Matériaux de Construction

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1 Matériaux de Construction Prof. Karen Scrivener Laboratoire de Matériaux de Construction Section des Matériaux Matériaux de Construction 1

2 Professeure Karen SCRIVENER (Beton) Anglaise Diplôme - Science des Matériaux Thèse - microstructure du ciment Enseignante - chercheuse, Imperial College, Londres 1995 Lafarge, Lab. Central de Recherche plus grand groupe des Matériaux de Construction Mars 2001 EPFL MXG 232 tel Dr Amor GUIDOUM, (Autres Mat. +Travaux Pratique) MXG 236 tel Dr Emmanuelle Boehm, (Autres Mat.) MXG 236 tel Mr Lionel SOFIA-GABRION, (Travaux Pratique.) MXG 240 tel Matériaux de Construction 1

3 SEMESTRE de Printemps, Cours 10:15-12h Jeudi + 7 semaines TP 9:15-12:00 Vendredi Download support on Matériaux de Construction 1

4 The Materials Science of Cementitious Materials is one of the biggest challenges of the 21 st century Matériaux de Construction 1

5 The Future Of Concrete / Facing Challenges Sustainable development Fair development e.g. for developing countries : -cost - technology - resources Average living space per person 3 m 2 China - ~30 m 2 Switzerland!

6 Global Warming is the BIG Challenge of the 21 st Century Despite being intrinsically low energy materials, The enormous volumes of concrete used mean that Cement production accounts for 5-8% of global CO 2 emissions Material MJ/kg kgco 2 /k g Cement Concrete Masonry Wood Wood: multilayer Steel: Virgin Steel: Recycled Aluminium: virgin Aluminium recycled Glass fibre composites Glass ICE version 1.6a Hammond G.P. and Jones C.I 2008 Proc Instn Civil Engineers TRANSCEND ITN, 1st training course, Maastricht, February, 2011

7 Comparative energies in use Energy of producing 1m of column to support 1000 tonnes Energy of producing 1m of pipe Fuel (litres) Energy (kwh) concrete brick steel 0 concrete PVC polyethylene

8 Concrete: the most used material in the world Annual World Production (t/yr) 2.0E E E E E E E E E E E+00 Because of these huge volumes globally 5-8% of man-made CO2

9 Current consumption 1.5 m 3 per person per year of concrete About 450 kg cement About 360 kg CO 2 Compare this to target for sustainable world of 1 tonne CO 2 per person for EVERYTHING Matériaux de Construction

10 Demand is forecast to rise: to meet the demands of a growing world population more than half of demand is currently in China 10

11 1 tonne of cement leads to the emission of kg CO 2 Origins of CO 2 emissions in cement production The production process is highly optimised it is estimated that < 2% further savings can be made here Use of waste fuels, which can be > 80% reduces the demand for fossil fuels Decreasing chemical CaCO3 CO 2 will mean decomposition changes in (CHEMICAL) the chemistry Fuel of the cement: therefore its reactions and potential performance

12 Reducing Chemical CO 2 will change the composition of cement therefore all its reactions and properties! Na Mg K rest Mg S Na K rest Al Ca Fe O Reduce Ca Ca O Si Si earth s crust But the composition of the Earth s Crust limits the possible chemistries Therefore it is possible to build a systematic framework to understand all possible solutions Fe Al

13 In the future sustainability can be increased by 1. Extending the use of current clinker substitutes; 2. The development of novel, cost-effective supplementary cementitious materials and alternative clinkers; 3. Optimizing the use of waste materials as substitutes for clinker and fuel; Such developments can only be successful if we can provide the basis in understanding and performance tests for users to have confidence in the many potential solutions There is no magic bullet solution: sustainability can only come from mastering an increasingly diverse range of cementitious materials Adapting concrete composition to locally available materials

14 Introduction aux Technologies du Béton (Concrete Technology)

15 Quelques définitions Un béton Granulats + colle = béton si > 8 mm mortier si < 8 mm Pâte de ciment = eau + ciment Mortier = eau + ciment + sable Béton = eau + ciment + sable + granulats

16 Constituants: air (vides) eau adjuvants (éventuel) ciment pâte de ciment colle sable granulats gravier, roches concassées squelette

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18 Le vie d un béton MALAXAGE 0 à 3-5hrs Fluide ouvrable PRISE 3-5hrs à 28+j durcissement Vie en service durabilité

19 2 niveaux de microstructure pâte de ciment squelette ~60-70% vol. granulaire colle ~40-30% vol. pâte de ciment Au départ Grains de ciment ~30-50% vol. L'eau ~70-50% vol.

20 Hydratation transformation de pâte fluide en solide rigide Grain de ciment eau hydrates

21 Rôle de l eau Anhydres + eau hydrates L'eau est combinée dans les hydrates L'hydratation continue seulement s'il y a de l'eau disponible.

22 Hydratation Augmentation de volume solide 1 vol. ciment ~ 2 vols hydrate La quantité d'eau ajoutée, relative au ciment est exprimée en rapport e/c en poids Si e/c = 0.5, quel est le volume de ciment dans le mélange de départ? (la densité de ciment ~ 3) Quel est le volume de solide après hydratation?

23 1 degré d hydratation 1 eau épuisée 0,8 0,6 vides eau CH CSH ciment 0,8 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 0 e/c = 0,5 0 e/c = 0,3

24 Un béton est composé de: un squelette: les granulats une colle: les pâtes de ciment la liaison (l interface) entre les deux Sa qualité dépend de la qualité de tous les trois.

