S.T.S Bâtiment LABORATOIRE CESSA - TP N 8 Caractéristiques physiques et mécaniques des ciments

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1 S.T.S Bâtiment LABORATOIRE CESSA - TP N 8 Caractéristiques physiques et mécaniques des ciments Principe Les caractéristiques mécaniques des ciments permettent de connaître la classe d un ciment. Elles sont évaluées à partir d essais en compression sur des éprouvettes prismatiques de dimensions 4x4x16. Les caractéristiques physiques des ciments permettent de connaître l arrangement des grains de ciment, leur finesse, leur compacité et leur surface massique. Elles sont évaluées à partir d essais de masses volumiques apparente et absolue et d essais de finesse Blaine. Intérêt en Génie Civil La mesure de ces caractéristiques sert à : formuler un béton. masses volumiques ; classe vraie contrôler la qualité des ciments. finesse Blaine ; classe vraie ; masses volumiques à connaître la cinétique des réactions chimiques eau-ciment qui est proportionnelle à l étendue des surfaces solide-fluide. finesse Blaine caractériser la différence de comportement en traction et en compression des ciments. classe vraie. I - Les caractéristiques mécaniques des ciments : (NF EN 196-1) Matériel nécessaire Essai de traction par flexion : Essai de compression : - presse de traction. - appareillage de rupture en traction par flexion des 4x4x16. - balance. - presse de traction. - appareillage de rupture en compression des 4x4x16. Matériaux utilisés : éprouvettes 4x4x16 fabriquées lors de la 1 ère série de travaux pratiques. 1-L essai de traction par flexion : Etude la norme NF EN Répondre aux questions sur le compte rendu de TP : L essai de rupture en traction par flexion est-il obligatoire? Quel est son rôle? (art. 9-1). Quelle est la méthode à adopter pour rompre les éprouvettes en traction? (art. 9-1 et 4-7). Quelle doit-être la vitesse de chargement(art. 9-2). Comment se calcule la contrainte de rupture en traction par flexion? (art. 9-2). Quels sont donc les paramètres à mesurer? Quelles sont les faces de l éprouvettes à mettre au contact des rouleaux? (art. 9-2). - 1/8 -

2 Mode opératoire : L essai de rupture en traction par flexion (présence de l enseignant obligatoire) : Prendre 3 éprouvettes dans la salle de stockage(hall d essais), puis peser les 3 éprouvettes. Mettre l appareillage de rupture en traction par flexion en place sur la presse. Placer l éprouvette au contact des appuis en respectant la norme. Appeler le professeur (ne pas manipuler seuls pour le premier essai). Réaliser l essai de rupture en traction par flexion. Noter la valeur de la force de rupture en traction par flexion. Récupérer les 2 demi prismes pour l essai de compression. Reprendre l essai pour les 2 autres éprouvettes 4x4x16. Nettoyer soigneusement la presse. Calculs - Résultats Questions : Faire un tableau récapitulatif des résultats (masse, force et contrainte de rupture en traction par flexion). Conclusion. Calculer la moyenne des contraintes de traction par flexion : σ tf. A partir de la RdM, retrouver la formule du calcul de la contrainte de traction par flexion donnée par la norme à l article L essai de compression : Etude la norme NF EN : Répondre aux questions sur le compte rendu de TP : Comment doit être placé le demi prisme dans l appareillage de compression? (art. 9-3). Quelle doit être la vitesse d application des charges? Quelle doit être la formule à utiliser pour calculer les contraintes? Mode opératoire : L essai de rupture en compression (présence de l enseignant obligatoire: Mettre l appareillage de rupture en compression en place sur la presse. Placer le 1 er demi - prisme au contact des appuis en respectant la norme. Appeler le professeur (ne pas manipuler seuls pour le premier essai). Réaliser l essai de rupture en compression. Noter la valeur de la force de rupture en compression. Reprendre l essai pour les 5 autres demi - prismes. Observer le type de rupture. Nettoyer soigneusement la presse et déposer les éprouvettes dans la benne extérieure. - 2/8 -

