Chapitre I : Les ciments I. Généralités - Chimie du ciment anhydre → Ciments courants : norme NF EN 197-1 → Définition du ciment courant: Ciment = liant hydraulique (⇔ matière inorganique finement moulue qui gâchée avec de l’eau forme une pâte qui fait prise et durcit par suite des réactions et processus d’hydratation). clinker Portland + autres → Les ciments courants = cli cons constititu tuan ants ts + cons constititu tuan ants ts seco second ndai aire ress (< (<5% 5%)) (don (dontt le sulfate de calcium régulateur de prise). → Les constituants du ciment anhydre : • Silicate bicalcique (bélite) : β-C2S • Silicate tricalcique (alite) : C3S • Aluminate tricalcique : C3A • Aluminoferrite tétracalcique : C4AF • Sulfate de calcium (anhydrite) : CS → Notation de la chimie des ciments : Chimie des ciments ↔ oxydes ⇒ abréviations : C=CaO F=Fe2O3 S=SiO2 H=H2O A=Al2O3 S=SO3 → Formules de Bogue modifiées : permettent à partir de la composition chimique du ciment de déterminer les teneurs en anhydres (C2S, C3S, ….).
II. La fabrication du ciment 1) Les matières premières : → Constituant principal du ciment = clinker obtenu à partir de la cuisson du cru = calcaire (≈80%) et d’argile (≈20%) à 1450°C. Compositions chimiques usuelles des matières → Co premières et du cru : Tab. I.1 : Compositions Compositions chimiques usuelles usuelles des matières matières premières et du cru
SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO S SO3 Perte au feu K2O Na2O Total CaCO3
Argile gile 60.5 17.8 6.8 1.6 3.1 0.2 6.7 2.6 0.7 100
Calca lcaire Cru type type 2.2 14.3 1.1 3.0 1.1 3.0 52.7 44.4 0.7 0.6 <0.1 <0.1 0.1 42.4 35.9 0.3 0.5 0.1 0.1 100.6 101.9 94.1 79.3
2) Les procédés : → Extraction et concassage : • matières premières extraites de carrières généralement à ciel ouvert, • concassées en éléments de dimension maxi 50 mm.
→ Préparation du cru : • matières premières intimement mélangées dans des proportions définies, • des corrections peuvent être faites en incorporant de faible quantité d’aluminium, de fer, … selon les besoins. → Mélange du cru : 4 techniques : voies sèche, semisèche, semi-humide et humide.
c omportent nt → Cuisson du cru : Les installations de cuisson comporte 2 parties : • Un échangeur de chaleur dans lequel le cru progresse jusqu’à l’entrée du four et se réchauffe au contact des gaz chauds sortant des fours (CaCO 3 se décarbonate en partie). • Un four horizontal rotatif cylindrique de 60 à 90 m de long et de 4 à 5 de diamètre. La température maximale maximale 1450°C ). Le atteinte (zone de clinkérisation est de 14 temps de parcours est d’environ 1h. Attention : 2 facteurs très importants : • la températ température ure attein atteinte te : au moins moins de de 1450° 1450°C, • le refroidissement brusque à la sortie du four (évite la transformation de C3S en C2S)
Fig. I.1 : Evolution des températures températures à l’intérieur du four et formation des minéraux
Fig. I.2 : Diagramme de mélange CaO-SiO 2
→ Broyage du clinker : Refroidissement brusque de la matière ⇒ formation de granules ⇒ broyage fin (on ajoute souvent le sulfate de calcium avant le broyage pour avoir un matériau fini homogène). → Ajout d’autres constituants pour fabriquer différents types de ciment.
Fig. I.3 : Fabrication du ciment
La grave de peille (Vicat) : Usine ancienne (1970) 3000 t/j
Hall de stockage du clinker
Tuyère+flamme (20m)
2000°C 1450°C
Four: φ=5m - 90m de long
900°C 90
Tour cyclone
Refroidisseur à grilles
1 grain de clinker
3) L’énergie L’énergie et l’impact sur l’environnement → Cimenteries : 2 caractéristiques importantes : • 1450°C : besoin besoin important important d’énergie d’énergie ⇒ coût élevé du ciment (consommation importante de combustible) c ombustible) • Pollution : émission de CO2 Combustibles : importance des com combustibles de → Com substitution (recyclage des déchets combustibles) (environ 30% des combustibles utilisés) → Emissions des gaz à effet de serre (CO2): • En France : cimenterie responsable d’environ 4% production CO2 • Le CO2 émis par un four de cimenterie provient des combustibles (1/3) et de la décarbonatation du calcaire (2/3).: → Objectif des cimentiers : réduire de 28.6% les émissions de 1990 à 2010. 4) Les sites de fabrication en France → 4 sociétés sociétés cimentière cimentièress : sites industriel industrielss • Lafarge 1/3 marché Lafarge ciments 12 3 Lafarge aluminates 1/3 marché • Calcia 11 1/3 marché • Holcim 6 • Vicat 7
33 cimenteries, 6 centres de broyage.
III. La norme NF EN 197-1 : les ciments courants 1) Les constituants a) Les constituants principaux
Le clinker Portland (K) : → Matériau hydraulique. Le laitier granulé (vitrifié) de haut fourneau (S): → Sous-produits de la fabrication de l’acier (fusion des stériles présents dans le minerai de fer). → Matériau hydraulique mais durcissement très lent ⇒ utilisations d’activants (bases fortes (chaux) ou de sulfates de calcium). Les pouzzolanes naturelles (Z) ou naturelles calcinées (Q) : → Ce sont des substances d’origine volcanique ou bien des roches sédimentaires ou des argiles et des schistes expansés thermiquement. → Pouzzolaniques = durcissent en présence de Ca(OH) 2 dissous dans l’eau. Les cendres volantes de centrales thermiques : → Obtenues par le dépoussiérage des gaz des chaudières alimentées au charbon pulvérisé. →2 types : • les cendres volantes siliceuses (V) : pouzzolaniques, • les cendres volantes calciques (W) : hydrauliques et/ou pouzzolaniques mais problèmes de gonflement (CaO et sulfate).
Les calcaires (L, LL) : → « Inertes » obtenues par broyage de roches calcaires. Les schistes calcinés (T) : → Hydrauliques et pouzzolaniques mais problème de gonflement (présence de CaO). Les fumées de silice (D) : → Dépoussiérage des fumées de fours élaborant du silicium ou des alliages tels que le ferro-silicium. → Pouzzolanique. → Granularité très fine, comprise entre 0.01 µm et quelques µm (D50≈0.2 µm). b) Les constituants secondaires (<5%)
→ Matériaux minéraux naturels, → Du sulfate de calcium qui doit être ajouté en faible quantité en vue de réguler la prise du ciment. c) Les additifs
→ Constituants ajoutés pour améliorer la fabrication ou les propriétés du ciment (agents de mouture, pigments, …) → Teneur < 1% en masse (exception faite des pigments).
