Les adjuvants pour béton:

Les adjuvants pour béton: 3 ième partie: les adjuvant spécialisés Yves Dénommé, ing., M.Sc.A Directeur technique Les midis de l ABQ 12 novembre 2014

Politique de l ABQ sur la loi sur la concurrence ÉNONCÉ DE POLITIQUE DE L ABQ Loi sur la concurrence Tous les participants aux présent webinaire s engagent à respecter, tant dans sa lettre que son esprit, les exigences de la «Loi sur la concurrence». Toute discussion sur des sujets à caractère commercial avec un de vos concurrents pourrait apparaître comme une violation de cette Loi, même si il n en n est rien. En conséquence, de telles discussions doivent être évitées en tout temps, avant, pendant et après cette réunion. En tant que participant à ce webinaire, vous ne devez en aucun cas hésiter à faire état de vos préoccupations et faire cesser la poursuite de telles discussions. L Association béton Québec accorde une très grande importance à l observance de cette Loi et elle considère impératif que toutes ses réunions (ou webinaires) se déroulent conformément à cette politique. 2

Plan Les adjuvants contrôlant le retrait Les réducteurs de retrait Les agents expansifs Cure interne du béton Les adjuvants modificateurs de rhéologie (anti-lessivage et BAP) Les retardateurs de prise Les accélérateurs Les inhibiteurs de corrosion Les adjuvants de lithium (inhibiteurs de RAG) Les agents désentraineur d air Les pigments de couleur 3

Les adjuvants contrôlant le retrait

Le retrait Les différents types de retrait: Retrait plastique: Évaporation de l eau de gâchage en cours de prise Retrait endogène Volumes des hydrates < (volume ciment + volume eau) Retrait de séchage Évaporation de l eau dans les capillaires fermés : formation de ménisques et tension sur le matériau Retrait thermique Variation de température lors de l hydratation 5

Le retrait Les retraits empêchés sont une des principales causes de la fissuration des bétons: Séchage Fissure Retrait de séchage Éléments massif Source: Gagné et Lessard 6

Contrainte Le retrait Fissuration due au retrait: Fissuration du béton x Contraintes en tension agissant sur un béton en déplacement restreint Résistance à la tension du béton Source: Gagné et Lessard Âge du béton 7

Agents réducteurs de retrait Généralités: réducteurs de retrait Les réducteurs de retrait permettent : Réduire le retrait de séchage de 30 à 50%: Abaisse la tension de surface de l eau N empêche pas l évaporation de l eau Ne cause pas d expansion Source: Rajabipour et al. 2008; Weiss et al. 2008 8

Agents réducteurs de retrait Agents réducteurs de retrait typiques: les éthers de glycol Source: Carmel Jolicoeur, UdeS Source: DOW 9

Agents réducteurs de retrait Capillarité et tension de surface 10

Agents réducteurs de retrait En abaissant la tension de surface de l eau: sans réducteur de retrait Adaptation: Jolicoeur avec réducteur de retrait Source: Gaurav Sant & all., 2010 Réduction des tensions internes dues aux ménisques 11

Agents réducteurs de retrait À surveiller Entraînement d air: Les AEA et les agents réducteurs de retrait fonctionnent sur des mécanismes similaires: réduction de la tension de surface de l eau Durabilité au gel/dégel et écaillage Consulter votre adjuvantier pour utiliser le bon produit et choisir une formule de mélange adaptée Plusieurs études démontrent une baisse de durabilité Résistance à la compression: Une perte de résistance jusqu à 15% à 28 jours peut être observée Compenser en abaissant le e/l 12

Agents expansifs à base de CaO L agent expansif à base de CaO (ACI 223 type G): Mécanisme d action Le CaO contenu dans l agent expansif interne réagit avec l eau présente dans le béton (principalement dans les 24 premières heures) pour former du Ca(OH) 2, soit de la portlandite, qui provoque l expansion contrôlée du béton après la prise du béton et durant son durcissement. Mûrissement à l eau important! Source: Gagné et Lessard 13

Cure interne du béton Cure interne par ajout de sable léger poreux (ou super absorbant) Mécanisme d action Ajout dans le béton d un certain pourcentage de sable léger poreux saturée en eau Durant la période de mûrissement, le sable léger poreux agit comme réservoir d eau pour compenser l eau consommée lors de l hydratation Granulat léger saturé Zone de cure Cure à l eau standard Granulat standard Cure interne 14

Adjuvants modificateurs de rhéologie (anti-lessivage et BAP)