3 Calculs - Résultats Questions : Faire un tableau récapitulatif des résultats (masse, force et contrainte de rupture en traction par flexion et en compression). Conclusion. Calculer la moyenne ( σ c ) des résultats obtenus pour les 8 demi prismes (art et 10.3). Calculer l écart type s = Μ n i = 1 n ( xi x) 1 2 Calculer le rapport σ c / σ tf. Conclusion. Nous allons maintenant étudier la conformité du ciment par rapport à la prescription de résistance à la compression. (art et 10-6) σ c = classe vraie + k s s *100 =V = 0.06 σ ' c σ c = classe vraie + k V σ c / 100 classe vraie = σ c ( 1 - k V / 100 ) avec : *V = 6 différence entre 2 résultats d essais correspondants obtenus dans différents laboratoire < 15% * pour p = 5% k = 1.64 Comparer l écart type que vous avez obtenu avec l écart type théorique ( V * σ c ). Conclusion. Calculer la classe vraie de votre ciment. En déduire la classe commerciale ( voir cours de matériaux). Comparer la classe commerciale ci-dessus avec celle inscrite sur la sac de ciment que vous avez utilisé pour fabriquer vos 4x4x16. Conclusion. II - Les caractéristiques physiques des ciments : Matériel nécessaire : Essai de masse volumique apparente : - récipient calibré de 1 litre + règle à araser. - Cône de mise en place. - balance. Essai de masse volumique absolue : - Densimètre Le Chatelier - balance. - 3/8 -

4 Essai de surface massique : - Appareil de Blaine. - Chronomètre. - balance. - disques de papier filtre. Matériaux utilisés : - Ciment CPJ CEM II/B 32,5. - White spirit. 1-Les masses volumiques : Rappels : Soit un volume (V) de ciment V = Va + Vs avec : Va : Volume des vides : air Vs : volume de la phase solide. La masse totale (m) se décompose en : m = ma + ms avec : ma : Masse des vides 0 ms : Masse de la phase solide. On définit alors : La masse volumique apparente : La masse volumique absolue: ρ ms d = V ms ρs = Vs L unité S.I. est le kg/m3 La porosité : Va n = V La compacité : Vs c = = 1 n V Mode opératoire : La préparation de l échantillon : Passer l échantillon de ciment dans un tamis de 1 mm afin d éliminer grumeaux et résidus accidentels de broyage La masse volumique apparente : On utilise un entonnoir porté par un trépied, muni d une passoire et d un opercule mobile, placé au-dessus d un récipient calibré. - 4/8 -

5 Passoire Opercule Règle à araser Placer l entonnoir au-dessus du centre du récipient calibré. Fermer l opercule. Verser une petite quantité de ciment sur la passoire et la faire descendre dans l entonnoir à l aide de la spatule. Ouvrir l opercule et refermer quand l entonnoir est vide. Recommencer jusqu à ce qu il y ait débordement. Araser à la règle. Mesurer la masse du ciment contenu dans le récipient (attention à la tare!) et noter la valeur. Reprendre l essai 3 fois La masse volumique absolue : La détermination de Ms ne présente aucune difficulté. Par contre, celle de Vs s avère plus compliquée et elle doit faire appel à des méthodes de mesure indirecte. ( pycnomètre, pesée à la balance hydrostatique, voluménomètre Le Chatelier). La méthode du voluménomètre (ou densimètre) Le Chatelier est la plus pratique et c est celle que nous utiliserons. Il s agit d un récipient composé d un ballon surmonté d un renflement ( de 20 cm3 environ) puis d un col étroit gradué. Zéro Volumes depuis le zéro en 1/10 cm3 M1 V1 M M2 V2 ρ s = M 2 M 1 V 2 V 1 Précautions recommandées : -Pour info : Il faudrait normalement opérer dans un bain thermostatique à 20 C±0.2 C. - Effectuer au moins 2 mesures. Introduire le White spirit jusqu en V1 voisin de 0. Noter V1. Peser le tout M1. Introduire le ciment (env. 60 g). Chasser les bulles d air. Noter V2. Peser le tout : M2. Reprendre l essai (effectuer au moins 2 mesures) - 5/8 -

