Construction Sika France 1 Le ciment. Construction Sika France 2 SOMMAIRE Généralités La ligne de fabrication Le cru La cuisson La fabrication du ciment.

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1 Construction Sika France 1 Le ciment

2 Construction Sika France 2 SOMMAIRE Généralités La ligne de fabrication Le cru La cuisson La fabrication du ciment Les ciments courants Composition + finesse = performances L ’hydratation

3 Construction Sika France 3 DEFINITIONS (Norme NF P 15-301) Le ciment est un liant hydraulique, c’est-à- dire une matière inorganique finement moulue qui, gâchée avec de l’eau, forme une pâte qui fait prise et durcit … Le matériau formé est ensuite insoluble dans l’eau

4 Construction Sika France 4 DEFINITIONS (suite) Le ciment anhydre est constitué de clinker additionné de gypse (  5 %), et éventuellement pour les ciments composés, d’autres constituants minéraux : laitiers, cendres volantes, fillers calcaires, …

5 Construction Sika France 5 NOTATION CHIMIQUE CIMENTIERE La chimie du ciment se construit essentiellement à partir des 4 oxydes majeurs suivants :  CaO = C  SiO 2 = Sprésents dans les matières premières,  Al 2 O 3 = Aet qui vont former les silicates et  Fe 2 O 3 = Fles aluminates de calcium du clinker :  (CaO) 3 SiO 2 ou C 3 S (silicate tricalcique) ou (alite)  (CaO) 2 SiO 2 ou C 2 S (silicate bicalcique) ou (bélite)  (CaO) 3 Al 2 O 3 ou C 3 A (aluminate tricalcique)  (CaO) 4 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 ou C 4 AF (alumino-ferrite tetracalc.)

6 Construction Sika France 6 LE CIMENT Fabrication

7 Construction Sika France 7 LES EGYPTIENS découvrent la chaux grasse, obtenue par cuisson de roches calcaires à une température proche de 1000°C, suivie d’une extinction avec de l’eau. LES ROMAINS ont fait véritablement du ciment en ajoutant à la chaux de la pouzzolane. LOUIS VICAT en 1817 élabore la théorie de l’hydraulicité, propriété jusque-là inexpliquée. En 1824, l’écossais ASPDIN donne le nom de PORTLAND au ciment qu’il fabrique dans cette région. LA PREMIERE USINE DE CIMENT a été créée par Dupont et Demarle en 1846 à Boulogne-sur-Mer. UN PEU D’HISTOIRE

8 Construction Sika France 8 LIGNE DE FABRICATION DU CIMENT La fabrication du ciment se fait selon un procédé en continu (personnel en 3x8), en suivant 3 lignes successives : La ligne de fabrication du cru (de la carrière au silo de stock cru) La ligne de cuisson (de l’alimentation du four au silo de stock clinker) La ligne de fabrication du ciment (de l ’alimentation des broyeurs aux silos d’expédition ciments)

9 Construction Sika France 9 LIGNE DE FABRICATION DU CIMENT La ligne de fabrication du cru (de la carrière au silo de stock cru) La fabrication du cru commence à la carrière et se termine au silo de stockage avant le four. Pour obtenir dans ce silo une farine crue (procédé voie sèche) homogène et « au titre », les fonctions à assurer sont le broyage, le séchage, l’homogénéisation et le dosage.

10 Construction Sika France 10 COMPOSITION D’UN CRU Le cru est la source des éléments chimiques Ca, Si, Al, et Fe, nécessaires à la formation des silicates et aluminates du clinker. Pour la plus grande part (généralement > 95 %), ces éléments sont fournis par une combinaison de roches naturelles: calcaire, marne, argile, sable,... La petite fraction restante (< 5 %) est fournie par des matières dites «de correction », qui sont généralement des produits de transformation d’autres industries : cendres de pyrite (source de Fe) ou de bauxite (source de Al),...

11 Construction Sika France 11 COMPOSITION D’UN CRU (suite) Pour des raisons économiques, la cimenterie est (presque) toujours installée sur un gisement de calcaire (source de Ca), qui constitue environ 80 % de la matière crue, et dispose également d’une carrière d’argile (source de Si, Al, Fe) à proximité. Quelques cimenteries, dépourvues de carrière d’argile, utilisent en substitution, des cendres volantes de centrales thermiques ou du laitier de haut-fourneau, qui doivent être achetées à l’extérieur, comme les matières de correction.

