Cours en ligne: Matériaux de construction
Chapitre 2: Les ciments
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Il s’agit de mesurer la masse volumique absolue du ciment anhydre qui varie en fonction de la composition du ciment, tout en restant comprise entre 3,0 et 3,2 g/cm3.
On repère en comparant la masse (mc) d’un volume connu de ciment (Vc) à la masse (mt) d’un même volume d’un liquide dont la masse volumique (ρt) est connue. La masse (ρc) s’en déduit en écrivant:
Il consiste à mesurer le déplacement du niveau de liquide contenu dans un récipient à col
étroit, lorsqu’on y introduit la poudre dont on cherche la masse volumique absolue.
La méthode nécessite également une balance au décigramme, voluménomètre et un
liquide inerte vis-à-vis de la poudre: ce sera par exemple du tetrachlorure de carbone, si la
poudre est du ciment (ou bien on peut remplacer le tetrachlorure par le pétrole).
Remplir l’appareil de tétrachlorure de carbone jusqu’à ce que le niveau parvienne entre les divisions zéro et 1. Éviter de mouiller les parois lors du remplissage. Immerger le voluménomètre dans un récipient contenant de l’eau à 20±1 °C. Pendant l’équibrage de température, peser une masse de ciment de 64 g à 0,1 g près.
Repérer exactement le niveau atteint N0.
Verser le ciment très lentement (en ¼ d’heure environ) dans l’appareil en prenant garde à ne pas laisser de dépôt sur les parois.
Déplacer le voluménomètre contenant le ciment, de récipient et le poser sur la table.
Boucher le voluménomètre, l’incliner à 45° par rapport à la table et le faire rouler avec un mouvement de va-et-vient de manière à faciliter de départ de l’air. Replacer l’appareil dans le bain et lire le niveau N1 du liquide après équilibrage de température.
La masse volumique absolue est donnée par le rapport:
Les ciments se présentent sous forme de poudre finement divisée. Cette finesse est une caractéristique importante: lors du gâchage, plus la surface de ciment en contact avec l’eau est grande et plus l’hydratation est rapide et complète.
La finesse d’un ciment est généralement exprimée par sa surface massique: c’est la surface totale des grains contenus dans une masse unité de poudre. La surface massique est généralement exprimée en cm2 de surface des grains de ciment par gramme de poudre. L’objectif de l’essai est d’apprécier cette surface.
L’essai a pour but de calculer le débit d’air susceptible de passer à travers la poudre.
La surface massique du ciment étudié n’est pas mesurée directement, mais par
comparaison avec un ciment 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 long. Dans les conditions normalisées décrites, la
surface est proportionnelle à
Le liant hydraulique dont on désire mesurer la surface spécifique doit être à porosité constante (égale à 0,500).
- Méthode : peser à 0,01 g près, une masse m de liant telle que, compte tenu de son volume V après tassement dans la cellule, sa porosité soit égale à 0,500.
- La masse de matière à prendre s’écrit: m = (1 - e) ρV
ρ - masse volumique
V – volume utile de la cellule.
Placer la grille au fond dela cellule. Appliquer sur cette grille, au moyen d’une tige à face inférieure plane et d’une équerre, un disque neuf de papier filtre.
Verser le liant dans la cellule en utilisant un entonnoir.
Donner quelques légères secousses à la cellule pour niveler la couche supérieure du liant, puis placer sur celui-ci un autre disque neuf de papier filtre.
Tasser avec précaution au moyen du piston en évitant la remontée de la poudre au-dessus du papier filtre jusqu’à ce que le collier vienne buter contre le haut de la cellule.
Retirer le piston lentement (Il est commode de pratiquer une légère rotation alternative).
Vérifier le niveau du liquide du manomètre qui doit affleurer au trait inférieur. Enduire de vaseline la partie rondée de la cellule et la placer sur son ajutage en lui imprimant un léger mouvement de rotation pour répartir la vaseline; veiller au cours de cette opération à ne pas altérer le tassement de la couche.
Aspirer lentement au moyen de la poire l’air du tube jusqu’à ce que le niveau du liquide atteigne le trait supérieur. Fermer le robinet. Mettre en marche un chronomètre sensible au cinquième de seconde quand le niveau de liquide atteint le deuxième trait.
L’arrêter quand le niveau de liquide atteint le troisième trait.
Noter le temps écoulé t ainsi que la température de la pièce.
Faire trois mesures et prendre la moyenne arithmétique des trois temps.
La surface spécifique est calculé par la formule:
. S – Surface spécifique (cm2/g).
. k – Constante del’appareil.
. e – Porosité de la couche tassée
. t – Temps mesuré en secondes.
. ρ Masse volumique (g/cm3).
. η Viscosité de l’air à la température d’essai (en poises).
Étalonnage de l’appareil:
(a) Détermination du volume V de la couche tassée.
