LES LIANTS HYDRAULIQUES. Hamdi Boualem ENSSMAL

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1 LES LIANTS HYDRAULIQUES Hamdi Boualem ENSSMAL

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3 Le ciment Le ciment est une matière pulvérulente, formant avec l eau ou avec une solution saline une pâte plastique liante, capable d agglomérer, en durcissant, des substances variées

4 Le ciment Le mot «ciment» peut désigner différents matériaux comme : Le plâtre La chaux commune, Le ciment Portland ou ciment artificiel

5 Fabrication La fabrication du ciment se distingue en six étapes principales : l'extraction la préhomogénéisation le séchage et le broyage la cuisson le refroidissement le broyage

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7 COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND Analyses comparées des matériaux primaires, cru, clinker et ciment CALCAIRE ARGILE CRU CLINKER (comb. charbon) CIMENT

8 COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND COMPOSITIONS Exemples de porteurs d oxydes «acides» amenant les éléments Si, Al et Fe NATURELS SOUS PRODUITS ARGILES PHILLITES SCHISTES MARNES GRES BAUXITES SABLES CENDRES VOLANTES SCORIES INDUSTRIELLES (FER et ACIER) SABLES DE FONDERIE CATALYSEURS BOUES D Al...

9 La phyllite est un type de roche métamorpholique composée à l'origine de quartz et de micas à base de chlorite.

10 Un schiste est une roche métamorphique provenant d une argile

11 La marne que l'on nomme aussi, en fonction de sa qualité est une roche sédimentaire contenant du calcaire CaCO 3

12 Le grès est une roche, issue de l agrégation et la cimentation de grains de sable

13 La bauxite est une roche caractérisée par sa forte teneur en alumine Al 2 O 3 et en oxydes de fer

14 Le sable est constituée de petites particules provenant de la désagrégation d'autres roches dont la dimension est comprise entre 0,063 et 2 mm. Le sable est souvent le produit de la décomposition du granite du fait de l érosion. Ainsi, le plus fréquent de ses composants est le quartz.

15 COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND Principales phases cristallochimiques du clinker Ca 3 SiO 5 Ca 2 SiO 4 Ca 3 A Ca 4 AI 2 Fe 2 O lo 3CaO - SiO 2 2CaO - SiO 2 3 CaO A CaO Al Fe 2 O 3 C 3 S C 2 S C 3 A C4AF C =CaO: Chaux F = Fe 2 O 3 : Hématite S = SiO 2 : Silice H = H 2 O: Eau A = Al 2 O 3 : Alumine

16 Composition du ciment Portland les silicates : tricalciques (ou alite): 3CaO.SiO 2 ou C 3 S (40 à 75%) bicalciques (ou belite): 2CaO.SiO 2 ou C 2 S (6 à 30 %) les aluminates : tricalciques: 3CaO.Al 2 O 3 ou C 3 A (0.1 à 12 %) ferroaluminate tétracalcique: 4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 ou C 4 AF (2 à 16 %)

17 COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND LE CLINKER Les phases du clinker contiennent toujours des impuretés dans leur réseau peuvent être sous différentes formes cristallographiques: C 3 S(4) C 2 S (4) C 3A (4) C 4 AF «C 2 A» -«C 2 F»Solution

18 COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND LE CLINKER Constituants du clinker Teneur en % Domaine Moyenne

19 MORPHOLOGIE DU CIMENT PORTLAND LE CLINKER Image de clinker en microscopie optique (section polie)

20 MORPHOLOGIE DU CIMENT PORTLAND LE CLINKER Image de clinker en microscopie électronique à balayage Cristal de bélite

21 Autres phases CHAUX LIBRE - CaO - Acceptable entre 0.5 et Pas de spécification mais limitation effective

22 COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND PROPRIETES DES PHASES Chaleurs d hydratation typiques des différentes phases du clinker PHASE C3S 500 C2S 250 C3A 1340 C4AF 420 Chaux libre 1150 Joule/g

23 COMPOSITION CHIMIQUE DU CIMENT PORTLAND PROPRIETES DES PHASES VITESSE D HYDRATATION DES PHASES DU CIMENT eau fixée (%) temps en jours C3A C4AF C3S C2S Aluminates et ferrites présentent une plus grande vitesse d hydratation par rapport aux silicates, mais fournissent une contribution modeste aux résistances mécaniques

24 HYDRATATION, PRISE ET DURCISSEMENT CONSIDERATIONS GENERALES Réaction globale: dissolution suivie de précipitation après sursaturation critique La précipitation peut être divisé en deux phénomènes : la germination et la croissance. La germination est un phénomène qui entraîne la formation de structures ioniques ordonnées. Les germes deviennent stables et donnent lieu à un embryon de cristal. La croissance est le processus de formation des surfaces à l interface liquide - cristal.