2) Les compositions des ciments → 27 types de ciments courants séparés en 5 catégories : • CEM I : Ciment Portland : 1 • CEM II : Ciment Portland composé : 19 • CEM III : Ciment de haut fourneau : 3 • CEM IV : Ciment pouzzolanique : 2 • CEM V : Ciment composé : 2
Tab. I.2: Composition des ciments courants
3) Les caractéristiques des ciments a) Classes de résistance et exigences physiques
→ 3 classes : 32,5 / 42,5 / 52,5 = résistances minimales caractéristiques à la compression obtenues mesurées à 28j sur mortier normalisé (1/3, E/C=0.5). → Résistances à court terme : 2 et 7 jours : 2 classes : • Résistance à court terme ORDINAIRE : N • Résistance à court terme ÉLEVÉE : R Tab. I.3 : Classes de résistance des ciments courants
b) Exigences chimiques
→ Perte au feu : ≤ 5 % → Résidu insoluble : ≤ 5 % → Sulfate : ≤ 3,5 % / 4 % → Chlorure : ≤ 0,10 %
CEM I / CEM III CEM I / CEM III Tous types Tous types
4) Caractéristiques complémentaires • Travaux à la mer (PM): teneur en C3A < 8%, • Travaux en eaux à hautes teneurs en sulfate (ES) : teneur en C3A < à 5%, • Faible chaleur d’hydratation et teneur en sulfures limitée (CP) (Ciments demandés en France pour les constructions en béton précontraint).
5) Désignations des ciments courants Famille de ciment courant
Nature des constituants autres que le clinker
Les 2 classes de résistance à court terme Caractéristiques (2 ou 7 jours) complémentaires R ou N PM/ES/CP1/CP2
CEM II / A – LL 32,5 R CE PM/ES NF Les classes de composition (les lettres A/B ou C précisent la teneur en clinker)
Notation CE
Les 3 classes de résistance courante (28 j) 32,5-42,5-52,5
Notation NF précisant que ce ciment est certifié conforme à la marque NF
IV. Les ciments spéciaux 1) Le ciment prompt naturel (Vicat) → Obtenu par cuisson à température modérée (10001200°C) d’un calcaire argileux , → Début de prise très rapide (<4 minutes sur pâte), → Développement rapide des résistances 10MPa à 24h mais résistances à 28j faibles (19MPa), → Utilisations : travaux de scellements, de réparation, …. 2) Le ciment alumineux fondu → Obtenu par cuisson jusqu’à fusion d’un mélange composé principalement d’alumine, de chaux, d’oxydes de fer et de silice, → Principal constituant : aluminate monocalcique (CA), → Début de prise normal (1h30) mais développement rapide des résistances (30 MPa à 6h) ⇒ chaleur d’hydratation élevée, → Pas de formation de Ca(OH) 2 lors de l’hydratation ⇒ très bonne résistance aux eaux agressives (acides notamment) , → Utilisations : • scellements, • bétonnage par temps froid, • ouvrages en milieux agressifs (agricoles, assainissement), • bétons réfractaires.
3) Le ciment de haut fourneau et à faible résistance à court terme → Idem ciments courants mais processus d’hydratation ralenti à court terme et chaleur d’hydratation faible ⇒ désignation spécifique dans une norme spéciale : NF EN 197-4 → Classes de résistances particulières notées L : Tab. I.4 : Classes de résistance particulières notées L
Résistance à la compression - MPa Temps Stabilité de début Classe de Résistance à Résistance (expansion) de prise résistance court terme courante mm min 2 jours 7 jours 28 jours 32,5 L 42,5 L 52,5 L
≥ 12,0 ≥ 16,0
≥ 32,5 ≥ 42,5
≤ 52,5 ≤ 62,5
≥75 ≥60
≥ 10,0
≥ 52,5
≥ 45
≤ 10
→ Chaleur d’hydratation < 270 J/g : LH → Exemple : Ciment HF à faible résistance à court terme (L) et à faible chaleur d’hydratation (LH) CEM III/B 32.5 L-LH
4) Le ciment blanc → La teinte blanche est obtenue grâce à des matières premières très pures (calcaires et kaolin) (pas de trace d’oxydes de fer), → Utilisations : bétons apparents architectoniques et décoratifs
Chapitre II : L’eau I. Le rôle de l’eau dans les bétons → Bivalence particulière de l’eau dans le béton = • Nécessaire pour l’hydratation du ciment + • Donne au béton une consistance suffisamment fluide pour qu’il puisse être utilisé. • Départ de l’eau en excès ⇒ présence de vides dans le béton durci (porosité) ⇒ 2 conséquences majeures : diminution des résistances mécaniques des bétons détérioration de leur durabilité car les bétons, plus poreux (donc plus perméables), sont plus accessibles aux agents extérieurs agressifs. → Remarque : Pour hydrater 100 kg de ciment, 25 litres d’eau sont nécessaires (E/C=0.25) or E/C mis en œuvre pour des bétons classiques classiquement >> 0.5 (0.6-0.7) quantité d’eau ajoutée est toujours très ⇒ la supérieure à la quantité nécessaire à l’hydratation du ciment. → Il faut distinguer : • l’eau ajoutée, • l’eau totale = eau ajoutée + eau des granulats • l’eau efficace = eau totale – eau absorbée par les granulats
II. Exigences requises pour les eaux de gâchage : NF EN 1008 → Classification des types d’eau :
• Eau potable : ok : aucun essai • Eau récupérée de la fabrication des bétons • Eaux d’origine souterraine essais • Eaux naturelles de surface ou de rejet industrielles • Eau de mer : peut être utilisée pour la production de béton non armé mais pas pour le BA ou le BP (teneur en chlorures). • Eaux usées : non
→ La norme préconise 3 types d’exigence : Exigences sensoriels : • traces visibles d’huile, de mousse, (les organiques en général réduisent la résistance des bétons)… • matières en suspension importantes, • couleur • odeur.
Exigences chimiques : Teneurs limitées pour certains éléments indésirables : • les chlorures (incompatibles avec la confection de BA car amorce la corrosion des armatures), • les sulfates (risque de formation d’ettringite secondaire gonflante), • les alcalins (risques d’alcali-réaction) • les sucres, • les sels de plomb et de zinc, Retardateurs de prise • les phosphates et les nitrates. et de durcissement Exigences mécaniques : • Temps de début de prise : ne doit pas être < de 1h et ne doit pas s’écarter de + de 25% par rapport au même essai avec de l’eau distillée.
• Temps de fin de prise : ne doit pas être > de 12h et ne doit pas s’écarter de + de 25% par rapport au même essai avec de l’eau distillée. • Résistance en compression à 7j (béton ou mortier): doit atteindre au moins 90% des résistances obtenues avec de l’eau distillée.
Chapitre III : Les granulats → ≈ 70% du volume du béton
I. Généralités → Nature : origine géologique (roches meubles siliceuses, calcaires massifs, roches métamorphiques ou éruptives (basaltes))… → La masse volumique réelle de ces granulats est comprise entre 2,5 et 2,9 g/cm3. → Elaboration : Granulats Obtenus par A partir de
Roulés
Concassés
Criblage Lavage
Matériaux alluvionnaires
Concassage Criblage Lavage
Roches éruptives Sédimentaires Métamorphiques
→ Autres granulats : • légers : Argile expansée, pouzzolane, • lourds : Barytes, hématites, laitiers, • matériaux de recyclage : Granulats à base de matériaux recyclés (bétons, briques, …), • polystyrène, copeaux de bois ...
