Compil-cours1.pdf

Matriaux de Construction1

Matriaux de Construction

Prof. Karen Scrivener

Laboratoire de Matriaux de Construction

Departement des Matriaux


Professeure Karen SCRIVENER

Anglaise

Science des Matriaux

Thse - microstructure du ciment

Enseignante - chercheuse,Imperial College, Londres

1995 Lafarge, Lab. Centrale de Rechercheplus grand groupe des Matriaux de Construction

Mars 2001 EPFL


Aujourd'hui

Objectives du cours

orientation du sujet

plan et planning des cours

PAUSE

Rappel sur le comportement mcanique des matriaux


Objectives du cours

Comprendre la fonction des matriaux dans la construction;

comprendre les proprits et sollicitations qui orientent le choix des matriaux de construction

comprendre les bases de la chimie, de la physique et de la microstructure qui sont responsables de leur comportement

sensibilisation aux questions environnementales


Objectives du cours, suite

Pour les btons:

connatre les bases de leur technologie pour sa bonne utilisation;

Les aspects de leurs comportements mcaniques lis au matriaux

sensibilisation la durabilit: choix pour la meilleure conomie sur tout le

cycle de vie diagnostiques des pathologies ventuelles


Orientations du cours

perspectives historiques

gamme de construction

perspectives conomiques

science des matriaux

classifications des matriaux

cots, quantit utilise des matriaux

fonctions des matriaux de construction


Perspectives historiquesse loger/abriter - un des besoins fondamentaux des tres humaines


Matriaux 1ere usage T prod.brique en boue et argile 8000 av. JCobj. en cramique, briques et terre cuite 6000 av. J.C.mortier pour les joints de briques en bitume 5000 av. J.C.murs en briques couverts dun enduit de gypse 5000 av. J.C. 180Cencadrements des portes en bois,poutre en bois

5000 av. J.C.

agrgats et fibres pour larmature 5000 av. J.C.travaux en cuivre et bronze 4000 av. J.C.

objets en verre 3000 av. J.C.

mortier de chaux et chaux hydraulique 1000 av. J.C. 800 1000C

bton base de chaux hydraulique, cimentspouzzolaniques

100 av. J.C. 1100C


Matriaux 1ere usage T prod. Ironbridge, UK 1779 ciment hydraulique, Edison lighthouse 1793 1300C bton base de ciment Portland (Joseph Aspdin) 1824 1450C

Bton arm (Monier) 1848 Tour Eifel 1889

First reinforced concrete bridge 1889

ciment alumineux 1914 1600C

bton prcontraintre 1929 bton haute performance 1980s.

bton ultra haute performance 2000


Gamme de construction

Ironbridge ,premier pont en fer, 1779

Hoover Dampremier barrage en beton, 1936


Perspectives economique

En Europe lindustrie de la construction est:

800 billion Euro / an

11% PIB (GDP)

30 million employs

20% de workforce


Science des Matriaux

PROCESS

MICRO-STRUCTURE

PROPRITS


Classification des Matriaux

MTAUXALLIAGES MTALLIQUES

CRAMIQUES POLY

MRE

S

ORGA

NIQU

ES

Fe, Al, Cuacier

Al2O3 SiC

verresmineraux

thermo-plastiques

lastomres,fibresorganique

EX.Fils dacier +caoutchouc(pneumatique)

EX.Bton arm

EX.fibres de verres + polyestersfibres de carbonne + poxydes Matriaux de Construction1

Classification des matriaux bass sur la nature des liaisons et la structure atomique :

1. Mtaux et leurs alliages Les mtaux les plus utiliss: Fe, Al, Cu alliages : la combinaison de deux ou plusieurs mtaux ,

peuvent contenir des lments non mtalliques

Liaison Mtallique > tat cristallin, opaques, brillants, lourds, durs, rigides,

dformables plastiquement bonnes conductivit thermique et lectrique


2. Ceramiques Matriaux inorganiques, en gnral combinaison des

lments mtalliques (Mg, Al, Fe) et non mtalliques (oxygne)

Liaisons covalentes, ionocovalentes et ioniques Rsistance mcanique et thermiques leves

isolants lectriques et Durs et fragiles


3. Polymres organiques origine naturelle ou synthtique molcules formes de longues chanes datomes de

carbone sur lesquelles sont fixes des lments comme lhydrogne et le chlore, ou des groupements datomes comme le radical mthyle (-CH3). Dautres lments comme le soufre, lazote, le silicium etc. peuvent intervenir.

liaisons secondaires et liaisons covalentes isolants lectriques et thermiques mous et lgers ne supportent pas des tempratures suprieures ~200C faciles mettre en uvre


4. Composites Combinaisons des matriaux


Cot / consummation des matriaux

Source: INTRODUCTION LA SCIENCE DES MATRIAUX, Mercier, Zambelli, Kurz


Utilisation des matriaux

Choix du matriau le plus adapt aux applications envisages.

Les critres de choix des matriaux doivent tenir compte des facteurs suivants :

fonctions principales de la construction : modes de mise en charge, des tempratures et des conditions gnrales dutilisation.

comportements intrinsques du matriau : rsistance la rupture, lusure, la corrosion, conductibilit, etc.

prix du revient des diverses solutions possibles


Fonctions Mat. de Construct.

Mcanique:

stabilit pour ne pas seffondrer rigidit (stiffness) rsistance en compression (compressive strength) rsistance en tension (tensile strength)

durabilit fluage (creep) relaxation (relaxation)


Fonctions Mat. de Construct.(2)

Echanges avec l'extrieur:

viter la pntration de pluie, de neige, de vent tanchit (watertight) ventilation contrle

thermiques l isolation thermiques

phonique

optiques

Durabilit

Causes de dgradation des btons

Corrosion des armatures

Gel / dgel(freeze / thaw)

RAGraction alcali granulat(alakli silica reaction

ASR)

Attaquesulfatique(externe)

DEF

+ Usure mcanique

Attaqueacide

Carbonatation

Pntration des ions chlores

Leauliquide

Gel Degel

La glace

V

Augementation de volume ~ 9%

Pte avec les pores sature

Gel = Rupture du pte

Loi Kelvin-Laplace

0.1 m

99 % RH

Pte avec les pores partiellement sature

Gel = pas de endommagement

Pour les dalles,leau sur le surface peut saturer le couche prs de surface

lecaillage

Pour eviter lendommagement

Introduction de vides dair - ~ 6 8 %Par utilisation des entrainers dair, adjuvants liquide

Taille ~50 m (difficile sature)Leau dans les pores du pte peut echapper dans ces vides, sil y a un gel

Espacement des vides

Le reaction Le reaction entre silice entre silice et et alcalialcali

Silicon ion - Si4+

Oxygen ion - O2-

Structure du silice en tetrahedre

SiO2 group

Tetrahedre incomplete au surface

++ +----

Ces tetrahedre incomplete donne un charge au surface

++ +----

En presence deau, le charge du surface est neutralis par absorption des ions de H+ et OH-

H2OOH-

H+

OH- OH- OH-

H+ H+ H+H+

Le surface devien legerement acidique

H2OOH-

H+

H+

OH-

H+ H+ H+

OH- OH-

Dans les solutions alcalins (ex. NaOH)

OH-

H+

OH-

H+ H+ H+

OH- OH-

Na+Na+ Na+Na+ OH-

OH- OH-

Les ion dhydrogen sont remplacer par les ions alcali

OH-

H+

OH-

H+H+ H+

OH- OH-

Na+Na+

Na+Na+

OH-

OH- OH-

Si-OH + OH- + Na+ Si-O-Na + H2O

OH-

H+

OH-

H+H+ H+

OH- OH-

Na+Na+

Na+Na+

OH-

OH- OH-

(group Silanol )

OH- OH- OH-

Na+Na+

Na+Na+

Sil reste dalcali aprs cette neutralisation

OH-

Na+Na+ Na+Na+ OH-

OH- OH-

OH- OH- OH-

Na+Na+

Na+Na+

OH-

Na+

Na+

Na+

Na+

OH-

OH- OH-Na+OH-

OH-

Na+Na+

OH-

OH-

Na+Na+

OH-

OH-

Na+Na+

OH-

Sil reste dalcali aprs cette neutralisation

OH- OH- OH-

Na+Na+

Na+Na+

Les ions dhydroxide attaque les liasons siloxane (Si-O-Si)

OH-

Na+

Na+

Na+

Na+

OH-

OH- OH-Na+OH-

OH-Na+

Na+OH-

OH-

Na+Na+

OH-

OH-

Na+

Na+

OH-

OH- OH- OH-

Na+Na+

Na+Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

OH- OH-

Na+OH-

Na+

Na+Na+Na+

Na+

Na+

H2OH2O

H2OH2O

Si-O-Si + 2OH- + 2Na+ 2(Si-O-Na) + H2O

OH- OH- OH-

Na+Na+

Na+Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

OH- OH-

Na+OH-

Na+

Na+Na+Na+

Na+

Na+

H2OH2O

H2OH2O

Avec les silces bien crystalline (ex. Quartz) le raction est limit au surface

+

+

+-

-

-

-

+

+

+

+

-

-

-

-

+

++

+--

-

- -

-

--

+

+

+

Avec silice mal crystallise ou amorphe, lhydroxide dalcali pntre plus profondement