12 Construction Sika France 12 COMPOSITION D’UN CRU (suite) La composition élémentaire typique d’un cru est la suivante : C  43 %, S  14 %, A  3 %, F  2 %, le complément à 100 étant la perte au feu (  35 % de CO 2 et de H 2 O) et des oxydes mineurs: MgO, K 2 O,... La composition minéralogique potentielle du clinker peut être calculée à partir de la composition élémentaire du cru par les formules de Bogue : C 3 S = 4.07 C - 7.60 S - 6 72 A - 1.43 F C 2 S = - 3.07 C + 8.60 S + 5.07 A + 1.08 F C 3 A = 2.65 A - 1.69 F C 4 AF = 3.04 F

13 Construction Sika France 13 CALCUL DE CRU Le principe du calcul de cru est de déterminer les % des matières premières dans le cru qui vont permettre de former, après cuisson, les % souhaités de C 3 S, C 2 S, C 3 A, et C 4 AF dans le clinker. La démarche est la suivante : on fait l’analyse élémentaire des matières susceptibles de rentrer dans la constitution du cru: calcaire, argile,... on écrit les équations relatives aux modules fixés on résout le système d’équations (logiciel de calcul)

14 Construction Sika France 14 LA FABRICATION DU CRU (suite) Les 2 étapes du broyage sont illustrées ci-dessous: lle concasseur primaire le broyeur, de type vertical à (  max  50 mm) piste ou horizontal à boulets (cas du schéma ci-dessous) (refus 80µm  10 %)

15 Construction Sika France 15 LA FABRICATION DU CRU (suite) L’homogénéisation se fait tout au long de la chaîne: au niveau du concasseur primaire, par une bonne gestion de la reprise des matières au pied des fronts de taille sur la matière 0-50 mm lorsque l’on dispose d’un atelier de pré- homogénéisation (schéma ci-dessous)

16 Construction Sika France 16 LA FABRICATION DU CRU (suite) L’homogénéisation se poursuit : dans le broyeur à cru sur la farine sortie broyeur, dans des silos d’homogénéisation (indispensables en l’absence de pré-homogénéisation).

17 Construction Sika France 17 LA FABRICATION DU CRU (suite) Le dosage se fait au niveau du broyeur à cru (schéma ci- après) ou de la préhomogénéisation quand elle existe. H Echantillon AnalyseCalcul de cru AIR R V Broyeur à cru Salle de Contrôle Laboratoire

18 Construction Sika France 18 LIGNE DE CUISSON La ligne de cuisson (de l’alimentation du four au silo de stock clinker)

19 Construction Sika France 19 LA CUISSON La cuisson du cru va permettre aux différents oxydes C, S, A et F de se combiner entre eux pour former les silicates et les aluminates de calcium. CRU COMBUSTIBLE CLINKER FUMEES (  350°C) AIR FROID 1450°C 1000°C

20 Construction Sika France 20 LA CUISSON (suite) Les transformations de phases qui interviennent dans le four peuvent se décrire en parcourant le diagramme suivant de gauche à droite (du cru au clinker) : T2 = apparition de la phase liquide = début de formation de l’alite T1 : début de la décarbonatation = début de formation de la bélite T1T2

21 Construction Sika France 21 LA CUISSON (suite) La trempe du clinker va permettre de stabiliser l’alite (d’éviter sa rétrogradation en bélite et chaux libre secondaire: C 3 S -> C 2 S + C) elle va aussi influencer le mode de cristallisation de C 3 Aet C 4 AF, composants principaux de la phase liquide.

22 Construction Sika France 22 COMPOSITION D’UN CLINKER PORTLAND La composition moyenne d’un clinker gris est la suivante : C 3 S (alite) : 60-70 % C 2 S (bélite) : 10-20 % C3A : 0-14 % C 4 AF : 7-14 % C (CaO libre) :  1 % Les aluminates (C 3 A,C 4 AF) constituent la phase interstitielle entourant les cristaux hexagonaux d’alite (C 3 S) et les grains bistriés de bélite (C 2 S).

