SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 1/96 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons.

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1 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 1/96 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons

2 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 2/96 Chapitre 1 :Les liants hydrauliques

3 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 3/96 Historique  L'homme préhistorique a probablement fabriqué du ciment sans le savoir en décarbonatant le calcaire, mélangé à de l'argile, des pierres du foyer qui lui servait à cuire ses aliments.  Les Egyptiens fabriquaient un liant, que l'on retrouve entre les blocs des pyramides, à partir de gypse impur calciné.  Les Romains mélangeaient la chaux issue de la décarbonatation du calcaire avec des poussières volcaniques formées de silice et d'alumine

4 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 4/96 Ce n'est que beaucoup plus tard que l'on pensa de nouveau à associer le calcaire et l’argile... En 1756, l'Anglais SMEATON confectionna une chaux hydraulique à partir d'un calcaire particulier contenant 25 % d'argile. Au début du 19e Siècle, le Français VICAT, fabriqua le premier Ciment Portland Artificiel en mélangeant convenablement de l'argile et du calcaire.

5 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 5/96 3.1.2 La fabrication du ciment portland et ses constituants Le ciment PORTLAND est un mélange de silicates et d’aluminates de calcium résultant de la combinaison de la chaux avec la silice SiO 2, L’alumine AL 2 O 3 et l’oxyde de fer Fe 2 O 3. Argile 20 %+ Calcaire 80 % Broyage en poudre Hydradation Cuisson à 1450 °C Clinker Broyage Ciment CPA

6 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 6/96 La fabrication du ciment portland et ses constituants Doc. Cim-béton

7 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 7/96 Quelques indications sur les différentes étapes Les carrières et leur exploitation Vu la composition du "cru" de ciment (80 % de Ca CO 3 + 20 % de SiO 2 + Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 ) les carrières sont surtout situées dans des dépôts sédimentaires calcaires, crayeux ou marneux. Les matériaux sont extraits à l'explosif ou à la décapeuse suivant leur dureté, chargés sur camion ou sur bandes transporteuses et acheminés à l'usine. On utilise de plus eu plus la technique de pré-homogénéisation consistant à entasser des couches d'argile et de calcaire, reprises ensuite suivant un plan vertical à la pelle mécanique.

8 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 8/96 Le broyage du cru et le traitement thermique Le mélange calcaire + argile est finement broyé à l'aide de broyeurs à meules, à galets ou à boulets. Il est amené à la teneur en eau voulue suivant son humidité naturelle et le type de procédé de cuisson utilisé. Les fours rotatifs sont cylindriques, inclinés (3,6 %) et de grandes dimensions ( Ø =5m, 1 > 100 m).

9 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 9/96 Les étapes de la clinkérisation :  100° C : évaporation de l'eau,  450° C : départ de l'eau combinée à l'argile,  894° C : dissociation du carbonate de calcium : phase appelée décarbonatation : Ca CO 3→ Ca0 + CO 2  1460° C : fin de la combinaison de la chaux avec l'argile, c'est la clinkérisation.

10 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 10/96 Le CLINKER obtenu est alors brutalement refroidi de 1450° C à 20°C. II contient les quatre constituants principaux de CPA : C 3 S : silicate tricalcique (ou alite) C 2 S : silicate bicalcique (ou bélite) C 3 A : aluminate tricalcique C 4 AF : alumino-ferrite tétracalcique En notant en abrégé C pour CaO, S pour Si O 2, A pour Al 3 O 2 et F pour Fe 2 O 3.

11 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 11/96 L'alite (silicate tricalcique C 2 S ou 3 Ca0-SiO 2 ) est le composé actif du ciment, il développe une résistance initiale élevée et sa chaleur d'hydratation est assez forte. La bélite silicate bicalcique C 2 S ou 2 CaO-SiO 2 ) encore nommée ortho-silicate de calcium est le composé qui fournit au ciment sa résistance à long terme. La célite est un mélange : a) d'aluminate tricalcique (C 3 A ou 3 CaO.AlO 3 ) qui est le composé qui manifeste la prise la plus rapide et dégage la plus grande chaleur d'hydratation. II joue un rôle important dans la résistance à court terme et dans la tenue du ciment aux eaux agressives. b) d'alumino-ferrite tétracalcique,(C 3 Aou 4 CaO.Al 2 O 3 – Fe 2 O 3 ) qui ne participe pas à la résistance mécanique.

