Cours en ligne: Matériaux de construction
Chapitre 2: Les ciments
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Dès que le ciment anhydre a été mélangé avec de l’eau, l’hydratation commence et les propriétés de la pâte ainsi obtenue sont évolutives dans le temps. Tant que cette hydratation n’est pas trop avancée la pâte reste plus ou moins malléable, ce qui permet de lui faire épouser par moulage la forme désirée. Mais au bout d’un certain temps, les cristaux d’hydrayes prenant de plus en plus d’importance, le mélange a changé de viscosité et se raidit, on dit qu’il se fait priser.
fig 2.3: Détermination du temps de début de prise
Le début de prise correspond au moment où l'on observe une augmentation de la viscosité , ou raidissement de la pâte, ce qui, dans la pratique, se mesure au moyen de l'aiguille normalisée (appareil de Vicat) et correspond au temps écoulé depuis le gâchage de la pâte jusqu'au moment où l'aiguille s’arrête à une distance (d = 4 mm ±1 mm) du fond de l’anneau de 40 mm de hauteur remplie de pâte pure de ciment.
De même, la fin de prise correspond au moment où l'aiguille ne s'enfonce plus dans l’anneau.
fig 2.4: Détermination du temps de fin de prise
Le phénomène de prise du ciment est lié à de nombreux paramètres tels:
En fonction de leur classe de résistance,
les normes spécifient un temps de prise minimum qui est, à la température de 20 ºC, de:
1 h 30 pour les ciments de classes 35 et45.
1 h pour les ciments des classes 55 et HP.
Il est à noter que pratiquement tous les ciments ont des temps de prise largement supérieurs à ces valeurs minimales, l'ordre de grandeur étant de 2 h 30 à 3 h pour la majorité des ciments.
fig 2.5: Evolution du temps de prise en fonction de la température
fig 2.6: Influence de la température sur la prise des ciments
fig 2.7: Influence du E/C sur le temps de prise
C’est la période qui suit la prise et pendant laquelle se poursuit l’hydratation du ciment. Sa durée se prolonge pendant des mois au cours desquels les résistances mécaniques continuent à augmenter.
Comme le phénomène de prise, le durcissement est sensible à la température, ce qui conduit notamment en préfabrication, à chauffer les pièces pour lesquelles on désire avoir des résistances élevées au bout de quelques heures.
Prise et durcissement des constituants du clinker:
Pour mieux comprendre les propriétés des ciments portland, il est intéressant d’étudier comment réagit en présence d’eau chacun des constituants anhydres du ciment pris isolément.
Tableau 2.5: Le comportement et le dégagement de chaleur des constituants du clinker
Le graphique ci-dessous montre le développement des résistances dans le temps des constituants purs du ciment portland.
fig 2.8: Le développement des résistances dans le temps des constituants purs du CP.
Dans une poudre de ciment portland en contact avec l’eau, l’aluminate tricalcique (C3A) réagit en premier, se dissous et se recristallise. Vient ensuite la réaction d’hydrolyse, de l’alite-Silicate tricalcique (C3S) forme autour des grains une pellicule de gel et met en même temps des ions Ca2+ en solution. L’hydrolyse et la recristallisation de (C3A) sont rapides. Cette activité est si grande qu’il faut la retarder car elle conduirait à des prises trop rapides et rendrait le liant inutilisable sur chantier.
Evolution physico-chimique de la pâte de ciment:
En gâchant le ciment avec l’eau, on obtient une pâte dans laquelle l’eau entoure chaque grain de ciment en formant un réseau capillaire. Les composés anhydres du ciment sont alors attaqués en surface par l’eau pour produire des composés hydratés. Dans le cas des silicates de calcium C3S et C2S, la chaux hydratée se dissout et il se dépose des cristaux de Ca(OH)2 en plaquettes hexagones alors que les silicates de calcium hydratés forment un gel composé de fines aiguilles à la surface du ciment. Ces aiguilles se développent en dimension et en nombre tout en réduisant les interstrices capillaires entre les grains. Quand les aiguilles entre les grains de ciment se rapprochent, la pâte devient plus raide. Cette rigidité est au début faible et peut encore être facilement détruite mécaniquement. C’est le début de la prise.
Après quelques heures, les interstrices capillaires sont partiellement comblées par le gel. La pâte de ciment acquiert une certaine résistance. C’est le durcissement qui commence. La résistance continue à croître à mesure que le gel devient plus compact, d’une part, parce qu’il y a un accroissement de la cohésion entre les aiguilles et accroissement du feutrage des aiguilles, d’autre part, parce qu’il se formerait des joints de soudure entre les aiguilles de tobermolite des divers grains de ciment.
Dans les pâtes de ciment durcies, il reste de ce fait toujours des grains de ciment non hydratés.
