Électif 10 Mise en forme industrielle des sols et matériaux granulaires. Hydratation des ciments

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1 Électif 10 Mise en forme industrielle des sols et matériaux granulaires Hydratation des ciments

2 Introduction Réactions complexes Mécanismes élémentaires : Adsorption : fixation de liquide sur des surfaces solides Hydrolyse : décomposition par l eau Dissolution : passage en solution Diffusion : migration d espèces chimiques Cristallisation : passage à l état de cristaux Ciments Portland Ciments composés Cinétique / chaleur d hydratation Cours 3 Hydratation des ciments 2

3 Plan 1. Hydratation des ciments Portland 1. Système C 3 S - H 2 O 2. Système C 3 A - H 2 O 3. Solution interstitielle 4. Bilan de l hydratation 2. Hydratation des ciments composés 1. Ciments au laitier 2. Ciments pouzzolaniques 3. Ciments aux fillers calcaires 3. Phénomènes physiques de l hydratation 1. Contraction Le Chatelier 2. Retrait de dessiccation 3. Porosité 4. Chaleur d hydratation Cours 3 Hydratation des ciments 3

4 1. Hydratation des ciments Portland

5 1. Ciments Portland Hydratation des silicates tricalciques (C 3 S) : Taux d hydratation ou chaleur d hydratation durcissement réaction finale réaction initiale période d induction prise Cours 3 Hydratation des ciments 5

6 1. Ciments Portland Hydratation des C 3 S 1 ère étape : réaction initiale Effet thermique bref et rapide Utilisation < 1% des C 3 S Échanges à la surface des C 3 S avec la solution qui s enrichit en Ca 2+ Dissolution des C 3 S en un hydrate 1 aire Hydrate 1 aire + Ca 2+ => hydrate 2 aire Cours 3 Hydratation des ciments 6

7 1. Ciments Portland Hydratation des C 3 S 2 ème étape : période d induction / «dormante» Peut durer plusieurs heures Croissance limitée de l hydrate 2 aire Permet le transport du béton avant la prise Cours 3 Hydratation des ciments 7

8 1. Ciments Portland Hydratation des C 3 S 3 ème étape : période d accélération Taux de réaction élevé => dégagement important de chaleur Hydrate 2 aire devient C-S-H (C = CaO, S = SiO 2, H = H 2 O), c est un hydrate de rapport Ca/Si = 1,7 Précipitation des C-S-H à partir de la solution Sursaturation de la solution en CaO (chaux) qui précipite en Ca(OH) 2 : la portlandite Cours 3 Hydratation des ciments 8

9 1. Ciments Portland Hydratation des C 3 S 4 ème étape : période de décélération (durcissement) Facteur limitant : diffusion des réactants au travers des hydrates (les ions issus de C 3 S doivent traverser la couche de C-S-H avant de précipiter à leur tour) 5 ème étape : réaction finale L hydratation peut se poursuivre pendant des années ou rester inachevée Cours 3 Hydratation des ciments 9

10 1. Ciments Portland Les silicates C 2 S donnent le même hydrate C-S-H La portlandite Ca(OH) 2 (= CH) cristallise en plaquettes hexagonales empilées entre les grains de ciment (C 3 S et C 2 S) hydratés (C-S-H) C-S-H Observation au MEB portlandite Cours 3 Hydratation des ciments 10

11 1. Ciments Portland Hydratation des aluminates tricalciques (C 3 A) Précipitation immédiate des C 3 A hydratés => aluminates de formule C 4 AH n Problème : dépôt des C 4 AH n sur les C 3 S et C 2 S rigidification précoce et retard précipitation C-S-H Solution : gypse (CaSO 4, 2H 2 O) => formation : d ettringite (C 3 A, 3CaSO 4, 32H 2 O) ou AFt puis de monosulfoaluminate ou AFm aux dépens de AFt et enfin de AFm-C 4 AH 13 (solide) Cristallisation des C 4 AH n différée Gypse = retardateur de prise Cours 3 Hydratation des ciments 11

