Cours en ligne: Matériaux de construction
Chapitre 4: La pâte de ciment
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Les caractéristiques principales de la pâte de ciment sont:
La consistance
La consistance de la pâte de ciment est sa plus ou moins grande fluidité. C'est une caractéristique qui évolue au cours du 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. La consistance dite "consistance normalisée" peut être déterminée par l'essai en utilisant un appareil qui s'appelle "Vicat" (fig 4.2)
La distance ( d ) caractérise l’aptitude de la consistance de la pâte étudiée.
- Si ( d ) = 6mm ± 1mm, on dit que la consistance de la pâte étudiée est normalisée, (Consistance normalisée ).
- Si ( d ) n’atteint pas cette valeur ( c.a.d. d > 7 mm ou d < 5mm ), il convient de refaire l’essai avec une valeur différente du rapport E/C jusqu’à atteindre la valeur recherchée de la consistance.
Fig. 4.2: Appareil de Vicat muni de sa sonde de consistance
Fig. 4.3: Evolution de la consistance d’une pâte de ciment en fonction de E/C
Le graphique ci- dessous (fig 4.4) présente la composition volumique d'une pâte de ciment en fonction de E/C. Dans ce mélange, il existe trois parties: ciment, eau et air. On constate que le rapport E/C de 0,18 au-delà duquel l'augmentation du dosage en eau permet la fluidification du mélange correspond à une pâte à l'intérieur de laquelle il n'y a plus que très peu d'air occlus.
C'est d'ailleurs pour des valeurs de E/C supérieures à cette limite que le mélange a réellement l'aspect d'une pâte; auparavant il a plutôt l'aspect d'une poudre donc la cohésion croît quand le dosage en eau augmente.
Fig 4.4: Composition volumique d’une pâte de ciment en fonction de E/C
Fig. 4.5: Grains de ciment reliés entre eux par des ménisques capillaires
En effet, la présence d'air et d'eau dans la pâte conduit à l'apparition de ménisques capillaires qui solidarisent les grains de ciment entre eux (fig 4.5). En l'absence d'eau (E/C = 0), il n'y a pas de tels ménisques; en absence d'air (dans l'essai considéré pour E/C ≈ 0,2) il y en a plus; entre ces deux valeurs extrêmes de E/C la cohésion passe par un maximum pour E/C ≈ 0,18 qui correspond à l'influence maximum des forces de capillarité. Pour E/C > 0,18, l'augmentation de la quantité d'eau contribue à éloigner les grains de ciment les uns des autres et donc à fluidifier le mélange.
Fig 4.6: Influence de la nature de ciment et des adjuvants sur la consistance normalisée.
Caractéristiques de fluidité (Norme NF P 18-358)
En général, les pâtes de ciment entrant dans la composition des mortiers ou des bétons ont des consistances beaucoup plus fluides et donc des dosages en eau plus importants. Quant aux pâtes qui sont utilisées pures pour l’injection des câbles de précontrainte, elles sont encore plus fluides et appelées coulis. Pour tester la consistance de ces coulis, on utilise alors un autre appareillage: le cône d’écoulement.
Un coulis trop épais mettra plus de temps pour pénétrer dans la gaine et parcourir toute la longueur; de plus la pression d’injection à exercer risque d’être plus élevée. Un coulis trop fluide risque de s'agréger (ressuage important). La fluidité se mesure habituellement à l’aide d’un cône de Marsh de 1875 cm3. On chronomètre le temps mis par un litre de coulis pour passer au travers d’un ajutage calibré (orifice 10 mm de diamètre et 60 mm de longueur). Plus l’écoulement sera rapide et plus le coulis sera réputé être fluide.
La figure 4.7 donne les dimensions du cône utilisé. L’essai s’effectue sur 3 échantillons. Si t0 est l’instant d’achèvement de la confection du coulis, les mesures de fluidité se font à: t0 ; t0 + 15 minutes et t0 + 30 minutes, (on malaxe que 30 secondes le coulis qui est protégé pendant son attente de toute évaporation).
Le temps d’écoulement doit être inférieur à 25 secondes et se maintenir constant pendant les 15 minutes qui suivent la fabrication du coulis.
Fig. 4.7: Dimension du cône de Marsh (cône d’écoulement).
Caractéristiques de stabilité (Norme NF P 18-359)
L’essai consiste à mesurer la quantité d’eau qui ressue à la surface du coulis hydraulique laissé au repos et à l’abri de toute évaporation.
L’exsudation du coulis doit être réduite. La mesure s’effectue à l’aide d’une éprouvette en verre de 25 mm de diamètre, de 25 mm de hauteur, que l’on remplit jusqu’à une graduation comprise entre 95 et 100. Cette éprouvette est recouverte afin d’éviter toute évaporation. Les directives actuelles précisent que, dans ces conditions, la quantité d’eau exsudée à la surface du coulis, maintenue au repos pendant trois heures, ne devra pas être supérieure à 2 % du volume de coulis. Cette eau devra, de plus, être complètement réabsorbée 24 h après.
Autres caractéristiques
La réduction d’eau (par rapport au témoin) doit être supérieure ou égale à 5 %.
Les résistances mécaniques (Norme NF P 18-360): doivent être suffisantes en compression et en traction par flexion. Pour les coulis dont la teneur en eau varie 34 à 37 %, les résistances en compression s’échelonnent généralement de 500 à 600 daN/ cm2. Les résistances peuvent être abaissées dans le cas d’addition de certains produits destinés à améliorer l’injectabilité ou l’addition d’agents expansifs.
Les résistances peuvent, par contre, être améliorées grâce à un puissant malaxage du coulis (par haute turbulence, par exemple). Les directives actuelles demandent les résistances minimales suivantes à 28 jours (conservation des prismes de pâte pure de 4 x 4 x 16 cm à 20 °C dans des sacs étanches): 4 MPa en traction par flexion, 30 MPa en compression.
Le temps de prise (Norme NF P 18-362): compte tenue de la température ambiante, le coulis ne devra pas faire prise trop tôt (risque d’obturation des gaines), ni trop tard (risque d’exsudation). Les temps de prise sont mesurés à trois températures différentes: 5, 20 et 30 °C.
Par temps chaud, le début de prise déterminé à 30 °C devra être supérieur à 3 h. Par temps froid, la fin de prise déterminée à 5 °C devra être inférieure à 24 h (au-delà, le risque de gel du coulis devient important).
Le retrait (Norme NF P 15- 361): Il est mesuré sur prismes de 4 x 4 x 16 cm, conservés à 20 °C et à 50,5 % d’humidité relative. il doit être à 28 jours inférieur de 2800 microns/mètre.