2 le ciment
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Le ciment
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SOMMAIRE
Généralités
La ligne de fabrication
Le cru
La cuisson
La fabrication du ciment
Les ciments courants
Composition + finesse = performances
L ’hydratation
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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
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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, …
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NOTATION CHIMIQUE CIMENTIERELa chimie du ciment se construit essentiellement à partir des 4 oxydes majeurs suivants :
CaO = C
SiO2 = S présents dans les matières premières,
Al2O3 = A et qui vont former les silicates et
Fe2O3 = F les aluminates de calcium du clinker :
(CaO)3SiO2 ou C3S (silicate tricalcique) ou (alite)
(CaO)2SiO2 ou C2S (silicate bicalcique) ou (bélite)
(CaO)3Al2O3 ou C3A (aluminate tricalcique)
(CaO)4Al2O3Fe2O3 ou C4AF (alumino-ferrite tetracalc.)
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LE CIMENT
Fabrication
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• 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
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LIGNE DE FABRICATION DU CIMENTLa 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)
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LIGNE DE FABRICATION DU CIMENTLa 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.
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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), ...
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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.
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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 CO2 et de H2O) et des oxydes mineurs: MgO, K2O, ...
• La composition minéralogique potentielle du clinker peut être calculée à partir de la composition élémentaire du cru par les formules de Bogue :
C3S = 4.07 C - 7.60 S - 6 72 A - 1.43 F
C2S = - 3.07 C + 8.60 S + 5.07 A + 1.08 F
C3A = 2.65 A - 1.69 F
C4AF = 3.04 F
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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 C3S, C2S, C3A, et C4AF 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)
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LA FABRICATION DU CRU (suite)Les 2 étapes du broyage sont illustrées ci-dessous:
le concasseur primaire le broyeur, de type vertical à
(max 50 mm) piste ou horizontal à boulets (cas du schéma ci-dessous)
(refus 80µm 10 %)
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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)
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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).
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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
EchantillonAnalyseCalcul de cru
AIR
R
V
Broyeur à cru
Salle de Contrôle
Laboratoire
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LIGNE DE CUISSON
• La ligne de cuisson (de l’alimentation du four au silo de stock clinker)
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LA CUISSONLa 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°C1000°C
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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
T1 T2
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LA CUISSON (suite)
• La trempe du clinker va permettre de stabiliser l’alite (d’éviter sa rétrogradation en bélite et chaux libre secondaire: C3S -> C2S + C)
• elle va aussi influencer le mode de cristallisation de C3A et C4AF, composants principaux de la phase liquide.
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COMPOSITION D’UN CLINKER PORTLAND
La composition moyenne d’un clinker gris est la suivante :
C3S (alite) : 60-70 %
C2S (bélite) : 10-20 %
C3A : 0-14 %
C4AF : 7-14 %
C (CaO libre) : 1 %
Les aluminates (C3A,C4AF) constituent la phase interstitielle entourant les cristaux hexagonaux d’alite (C3S) et les grains bistriés de bélite (C2S).
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• La ligne de fabrication du ciment (de l ’alimentation des broyeurs aux silos d’expédition ciments)
LIGNE DE FABRICATION DU CIMENT
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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).
EchantillonContrôle composition + finesse
Broyeur à ciment
Salle de Contrôle
Laboratoire
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LA FABRICATION DU CIMENT (suite)
broyeur
filtre1
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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 doseuses2: séparateur dynamique3: élévateur4: séparateur statique5 ventilateur de tirage
fingruau
Air chaud
Clinker
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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
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LE CIMENT
Normalisation
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Exemple de dénomination
CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2*
Famille de cimentsIl existe :CEM I : ciment PortlandCEM II : ciment Portland composéCEM III : ciment de haut fourneauCEM IV : ciment pouzzolaniqueCEM V : ciment au laitier et aux cendres
* Voir la norme française du ciment NF EN 197-1
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Exemple de dénomination
CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2*
Famille de cimentsIl existe :CEM I : ciment PortlandCEM II : ciment Portland composéCEM III : ciment de haut fourneauCEM IV : ciment pouzzolaniqueCEM V : ciment au laitier et aux cendres