12 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 12/96 3.1.3 La composition chimique La composition chimique moyenne des ciments Portland utilisés en France est indiquée sur le tableau suivant :

13 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 13/96 Les pourcentages moyens des 4 constituants principaux sont : C 3 S : 55 %, C 2 S : 20 %, C 3 A : 12%, C 4 AF : 8 %. L'indice d'hydraulicité (ou indice de VICAT) est égal, pour un ciment au rapport : On observe que la résistance aux agressions chimiques évolue comme l'indice d'hydraulicité. On a :  I < 0,50 ciment basique  I > 0,50 ciment neutre  I = 1 ciment acide (ou alumineux)

14 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 14/96 Pour bénéficier de l'appellation CPA, le ciment doit contenir au moins 97 % de clinker, le reste étant constitué de poudre fine en général inerte, appelée "Filler" c'est-à-dire matériau de "remplissage". Autres catégories de ciment Afin d'utiliser judicieusement les propriétés de certains matériaux naturels tout en réalisant une économie importante, vu le coût énergétique d'obtention de clinker de CPA, on utilise en mélange avec ce dernier :

15 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 15/96 - du laitier de haut fourneau, résidu minéral de préparation de la fonte contenant :  40 à 50 % de CaO, 25 à 30 % de silice,  15 à 20 % d'alumine et 10 % de magnésie. Le laitier broyé et mélangé au clinker présente des propriétés hydrauliques :  plus lentes à se manifester que celles du clinker,  moins exothermiques,  plus sensibles aux variations de température.

16 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 16/96 - des cendres volantes. On les incorpore au clinker lors du broyage en proportion de 5 à 20 %. - des pouzzolanes. Leurs propriétés "pouzzolaniques" sont définies par leur aptitude à fixer la chaux (Ca0) pour former des composés hydrauliques stables faisant prise et durcissant lors de leur hydratation. - des fillers qui sont des fines en générales inertes, c'est-à- dire sans action chimique sur les ciments, obtenus par broyage de roches, de laitiers et utilisés pour améliorer certaines propriétés des ciments : augmentation de la maniabilité, diminution de la perméabilité et de la capillarité,...

17 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 17/96 Pour ces produits ajoutés en proportions variables au clinker de CPA donnent naissance à des ciments notés CPJ ou Ciments Portland avec ajouts ou à des ciments particuliers exploitant les propriétés spécifiques des laitiers, cendres volantes et pouzzolanes.

18 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 18/96 En plus des CPA et des CPJ définis par la norme NFP 15301, il existe d'autres ciments normalisés :  le ciment de Haut Fourneau noté CHF contenant 40 à 25 % de laitier (NF. 15304),  le ciment de Laitier au Clinker noté CLK contenant au moins 80 % de laitier (NF. 15305),  le ciment au Laitier et aux Cendres noté CLC ou CPMF, contenant de 25 à 60 % de clinker, de 20 à 45 % de cendres volantes et de 20 à 45 % de laitier.

19 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 19/96 Parmi les ciments moins courants, citons :  le ciment pouzzolanique (CPZ)  le ciment au laitier et à la pouzzolane  le ciment sursilicé noté HTS,  le ciment super-blanc,  le ciment prompt,  le ciment alumineux ou "fondu"

20 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 20/96 Les ciments alumineux sont employés pour fabriquer du béton réfractaire, par exemple :  le SECAR 162 contient 60 % d'alumine et résiste à 1400 °C,  le SECAR 250 contient 70 % d'alumine et résiste à 1800 °C,  le Super SECAR 250 contient 80 % d'alumine et résiste à 2000 °C.

21 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 21/96 Le ciment alumineux "fondu" mis en oeuvre par un personnel accoutumé présente trois caractéristiques intéressantes :  une résistance mécanique élevée atteinte rapidement (50 MPa en 6 heures),  une très bonne résistance aux eaux agressives,  une forte chaleur d'hydratation favorisant le bétonnage par temps froid.

