2 le ciment

101
1 Construction Sika France Le ciment

Transcript of 2 le ciment

Page 1: 2 le ciment

1

Co

nst

ruct

ion

Sika France

Le ciment

Page 2: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

2

Sika France

SOMMAIRE

Généralités

La ligne de fabrication

Le cru

La cuisson

La fabrication du ciment

Les ciments courants

Composition + finesse = performances

L ’hydratation

Page 3: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

3

Sika France

DEFINITIONS (Norme NF P 15-301)

• Le ciment est un liant hydraulique, c’est-à-dire une matière inorganique finement moulue qui, gâchée avec de l’eau, forme une pâte qui fait prise et durcit …

Le matériau formé est ensuite insoluble dans l’eau

Page 4: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

4

Sika France

DEFINITIONS (suite)Le ciment anhydre est constitué de clinker additionné de gypse ( 5

%), et éventuellement pour les ciments composés, d’autres constituants minéraux : laitiers, cendres volantes, fillers calcaires, …

Page 5: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

5

Sika France

NOTATION CHIMIQUE CIMENTIERELa chimie du ciment se construit essentiellement à partir des 4 oxydes majeurs suivants :

CaO = C

SiO2 = S présents dans les matières premières,

Al2O3 = A et qui vont former les silicates et

Fe2O3 = F les aluminates de calcium du clinker :

(CaO)3SiO2 ou C3S (silicate tricalcique) ou (alite)

(CaO)2SiO2 ou C2S (silicate bicalcique) ou (bélite)

(CaO)3Al2O3 ou C3A (aluminate tricalcique)

(CaO)4Al2O3Fe2O3 ou C4AF (alumino-ferrite tetracalc.)

Page 6: 2 le ciment

6

Co

nst

ruct

ion

Sika France

LE CIMENT

Fabrication

Page 7: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

7

Sika France

• LES EGYPTIENS découvrent la chaux grasse, obtenue par cuisson de roches calcaires à une température proche de 1000°C, suivie d’une extinction avec de l’eau.

• LES ROMAINS ont fait véritablement du ciment en ajoutant à la chaux de la pouzzolane.

• LOUIS VICAT en 1817 élabore la théorie de l’hydraulicité, propriété jusque-là inexpliquée.

• En 1824, l’écossais ASPDIN donne le nom de PORTLAND au ciment qu’il fabrique dans cette région.

• LA PREMIERE USINE DE CIMENT a été créée par Dupont et Demarle en 1846 à Boulogne-sur-Mer.

UN PEU D’HISTOIRE

Page 8: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

8

Sika France

LIGNE DE FABRICATION DU CIMENTLa fabrication du ciment se fait selon un procédé en continu (personnel en 3x8), en suivant 3 lignes successives :

• La ligne de fabrication du cru (de la carrière au silo de stock cru)

• La ligne de cuisson (de l’alimentation du four au silo de stock clinker)

• La ligne de fabrication du ciment (de l ’alimentation des broyeurs aux silos d’expédition ciments)

Page 9: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

9

Sika France

LIGNE DE FABRICATION DU CIMENTLa ligne de fabrication du cru (de la carrière au silo de stock cru)

La fabrication du cru commence à la carrière et se termine au silo de stockage avant le four. Pour obtenir dans ce silo une farine crue (procédé voie sèche) homogène et « au titre », les fonctions à assurer sont le broyage, le séchage, l’homogénéisation et le dosage.

Page 10: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

10

Sika France

COMPOSITION D’UN CRU

Le cru est la source des éléments chimiques Ca, Si, Al, et Fe, nécessaires à la formation des silicates et aluminates du clinker.

• Pour la plus grande part (généralement > 95 %), ces éléments sont fournis par une combinaison de roches naturelles: calcaire, marne, argile, sable, ...

• La petite fraction restante (< 5 %) est fournie par des matières dites «de correction », qui sont généralement des produits de transformation d’autres industries : cendres de pyrite (source de Fe) ou de bauxite (source de Al), ...

Page 11: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

11

Sika France

COMPOSITION D’UN CRU (suite)

• Pour des raisons économiques, la cimenterie est (presque) toujours installée sur un gisement de calcaire (source de Ca), qui constitue environ 80 % de la matière crue, et dispose également d’une carrière d’argile (source de Si, Al, Fe) à proximité.

• Quelques cimenteries, dépourvues de carrière d’argile, utilisent en substitution, des cendres volantes de centrales thermiques ou du laitier de haut-fourneau, qui doivent être achetées à l’extérieur, comme les matières de correction.

Page 12: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

12

Sika France

COMPOSITION D’UN CRU (suite)• La composition élémentaire typique d’un cru est la suivante : C

43 %, S 14 %, A 3 %, F 2 %, le complément à 100 étant la perte au feu ( 35 % de CO2 et de H2O) et des oxydes mineurs: MgO, K2O, ...

