Chaleur d'hydratation et fissurabilité

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Angèline Sergerie
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1 1. Introduction Chaleur d'hydratation et fissurabilité Les réactions du ciment Portland en présence d'eau ou "hydratation" produisent des composés hydratés qui permettent de lier les différentes particules de ciment et de granulat ce qui confère au béton ces qualités de résistance mécanique. Ces réactions s'accompagnent d'effets secondaires qui peuvent produire des dégradations du matériau lorsqu'ils ne sont pas pris en compte. L'un de ces effets est la chaleur dégagée lors de ces réactions d'hydratation dont la grandeur dépend de la composition du ciment. La dynamique des réactions d'hydratation va dépendre de nombreux facteurs tels que finesse de mouture, composition, ajout d'éléments secondaires (gypse par exemple). Ces propriétés liées aux réactions d'hydratation doivent permettre de pouvoir travailler le produit béton jusqu'à sa mise en forme. Elles doivent aussi permettre au produit de durcir dans un temps suffisamment court pour pouvoir poursuivre les travaux de construction. Les réactions exothermiques peuvent engendrer des dégradations lors du refroidissement du béton telles que fissures de retrait thermique lors de refroidissement trop rapide, fissures aux interfaces entre ancien et nouveau béton (reprise de bétonnage). Ce risque de fissure peut aussi être du à un retrait lors de la prise du ciment. Les réactions du ciment consomment une partie de l'eau de gâchage et cette perte peut entraîner des forces capillaires produisant un retrait de la pâte de ciment que l'on nomme retrait d'autodessication. A plus long terme le séchage du béton, c'est-à-dire la perte du résidu d'eau jusqu'à l'équilibre entraîne aussi du retrait de séchage. L'ensemble de ces retraits produits selon les conditions un risque de fissuration de l'objet construit. La chaleur dégagée est particulièrement importante pour les ouvrages massifs, tels que les barrages. La température à l'intérieur des grandes masses de béton peut augmenter de plus de 50 C par rapport à la température du béton lors de sa mise en place. Le retrait est la principale cause des fissures qui peuvent apparaître dans les bétons de grande masse. Le retrait thermique se produit lorsque la température baisse. Pour éviter une augmentation de température trop importante, on peut refroidir artificiellement le béton à l'aide de tuyaux noyés dans la masse et dans lesquels on fait circuler de l'eau froide. D'autre part, on peut également utiliser des ciments - 1 -

Ces réactions s'accompagnent d'effets secondaires qui peuvent produire des dégradations du matériau lorsqu'ils ne sont pas pris en compte.

2 spéciaux à basse chaleur d'hydratation. Des exemples d'augmentation de température d'éléments en béton sont donnés à la figure f cwm = 45 N/mm 2 Elévation de température [ C] Elévation de température [ C] Elévation de température [ C] Dosage en ciment 300 kg/m 3 1m 2m 3m 6m Age du béton [jour] 1m 2m 3m f cwm = 40 N/mm 2 6m Age du béton [jour] 40 f cwm = 30 N/mm Dosage en ciment 300 kg/m 3 Dosage en ciment 300 kg/m 3 1m 2m 3m 6m Age du béton [jour] Figure 1: Variation de la température au cœur d'éléments en béton de différentes épaisseurs, pour 3 différentes qualités de béton - 2 -

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Age du béton [jour] 1m 2m 3m f cwm = 40 N/mm 2 6m 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Age du béton [jour] 40 f cwm = 30 N/mm 2 30 20 10 0 Dosage en ciment

3 2. Objectif Le but de la séance consiste à mesurer les effets de l'hydratation de divers ciment Portland et de comprendre les effets secondaires lier au durcissement, c'est-à-dire la chaleur d'hydratation, les retraits liés aux durcissements. Connaissant ces mécanismes, il est alors possible de choisir au mieux un ciment en fonction de l'application. 3. Chaleur d'hydratation 3.1. Méthode a) Fabrication du mortier normal Composition : - sable CEN 1350 g - ciment 450 g - eau 225 g Mélanger d'abord eau et ciment durant 30 s à 140 t/min, ajouter le sable rapidement et malaxer durant 60 s à 280 t/min. b) Mesure de la chaleur d'hydratation Aussitôt après la fabrication du mortier - peser la boîte vide - mettre le mortier dans la boîte et peser le tout - installer la sonde de température - fermer le calorimètre - mettre en fonction l'acquisiteur de données (mesure du temps et de la température de référence et des températures des calorimètres) c) Calcul de la chaleur d'hydratation La chaleur d'hydratation q à l'instant t s'écrit (1 er terme : chaleur accumulée, 2 ème terme: perte de chaleur vers l'extérieur): t C 1 q = θ + α θ dt avec m m c c 0 C et ( + m ) m m + µ = 0.75 mc s e b α = a + b θ m c, m s, m e, m b : masse de ciment, sable, 'eau dans l'éprouvette et de la boîte [g] t : durée d'hydratation [h] C : capacité thermique du calorimètre et de l'éprouvette [J C -1 ] α : coefficient de déperdition thermique du calorimètre [J h -1 C -1 ] θ : échauffement de l'éprouvette à l'instant t (différence entre la température de l'éprouvette et la référence) [ C] µ : capacité thermique du calorimètre vide [J C -1 ] a, b : paramètre spécifique d'étalonnage du calorimètre - 3 -