+

+

+-

-

-

-

+

+

+

+

-

-

-

-

+

++

+--

-

- -

-

--

+

+

+

Le taux de dissolution depend de la degre dmal organisation de la silice

Na+ Na+

OH-

OH-

Na+

OH- Na+

Na+OH-

OH-Na+

OH-

Na+

OH-

Na+OH-

Na+OH-

Na+

OH-

Na+OH-

Na+

OH-

Na+ OH-

Na+OH-

Na+OH-

Na+OH-

Na+OH-

Na+ OH-

Na+

OH-

Na+OH-

+-

-

-

-

-

-

+

+--

- --

+

+Na+

Na+

OH-

OH-

Na+

OH-

Na+

Na+OH-

Na+

OH-

Na+

OH-

Na+

OH-

Na+

Na+

OH-

Na+OH-

Na+

OH-

Na+

Na+

OH-Na+OH-

Na+OH-

Na+

OH-

Na+

Na+

OH-

Na+

OH-

H2OH2OH2O

H2OH2O

H2O

Na+

Le gel form, absorb dd leau et augement en volume Manifestation microscopique:

Manifestation macroscopique: Distribution des Fissures Distribution des Fissures Map CrackingMap Cracking

Misalignment (Misalignment (DistorsionDistorsion))

Le solubilit dependdu structuremineraleet pH

Dissolved Silica ASTM C 289(Grattan-Bellew, 1989)

OPAL

CHALCEDONY

RHYOLITE

QUARTZITE

QUARTZ SAND

Dissolved silica

D

i

s

s

o

l

v

e

d

s

i

l

i

c

a

Courbe de solubility pour silice amorphe

pH910 11 12

13

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

2 3 4 5 6

Alcali dans bton (kg/m3 Na2Oe)

E

x

p

a

n

s

i

o

n

1

a

n

(

%

)

275300350400450

Effet des alcali du bton sur expansion

Contenu du ciment(kg/m3)

Granulat silico-calcaire

Effet des alcalis du ciment sur expansionEffet des alcalis du ciment sur expansion

250

350

450

550

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4Alcalis dans le ciment (% Na2Oe)

C

o

n

t

e

n

u

d

u

c

i

m

e

n

t

(

k

g

/

m

3

)

gonflant

Nongonflant

Alcalis dans Bton =3.0 kg/m3 Na2Oe

Seuil pour ASR ~ 3kg/m3 Na2Oe

Ciment basse teneur en alcali, Na2Oe < ~ 0.7 %

Effet de ASR sur properties mecanique

Reducion de rsistance en compression

Baisse de module (dYoung)

augementation de fluage

Pas endommag Expansion faible(0.04 - 0.06%)

forte expansion(> 0.10%)

Development de fissuration

Cl - Gel CO2

Le fissuration peut augement les autres formes de degradations

Methodes de prevention

Evite les granulats reactifs

Utilise le ciment basse teneur en alakli

Utilise ciment avec cendre volant ( voir prochainement)

Mais des fois le reaction maifest seulement aprs 30 / 40 ans

Cosmetique ou structurelle?

Remplace ou reparer?

Des fois des measures drastique sont necessaire

Slot Cutting

Providesstress relief

Diamondwire cutting

Slot Cutting at Slot Cutting at Mactaquac Mactaquac G.S.G.S.New New BrusnwickBrusnwick

Attaque sulfatique

+ eau de mer

SO42-

~1 m

C-S-H + calcium aluminate monosulfate

SO42-

C-S-H + calcium aluminate trisulfate, ETTRINGITE

OHCaSOOAlCaOHSOCa

OHCaSOOAlCa

24623

22

42

24623

32.3.2022

12..

+++ +

Augementation du volume gonflement

Prendre de calcium du C-S-H softening

Necessaire davoir un dispersion fin de monosulfo dans le C-S-H

generation de pression de crystallisation

Comment eviter

Moins de monosulfate pour transformer

Ciment avec basse teneur en C3A

Gonflement aprs cure aux temperatures elev

Formation dettringite retard- DEF

Influence de temperature de cure

0.000

0.100

0.200

0.300

0.400

0.500

0.600

0.700

0.800

0.900

1.000

0 100 200 300 400 500 600Ages (jours)

%

E

x

p

a

n

s

i

o

n

90C/12 h, 4 h precure+ stockage sous eau

20C

90C/12 h, + stockage100% HR

Comparison entre cure temperature ambient et leve

Bton malax 20 C

Dissolution des petits cristaux et precipitation des

garnde cristaux dans les vides

Ettringite restantformation des petits cristaux ettringite :

gonflement possible

Formation dettringite

puis monosulfate

20 C >70 C

humidit

+Tem

ps

Monosulfoaluminatemicro-cristallis + S dans C-S-H

Gran.

Microscale

Vide dair 1 mmonosulfoaluminate dans petits pores(

Processus de transport

Les processus de penetration des ions

Bton satur, pas de difference de pression: Diffusion

Satur difference de pression Convection, flux de liquid

Non satur Absorption

Un face satur, un face sec wick action

Permeabilit

AxhK

dtdq

p =Flux

Coefficient de permeabilit

Gradient depression

aire

Loi de Darcy

Diffusion

dxdcD

dtdc =

Rate ofdiffusion

Coefficient de diffusion

Gradient deconcentration

Loi de Fick

DpK Depend des mmeparametres

Permeabilit augement avec porosit

C

o

e

f

f

i

c

i

e

n

t

d

e

p

e

r

m

e

a

b

i

l

i

t

,

x

1

0

-

1

4

m

/

s

R

e

s

i

s

t

a

n

c

e

e

n

c

o

m

p

r

e

s

s

i

o

n

,

M

P

a

Porosit capillaire, % vol

Effet de Porosit

Porosit EleveRsistance flux

plus basse

Porosit BassePorosit BasseRsistance flux

plus haute

EffetEffet de de ConnectivitConnectivit

Connected PoresConnected PoresLower Resistance

to Flow

Discrete PoresDiscrete PoresGreater Resistance

to Flow

Effect of Effect of ConstrictivityConstrictivity

One Large PoreOne Large PoreLower Resistance

to Flow

Many Small PoresMany Small PoresGreater Resistance

to Flow

EffetEffet de la de la tortuosittortuosit

Pore Pore rectilignerectiligneFaible rsistance

au flux

Pore Pore tortueuxtortueuxRsistance au flux

plus grande

Pour diminuer la permabilitdun matriau poreux:

Diminuer la porosit totale Diminuer la connectivit Diminuer la taille des pores Augmenter la tortuosit

Permabilit levePermabilit leve(Interconnection des pores (Interconnection des pores capillairescapillaires))

Pores Pores capillairescapillaires

Structure CStructure C--SS--HH

Neville

Pores Pores capillairescapillaires

Structure CStructure C--SS--HH

Neville

FaibleFaible PermabilitPermabilitPores Pores capillaires segmentscapillaires segments et et partiellementpartiellement connectsconnects

Techniques de mesurement

Ecoulement

= Q

Pression hydrostatique, h l

Zone de section X = A

hl

AQk =Coefficient de permabilit,

Pas efficace pour btons avec W/C

SolutionNaOH

SolutionNaCl

60VA

Test Test rapiderapide de de permabilitpermabilit avec avec chlorureschlorures( ASTM C1202)( ASTM C1202)

Est ce que le migration de Cl-sou effet de courant est le mme que sur diffusion toute seul?

Co et Da trouvs par ajustement de courbe

Test de diffusion par capillarit

solution NaCl

Cl -

C

h

l

o

r

u

r

e

(

%

)

Prof. (mm)

CC

erfxD t

x

a01

2=

B

o

u

n

d

C

l

-

,

w

t

%

c

o

n

c

r

e

t

e

00

0.3

Total Cl-, wt% concrete

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Mais il y a un interaction entre les ions Cl- et les hydrates

Impact de parametres du bton Le plupart du transport se passe par le pte de ciment

Donc, pour diminuer la permabilit, vous devez modifier la pte.

Rduction de la quantit de pte: Diminuer le rapport eau / ciment Amliorer la composition granulomtrique

Amliorer la qualit de la pte: Diminuer le rapport eau / ciment Utiliser SCMs

A dosage en ciment constant,

la rduction du rapport eau / ciment

diminue la quantit de pte, donc la porosit totale

Effet de la teneur en eau

2

4

6

8

100 120 140 160 180 200

Water Content (kg/m3)

P

e

r

m

e

a

b

i

l

i

t

y

(

x

1

0

-

1

7

m

2

)

Teneur en eau

E/C = 0.45E/C = 0.45

Permabilit aux gaz

0

1000

2000

3000

4000

100 120 140 160 180 200

Teneur en eau (kg/m3)

R

C

P

T

(

C

o

u

l

o

m

b

s

)

200 240 280 320Teneur en eau (pcy)

E/C = 0.45E/C = 0.45

Permabilit aux Chlorures

Amliorer la composition granulomtrique reduit le volume de la pte, et donc

la porosit totale.

Bonne composition Bonne composition granulomtriquegranulomtrique

Mauvaise granulomtrieMauvaise granulomtrie

FaibleFaiblepermabilitpermabilit

HauteHautepermabilitpermabilit

Mme teneure/c

Cement Water Content (kg/m3)

content W/C =

(kg/m3) 0.35 0.45 0.50 0.55

250 - 113 - 138

300 - 135 150 -

350 - 158 - -

400 140 180 - -

AugmentationAugmentation dudu volume de volume de ptepte

E/C vs. E/C vs. Teneur Teneur en eauen eau

Une diminution durapport E/C amliore la qualit de la pte, rduit

la porosit totale, rduit la connectivit, et augmente

le resserrement et la tortuosit.