• La composition minéralogique potentielle du clinker peut être calculée à partir de la composition élémentaire du cru par les formules de Bogue :

C3S = 4.07 C - 7.60 S - 6 72 A - 1.43 F

C2S = - 3.07 C + 8.60 S + 5.07 A + 1.08 F

C3A = 2.65 A - 1.69 F

C4AF = 3.04 F

Page 13: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

13

Sika France

CALCUL DE CRU

Le principe du calcul de cru est de déterminer les % des matières premières dans le cru qui vont permettre de former, après cuisson, les % souhaités de C3S, C2S, C3A, et C4AF dans le clinker. La démarche est la suivante :

• on fait l’analyse élémentaire des matières susceptibles de rentrer dans la constitution du cru: calcaire, argile, ...

• on écrit les équations relatives aux modules fixés• on résout le système d’équations (logiciel de calcul)

Page 14: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

14

Sika France

LA FABRICATION DU CRU (suite)Les 2 étapes du broyage sont illustrées ci-dessous:

le concasseur primaire le broyeur, de type vertical à

(max 50 mm) piste ou horizontal à boulets (cas du schéma ci-dessous)

(refus 80µm 10 %)

Page 15: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

15

Sika France

LA FABRICATION DU CRU (suite)L’homogénéisation se fait tout au long de la chaîne:• au niveau du concasseur primaire, par une bonne gestion de la reprise

des matières au pied des fronts de taille• sur la matière 0-50 mm lorsque l’on dispose d’un atelier de pré-

homogénéisation (schéma ci-dessous)

Page 16: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

16

Sika France

LA FABRICATION DU CRU (suite)

L’homogénéisation se poursuit :• dans le broyeur à cru• sur la farine sortie broyeur, dans

des silos d’homogénéisation (indispensables en l’absence de

pré-homogénéisation).

Page 17: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

17

Sika France

LA FABRICATION DU CRU (suite)

• Le dosage se fait au niveau du broyeur à cru (schéma ci-après) ou de la préhomogénéisation quand elle existe.

H

EchantillonAnalyseCalcul de cru

AIR

R

V

Broyeur à cru

Salle de Contrôle

Laboratoire

Page 18: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

18

Sika France

LIGNE DE CUISSON

• La ligne de cuisson (de l’alimentation du four au silo de stock clinker)

Page 19: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

19

Sika France

LA CUISSONLa cuisson du cru va permettre aux différents oxydes C, S,

A et F de se combiner entre eux pour former les silicates et les aluminates de calcium.

CRU

COMBUSTIBLE

CLINKER

FUMEES( 350°C)

AIR FROID

1450°C1000°C

Page 20: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

20

Sika France

LA CUISSON (suite)

Les transformations de phases qui interviennent dans le four peuvent se décrire en parcourant le diagramme suivant de gauche à droite (du cru au clinker) :

T2 = apparition de la phase liquide= début de formation de l’alite

T1 : début de la décarbonatation= début de formation de la bélite

T1 T2

Page 21: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

21

Sika France

LA CUISSON (suite)

• La trempe du clinker va permettre de stabiliser l’alite (d’éviter sa rétrogradation en bélite et chaux libre secondaire: C3S -> C2S + C)

• elle va aussi influencer le mode de cristallisation de C3A et C4AF, composants principaux de la phase liquide.

Page 22: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

22

Sika France

COMPOSITION D’UN CLINKER PORTLAND

La composition moyenne d’un clinker gris est la suivante :

C3S (alite) : 60-70 %

C2S (bélite) : 10-20 %

C3A : 0-14 %

C4AF : 7-14 %

C (CaO libre) : 1 %

Les aluminates (C3A,C4AF) constituent la phase interstitielle entourant les cristaux hexagonaux d’alite (C3S) et les grains bistriés de bélite (C2S).

Page 23: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

23

Sika France

• La ligne de fabrication du ciment (de l ’alimentation des broyeurs aux silos d’expédition ciments)

LIGNE DE FABRICATION DU CIMENT

Page 24: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

24

Sika France

LA FABRICATION DU CIMENT

• La ligne de fabrication du ciment est indépendante de la ligne de fabrication du clinker (au stock près de clinker). Elle consiste à broyer à une finesse donnée, un mélange de constituants, incluant obligatoirement le clinker et un régulateur de prise (en général du gypse).

EchantillonContrôle composition + finesse

Broyeur à ciment

Salle de Contrôle

Laboratoire

Page 25: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

25

Sika France

LA FABRICATION DU CIMENT (suite)

broyeur

filtre1

2

3

4

• La matière (clinker, gypse,…) traverse le broyeur à boulets à co-courant de l’air aspiré par le ventilateur de tirage.

5

1: trémies doseuses2: séparateur dynamique3: élévateur4: séparateur statique5 ventilateur de tirage

fingruau

Air chaud

Clinker

Page 26: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

26

Sika France

LA FABRICATION DU CIMENT (suite)• Le séparateur dynamique opère un tri sélectif sur la matière

sortant du tube broyeur, en renvoyant le gruau vers l’entrée du tube, et la partie fine vers le produit fini.

Pour régler la finesse du ciment,

on va agir sur:

les paramètres de réglage du séparateur

ou le débit des doseurs,

ou le ventilateur de tirage.