Adjuvants modificateurs de rhéologie Applications des adjuvants modificateurs de rhéologie Réduction de la ségrégation des BAP Réduire le ressuage Réduction de la friction et de la pression lors du pompage Réduction du lessivage lors du bétonnage sous l eau Compenser une mauvaise granulométrie, particulièrement en manque de fin Réduction du volume de poudre dans les bétons autoplaçants Amélioration de la compaction dans les bétons à faible affaissement Adjuvant modificateur de viscosité substance composée d une longue chaîne de molécules de polymères qui, mélangée au béton, modifie la viscosité (cohésion) du mélange. Ces agents sont généralement utilisés dans le béton autoplaçant ou comme agents anti-lessivage dans le béton coulé sous l eau. (CSA A23.1) 16

Adjuvants modificateurs de rhéologie Principaux adjuvants modificateurs de viscosité Cellulose (ex:hpmc) Amidon Gomme Welan Gomme Diutan 17

Adjuvants modificateurs de rhéologie Modes d action des agents viscosants (1/2) Formation d un réseau-gel de macromolécules Gonflement et rétention d eau Source: Jolicoeur (UdeS) 18

Adjuvants modificateurs de rhéologie Modes d action des agents viscosants (2/2) Source: Jolicoeur (UdeS) Pontage des particules par les polymères hydratés 19

Adjuvants modificateurs de rhéologie Réduction des pressions de pompage +VMA Source: Jeknavorian, 2010 20

Les retardateurs de prise

Retardateurs de prise Généralités Les retardateurs de prise permettent : D'augmenter le temps de début de prise, De réguler le dégagement de chaleur due à l'hydratation du ciment. Les domaines d'application sont les suivants : Béton prêt à l'emploi BPE; Bétons pompés; Bétons pour ouvrages de masse; Coulage du béton en continu; Coulage de béton par temps chauds; Transports sur longues distances. 22

Retardateurs de prise Impact de différents réducteurs d eau sur la prise Jeknavorian, 2009 Invariablement, les réducteurs d eau standards et les superplastifiants retardent la prise, mais à différents niveaux 23

Résistances Retardateurs de prise Résultats observés: retardateur de prise Béton témoin Retardateur de prise Fin de prise Retardateur de durcissement Début de prise Début de prise Fin de prise 0 1h 2h 3h 4h 5h 6h Temps 24

Retardateurs de prise Lignosulfonates Sous produits de l industrie des pâtes et papier Présence de sucres et acides hydrocarboxyliques retard de prise; Retardent l hydratation du C 3 A et C 3 S Utilisés dans les formulations des mid-ranges Charges en périphérie 25

Retardateurs de prise Lignosulfonates Retard de prise dépend de la concentration en sucre Entraînement d air Concentration d impuretés ayant un effet tensio-actif Présence ou non d un antimousse Types de sucre pouvant se retrouver dans les lignosuflonates Respecter les dosages recommandés par votre adjuvantier 26

Retardateurs de prise Acides hydrocarboxyliques (dont les gluconates) Composés de groupements hydroxyles et carboxyliques. Le nombre de groupements varie selon la nature de l acide hydrocarboxylique Retard par adsorption sur le C 3 A Créent plus de ressuage que les lignosulfonates Non-tensioactif Gluconate de sodium: Retarde production éttringite et l hydratation des silicates Plus efficace avec l augmentation de la teneur en alcalis du ciment Groupement hydroxyle Acide gluconique Gluconate de sodium Groupement carboxylique 27

Retardateurs de prise Sucres et polymères hydrolysés Obtenus par hydrolyse partiel de polysaccharides pour former de plus petits polymères. Effet retardateur puissant Phosphonates Très efficaces, parfois appelés superretardateurs Fréquemment utilisés dans les applications: Stabilisateur de prise / d hydratation Retardateur pour béton projeté par voie humide Structure générale des phosphonates 28

Retardateurs de prise Mode d action simplifié Ralentir la vitesse de réaction entre le ciment et l eau en affectant le taux de croissance des produits d hydratation et/ou réduire la vitesse de pénétration de l eau sur les grains de ciments État de l hydratation à 3 heures à 20 C 29

Retardateurs de prise Différents modes d action Type d interaction Adsorption Précipitations Complexation Nucléation Mécanisme d action Les molécules d adjuvant sont adsorbées sur la surface des particules de ciment, ce qui empêche d'autres réactions entre le ciment et l'eau. L'adjuvant réagit avec un ou plusieurs composants du ciment pour former un précipité sur les particules de ciment, ce qui confère un «revêtement» faiblement perméable sur le ciment particules. L adjuvant forme des complexe avec les ions Ca 2+ qui est libérée par l'hydratation Réduction du Ca 2+ disponible. L adjuvant «empoisonne» les sites de nucléation du Ca(OH) 2 et/ou du CSH et inhibe la formation de liaisons entre les produits hydratés. 30

