Formation «Ciment» DR Mediatheque Lafarge. ALEXANDER PISCH BLANDINE ALBERT Octobre 2009

Transcription

1 Formation «Ciment» DR Mediatheque Lafarge ALEXANDER PISCH BLANDINE ALBERT Octobre 2009

2 SOMMAIRE Principes de l hydratation du ciment Les différents types de ciment (normes). Chiffres-clés du ciment. Historique du béton Fabrication du béton prêt à l emploi Produits spéciaux issus de la recherche 2

3 1. Le Ciment Portland : un liant hydraulique Définition : CIMENT [simã]. n.m. (fin XIIIe ; lat. caementum "pierre naturelle"). Le ciment est un liant hydraulique, une matière inorganique finement moulue qui, gâchée avec de l eau, forme une pâte qui fait prise et durcit en réaction au processus d hydratation. Après durcissement, cette pâte conserve sa résistance et sa stabilité, même sous l eau. Le ciment est un constituant de base du béton. Le ciment hydraté constitue un liant entre des gravillons (dans les bétons), entre des blocs (mortiers de pose de blocs béton, mortier-colle de carrelages ). `çååêéíé 3 Un «bon» matériau cimentaire : Des constituants, un dosage et une mise en œuvre appropriés. Tout un métier R=ãã

4 Prise et durcissement On passe d une suspension à un matériau durci ( «pierre liquide»). Structure Propriétés Béton «frais» Béton «durci» Suspension concentrée de grains de ciment anhydre et de granulats. Matériau «dur». Matériau poreux (matrice solide + solution interstitielle + phase gazeuse). Propriétés rhéologiques : Maniabilité, coulabilité. Propriétés mécaniques + d autres (durée de vie, esthétique ) 4

5 Terminologie Temps Raidissement : le matériau frais perd de sa consistance plastique et devient moins maniable («ça tire»). Prise : Solidification de la pâte. Début de prise : début de solidification (la pâte n est plus maniable). Fin de prise : Solidification finale. Durcissement : Acquisition des résistances mécaniques. COMMENT S OPERE S CE PASSAGE? 5

6 Composition typique d un ciment Portland Composition typique d un ciment : (%) Massique C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF Chaux libre Sulfates d alcalins. MgO gypsum 6 Phases réactives en présence d eau.

7 Principe d hydratation selon Le Chatelier L'hydratation du ciment commence dès le gâchage, c'est-à-dire lorsque le ciment anhydre est mis en contact avec de l'eau. Le principe général de l'hydratation du ciment a été énoncé par Le Chatelier. Ce principe est le suivant : Photo Le Chatelier. Henry LE CHATELIER ( ) 7 Dissolution des phases anhydres du clinker L'eau de gâchage est sous-saturée vis-à-vis des phases anhydres du clinker, qui se dissolvent. Obtention d'une solution sursaturée vis-à-vis de phases hydratées Avec la dissolution des composés anhydres, l'eau de gâchage devient riche en calcium, silicium, sulfates, aluminium et alcalins. Le seuil de saturation de phases hydratées est atteint. Précipitation de phases hydratées.

8 Réactions de dissolution/précipitation. 8 La suspension EAU+CIMENT se trouve fortement sous-saturée par rapport aux phases anhydres du clinker, qui vont se dissoudre. La solution va ensuite devenir saturée, voire sur-saturée par rapport aux d autres phases, des hydrates.

9 Réactions d hydratation des silicates H 2 O C 3 S C 1.7 -S-H Ca(OH) 2 «C-S-H» Portlandite C 2 S H 2 O C 1.7 -S-H Ca(OH) 2 «C-S-H» Portlandite 9

10 Réactions d hydratation des silicates C 3 A + Ca(OH) H 2 O C 4 AH n Problèmes : -Prise «flash» (raidissement vers 15 mn) Problème de maniabilité. -Les produits d hydratation précipitent sur des silicates de calcium (C 3 S, C 2 S) et les empêchent de s hydrater. 10

11 Hydratation des aluminates en présence de sulfate de calcium Gypse C 3 A Eau Ca 2+ SO 4 2- Ca 2+ Al(OH) 4 - En présence d eau, dissolution superficielle du C 3 A et du gypse. Précipitation d ettringite à la surface des grains de clinker. Nouveau schéma réactionnel. clinker 11

12 Hydratation des aluminates en présence de sulfate de calcium C 3 A + 3 CaSO 4.2H 2 O + 26 H 2 O C 6 AS 3 H 32 Ettringite Trisulfo-aluminate de calcium A l épuisement de la source de sulfate de calcium, le C 3 A résiduel réagit avec l ettringite formée pour former du monosulfoaluminate de calcium : C 6 AS 3 H C 3 A 3 C 4 ASH 12 Monosulfo aluminate de calcium 12 HYDRATATION DE C 4 AF : même schéma avec Fe ayant le même comportement que Al.