Gruau Fin

Alimentation

Page 27: 2 le ciment

27

Co

nst

ruct

ion

Sika France

LE CIMENT

Normalisation

Page 28: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

28

Sika France

Exemple de dénomination

CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2*

Famille de cimentsIl existe :CEM I : ciment PortlandCEM II : ciment Portland composéCEM III : ciment de haut fourneauCEM IV : ciment pouzzolaniqueCEM V : ciment au laitier et aux cendres

* Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

Page 29: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

29

Sika France

Exemple de dénomination

CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2*

Famille de cimentsIl existe :CEM I : ciment PortlandCEM II : ciment Portland composéCEM III : ciment de haut fourneauCEM IV : ciment pouzzolaniqueCEM V : ciment au laitier et aux cendres

Quantité de constituantsprincipaux autres que le clinker (en % d’ajout)A : de 6 à 20%B : de 21 à 35 %C : de 36 à 65 % (laitier pour les CEM III)

* Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

Page 30: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

30

Sika France

Exemple de dénomination

CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2*

Famille de cimentsIl existe :CEM I : ciment PortlandCEM II : ciment Portland composéCEM III : ciment de haut fourneauCEM IV : ciment pouzzolaniqueCEM V : ciment au laitier et aux cendres

Quantité de constituantsprincipaux autres que le clinker (en % d’ajout)A : de 6 à 20%B : de 21 à 35 %C : de 36 à 65 % (laitier pour les CEM III)

Ciment avec au moins2 constituants principaux autres que le clinker

* Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

Page 31: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

31

Sika France

Exemple de dénomination

CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2*

Famille de cimentsIl existe :CEM I : ciment PortlandCEM II : ciment Portland composéCEM III : ciment de haut fourneauCEM IV : ciment pouzzolaniqueCEM V : ciment au laitier et aux cendres

Quantité de constituantsprincipaux autres que le clinker (en % d’ajout)A : de 6 à 20%B : de 21 à 35 %C : de 36 à 65 % (laitier pour les CEM III)

Ciment avec au moins2 constituants principaux autres que le clinker

Noms des constituants principauxS : laitier granulé de hauts fourneauxV : cendres volantes siliceusesW : cendres volantes calciquesL ou LL : calcaire (en fonction du taux de carbone organique)D : fumée de silice P ou Q : matériaux pouzzolaniquesT : Schiste calciné

* Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

Page 32: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

32

Sika France

Exemple de dénomination

CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2*

Famille de cimentsIl existe :CEM I : ciment PortlandCEM II : ciment Portland composéCEM III : ciment de haut fourneauCEM IV : ciment pouzzolaniqueCEM V : ciment au laitier et aux cendres

Quantité de constituantsprincipaux autres que le clinker (en % d’ajout)A : de 6 à 20%B : de 21 à 35 %C : de 36 à 65 % (laitier pour les CEM III)

Ciment avec au moins2 constituants principaux autres que le clinker

Noms des constituants principauxS : laitier granulé de hauts fourneauxV : cendres volantes siliceusesW : cendres volantes calciquesL ou LL : calcaire (en fonction du taux de carbone organique)D : fumée de silice P ou Q : matériaux pouzzolaniquesT : Schiste calciné

Classes de résistance (résistance caractéristique minimum à 28 jours exprimée en MPa) : 32,5 ou 42,5 ou 52,5

* Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

Page 33: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

33

Sika France

Exemple de dénomination

CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2*

Famille de cimentsIl existe :CEM I : ciment PortlandCEM II : ciment Portland composéCEM III : ciment de haut fourneauCEM IV : ciment pouzzolaniqueCEM V : ciment au laitier et aux cendres

Quantité de constituantsprincipaux autres que le clinker (en % d’ajout)A : de 6 à 20%B : de 21 à 35 %C : de 36 à 65 % (laitier pour les CEM III)

Ciment avec au moins2 constituants principaux autres que le clinker

Noms des constituants principauxS : laitier granulé de hauts fourneauxV : cendres volantes siliceusesW : cendres volantes calciquesL ou LL : calcaire (en fonction du taux de carbone organique)D : fumée de silice P ou Q : matériaux pouzzolaniquesT : Schiste calciné

Classes de résistance (résistance caractéristique minimum à 28 jours exprimée en MPa) : 32,5 ou 42,5 ou 52,5

Sous-classes de résistance (résistance caractéristique minimum à 2 jours exprimée en MPa).N : NormalR : Rapide

* Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

Page 34: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

34

Sika France

LES CIMENTS COURANTS (suite)

• Les ciments sont caractérisés en outre par une des classes de résistance suivantes :

R2 (MPa) R7 (MPa) R28 (MPa) garantie Li garantie garantie Li Ls

32.5 - - 17.5 30 32.5 < 52.5 32.5 R 12 13.5 - 30 32.5 < 52.5

42.5 10 12.5 - 40 42.5 < 62.5 42.5 R 18 20 - 40 42.5 < 62.5

52.5 18 20 - 50 52.5 - 52.5 R 28 30 - 50 52.5 -

R2, R7 et R28 sont les résistances à la compression (en MPa), mesurées sur des barrettes de mortier standard de format 4x4x16 cm, à 2j, 7j et 28j.