Enduire la paroi intérieure de la cellule d’une très mince pellicule d’huile pour éviter l’amalgame. Placer la grille au fond de la cellule, puis deux disques de papier filtre appliqués sur la grille. Remplir la cellule jusqu’au bord avec du mercure, en chassant les bulles d’air adhérant aux parois. Niveler la surface de mercure en appliquant une lamelle de verre sur le sommet de la cellule. Puis recueillir dans un récipient taré le mercure se trouvant dans la cellule, et peser à 0,01 g près – soit (m1) la masse en gramme du mercure utilisé.
Préparer ensuite la cellule dans les conditions prévues pour l’essai, avec une quantité de ciment portland telle que la couche obtenue soit suffisamment comprimée (2,8 à 3 g), (Il est nécessaire que la poudre soit plus compacte pour l’étalonnage que pour les essais, afin d’éviter son tassement par le mercure), et refaire avec du mercure les opérations décrites à l’article précédent - soit ( m2) la masse, en gramme, du mercure utilisé.
Le volume de la couche tassée est obtenu par la formule:
V – Volume del acouche tassée (cm3).
m1 et m2 – Masse de mercure (g)
ρ.Hg Masse volumique du mercure à la température
d’essai (g/cm3) ( voir en annexe, les valeurs
ρ.Hg)
Répeter la détermination de façon à obtenir deux valeurs différents de moins de 0,01 cm3 et adopter leur moyenne.
(b) Détermination de la constante k de l’appareil.
Avec une poudre étalon de surface spécifique et de masse volumique connues, opérer selon le processus décrit à l’article précédent.
Calculer k en appliquant la formule fondamentale:
La valeur adoptée sera la moyenne arithmétique résultant de trois prises d’échantillons différentes.
Fig.2.7.2: Principe de fonctionnement du permiabilimètre de Blaine
Il est nécessaire de connaître les début et fin de prise des pâtes de ciment ( des liants hydrauliques ) afin de pouvoir évaluer le temps disponible pour la mise en place correcte des mortiers et des bétons qui seront ensuite confectionnés.
Les essais se font à l’aide de l’aiguille de Vicat qui donne deux repères pratiques: Le début de prise et la fin de prise.
L’essai consiste à suivre l’évolution de la consistance d’une pâte de consistance normalisée; l’appareil utilisé est appareil de VICAT équipé d’une aiguille de 1,13 mm de diamètre. Quand sous l’effet d’une charge de 300 g l’aiguille s’arrête à une distance d du fond du moule telle que d= 4mm ± 1 mm on dit que le début de prise est atteint. Ce moment, mesuré à partir du début du malaxage, est appelé « TEMPS DE DEBUT DE PRISE ». Le « TEMPS DE FIN DE PRISE» est celui au bout duquel l’aiguille ne s’enfonce plus que de 0,5 mm.
- Salle climatisée: L’essai doit se déroule dans une salle, dont la température est de 20° C± 1° C et dont l’humidité relative est supérieure à 90%. A défaut d’une telle humidité relative, l’échantillon testé pourra, entre deux mesures, être entreposé dans de l’eau maintenue à 20° C± 1° C.
- Malaxeur normalisé: avec une cuve de 5 litres de contenance et d’une pale de malaxage pouvant tourner à 2 vitesses ( dites lente 140 tr/mn et rapide 285 tr/mn ).
- Appareil de VICAT ( du nom de l’ingénieur français ). L’appareil est composé d’un moule tronconique de 40 mm de hauteur et d’une tige coulissante équipée à son extrémité d’une aiguille de 1,13 mm de diamètre.
- Balance précise à 0,1 g près.
- Chronomètre précise à 0,1 s près.
Le mode opératoire de l’essai est fixé par la norme EN 196-3. Il s’agit de confectionner une pâte de consistance normalisée:
On préparera 2 Kg de ciment, une pâte pure de rapport E/C=0,26. Ceci permettra de préparer 5 moules. Pour accélérer les phénomènes, on dissolvera dans l’eau de gâchée du chlorure de calcium (CaCl2) en prenant comme poids de CaCl2, 2% du poids d’eau calculé pour la gâchée. On versera l’eau avec l’accélérateur de prise dissous dans la cuve du malaxeur, contenant le ciment, on déclenchera les deux chronomètres, ( un pour la gâchée, un autre pour base du temps, pour la manipulation ).
La pâte est alors rapidement introduite dans le moule tronconique posé sur une plaque de verre, sans tassement ni vibration excessifs. Il faut enlever l’excès de pâte par une mouvement de va-et-vient effectué avec une truelle maintenue perpendiculairement à la surface supérieure du moule. Puis l’ensemble est placé sur la platine de l’appareil de vicat.