23 Construction Sika France 23 La ligne de fabrication du ciment (de l ’alimentation des broyeurs aux silos d’expédition ciments) LIGNE DE FABRICATION DU CIMENT

24 Construction Sika France 24 LA FABRICATION DU CIMENT La ligne de fabrication du ciment est indépendante de la ligne de fabrication du clinker (au stock près de clinker). Elle consiste à broyer à une finesse donnée, un mélange de constituants, incluant obligatoirement le clinker et un régulateur de prise (en général du gypse). Echantillon Contrôle composition + finesse Broyeur à ciment Salle de Contrôle Laboratoire

25 Construction Sika France 25 LA FABRICATION DU CIMENT (suite) broyeur filtre 1 2 3 4 La matière (clinker, gypse,…) traverse le broyeur à boulets à co-courant de l’air aspiré par le ventilateur de tirage. 5 1: trémies doseuses 2: séparateur dynamique 3: élévateur 4: séparateur statique 5 ventilateur de tirage fin gruau Air chaud Clinker

26 Construction Sika France 26 LA FABRICATION DU CIMENT (suite) Le séparateur dynamique opère un tri sélectif sur la matière sortant du tube broyeur, en renvoyant le gruau vers l’entrée du tube, et la partie fine vers le produit fini. Pour régler la finesse du ciment, on va agir sur: les paramètres de réglage du séparateur ou le débit des doseurs, ou le ventilateur de tirage. Gruau Fin Alimentation

27 Construction Sika France27 LE CIMENT Normalisation

28 Construction Sika France 28 Exemple de dénomination CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2* Famille de ciments Il existe : CEM I : ciment Portland CEM II : ciment Portland composé CEM III : ciment de haut fourneau CEM IV : ciment pouzzolanique CEM V : ciment au laitier et aux cendres * Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

29 Construction Sika France 29 Exemple de dénomination CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2* Famille de ciments Il existe : CEM I : ciment Portland CEM II : ciment Portland composé CEM III : ciment de haut fourneau CEM IV : ciment pouzzolanique CEM V : ciment au laitier et aux cendres Quantité de constituants principaux autres que le clinker (en % d’ajout) A : de 6 à 20% B : de 21 à 35 % C : de 36 à 65 % (laitier pour les CEM III) * Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

30 Construction Sika France 30 Exemple de dénomination CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2* Famille de ciments Il existe : CEM I : ciment Portland CEM II : ciment Portland composé CEM III : ciment de haut fourneau CEM IV : ciment pouzzolanique CEM V : ciment au laitier et aux cendres Quantité de constituants principaux autres que le clinker (en % d’ajout) A : de 6 à 20% B : de 21 à 35 % C : de 36 à 65 % (laitier pour les CEM III) Ciment avec au moins 2 constituants principaux autres que le clinker * Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

31 Construction Sika France 31 Exemple de dénomination CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2* Famille de ciments Il existe : CEM I : ciment Portland CEM II : ciment Portland composé CEM III : ciment de haut fourneau CEM IV : ciment pouzzolanique CEM V : ciment au laitier et aux cendres Quantité de constituants principaux autres que le clinker (en % d’ajout) A : de 6 à 20% B : de 21 à 35 % C : de 36 à 65 % (laitier pour les CEM III) Ciment avec au moins 2 constituants principaux autres que le clinker Noms des constituants principaux S : laitier granulé de hauts fourneaux V : cendres volantes siliceuses W : cendres volantes calciques L ou LL : calcaire (en fonction du taux de carbone organique) D : fumée de silice P ou Q : matériaux pouzzolaniques T : Schiste calciné * Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

32 Construction Sika France 32 Exemple de dénomination CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2* Famille de ciments Il existe : CEM I : ciment Portland CEM II : ciment Portland composé CEM III : ciment de haut fourneau CEM IV : ciment pouzzolanique CEM V : ciment au laitier et aux cendres Quantité de constituants principaux autres que le clinker (en % d’ajout) A : de 6 à 20% B : de 21 à 35 % C : de 36 à 65 % (laitier pour les CEM III) Ciment avec au moins 2 constituants principaux autres que le clinker Noms des constituants principaux S : laitier granulé de hauts fourneaux V : cendres volantes siliceuses W : cendres volantes calciques L ou LL : calcaire (en fonction du taux de carbone organique) D : fumée de silice P ou Q : matériaux pouzzolaniques T : Schiste calciné Classes de résistance (résistance caractéristique minimum à 28 jours exprimée en MPa) : 32,5 ou 42,5 ou 52,5 * Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

33 Construction Sika France 33 Exemple de dénomination CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2* Famille de ciments Il existe : CEM I : ciment Portland CEM II : ciment Portland composé CEM III : ciment de haut fourneau CEM IV : ciment pouzzolanique CEM V : ciment au laitier et aux cendres Quantité de constituants principaux autres que le clinker (en % d’ajout) A : de 6 à 20% B : de 21 à 35 % C : de 36 à 65 % (laitier pour les CEM III) Ciment avec au moins 2 constituants principaux autres que le clinker Noms des constituants principaux S : laitier granulé de hauts fourneaux V : cendres volantes siliceuses W : cendres volantes calciques L ou LL : calcaire (en fonction du taux de carbone organique) D : fumée de silice P ou Q : matériaux pouzzolaniques T : Schiste calciné Classes de résistance (résistance caractéristique minimum à 28 jours exprimée en MPa) : 32,5 ou 42,5 ou 52,5 Sous-classes de résistance (résistance caractéristique minimum à 2 jours exprimée en MPa). N : Normal R : Rapide * Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