Effet de E/C

2

4

6

8

0.3 0.4 0.5 0.6Eau/Ciment

P

e

r

m

a

b

i

l

i

t

(

x

1

0

-

1

7

m

2

)

Permabilit aux Gaz

0

1000

2000

3000

4000

0.3 0.4 0.5 0.6Eau/Ciment

R

C

P

T

(

C

o

u

l

o

m

b

s

)

Permabilit aux Chlorures

10-8

10-9

10-10

10-11

10-12

10-13

10-14

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2

P

e

r

m

a

b

i

l

i

t

(

m

/

s

)

Eau/Ciment

EffetEffet de E/C de E/C sur sur la la permabilitpermabilit

(Adapt de Hearn et al, 1996)

Une grande dispersion des mesures indique une sensibilit dautres paramtres du mlange, tels que maturit, cure et mthodes de mesures

Aproches au modelisation du dure du vie

Les grandes structures / ouvrages dart

Ex. Le tunnel sous la manche

On veut un dure de vie de 100 ans (par example)

Comment calcul le qualit du bton et epaisser de bton autour des aciers pour atteindre cette dure de vie.

1 year 5 years

50 years

Profondeur, mm

Critical Cl- content

Cl- concentrationde leau de mer = 20g/lCoefficient dediffusion , D = 10-12m2/sPorosit = 12%Densit de bton = 2400 kg/m3

00 50 100 150 200

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

C

l

-

c

o

n

t

e

n

t

,

w

t

%

c

o

n

c

r

e

t

e

Maximumpracticaldepth for

reinforcement

SCMsSupplementary Cementing Materials

Rationale

Gestion des dechetsindustrielles

Utilisation de moinsde ciment

+ PerformancesameiliorsAdvantagesenvironmentalesDiminution de

autoechauffment

Ameiloration de rheologiecompactit

Ameiloration de DurabilitEx.

Les SCMs ne sont pas les materiaux inert, ils ont un action soit

Pozzolanique Reagir avec le CH,

hydroxide de calcium pour former plus de C-S-H

Hydraulique Form plus des hydrates

soit

Les pozzolans:

Les volcans produisent les cendres riches en verre de silice et alumine:

Les pozzolans:

Les Romans utilisaient les cendres volcanique, de le voisinage de Pozzoli, les pozzolanasmelang avec la chaux:

CH + S C-S-HCes ciment ont eu les proprietes superior et taient utilis dans les btiments montrants de bonne durabilit comme le Pantheon

Les pozzolans synthetique:

carbone

Zone decombustion

Precipitators

CendresCendresVolantVolant Utilisation Utilisation dans dans les les btonsbtonsparmi autres appilicationsparmi autres appilications

Approx.1500oC

Taille moyenne~ 50 m

Centrale dlectricit thermale

Cendres volantsTous le matrial incombustible du carbonne, form les goutlets de liquide, puis condense

10 10 mm

Cendres Volants

Particules avec le mme finesse de ciment

Composition: 60 95% amorphe

CaOMgO

Al2O3

Fe2O3

SiO2

CaO

MgO

Al2O3

Fe2O3

SiO2

Type Fbasse teneur

en chaux

Type Chaute teneur

en chaux

Seulement le parti amorphe est ractif

anhyd3%

pores16%

other4%

ett (AFt)4%

AFm11% CH

14%

C-S-H48%

Composition typiquedun pte de ciment

zxyx HSCzHySxCH +++

zxyx HACzHyAxCH +++Cendre volant

Plus de hydratesmoins de porosit

28j age

+ 30%cendrevolant

100%ciment

Contenudu CH

28j age

+ 30%cendrevolant

100%ciment

Resistance encompression

La reaction est assez lente. Elle commence aprs 3-7 jourElle a besoin dhumiditLe rsistance dun btons avec ~30% cendres volantsDepasse celle dun 100% ciment aprs ~28 jours

SI IL Y A UN BON CURE

Utilisation

Substitution dans un bton pour 10 30 % du ciment

(attention e/c e/l (liant) ou w/b (binder))

Advantages

Ameiloration de ouvrabilit (e/l pour mme slump) Reduction de chaleur dhydratation

Reduire le risque de fissuration thermique dans les grandes masses

Reduction de porosit Augementation de rsistance terme Diminution de permeabilit

Augementation de durabilt

Reduction de risque de raction alkali silicate Moins chr que ciment

Diminution dautoechauffment

4 8 12 16 20 24jours

0

10

20

30

40

50

C

Sanscendresvolant

aveccendresvolant

Desadvantages

fficatit des adjuvants, ex entrainers dair Function de charbonne residuelle

Importance de bon cure augemente

Fume de silice:sous produit de production des alliages de silicon

Fidjestol & Lewis, 1998

SiOSiO22 + C+ C

4SiO + 2CO4SiO + 2CO

4SiO + 2O4SiO + 2O22 4SiO4SiO22

Silica FumeSilica Fume

SiOSiO22Si Si metalmetal

18001800ooCC

Verre de silice (90 99.9% SiO2)

~100 nm

Agglomerates de particules trs fin

Surface specifique:~15000m2/kg(cf. 350 m2/kg ciment)

Reactif (similaire au ciment)

Reduction de CH par reaction pozzolanique

Microfilerisation

C

i

m

e

n

t

s

e

u

l

A

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Ameliorationde interfaceentregranulatset pate de ciment

Utilisation

Substitution dans un bton pour 5 - 15 % du ciment

Advantages

Reduction de ressuage et segrgation

Forte Reduction de porosit Augementation de rsistance Diminution de permeabilit


Amelioraton de laison entre pte et granulat.

Component utiliser dans les pluspart des btons de haute performance

Desadvantages

Ouvrabilit, il faut utiliser les superplastifiants

Il faut bien malaxer pour casser les agglomerates

Augementation de retrait possible

Assez chre

Temoin CendresVolantsFumeSilice

OuvrabilitFumeSilice +Cendres

Volants

Laitier de haut fourneaux

BurdenBurden

LaitierLaitier

FonteFonte (Fe)(Fe)

Mineraide FerFe2O3SiO2Al2O3

FluxCaCO3MgCO3

FuelCoke, C

Fabricationdacier

Laitiers refroidi lair

(granulat)Expanded slag

(lightweight agg)

Granulated or pelletized slag

(cement)

Composition 80-100% amorphe

CaO

MgO

Al2O3

Fe2O3

SiO2

D a son forte teneur en CaO laitier nest pas un pozzolan

Il est lentement hydraulique(reagir avec leau pour former les hyrdates similaire au ciment)

Le vitesse de raction est augement (activer) parchaux ou alkalisDonc ciment

Utilisation

Substitution dans un bton pour 30 - 70 % du ciment

Advantages

Reduction de chaleur dhydratation moder Reduire le risque de fissuration thermique dans

les grandes masses

Reduction de porosit Augementation de rsistance terme Diminution de permeabilit


Raction des aluminates avec les ions chlore Reduction de corrosion des armatures

Desadvantages

Sensibilit au bon cure

Augmentation de retrait possible

Al2O3

SiO2

CaO

Fumesilice

CimentPortland

laitier

Cendresvolants

C

F

Meta-kaolin

Comparison

+ pozzlans naturelles

Cendre decosse de riz

Note: disponilibilit local

Dsignation Composition en % massique Type Ciment Notation Principaux Secondaire Clinker Ajout I Portland I 95-100 0 0-5 Portland

au laitier II / A-S II / B-S

80-94 65-79

6-20 21-35

0-5 0-5

II Portland la F.S.

II / A-D 90-94 6-10 0-5

Portland au calcaire

II / A-L II / B-L

80-94 65-79

6-20 21-35

0-5 0-5

... etc III Ciment

de haut fourneau

III / A III / B III / C

35-64 20-34 5-19

36-65 66-80 81-95

0-5 0-5 0-5

IV Ciment

pouzzolanique IV / A IV / B

65-89 45-64

11-35 36-55

0-5 0-5

V Ciment compos (*)

V / A V / B

40-64 20-39

36-60 61-80

0-5 0-5

Classification des principaux types de ciments selon ENV 197-1: ciment pr-melang en usine

EXAMPLES de UTILISATION

Viaduct en Cameroon utilisation de ciment avec fume de siliceimport du Canada pour ameiloration detancheit

Confederation bridge, Canada: ciment+FS pr-mlang +cemdres volante ajouter stage de fabrication du bton pour augement durabilt, ameilorer pompabilit, reduire chaleur, meilleur resistance

Causeway en Floride Cendres volante utilis pour augemente resistance la penetration des ions chlore

Barrage au Canada Cendres Volants (Type F) pour minimiser risquedexpansion par reaction alkali granulats (ASR)

Voutre pour tunnel ciment avec FS pr-melang plus latier, pour reduire penetration des ions chlore

Adjuvants:ajouts liquide ~ quelque %

Rationale

Performances ameliores

Compensation des dficiences

NOTE: en gnrale trs couteux

Adjuvants

Entraineurs dair

Plastifiants (plasticisers) reducteurs deau

Superplastifiants (superplastifiantshigh range water reducers)

Retardateurs

Accelerateurs

Inhibition de corrosion (des armatures)

Retuction de retrait

Superplastifiants

Fluidification

OU

Reduction de e/c(augmentation de

resistance)

OU

reduction du contenudu ciment

Ex: lignosulfonatesHO

CH2 C

O

C

H

H

SO3H

C

O

CH2OH

Rptition dumodule dune molcule de lignosulfonate

+ - + - -

Chane polaire absorb, linterface de leau solidifie

Le groupe polaire anionic rend le ciment hydrophilic et conduit la rpulsion des forces entre les graines

+-

+-

-

++

+

++

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--

-

--

-

Rpulsion

Dispersant

(plasticizer)

+

+

+

+

+

+

+

-

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--

-

-

+

+

+

Ciment floccul

Leau immobilis en massenest pas disponible

pour lubrifier la pte

Leau libr parla lubrification amne rduire la viscosit

Micro graphe des graines de ciment en suspension dans leau

Pas dadjuvant

Avec HRWA

From Lea, 1998

Perte de slump

E/C = 0.58Pas dajuvant

E/C = 0.47Avec superplastifiant

From Neville, 1995

Leffet des SPs est limit dans le temp. Ils sont absorb dans les produits dhydratation des aluminates.