II. Critères de qualité pour les granulats à béton (NF EN 12620)
1) Caractéristiques géométriques → Granularité : 4 familles de granulats sont définies. Par ordre croissant de taille on trouve : les fillers, les sables, les gravillons et les graves. Objectif béton : squelette granulaire le plus compact possible. → Forme : coefficient d’aplatissement : quantité d’éléments plats et allongés. Objectif béton : mauvaise forme nuit à la maniabilité du béton. → Teneur en fines (< 63 µm) : Objectif béton :
• état frais : augmente la demande en eau (-) mais améliore la cohésion du mélange (+ (BAP)). • état durci : comblent la porosité (++) ⇒ porosité ↓, résistance ↑ et perméabilité ↓ (→ durabilité ↑).
2) Caractéristiques physico-chimiques → Masses volumiques : apparente (ou en vrac), réelle et absolue. Objectif béton : ⇒ porosité des granulats : des granulats poreux augmentent la demande en eau des bétons en absorbant une partie de l’eau de gâchage.
→ Propreté : assure l’absence de 2 éléments indésirables dans le béton : les matières organiques et les argiles. Objectif béton : éviter : • les matières organiques : risque de perturbation de la prise, de chute des résistances et de tâches sur les parements • les argiles : absorbent une partie de l’eau de gâchage ce qui entraîne des problèmes de consistance. → Sensibilité au gel : Le critère de non-gélivité des granulats dépend principalement : • du coefficient d’absorption d’eau des granulats • ainsi que de leur résistance mécanique LA. Objectif béton : gélivité des granulats : • peu d’influence sur la stabilité au gel des bétons • par contre, influence importante sur la résistance à l’écaillage des bétons soumis au gel en présence de sels fondants. → Éléments chimiques nocifs : limites sur la teneur de certains éléments. Les principaux : chlorures et sulfates (et sulfures). Objectif béton : éviter la présence de : • sulfates : risque de gonflement (ettringite secondaire), • chlorures : corrosion du béton armé, • silice réactive : risque de gonflement (alcali-réaction).
3) Caractéristiques mécaniques → Résistances à la fragmentation (Los Angeles) : ne doit pas être trop faible pour éviter des risques d’évolution de granularité durant les phases de transport et de malaxage. Objectif béton : la résistance des granulats intervient peu sur les caractéristiques des bétons (sauf pour les BHP). → Résistance à l’usure : s’exprime par la mesure du coefficient Micro-Deval (dureté). → Résistance au polissage et à l’abrasion : Objectif béton : requise pour les gravillons utilisés pour les couches de roulement.
Chapitre IV : Les adjuvants → Norme sur les adjuvants pour béton, mortier et coulis : NF EN 934-2. → Adjuvant = produit dont l’incorporation à faible dose dans le béton lors du malaxage modifie certaines propriétés du béton, à l’état frais ou à l’état durci → « faible dose » = dosages inférieurs à 5% (par rapport à la masse de ciment). → On peut classer les adjuvants en 3 grandes catégories : • modificateurs de maniabilité (plastifiant/réducteur d’eau, superplastifiant/haut réducteur d’eau), • modificateurs de prise ou de durcissement (accélérateur de prise ou de durcissement, retardateur de prise), • modificateurs de certaines propriétés du béton (entraîneur d’air, hydrofuge de masse, rétenteur d’eau).
I. Les plastifiants/réducteurs d’eau Remarque: même activité pour les plastifiants et les superplastifiants mais plus intense (d’où le terme « super »).
Définition et utilisation : Réducteur d’eau : à même ouvrabilité, il conduit à une augmentation des résistances mécaniques par une réduction de la teneur en eau. Plastifiant : introduit dans un béton, un mortier ou un coulis, il a pour fonction principale de provoquer un fort accroissement de l’ouvrabilité du mélange. Nature et mécanismes d’action : → Les plus anciens : • polynaphtalène sulfonate (PNS), • polymélamine sulfonate (PMS), • lignosulfonate (LS). → Les plus récents : • polycarboxylate (PC), • polyacrylate (PA), • polyoxyéthylène (POE). Eau
Ciment
Etat dispersé du ciment
+ =
Flocs
Ajout de superplastifiant
Surface Hydratée Grain de ciment
⇒
Meilleure hydratation
Mode d’action
Suspension d’eau et de grains de ciment
Même suspension après ajout de 0,5 % d’adjuvant
(-) (-) (-) (-)
(-) (-) (-) (-)
Répulsion électrostatique
Encombrement stérique
Effets secondaires possibles : Il peut arriver qu’il y ait selon le ciment utilisé une incompatibilité ciment/plastifiant qui accroît les effets secondaires. Les effets secondaires que l’on rencontre le plus souvent sont : • perturbations de la prise liée ou non à la perte d’efficacité rapide du plastifiant, • entraînement d’air au moment du malaxage.
II. Les accélérateurs de prise → Définition et utilisation : Accélérateurs de prise : accélèrent la prise du ciment (réduction des temps de début et de fin de prise). En particulier, ils permettent de maintenir un temps de prise raisonnable par temps froid. Accélérateurs de durcissement : accélèrent le développement de la résistance du béton à court terme (utilisé par exemple pour le béton préfabriqué ou le béton précontraint (mise en tension dans le cas de BP par posttension).) → Nature des adjuvants et mécanismes d’action : Ce sont des sels de calcium qui vont accélérer les processus d’hydratation du ciment. Remarque: en France, seul les accélérateurs de prise sans chlore sont normalisés (BA et BP).
Accélérateurs de prise / de durcissement Accélérateur de durcissement
s e c n a t s i s é R
Accélérateur de prise
Béton témoin Fin de prise
Début de prise Début de prise
0
1h 1h30 2h
3h 3h30 4h
Fin de prise
5h
6h
Temps
→ Effets secondaires possibles : les accélérateurs de prise et de durcissement augmentent les résistances aux jeunes âges mais on observe le plus souvent une légère diminution des résistances à 28j.
III. Les retardateurs de prise → Définition et utilisation : Ils retardent la prise du ciment (augmentation des temps de début et de fin de prise). Ils servent à augmenter la DPU du béton (Durée Pratique d’Utilisation = temps de transport et de mise en œuvre du béton frais). → Nature des adjuvants et mécanismes d’action : Ce sont généralement des molécules organiques comme les sucres ou des électrolytes faibles (acides hydroxycarboxyliques (RCOOH), fluorures (NaF) et les phosphates (Na3PO4, Na4P2O7)).
Ils réagissent chimiquement avec les grains de ciment : → dans certains cas, formation de complexes peu solubles autour des grains anhydres qui gênent ou stoppent leur hydratation (cœur anhydre inaccessible). → dans d’autres cas, c’est la précipitation des hydrates qui est gênée. IV. Les entraineurs d’air → Définition et utilisation : Ils permettent la formation, au cours du malaxage, d’un réseau uniforme de petites bulles d’air qui subsiste dans le béton durci. Ce réseau de bulle permet au béton de résister au cycles de gel/dégel.
→ Nature des adjuvants et mécanismes d’action : Ce sont des tensio-actifs tels que les acides gras ou les alkyls sulfonates. Ces adjuvants ont pour rôle de stabiliser les bulles d’air formées au cous du malaxage (ils ne les créent pas).