22 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 22/96 Doc. Cim-béton

23 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 23/96 Doc. Cim-béton

24 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 24/96

25 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 25/96 Doc. fib

26 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 26/96

27 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 27/96 3.1.4 Caractéristiques physiques d'un ciment La surface spécifique est le rapport entre l'aire développée des grains, à leur masse : elle varie en général de 2700 à 3500 cm 2 /g. (Jusqu'à 7000 cm 2 /g pour le ciment prompt). Le poids volumique est le rapport de la masse d'un ensemble de grains à leur volume réel. 2900 <  s < 3200 kg/m 3 La densité apparente est le rapport à  w, poids volumique de l’eau, du poids volumique apparent (vides en grains compris) du ciment en sac.

28 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 28/96 3.1.5 Classe de résistance d'un ciment Les ciments CPA, CPJ, CHF et CLK sont répartis suivant la résistance à la compression (NF15 451) d'un mortier normal (sable 0-5, C/E = 2, S/C=3, malaxage défini par NF 15 403), à 28 jours, en 4 classes suivant le tableau l ci-dessous :

29 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 29/96 Les valeurs minimales, qui constituent la garantie la plus importante, pour le constructeur, sont indiquées dans le tableau 2 :

30 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 30/96 3.1.6 La prise et le durcissement des ciments Les constituants du ciment présentent des propriétés hydrauliques : ils forment par réaction avec l'eau, des composés hydratés stables très peu solubles dans l'eau, présentant une forte adhérence entre eux et aux granulats créant ainsi progressivement une cohésion croissante des pâtes pures, des mortiers et des bétons.

31 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 31/96 La prise du ciment : lorsqu'un liant hydraulique est mélangé avec de l'eau il apparaît plusieurs phénomènes :  une élévation assez brusque de la viscosité, accompagnée d'une élévation de température de la pâte marque le début de la prise mesurée par l'essai normalisé NF 15 431,  la diminution progressive de la plasticité de la pâte jusqu'à un état pratiquement rigide traduisant la fin de prise,  la résistance mécanique mesurable croît lentement avec le temps, c'est le phénomène du durcissement.

32 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 32/96 La prise et le durcissement sont la conséquence de la formation de gels et de la cristallisation des composés chimiques au cours des réactions d'hydratation que nous pouvons détailler dans le cas du ciment Portland qui contient 97 % de mouture de clinker (C 3 S, C 2 S, C 3 A, C 4 AF).

33 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 33/96 Facteurs influençant la durée de prise Les ciments Portland ont un début de prise de l'ordre de 1 à 2h dans des conditions normales et une fin de prise vers 6h, néanmoins : la teneur en C 3 A, la finesse de mouture, peu d'eau, une température élevée raccourcissent le temps de début de prise, la présence de gypse, de chlorure, de matières organiques, un excès d'eau et une température basse allongent la durée de la prise.

34 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 34/96 Le rôle de la température est particulièrement important puisque les temps de début et de fin de prise sont multipliés par 8 pour un CPA quand on passe de 50 °C à 5 °C.

35 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 35/96 Diagramme d'hydratation Fig. 2 : Composition de la pâte de ciment à différentes étapes de l'hydratation (POWERS 1958 dans [1])

36 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 36/96 La Fig. 3 illustre l'importance de la composition des mélanges de ciments sur leur temps de prise. Fig. 3 : Evolution des temps de prise de mélanges CPA + Fondu (d'après DREUX [2]) L'hydratation du ciment se poursuit longtemps après la prise, c'est le durcissement.

37 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 37/96 La Fig. 4 montre l'évolution en fonction du temps, de la résistance en compression de bétons de CPA (on notera l'influence de la classe) et du ciment alumineux. Fig. 4 : Durcissements comparés de bétons de CPA et de fondu [2]

38 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 38/96 3.1.7 Variations dimensionnelles liées à l'hydratation et à la température. Le retrait : en l'absence de charge, la pâte de ciment est le siège d'une diminution de volume qui a essentiellement deux origines :  A : le retrait de dessiccation dû au départ progressif de l'eau des capillaires avant la prise, qui s'accompagne d'un rapprochement des grains de ciment (analogie avec la limite de retrait d'une pâte argileuse).  B : le retrait endogène, sans échange d'eau avec l'extérieur, qui se poursuit pendant toute la durée de la phase de durcissement et qui s'explique par les modifications progressives des couches d'eau absorbée à la surface et à l'intérieur des hydrates du ciment.