Page 35: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

35

Sika France

Exemple de dénomination

CEM II / B - M (S-V) 42,5N PM-ES-CP2*

Famille de cimentsIl existe :CEM I : ciment PortlandCEM II : ciment Portland composéCEM III : ciment de haut fourneauCEM IV : ciment pouzzolaniqueCEM V : ciment au laitier et aux cendres

Quantité de constituantsprincipaux autres que le clinker (en % d’ajout)A : de 6 à 20%B : de 21 à 35 %C : de 36 à 65 % (laitier pour les CEM III)

Ciment avec au moins2 constituants principaux autres que le clinker

Noms des constituants principauxS : laitier granulé de hauts fourneauxV : cendres volantes siliceusesW : cendres volantes calciquesL ou LL : calcaire (en fonction du taux de carbone organique)D : fumée de silice P ou Q : matériaux pouzzolaniquesT : Schiste calciné

Classes de résistance (résistance caractéristique minimum à 28 jours exprimée en MPa) : 32,5 ou 42,5 ou 52,5

Sous-classes de résistance (résistance caractéristique minimum à 2 jours exprimée en MPa).N : NormalR : Rapide

Caractéristiques complémentairesPM : ciment pour travaux à la merES : ciment pour travaux en eau à haute teneur en sulfatesCP : ciment à teneur en sulfures limitée

* Voir la norme française du ciment NF EN 197-1

Page 36: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

36

Sika France

LES LABELS COMPLEMENTAIRES (NF)

LABEL CP : ciments à teneur en sulfure limitée pour béton précontraint (NF P 15-318)

CP1 : S= < 0.7 % post-tension

CP2 : S= < 0.2 % pré-tension

Domaine d’application : ouvrages d’art (en particulier)

Principe : limiter les risques de corrosion liés aux sulfures

Page 37: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

37

Sika France

LES LABELS COMPLEMENTAIRES (NF)

LABEL PM : ciments pour travaux à la mer (NF P 15-317)

CEM I : C3A 10 %C3A + 0.27 C3S 23.5 %SO3 2.5 % (3.0 % si C3A 8 %)

CEM II : limitation de SO3, C3A, % ajouts

CEM III : sont PM d’office si % laitier 60

CEM V : sont PM d’office si CaO 50 %

Principe : limiter le C3A pour éviter la formation de sels chlorés ou sulfatés donnant de l’expansion

Page 38: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

38

Sika France

LES LABELS COMPLEMENTAIRES (NF)LABEL ES : ciments pour travaux en eaux à haute teneur en sulfates (XP P 15-319)

CEM I : C3A 5 %C4AF + 2 C3A 20 %SO3 2.5 % (3.5 % si C3A 3 %)

CEM II : limitation de SO3, C3A, % ajouts

CEM III : sont ES d’office si % laitier 60

CEM V : sont ES d’office si CaO 50 %

Principe : limiter le C3A pour éviter la formation de sels sulfatiques faisant gonfler le béton

Page 39: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

39

Sika France

Utilisations

CIMENT Usages

CEM I Béton armé en général coulé sur place ou préfabriqué.Béton précontraint.Décoffrage rapide, mise en service rapideBétonnage jusqu’à une température extérieure entre 5 et 10° C.Béton étuvé ou auto-étuvé.

CEM II / A ou B Ces ciments sont les plus couramment utilisésCEM II/A ou B classe R : travaux nécessitant une résistance

initiale élevée (décoffrage rapide par exemple).Béton en élévation, armé ou non, d’ouvrages courants.Fondations ou travaux souterrains en milieux non agressifs.Dallages, sols industriels.Maçonneries.Stabilisation des sols.

(de préférence classe R).

Page 40: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

40

Sika France

Utilisations

CIMENT Usages

CEM III / A,B ou C Travaux souterrains en milieux agressifs (terrains gypseux, eaux CEM V / A ou B d’égouts, eaux industrielles…).

Ouvrages en milieux sulfatés : les ciments utilisés sont tous ES, ciments pour travaux en eaux à haute teneur en sulfates, en conformité à la norme NF P 15-319.

Travaux à la mer : les ciments utilisés sont tous PM, ciments pour travaux à la mer, en conformité à la norme NF P 15-317.

Bétons de masse.

Travaux en béton armé ou non, hydrauliques et souterrains (fondations).

Travaux nécessitant une faible chaleur d’hydratation.

Stabilisation des sols.

Page 41: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

41

Sika France

Autres Ciments

Ciment prompt (NF P15-314)

résistance aux eaux séléniteuses et eaux acides

Ciment alumineux fondu (NF P15-315)

par temps froid jusqu’à -10°C

pour les bétons réfractaires jusqu’à 1300°C

Ciment à maçonner (NF P15-307)

Page 42: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

42

Sika France

INDUSTRIE DU CIMENT

MARCHE NATIONAL : 33 Cimenteries et 7 centres de broyage

Cimentiers

Lafarge 12 usines

Vicat 8 usines

Ciments Clacia 10 usines

Holcim 6 usines

Lafarge Aluminate 3 usines

Ciments de l’Adour 1 usine

Marché du Ciment en France : 20 MM Tm

Page 43: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

43

Sika France

INDUSTRIE DU CIMENT

PRODUCTION DE CIMENT EN FRANCE (millions de tonnes)