Résultats observés
Sans Entraîneur d’air
Eau Gelée
L'eau en gelant voit son volume augmenter de 9% créant des désordres dans le béton.
Avec Entraîneur d’air
Eau Gelée
Eau Gelée
Bulles d’air entraîné jouant le rôle de vase d’expansion
V. Les hydrofuges de masse → Définition et utilisation : Adjuvants qui permettent de limiter la pénétration de l’eau dans les pores et les capillaires du béton.
Sans Hydrofuge
Avec Hydrofuge
VI. Les rétenteurs d’eau → Définition et utilisation : Réduisent le départ de l’eau par ressuage. De plus, il augmente l’homogénéité et la stabilité du mélange
Chapitre V : Les additions minérales I Modes d’introduction et type d’addition → L’incorporation des additions minérales dans le béton peut se faire à 3 niveaux : • en cimenterie : introduction dans le cru du ciment pour corriger la composition du cru (ex. : utilisation des cendres volantes comme source d’alumine), • en cimenterie : mélangées au clinker pour obtenir des ciments composés, • dans la bétonnière en remplacement d’une partie du ciment. → La norme NF EN 206-1 sur les bétons définit 2 types d’additions minérales : • les additions quasiment inertes (de Type I) • les additions à caractère pouzzolanique ou hydraulique latent (de Type II). → Les additions normalisées admises dans le béton en substitution du ciment CPA-CEMI (95% de clinker) sont : • les laitiers vitrifiés moulus de haut-fourneau, • les cendres volantes de houille (V), • les additions calcaires, • les fumées de silice, • les fillers siliceux.
II. La notion de liant équivalent → Le liant équivalent est constitué de ciment CEM I et d’additions normalisées. La quantité de liant équivalent est définie par : L = C + kA avec C : quantité de ciment CEM I (kg/m3 de béton) A : quantité d’addition (kg/m3 de béton) k : coefficient de prise en compte → L’indice d’activité i28 = Rc28j (mortier contenant 75% ciment + 25% d’addition) / Rc 28j (mortier contenant 100% ciment). On montre (formule de Bolomey) que k=3i-2.
Valeurs de k (selon la norme NF EN 206-1) : laitiers vitrifiés de hauts fourneaux (classe B) : k =0.9 cendres volantes de houille : 0.4
Il provient de l’augmentation de compacité du squelette granulaire par remplissage des vides entre les granulats.
→ Pouzzolanicité: la réaction pouzzolanique est une réaction chimique entre la silice provenant de l’addition minérale et l’hydroxyde de calcium (Ca(OH) 2) produit par l’hydratation du ciment. Cette réaction est lente (peut être mise en évidence par une augmentation de l’indice d’activité de l’addition entre 28 et 90 jours). → Effets physiques: effets encore mal connus. Théories les plus avancées: • les additions minérales accéléreraient l’hydratation du ciment en offrant de sites de germination et de croissance pour les hydrates formés. • la présence des additions inertes chimiquement pourrait servir de « ponts » aux hydrates formés et ainsi accroître les résistances mécaniques du béton durci.
Chapitre VI : Evolutions de la pâte de ciment I L’hydratation du ciment Portland → Rappels : les constituants du ciment anhydre • Silicate bicalcique (bélite) : β-C2S • Silicate tricalcique (alite) : C 3S • Aluminate tricalcique : C 3A • Aluminoferrite tétracalcique : C4AF • Sulfate de calcium (anhydrite) : CS → Remarque : les formules de Bogue : voir poly → Notation des principaux hydrates formés lors de l’hydratation du ciment : • Hydroxyde de calcium (Portlandite) : CH • Silicates de calcium hydratés : C-S-H. • Aluminate monocalcique hydraté : CAH10 • Aluminate tricalcique hydraté : C3AH6 • Ettringite : C6AS3H32
1) Hydratation du C3S (hydratation des silicates) → Produits d’hydratation : • Portlandite : • cristallisée en formes de plaquettes (système hexagonal), • densité ≈ 2.25, faible surface spécifique (compacte), • solubilité dans l’eau = 1.2 g/l à 20°C, • 20 à 25% de la pâte de ciment hydratée.
2 points importants : - solubilité importante - pH élevé (en solution saturée, pH=12.45). • C-S-H : • gel très peu cristallisé, • composition très variable (1.5
→ Cinétique d’hydratation (voir poly) • Période initiale (ou de gâchage) : • dissolution superficielle du C3S ⇒ ions silicates H2SiO42-, OH-, Ca2+, • au bout de quelques secondes, la solution devient sursaturée par rapport aux CSH (C/S≈1) qui précipitent rapidement. • Période dormante : Pendant quelques heures les réactions vont se poursuivre lentement : la consommation d’eau et la quantité des hydrates formés sont très faibles, le béton reste maniable.
La solution devient de plus en plus sursaturée par rapport à la portlandite : ⇒ « gâchette chimique » = précipitation de la portlandite ⇒ effet de pompe à calcium à la surface des grains qui va accélérer leur dissolution ⇒ modifications dans la pâte de ciment : • formation rapide de CSH (C/S≈2), • augmentation du flux thermique, • formation de cristaux qui va générer des liaisons ⇒ perte de maniabilité. • Période de prise : Les cristaux de portlandite et les fibres des CSH vont s’enchevêtrer et remplirent peu à peu les pores ⇒ le matériau devient plus dense et plus solide. La vitesse des réactions diminue à cause de la barrière d’hydrates qui entourent les grains anhydres.
• Période de durcissement : Au bout d’une dizaine d’heures, la couche d’hydrates autour des grains anhydres est suffisante pour diminuer la diffusion des ions et de l’eau mais l’hydratation se poursuit lentement pendant des années. Parallèlement, les résistances mécaniques augmentent de façon progressive mais de plus en plus lentement.
→ Hydratation du β β β β- C 2 S : Les mécanismes d’hydratation du β-C2S sont analogues à ceux du C3S. Les principales différences sont : • les réactions sont beaucoup plus lentes, • l’exothermicité est plus faible, • la quantité de CH formée par mole d’anhydre est 3 fois plus faible.
2) Hydratation du C3A (hydratation des aluminates) → Produits d’hydratation : • Trisulfoaluminate (ettringite) : C3A, 3CaSO4, 32H2O • hexagonal en aiguille (« oursins »), • instable à température moyenne (commence à se déshydrater vers 50-60°C), • expansif (problème de gonflement lors de la formation d’ettringite secondaire). • Monosulfoaluminate : C3A, CaSO4, 12H2O • hexagonal sous forme de plaquettes (roses des sables ≠ portlandite), • ne se forme que si la concentration en sulfates est faible. → Cinétique d’hydratation (voir poly) • Période initiale (ou de gâchage) : Dissolution : C3A + 2H2O → 3Ca2+ + 2AlO2- + 4OHCaSO4,2H2O → Ca2+ + SO42- + 2H2O → Formation d’ettringite : C3A + 3 CaSO4,2H2O + 26H2O → C3A, 3CaSO4, 32H2O + Q • Période de ralentissement : • L’ettringite continue de se former, les réactions étant plus lentes → raidissement de la pâte, • à partir de ce moment, le gypse est inutile car la pâte est durcie.