39 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 39/96 En (A), les conditions de dessiccation influencent nettement le retrait avant la prise. Ainsi, on peut mesurer sur les prismes de pâte pure de CPAL (ancienne appellation du CLK), au bout de 7 h, les raccourcissements suivants : (d'après L'HERMITE [7])

40 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 40/96 En (B), les conditions hygrométriques extérieures influencent également le retrait qui est d'autant plus important que l'air est plus sec comme l'indique le tableau ci-dessous qui montre le retrait à 1000 jours d'un ciment CPA ordinaire. La nature du ciment conditionne aussi le retrait : avec une circulation d'air de 1 m/s, on a mesuré un retrait longitudinal égal à :  4 mm/m pour un ciment CHF,  3 mm/m pour un ciment CPAL (CLK),  10 mm/m pour un ciment CSS.

41 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 41/96 La perte d'eau est continue pendant toute la période de retrait

42 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 42/96 La conséquence la plus néfaste du retrait est la FISSURATION qui est d'autant plus marquée que :  les conditions de cure sont défavorables,  la teneur en ciment est plus élevée,  les pièces sont fines et présentent une surface volumique élevée.

43 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 43/96 La sensibilité à la fissuration d'une pâte de ciment peut être détectée par l'expérience de l'anneau : une couronne de pâte pure de ciment est moulée autour d'un disque d'acier et conservée à 50 % d'humidité relative, l'apparition d'une fissure sur la couronne avant 20h de séchage doit mettre en garde contre les risques de fissuration précoce engendrés par le ciment étudié.

44 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 44/96 3.1.8 Compatibilité entre les différents ciments Les ciments alumineux ne peuvent être mélangés avec des CPA que pour des travaux urgents et provisoires. La prise obtenue est très rapide (voir Fig. 3) mais, en contrepartie, les résistances mécaniques après le durcissement sont très faibles (f c28 < 5 MPa ). De plus, le retrait et le gonflement de la pâte peuvent être importants.

45 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 45/96 3.1.9 La couleur des ciments C'est un paramètre important puisqu'il conditionne l'esthétique des constructions ; on peut noter les indications suivantes :  CPA - CPJ :gris + ou - foncé  CLK : gris d'autant plus clairs qu'ils contiennent plus de laitier (la présence de sulfures peut donner au béton une coloration bleu verdâtre).  CLC : l'aspect foncé croit avec le % de cendres  ALUMINEUX : gris noir, très foncé.

46 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 46/96 3.1.10 Domaine d'utilisation des ciments Le tableau 3 indique les principaux domaines d'utilisation des ciments normalisés.

47 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 47/96 La réaction fortement exothermique de la prise du ciment alumineux constitue une contre-indication très nette pour son utilisation :  en grande masse (barrages par exemple),  par temps chaud.

48 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 48/96 1.La chaux Introduction La chaux est utilisée depuis des millénaires. Ses qualités physiques, esthétiques prouvées sont irremplaçables pour la construction et la décoration. Comme par le passé, elle permet de bâtir, de restaurer, de décorer naturellement.

49 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 49/96 Qu'est ce que la chaux ? La chaux est obtenue par calcination d'un calcaire à une température supérieure à 900 °C. Le carbonate de calcium, constituant essentiel du calcaire, se dissocie à cette température pour donner de l'oxyde de calcium (chaux vive) et de gaz carbonique : CaCO3 ---> Ca0 + C02 Par hydratation de l'oxyde de calcium, on produit l'extinction de la chaux vive pour obtenir la chaux éteinte.

50 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 50/96 1.1 La fabrication Les roches calcaires sont extraites de carrières à ciel ouvert ou souterraines. Après abattage, les roches dures sont reprises par des chargeurs, puis transportées vers des ateliers de concassage et de criblage.