0

5

10

15

20

25

30

35

1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

Page 44: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

44

Sika France

INDUSTRIE DU CIMENT

Page 45: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

45

Sika France

INDUSTRIE DU CIMENTLes cimentiers dans le monde :

Prod. annuelle

• Lafarge + Blue Circle (France) 151 MT

• Holderbank (Suisse) 142 MT

• Cemex (Mexique) 95 MT

• Heidelberg Zement (Allemagne) 65 MT

• Italcementi Group (Italie) 59 MT

Page 46: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

46

Sika France

COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES

Le ciment va jouer un rôle très important dans l’obtention des caractéristiques d’un béton dans les domaines de :

• la rhéologie (béton frais)temps: 0 (gâchage) à qqs heures (mise en place)

• la résistance mécanique (béton durci): temps: qqs heures (décoffrage) à 28 j (Rcaractéristique)

• la durabilité (béton durci)temps: >> 10 ans (durée de vie de l’ouvrage)

Les exemples qui suivent montrent dans quelle mesure ces caractéristiques sont influencées par le type de ciment.

Page 47: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

47

Sika France

COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES

• Dans l’exemple qui suit, on peut juger de l’influence de la composition-finesse sur les résistances et sur le dégagement de chaleur, pour 6 ciments de la même usine :

0

10

20

30

40

50

60

0 4 8 12 16 20 2412.5

22.5

32.5

42.5

52.5

62.5

72.5

0 7 14 21 28

I 52.5 R

I 42.5 R

II 52.5 R (D7)

II 42.5 R (L7)

II 32.5 R (L21F2)

V 42.5 (S22V22)

Résistance (MPa) = f (jours) Dégagement thermique = f (heures)

D7 = 7% fumée de siliceL7 = 7% calcaireF2 = 2% fillerS22V22 = 22% laitier + 22% cendre

Page 48: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

48

Sika France

• Dans l’exemple suivant, on peut juger de l’influence de la surface spécifique Blaine (SSB) sur les résistances et sur le dégagement de chaleur, pour 3 ciments de type CEM I à base du même clinker et de SSB différentes :

COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES

12.5

22.5

32.5

42.5

52.5

62.5

72.5

0 7 14 21 28

5050 cm2/g

3890 cm2/g

3270 cm2/g

0

10

20

30

40

50

60

0 4 8 12 16 20 24

Résistance (MPa) = f (jours) Dégagement thermique = f (heures)

Page 49: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

49

Sika France

• La distribution granulométrique du ciment, va influer sur ses performances, en particulier sur sa demande en eau :

un ciment avec une courbe

granulométrique étroite (en rouge) va avoir une demande en eau plus forte que celui présentant une courbe large (en vert).

0

20

40

60

80

100

1 10 100

% de refus cumulé = f ( grains en µm)

COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES

Page 50: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

50

Sika France

• L’influence du gypsage sur les caractéristiques du ciment, s’exerce à la fois qualitativement (forme du sulfate) et quantitativement (« optimum de gypsage »).

• Les différentes formes de sulfate de calcium se distinguent par la solubilité : le gypse : CaSO4, 2 H2O l’hémihydrate (ou plâtre): CaSO4,1/2 H2O l’anhydrite : CaSO4 des gypses « chimiques »

COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES

0

1

2

3

4

5

6

0 1 2 3 4

Solubilité (g/litre) = f (min)

Phosphogypse

Hémihydrate

Gypse

Anhydrite

Page 51: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

51

Sika France

28

29

30

31

32

33

34

35

36

37

38

01/01/94 02/04/94 02/07/94 01/10/94 31/12/94

Clinker 1 + Anhydrite

Clinker 2 + Anhydrite

Clinker 2 + Gypse

• Le graphique ci-dessous montre comment ces différences de solubilité influent sur une caractéristique rhéologique :

la demande en eau

COMPOSITION + FINESSE = PERFORMANCES

Page 52: 2 le ciment

52

Co

nst

ruct

ion

Sika France

LE CIMENT

Hydratation

Page 53: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

53

Sika France

Les anhydres du clinker au contact de l’eau vont se transformer en silicates et aluminates de calcium hydratés qui vont constituer la phase liante des granulats au sein du béton.

DU CLINKER AUX HYDRATES

Page 54: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

54

Sika France

HYDRATATION DU CIMENT

• L’hydratation d’un ciment portland peut se décrire comme la résultante de :

l’hydratation des silicates, qui ne met en jeu que C3S, C2S et l’eau (H),

et l’hydratation des aluminates, qui met en jeu C3A, C4AF, l’eau (H) et le gypse (CSH2).

Ces 2 hydratations se déroulent simultanément mais pas indépendamment l’une de l’autre, du fait de couplages chimiques et thermiques.

Page 55: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

55

Sika France

HYDRATATION DES SILICATESL’hydratation des silicates conduit à 2 types d’hydrates :

(C3S , C2S) + H CSH + CH

80 % 20 %

La portlandite

(cristal non-liant)

Les C-S-H : peu cristallisés (“gel”) et liants, ce sont les hydrates

les plus importants. Le rapport C/S dans ces CSH est

typiquement compris entre 1,6 à 1,8.