L’ettringite est stable si la concentration en sulfates est suffisamment élevée, dans le cas contraire, elle se décompose en monosulfoaluminate.
→ Remarque : hydratation en l’absence de sulfate : En l’absence de sulfate : C3A + 6H2O → C3AH6 + Q avec Q très élevé (865 J/g). Réaction très rapide : « prise éclair » ⇒ ajout des sulfates de calcium qui vont réagir avec le C A 3 pour former de l’ettringite mais de façon moins brusque. ⇒ d’où l’expression utilisée de «régulateurs de prise ». → Hydratation du C 4 AF : Réactions comparables avec celles qui se produisent avec le C3A MAIS • vitesses de réaction beaucoup plus lentes • produits d’hydratation qui contiennent du Fe 2O3.
II Les changements externes de la pâte de ciment 1) Variation dimensionnelle → L’hydratation du ciment s’accompagne d’une diminution de volume absolu total appelée «contraction de Le Chatelier». → Cette variation de volume d’environ 9 à 10% s’explique par le fait que le volume des hydrates est inférieur au volume des constituants (anhydre + eau).
2) Variation de consistance → La formation des hydrates au cours du temps rigidifie la pâte de ciment. → La mesure des temps de début et de fin de prise est normalisée et se fait avec l’appareil de Vicat: • Principe : mesure de l’enfoncement d’une aiguille de diamètre donné dans la pâte de ciment. • Il est possible avec cet appareil de suivre la variation de consistance des pâtes de ciment par le calcul d’un seuil de cisaillement τ. En effet, si l’on néglige l’effet de pointe : τ =
P
π ⋅ D ⋅ x
avec P le poids de la sonde, D son diamètre et x l’enfoncement de la sonde dans la pâte.
→ Raidissements anormaux : • Incompatibilité adjuvant/ciment = perte rapide de l’efficacité de l’adjuvant, • Fausse prise : formation de gypse si le sulfate est sous forme d’hémihydrate (CaSO4,1/2H2O). • Prise éclair : si la quantité de sulfate est insuffisante, le C3A s’hydrate rapidement. → Paramètres principaux influençant les cinétiques de prise :
• Surface spécifique du ciment ↑ ⇒ ↑ vitesse de prise • Température ↑ ⇒ ↑ vitesse de prise • Quantité d’eau de gâchage ↑ ⇒ ↓ vitesse de prise • Teneur en C3A et en sulfate et type de sulfate. 3) Échauffement → Les réactions d’hydratation sont exothermiques. Les chaleurs d’hydratation sont propres à chaque constituant. Ordres de grandeur : Chaleur d’hydratation au bout de 6 mois : C2S ≈ 250 J/g C3S ≈ 500 J/g C3A ≈ 850 J/g C4AF ≈ 300 J/g → Conséquence : échauffement global du béton (non négligeable : + 50 C dans des pièces massives pour des ciments très exothermiques !) °
→ Une des conséquences de cet échauffement est un retrait des bétons aux jeunes âges (« retrait thermique »)
II La pâte de ciment durcie 1) Porosité de la pâte de ciment durcie → Le modèle le plus utilisé pour étudier la structuration des pâtes de ciment vieillissantes est le modèle de Powers (1958).
Fig. VI.4 : Composition volumique d’une pâte de ciment hydraté sans apport d’eau extérieure pour un temps de durcissement très long (Powers)
→ L’analyse porosimétrique d’une pâte de ciment (rapport E/C>0.42) fait apparaître 2 familles de pores : • les pores capillaires de plus grande taille, • les pores du gel hydraté (CSH).
Fig. VI.5 : Mise en évidence par porosimétrie mercure de la porosité capillaire et de celle des hydrates
→ La porosité capillaire correspond aux vestiges des vides intergranulaires (espaces entre les grains de ciment non comblés par les hydrates).
La dimension de ces pores est de l’ordre du µm. → Les pores du gel hydraté (CSH) représentent environ 26% du volume du gel.
Ces pores ont une dimension inférieure à qqs dizaines de nm (ordre de grandeur = qqs molécules d’eau).
→ Evolution de la porosité capillaire au cours du temps:
Fig. VI.6 : Développement progressif des hydrates dans une pâte de ciment
Au cours de l’hydratation, les espaces intergranulaires sont progressivement comblés par les hydrates. ⇒
→ Evolution de la porosité capillaire et des pores des hydrates en fonction du rapport E/C : E/C 0,9 0,8 0,7 0,6
0,5 0,4 0,3
Fig. VI.7 : Influence du rapport E/C sur l’évolution porosimétrique de ciment Portland âgé de 28 jours
Plus E/C est élevé, plus : • le volume cumulé des pores est important (porosité importante), • le taille maximale des pores est importante. ⇒ Diminution des résistances mécaniques et augmentation de la perméabilité des bétons (diminution de leur durabilité).
⇒
2) Influence des conditions d’hydratation → Conservation avec ou sans apport d’eau externe:
Sans apport d’eau externe
Hydratée sous eau
Fig. VI.8 : Composition volumique de pâtes de ciment hydraté pour un temps de durcissement très long (Powers)
La conservation sous eau permet une hydratation plus complète et conduit ainsi à une densité volumique supérieure. ⇒
→ Influence d’une cure humide et de sa durée:
0.70 0.62 0.55 0.47 0.40
Fig. VI.9 : Influence de la durée de cure humide initiale sur la perméabilité à l’air de bétons gâchés à différente teneur en eau
L’augmentation de la durée de la cure humide conduit à une diminution de la perméabilité. ⇒
L’influence de la durée de cure est beaucoup plus importante pour des bétons à forts E/C. ⇒
3) Influence spécifique des granulats : l’auréole de transition → Au voisinage de l’interface pâte-granulat: effet de paroi ⇒ excès d’eau ⇒ augmentation de la porosité. 3
2
0
Fig. 6.9 : Modification de la structure porosimétrique par addition de sable à la pâte de ciment
→ La structuration de la pâte de ciment est donc modifiée sur qqs dizaines de µm = « auréole de transition » : • cristaux de plus grande dimension, • croissance orientée de la portlandite. → Auréole de transition = zone plus fragile et plus perméable dans les bétons intervenant dans la résistance mécanique et la durabilité.
Chapitre VII : La formulation des bétons → La confection d’un béton passe au minium par les étapes suivantes : • formuler le béton (choisir les matériaux constitutifs et les proportionner) en effectuant un calcul approché • réaliser une première gâchée d’essai en laboratoire, • ajuster cette première gâchée et étudier sa sensibilité en laboratoire (épreuve d’étude), • vérifier sa faisabilité sur chantier (épreuve de convenance).
I Formulation expérimentale (voir poly) → La formulation expérimentale la plus simple nécessite un récipient de volume connu et une balance . Cette méthode permet en outre de bien apprécier l’essence même du béton : Qu’est ce qu’un béton ? → C’est d’abord un arrangement granulaire le plus compact possible (pour simplifier, nous considérerons un mélange binaire gravillons + sable) collés entre eux par un liant. Le béton sera d’autant plus performant (mécaniquement et chimiquement) qu’il sera compact.