Quantité de constituantsprincipaux 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
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Exemple de dénomination
CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2*
Famille de cimentsIl existe :CEM I : ciment PortlandCEM II : ciment Portland composéCEM III : ciment de haut fourneauCEM IV : ciment pouzzolaniqueCEM V : ciment au laitier et aux cendres
Quantité de constituantsprincipaux 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 moins2 constituants principaux autres que le clinker
* Voir la norme française du ciment NF EN 197-1
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Exemple de dénomination
CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2*
Famille de cimentsIl existe :CEM I : ciment PortlandCEM II : ciment Portland composéCEM III : ciment de haut fourneauCEM IV : ciment pouzzolaniqueCEM V : ciment au laitier et aux cendres
Quantité de constituantsprincipaux 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 moins2 constituants principaux autres que le clinker
Noms des constituants principauxS : laitier granulé de hauts fourneauxV : cendres volantes siliceusesW : cendres volantes calciquesL ou LL : calcaire (en fonction du taux de carbone organique)D : fumée de silice P ou Q : matériaux pouzzolaniquesT : Schiste calciné
* Voir la norme française du ciment NF EN 197-1
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Exemple de dénomination
CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2*
Famille de cimentsIl existe :CEM I : ciment PortlandCEM II : ciment Portland composéCEM III : ciment de haut fourneauCEM IV : ciment pouzzolaniqueCEM V : ciment au laitier et aux cendres
Quantité de constituantsprincipaux 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 moins2 constituants principaux autres que le clinker
Noms des constituants principauxS : laitier granulé de hauts fourneauxV : cendres volantes siliceusesW : cendres volantes calciquesL ou LL : calcaire (en fonction du taux de carbone organique)D : fumée de silice P ou Q : matériaux pouzzolaniquesT : 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
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Exemple de dénomination
CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2*
Famille de cimentsIl existe :CEM I : ciment PortlandCEM II : ciment Portland composéCEM III : ciment de haut fourneauCEM IV : ciment pouzzolaniqueCEM V : ciment au laitier et aux cendres
Quantité de constituantsprincipaux 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 moins2 constituants principaux autres que le clinker
Noms des constituants principauxS : laitier granulé de hauts fourneauxV : cendres volantes siliceusesW : cendres volantes calciquesL ou LL : calcaire (en fonction du taux de carbone organique)D : fumée de silice P ou Q : matériaux pouzzolaniquesT : 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 : NormalR : Rapide
* Voir la norme française du ciment NF EN 197-1
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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.
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Exemple de dénomination
CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2*
Famille de cimentsIl existe :CEM I : ciment PortlandCEM II : ciment Portland composéCEM III : ciment de haut fourneauCEM IV : ciment pouzzolaniqueCEM V : ciment au laitier et aux cendres
Quantité de constituantsprincipaux 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 moins2 constituants principaux autres que le clinker
Noms des constituants principauxS : laitier granulé de hauts fourneauxV : cendres volantes siliceusesW : cendres volantes calciquesL ou LL : calcaire (en fonction du taux de carbone organique)D : fumée de silice P ou Q : matériaux pouzzolaniquesT : 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 : NormalR : Rapide
Caractéristiques complémentairesPM : ciment pour travaux à la merES : ciment pour travaux en eau à haute teneur en sulfatesCP : ciment à teneur en sulfures limitée
* Voir la norme française du ciment NF EN 197-1
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LES LABELS COMPLEMENTAIRES (NF)
LABEL CP : ciments à teneur en sulfure limitée pour béton précontraint (NF P 15-318)
CP1 : S= < 0.7 % post-tension
CP2 : S= < 0.2 % pré-tension
Domaine d’application : ouvrages d’art (en particulier)
Principe : limiter les risques de corrosion liés aux sulfures
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LES LABELS COMPLEMENTAIRES (NF)
LABEL PM : ciments pour travaux à la mer (NF P 15-317)
CEM I : C3A 10 %C3A + 0.27 C3S 23.5 %SO3 2.5 % (3.0 % si C3A 8 %)
CEM II : limitation de SO3, C3A, % ajouts
CEM III : sont PM d’office si % laitier 60
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
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LES LABELS COMPLEMENTAIRES (NF)LABEL ES : ciments pour travaux en eaux à haute teneur en sulfates (XP P 15-319)
CEM I : C3A 5 %C4AF + 2 C3A 20 %SO3 2.5 % (3.5 % si C3A 3 %)
CEM II : limitation de SO3, C3A, % ajouts
CEM III : sont ES d’office si % laitier 60
CEM V : sont ES d’office si CaO 50 %
Principe : limiter le C3A pour éviter la formation de sels sulfatiques faisant gonfler le béton
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Utilisations
CIMENT Usages
CEM I Béton armé en général coulé sur place ou préfabriqué.Béton précontraint.Décoffrage rapide, mise en service rapideBétonnage 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 utilisésCEM 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).
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Utilisations
CIMENT Usages
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.