Les accélérateurs

Accélérateurs Généralités Les accélérateurs peuvent être classés selon leur impact sur la prise et le développement de résistance Accélérateur de prise Adjuvant qui réduit le temps de prise (réduit le moment où le béton passe de l état plastique à rigide) Accélérateur de durcissement Adjuvant qui augmente le taux de développement des résistances à court terme avec ou sans effet sur la prise. Les domaines d'application sont les suivants : Bétonnage par temps froid Mettre le béton hors gel Réduire la période de protection Augmenter la rotation des coffrages. Débuter rapidement les étapes de finition 32

Résistances Accélérateurs Accélérateurs de prise vs durcissement Accélérateur de durcissement Accélérateur de prise Béton témoin Fin de prise Début de prise Début de prise Fin de prise 0 1h 1h30 2h 3h 3h304h 5h 6h Temps 33

Accélérateurs Mode d action simplifié État de l hydratation à 3 heures à 20 C Cristaux Ajout de Ca +2 : formation de Ca(OH) 2 CSH Béton témoin Grains de ciment Béton accéléré Accélération de l hydratation des grains de ciment 34

Accélérateurs Généralités Vérifier s ils sont chlorés ou non Limite de la teneur en ions chlorures selon le type de structure Deux types selon la norme ASTM C494 Type C: accélérateur Type E: réducteur d eau et accélérateur Aide à la finition Compense pour les temps de prise lents 35

Accélérateurs Chlorure de calcium N est pas un antigel! Agit comme accélérateur de prise et de durcissement Augmentation du potentiel de corrosion, du retrait et de la réaction alcalis granulats Diminution de la résistance aux sulfates Peut causer une décoloration du béton (tâches foncées et pâles) Source: PCA 36

Accélérateurs Nitrate de calcium Agit comme accélérateur de prise (et non durcissement) Peut compenser pour une baisse de température de 10 C (15 C pour le CaCl 2 ) À haut dosage, agit comme inhibiteur de corrosion Nitrite de calcium Performance similaire au CaCl 2 Essentiellement utilisé comme inhibiteur de corrosion 37

Accélérateurs Thiocyanates Agit principalement comme accélérateur de durcissement Utilisé généralement en combinaison avec d autres accélérateurs, dont le nitrate de calcium Autres accélérateurs: Sels d acides carboxyliques (formate de calcium) Alkanolamines (TEA, TIPA, etc.) Accélérateurs pour béton projeté (sels d aluminium, silicates, carbonates) 38

Les inhibiteurs de corrosion

Inhibiteurs de corrosion Béton sain: bonne protection contre la corrosion Le béton est un milieu très alcalin (ph=13) et assure alors la protection de l acier. Une mince couche d oxyde, ou film passif (solution solide de Fe 3 O 4 - Fe 2 O 3 g dont l'épaisseur est de 10-3 à 10-1 μm), se forme protège la barre d armature. La corrosion des aciers d'armature peut débuter si le film passif est détruit ou si les ph de la solution interstitielle devient trop faible béton acier Fe 3 O 4 Fe 2 O 3 béton acier Film passif Adaptation de W.R. Grace 40

Inhibiteurs de corrosion Les étapes de la corrosion de armatures Dépassivation progressive de l'acier par essentiellement: Carbonatation (baisse du ph); pénétration des ions chlorure Propagation de la rouille produite par des réactions d'oxydation à la surface du métal. Formation produits fortement gonflants (6x) Aux endroits où la couche a été détruite, l'acier se dissous (zone anodique), alors que le reste de la surface encore passivée correspond à la zone cathodique 41

Inhibiteurs de corrosion Applications des inhibiteurs Les inhibiteurs de corrosion sont des composés chimiques qui prolongent la passivité de l'acier dans le béton en présence d'agents agressifs. Les différents produits peuvent agir au niveau de la réaction anodique ou cathodique. Les inhibiteurs de corrosion permettent en fait d'allonger la période d'amorçage ou d initiation. Nitrite de calcium et sodium, amines, esters aminés et phosphates. 42