→ Pour formuler notre béton expérimental, nous allons procéder de la manière suivante : • Trouver les proportions optimales sable/gravillons pour avoir une porosité apparente mini, • Remplir le maximum de cette porosité avec du ciment, • Boucher les vides restants avec de l’eau. → Aspects pratiques : 1- Mesurer : • la masse volumique apparente des granulats : on remplit le récipient de volume connu et on mesure la masse, • la masse volumique réelle des granulats : on mesure l’augmentation du volume d’eau contenue dans récipient gradué (volume réel des granulats) lorsque que l’on ajoute une masse connue de granulats, • la porosité intergranulaire : p=1- ρv / ρr.
2- Faire des mélanges de différentes proportions de granulats et mesurer leur porosité intergranulaire. 3- Combler la porosité intergranulaire du mélange optimum avec du ciment : volume de ciment = p*Vapparent. 4- Mélanger les granulats et le ciment, recalculer la porosité intergranulaire du mélange et la combler avec de l’eau.
→ Avec cette méthode, on obtient le mélange granulats/liant/eau le plus compact possible. On constate que les proportions de chaque constituant sont proches de ce que l’on aurait pu trouver avec des méthodes de formulation basées sur le calcul et qu’il est possible de mettre en œuvre ce béton (même s’il est très sec). II Méthode de formulation : une approche synthétique → L’approche synthétique repose sur 3 hypothèses : • béton = arrangement granulaire le + compact possible, • après addition d’eau, maniabilité suffisante pour assurer le remplissage correct des coffrages et des ferraillages, • après durcissement, il doit acquérir une résistance (mécanique et/ou chimique) voulue. → Les objectifs d’une méthode de formulation reviennent à déterminer : A. la dimension du plus gros granulat (choix des classes de granulats), B. le dosage en eau à ajouter au mélange pour avoir une consistance donnée, C. le dosage en liant pour atteindre une résistance visée (mécanique et/ou chimique) : Attention : il faut vérifier les critères de la norme NF EN 206-1, D. le dosage des différents granulats utilisés, E. le volume de fines (et vérifier qu’il soit suffisant).
A. La détermination de D dépend du coffrage et du ferraillage. La valeur de D peut être définie à partir des dispositions constructives données dans la section 8 de l’Eurocode 2. B. Le dosage en eau efficace dépend de la consistance visée ainsi que de la forme et de la taille des granulats.
Des corrections sont apportées en fonction de la taille et de la forme des granulats (+10% si l’on emploie des granulats concassés).
D’autres corrections peuvent être apportées (température ambiante, utilisation d’adjuvants, durée pratique d’utilisation (DPU)).
C. Dosage en liant équivalent : le liant équivalent est déterminé en fonction de la résistance visée fcj (avec fcj=fck+ε MPa (avec ε compris entre 3 et 6 MPa)) à partir de la formule de Bolomey : f cj
avec
=
f mj ⋅ K b ⋅ (
C + kA E + v
−
0.5)
fmj : résistance du ciment au jour j (tableau G) Kb : facteur granulaire (tableau H) E et v : volume d’eau et d’air respectivement
ATTENTION : La norme NF EN 206-1 donne des valeurs limites à respecter en fonction de la classe d’environnement (résistance chimique) pour : • le rapport Eau efficace/Liant équivalent maxi, • le dosage minimal en ciment à respecter. Il convient donc de vérifier que la quantité de liant déterminée pour atteindre une résistance mécanique (Bolomey) soit supérieure à celle donnée par la norme.
D. Dosage des granulats : Le dosage des granulats se fait en deux étapes : • détermination du volume global de granulat : Vbéton = Vgranulats + Vliant + Veau + Vair. • détermination de la proportion de chaque granulat : cette méthode graphique est tirée de la méthode de formulation de Dreux.
Tracé de la courbe granulaire optimale B : x=D et y=100%. O : x=63µm et y=0%
A : x=D/2 et y=50-√D
Exemple de détermination graphique des proportions pour un mélange binaire (sable+gravillon)
→ Ms = point de la courbe granulométrique du sable pour un tamisat de 95%. mg = point de la courbe granulométrique du gravillon pour un tamisat de 5%. La proportion de sable et de gravillon correspond à l’ordonnée du point C, intersection de M smg et de la courbe granulaire optimale.
E. Volume de fines : la teneur en fines optimale est donnée par la relation : 220 3 V fines (l / m ) = 5 D → Selon les propriétés recherchées, cette teneur peut légèrement évoluer (cf tableau ci-après).
Volume de fines dans les bétons (en l/m 3) pour différentes valeurs de D
→ Remarque: fines = ciment + fines contenues dans le sable (environ 2%) + éventuellement additions minérales.
Remarque : une méthode de formulation très simple et qui donne de très bons bétons consiste à déterminer le dosage en liant équivalent, non pas pour atteindre une résistance visée, mais pour que le volume de fines soit suffisant.
Chapitre VIII : Le durcissement du béton → Le béton est un matériau vieillissant et visqueux. Son comportement mécanique dépendra donc du temps sous deux aspects : • l’âge du béton au moment de la mise en charge (caractère vieillissant), • la durée d’application de la charge (caractère visqueux). → L’étude du comportement mécanique des bétons durcis peut être scinder en 3 parties : • Durcissement et vieillissement du béton,
• Comportement mécanique à un âge donné sous chargement quasi instantané, • Comportement mécanique sous charge maintenue et de niveau constant (fluage et retrait).
Mécanique des bétons (E. Ringot)
→ Le durcissement du béton est fonction de plusieurs paramètres : le temps, la température, l’hygrométrie et la formulation.
I Influence du temps 80
69
69
67
70
63
60
54
) 50 a P M ( 40
36
c R 30 20 10 0 0
28
56
84
112
140
168
196
224
252
280
308
336
364
Age (jours)
Fig 8.1 : Résistance à la compression d’un mortier normalisé (CEM I 52.5R)
→ La vitesse de durcissement dépend de nombreux paramètres (type de ciment, adjuvants, cure, …) mais elle est toujours décélérée avec le temps. → En effet : les réactions d’hydratation ralentissent au cours du temps car les enveloppes d’hydrates qui se forment autour des grains anhydres sont de + en + épaisses ⇒ gênent la progression de l’eau vers le cœur anhydre.
II Influence couplée température/temps → Influence de la température sur le comportement du béton : • béton frais : le délai de maniabilité ↓ quand la T° ↑. ⇒ retardateur de prise pour bétonnage par temps chaud, ⇒ étuvage béton : permet la réduction des délais de décoffrage.