Quatre minutes après le début du malaxage, l’aiguille est amenée à la surface de l’échantillon et relâchée sans élan ( sans vitesse ). L’aiguille alors s’enfonce dans la pâte. Lorsqu’elle est immobilisée ( ou après 30 s d’attente ), relever la distance d séparant l’extrémité de l’aiguille de la plaque de base.
Recommencer l’opération à des intervalles de temps convenablement espacés ( ~ 10-15 mn ) jusqu’à ce que d= 4mm ± 1mm.
Cet instant mesuré à 5 mn près est le temps de début de prise pour le ciment concerné ( étudié )
La consistance de la pâte caractérise sa plus ou moins grande fluidité. Il y a deux
types d’essai, qui permettent d’apprécier cette consistance.
1. L’essai de consistance éffectué avec l’appareil de Vicat conformément à la norme
196-3.
2. L’essai d’écoulement au cône, conformément à la norme NF P-18-358.
La consistance de la pâte de ciment est une caractéristique, qui évolue au cours de
temps. Pour pouvoir étudier l’évolution de la consistance en fonction des différents
paramètres, il faut pouvoir partir d’une consistance qui soit la même pour toutes les pâtes
étudiées.
L’objectif de cet essai est de définir une telle consistance dite « CONSISTANCE NORMALISEE ».
La consistance est évaluée ici en mesurant l’enfoncement dans la pâte, d’une tige cylindrique sous l’effet d’une charge constante. L’enfoncement est d’autant plus important que la consistance est plus fluide. La consistance évaluée de cette manière sera appelée « CONSISTANCE VICAT».
- Un malaxeur avec une cuve de 5 litres de contenance et d’une pale de malaxage pouvant tourner à 2 vitesses ( dites lente 140 tr/mn et rapide 285 tr/mn ) .
- Un appareil de VICAT. L’appareil est composé d’un moule tronconique de 40 mm de hauteur et d’une tige coulissante équipée à son extrémité d’une sonde 10 mm de diamètre. La partie coulissante a une masse totale de 700 g ( y compris la sonde amovible ).
- Une balance permettant de peser à 1 g près.
- Une Chronomètre précis à 1 s près.
500 g de ciment sont pesés et introduits dans la cuve du malaxeur. La quantité d’eau choisie est ajoutée au ciment en un temps compris entre 5 et 10 secondes.
Mettre immédiatement le malaxeur en route à la vitesse lente pendant 90 s. Arrêter la machine pendant 15 s et ramener, dans la gâchée avec une petite truelle, la pâte adhérant à la cuve et se trouvant au délà de la zone de malaxage. Remettre la machine en route pour une durée de 90s à vitesse lente.
La pâte est alors rapidement introduite dans le moule tronconique posé sur une plaque de verre, sans tassement ni vibration excessifs; Il faut enlever l’excès de pâte par une mouvement de va-et-vient effectué avec une truelle maintenue perpendiculairement à la surface supérieure du moule. Puis l’ensemble est placé sur la platine de l’appareil de vicat.
Quatre minutes après le début du malaxage, la sonde est amenée à la surface supérieure de l’échantillon (moule tronconique ) et relâchée sans élan . La sonde alors s’enfonce dans la pâte. Lorsqu’elle est immobilisée ( ou après 30 s d’attente ), on mesure la distance d séparant l’extrémité de la sonde et de la plaque de base.
Cette distance ( d ) caractérise la consistance de la pâte étudiée.
Il s’agit d’apprécier l’augmentation de volume que seraient susceptible de provoquer, au cours de la réaction d’hydratation, les oxydes de calcium ou de magnésium contenus dans le ciment.
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.
- Un malaxeur normalisé.
- Deux moules en laiton élastique, appelés «appareil le Chatelier». Ces moules sont fendus de façon à pouvoir s’ouvrir en cas d’augmentation de volume de la pâte.
- Un bain d’eau muni d’un moyen de chauffage, dans lequel il est possible d’immerger les éprouvettes et de porter la température de l’eau de 20°C ± 2°C jusqu’à ébullition en 30 min ± 5 min.
- Une salle ou une armoire humide maintenue à une température de 20°C ± 1°C et à au moins 98% d’humidité relative.
Fig.: Essai de stabilité avec l’appareil le chantelier
Le mode opératoire est décrit par la norme EN 196-3. Il faut confectionner une pâte de consistance normalisée, qui sera introduite dans deux moules.
Après remplissage les moules sont conservés 24 h dans la salle ou l’armoire humide. Au bout de ce temps il convient de mesurer à 0,5 mm près l’écartement A entre les pointes des aiguilles.
Le moule est alors entreposé dans le bain d’eau à 20°C qui doit être porté à ébullition pendant 3 h ± 5 min. Soit B l’écartement entre les points des aiguilles au bout de ce temps. Soit C l’écartement lorsque le moule, après refroidissement, est revenu à la température de 20 °C.
La stabilitée est caractérisée par la valeur C-A exprimée en mm à 0,5 mm près:
Stabilité = C-A