Inhibiteurs de corrosion Nitrite de calcium Inhibiteur de corrosion qui agit au niveau des sites anodiques Les nitrites permettent aux ions ferreux de retrouver un état de passivation aux endroits où le film passif a été détruit par la carbonatation ou par les ions chlorures. Les nitrites permettent de reformer un film passif, même si la concentration en ions chlore est supérieur au seuil critique d'initiation de la corrosion. Le nitrite de calcium a une fonction secondaire d'accélérateur de prise 2Fe12 1 2OH2 1 2NO2 2NO 1 Fe O 1 H O Film passif 43

Inhibiteurs de corrosion Nitrite de calcium Protection adéquate Ratio Cl-/NO 2 Pour obtenir une protection adéquate il est très important de maintenir un rapport Cl-/NO 2 < 1,5-1,0 Nitrite de calcium solide (kg/m 3 ) 44

Inhibiteurs de corrosion Nitrite de calcium Dosages selon CSA S413 45

Teneur en chlorure (kg/m 3 ) Inhibiteurs de corrosion Estimation de la teneur en chlorure après 40 ans à 10 C pour une structure de garage (CSA S413) Hypothèse: C-XL: 750 coulombs C-1: 1250 coulombs Enrobage spécifié (mm) 46

Les agents désentraîneur d air

Désentraîneurs d air Applications Adjuvants utilisés pour diminuer ou retirer «entièrement» d air des béton. Diminuer la production de mousse et minimise l'entraînement de l'air dans le coulis de ciment, le béton et le mortier. Contrer l'entraînement de l'air produit par certaines combinaisons liants/superplastifiants. 48

Désentraîneurs d air Mécanismes d action Source: Clariant 49

Adjuvants de lithium (maîtrise de la RAS)

Adjuvants de lithium Applications Adjuvants à base de sels de lithium afin de contrôler les effets de la réaction alcalis-silice (RAS). Tirée de Drimalas et al. 2012 51

Adjuvants de lithium Facteurs affectant les performances L efficacité des adjuvants à base de lithium dépend: Ratio [Li]/[Na+K] utilisé dans le béton; Un dosage «standard» [Li] / [Na + K] = 0,74 semble être suffisante pour contrôler l'expansion avec un grand nombre de granulats. Par contre, des doses plus élevées sont nécessaires. Avec certains granulats, une dose de 1,5 fois la dose standard peut encore ne pas être suffisante pour éliminer la RAG Type de produit à base de lithium; Nitrate de lithium (LiN0 3 ) est plus efficace que les autres composés de lithium Type de granulat réactif à contrer Certains granulats très réactifs sont faciles à contrôler alors que d'autres, beaucoup moins réactifs, nécessitent un plus fort dosage 52

Adjuvants de lithium Mécanismes d action Mécanismes d'action par lesquels le lithium permet de réduire la RAG ne sont pas encore bien compris. Cinq (5) théories sont proposées: 1. Diminution de la dissolution de la silice; Le lithium peut décroître le taux de dissolution de la silice, ce qui limiterait la formation d'un gel expansif. 2. Formation d'un silicate de lithium stable protégeant la silice; Le lithium, en présence de silice réactive, formerait un produit secondaire peu ou non expansif (silicate de lithium) autour des particules de silice réactive, ce qui réduirait l'expansion causée par la RAS 3. Diminution de la repolymérisation de la silice; Le lithium limiterait ou diminuerait la repolymérisation de la silice, ce qui diminuerait la quantité de gel formé. 53

Adjuvants de lithium Mécanismes d action 4. Production d'un gel moins ou non gonflant; Le gel de silice tend à être moins expansif avec l'hydroxyde de sodium lorsque l'on augmente la concentration en hydroxyde de lithium 5. Théorie de la double couche. 54

Les pigments de couleur

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Pigments de couleur Pigments de couleur Couleur obtenue par l ajout de pigments (poudre ou suspension liquide) Pigments : Oxydes de minéraux purs finement broyés Insolubles à l eau, résistants aux alcalis et acides faibles. Dosage maximal: 10% par rapport au ciment Utiliser ciment blanc pour obtenir une couleur vive, particulièrement les jaunes et verts Effet possible des pigments sur l air entraîné 57

Pigments de couleur Principaux facteurs affectant la couleur (1/2) Avec pigment Sans pigment Granulats foncée E/C=0,30 E/C=0,35 Granulats pâles Couleur des granulats E/C=0,40 Ciment gris Rapport E/C Ciment blanc Source: LANXESS Couleur du ciment 58

Pigments de couleur Principaux facteurs affectant la couleur (2/2) Dosage en pigments Teneur en ciment Teneur en ciment élevée favorise une teinte plus prononcée + de pigments Dispersion des pigments dans le mélange Efflorescence Usure entraînant l exposition des granulats 59

Questions Info: ydenomme@betonabq.org 60