La vitesse de perte defficacit depend de: C3A, SO3, alkali la temperature la finesse

On peut minimiser cette perte par addition d adjuvant sur chantier, au lieu de le faire pendant le malaxage

Utilisation de SP + retardateur

E/C = 0.58Pas dajuvant

E/C = 0.47Avec superplastifiant

From Neville, 1995

Utilisation des accelerateurs

Modification des propriets du bton, particulirement en temps froid

Pour avancer les operations de finition et si necessaire lapplication dinsulation

Reduir le temps pendant lequel il faut cure et proteger

Augmenter la vitesse de durcissement, pour le dcoffrage et la mise en service

Accelrateurs pour le ciment

Le plus connu et le chlorure de calcium, CaCl2mais celui-ci promouvoit la corrosion des armatures

Accelerateurs sans chlore:formate de calcium, nitrate de calcium, etc

Effect de CaCl2 sur letemp de prise du ciment

Effect de CaCl2 sur ledevelopment de resistance

pour different temperatures

Retardateurs

Compense les effets de haute temperature

Quand il y a besoin de prolonger la periode avant la prise, ex grande structures; pompage

ATTENTION:

Un retardateur trs efficace pour le bton est le sucre

Les sels de metaux lourds (ex. Pb, Zn, Sn) ont aussi une action de retardatrice prolong et difficile controller

Retardateurs pratique

poly acides organique ou ses sels: Acide gluconate gluconate de soude Acide tartrique Tartrate de soude

Formation de produits bloquants sur la surfaces des grains.

En fort dosage possibilit de dsactiver le bton pendant 2-3 mois

Ractivation sur chantier.

Lancement des produits, bton prt lemploi

Nouvelles tendances des btons

Les dvloppements rcents dans la technologie des btons dpendent de l utilisations des adjuvants et SCMs

Btons haute resistance /PerformanceBHP ou HPC

High performance Concretes

Btons autoplacants /Autocompactant

BAP ou SCCSelf compacting

concretes

Btons haute resistances

Definition

Resistances:> 42 MPa (6000psi) dfinition ACI> 70 MPa (10,000psi) jusqu 140+ MPa possible

W/C < 0.35

Pourquoi?

Gratte-ciel: Colonnes plus mince pour les tages bas

jusqu 30% despace en plus Construction plus rapide (haute rsistance

jeune age) Rduction des cot moins dacier,

construction plus rapide Ponts, etc

rsistance ( court et long terme) durabilit tanchit

Les Gratte-ciel

1966-67, Lake Point Tower, Chicago52 MPa (7500 psi), 70 tages, un tous les 3 jours

1976, Water Tower, Chicago62 MPa (9000 psi), 76 tages,

lpoque le plus haut btiment en bton renforc

Two Union Square, Seattle131 MPa (19000 psi) la plus haute rsistance

pour des applications commerciales

Evolution de BHR

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

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Adapted from Concrete Canada

100

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1r utilisation dessuperplastifiants

En allemagne et au Japon

SPs arrive sur le march d Amerique

du NordDbut d utilisation

des SP pour la rduction de l eau

Potentiel dutilisation

de fum silice reporte

Utilisation de FS en

Scandinavie

Introduction de FS en

Amerique du Nord

Premir brevet US par rduction deau et par

utilisation des polycondensateurs denaphthalene sulfonate

1938

Comment

E/C plus basse SPs

Granulat haute rsistance

Amlioration de ITZ (zone de transition intrfaciale) FS

Compacit: Fillers FS Granulomtrie des granulats

Limitations

Besoin pour les codes plus sophistiqus

Fragile rupture catastrophique

Dans le feu, dgradation explosive

Formulation souvent pointue Sensible aux fluctuations de la temprature Intractions du ciment SP

Sensible au retrait et fissuration endogne (autodessication)

Bton autoplacant

Une mise en uvre la pompe, avec un tuyau manuportable

Construction plus rapide Moins de personelle Pas de vibration, moins de bruits

Trs bon remplissage des voiles

Parements soigns

Sols chauffants

Sols industriels

SelfSelf--Compacting ConcreteCompacting Concrete

z auto nivlant

z pas de sgrgation

z coule dans le coffrage et autour desrenforcements

z pas besoin de vibrations

Comment

Augmentation du contenu en ciment + SCMs (cendres volant) Espacement des granulats

Utilisation des superplastifiants

Utilisation des paississants pour viter la sgrgation

V-Flow (V-coul)

U-Flow Filling(U-coul en remplissant)

Essais pour le bton de compactageCoul (et tassement) dans les lments en masse renforcs

Bton de ciment alumineux autoplacant

Terres cuites

La technologie des terres cuites dpend de la prsence dargile

Ltat naturel de largile consiste en: Plaquettes de silico aluminate

spares par les molcules deau

teneur en eau / fluidit

plaquette d'argile

tapes de fabrication:

faonnagemoulage

schagel

lRetraitLger resistancemcanique 1-5 MPa

cuissonRetraitFrittageR ~ 3 70 MPa

Le Frittage1000C

600C pendant 30-60 hrs

TC

Au point de contact des grains,les atomes se diffusent pour former un cou.Forte liaisons covalentes bonne rsistance mcanique

Les pores

Variation entre 5 et 50 %

~ 10X taille dans bton, 1-10 mles espaces entres les grains sont relativement uniforme

Contrle des proprits mcaniques

Absorption deau, transfert dhumidit

Resistance aux gel

Les produits

briques

carrelage

tuiles

AVANTAGES DESAVANTAGES

Pltres

Plaster

Cover surface with adhering material

couverture dune surface avec matriau adhrant

Traditionnellement:

Chaux

Argile

Gypse

Les sulfates de calcium

GypseCaSO4.2H2O

sous eau Semi-hydrate

CaSO4.H2O

125C125C

Semi-hydrate

CaSO4.H2O

sous air sec

Anhydrite III, II, ICaSO4

200C 200C 1250C1250C

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2,32 2,752,58-2,95

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~22g/l ~110g/l

Cycle

GypseCaSO4.2H2O

Semi-hydrateCaSO4.H2O

Chauffage 130-180C

Malaxageavec de l eau Temp ambiente

Raction

O.2HCaSO O1.5H OH.CaSO 2422214 =+

gypseOHsemi VVV 93,033,067,0 2 =+Volume total 7% mais Volume solide x1.4

Compar au ciment

Volume total 7% Volume solide x2.2

Gchage

On gche le platre avec le rapport e/p = 0.3 0.5(le mme que pour les ciments)

Pourquoi

Est-ce que la porosit dun platre durci est plus haute ou plus basse que celle dun ciment gch avec le mme e/s

Proprits Mcanique Prise et durcissement

CaSO4.H2O disoud

Puis prcipitation de CaSO4.2H2O, gypseet croissance en forme daiguilles

Contrle de vitesse avec acclrateur et retardateurs

Prise, de quelques minutes quelques heures

La croissance des aiguilles les une contre les autres donne une lgre expansion 0.1-0.3%

Consquences de cette expansion ?

Proprites

AVANTAGES

Disponible, pas chr

Surface sans fissures

Lger

Rsistant au feu

DESADVANTAGES

Soluble

Fragile

Rsistance mchanique modeste

The Wall Board Revolution

Cloisons prtes lemploi

75% production actuelle de CaSO4

Un materiaux composite

papier

gypse

Production quelque mtres par minute!

Questions sur le matriau

Lgert contre propriets mchaniques

Comment lallger?

Solutions composites

Isolation thermique

Isolation acoustique

Rsistance au feu (jusqu 240 minutes)

Rfrences

www.nrc.ca/ira/cbd/cbd127e.html

www.brooks.af.mil/dis/DMNOTES/gypsum.pdf

Polymres et composites

Matriaux polymrique

Avantages Dsavantages

Pourquoi les utiliser en construction?

L origine de la souplesse est la structure en chaines

Longueur des chainesBranchement des chainesLiaisons entre les chaines

Proprits mcaniquesReprsentation schmatique des polythylnes:

a)linaires ; b)ramifis ; c)rticuls.