34 Construction Sika France 34 LES CIMENTS COURANTS (suite) Les ciments sont caractérisés en outre par une des classes de résistance suivantes : R2 (MPa) R7 (MPa) R28 (MPa) garantie Li garantie garantie Li Ls 32.5 --17.5 30  32.5 < 52.5 32.5 R 12  13.5 - 30  32.5 < 52.5 42.5 10  12.5 - 40  42.5 < 62.5 42.5 R 18  20 - 40  42.5 < 62.5 52.5 18  20 - 50  52.5 - 52.5 R 28  30 - 50  52.5 - R2, R7 et R28 sont les résistances à la compression (en MPa), mesurées sur des barrettes de mortier standard de format 4x4x16 cm, à 2j, 7j et 28j.

35 Construction Sika France 35 Exemple de dénomination CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2* Famille de ciments Il existe : CEM I : ciment Portland CEM II : ciment Portland composé CEM III : ciment de haut fourneau CEM IV : ciment pouzzolanique CEM V : ciment au laitier et aux cendres Quantité de constituants principaux autres que le clinker (en % d’ajout) A : de 6 à 20% B : de 21 à 35 % C : de 36 à 65 % (laitier pour les CEM III) Ciment avec au moins 2 constituants principaux autres que le clinker Noms des constituants principaux S : laitier granulé de hauts fourneaux V : cendres volantes siliceuses W : cendres volantes calciques L ou LL : calcaire (en fonction du taux de carbone organique) D : fumée de silice P ou Q : matériaux pouzzolaniques T : Schiste calciné Classes de résistance (résistance caractéristique minimum à 28 jours exprimée en MPa) : 32,5 ou 42,5 ou 52,5 Sous-classes de résistance (résistance caractéristique minimum à 2 jours exprimée en MPa). N : Normal R : Rapide Caractéristiques complémentaires PM : ciment pour travaux à la mer ES : ciment pour travaux en eau à haute teneur en sulfates CP : ciment à teneur en sulfures limitée * Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

36 Construction Sika France 36 LES LABELS COMPLEMENTAIRES (NF) LABEL CP : ciments à teneur en sulfure limitée pour béton précontraint (NF P 15-318) l CP1 : S = < 0.7 % post-tension l CP2 : S = < 0.2 % pré-tension Domaine d’application : ouvrages d’art (en particulier) Principe : limiter les risques de corrosion liés aux sulfures

37 Construction Sika France 37 LES LABELS COMPLEMENTAIRES (NF) LABEL PM : ciments pour travaux à la mer (NF P 15-317) l CEM I : C3A  10 % C3A + 0.27 C3S  23.5 % SO3  2.5 % (3.0 % si C3A  8 %) l CEM II :limitation de SO3, C3A, % ajouts l CEM III :sont PM d’office si % laitier  60 l CEM V :sont PM d’office si CaO  50 % Principe : limiter le C3A pour éviter la formation de sels chlorés ou sulfatés donnant de l’expansion

38 Construction Sika France 38 LES LABELS COMPLEMENTAIRES (NF) LABEL ES : ciments pour travaux en eaux à haute teneur en sulfates (XP P 15-319) l CEM I : C3A  5 % C4AF + 2 C3A  20 % SO3  2.5 % (3.5 % si C3A  3 %) l CEM II :limitation de SO3, C3A, % ajouts l CEM III :sont ES d’office si % laitier  60 l CEM V :sont ES d’office si CaO  50 % Principe : limiter le C3A pour éviter la formation de sels sulfatiques faisant gonfler le béton

39 Construction Sika France 39 Utilisations CIMENTUsages CEM I Béton armé en général coulé sur place ou préfabriqué. Béton précontraint. Décoffrage rapide, mise en service rapide Bétonnage jusqu’à une température extérieure entre 5 et 10° C. Béton étuvé ou auto-étuvé. CEM II / A ou B Ces ciments sont les plus couramment utilisés CEM II/A ou B classe R : travaux nécessitant une résistance initiale élevée (décoffrage rapide par exemple). Béton en élévation, armé ou non, d’ouvrages courants. Fondations ou travaux souterrains en milieux non agressifs. Dallages, sols industriels. Maçonneries. Stabilisation des sols. (de préférence classe R).