L’hydratation des grains de ciment continue non seulement des mois, mais des années durant, pour autant que le gel soit entouré d'eau, car le gel de tobermolite ne peut se former qu’en présence d’eau.
fig 2.9: L'évolution physico-chimique de la pâte de ciment
Quelques réactions chimiques importantes:
Les réactions d’hydratation du ciment Portland sont très complexes. Nous ne considérons que les quelques-unes utiles à connaître pour mieux comprendre les propriétés des ciments portlands.
Elle est caractérisée par la surface spécifique des grains de ciment, exprimée en (cm2/g). Dans les cas courants, elle est de l'ordre de 3000 à 3500 cm2/g.
Plus la finesse de mouture est grande, plus la vitesse des réactions d'hydratation est élevée et plus ces résistances mécaniques à un âge jeune sont grandes, par contre plus le ciment est sensible à l'éventellement et plus le retrait est important. En outre, la finesse de mouture influence la plasticité et la cohésion de la pâte de ciment à l'état frais, ainsi que son pouvoir de rétention d'eau et la ressuée.
La surface massique de ciment étudié n’est pas mesurée directement, mais par
comparaison avec un ciment de référence dont la surface massique est connue.
Il s’agit de faire passer un volume d’air connu au travers d’une poudre de ciment.
Toutes choses étant égales par ailleurs, plus la surface massique de cette poudre
est importante et plus le temps t mis par l’air pour traverser la poudre est longue:
Dans les conditions normalisées décrites, la surface est proportionnelle à
.
L'appareil utilisé pour déterminer la finesse de mouture de ciment est appelé «Perméabilimètre de Blaine». Cet appareil est schématisé sur fig 2.11. Il se compose pour l’essentiel d’une cellule dans laquelle est placé le ciment à tester et d’un manomètre constitué d’un tube en verre en forme de U rempli, jusqu’à son repère inférieur (n° 4) d’une huile légère. La cellule est équipée d’une grille en sa partie inférieure. Un piston sert à tasser le ciment dans la cellule sous un volume V défini.
fig 2.10: Influence de la surface spécifique sur la résistance à la compression
fig 2.11: Principe de fonctionnement de perméabilimètre de Blaine.
La pâte de ciment se rétracte dans l'air sec (alors qu'au contraire elle gonfle dans l'eau), ce phénomène se poursuivant dans le temps et ceci pendant des durées d'autant plus longues que les pièces sont massives. C'est le retrait qui est cause des fissures que l'on observe dans des pièces en béton.
En fait il existe plusieurs types de retrait:
L'importance du retrait hydraulique, en dehors du facteur de temps, est fonction de nombreux paramètres parmi lesquels:
fig 2.12: Influence du E/C sur le retrait plastique des mortier.
Le phénomène de prise du ciment s'accompagne d'une réaction exothermique dont l'importance dépend de différents paramètres, en particulier:
fig 2.13: Chaleur dégagée lors de l'hydratation du CP
La réaction d'hydratation est accélérée par un traitement thermique de la pâte, de façon à pouvoir constater l’expansion éventuelle du ciment dans un délai très court.
fig 2.13: Aiguilles de Le Châtelier
Un essai permet de s'assurer que le ciment ne contient pas de substances susceptibles de provoquer une expansion dangereuse au cours du temps.
On simule l'effet du temps en accélérant les processus de durcissement par une cuisson à 100 °C pendant 2 heures d'une pâte durcie de ciment à consistance normale âgée de 24 heures. Pour mesurer l'expansion, on utilise les aiguilles de Le Châtelier (fig 2.13). La différence d'ouverture des aiguilles avant et après cuisson doit rester inférieure à 10 mm.
Ouverture d'aiguille causée par cuisson à 10 mm.
L'essai d'étuvage a été supprimé pour les ciments Portland, car depuis de nombreuses années, il n'y a jamais eu de ciment Portland défectueux selon cet essai. On continue par contre à utiliser ce type d'essai pour contrôler la stabilité de volume des chaux hydrauliques.
Aujourd'hui on contrôle la pureté et la stabilité des ciments portland par voie chimique tels:
Les résistances mécaniques des ciments sont déterminées par les essais sur mortier dit "normal", à 28 jours d'âges en traction et en compression des éprouvettes 4 x 4 x 16 cm. La résistance du mortier est alors considérée comme significative de la résistance du ciment. Elle dépend de la classe de ciment et est exprimée en Mpa.
Le mortier utilisé est réalisé conformément à la norme EN 196-1.
Le sable utilisé est un sable appelé "sable normaliser CEN EN 196-1".
Pour chaque type de ciment, il existe effectivement plusieurs classes de
résistances pour lesquelles les fabricants garantissent des valeurs minimales et maximales.
fig 2.14: Résistance
du mortier normal