13 Enchaînement des étapes t = 0 Pâte de ciment à e/c voisin de Le caractère polyphasique des grains de ciment entraîne de nombreuses possibilités d interactions physique et chimique

14 Enchaînement des étapes Pâte de ciment à e/c voisin de 0.4 ( t = 1 heure ) Mouillage : Hydratation superficielle instantanée des particules lorsqu elles entrent en contact avec l eau 14

15 Enchaînement des étapes Pâte de ciment à e/c voisin de 0.4 ( t = 2 heures ) Période d induction des silicates : - Ca en solution augmente progressivement - Formation d une couche de CSH en surface des grains (tendance des hydrates à précipiter dans les zones de concentration maximum autour des granules de ciment et non dans le volume de la solution où les concentrations ioniques sont inférieures et uniformes). La formation d aiguilles enchevêtrées (ettringite, gypse) peut produire un raidissement de la pâte 15 Réaction du C 3 A avec l eau et le sulfate de calcium pour former de l ettringite.

16 Enchaînement des étapes Pâte de ciment à e/c voisin de 0.4 ( t = 5 heures ) Fin de la période dormante avec la précipitation de la portlandite qui joue le role de «gâchette» de la prise Période d accélération des silicates. Poursuite formation d ettringite. La percolation des contacts assurés par les différents hydrates donne la signification physique de la prise 16

17 Enchaînement des étapes Pâte de ciment à e/c voisin de 0.4 ( t = 24 heures ) Durcissement. La porosité se remplit progressivement de CSH, Les résistances se développent Le flux de chaleur diminue La vitesse de dissolution diminue rapidement à cause de la formation des hydrates et de la modification conséquente des gradients de concentration. Les dimensions des capillaires contenant l eau diminuent L eau a plus de difficulté à traverser l épaisseur des produits hydratés pour atteindre les surfaces anhydres du clinker. Les sulfates sont épuisés conversion de l ettringite en Monosulfoaluminate. La fin de connexion des grains se traduit par la stabilisation du coefficient de Poisson et une augmentation moins forte du module de cisaillement G 17

18 Passage suspension / pâte durcie Les amas connectés sont de plus en plus gros Les amas non connectés sont de plus en plus petits Percolation des liaisons entre particules Module d Young croissant. 18

19 Cinétique globale Air Solution interstitielle («jus») Très basique (ph à 13 environ). Hydrates Ciment anhydre résiduel 19

20 20 Origine de la cohésion?

21 Phases à l origine de ces forces : les «mystérieux» C-S-H Groupe de phases qui a donné (et donne toujours) l occasion de grands débats Est-ce un cristal? Ou un gel? Faible signal en DRX nanocristaux (arrangement sur quelques nm). Quelle est sa composition? Rapport Ca/Si variable, selon la composition en Ca de la solution interstitielle ; peut intégrer d autres éléments (Al, Fe). Quelle est sa structure? Démystifiée vers 1995 grâce à des mesures de RMN du solide ( 29 Si). 21

22 Phases à l origine de ces forces : les «mystérieux» C-S-H Structure modèle : Tobermorite 11Å (minéral naturel) CSH Variation du rapport C/S via la variation des chaînes de silicates. 22

23 2. Différents types de ciment Le ciment évoqué dans ses cours : CEM I = 95% de clinker + 5%Autres (hors gypse). Il existe d autres ciments dits composés : Clinker + autre constituant. Norme européenne : 23

24 Les constituants des ciments Propriétés hydrauliques. Propriétés hydrauliques latentes. Propriétés pouzzolaniques : faculté de former à température ordinaire, en présence d eau, par combinaison avec la chaux, des composés hydratés, stables (CSH, + sulfoaluminates de calcium hydratés). Améliorent certaines qualités du ciment (accroissement de la maniabilité, diminution du ressuage, teinte, etc ). 24 Propriétés hydrauliques.