Classification selon proprites mcanique

THERMOPLASTES ELASTOMRES THERMODURCISsemicrystallins amorphes thermoplastiques vulcaniss

forte fortefaible

faible levenul

Intensit des liasons physiques intermolculaires (forces Van-der-Waals)

Densit des liasons chimiques intermolculaires (rticulation)

THERMOPLASTES Facilit de moulage avec des perles dj

polymerises Faibles proprits mcanique

POLYETHELENE (PE) (-CH2-CH2)n(reste en basse tension, susceptible la dgradation des UV) Membranes rsistantes aux pnetrations deau

(tenacit)

POLYPROPYLENE (PP) (-CH2-CH.CH3-)n(plus rigide, plus rsistant) Fibres dans le bton, limitation de fissuration

POLYSTYRENE (rigide mme en forme expanse)(toxicit sous feu) Isolation thermique

THERMOPLASTES

POLYVINYL CHLORIDE (PVC) (-CH2-CH.Cl-)nCharge sur Cl, plus forte intraction entre les

chainesPlus rigide, moins inflammable, cot raisonablePolymre le plus utilis en constructionDure de vie ~20 ans Tuyaux assainissement Cadres de fentres

THERMOPLASTES

POLYTETRAFLUOROETHELENE (PTFE) Joints des tuyaux

NYLON Cher, n est pas beaucoup utilis Tuyaux

PMMA (polymethyl methacrylate)- rsine rparation des btons

ABS (acrylonitrile butadiene styrene)- Tuyaux, plus rsistants la chaleur que PVC

ELASTOMERS

Trs haute capacit la dformation (>100%)

scellement des joints

Doit permettre le changement de forme sous dformation, ex:

CAOUTCHOUC NATUREL appui pour ponts, Appui anti vibrations btiments entier

SILICONES Scellement (ex. Salles de bain)

NEOPRENE Bande de scellement de vitrages

ELASTOMERS THERMODURCIS

Rigide mais fragile

Polymrisation in situ, pas de changement de forme aprs l opration

UREA FORMALDEHYDE Expans pour l isolation thermique dans les murs

RESINS POYESTER avec fibres Citernes pr moule Panneau de faade piscines

COMPOSITES

Combinaison des proprits de plusieurs matriaux Bton renforc Plaque en pltre

matrice polymrique + fibres De verre De carbone De Kevlar

Composite rebar pour bton

Lintrt?

Freins de dveloppement

> > > plus cher que l acier

Besoin de nouveaux codes de design

Rfrences

Materials in Construction, G.D. Taylor, 3rd ed. 2001

Polymeric Building Materials, D. Feldman, Elsevier 1989

http://www.socplas.org/industry/2114.htm

http://www.gwyneddplastics.co.uk/

Composite rebar

http://www.ecn.purdue.edu/ECT/Civil/frprebar.htm

http://www.osp.cornell.edu/VPR/CWCV13N3-99/techtran.html

Attention au biais commercial des sites Web

Considrations environnementales

Gnralits

Les matriaux de construction en gnral (exception de quelques mtaux) ne sont pas:

ni toxique

ni particulirement polluants

MAIS

Donnant d normes volumes utiliss, il faut considrer leur impact sur lenvironnement et dans un contexte de dveloppement durable

Considrations

Disponibilit des matires 1er

Extraction des matiries 1er

Energie utilise pour la fabrication

Considrations de la sant et de la scurit

Recyclabilit

Concrete a low energy material

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concrete PVC polyethene

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Energy of producing 1m of pipe

La semaine prochaine, lecture invit:

Hans Petersen, conseill scientifique au gouvernement Neherlandais sur l utilisation des sous produit (cendres, laitier, etc) dans la construction et recyclage des dchets de construction

Cette semaine

Le four du ciment comme dchetterie

Le four du ciment

Le four du ciment est une structure trs efficace pour la destruction des dchets

Temperature trs eleve 1450C (flamme 2000C)cf. incinerator ~ 800C

Temps de rsidence assez long

Rduction de combustion des autres fuels(charbone, produits ptroliers, etc)

Combustibles de substitution(en France)

3741 3748

2763

2487

372637103766377837893748

369137343751375537553755

378838303884

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47504734

4499

43654269

41984139

4056 40813997 3993

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37123604 3566

35283453

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379638453914

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Combustibles fossiles + dchets Combustibles fossiles seuls

Consommation de combustibles

Source ATILH

Combustibles de substitution

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

90.0

1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000

Part de l'nergie thermiqueapporte par les combustibles de substitution (

Source ATILH

Combustibles de substitutiondonnes 2000

Combustibles Combustibles defossiles substitution

- coke de ptrole 45,0 % - DIS :- CHV / brais 15,6 % huiles usages 8,1 %- charbon 9,1 % autres 10,4 %- fuel lourd 3,4 % - DIB :- gaz 0,7 % farines animales 5,8 %

pneus uss 1,0 %autres 0,9

Total 73,8 % Total 26,2 %(1,1 M t.e.p.) (0,4 M t.e.p.)

Source ATILH

Gestion des dchets en cimenterieOUTPUTemissions

INPUTMat 1er

Combustibles+ dchets

OUTPUT

dchets

INPUT

INPUTS

Combustibles+ dchets

Mat. 1er

OUTPUTSCiment

Emissions

????s bilan vis vis:Mtaux lourds

Organiques

Fabrication du ciment

Combustibles de substitution et environnement

Les atouts du procd cimentier tempratures leves (2000C / 1450C) conditions oxydantes dans le four temps de sjour des gaz important stabilit des paramtres de combustion

=> bonne destruction des dchets Contre-courant de matire pulvrulente Matire basique

=> neutralisation des traces acides fixation des lments mtalliques absence de rsidus de combustion

Combustibles de substitution et environnement

Destruction des molcules organiques Rsultats sur deux usines franaises

Cimenteries Composs % destruction

Four tour Xylne Dichlorobenzne Hexafluorure de soufre

> 99,997 > 99,999 > 99,997

Four grille Tolune Xylne O-Dichlorobenzne

> 99,997 > 99,999 > 99,998

Devenir des mtaux lourdsdans le ciment

Tests de relargage

prouvette de bton, de mortier dans de leau

Mesure des mtaux lourds dans leau aprs une priode de stabilisation

Test normalis Compatibilit eau potable

Mthodologie :

Contenus compars en mtaux lourds

Teneurs en mtaux lourds des btons, des sols non pollus et des terres non contamines (a) et dcontamines (b) (en ppm ou mg/kg)

Btons de CEM I Btons de CEM III/A Sols Terres Elment Mini Maxi Mini Maxi a b

Ni 17 26 9.3 12 10 80 40 180 Cr 55 64 24 31 60 300 65 230 Sb 1.6 2.1 0.64 1.6 1 - - Se

CO2 Lemission du CO2 est une partie integrale de la production

Calcaire, CaCO3 CaO, puis combinaison en silicates et aluminates

domestiquesiduergiecimentautres

Chiffresapproximative

Possibilits de rduction du CO2

Economie de combustibles

Rduction du contenu en CaO du clinker

Diminution du contenu clinker du ciment (SCMs)

Augmentation de la durabilit du bton

Rfrences

Materials in Construction, G.D. Taylor, 3rd ed. 2001

Introduction au Technologie du Bton(Concrete Technology)

Bton Acier Bois Plastiques Papier

France : 170 20 22 7 6

USA : 800 94 250 76 69

Monde : > 10 000 700

Production Annual millions of tonnes

1 tonne per personne per anne!

Pourquoi?

Disponibilit - Mat. 1ere partout dans la mondefaible cot nergtique

Transportable - poudre grises en sac ou en vracConstructible - adjoindre l eau et malaxer

Flexible - remplir toutes les formes avec une diffrence de volume trs faible

Durable - pour les siclessurtout rsistant l eau, barrages, tuyaux, etc

et bas prix!

Quelques dfinitions

Un bton

bton si > 8 mmGranulats + colle =

mortier si < 8 mm

Pte de ciment = eau + cimentMortier = eau + ciment + sable Bton = eau + ciment + sable + granulats

Constituants:

ciment

granulatsgravier, roches

concass,

eau

sable

air(vides)

adjuvants(ventuel)

squelette

pte du cimentcolle

Un bton est compos de:

un squelette, les granulats

une colle, les pte du ciment

la liaison (linterface) entre les deux

sa qualit dpend de la qualit de tout les trois

Les granulats:Les granulats sont nettement moins cher que le ciment ~5x

Mais on ne peut pas faire une pte du ciment dans une large section sans quil se fissure

Les granulats limitent la longueur des fissures:plus de fissures, maisplus fin et plus court

Squelette granulaire

On veut minimiser la quantit de pte du ciment: plus conomique moins de phase dans laquelle l eau peut pntrer

mais

la pte du ciment doit remplir les espaces entre les granulats:et fluidifier le bton pendant le malaxage et la mise en place

Empilement des grains mono-taille:

Densit maximal ~74%

Mais difficile dformer:frottement entre les grains

Il faut espacer les grainsdensit max. pratique ~60%

Empilement plus efficace avec une distribution des tailles:Les petits peuvent remplir les espaces entre les grand

( connu par les romans )

Mlange binaire0

50

100

020406080100

% fins

p

o

r

o

s

i

t

,

%

c

o

m

p

a

c

i

t

,

%

100

50

0100806040200

% gros

Mlanges ternaire (Feret 1890s)sable moyen, 0,5/2

sable grossier, 2/5sable fin,

Melanges continus

tamis passoir

d =1,25a

a

d

100%

0%7

0

.

7

%

2

9

.

3

%

passoire d

Poidsen gr.