Page 56: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

56

Sika France

Pâte de ciment à 7 j : Fibres de CSH (MEB 1100 x)

HYDRATATION DES SILICATES (suite)

Page 57: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

57

Sika France

Pâte de ciment à 7 j : cristaux de portlandite (MEB 7000 x)

HYDRATATION DES SILICATES (suite)

Page 58: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

58

Sika France

HYDRATATION DES SILICATES (suite)

Page 59: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

59

Sika France

L’hydratation des aluminates, du C3A en particulier, obéit à la séquence de réactions suivantes, dans l’ordre 1, 2, 3 :

(1) C3A + 3CSH2 + 26 H2O C3A(CS)3H32

Gypse Ettringite ou trisulfoaluminate

(2) 2 C3A + C3A(CS)3H32 + 4 H2O C3A(CS)H12

Ettringite Monosulfoaluminate

(3) C3A + CH + 12 H2O C4AH13

L’effet régulateur de prise du gypse est lié au fait que :

(2) ne démarre que quand tout le gypse est consommé dans (1)

(3) ne démarre que quand l’ettringite est consommée dans (2)

HYDRATATION DES ALUMINATES

Page 60: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

60

Sika France

HYDRATATION DES ALUMINATES

Page 61: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

61

Sika France

Aiguilles d’ettringite (MEB 10000 x)

HYDRATATION DES ALUMINATES

Page 62: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

62

Sika France

Cristaux hexagonaux de monosulfoaluminates (MEB 8000 x)

HYDRATATION DES ALUMINATES

Page 63: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

63

Sika France

Cristaux de C4AH13 (MEB 10000 x)

HYDRATATION DES ALUMINATES

Page 64: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

64

Sika France

HYDRATATION DES ALUMINATES

En l’absence de sulfate de calcium, l’hydratation conduit rapidement à la formation de cristaux dont la morphologie est défavorable à une bonne rhéologie de la pâte :

2 C3A + 21 H2O C4AH13 + C2AH8

C4AF + H2O C4(A,F)H13 + C2(A,F)H8

CRISTAUX HEXAGONAUX MÉTASTABLES

C3AH6 + 9H2O

C3(A,F)H6+ 9H2O

CRISTAUX CUBIQUES

Page 65: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

65

Sika France

REGULATION DE LA PRISETemps d'hydratation

10 min 1 h 3 h

Réactivitéclinker

Disponibilitédes sulfatesen solution

Hydratation

Faible Faible

Haute Haute

Haute Faible

Faible Haute

ettringite

CSH

C4AH13

CaSO42H20

Page 66: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

66

Sika France

EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE

Pâte de ciment 1 h

1. Eau1. Eau2. Clinker2. Clinker3. Gypse3. Gypse4. Bulle d’air4. Bulle d’air5. Grain de sable5. Grain de sable6. C-S-H6. C-S-H

Page 67: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

67

Sika France

Pâte de ciment 2 h - Croissance des aiguilles d’ettringite

fig 25 pg 52

EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE

Page 68: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

68

Sika France

Pâte de ciment 4 h - Prise - Précipitation de cristaux de Portlandite

fig 26 pg 53

EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE

Page 69: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

69

Sika France

Pâte de ciment 3 jours - Durcissement - Apparition de vides

fig 247pg 54

EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE

Page 70: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

70

Sika France

Pâte de ciment 1 mois - Réseau de pores capillaires qui se développe

fig 28 pg 55

EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE

Page 71: 2 le ciment

71

Co

nst

ruct

ion

Sika France

LES ESSAIS DE CARACTÉRISATION DU

CIMENT

Page 72: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

72

Sika France

LES ESSAIS DE CARACTERISATION

Il existe des essais de caractérisation qui se font sur le ciment, sur pâte (ciment + eau) et sur mortier normalisé (ciment + sable CEN + eau).

Sur ciment :• Finesse - Méthode Blaine (EN 196-6 / NF P 15-476)

• Masse volumique

• Granulométrie laser

• Tamisage Alpine - refus à 40 µm et 80 µm

• Colorimétrie - Niveau de gris

Page 73: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

73

Sika France

Sur pâte :• Consistance normalisée, temps de prise et stabilité

(EN 196-3 / NF P 15-473)

• Fausse prise - Essai de Tusschenbroeck (NF P18-363)

Sur mortier :• Maniabilité (NF P 15-437)

• Résistances mécaniques (EN 196-1)

• Retrait gonflement (NF P 15-433)

• Chaleur d’hydratation (EN 196-9 / NF P 15-436)

LES ESSAIS DE CARACTERISATION

Page 74: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

74

Sika France

Masse volumiqueOn utilise un pycnomètre afin de travailler à volume constant. Le liquide

utilisé est non réactif avec le ciment : toluène, cyclohexane

La masse volumique des ciments varient de 2,85 à 3,21 g/cm3

LES ESSAIS SUR CIMENT

Page 75: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

75

Sika France

Finesse - Méthode Blaine (EN 196-6 / NF P 15-476)

LES ESSAIS SUR CIMENT

.1,0

1.