25 Classes mécaniques des ciments Résistances garanties sur mortier normalisé Exemples : CEM I 52.5 R CEM II/A-LL 42.5 N CEM III/B-V 32.5 R 25

26 D autres ciments, hors EN Le ciment prompt naturel (CNP) NF P Le ciment prompt naturel, à prise et durcissement rapides, résulte de la cuisson à température modérée, d un calcaire argileux de composition régulière, extrait de bancs homogènes, suivie d un broyage très fin. Le ciment prompt naturel est caractérisé par la présence de silicates de calcium, essentiellement sous forme de silicate bicalcique actif, d aluminate de calcium riche en alumine et de sulfo-aluminate de calcium qui est une spécificité du produit. 26

27 D autres ciments, hors EN Le ciment alumineux fondu (CA) NF P (en cours de remplacement par NF EN ciments d aluminates de calcium) Le ciment alumineux fondu (ou ciments d aluminates de calcium) est un liant hydraulique qui résulte de la mouture, après cuisson jusqu à la fusion, d un mélange composé principalement d alumine, de chaux, d oxydes de fer et de silice, dans des proportions telles que le ciment obtenu renferme une masse d alumine n excédant pas 30 % de la masse de ciment. Sa découverte : Début 1900, Jules Bied, directeur du laboratoire de la société Pavin de Lafarge, découvre le Ciment Fondu, fabriqué à partir de calcaire et de bauxite, alors qu'il était à la recherche d'un liant hydraulique qui ne soit attaqué ni par l'eau de mer ni par les eaux sulfatées Liants géotechniques NF P Composés essentiellement de laitier et de clinker ; permettent de valoriser des sols en modifiant leurs caractéristiques géotechniques.

28 28 3. Chiffres-clés / Monde

29 Chiffres-clés / France Cimenteries + stations de broyage 29

30 30 Chiffres-clés / France

31 31 Chiffres-clés / France

32 32

33 4. HISTORIQUE DU BETON 33

34 34

35 35 5. Domaines d utilisation du ciment : bétons, etc

36 Propriétés désirées des bétons Composition Volumique : OUVRABILITÉ RÉSISTANCES MÉCANIQUES DURABILITÉ 36

37 OUVRABILITÉ Liée au volume de pâte. Peut être modifiée par des adjuvants type plastifiant, superplastifiant. 37

38 OUVRABILITÉ Le malaxage entraîne un cisaillement local important au sein de la pâte (action des granulats sur la pâte) Dispersion des fines. + L usage de molécules organiques appelées plastifiant ou superplastifiant permet d augmenter la défloculation (dispersant polyélectrolyte). Molécules de superplastifiant adsorbées. Exemple de POE utilisé comme superplastifiant : Mécanismes: 38 Particule de ciment VIDEO R. Flatt

39 RESISTANCES MÉCANIQUES Le béton est un matériau est performant en compression, moins en traction. Les bétons sont vendus avec des résistances en compression garanties. Paramètre influençant la résistance en compression d un béton : rapport Eau /Ciment (qui conditionne la porosité) et la résistance propre du ciment. Un modèle, la formule de Bolomey : Coeff lié aux granulats Masse de ciment (kg/m 3 ) 39 Rc du béton à 28 jours. Résistance du ciment utilisé, mesurée sur mortier normalisé à 28j. Volume d air et d eau (l/m 3 )

40 OPTIMISATION DE L EMPILEMENT GRANULAIRE Effet sur la rhéologie et les résistances mécaniques Un levier d optimisation en formulation qui a permis d élaborer des bétons à hautes performances : l optimisation de l empilement granulaire. VIDEO 40

41 DURABILITÉ Des résistances, oui, mais pour combien de temps? Risque d endommagement des bétons (hors armatures) : Dégradation mécanique : abrasion, fatigue. Attaque externe : pénétration dans le béton d agents «agressifs» qui réagissent avec les phases du ciment hydraté déstabilisation de l assemblages d hydrates Chute des résistances. Cycles de gel/dégel en présence ou pas de sels de déverglaçage. Attaque interne : modification de l assemblage d hydrates du fait de réactions internes (RSI, réactions alcali-granulats, réactions avec des sulfates venant des granulats). Risque d endommagement des armatures métalliques, qui ne jouent plus leur rôle. 41

42 ATTAQUES CHIMIQUES Déstabilisation de l assemblage d hydrates Déstructuration des bétons. Exemple : attaque sulfatique externe. Béton immergé dans une eau riche en ions sulfates (SO 4 2- ). Le monosulfoaluminate de calcium et les grains de C 3 A résiduels réagissent avec les sulfates pour former des cristaux d ettringite Expansion Fissuration. 42 Il faut recourir à un type de ciment spécifique pauvre en C 3 A, et avoir une microstructure dense (rapport Eau/Ciment faible). Cf. Normalisation du pays.