51 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 51/96 La cuisson s'effectue en général dans des fours verticaux à marche continue. Le matériau obtenu peut faire l'objet, d'une mouture avec addition de grappiers ou d'autres constituants: clinker, laitier, pouzzolane. 1.1 La fabrication

52 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 52/96 On fabrique également des chaux à partir de calcaires qui contiennent de 15 à 20 % d'argile. Dans ce cas, il se forme, au cours de la calcination, des silicates et des aluminates de calcium en quantité suffisante pour donner à ces chaux la propriété de faire prise sous l'eau.. 1.1 La fabrication

53 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 53/96 Ce caractère hydraulique a conduit à appeler ces chaux des chaux hydrauliques naturelles. Les chaux hydrauliques naturelles font prise en présence d'eau et durcissent à l'air par carbonatation lente. Par contre, les chaux aériennes font prise en présence du gaz carbonique de l'air. 1.1 La fabrication

54 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 54/96 II existe enfin des chaux hydrauliques artificielles qui résultent du broyage simultané de clinker de ciment et de fillers calcaires. 1.1 La fabrication

55 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 55/96 Récapitulatif des différentes étapes

56 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 56/96 Récapitulatif des différentes étapes

57 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 57/96 Récapitulatif des différentes étapes

58 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 58/96 Récapitulatif des différentes étapes

59 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 59/96 1.2 Les différentes chaux La chaux est un produit naturel résultant de la cuisson d'un calcaire plus ou moins pur. En fonction de la composition chimique de la roche d'origine, on peut obtenir différentes chaux. En Europe, deux sont principalement utilisées : la chaux aérienne et la chaux hydraulique naturelle.

60 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 60/96 La Chaux Aérienne La chaux aérienne est le produit de la calcination d'une roche composée en grande majorité de carbonate de calcium : le calcaire. Utilisée en mortier, elle fait sa prise ou carbonatation au contact de l'air sur une période prolongée. La chaux hydraulique naturelle pure La chaux hydraulique naturelle pure est obtenue par calcination d'une roche composée essentiellement de carbonate de calcium (le calcaire) et d'éléments qui, lors de la cuisson, se transforment en silicates et aluminates de calcium. 1.2 Les différentes chaux

61 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 61/96 1.2 Les différentes chaux La France produit environ 3 Mt de chaux par an. Une unité de production de chaux peut produire jusqu'à 100000 t par an.

62 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 62/96 2 La normalisation des chaux 2.1 les chaux hydrauliques naturelles (norme NF P 15-310) Les chaux hydrauliques naturelles (XHN) appartiennent à l'une des 3 classes de résistance: 30, 60 et 100. La désignation comporte la classe de résistance. Par exemple, une chaux hydraulique naturelle de classe 60 sera désignée par le symbole XHN 60.

63 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 63/96 Les caractéristiques physiques retenues par la norme sont : - la masse volumique apparente du produit, compris entre: 650 et 900 kg/m3 pour les XHN 60-100 et 600 et 750 kglm3 pour les XHN 30 - la finesse de mouture: refus au tamis d'ouverture de mailles 200 pm < 10 % - la stabilité: l'expansion, à chaud après 3 heures et à froid après 5 jours, mesurée selon la norme NF P 15-432, doit être de 3 mm. 2 La normalisation des chaux hydrauliques naturelles

64 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 64/96 2.2 Les chaux hydrauliques artificielles (norme NF P 15-312) Elles sont également classées selon leur résistance minimale à 28 jours, exprimée en bars, et désignées par le symbole XHA suivi de la mention de la classe de résistance (XHA 60). Les caractéristiques physiques prévues par la norme sont: - le début de prise, mesuré selon la norme NF P 15-431 ne doit pas avoir lieu avant 30 minutes. - la stabilité: l'expansion à chaud, après 3 heures, mesurée selon la norme NF P 15-432, doit être inférieure à 3 mm. 1.3 La normalisation des chaux hydrauliques naturelles

65 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 65/96 3. Les emplois de la chaux hydraulique 3.1 En bâtiment Les enduits Les nombreuses qualités de la chaux, notamment plasticité et adhérence pour les chaux naturelles, rendent son emploi très intéressant et très efficace dans la confection des enduits intérieurs et extérieurs. On l'utilise seule ou mélangée au ciment Portland - souvent blanc - au ciment prompt ou à la chaux aérienne éteinte pour le bâtiment (CAEB). Les enduits bâtard (chaux plus ciment), tout en étant imperméables à l'eau sont perméables à l'air, ce qui évite les murs humides. 3 Les emplois de la chaux hydraulique