1.

1..

3

p

ptKS

c

500,0.

1

c

c

V

mp

K : constante de l’appareil

: viscosité de l’air à T° de l’essai

c : masse volumique du ciment

mc : masse de ciment

V : volume de la cellule

La surface Blaine des ciments varie de 3100 à 6000 cm2/g

Page 76: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

76

Sika France

Consistance normalisée (EN 196-3 / NF P 15-473)

LES ESSAIS SUR PÂTE

Trouver le rapport E/C pour lequel la sonde de consistance s’arrête à :

d = 6 mm ± 1 mm

La demande en eau La demande en eau varie de 28% à 33% varie de 28% à 33% selon les ciments.selon les ciments.

Page 77: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

77

Sika France

Temps de prise (EN 196-3 / NF P 15-473)On fait une mesure sur une pâte à consistance normalisée. Le temps

de début de prise correspond au temps au bout duquel l’aiguille de Vicat s’arrête à d = 4 mm ± 1 mm du fond.

On retourne le moule tronconique. Le temps de fin de prise correspond au temps au bout duquel l’aiguille de Vicat munie de son accessoire annulaire ne s’enfonce plus que de 0,5 mm dans la pâte.

LES ESSAIS SUR PÂTE

Page 78: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

78

Sika France

Stabilité (EN 196-3 / NF P 15-473) : Appareil Le Chatelier

LES ESSAIS SUR PÂTE

On travaille sur pâte normalisée. La stabilité est caractérisée par :

Stabilité = C - A (mm)

La stabilité permet d’estimer les gonflements que pourraient provoquer les oxydes de calcium et de magnésium contenus dans le ciment.

La norme impose pour tous les ciments une

stabilité 10 mm

Page 79: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

79

Sika France

Fausse prise - Essai de Tusschenbroeck (NF P18-363)

• E/C=0,35• Malaxage 1’ à vitesse rapide• Mesures à 3’, 5’, 7’, 10’, 15’

LES ESSAIS SUR PÂTE

Page 80: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

80

Sika France

Mortier normalisé c’est :• Rapport E/C = 0,5

• Sable calibré CEN 0/2,5 mm (sac de 1350 g)

• Rapport S/C = 3

• Protocole de malaxage normalisé :

LES ESSAIS SUR MORTIER

Page 81: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

81

Sika France

Maniabilité (NF P 15-437)

La maniabilité se mesure à E/C=0,5. Elle caractérise la capacité d’écoulement du mortier sous vibration.

La maniabilité des ciments varie de 3 s à plus de 25 s.

LES ESSAIS SUR MORTIER

Page 82: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

82

Sika France

Résistances mécaniques (EN 196-1)Mesures sur 3 éprouvettes prismatiques

4×4×16 cm3 conservées sous eau à 20°C jusqu’à l’échéance de mesure.

LES ESSAIS SUR MORTIER

Résistance à la traction par flexion 3 points

3

..5,1

b

lFRf

Page 83: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

83

Sika France

Résistances à la compressionMesures sur les 6 demi-éprouvettes prismatiques

4×4×16 cm3 cassées par flexion.

LES ESSAIS SUR MORTIER

Résistance à compression

avec b = 40 mm

2b

FRf c

Page 84: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

84

Sika France

Retrait gonflement (NF P 15-433)Mesure des variations dimensionnelles de prismes 4*4*16 en

fonction du temps : L/L (µm)• retrait : éprouvettes conservées à l’air (20°C, Hr=50%) • gonflement : éprouvettes conservées dans l’eau (20°C)

LES ESSAIS SUR MORTIER

Page 85: 2 le ciment

85

Co

nst

ruct

ion

Sika France

LES ADDITIONS POUR BETON

Page 86: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

86

Sika France

DEFINITION

Addition : matériau minéral finement divisé utilisé dans le béton afin d ’améliorer certaines propriétés ou pour lui conférer des propriétés particulières. Il existe deux types d’additions:

• les additions quasi-inertes (de type I)

• les additions à caractère pouzzolanique ou hydraulique latent (de type II)

(extrait de la norme NF EN 206: « Béton: performances, production et conformité »)

Page 87: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

87

Sika France

CADRE NORMATIF

La norme française du BPE (P 18-305) autorise les additions suivantes, en substitution partielle du ciment :

du type I :

les additions calcaires conformes à NF P 18-508

les additions siliceuses conformes à NF P 18-509

du type II :

les cendres volantes de houille conformes à NF EN 450

les fumées de silice conformes à NF EN 13263

les laitiers de haut-fourneau conformes à NF P 18-506

Page 88: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

88

Sika France

SPECIFICATIONS DES ADDITIONS POUR BETONcendres fumée silice

NF EN 450 NF EN 13263stat garantie stat garantie stat stat

teneur en eau (%) < 1 < 0.5masse volumique (kg/m3) Li > 2600 > 2550 écart à moyenne