Poidsen %

1414 70.7

586 29.3

1002000

refus

tamisat

total

Mlanges continus

p dD

dD

= +50 max maxA. B.

p dD

=100max

C. 5% au-dessus de B. au-dela de d=0.4 mm

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

T

a

m

i

s

a

t

e

n

%

Ouverture des tamis en mm

0

.

0

6

0

.

0

8

0

.

1

0

0

.

1

2

5

0

.

1

6

0

.

2

0

0

.

2

5

0

.

3

1

5

0

.

4

0

0

.

5

0

0

.

6

3

0

.

8

0

1

.

0

1

.

2

5

1

.

6

2

.

0

2

.

5

3

.

1

5

4

.

0

5

.

0

6

.

3

8

.

0

1

0

.

0

1

2

.

5

1

6

.

0

2

0

.

0

2

5

.

0

3

1

.

5

4

0

.

0

5

0

.

0

6

3

.

0

8

0

.

0

0

.

0

5

Dmax = 32 mmCourbe C

Courbe B

Courbe A

p : % des tamisat cumuls

d : diamtre granulat considr

Dmax : diamtre maximum des granulats

Granulats - exigences (1)

1) tre stables et durables: rsistants des cycles gel-dgel rsistants des cycles mouillage-schage rsistants des cycles de temprature rsistants l abrasion rsistants aux actions chimiques

Ils doivent donc tre compacts et non ractifs

stabilit du bton

2) possder rsistance et duret:

rsistance du bton

Les granulats doivent:

Granulats - exigences (2)

3) tre propres: pas d argiles (instable cycles mouillage-schage) pas d impurets

adhrence granulats / pte

4) donner un mlange compact: forme correcte bonne granulomtrie teneur en lments fins limite

rduction du volume de ciment

Les granulats doivent:

Matires nuisibles eviter dans les granulats

Matires nuisibles

Effets

les lments glifs granulats poreux et tendres

le gypse

l'anhydride

la pyrite

attaque par sulfate

le charbon

les scories

peu rsistants ; contiennent parfois du soufre

les impurets organiques

le bois

les vgtaux

putrfaction, instabilit de volume selon l'humidit

les matires humiques

les sucres ou limonades

retardent ou empchent la prise

squelette ~70% vol.granulaire

colle ~30% vol.pte de ciment

Ciment + Eau

eau

ciment

poids ecpoids

=Espacement des grains de ciment

et linterface pte granulats!!!

La pte de ciment doit remplir les espaces entre les granulats

ciment

Granulats~70%

(60-80)

Pte duciment~ 30%

eau Normalement les formulations de bton sont exprims en poids pour faire 1m3

Quand le e/c , il faut augmenter le dosage en ciment pour garderle mme volume de ptequi donne la fluidit du bton

Rapport e/cLa quantit d eau ajoute contrle l espacement des grains de ciment

e/c basex. 0.3vol ciment ~ 50%

e/c moyenex. 0.45vol ciment ~ 40%

e/c eleveex. 0.6vol ciment ~ 35%

EAU CIMENT

ltat flocul ltat defloculdisperse

L tat de floculation influence beaucoup la rhologie

MALAXAGEMISE EN PLACE

l eau ajoute,e/crhologie,adjuvants

HYDRATATION

SOLIDE PORES

VARIATIONS

DIMENSIONELS

fissuration

frais

rsistance mcaniquedurabilit

durcie

eau/ciment

r

e

s

i

s

t

a

n

c

e

0.5 10.3

~40 MPa

~90 MPa

~10 MPa

btonhaute

resistance

btonnormal

mauvaisbton

La resistance mcanique et la plupart des autres propritssont gouvernes (en 1er dgr) parla quantit deau ajoute

Dveloppement de la resistance

peu continuerd'augmenterpendant desannes si l'eau est

disponible

1 jour 3 jour 28 jours

x2

x2

tempsde rfrence

pourles

rsistances

tempsde

decoffrage

Fabrication du ciment

Note historique, 1La chaux, connue depuis lantiquit:CaCO3 CaOCa(OH)2 CaCO3Elle ne prend pas sous eau

1756, Smeaton en Angleterre, dcouvre que les chauxqui prsentent les meilleures proprits hydrauliques son celles contenant des matires argileuses

1796, Parker en Angleterre, dveloppe le ciment Roman en calcinant certains gisements naturels de calcaire argileux

1813-28, Vicat en France, met en vidence le rle de largile et fabrique un ciment partir dun mlange intime de calcaire et dargile.

1824, Joseph Aspdin en Angleterre, fabrique et brevte une chaux hydraulique laquelle il donne le nom de ciment Portland, car sa couleur, aprs prise, ressemble la pierre de Portland.1835, Issac-Charles Johnson qui travaille dans une usine de ciment, observe que les morceaux trop cuits donnent, aprs mouture, un meilleur ciment. Il augmente la temprature de cuisson et donne naissance au vritable ciment Portland.

1838, William Aspin produit le ciment Portland ct de la Tamise et convainc Brunel de lutiliser pour rparer son tunnel sous la Tamise la 1re utilisation du ciment Portland dans le gnie civil.

carrire Le schma de production du ciment

bandetransporteuse

prhomo-gnisation

filtres changeurde chaleur

four rotatif

silo clinker

ajouts auciment

moulin ciment

expdition

They have this on their web site

Pay back on ivestmentChoice of quarryPresence of minor elements

Cru~80% roches calcaires

Jusqu 95% CaCO3~55% CaO

impurets majeures MgO

bonne source de calcaire dtermine emplacements des usines de ciment

20% source de SiO2 qui amne aussi Al2O3 et Fe2O3argiles, etc.

dans certains cas, il faut mlanger les sources pour obtenir la chimie correcte

Composition de crote terrestre

MagnesiumPotassium

reste

Sodium

CaIron

Aluminium

Silicon

Oxygen

Grande abondance des lments ncessaires

Malgr la quantitplus faible de calcium, cet lment est fortement concentr dans les roches calcaire, bien rparti

Composition

Les lments constituants : O, Si, Ca, Al, Fe

Les oxydes constituants : CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3Abrviations C S A F

Les phases constituantes : C3S, C2S, C3A, C4AF (ferrite ss)Ca3SiO5, Ca2SiO4, Ca3Al2O6, Ca2(Al,Fe)O5

Calcaire ( 75%)CaCO3

CaO + CO2(C)

Argile (25%)n SiO2, m Al2O3, p Fe2O4, q H2O

Dissociation

(S), (A), (F) + H2O

Diverses ractions entre(C), (S), (A), (F)

C3S + C2S a' + C3A + C4AF

Cuisson

Clinkrisation

Trempe

Mouture +

Matirespremires

Calcination(chaux arienne)

Formation de composs

hydrauliques (chaux hydraulique)

Fusion partielleFormation de C3S

Etat mtastable

Adjonction de gypse (CaSO4)

600C

900C

1250C1450C700C Clinker = C3S + C2S + C3A + C4FA

CP = Clinker moulu + 4% de gypse

carrire Le schma de production du ciment

bandetransporteuse

prhomo-gnisation

filtres changeurde chaleur

four rotatif

silo clinker

ajouts auciment

moulin ciment

expdition

Microstructure de clinker idale

20 m

alite C3S, impure

belite C2S, impure

phasesinterstitielles celite C3A, impure+ solution solide de ferrite C4AF ,liquide pendant la cuisson

diagramme d'quilibre SiO2 - CaO

C2S(s) + C(s) C3S(s)raction facilite par le liquide

Problmes possibles dhomognitet refroidissement trop lent

Put some labels

Broyage

sparateur

clinker

CaSO4

ciment

ToujoursAjout de CaSO4Hx:(4 8%) gypse (x=2) anhydrite (x=0)

dshydratation pltre (x=0,5) possible

SouventAjout de CaCO3 fin:(10-20%)Filler fin

Aussi possibleLaitier (slag)Cendres volantes (fly ash)Fume de silice (silica fume)

2 ou 3 compartiments

BroyageControl par surface spcifique Blaine Permabilit lair

Gamme normale 320-370 m2/kgCiment rsistance rapide 400 500Ciment ptrolier 220 - 300

320m2/kg Blaine ~~ 800-1000 m2/kg absorption azote

Granulomtrie psd (particle size distribution)

Source: Bye Portland Cement , Thomas Telford 1999

< 1 m~75 m

Plupart:10-50 m

Grains du ciment

10m

Packagingsac Big bag vrac

Caractrisation du cimentAnalyse oxyde (XRF)

0,3 (0,2-0,4)resid insol1 (0,5-1,5)CaO libre1 (1-2)PaF(LOI)0,2 (0,2-0.5)Na2O0,5 (0,3-1)K2O2,8 (2,5-3,2)SO31,2 (1-4)MgO

64 (62-65)CaO2,5 (2-3)Fe2O36 (4-7)Al2O3

20,5 (19 21)SiO2

Contrle strict pour viter le gonflement

?Fss

?C3A

?C2S

?C3S

+Mn2O3, TiO2, P2O5, CO2

Calcul Bogue composition des phases potentielles

Tous Fe2O3 comme C4AF:CaO et Al2O3 qui va avec

Al2O3 qui reste comme C3A:CaO qui va avec

CaO qui reste CaO libre

Solution de deux quations simultanespour C3S et C2S

C4AF = 3,04Fe2O3

C3A = 2,65Al2O3 Fe2O3C3S = 8,60SiO2 + 1.08Fe2O3 + 5,07Al2O3 3,07CaO

C2S = 4,07CaO + 7,60SiO2 1,43Fe2O3 6,72Al2O3

Mais: Bogue = Bogus?Solution solideRactions incompltes

Quelles autres mthodes:

Microscopie, point counting 20 mTrs longue

Diffraction des rayons X, -problme de solution solide-Recouvrement des peaks

Solution solides

carts typiques

69 C4AF

59C3A

1513C2S

6759C3SBOGUE QXDA

Phases mineur

MgO, entre en solution solid, jusqu ~3-4%>3-4% formation du periclase, MgO, peut donner du gonflement

Les alcalis (K et Na), combine de prfrence avec le sulfate (clinker)Dans les pores du clinker

Types de ciment

Fe2O3 ~ 0

Ciment blanc

White cement

C3A < 4% (bogue)

Rsistance au sulfate(eau de mer)

Sulfate resisting

SA , C3S, C2S, C3A,alk)Basse chaleur

Low heat

SA , C3S, C3A, (alk)Rsistance prcoce

High early strength

ajustement du cru, choix de carrire

R1j ~2x

R1j ~0.5x

R1j ~0.7x

Dsignation Composition en % massique Type Ciment Notation Principaux Secondaire Clinker Ajout I Portland I 95-100 0 0-5 Portland

au laitier II / A-S II / B-S

80-94 65-79

6-20 21-35

0-5 0-5

II Portland la F.S.

II / A-D 90-94 6-10 0-5

Portland au calcaire

II / A-L II / B-L

80-94 65-79

6-20 21-35

0-5 0-5

... etc III Ciment

de haut fourneau

III / A III / B III / C

35-64 20-34 5-19

36-65 66-80 81-95

0-5 0-5 0-5

IV Ciment

pouzzolanique IV / A IV / B

65-89 45-64

11-35 36-55

0-5 0-5

V Ciment compos (*)

V / A V / B

40-64 20-39

36-60 61-80

0-5 0-5

Classification des principaux types de ciments selon ENV 197-1

Gamme des ciments en Suisse romandeDsignation

Commerciale Selon ENV 197-1 NORMO 3 NORMO 4 NORMO 5 R

CEM I 32.5 CEM I 42.5 CEM I 52.5 R

FLUVIO 3 R FLUVIO 4 R

CEM II / A-L 32.5 R CEM II / A-L 42.5 R

ALBARO 5 Ciment blanc CEM I 52.5

PROTEGO 3 L HS PROTEGO 4 HS

CEM II / A-L 32.5 HS CEM I 42.5 HS

FORTICO 5 R FORTICO 5 HS

CEM II / A-D 52.5 R CEM II / A-D 52.5 HS

MODERO 3 CEM III / C 32.5

Chimie d hydratation

Hydratation

phasesanhydres

+eau

dissolution prcipitation

Dissolution -

Cl-

Cl-

Na+ Cl- Na+ Cl-

Na+ Cl- Na+ Cl-

Na+ Cl- Na+ Cl-

Na+ Cl- Na+ Cl-

Na+

Cl-

Na+

Cl-

Na+

Na+

Ex. sel de table:les ions dans un solide entr en solution.

[Na+]

[Cl-]

Solution sature[Na+]. [Cl-] = const.

Il y a une limite de solubilit au del de laquelle la solution est sature

anhydrous C3S

3 O2- SiO44

Ca 2+

H SiO2 42

Ca 2+

OH-

3

4

dans cette rgion:le C3S dissoud

les hydrates prcipits

solubilit trs haute

solubilit des autres phases:hydrates

[SiO2]

[CaO]

Hydrates de C3Shydroxyde de calcium

chaux hydratcalcium hydroxyde

portlanditeCa(OH)2

CH

cristallinmorphologie hexagonale

calcium silicate hydrateC-S-H

amorphemultiples morphologies

~ 25-28% pte hydrat

~ 60-65% pte hydrat

C-S-H, similarit minral Tobermorite

couches de Ca - Ottradre de Si - O4en chanesmolcules de leau

141.4nm

111.1nm

55C

C-S-H preuve exprimentale

CH

CH

CHCHCH

1.82

1.56

2

CH2.98

CH

CH

2.79

3.04

30 40 50 60

Diffraction des rayons X (DX ou XRD):bosse + plus piques paisse, indique lordre dans les couches Ca-O

Trimethyl silation + NMR:Chanes de silice, 2, 5, 8 formation de dimers, puis ttradre pontant

tudes dabsorption, etc: ltat de saturation il y a 4 H par S, 11% 2, qui correspond leau inter-feuillet

pore du gel

Modle gel C-S-H

leau inter-feuillet

eau absorbe dansles pores du gel

Ractions globalesC S H C S H C H3 1 7 45 3 1 3+ +. ..C S H C S H C H2 1 7 44 3 0 3+ +. ..

age, jours

R

e

s

i

s

t

a

n

c

e

e

n

c

o

m

p

r

e

s

s

i

o

n

,

M

P

a

C3S

C2S

80

60

40

20

07 28 90 180 360

C3A

C4AF

Cintique~10 h

p

r

i

o

d

e

d

a

c

c

l

r

a

t

i

o

n

~3 h

p

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u

c

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~10 m

d

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~24 h

r

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n

u

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d

g

a

g

e

m

e

n

t

d

e

c

h

a

l

e

u

r

temps

p

r

i

s

e

Variation des concentrations en solution

0

5

10

15

20

25

30

0 60 120 180 240time, minutes

c

o

n

c

e

n

t

r

a

t

i

o

n

,

m

M

o

l

/

l

CaO

SiO2 x 1000

Source: Taylor Cement Chemistry , Academic Press 1990

4000 C/S=3.0

Ca(OH)2

C-S-H (stable)

C-S-H (metastable)

2000

1000

400

200

100

40

20

10

4

2

1

0.4

0.2

0.1

concentration Ca, mmol-15 10 15 20 25

c

o

n

c

e

n

t

r

a

t

i

o

n

S

i

O

2

,

m

o

l

-

1

Source: Bye Portland Cement , Thomas Telford 1999

eauliechaleur

3 hrs 10 hrs

t=0 t=6h t=24h

t=28d t=1y

Simulation de microstructure de C3S

C3S anhydre

C-S-H

CH

C3A C3A+

eau

rigidification prise flash flash set

raction rapidegrandes plaques

dhydrates

C3A + CaSO4Hx

ettringite

Couche bloquante

formation de monosulfo C3A + CaSO4Hx_ _

3 2 3 32C A 3C S H 26H C A .3C S .H (e ttring ite )+ +

2 24 4

_

3 32

6C a 2A l(OH ) 3SO 4OH 26H

C a A .3C S .H (e ttring ite )

+ + + + +

puisement du sulfate

_ _

3 3 32 3 122C A C A .3C S .H 4H 3C A .C S .H+ + Calcium monosulfo aluminate

Monosulfo aluminate de calcium

temprature ambiante monosulfo et seulement mtastableIl peut se former seulement en prsence de C3A anhydre

Pte 7 joursFormation local de monosulfo lintrieur des couches de C-S-H ou il y a du C3A disponible.Lettringite reste lextrieur du grain.

a) Grain du ciment anhydre mulitphase

b) ~10 minReaction rapide du C3A avec le sulfate et le calcium de la solution,formation de couche bloquante et ettringite en solution

c) ~10 hReaction du C3S donne outer product C-S-H qui forme une coquille separe du grain

d) ~18 hReaction scondaire du C3A donnant des longues aiguilles dettringite

e) ~1-3 jformation du monsulfo linterieur dune coquille de C-S-H partir du C3A et de lettringite

f) ~14jformation du inner product C-S-H

graine du ciment

inner C-S-H

outer ouundifferentiatedC-S-H

sable (granulat)

hydroxyde du calcium(CH)

pores

Complexe, Htrogne

Phases AFmAFm=aluminoferritemono^^^

Cristaux avec feuilles de calcium et alumine

Beaucoup de ions differents possible interfeuillet: Sulfate monosulfo Carbonate hemicarbonate, monocarbonate Hydroxide C4AH13 Silicate + Aluminate sttlingite, C2ASH8 Etc

Beaucoup de possibilits de solution solides possible

Ciment Portland

silicates

aluminates

interaction

40302010

Rsum de lhydratation

~10 h

rapidepptn des hydrates

~3 h

Ractionlente:

induction

~10 m

d

i

s

s

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l

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t

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i

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i

a

l

e

ractionralentie,diffusion travers

de couchesdhydrates

~24 h

c

h

a

l

e

u

r

temps

S

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(

C

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s

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n

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l

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a

t

e

C

3

A

+

e

t

t

>

m

o

n

o

s

u

l

f

o

-

a

l

u

m

i

n

a

t

e

TAUX DERACTION 2% 15% 30%

Simulation de microstructure de C3S

t=0 =0 t=6h =0,08 t=24h =0,34

t=28d =0,73 t=1y =0,88

C3S anhydre

C-S-H

CH

anhyd3%

pores16%

other4%

ett (AFt)4%

AFm11%

CH14%

C-S-H48%

Bilan Volumtrique

Pte de ciment Portland, e/c = 0,5, 14mois

Structure Physiquedune pte de ciment

Importance de la structure physique:

Rsistance mcanique

Comportement vis--vis de leau;