40 Construction Sika France 40 Utilisations CIMENTUsages CEM III / A,B ou C Travaux souterrains en milieux agressifs (terrains gypseux, eaux CEM V / A ou B d’égouts, eaux industrielles…). Ouvrages en milieux sulfatés : les ciments utilisés sont tous ES, ciments pour travaux en eaux à haute teneur en sulfates, en conformité à la norme NF P 15-319. Travaux à la mer : les ciments utilisés sont tous PM, ciments pour travaux à la mer, en conformité à la norme NF P 15-317. Bétons de masse. Travaux en béton armé ou non, hydrauliques et souterrains (fondations). Travaux nécessitant une faible chaleur d’hydratation. Stabilisation des sols.

41 Construction Sika France 41 Autres Ciments Ciment prompt (NF P15-314) résistance aux eaux séléniteuses et eaux acides Ciment alumineux fondu (NF P15-315) par temps froid jusqu’à -10°C pour les bétons réfractaires jusqu’à 1300°C Ciment à maçonner (NF P15-307)

42 Construction Sika France 42 INDUSTRIE DU CIMENT MARCHE NATIONAL : 33 Cimenteries et 7 centres de broyage Cimentiers Lafarge12 usines Vicat8 usines Ciments Clacia10 usines Holcim6 usines Lafarge Aluminate3 usines Ciments de l’Adour1 usine Marché du Ciment en France : 20 MM Tm

43 Construction Sika France 43 INDUSTRIE DU CIMENT

44 Construction Sika France 44 INDUSTRIE DU CIMENT

45 Construction Sika France 45 INDUSTRIE DU CIMENT Les cimentiers dans le monde : Prod. annuelle Lafarge + Blue Circle (France) 151 MT Holderbank (Suisse)142 MT Cemex (Mexique) 95 MT Heidelberg Zement (Allemagne) 65 MT Italcementi Group (Italie)59 MT

46 Construction Sika France 46 COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES Le ciment va jouer un rôle très important dans l’obtention des caractéristiques d’un béton dans les domaines de : la rhéologie (béton frais) temps: 0 (gâchage) à qqs heures (mise en place) la résistance mécanique (béton durci): temps: qqs heures (décoffrage) à 28 j (R caractéristique ) la durabilité (béton durci) temps: >> 10 ans (durée de vie de l’ouvrage) Les exemples qui suivent montrent dans quelle mesure ces caractéristiques sont influencées par le type de ciment.

47 Construction Sika France 47 COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES Dans l’exemple qui suit, on peut juger de l’influence de la composition-finesse sur les résistances et sur le dégagement de chaleur, pour 6 ciments de la même usine : Résistance (MPa) = f (jours)Dégagement thermique = f (heures) D7 = 7% fumée de silice L7 = 7% calcaire F2 = 2% filler S22V22 = 22% laitier + 22% cendre

48 Construction Sika France 48 Dans l’exemple suivant, on peut juger de l’influence de la surface spécifique Blaine (SSB) sur les résistances et sur le dégagement de chaleur, pour 3 ciments de type CEM I à base du même clinker et de SSB différentes : COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES Résistance (MPa) = f (jours) Dégagement thermique = f (heures)

49 Construction Sika France 49 La distribution granulométrique du ciment, va influer sur ses performances, en particulier sur sa demande en eau : un ciment avec une courbe granulométrique étroite (en rouge) va avoir une demande en eau plus forte que celui présentant une courbe large (en vert). % de refus cumulé = f (  grains en µm) COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES

50 Construction Sika France 50 L’influence du gypsage sur les caractéristiques du ciment, s’exerce à la fois qualitativement (forme du sulfate) et quantitativement (« optimum de gypsage »). Les différentes formes de sulfate de calcium se distinguent par la solubilité : le gypse : CaSO 4, 2 H 2 O l’hémihydrate (ou plâtre): CaSO 4,1/2 H 2 O l’anhydrite : CaSO 4 des gypses « chimiques » COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES Solubilité (g/litre) = f (min) Phosphogypse Hémihydrate Gypse Anhydrite

51 Construction Sika France 51 Le graphique ci-dessous montre comment ces différences de solubilité influent sur une caractéristique rhéologique : la demande en eau COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES

52 Construction Sika France52 LE CIMENT Hydratation

53 Construction Sika France 53 Les anhydres du clinker au contact de l’eau vont se transformer en silicates et aluminates de calcium hydratés qui vont constituer la phase liante des granulats au sein du béton. DU CLINKER AUX HYDRATES

54 Construction Sika France 54 HYDRATATION DU CIMENT L’hydratation d’un ciment portland peut se décrire comme la résultante de :  l’hydratation des silicates, qui ne met en jeu que C 3 S, C 2 S et l’eau (H),  et l’hydratation des aluminates, qui met en jeu C 3 A, C 4 AF, l’eau (H) et le gypse (CSH 2 ). Ces 2 hydratations se déroulent simultanément mais pas indépendamment l’une de l’autre, du fait de couplages chimiques et thermiques.