12 1. Ciments Portland Hydratation des C 3 A et C 4 AF Hydratation de C 4 AF => AFt et AFm aussi MEB - gauche : ettringite (AFt) ; droite : monosulfoaluminate de calcium (AFm) Cours 3 Hydratation des ciments 12

13 1. Ciments Portland Bilan de l hydratation Pâte de ciment : Portland Rapport eau/ciment = 0,5 (en masse) Minéraux de clinker complètement hydraté Pas d échanges avec l extérieur Composition : 50% de C-S-H 20% de CH 16% de sulfoaluminates (AFt et AFm) 7% d eau libre 7% de vide 86% d hydrates Cours 3 Hydratation des ciments 13

14 1. Ciments Portland Facteurs influençant l hydratation Accélérateurs de l hydratation : Finesse du ciment Hautes température (étuvage) Certains adjuvants (1 à 2% de chlorure de calcium) Retardateurs : Basses températures (période d induction allongée) Certains adjuvants (le saccharose retarde la formation d AFt Cours 3 Hydratation des ciments 14

15 2. Hydratation des ciments composés

16 2. Ciments composés Ciments au laitier Laitiers = produits hydrauliques En général, réaction plus lente que pour les Portland Hydratation => C-S-H (rapport C/S = 1,3 dans un ciment à 60% de laitier) + AFt et AFm Ciments moins exothermiques que les Portland => adaptés aux structures massives (barrages, ) Cours 3 Hydratation des ciments 16

17 2. Ciments composés Ciments pouzzolaniques Cendres volantes siliceuses = pouzzolaniques => doivent d abord réagir avec la chaux pour devenir hydraulique Les 1ers hydrates sont ceux du clinker de ciment Portland Après réaction avec la chaux, les cendres forment des C-S-H de rapport C/S = 1 dans un CEM II/B La fumée de silice est fortement pouzzolanique => C-S-H de rapport C/S = 1,4 dans un CEM II/A limité à 10% de fumée de silice Cours 3 Hydratation des ciments 17

18 2. Ciments composés Ciments aux fillers calcaires La calcite (CaCO 3 ) réagit avec C 3 A au cours de l hydratation => monocarboaluminate de calcium Compétition entre CO 3 2- et SO 4 2- => AFm n est pas observé Calcite moins réactive que le clinker => le clinker du CEM II/B aux fillers est broyé plus finement que le clinker du CEM I pour obtenir la même résistance Cours 3 Hydratation des ciments 18

19 3. Phénomènes physiques de l hydratation

20 3. Phénomènes physiques La contraction Le Chatelier Volume hydrates < volume ciment + volume eau Différence entre 10 et 14% du volume initial Contraction d origine chimique Retrait linéique de 3 à 4% = retrait endogène Cours 3 Hydratation des ciments 20

21 3. Phénomènes physiques Le retrait de dessiccation Pendant l hydratation, il y a adsorption d eau à la surface des grains de clinker Suspensions Transition suspension - solide => départ de l eau adsorbée = auto-dessiccation Auto-dessiccation => dépressions capillaires => retrait endogène Cours 3 Hydratation des ciments 21

22 3. Phénomènes physiques La porosité C est les 7% de vide dans le bilan de l hydratation 2 types de porosité : Hydrates (C-S-H surtout) : 0,3 nm Capillaire (entre les hydrates) : de 100 nm à 1 mm Caractérisée par la taille des pores, leur connectivité et la tortuosité de leur réseau Cours 3 Hydratation des ciments 22

23 3. Phénomènes physiques La chaleur d hydratation Les réactions d hydratation sont exothermiques Courbe calorimétrique typique : Pic bref de dissolution de C 3 S et C 3 A, formation d AFt Période athermique (dormante) : la solution interstitielle se charge en Ca 2+ Précipitation des C-S-H et CH => prise initiale Formation de AFm aux dépens de AFt Hydratation de diffusion contrôlée à travers les couches d hydrates Cours 3 Hydratation des ciments 23