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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)
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INDUSTRIE DU CIMENT
MARCHE NATIONAL : 33 Cimenteries et 7 centres de broyage
Cimentiers
Lafarge 12 usines
Vicat 8 usines
Ciments Clacia 10 usines
Holcim 6 usines
Lafarge Aluminate 3 usines
Ciments de l’Adour 1 usine
Marché du Ciment en France : 20 MM Tm
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INDUSTRIE DU CIMENT
PRODUCTION DE CIMENT EN FRANCE (millions de tonnes)
0
5
10
15
20
25
30
35
1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000
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INDUSTRIE DU CIMENT
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INDUSTRIE DU CIMENTLes 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
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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 (Rcaractéristique)
• 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.
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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 :
0
10
20
30
40
50
60
0 4 8 12 16 20 2412.5
22.5
32.5
42.5
52.5
62.5
72.5
0 7 14 21 28
I 52.5 R
I 42.5 R
II 52.5 R (D7)
II 42.5 R (L7)
II 32.5 R (L21F2)
V 42.5 (S22V22)
Résistance (MPa) = f (jours) Dégagement thermique = f (heures)
D7 = 7% fumée de siliceL7 = 7% calcaireF2 = 2% fillerS22V22 = 22% laitier + 22% cendre
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Sika France
• 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
12.5
22.5
32.5
42.5
52.5
62.5
72.5
0 7 14 21 28
5050 cm2/g
3890 cm2/g
3270 cm2/g
0
10
20
30
40
50
60
0 4 8 12 16 20 24
Résistance (MPa) = f (jours) Dégagement thermique = f (heures)
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• 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).
0
20
40
60
80
100
1 10 100
% de refus cumulé = f ( grains en µm)
COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES
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• 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 : CaSO4, 2 H2O l’hémihydrate (ou plâtre): CaSO4,1/2 H2O l’anhydrite : CaSO4 des gypses « chimiques »
COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES
0
1
2
3
4
5
6
0 1 2 3 4
Solubilité (g/litre) = f (min)
Phosphogypse
Hémihydrate
Gypse
Anhydrite
Co
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28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
01/01/94 02/04/94 02/07/94 01/10/94 31/12/94
Clinker 1 + Anhydrite
Clinker 2 + Anhydrite
Clinker 2 + Gypse
• Le graphique ci-dessous montre comment ces différences de solubilité influent sur une caractéristique rhéologique :
la demande en eau
COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES
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LE CIMENT
Hydratation
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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
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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 C3S, C2S et l’eau (H),
et l’hydratation des aluminates, qui met en jeu C3A, C4AF, l’eau (H) et le gypse (CSH2).
Ces 2 hydratations se déroulent simultanément mais pas indépendamment l’une de l’autre, du fait de couplages chimiques et thermiques.
Co
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HYDRATATION DES SILICATESL’hydratation des silicates conduit à 2 types d’hydrates :
(C3S , C2S) + 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.
Co
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Pâte de ciment à 7 j : Fibres de CSH (MEB 1100 x)
HYDRATATION DES SILICATES (suite)
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Pâte de ciment à 7 j : cristaux de portlandite (MEB 7000 x)
HYDRATATION DES SILICATES (suite)
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HYDRATATION DES SILICATES (suite)
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L’hydratation des aluminates, du C3A en particulier, obéit à la séquence de réactions suivantes, dans l’ordre 1, 2, 3 :
(1) C3A + 3CSH2 + 26 H2O C3A(CS)3H32
Gypse Ettringite ou trisulfoaluminate
(2) 2 C3A + C3A(CS)3H32 + 4 H2O C3A(CS)H12
Ettringite Monosulfoaluminate
(3) C3A + CH + 12 H2O C4AH13
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
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HYDRATATION DES ALUMINATES
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Aiguilles d’ettringite (MEB 10000 x)
HYDRATATION DES ALUMINATES
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Cristaux hexagonaux de monosulfoaluminates (MEB 8000 x)
HYDRATATION DES ALUMINATES
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Cristaux de C4AH13 (MEB 10000 x)
HYDRATATION DES ALUMINATES
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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 C3A + 21 H2O C4AH13 + C2AH8
C4AF + H2O C4(A,F)H13 + C2(A,F)H8
CRISTAUX HEXAGONAUX MÉTASTABLES
C3AH6 + 9H2O
C3(A,F)H6+ 9H2O
CRISTAUX CUBIQUES
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REGULATION DE LA PRISETemps d'hydratation
10 min 1 h 3 h
Réactivitéclinker
Disponibilitédes sulfatesen solution
Hydratation
Faible Faible
Haute Haute
Haute Faible
Faible Haute
ettringite
CSH
C4AH13
CaSO42H20
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EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE
Pâte de ciment 1 h
1. Eau1. Eau2. Clinker2. Clinker3. Gypse3. Gypse4. Bulle d’air4. Bulle d’air5. Grain de sable5. Grain de sable6. C-S-H6. C-S-H
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Pâte de ciment 2 h - Croissance des aiguilles d’ettringite
fig 25 pg 52
EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE
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Pâte de ciment 4 h - Prise - Précipitation de cristaux de Portlandite
fig 26 pg 53
EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE
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Pâte de ciment 3 jours - Durcissement - Apparition de vides
fig 247pg 54
EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE
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Pâte de ciment 1 mois - Réseau de pores capillaires qui se développe
fig 28 pg 55
EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE
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LES ESSAIS DE CARACTÉRISATION DU
CIMENT
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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
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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
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Masse volumiqueOn 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
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Finesse - Méthode Blaine (EN 196-6 / NF P 15-476)
LES ESSAIS SUR CIMENT
.1,0
1.