• béton durci : les résistances atteintes à long terme sont diminuées lorsque le béton à subi des températures élevées aux jeunes âges. → L’élévation de température lors de la prise et du durcissement conduit à un accroissement de la vitesse des réactions. → Plusieurs fonctions de maturité ont été proposées, l’une d’elle étant basée sur la loi d’Arrhénius : E a f (θ ) = A ⋅ exp − RT
A : constante de proportionnalité θ : température en °C T : température absolue en K Ea : énergie d’activation en J.mol -1 R : constante des gaz parfaits (8.314 J.mol -1.K-1) → Maturométrie : la maturité à l’âge réel (t) d’un béton subissant une histoire de température θ(t) peut être exprimée par un âge équivalent (te) défini pour une température de référence (θr) :
E a 1 1 dt t e 20 = ∫ exp − 0 R 293 (273 + θ te20 : âge équivalent correspondant à un mûrissement isotherme du béton à 20°C, θ : température du béton à l’instant t en °C, t : âge réel. t
Fig 8.2 : Illustration du calcul de l’âge équivalent par la fonction d’arrhénius pour un béton conservé à différentes températures
→ L’énergie d’activation est donnée dans des tables. Elle varie généralement de 30 à 55 kJ/mol. → Cette mesure d’âge équivalent est importante pour connaître la résistance « vraie » du béton dans l’ouvrage et ainsi optimiser les rotations de banche, les mises en précontrainte, …
III Degré hygrométrique et cure A retenir : → Un béton durcira d’autant moins vite que le milieu ambiant est sec
Les réactions chimiques d’hydratation et la structuration conséquente de la pâte sont pratiquement stoppées lorsque HR<75%. ⇒
→ Un béton acquiert une grande partie de sa résistance lorsqu’il est en condition humide (conservation dans l’eau ou cure) ⇒ nécessité d’une cure .
Fig 8.3 : Influence de l’humidité relative sur l’évolution des résistances d’un béton ordinaire (Price, 1951)
→ Une prolongation de cure permet une économie de ciment.
Fig 8.4 : Résistance en compression à un an d’un béton de CEM II 32.5 en fonction du dosage en ciment pour différentes durées de cure (DIAFAT, 1996)
⇒
On constate à peu près que 28j de cure ≡ 50 kg de ciment
→ Absence de cure aux jeunes âges ⇒ • ralentissement des réactions d’hydratation, • un retrait de dessiccation important du béton qui peut aller jusqu’à sa fissuration.
IV Influence de la formulation → La teneur en ciment et en eau : Les résistances peuvent être déterminées par des formules empiriques : Bolomey :
C + kA f c = k b ⋅ f m ⋅ − 0 .5 E + v
fc: résistance du béton à l’échéance considérée, kb : coefficient (dépend principalement des granulats), fm: résistance normale du ciment à la même échéance, C, E, A : masses de ciment, d’eau et d’addition minérale (kg/m3), k : coefficient de prise en compte de l’addition minérale, v : volume d’air exprimé en masse du volume d’eau équivalent (kg/m3). Feret :
c f c = k f ⋅ f m ⋅ (c + e + v )
2
fc: résistance du béton à l’échéance considérée, kf : coefficient (dépend principalement des granulats), fm: résistance normale du ciment à la même échéance, c, e, v : volumes de ciment, d’eau et d’air (occlus et entraîné) (l/m3)
→ Rôle des adjuvants : Problème des effets secondaires : Exemple : certains fluidifiants s’ils sont surdosés peuvent retarder le durcissement à 1 jour. → Rôle des additions minérales : • les cendres volantes ralentissent le durcissement initial mais accroissent les résistances finales (pouzzolanicité), • le laitier ralentit également le durcissement, • la fumée de silice ne retarde pas le durcissement.
Chapitre IX : La durabilité du béton I Prescriptions générales pour accroître la durabilité des bétons → Réduire la perméabilité ⇔ ⇔ améliore la durabilité : • Résistance mécanique : Rm élevée ⇔ faible porosité ⇒ faible perméabilité d’où exigences sur les dosages mini en liant et sur les rapports E/C en fonction de la classe d’environnement. • Conditions technologiques : bonne mise en place (respect des profondeurs d’enrobage, …), cure, … • Non fissuration : éviter la fissuration accidentelle. → De plus, on peut jouer sur d’autres paramètres : • Chimiques : nature des ciments selon les risques liés à l’environnement (ciments PM, ES ou ciments alumineux, …). Tenir compte aussi des possibilités de réaction avec les granulats (RAG). • Physiques : cas particulier des cycles de gel-dégel : durabilité améliorée par la création d’un réseau de bulles d’air entraîné. II Durabilité du béton vis-à-vis des eaux agressives → Rappels : béton = solide poreux qui a un caractère fortement basique dû à la nature de la pâte de ciment durcie (15 à 20% de portlandite (base forte) et une solution interstitielle riche en alcalins (NaOH et KOH) dont le pH varie entre 12.5 et 13.5).
→ Le pH extérieur est donc toujours bien inférieur à celui dans le béton ⇒ milieu extérieur agressif pour le béton.
1) Durabilité du béton dans les eaux naturelles → L’attaque du béton par les eaux pures et douces débute par une dissolution de la portlandite, puis des silicates et des aluminates de calcium hydratés. Cette attaque se traduit par une érosion progressive de la surface. → En général, les bétons sont peu sensibles aux attaques par les eaux pures à condition qu’ils soient compacts. 2) Durabilité du béton au contact des milieux acides → L’agressivité des acides minéraux et organiques dépend essentiellement de leur concentration et de la solubilité des sels formés. → Exemple concret : dallage dans les élevages (attaque par des acides faibles organiques) ⇒ une érosion de la surface mettant à nu les granulats. → Prévention: utiliser un ciment formant peu de Ca(OH) 2 • Ciments aux laitiers de Hauts fourneaux • Ciments alumineux fondu 3) Durabilité des bétons en présence de sulfates → La réaction sulfatique est due à l’action des sulfates sur les aluminates contenus dans la pâte de ciment. Cette réaction se traduit par la formation d’ettringite ⇒ gonflements ⇒ fissuration du matériau.
→ Sources de sulfate: • Externes : sols, eaux souterraines, environnements industrielles, eaux usées, eau de mer. • Internes : granulats (pyrite FeS 2), sulfate dans les grains de clinker, étuvage (>70°C)… → Prévention: • Choisir un ciment à faible teneur en C3A: ES ou PM. • Utiliser des additions minérales pouzzolaniques.
4) Durabilité des bétons en milieu marin → La durabilité du béton dans l’eau de mer est complexe car les réactions chimiques sont nombreuses et en compétition (dissolution/précipitation). → On peut retenir : • action des sulfates : expansion (ettringite) • action des chlorures : corrosion des armatures III Durabilité du béton face à l’alcali-réaction → Alcali-réaction = réaction entre de la silice réactive contenue dans certains granulats (dits réactifs) et les alcalins présents dans la solution interstitielle de la pâte de ciment.
formation d’un gel silico-alcalin qui s’accompagne d’un gonflement ⇒ expansion et fissuration du béton. → L’importance du problème varie d’un pays à un autre (les + exposés : Japon, Afrique du sud, Canada et USA). ⇒
→ La France est pour le moment relativement épargnée (bien que 500 ponts, soit environ 1/1000, soient atteints). → Délais de manifestation des désordres : plusieurs années voire plusieurs dizaines d’années. → 3 conditions nécessaires : • la présence d’un granulat potentiellement réactif (= contenant de la silice réactive), • une concentration en alcalins élevée dans la solution interstitielle (favorise un pH élevé), • des conditions d’humidité suffisantes.
IV Durabilité du béton en atmosphère hivernale rigoureuse 2 types d’agressions liées aux périodes hivernale rigoureuse existent : • les cycles thermiques de gel-dégel ⇒ fissuration du béton, • l’attaque des sels de déverglaçage ⇒ écaillage (détérioration de la surface).