25 Les granulats: Les granulats sont nettement moins chers que le ciment (~5x) Mais on ne peut pas faire une pâte de ciment dans une large section sans qu elle se fissure Les granulats limitent la longueur des fissures: plus de fissures, mais plus fines et plus courtes

26 Squelette granulaire On veut minimiser la quantité de pâte de ciment: plus économique moins de phase dans laquelle l eau peut pénétrer (durabilité) moins de chaleur dégagée moins de retrait mais la pâte de ciment doit remplir les espaces entre les granulats: et fluidifier le béton pendant le malaxage et la mise en place

27 Powder suspensions viscosity Max solid loading ~ 60% Fraction solid Matériaux de Construction 1

28 Empilement des grains mono-taille: Densité maximale ~74% Mais difficile à déformer: frottement entre les grains Il faut espacer les grains densité max. pratique ~60%

29 Empilement plus efficace avec une distribution des tailles: Les petits peuvent remplir les espaces entre les grands (connu par les romains )

30 Mélange binaire % fins compacité, % porosité, % % gros

31 Mélange ternaire (Feret 1890s) sable moyen, 0,5/2 mélange le plus compact Peu de variation dans la zone rouge on n a pas besoin de beaucoup de grains moyens sable fin, <0,5 sable grossier, 2/5

32 On a vu que les mélanges les plus compacts sont constitués de grands et petits grains Pourquoi utilise-t-on les mélanges avec granulometrie continue

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34 Mélanges continus 100 Tamisat en % Dmax = 32 mm Courbe A Courbe B Courbe C Le fuseau des mélanges compacts et ouvrables Ouverture des tamis en mm d d A. p 50 B. p 100 D D max max d D C. 5% au-dessus de B. au-delà de d=0.4 mm max p : % des tamisats cumulés d : diamètre granulat considéré D max : diamètre maximum des granulats

35 La taille maximum des granulats est déterminée par la taille de l élément en béton Le diamètre maximum doit être inférieur un cinquième de la taille de l élément Ex. mur du 150 mm, taille max ~30 mm

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38 Mélanges continus d Ø=1,25a a tamis passoire 100% passoire Ø d refus Poids en gr. Poids en % % tamisat total % Ø d 0%

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40 sable gros granulats granulats fins 40% 30% 30% sable fins gros

41 La forme des granulats granulats roulés forme sphériques aplatis / allongés cubiques aplatis / allongés angularité état de surface arrondis lisses anguleux rugueux besoin en eau ouvrabilité aptitude au compactage croissant décroissant

42 2 niveaux de microstructure pâte de ciment squelette ~60-70% vol. granulaire colle ~40-30% vol. pâte de ciment Au départ Grains de ciment ~30-50% vol. L'eau ~70-50% vol.

43 La pâte de ciment Rapport e/c e/c bas ex. 0.3 Vol. ciment ~ 50% e/c moyen ex Vol. ciment ~ 40% e/c élevé ex. 0.6 Vol. ciment ~ 35% La quantité d eau ajoutée contrôle l espacement des grains de ciment

44 résistance ~90 MPa béton haute résistance La résistance mécanique et la plupart des autres propriétés sont gouvernées (en 1er dégré) par la quantité d eau ajoutée ~40 MPa ~10 MPa béton normal mauvais béton eau/ciment

45 Développement de la résistance x2 x2 28 jours peu continuer d'augmenter pendant des années si l'eau est disponible temps de décoffrage temps de référence pour les résistances

46 2 niveaux de microstructure pâte de ciment squelette ~60-70% vol. granulaire colle ~40-30% vol. pâte de ciment Au départ Grains de ciment ~30-50% vol. L'eau ~70-50% vol.

47 La pâte de ciment doit remplir les espaces entre les granulats Granulats ~70% (60-80) Quand le e/c il faut augmenter «le dosage en ciment» pour garder le même volume de pâte qui donne la fluidité du béton Pâte du ciment ~ 30% eau ciment Normalement les formulations de béton sont exprimées en poids pour faire 1m 3

48 Ouvrabilité Capacité à remplir les formes à se compacter fluidité La présence des granulats empêche l utilisation de la plupart des équipements conçus pour caractériser la rhéologie des autres fluides Besoin de tests robustes qui peuvent être utilisés sur les chantiers

49 Slump test 10 cm s 30 cm 20 cm

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51 À éviter pour un bon béton: Ressuage - (bleeding) Emergence d un couche d eau en surface

52 bleeding

53 ségrégation

54 Le ressuage et la ségrégation peuvent être évités avec une bonne formulation du béton: bonne granulométrie du squelette granulats bon dosage en ciment bon rapport e/c

55 La prise Pâte fluide Solide rigide La transition n est pas franche la définition de la prise est un peu arbitraire

56 Le test classique: Aiguille «Vicat» F Résistance à la pénétration (psi) 4000 Final set Initial set Temps (min).. 420

57 La prise Avec des méthodes plus précises, il semble que la prise corresponde au point de formation d un squelette solide continu.

58 Un peu de pratique!

59 EPFL Learning Centre Images Alain Herzog iew_album.php&file=index&name=gallery&op=mo dload&set_albumname=albup82

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70 d Zone d influence R R = (3 à 5) x d 1-1½ R

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72 Résumé / questions Quelle est la différence entre le béton et le mortier? Pourquoi met-on des granulats dans le béton? Pourquoi utilise-t-on des granulats de tailles différentes? Pourquoi utilise-t-on des mélanges continus des granulats? Comment calcule-t-on les proportions de sable, fins et gros granulats pour avoir un mélange compact? Quelle est l importance du rapport eau / ciment? Quel processus amène le durcissement du béton? Qu est-ce que la prise? Comment la mesurer? Si le rapport e/c diminue, comment faut-il changer le dosage en ciment? Quels paramètres de formulation influence le «slump» du béton? Quel est le moyen le plus utilisé pour compacter le béton?