Durabilit

Changements volumtrique

V V V VC S H O C S H CH3 21318 157 0 597+ + , , ,2 318, 2157,

Volume du solide augmente, mais le volume total diminue:

Contraction Le Chatelier:

V = =01612 318

7,,

~ %Valeurs entre5 et 10%en fonction desassomptions

t=0 t=t1 t=t2

terme un lger gonflement

00,2

0,4

0,6

0,8

1

videseauCHCSHciment

e/c = 0,50

0,2

0,4

0,6

0,8

1

e/c = 0,3

eau puisedegr d hydratation Eau minimum pour hydratation complte

Donne empirique - travail de Powers et al. 1950s & 60s

e/c min = 0,38

eresat/c = 0,44

kg eau lie par kg ciment

= 0,227

0 0,2 0,4 0,6 0,8e/c

0,6

0,4

0,2

0

Particularit de la porosit dune pte de ciment:

Gel du C-S-H

Surface spcifique 100 - 700 m2/kg

porosit intrinsque ~28%

Modle gel C-S-H

pore du gel

leau inter-feuillet

eau absorbe dansles pores du gel

Dimension caractristique des pores ~20, 2nm

120

POWERS - BROWNYARD, 1964 FELDMAN and SERREDA, 1964

frais durci

Changement dchelle:

Espaces entre les grains,pas remplis dhydrates

10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2

nm m mm

poresdu gel Pores capillaires

Vides dairet de compactage

tat de leau

10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5

nm m

~

5

c

o

u

c

h

e

s

o

r

g

a

n

i

s

e

s

leau libre

l

e

a

u

i

n

t

e

r

-

f

e

u

i

l

l

e

t

s

11%RH 40-50%RH 40-50%RH

Ltat de leau

L

E

A

U

E

V

A

P

O

R

A

B

L

E

L

E

A

U

L

I

E

D dried

11% HR

40% HR

taille quivalente

effet auschage

50nm

2nm

Forces capillaires

c o s .2 r

h

d

PP

P

Patm

Pb

2 cosPr

= eq. Laplace= ( )P P ra tm b 2

Pressions gnres

~ 0,072 J/m2 nergie de surface~ 0,072 N/m tension superficielle

= ?

r = 1 m P ~ 0,1 MPar = 100 nm P ~ 1 MPa

P ~ 2 MPar = 50 nmP = 10 MPar = 10 nm

2 cosPr

=

Proprits jeune ge Ouvrabilit

Pris

Ouvrabilit

Capacit remplir les formes

se compactfluidit

La prsence des granulats empche lutilisation de la plupart des quipements conus pourcaractriser la rhologie des autres fluides

Besoin des tests robuste qui peuvent tre utilisssur les chantiers

Slump test

10 cm

30 cm

20 cm

s

viter pour un bon bton:

Ressuage - (bleeding)

Emergence dun couche deau en surface

aussi

microre

ssuage

sgrgation

Le ressuage et la sgrgation peut tre vit avec une bonne formulation du bton:

bon granulomtrie du squelette granulats

bonne dosage en ciment

bon e/c

La prise

Ptefluide

Soliderigide

Le transition nest pas franchele dfinition du pris et un peu

arbitraire

Le test classique: Aiguille Vicat

420

..

..

Initial set

...

Final set4000

3000

2000

1000

0180 240 300 360

Temps (min)

F

R

s

i

s

t

a

n

c

e

a

u

p

n

t

r

a

t

i

o

n

(

p

s

i

)

capteur de temprature au coeur de la matire

traducteur double dondes de compressionet de cisaillement

pte de ciment

CELLULE ULTRASONORECELLULE ULTRASONORE

Caractrisation plus scientifique

110

102

103

104

105

106

107

0 1 2 3 4 5 6 7 8

heures

P

a

1550

1750

1950

2150

2350

2550

2750

2950

V

i

t

e

s

s

e

d

e

s

o

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d

e

s

U

l

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r

a

s

o

n

s

(

m

/

s

)

rheo

logi

e

com

pres

sive

stre

ngth

1 MPa

10 MPa

0.1 MPaultrasonic propagation

continuous curve Rsistances mcaniques

~ E10en ralit, les rsistances relles sontpour les matriaux fragiles

< ~10 3EMais,pour les fibres trs minces on sapproche de la rsistance thorique

Rle critique des fissures

La rsistance thoriqueest de lordre de

Travail de Griffith sur les fibres de verre

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30

Fibre thickness, um

S

t

r

e

n

g

t

h

,

G

P

a

La rsistance desfibres augmente quand son paisseurdiminue

La propagation des fissurescontrle les rsistancesBalance nergtique:

2cQuand la longueur dune fissure augmente elle cre une nouvelle surface qui consomme de lnergie:

c

4S. cMais il y a une restitution dnergiecause par ltat de la contrainte: 2 2c c

E

la contrainte critique pour propager la fissure, ces deux sont gales:

c2ES

c =

gomtriespcifique

graine du ciment

inner C-S-H

outer ouundifferentiatedC-S-H

sable (granulat)

hydroxyde du calcium(CH)

pores

Dans tous les matriaux, les pores sont aussi un paramtre qui influence fortement la rsistance

PltreAcier inoxFer

Alumine frittZirconia

0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 20 40 60Porosit, %

R

s

i

s

t

a

n

c

e

r

e

l

a

t

i

v

e

30

0 20 40 60Porosit capillaire, %

R

s

i

s

t

a

n

c

e

r

e

l

a

t

i

v

e

60

90

120

150

Pte de ciment

Compression vs Flexion

A cause des fissures, la rsistance la flexion des btons est trs basse: quelque MPa (cf xx acier)

Rc ~ 10 x Rt

en consquence les btons sont toujours utiliss en compression.

Le bton arm est renforc par des armatures en acier:

poutre F

F/2 F/2

compression

tension

La rsistance la traction du bton est admise nulle: Rt = 0

Par dfinition, le bton arm est fissur sous les charges de service.

ACIER

poids 530117

BTON ARM

467 140

Poutres avec capacit porteuse quivalente

BTON PRCON-TRAINT

Sous leffet dune compression lchantillon se raccourcit longitudinalement et gonfle latralement

Les fissures perpen-diculaires aux chargesne peuvent pas se propager

Picture of failure

c

c

c

c

ff

Le bton comme matriau composite

1000 2000 3000Dformation, 10-6

C

o

n

t

r

a

i

n

t

.

M

P

a

50

40

0

30

20

10

pte deciment

bton

granulat

Les granulats et la pte deciment sont lastiques jusqu la rupture

En revanche, le btondmontre une dviation de la linarit avant rupture

dformation

C

o

n

t

r

a

i

n

t

e

%

u

l

t

i

m

e

100

75

50

30

1

2

3

4

1

2

30% contrainte ultime

50% contrainte ultime

3 75% contrainte ultime

4 contrainte ultime

Mode de rupture Do la complexit du mode de rupture:La forme de lchantillon a un impact significatif:

cubes cylindres

Pays

Dimensionstypiques

Avantages

Dsavantages

UK, Suisse, etc

hauteurlargeur = 2

USA, France, etc200 mm x 200 mm x200 mm

160 mm x 320 mm

2 faces moules

Rsistance levepar frettage;

tat de contraintenon uniforme

Besoin de rectifier

Distribution des contraintesplus uniforme; frettage rduit

Dmin moule >5 x Dmax gran.

Rcyl ~ 0,8 Rcub

Prismes

1 cm

Face de rupture

Possibilit de mesurer la rsistance la flexion et la compression sur le mme chantillon

Ex: 40 mm x 40 mm x 160 mm100

Effet de lge et e/c

rapport eau / ciment0,35 0,35 0,55 0,65

10

20

30

40

50

28 jours

7

3

1 jourR

s

i

s

t

a

n

c

e

e

n

c

o

m

p

r

e

s

s

i

o

n

,

M

P

a

rapport eau / ciment

R

s

i

s

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a

n

c

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e

n

c

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m

p

r

e

s

s

i

o

n

compactageincomplet

boncompactage

p

l

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s

t

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q

u

e

f

l

u

i

d

e

r

a

i

d

s

e

c

vibrrod la main

Mais attention louvrabilit

Loi de Feret, 1896

Rsistance lacompression

Constante,:Fonction de lge, mode de conservation et liant

Volumes de:c cimente eauv vides

2cR Kc e v

= + +

2c /(e v)R K

c /(e v) 1 += + +

Loi de Bolomey

'cR K Ke v

= + Pour v < ~2%

cR K 0,5e

=

Powers3cR a

c e v = + +

En fonction du nombres de parametres inconnu, a, , cetteformule nest pas pratique utilis

= fraction du ciment hydratquivalent : ( )3R a 1 P= Ou P = porosit:

Dans tous les matriaux, les pores sont aussi un paramtre qui influence fortement la rsistance

PltreAcier inoxFer

Alumine frittZirconia

0

0,2

0,4

0,6

0,8

0 20 40 60Porosit, %

R

s

i

s

t

a

n

c

e

r

e

l

a

t

i

v

e

30

0 20 40 60Porosit capillaire, %

R

s

i

s

t

a

n

c

e

r

e

l

a

t

i

v

e

60

90

120

150

Pte de ciment

Importance de conservation

3714 28 90 18010

20

30

40

50

Lge, jours

R

s

i

s

t

a

n

c

e

e

n

c

o

m

p

r

e

s

s

i

o

n

,

M

P

a

A lair

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