66 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 66/96 En ce qui concerne les enduits pur le bâti neuf, les recommandations pour la composition des mortiers à base de XHN ou XHA sont détaillées dans le DTU 26.1 "Travaux d'enduits aux mortiers de liants hydrauliques, chaux aérienne, plâtre et chaux aériennes". 3.1 En bâtiment

67 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 67/96 La chaux, matériau de finition et de décoration 3.1 En bâtiment

68 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 68/96 3.1 En bâtiment

69 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 69/96 Les maçons, les peintres et les décorateurs utilisent aujourd'hui, de plus en plus fréquemment la chaux pour la décoration extérieure comme intérieure du bâti ancien et moderne. La couleur blanche constante de la chaux hydraulique naturelle met en valeur les sables locaux et les terres naturelles pour la mise en œuvre d'enduits de façade colorés et de crépis. Elle isole et protège les habitations et s'adapte davantage que les liants artificiels aux mouvements des murs des constructions. La chaux, matériau de finition et de décoration 3.1 En bâtiment

70 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 70/96 La chaux aérienne est indiquée pour toutes réalisations artistiques telles que les badigeons, fresques ou stucs qui décorent l'intérieur des édifices. Plus que tout autre liant, la chaux naturelle est la réponse aux attentes en matière d'esthétique et de préservation du patrimoine et de l'environnement. La chaux, matériau de finition et de décoration 3.1 En bâtiment

71 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 71/96 3.1 En bâtiment

72 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 72/96

73 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 73/96 La chaux pour la construction 3.1 En bâtiment

74 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 74/96 L'amélioration des mélanges bitumineux Judicieusement dosée, la chaux améliore la tenue à l’eau de l’enrobé, ralentit son vieillissement et sa fissuration. L’affinité de la chaux avec les bitumes et les agrégats renforce les liaisons à l’intérieur de la structure. 3.1 En bâtiment

75 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 75/96 La valorisation par traitement à la chaux des refus de scalpage des matériaux de carrières 3.1 En bâtiment

76 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 76/96 3.1 En travaux publics

77 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 77/96 La chaux dans la technique routière 3.1 En travaux publics

78 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 78/96 4. Les plâtres Introduction Le plâtre est un matériau de base très important et très employé. II provient de la déshydratation et de la pulvérisation du gypse. Le matériau sert, dans la construction, aux enduits intérieurs, à hourder les maçonneries de pierre de taille, de brique, à fabriquer des carreaux de plâtre pour cloisons etc. ses procédés de fabrication ne se sont guère modifiés.

79 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 79/96 4.1 Historique On trouve des traces de son emploi chez les Assyriens, les Phéniciens, les Egyptiens, les Hébreux, plus rarement chez les Romains. Son usage paraît s’être perdu au Moyen Age, puis il reparaît en France dans les grandes constructions vers l'an 1 000, ensuite plus fréquemment à partir du Xlll ème siècle. Mais depuis les années 30, de très grands progrès ont été réalisés et les usines modernes sont aujourd'hui outillées de façon à fournir une gamme variée de produits répondant à toutes les nécessités de la construction.

80 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 80/96 Le gypse se rencontre en France dans plusieurs régions, mais la plus importante est la région parisienne. L'exploitation des carrières à gypse se fait: le plus souvent à ciel ouvert, parfois en cavage avec sortie à flanc de coteau, par puits. 4.2 Fabrication du plâtre

81 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 81/96 Le plâtre est simplement le résultat de : la déshydratation, par cuisson à température relativement basse, la pulvérisation, de roches naturelles connues sous le nom de gypse ou pierre à plâtre, 4.2 Fabrication du plâtre

82 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 82/96 La cuisson du gypse se fait en trois étapes : chauffé entre 140 °C et 200 °C, (perte d’eau  demi-hydrate ) à une température plus élevée (350 à 400 °C) on obtient le sulfate de chaux anhydre ou plâtre dit "cuit à mort". aux environs de 900 °C on obtient le produit dit "plâtre hydraulique" ou "plâtre à plancher". 4.2 Fabrication du plâtre