Méthode a) Fabrication du mortier normal Composition : - sable CEN 1350 g - ciment 450 g - eau 225 g Mélanger d'abord eau et ciment durant 30 s à 140 t/min, ajouter le sable rapidement et malaxer

4 Le calcul est réalisé par pas successif sur toute la période de mesure. Pour chacun des pas, on connaît le temps t i et l'échauffement θ i. Ceci permet de calculer les valeurs suivantes: C - chaleur dans le calorimètre : A = θi - échauffement moyen : θi + θ( i 1) θ i,moy = 2 - coeff. de déperdition moyen : α i,moy = a + b θi, moy 1 - perte de chaleur : B = αi,moy θi,moy ti m m c - chaleur d'hydratation au temps t : Q = A + B c 3.2. Travail à effectuer - déterminer le temps de prise à l aide de l appareil de Vicat. Le temps de prise est le temps écoulé entre l instant où l on mélange le ciment et l eau et celui où l aigille s arrête à 4 mm du fond de l anneau. Figure 2 : Appareil de Vicat. - déterminer la chaleur d'hydratation à 12 h, 1 j, 3 j et 5 j - estimer la réactivité du ciment (pente de la courbe q(t) durant la prise - faire des commentaires sur les différents comportements des ciments 3.3. Aspect théorique La chaleur d'hydratation dépend de la composition du ciment Portlands. Le tableau ci-dessous défini les principales caractéristiques de ces constituants

de déperdition moyen : α i,moy = a + b θi, moy 1 - perte de chaleur : B = αi,moy θi,moy ti m m c - chaleur d'hydratation au temps t : Q = A + B c 3.2.

5 Constituant Chaleur dégagée Comportement des constituants purs C 3 S 500 J/g - fait prise et durcit rapidement C 2 S 260 J/gr - réagit lentement - haute résistance atteinte à court terme - haute résistance atteinte à long terme C 3 A 865 J/gr - prise de façon très désordonnée et rapide C 4 AF 418 J/gr - faible résistance - faible résistance (nécessite du gypse pour régulariser la prise) Les valeurs des chaleurs d'hydratation pour les 4 principaux composés du CP et du laitier de haut fourneau sont données à la figure 3, pour des temps d'hydratation de 7 jours et une année. Les valeurs données pour une année correspondent aux valeurs pour une hydratation complète. Figure 3: Chaleur d'hydratation des principaux composés des ciments et du laitier Lors du mélange eau + ciment, il y a une première réaction entre le C 3 A et le gypse pour former l'ettringite. Ceci permet de bloquer les réactions d'hydratation erratiques de ce composé durant 1 à 2 heures. Les vitesses d'hydratation dépendent évidemment de la composition du ciment mais aussi de la finesse de mouture du produit. Un ciment fin, donc avec une surface spécifique élevée, aura une réactivité plus importante. La température du milieu influence aussi la réactivité; à température élevée la réactivité est nettement plus forte. 4. Fissurabilité - 5 -

valeurs des chaleurs d'hydratation pour les 4 principaux composés du CP et du laitier de haut fourneau sont données à la figure 3, pour des temps d'hydratation de 7 jours et une année.

6 L'anneau de Bolomey est un moule de format cylindrique avec en son centre un noyau métallique. Ce dernier étant indéformable par rapport à la pâte de ciment qui l'entoure, il induit des efforts de traction menant à la fissuration. On mesure l'ouverture de la fissure. Cette méthode permet une comparaison des produits, elle ne donne pas de valeur susceptible d'être utilisée lors d'un dimensionnement Méthode - préparer une pâte de ciment avec un rapport E/C de remplir l'anneau de Bolomey et lisser la surface - couvrir la surface avec une feuille PE durant le premier jour - laisser sécher - mesurer l'ouverture de la fissure après 1 semaine 4.2. Travail à effectuer - calculer le retrait de la pâte de ciment - comparer les valeurs selon le type de ciment 5. Plan suggéré pour le rapport 1. Essais effectués - brève description de chaque essai effectué avec les résultats. - discussion et commentaires sur les résultats obtenus. 2. Conclusions - conclusions, remarques et commentaires personnels - 6 -

Cette méthode permet une comparaison des produits, elle ne donne pas de valeur susceptible d'être utilisée lors d'un dimensionnement. 4.1.

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