Ls < 2700 < 2750 < 150refus à 45 µm (%) Ls < 40passant à 63 µm (%) Li > 70 > 65 Li > 55 > 52.5passant à 160 µm (%) Li > 95 > 92.5SSB ou BET (m2/kg) Li > 220 > 200 Li > 150 > 140 Li > 15000Indice d'activité 28 j (90 j) Li > 0.71 > 0.68 Li > 0.70 > 0.68 Li > 0.75 (0.85)Valeur de bleu Ls < 1.0 < 1.3 Ls < 10 < 11.5% matières organiques Ls < 0.2% perte au feu Ls < 0.15 < 0.20 Ls < 5.0 Ls < 4.0% carbonates (CaCO3 éq.) Li > 90 (65) > 87 (62)% chlorures Ls < 0.1 Ls < 0.10 < 0.10 Ls < 0.10 Ls < 0.3% SO3 (sulfates) Ls < 0.15 Ls < 3.0 Ls < 2.0% S (soufre total) Ls < 0.40 Ls < 0.15 < 0.20% SiO2 Li > 96 > 93.5 Li > 85% Silice libre Ls < 0.4% CaO libre Ls < 1.0 (2.5) Ls < 1.0Stabilité (mm) Ls < 10

calcaire siliceux (A)NF P 18-508 NF P 18-509

Page 89: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

89

Sika France

L’EFFET FILLERUn filler va réduire le volume de vide entre les grains de ciment. La résultante sur le béton sera :

compacité (imperméabilité) aspect de parement ressuage Rc (à même teneur en eau)

demande en eau (calcaire)

Page 90: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

90

Sika France

L’EFFET POUZZOLANIQUE

Une pouzzolane est un matériau susceptible de libérer de la silice (S) en présence d’un porteur de chaux (C). La silice libérée se combine à la portlandite CH pour former des CSH.

La consommation de portlandite non liante et soluble, au profit de CSH est synonyme de :

résistances durabilité

Page 91: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

91

Sika France

L’EFFET POUZZOLANIQUE

% de portlandite en fonction du temps (en mois)

0

2

4

6

8

10

12

14

0 1 2 3 4 5 6

CEM I 52.5 R

CEM II/A 52.5(FS=7%)

CEM V/A 32.5(L=23%, CV=23%)

CEM III/B 32.5(L=68%)

Page 92: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

92

Sika France

• Les additions de type I (calcaires ou quartzeuses) se comportent essentiellement comme des fillers

• Les cendres volantes et les fumées de silice sont des pouzzolanes. Le laitier moulu, « hydraulique latent », a un comportement intermédiaire entre celui d’un ciment et celui d’une pouzzolane.Ces 3 additions peuvent simultanément se comporter en fillers, en fonction de leur degré de finesse (les fumées de silice ont un fort effet filler).

FILLER, POUZZOLANE, HYDRAULIQUE LATENT

Page 93: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

93

Sika France

LES CENDRES VOLANTESLes principaux avantages / inconvénients des cendres

sont les suivants :

maniabilité (écoulement)

Rc 28 (effet pouzzolanique)

compacité

ressuage

temps de prise

aspect de parement (traces noirâtres)

résistance au gel - dégel

Page 94: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

94

Sika France

LES CENDRES VOLANTES

Page 95: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

95

Sika France

LA FUMEE DE SILICELes principaux avantages / inconvénients de la fumée de silice sont les

suivants :

Rc 1, Rc 2 (effets filler + pouzzolanique)

Rc 28 (effet pouzzolanique)

compacité (imperméabilité)

aspect de parement (régularité)

demande en eau

retrait endogène

sensibilité à la cure

Page 96: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

96

Sika France

LA FUMEE DE SILICE

Page 97: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

97

Sika France

LE LAITIER DE HAUT-FOURNEAULes principaux avantages / inconvénients du laitier sont les

suivants :

résistance chimique (eau de mer, sulfates)

résistance à l’alcali -réaction

Rc 28 (effet pouzzolanique)

parement clair (à partir d’une certaine teneur)

demande en eau

temps de prise

sensibilité à la cure

résistances mécaniques initiales

Page 98: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

98

Sika France

LE LAITIER DE HAUT-FOURNEAU

Page 99: 2 le ciment

99

Co

nst

ruct

ion

Sika France

L’EAU DE GACHAGE

Page 100: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

100

Sika France

L’EAU DE GACHAGE

L’eau de gâchage doit être conforme à la norme NF P 18-303 et satisfaire en particulier les conditions suivantes:

béton béton béton précontraint armé non arméchlorures (g/l) < 0.5 < 1.0 < 4.5nitrates (g/l) < 0.5sucres, phosphates, Pb, Zn (g/l) < 0.1sulfates (g/l) < 2.0alcalins (g/l) < 1.5

En outre, par rapport à de l’eau distillée, l’eau ne doit pas induire de variation du temps de prise > 25%, et de baisse de Rc7 > 10 %.

Page 101: 2 le ciment

Co

nst

ruct

ion

101

Sika France

L’EAU DE GACHAGE (suite)

L’eau de lavage récupérée des installations de recyclage de l’industrie du béton, peut être utilisée comme eau de gâchage des bétons dans la mesure où:

• la quantité de fines apportées est < 1.5 % de la masse totale de granulats

• son influence éventuelle vis-à-vis des prescriptions particulières est prise en compte

• elle est répartie le plus également possible sur la production de la journée