196-9 à 41 heures. Pour mémoire, la chaleur d’hydratation des ciments à faible chaleur d’hydratation  ne peut dépasser la valeur de 270 J/g.

BibliographieNF EN P 15-109 (déc. 2004). Ciments. Composition, spécifications et critères de conformité des ciments spéciaux à très faible chaleur d’hydratation.NF EN P 15-109/ A1 (déc. 2004). Ciments. Partie 1 :  Composition, spécifications et critères de conformité des ciments spéciaux à très faible chaleur d’hydratation.NF EN 197-1/A1 Décembre 2004 Ciment – Partie 1 : composition, spécifications et critères de conformité des ciments courants (cet amendement élargit le domaine d’application de la norme NF EN 197-1 pour couvrir la propriété complémentaire optionnelle de faible chaleur d’hydratation des ciments courants).

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iment sursulfaté (NF P 15-313) et (NF EN 15743)

21 avril 2010

Particularité du ciment sursulfaté, emploi et approche normative

Le ciment sursulfaté, auparavant appelé également ciment métallique, est un liant hydraulique dont le processus d’hydratation est ralenti du fait de la réactivité particulière de ses constituants. L’hydratation du laitier, plus lente que celle du clinker Portland, produit un développement de la résistance à la compression moins rapide qu’avec des ciments traditionnels et s’accompagne d’une cinétique d’exothermie également étalée dans le temps.

Autre propriété, la composition de ce ciment rend le béton, dont il forme le liant, résistant à de nombreux agents agressifs, notamment les sulfates.

Les propriétés du ciment sursulfaté ont conduit à l’utiliser dans les bétons destinés aux fondations et aux structures massives. Il a donc été normalisé dans plusieurs pays européens,

dont le France en 1958 (NF P15-313). Le passage à la fabrication de bétons à décoffrage rapide a fait tomber quelque peu le ciment sursulfaté et ses normes en désuétude (sa norme a d’ailleurs été annulée en France en 1983).Néanmoins, le besoin de bétons dont les risques de fissurations d’origine thermique sont minimisés d’une part, et résistants aux environnements agressifs d’autre part, a fait reprendre la production de ce ciment.Une norme française le concernant (NF P 15-313) a été homologuée en mai 2005, elle sera bientôt remplacée, en avril 2010, par une norme européenne (NF EN 15743).

Aujourd’hui le ciment sursulfaté répond aussi aux spécifications des normes NF P 15-317 “Ciments pour travaux à la mer et NF P 15-319 “Ciments pour travaux en eaux à haute teneur en sulfates”.

CompositionLe ciment sursulfaté est constitué principalement de laitier granulé de haut-fourneau et de sulfate de calcium. Le laitier granulé de haut fourneau doit être composé d’au moins 2/3, en masse, d’oxyde de calcium (CaO), de dioxyde de silicium (SiO2) et d’oxyde de magnésium (MgO).Le reste contient de l’oxyde d’aluminium (Al2O3) et de petites quantités d’autres composants.Le rapport, en masse, de (CaO+mgO)/(SiO2) ne doit pas être supérieur à 1.

Le sulfate de calcium peut être du gypse (CaSO4.H2O ), de l’hémihydrate (CaSO4.1/2H2O) ou de l’anhydrite (sulfate de calcium anhydre, CaSO4).Le clinker Portland est présent jusqu’à 5% de la masse du mélange ; il est nécessaire au déclenchement de la réaction d’hydratation.

HydratationLe principal produit d’hydratation est le C-S-H. C’est lui qui est principalement responsable du développement de la résistance. Le second produit d’hydratation est l’ettringite qui contribue, pour sa part à la résistance au jeune âge. L’ettringite est entièrement formée, en une période de 2 à 7 jours,qui correspond au temps de réaction de l’ensemble du sulfate de calcium présent dans ce ciment. Contrairement à ce qui se passe dans les autres systèmes cimentaires, ici l’ettringite, stabilisée, ne s’associe à aucun phénomène d’expansion. La consommation totale de la portlandite au cours de l’hydratation rend le ciment sursulfaté particulièrement résistant aux agents agressifs.

Chaleur d’hydratationSelon la norme européenne (NF EN 15743, avril 2010), la chaleur d’hydratation du ciment sursulfaté ne doit pas excéder la valeur de 220 J/g. Cette valeur est déterminée selon la norme

196-8 à 7 jours ou selon la norme EN 196-9 à 41 heures. Ce ciment est donc classé comme un ciment à très faible chaleur d’hydratation (lien notre article sur ce sujet). Pour mémoire, la norme française de 2005 donnait pour la chaleur d’hydratation du ciment sursulfaté, une valeur de 270J/g, qui est celle de la norme NF EN 197-1 sur les ciments courants à faible chaleur d’hydratation…

Les particularités du ciment sursulfaté ont conduit à la rédaction d’une annexe (A) à la norme NF EN 15743, détaillant les précautions à prendre pour son utilisation, en ce qui concerne le mélange avec d’autres liants, les effets des conditions météorologiques, du décoffrage, de la cure et le traitement thermique.

Références bibliographiques- Norme NF P 15-313. Mai 2005. Liants hydrauliques. Ciment sursulfaté. Composition, spécifications, et critères de conformité- Norme NF EN 15743.Avril 2010. Ciment sursulfaté. Composition, spécifications, et critères de conformité- O. Odler. Special inorganic cements. E & F. N. Spon, 2000.- M. Moranville-Regourd. Cement made from Blastfurnace slag, in Lea’s Chemistry of cement and concrete (11. 8, Supersulfated cement). Arnold, 1998..

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ctualité normative : Norme NF EN 15743

20 avril 2010

La Norme européenne NF EN 15743 (P15-313) vient de paraître. Elle remplacera la norme NF P 15-313 de mai 2005 en mai 2010.Outre que cette publication met la norme française en conformité avec la norme européenne, elle en modifie un élément concernant la chaleur d’hydratation :

Selon la norme européenne (NF EN 15743, avril 2010) la chaleur d’hydratation du ciment sursulfaté ne doit pas excéder la valeur de 220 J/g. Cette valeur est déterminée selon la norme 196-8 à 7 jours ou selon la norme EN 196-9 à 41 heures. Ce ciment est donc classé comme un ciment à très faible chaleur d’hydratation (notre article sur ce sujet).Pour mémoire la norme française de 2005 donnait pour la chaleur d’hydratation du ciment sursulfaté, une valeur de 270J/g, qui est celle de la norme NF EN 197-1 sur les ciments courants.

Enfin, les particularités du ciment sursulfaté ont conduit à la rédaction d’une annexe (A) à la norme NF EN 15743, détaillant les précautions à prendre pour son utilisation, en ce qui concerne le mélange avec d’autres liants, les effets des conditions météorologiques, du décoffrage et de la cure, le traitement thermique.

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