1.
1..
3
p
ptKS
c
500,0.
1
c
c
V
mp
K : constante de l’appareil
: viscosité de l’air à T° de l’essai
c : masse volumique du ciment
mc : masse de ciment
V : volume de la cellule
La surface Blaine des ciments varie de 3100 à 6000 cm2/g
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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 La demande en eau varie de 28% à 33% varie de 28% à 33% selon les ciments.selon les ciments.
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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
Co
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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
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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
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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
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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
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Résistances mécaniques (EN 196-1)Mesures sur 3 éprouvettes prismatiques
4×4×16 cm3 conservées sous eau à 20°C jusqu’à l’échéance de mesure.
LES ESSAIS SUR MORTIER
Résistance à la traction par flexion 3 points
3
..5,1
b
lFRf
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Résistances à la compressionMesures sur les 6 demi-éprouvettes prismatiques
4×4×16 cm3 cassées par flexion.
LES ESSAIS SUR MORTIER
Résistance à compression
avec b = 40 mm
2b
FRf c
Co
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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
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LES ADDITIONS POUR BETON
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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 »)
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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
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SPECIFICATIONS DES ADDITIONS POUR BETONcendres fumée silice
NF EN 450 NF EN 13263stat garantie stat garantie stat stat
teneur en eau (%) < 1 < 0.5masse volumique (kg/m3) Li > 2600 > 2550 écart à moyenne
Ls < 2700 < 2750 < 150refus à 45 µm (%) Ls < 40passant à 63 µm (%) Li > 70 > 65 Li > 55 > 52.5passant à 160 µm (%) Li > 95 > 92.5SSB ou BET (m2/kg) Li > 220 > 200 Li > 150 > 140 Li > 15000Indice d'activité 28 j (90 j) Li > 0.71 > 0.68 Li > 0.70 > 0.68 Li > 0.75 (0.85)Valeur de bleu Ls < 1.0 < 1.3 Ls < 10 < 11.5% matières organiques Ls < 0.2% perte au feu Ls < 0.15 < 0.20 Ls < 5.0 Ls < 4.0% carbonates (CaCO3 éq.) Li > 90 (65) > 87 (62)% chlorures Ls < 0.1 Ls < 0.10 < 0.10 Ls < 0.10 Ls < 0.3% SO3 (sulfates) Ls < 0.15 Ls < 3.0 Ls < 2.0% S (soufre total) Ls < 0.40 Ls < 0.15 < 0.20% SiO2 Li > 96 > 93.5 Li > 85% Silice libre Ls < 0.4% CaO libre Ls < 1.0 (2.5) Ls < 1.0Stabilité (mm) Ls < 10
calcaire siliceux (A)NF P 18-508 NF P 18-509
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L’EFFET FILLERUn 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)
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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
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L’EFFET POUZZOLANIQUE
% de portlandite en fonction du temps (en mois)
0
2
4
6
8
10
12
14
0 1 2 3 4 5 6
CEM I 52.5 R
CEM II/A 52.5(FS=7%)
CEM V/A 32.5(L=23%, CV=23%)
CEM III/B 32.5(L=68%)
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• 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
Co
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LES CENDRES VOLANTESLes 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
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LES CENDRES VOLANTES
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LA FUMEE DE SILICELes 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
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LA FUMEE DE SILICE
Co
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LE LAITIER DE HAUT-FOURNEAULes 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
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LE LAITIER DE HAUT-FOURNEAU
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L’EAU DE GACHAGE
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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 arméchlorures (g/l) < 0.5 < 1.0 < 4.5nitrates (g/l) < 0.5sucres, phosphates, Pb, Zn (g/l) < 0.1sulfates (g/l) < 2.0alcalins (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 %.
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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
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