43 ATTAQUES CHIMIQUES Attaque par des solutions acides. Exemple d un tuyau en béton pour eaux usées (présence de H 2 S) : Il faut recourir à un type de ciment résistant aux attaques chimiques (ciment au laitier, ciment alumineux) et avoir une microstructure dense (rapport Eau/Ciment faible). Cf. Normalisation du pays. 43

44 ATTAQUE PAR L EAU DE MER Il faut recourir à un type de ciment spécifique («PM») et avoir une microstructure dense (rapport Eau/Ciment faible). Cf. Normalisation du pays. 44

45 ALCALI-RÉACTION Si utilisation de granulats siliceux mal cristallisés, qui sont réactifs en milieu basique. 45

46 ALCALI-RÉACTION Formation d un gel de silice riche en alcalins à caractère expansif Fissuration des bétons. Prévention : Caractérisation des granulats. Formule de béton à bilan d alcalins faible. Possibilité de pratiquer un test dit de performance accéléré. 46

47 CYCLES DE GEL/DEGEL Recours à un entraîneur d air pour obtenir un réseau de bulles d air. + Rc élevées (35MPa mini) + Ciment «PM» si sels de déverglaçage. 47

48 CORROSION DES ARMATURES En milieu basique, les armatures sont dites «passives» (formation d une couche d oxyde protectrice Fe(OH) 2 et Fe 3 O 4 ). Si baisse du ph (<10) ou pénétration de chlorures, formation d un autre type d oxydes («rouille» commune), qui a une densité différente Expansion Fissuration du béton. 48

49 CORROSION D ARMATURES Corrosion due à la carbonatation : Extérieur CO 2 (0,03 % - 1 %) - Expansion - section effective - Coulée de rouille 49 M. Thiery.

50 CORROSION D ARMATURES Corrosion due à la carbonatation (suite) : Utilisation de phénolphtaléine comme indicateur de basicité. ph<9 ph>9 X C Progression carbonatation 50

51 CORROSION D ARMATURES Corrosion par les chlorures : Milieu côtier, ouvrages en contact avec des sels de déverglaçage. Au lieu de Fe(OH) 2 et Fe 3 O 4 (couche protectrice) => formation de FeCl2 et FeCl3 solubles => pas de passivation => corrosion Dans le temps, ces chlorures de fer donnent du Fe 2 O 3 et Fe(OH) 3 (rouille) et du CaCl 2 (avec le Ca du béton). 51 Zone d embruns Zone de marnage

52 52 CHIFFRES-CLES

53 53 CHIFFRES-CLES

54 PROCESSUS DE FABRICATION BPE : Béton Prêt à l Emploi. Fabrication en centrale à béton. Stockage des matières premières (ciment, granulats, Adjuvants). Pesée, Malaxage. 54

55 55

56 Mise en place sur chantier Cement Plant Quarry of aggregates Ready-Mix Plant Precast Steel or wood formwork Facility to settle down fresh concrete made with these new bonders? Risk of defaults (holes), bleeding (segregation) Vibration. Protection from dessiccation. Curing time. If strength ok, 56

57 6. ASPECT NORMATIF 57 P. GUIRAUD

58 58 EN 206.1

59 EN / Exemple de classe d exposition XC (risque de corrosion due à la carbonatation du béton) 59 Les classes d exposition conditionnent la teneur en liant (valeur mini), le rapport Eau / Liant (valeur maxi), le type de ciment et d additions.

60 7. INNOVATIONS Ciment alumineux 1908 BHP (Rc > 60MPa) Années 90 BFUP Vers BAP Bétons autoplaçants (Agilia ) en France. Ciment sans poussière (Sensium ) Bétons à décoffrage rapide (Chronolia ) 2007 Bétons de dallage de grande surface (Extensia ) 2007 A venir fin 2009 : Bétons isolants. 60

61 BFUP Produit Lafarge Ductal Ductal est un béton : ultra-hautes performances : sa résistance est 6 à 8 fois supérieure à celle d'un béton traditionnel, fibré : il contient des fibres métalliques qui le rendent ductile. Résistant à la flexion, il peut subir d'importantes transformations (pression ou dilatation par exemple) sans se rompre, résistant aux agressions extérieures comme l'abrasion, la pollution, les intempéries ou les éraflures. Passerelle piétons de Séoul. 61

62 BAP Béton autoplaçant (B.A.P.) et autonivelant (B.A.N.). Très fluide, ils s'étalent sans efforts. Un BAN est rapide à mettre en œuvre, il assure un fini parfait, très esthétique. Il améliore considérablement les conditions de travail sur un chantier. Grâce à sa fluidité, il ne nécessite pas l'étape de vibration, une étape pénible. Le confort des ouvriers s'en trouve donc accru. Il diminue les nuisances liées au bruit d'un chantier, pour les ouvriers et les riverains. 62

63 Autres Vidéos Chronolia, Extensia 63