55 Construction Sika France 55 HYDRATATION DES SILICATES L’hydratation des silicates conduit à 2 types d’hydrates : (C 3 S, C 2 S) + H CSH + CH  80 %  20 % La portlandite (cristal non-liant) Les C-S-H : peu cristallisés (“gel”) et liants, ce sont les hydrates les plus importants. Le rapport C/S dans ces CSH est typiquement compris entre 1,6 à 1,8.

56 Construction Sika France 56 Pâte de ciment à 7 j : Fibres de CSH (MEB 1100 x) HYDRATATION DES SILICATES (suite)

57 Construction Sika France 57 Pâte de ciment à 7 j : cristaux de portlandite (MEB 7000 x) HYDRATATION DES SILICATES (suite)

58 Construction Sika France 58 HYDRATATION DES SILICATES (suite)

59 Construction Sika France 59 L’hydratation des aluminates, du C 3 A en particulier, obéit à la séquence de réactions suivantes, dans l’ordre 1, 2, 3 : (1) C 3 A + 3CSH 2 + 26 H 2 OC 3 A(CS) 3 H 32 Gypse Ettringite ou trisulfoaluminate (2) 2 C 3 A + C 3 A(CS) 3 H 32 + 4 H 2 OC 3 A(CS)H 12 Ettringite Monosulfoaluminate (3) C 3 A + CH + 12 H 2 O C 4 AH 13 L’effet régulateur de prise du gypse est lié au fait que : (2) ne démarre que quand tout le gypse est consommé dans (1) (3) ne démarre que quand l’ettringite est consommée dans (2) HYDRATATION DES ALUMINATES

60 Construction Sika France 60 HYDRATATION DES ALUMINATES

61 Construction Sika France 61 Aiguilles d’ettringite (MEB 10000 x) HYDRATATION DES ALUMINATES

62 Construction Sika France 62 Cristaux hexagonaux de monosulfoaluminates (MEB 8000 x) HYDRATATION DES ALUMINATES

63 Construction Sika France 63 Cristaux de C 4 AH 13 (MEB 10000 x) HYDRATATION DES ALUMINATES

64 Construction Sika France 64 HYDRATATION DES ALUMINATES En l’absence de sulfate de calcium, l’hydratation conduit rapidement à la formation de cristaux dont la morphologie est défavorable à une bonne rhéologie de la pâte : 2 C 3 A + 21 H 2 O C 4 AH 13 + C 2 AH 8 C 4 AF + H 2 OC 4 (A,F)H 13 + C 2 (A,F)H 8 CRISTAUX HEXAGONAUX MÉTASTABLES C 3 AH 6 + 9H 2 O C 3 (A,F)H 6 + 9H 2 O CRISTAUX CUBIQUES

65 Construction Sika France 65 REGULATION DE LA PRISE ettringite CSH C 4 AH 13 CaSO 4 2H 2 0

66 Construction Sika France 66 EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE Pâte de ciment 1 h 1. Eau 2. Clinker 3. Gypse 4. Bulle d’air 5. Grain de sable 6. C-S-H

67 Construction Sika France 67 Pâte de ciment 2 h - Croissance des aiguilles d’ettringite fig 25 pg 52 EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE

68 Construction Sika France 68 Pâte de ciment 4 h - Prise - Précipitation de cristaux de Portlandite fig 26 pg 53 EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE

69 Construction Sika France 69 Pâte de ciment 3 jours - Durcissement - Apparition de vides fig 247pg 54 EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE

70 Construction Sika France 70 Pâte de ciment 1 mois - Réseau de pores capillaires qui se développe fig 28 pg 55 EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE

71 Construction Sika France71 LES ESSAIS DE CARACTÉRISATION DU CIMENT

72 Construction Sika France 72 LES ESSAIS DE CARACTERISATION Il existe des essais de caractérisation qui se font sur le ciment, sur pâte (ciment + eau) et sur mortier normalisé (ciment + sable CEN + eau). Sur ciment : Finesse - Méthode Blaine (EN 196-6 / NF P 15-476) Masse volumique Granulométrie laser Tamisage Alpine - refus à 40 µm et 80 µm Colorimétrie - Niveau de gris

73 Construction Sika France 73 Sur pâte : Consistance normalisée, temps de prise et stabilité (EN 196-3 / NF P 15-473) Fausse prise - Essai de Tusschenbroeck (NF P18- 363) Sur mortier : Maniabilité (NF P 15-437) Résistances mécaniques (EN 196-1) Retrait gonflement (NF P 15-433) Chaleur d’hydratation (EN 196-9 / NF P 15-436) LES ESSAIS DE CARACTERISATION

74 Construction Sika France 74 Masse volumique On utilise un pycnomètre afin de travailler à volume constant. Le liquide utilisé est non réactif avec le ciment : toluène, cyclohexane La masse volumique des ciments varient de 2,85 à 3,21 g/cm3 LES ESSAIS SUR CIMENT

75 Construction Sika France 75 Finesse - Méthode Blaine (EN 196-6 / NF P 15-476) LES ESSAIS SUR CIMENT K : constante de l’appareil  : viscosité de l’air à T° de l’essai  c : masse volumique du ciment m c : masse de ciment V : volume de la cellule La surface Blaine des ciments varie de 3100 à 6000 cm 2 /g

76 Construction Sika France 76 Consistance normalisée (EN 196-3 / NF P 15-473) LES ESSAIS SUR PÂTE Trouver le rapport E/C pour lequel la sonde de consistance s’arrête à : d = 6 mm ± 1 mm La demande en eau varie de 28% à 33% selon les ciments.

77 Construction Sika France 77 Temps de prise (EN 196-3 / NF P 15-473) On fait une mesure sur une pâte à consistance normalisée. Le temps de début de prise correspond au temps au bout duquel l’aiguille de Vicat s’arrête à d = 4 mm ± 1 mm du fond. On retourne le moule tronconique. Le temps de fin de prise correspond au temps au bout duquel l’aiguille de Vicat munie de son accessoire annulaire ne s’enfonce plus que de 0,5 mm dans la pâte. LES ESSAIS SUR PÂTE

78 Construction Sika France 78 Stabilité (EN 196-3 / NF P 15-473) : Appareil Le Chatelier LES ESSAIS SUR PÂTE On travaille sur pâte normalisée. La stabilité est caractérisée par : Stabilité = C - A (mm) La stabilité permet d’estimer les gonflements que pourraient provoquer les oxydes de calcium et de magnésium contenus dans le ciment. La norme impose pour tous les ciments une stabilité  10 mm

79 Construction Sika France 79 Fausse prise - Essai de Tusschenbroeck (NF P18-363) E/C=0,35 Malaxage 1’ à vitesse rapide Mesures à 3’, 5’, 7’, 10’, 15’ LES ESSAIS SUR PÂTE

80 Construction Sika France 80 Mortier normalisé c’est : Rapport E/C = 0,5 Sable calibré CEN 0/2,5 mm (sac de 1350 g) Rapport S/C = 3 Protocole de malaxage normalisé : LES ESSAIS SUR MORTIER

81 Construction Sika France 81 Maniabilité (NF P 15-437) La maniabilité se mesure à E/C=0,5. Elle caractérise la capacité d’écoulement du mortier sous vibration. La maniabilité des ciments varie de 3 s à plus de 25 s. LES ESSAIS SUR MORTIER

82 Construction Sika France 82 Résistances mécaniques (EN 196-1) Mesures sur 3 éprouvettes prismatiques 4×4×16 cm 3 conservées sous eau à 20°C jusqu’à l’échéance de mesure. LES ESSAIS SUR MORTIER Résistance à la traction par flexion 3 points

83 Construction Sika France 83 Résistances à la compression Mesures sur les 6 demi-éprouvettes prismatiques 4×4×16 cm 3 cassées par flexion. LES ESSAIS SUR MORTIER Résistance à compression avec b = 40 mm

84 Construction Sika France 84 Retrait gonflement (NF P 15-433) Mesure des variations dimensionnelles de prismes 4*4*16 en fonction du temps :  L/L (µm) retrait : éprouvettes conservées à l’air (20°C, Hr=50%) gonflement : éprouvettes conservées dans l’eau (20°C) LES ESSAIS SUR MORTIER