83 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 83/96 Broyage La matière est broyée soit avant, soit après cuisson, la finesse du plâtre doit être choisie en fonction de l'usage du produit fini. En faisant varier la température, la durée. les conditions de cuisson, il est possible d'obtenir toute une gamme de sulfates de chaux de durées de prise et de durcissements très variés. 4.2 Fabrication du plâtre

84 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 84/96 Conservation Quel que soit le soin apporté à la fabrication et quelle que soit la qualité du plâtre, on ne apporter trop de soins à sa conservation et par suite à son magasinage. Toute humidité conséquence d'éventer le plâtre, et par suite de changer ses qualités : - diminution de la durée de prise et ses résistances 4.2 Fabrication du plâtre

85 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 85/96 4.3 Utilisation du plâtre Le plâtre est un bon isolant thermique. Le plâtre est un bon isolant phonique. Le plâtre possède des propriétés ignifuges remarquables. 4.3 Utilisation du plâtre

86 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 86/96 4.3 Utilisation du plâtre enduits. pour hourder les maçonneries. stuc: plâtre à mouler additionné de substances (gélatine, kaolin...) pour fabriquer des décoration. staff: plâtre armé de filasse de chanvre ou autre servant à la fabrication de motifs décor bien pour l'intérieur que pour l'extérieur. carreaux de plâtre. - placo-plâtre etc...

87 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 87/96 Utilisation : réhabilitation (moulure) 4.3 Utilisation du plâtre

88 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 88/96 Utilisation : réhabilitation (moulure) 4.3 Utilisation du plâtre

89 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 89/96 Le carreau de plâtre est un produit naturel, élaboré et normalisé. Il se présente sous la forme d'un bloc de 500 x 666 mm et d'épaisseur 50, 60, 70, 80 ou 100mm. Il comporte des moulures (type tenon - mortaise) sur sa périphérie permettant de les assembler solidement, rapidement et précisément pour réaliser des cloisons, des murs, des habillages de poteaux.... Utilisation : le carreau de plâtre 4.3 Utilisation du plâtre

90 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 90/96 Les qualités principales du carreau de plâtre sont: Protection contre l'incendie Isolation phonique Régulation hygrométrique Confort thermique Rapidité de mise en oeuvre Régularité et planéité des surfaces Travaux de finitions très réduit Utilisation : le carreau de plâtre

91 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 91/96 Utilisation : le carreau de plâtre

92 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 92/96 Utilisation : le carreau de plâtre

93 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 93/96 Le Classique: Utilisé horizontalement ou verticalement, il peut être employé dans la plupart des pièces. L'Hydrofuge: il convient aux pièces ayant un degré d'humidité variable (salle de bains,cuisine, wc, cave...). L'isolant coupe-feu : Le coffre monobloc de type isolant, utilisé à des fins de coupe-feu (pare-flamme), reprend la référence de type clasique mais reçoit à la fabrication une épaisseur de plâtre plus important. Utilisation : la protection de poteau

94 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 94/96 4.3 Mise en œuvre La quantité d'eau de gâchage est de l'ordre de 70 %. L'eau doit être propre et ne doit contenir aucune matière organique. Il faut éviter tout ce qui pourrait provoquer le regâchage, c'est à dire (le malaxage de la pâte début de prise, ce qui a pour effet de réduire notablement les résistances et de provoquer des fissurations ultérieures). 4.3 Mise en oeuvre

95 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 95/96 Pendant les temps froids, les enduits doivent toujours être protégés contre les gelées, qui entraîner des diminutions de résistance et même des fissurations. Pendant les périodes de fortes chaleurs, toutes précautions doivent être prises pour éviter l’évaporation trop rapide de l'eau ce qui aurait pour effet d'empêcher la cristallisation de la masse et de produire des fissurations. 4.3 Mise en oeuvre

96 SEM B 2003-2004 MTX 3 : Les liants hydrauliques et les bétons Ferrier Emmanuel maître de conférences 96/96 4.4 Essais des plâtres Détermination de la proportion d'eau de gâchage Détermination des temps de début et de fin de prise Détermination des résistances mécaniques