6 Calculs - Résultats Questions : Déterminer la masse volumique apparente moyenne du ciment Déterminer la masse volumique absolue moyenne du ciment Comparer aux ordres de grandeur usuels. Conclusion (voir cours de matériaux) En déduire la compacité et la porosité. Conclusion par rapport aux résultats obtenus avec les granulats 2-La surface massique : Définitions buts : On appelle surface massique ou spécifique d une poudre, la surface (exprimée en cm²) d un gramme de cette poudre dont tous les grains seraient développés. La surface massique des poudres est très variable : 2500 cm²/g < Sm < 4500 cm²/g pour les ciments courants et 1000 m²/g pour les argiles les plus fines! La surface massique d un ciment est un élément de contrôle de fabrication ; elle conditionne par exemple la durée et les moyens de broyage. D autre part, on sait que les phénomènes de prise des ciments sont d abord des phénomènes superficiels : c est la surface des grains de ciment qui s hydrate la première et le degré d hydratation est lié à cette surface. On distingue 3 sortes de surface spécifiques : la surface spécifique théorique facilement calculable lorsque les particules sont constituées de volumes simples. la surface spécifique réelle qui n est pas calculable lorsque les particules sont irrégulières. la surface spécifique pratique qui représente une fraction de la surface réelle et qui est mesurée par des techniques simples. Nous ne nous intéresserons dans ce TP qu à la méthode de Blaine. (NF EN 196-6) Principe : La surface massique est d autant plus grande que les grains sont plus petits. Par ailleurs, la vitesse d écoulement d un fluide (air pour l appareillage de Blaine) à travers un corps granulaire est d autant plus faible que les grains qui composent ce corps sont fins. Il «suffit» donc de mesurer la vitesse d écoulement de ce fluide à travers un lit de poudre de matériau. Mode opératoire : La méthode consiste à aspirer l air au travers de la couche de poudre par l intermédiaire d une poire en caoutchouc et d un manomètre et de mesurer le débit d air susceptible de passer dans la poudre amenée à une compacité fixée. - 6/8 -

7 Ciment Bouchon rodé Cellule Cellule : tube métallique dont le volume est limité par : *à la partie supérieure : par un piston. *à la partie inférieure : par une grille avec 20 trous de diam.1 mm. Manomètre en U 1 2 Robinet Piston 4 traits repères 3 Poire aspirante Papier filtre 4 Grille métallique Principe :Le ciment est placé dans une cellule dont le volume est limité par un piston enlevé pendant l essai. Les mesures préliminaires : Détermination de la masse m de l échantillon à placer dans la cellule. La vitesse d écoulement de l air à travers le ciment dépend du degré de tassement de ce ciment dans la cellule, donc de la quantité de ciment introduite. Cet état de tassement est caractérisé par la porosité : n = Va /V Si V est le volume de la cellule V = volume apparent. Va = n. V Vous prendrez : V = 1,874 cm 3 Donc : m = ρ s. V. ( 1 n ) On opère à porosité (n ou e) constante avec n = 0,50 m = 0,50. ρ s. V Il reste à déterminer ρ s et V est proposé : ρ s est déterminée lors de la manipulation sur la masse volumique absolue dans ce TP. V a été déterminé à l aide de mercure : (Méthodologie schéma de principe) V= 1,874 cm 3 Plaque plane en verre MERCURE P1 Plaque plane en verre MERCURE P2 V ( P1 P2) = ρ Hg ρ Hg est donnée en annexe de la norme NF EN en fonction de la température. 2 Papiers filtre 2 Papiers filtre Ciment Grille perforée Grille perforée - 7/8 -

8 Méthodologie : Pour la mesure de la vitesse d écoulement de l air à travers la couche de ciment : Etape 1 : Placer la grille plus une rondelle de papier filtre, plus la quantité de ciment (m)calculée. Ajouter une deuxième rondelle de papier filtre. Etape 2 : Tasser et ôter le piston. Etape 3 : Vérifier le niveau du liquide (repère 4). Etape 4 : Placer la cellule sur l ajutage et s assurer de l étanchéité de l ensemble. -A partir de l étape 4 demandez l assistance d un enseignant Etape 5 : Aspirer le liquide jusqu au repère 1 et fermer le robinet. Etape 6 : L air traverse alors le ciment. Chronométrer au 1/5 ème de seconde près, le temps ( t )mis par le niveau du liquide pour passer du repère 2 au repère 3. Etape 7 : Noter la température : en déduire la valeur de la viscosité de l air, à partir des annexes de la norme NF EN Etape 8 : En déduire la surface massique : 3 K n t Sm =.. en cm² / g ρ 1 n 0,1. η avec : K : constante de l appareil = 15. η : la viscosité de l air en P.a.s. (voir affiche salle de TP) t : le temps écoulé en s. ρ : la masse volumique du ciment en g/cm3. n : la porosité du ciment = 0,5 Etape 9 : Refaire l essai 3 fois consécutivement. Calculs - Résultats Questions : Déterminer la surface massique par la méthode de Blaine pour le ciment proposé. Analyser ce résultat par rapport aux indications des normes sur les ciments (voir cours de matériaux). - 8/8 -

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