85 Construction Sika France85 LES ADDITIONS POUR BETON

86 Construction Sika France 86 DEFINITION Addition : matériau minéral finement divisé utilisé dans le béton afin d ’améliorer certaines propriétés ou pour lui conférer des propriétés particulières. Il existe deux types d’additions: les additions quasi-inertes (de type I) les additions à caractère pouzzolanique ou hydraulique latent (de type II) (extrait de la norme NF EN 206: « Béton: performances, production et conformité »)

87 Construction Sika France 87 CADRE NORMATIF La norme française du BPE (P 18-305) autorise les additions suivantes, en substitution partielle du ciment : du type I :  les additions calcaires conformes à NF P 18-508  les additions siliceuses conformes à NF P 18-509 du type II :  les cendres volantes de houille conformes à NF EN 450  les fumées de silice conformes à NF EN 13263  les laitiers de haut-fourneau conformes à NF P 18-506

88 Construction Sika France 88 SPECIFICATIONS DES ADDITIONS POUR BETON

89 Construction Sika France 89 L’EFFET FILLER Un filler va réduire le volume de vide entre les grains de ciment. La résultante sur le béton sera :  compacité (imperméabilité)  aspect de parement  ressuage  Rc (à même teneur en eau)   demande en eau (calcaire)

90 Construction Sika France 90 L’EFFET POUZZOLANIQUE Une pouzzolane est un matériau susceptible de libérer de la silice (S) en présence d’un porteur de chaux (C). La silice libérée se combine à la portlandite CH pour former des CSH. La consommation de portlandite non liante et soluble, au profit de CSH est synonyme de :  résistances  durabilité

91 Construction Sika France 91 L’EFFET POUZZOLANIQUE

92 Construction Sika France 92 Les additions de type I (calcaires ou quartzeuses) se comportent essentiellement comme des fillers Les cendres volantes et les fumées de silice sont des pouzzolanes.Le laitier moulu, « hydraulique latent », a un comportement intermédiaire entre celui d’un ciment et celui d’une pouzzolane. Ces 3 additions peuvent simultanément se comporter en fillers, en fonction de leur degré de finesse (les fumées de silice ont un fort effet filler). FILLER, POUZZOLANE, HYDRAULIQUE LATENT

93 Construction Sika France 93 LES CENDRES VOLANTES Les principaux avantages / inconvénients des cendres sont les suivants : maniabilité (écoulement) Rc 28 (effet pouzzolanique) compacité  ressuage  temps de prise  aspect de parement (traces noirâtres)  résistance au gel - dégel

94 Construction Sika France 94 LES CENDRES VOLANTES

95 Construction Sika France 95 LA FUMEE DE SILICE Les principaux avantages / inconvénients de la fumée de silice sont les suivants : Rc 1, Rc 2 (effets filler + pouzzolanique) Rc 28 (effet pouzzolanique) compacité (imperméabilité)  aspect de parement (régularité)  demande en eau  retrait endogène  sensibilité à la cure

96 Construction Sika France 96 LA FUMEE DE SILICE

97 Construction Sika France 97 LE LAITIER DE HAUT-FOURNEAU Les principaux avantages / inconvénients du laitier sont les suivants : résistance chimique (eau de mer, sulfates) résistance à l’alcali -réaction Rc 28 (effet pouzzolanique) parement clair (à partir d’une certaine teneur)  demande en eau  temps de prise  sensibilité à la cure  résistances mécaniques initiales

98 Construction Sika France 98 LE LAITIER DE HAUT-FOURNEAU

99 Construction Sika France99 L’EAU DE GACHAGE

100 Construction Sika France 100 L’EAU DE GACHAGE L’eau de gâchage doit être conforme à la norme NF P 18-303 et satisfaire en particulier les conditions suivantes: béton béton béton précontraint armé non armé chlorures (g/l) < 0.5 < 1.0< 4.5 nitrates (g/l) < 0.5 sucres, phosphates, Pb, Zn (g/l) < 0.1 sulfates (g/l) < 2.0 alcalins (g/l) < 1.5 En outre, par rapport à de l’eau distillée, l’eau ne doit pas induire de variation du temps de prise > 25%, et de baisse de Rc7 > 10 %.

101 Construction Sika France 101 L’EAU DE GACHAGE (suite) L’eau de lavage récupérée des installations de recyclage de l’industrie du béton, peut être utilisée comme eau de gâchage des bétons dans la mesure où: la quantité de fines apportées est < 1.5 % de la masse totale de granulats son influence éventuelle vis-à-vis des prescriptions particulières est prise en compte elle est répartie le plus également possible sur la production de la journée