25 HYDRATATION, PRISE ET DURCISSEMENT CONSIDERATIONS GENERALES La cristallisation dépend de nombreux paramètres: température, conductibilité thermique, sursaturation, impuretés... Z Y X Dans la solution Germe cristallin Croissance cristalline

26 HYDRATATION, PRISE ET DURCISSEMENT HYDRATATION DU C3S D un point de vue cinétique, le processus d hydratation s articule en cinq phases: Hydratation superficielle instantanée des particules de C3S lorsqu elles entrent en contact avec l eau Période de basse réactivité Période d accélération de l hydratation Décélération par effet de barrière de diffusion des produits hydratés formés en surface des grains Achèvement lent de l hydratation

27 HYDRATATION, PRISE ET DURCISSEMENT HYDRATATION DU C3S Période dormante: inactivité apparente mais Ca en solution augmente progressivement Formation d une couche de CSH en surface des grains (tendance des hydrates à précipiter dans les zones de concentration maximum autour des granules de ciment et non dans le volume de la solution où les concentrations ioniques sont inférieures et uniformes). Fin de la période dormante avec la précipitation de la portlandite qui joue le role de «gâchette» de la prise

28 HYDRATATION, PRISE ET DURCISSEMENT HYDRATATION DU C3S Période de la prise Débute avec la «prise initiale» Flux de chaleur en forte augmentation Formation de CSH et de portlandite dans les pores entre grains. La pâte plastique devient un solide par enchevêtrement de CSH.

29 HYDRATATION, PRISE ET DURCISSEMENT HYDRATATION DU C3S Période de durcissement La porosité se remplit progressivement de CSH Les résistances se développent Le flux de chaleur diminue La vitesse de dissolution diminue rapidement à cause de la formation des hydrates et de la modification conséquente des gradients de concentration. Les dimensions des capillaires contenant l eau diminuent L eau a plus de difficulté à traverser l épaisseur des produits L eau a plus de difficulté à traverser l épaisseur des produits hydratés pour atteindre les surfaces anhydres du clinker.

30 HYDRATATION, PRISE ET DURCISSEMENT HYDRATATION DU C3S L hydratation des silicates de calcium produit: Silicates de calcium hydratés CSH Hydroxyde de calcium Ca(OH)2 Le CSH n est pas un composé stoechiométrique et cristallin, mais a les caractéristiques d un gel gel = substance constituée de particules de dimensions nanométriques avec un ordre structurel interne

31 HYDRATATION, PRISE ET DURCISSEMENT HYDRATATION DU C3S HYDRATATION DES PHASES SILICATEES: EQUATIONS CHIMIQUES C3S + xh -> CnSHy ( CSH ) + (3-n)CH avec n tendant vers ~1.7, 1.8 à hydratation complète C2S + xh -> CnSHy + (2-n)CH Réaction similaire à celle du C3S mais beaucoup plus lente

32 HYDRATATION, PRISE ET DURCISSEMENT HYDRATATION DU C3S Pâte de ciment hydratée 7 jours: Ca(OH) 2 et CSH (SEM 7000 X)

33 HYDRATATION, PRISE ET DURCISSEMENT HYDRATATION DU C3S Formations fibreuses de CSH (pâte de ciment 7 jours (SEM 1100 X))

34 HYDRATATION, PRISE ET DURCISSEMENT HYDRATATION DU CIMENT DIAPORAMA DE L EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE Pâte de ciment 1 h

35 5. HYDRATATION, PRISE ET DURCISSEMENT 4. HYDRATATION DU CIMENT DIAPORAMA DE L EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE Pâte de ciment 2 h

36 HYDRATATION, PRISE ET DURCISSEMENT HYDRATATION DU CIMENT DIAPORAMA DE L EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE Pâte de ciment 5 h

37 HYDRATATION, PRISE ET DURCISSEMENT HYDRATATION DU CIMENT DIAPORAMA DE L EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE Pâte de ciment 1 jour

38 HYDRATATION, PRISE ET DURCISSEMENT HYDRATATION DU CIMENT DIAPORAMA DE L EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE Pâte de ciment 1 mois