Introduction aux Technologies du Béton (Concrete Technology)

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Jacqueline Benoît
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1 Introduction aux Technologies du Béton (Concrete Technology) Support slides Livre en francais Adam NEVILLE Propriétés de Béton 1

2 Production Annuelle millions de tonnes Béton Acier Bois Plastiques Papier France : USA : Monde : > tonne par personne par année! Pourquoi? Disponibilité - Transportable - Constructible - Flexible - Durable - Mat. 1ère partout dans le monde faible coût énergétique poudre grise en sac ou en vrac adjoindre l eau et malaxer remplir toutes les formes avec une différence de volume très faible pour les siècles surtout résistant à l eau, barrages, tuyaux, etc et à bas prix! 2

3 Price vs consumption of materials Price ($/t) Titanium Aluminium Polyamide Polethelene Steel Wood Metals Ceramics Polymers Bricks / Masonary Concrete Annual production (t/yr) Source: INTRODUCTION à LA SCIENCE DES MATÉRIAUX, Mercier, Zambelli, Kurz Composition of the earth s crust Mg K Na rest Composition of cement Mg S Na K rest Ca Fe Al O Ca O Si Si CaO readily available from limestone Fe Al 3

4 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 Le vie d un béton MALAXAGE 0 à 3-5hrs Fluide ouvrable PRISE 3-5hrs à 28+j durcissement Vie en service durabilité 4

5 Développement de la résistance x2 x2 peu continuer d'augmenter pendant des années si l'eau est disponible 1 jour 3 jour 28 jours temps de décoffrage temps de référence pour les résistances Constituants: air (vides) eau adjuvants (éventuel) ciment pâte de ciment colle sable granulats gravier, roches concassées squelette 5

6 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. 6

7 Hydratation transformation de pâte fluide en solide rigide Grain de ciment eau hydrates 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. 7

8 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? 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. 8

9 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 Squelette granulaire On veut minimiser la quantité de pâte du ciment: plus économique moins de phase dans laquelle l eau peut pénétrer 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 9

10 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% Empilement plus efficace avec une distribution des tailles: Les petits peuvent remplir les espaces entre les grands (connu pars les romains ) 10

11 Mélange binaire % fins compacité, % porosité, % % gros 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 11

12 On a vu que les mélanges les plus compacts sont entre grands et petits grains Pourquoi utilise-t-on les mélanges avec granulometrie continue 12

13 La taille maximum des granulats est déterminée par la taille de la pièce de béton Le diamètre maximum doit être moins de un cinquième de la taille de la pièce Ex. mur du 150 mm, taille max ~30 mm 13

14 14

15 Mélanges continus 100 Tamisat en % Dmax = 32 mm Courbe C Courbe B Courbe A Le fuseau des mélanges compacts et ouvrables d p = 50 + D max Ouverture des tamis en mm d D A. B. p max =100 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 Mélanges continus d Ø=1,25a a tamis passoire 100% passoire Ø d refus Poids en gr. Poids en % % tamisat total % Ø d 0% 15

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 sable granulats fins gros granulats gros fins sable 40% 30% 30% 0 0.05 0.06 0.08 0.10 0.

16 sable granulats fins gros granulats gros fins sable 40% 30% 30% La forme des granulats granulats roulés forme sphériques aplatis / allongés cubiques aplatis / allongés angularité arrondis anguleux état de surface lisses rugueux besoin en eau croissant ouvrabilité aptitude au compactage décroissant 16

17 Granulats - exigences (1) Les granulats doivent: 1) être stables et durables: résistants à des cycles gel-dégel résistants à des cycles mouillage-séchage résistants à des cycles de température résistants à l abrasion résistants aux réactions chimiques Ils doivent donc être compacts et non réactifs stabilité du béton 2) posséder résistance et dureté: résistance du béton Granulats - exigences (2) Les granulats doivent: 3) être propres: pas d argiles (instables cycles mouillage-séchage) pas d impuretés adhérence granulats / pâte 4) donner un mélange compact: forme correcte bonne granulométrie teneur en éléments fins limitée réduction du volume de ciment 17

18 Matières nuisibles à éviter dans les granulats Matières nuisibles Effets les éléments gélifs le gypse l'anhydride la pyrite le charbon les scories les impuretés organiques le bois les végétaux les matières humiques les sucres ou limonades granulats poreux et tendres attaque par sulfate peu résistants ; contiennent parfois du soufre putréfaction, instabilité de volume selon l'humidité retardent ou empêchent la prise 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. 18

19 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 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 béton normal ~10 MPa mauvais béton eau/ciment 19

20 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 Exemple de formulations «modèles» ci ment e /c Eau sable coarse agg total paste vol fract Bas de gamme standard bonne qualité haute résistance très haute résistance wt vol wt vol wt vol wt vol wt vol

21 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 Slump test 10 cm s 30 cm 20 cm 21

22 What is wrong with this picture! 22

23 À éviter pour un bon béton: Ressuage - (bleeding) Emergence d un couche d eau en surface À éviter pour un bon béton: Ressuage - (bleeding) Emergence d un couche d eau en surface 23

24 bleeding ségrégation 24

25 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 La prise Pâte fluide Solide rigide La transition n est pas franche la définition de la prise est un peu arbitraire 25

26 Le test classique: Aiguille «Vicat» F Résistance à la pénétration (psi) Initial set Final set Temps (min) 420 La prise Avec des méthodes plus précises, il semble que la prise corresponde au point de formation d un squelette solide continu. 26

27 Un peu de pratique! Les méthodes de livraison 27

28 28

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30 Compactage Mise en place Finition d Zone d influence R R = (3 à 5) x d 1-1½ R 30

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Quelle est l importance du rapport eau / ciment? Quel processus amène le durcissement du béton? Qu est-ce que la prise?

33 Résumé / questions 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? 33

34 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? Quelle est l importance du rapport eau / ciment? Quel processus amène le durcissement du béton? Qu est-ce que la prise? Comment la mesurer? 34

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