1) Les cycles de gel-dégel et leurs conséquences → Les cycles de gel-dégel provoquent des mouvements d’eau et des pressions internes qui conduisent à des détériorations irréversibles (fissuration). → L’eau présente dans les capillaires gèle : • rapidement dans les gros capillaires, • plus lentement dans les petits.
→ Elle induit : • des gonflements faibles par cristallisation de la glace, • des pressions liées aux mouvements de l’eau des zones non encore gelées vers les zones gelées. → Prévention : air entraîné : la présence d’un réseau de bulles d’air entraîné va permettre à l’eau de se déplacer sans créer de pressions importantes.
2) Les sels de déverglaçage et leur conséquence → Sels de déverglaçage utilisés comme fondant : chlorure de sodium ou chlorure de calcium. → Dégradation sous forme d’écaillage avec la disparition de la peau du béton et le déchaussement des granulats. → 2 types de mécanismes peuvent expliquer ce phénomène: • Le choc thermique produit par la fusion brutale de la glace. L’énergie nécessaire est empruntée à la couche sous-jacente de béton ⇒ refroidissement brutal. • La diffusion et l’action des sels sur le béton : réactions chimiques, pressions osmotiques (dues à une différence de concentration), …
V La carbonatation du béton → Le CO2 contenu dans l’air réagit sur tous les hydrates mais la réaction avec la portlandite est la plus rapide : Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
Les mécanismes réactionnels sont complexes. Sans entrer dans les détails, la carbonatation s’effectue à partir du CO2 dissous dans l’eau qui réagit sur la chaux passée en solution. → L’épaisseur de la couche carbonatée augmente proportionnellement à la racine carrée du temps :
x = A ⋅ t
Fig 9.1 : Loi de croissance linéaire de l’épaisseur carbonatée en fonction de √ t
→ Paramètres importants: • Porosité : la carbonatation des BHP est quasiment inexistante. • HR : béton saturé ou béton sec: pas de carbonatation. La profondeur de carbonatation est maxi pour 60
Fig 9.2 : Variation de la profondeur de carbonatation sous différentes actions climatiques
→ Principale conséquence de la carbonatation = corrosion des armatures de BA.
Chapitre X : La norme NF EN 206-1 → La norme NF EN 206-1 s’applique aux bétons : • de masse volumique normale, légers ou lourds, • destinés aux structures ou éléments de structure, • pour le bâtiment et le génie civil. → Elle couvre aussi bien le BPE que le béton pour éléments préfa.
I Définition des 3 acteurs clés et de leurs responsabilités → Le prescripteur : personne physique ou morale qui établit la spécification du béton frais et durci. Responsabilité: il est responsable de la spécification du béton et du choix de la classe d’exposition. → Le producteur : personne physique ou morale qui produit le béton frais. Responsabilité: il est responsable de la conformité et du contrôle de production. → L’utilisateur : personne physique ou morale qui utilise le béton frais pour l’exécution d’un ouvrage ou d’un élément préfabriqué en béton. Responsabilité: il est responsable de la mise en œuvre du béton dans l’ouvrage ou dans l’élément structurel.
II Les classes d’exposition → La prise en compte de l’environnement dans lequel va se situer l’ouvrage (ou la partie d’ouvrage) et des risques d’attaques auxquels il va être exposé pendant sa durée de vie va permettre d’optimiser les performances du béton et sa durabilité. → Objectif: garantir une durée de vie des structures: • au moins 50 ans pour les bâtiments, • 100 ans pour les ouvrages d’art. → Six classes d’exposition divisées en sous classes: • X0 : aucun risque de corrosion ni d’attaque • XC : corrosion induite par carbonatation (4 sous-classes) • XD : corrosion induite par les chlorures ayant une origine autre que marine (3 sous-classes) • XS : corrosion induite par les chlorures présents dans l’eau de mer (3 sous-classes) • XF : attaque gel/dégel avec ou sans agent de deverglaçage (4 sous-classes) • XA : attaque chimique (3 sous-classes) → A chacune des classes correspondant des spécifications sur la composition de béton et la classe de résistance (valeurs limites).
III Classification des bétons → La norme NF EN 206-1 définit les spécifications des bétons : • à l’état frais (classe de consistance), • à l’état durci (Rc28). → La norme propose 2 familles de classes de résistance en fonction de la masse volumique du béton.
1) Les classes de consistance → Essai au cône d’abrams ⇒ 5 classes. CLASSE
AFFAISSEMENT en mm
S1
10 à 40
S2
50 à 90
S3
100 à 150
S4
160 à 210
S5
≥ 220
2) Type de béton en fonction de la masse volumique → Béton léger : 800-2000 kg/m3 Béton de masse volumique normale : 2000-2600 kg/m3 Béton lourd : > 2600 kg/m 3. → 6 classes de masse volumique pour les bétons légers. Classe de masse Volumique Plages de masse Volumique 3 en kg/m
D 1,0
≥ 800
et ≤ 1 000
D 1,2
> 1
000 et ≤ 1 200
D 1,4
> 1
200 et ≤ 1 400
D 1,6
> 1
400 et ≤ 1 600
D 1,8
> 1
600 et ≤ 1 800
D 2,0
> 1
800 et ≤ 2 000
3) Classes de résistance à la compression Béton de masse volumique normale et béton lourd : 16 classes Classe de résistance à la compression
Résistance caractéristique minimale sur cylindres f ck-cyl N/mm�
Résistance caractéristique Minimale sur cubes f ck-cube N/mm�
Classe de résistance à la compression
Résistance caractéristique minimale sur cylindres f ck-cyl N/mm�
Résistance caractéristique Minimale sur cubes f ck-cube N/mm�
C8/10
8
10
C45/55
45
55
C12/15
12
15
C50/60
50
60
C16/20
16
20
C55/67
55
67
C20/25
20
25
C60/75
60
75
C25/30
25
30
C70/85
70
85
C30/37
30
37
C80/95
80
95
C35/45
35
45
C90/105
90
105
C40/50
40
50
C100/115
100
115
Béton léger : 14 classes Classe de résistance à la compression
Résistance caractéristique minimale sur cylindres f ck-cyl N/mm�
Résistance caractéristique Minimale sur cubes f ck-cube N/mm�
Classe de résistance à la compression
Résistance caractéristique minimale sur cylindres f ck-cyl N/mm�
Résistance caractéristique Minimale sur cubes f ck-cube N/mm�
LC8/9
8
9
LC40/44
40
44
LC12/13
12
13
LC45/50
45
50
LC16/18
16
18
LC50/55
50
55
LC20/22
20
22
LC55/60
55
60
LC25/28
25
28
LC60/66
60
66
LC30/33
30
33
LC70/77
70
77
LC35/38
35
38
LC80/88
80
88
4) Dimension maximale des granulats → Classification des bétons en fonction du Dmax.
5) Classes de chlorures → La norme NF EN 206-1 définit les teneurs maximales en ions chlorures rapportées à la masse du ciment du béton à respecter en fonction de son type d’utilisation. → Elle définit quatre classes de chlorures : Utilisation du béton
Classe de chlorures
Teneur maximale en ions chlorure (Cl)
CI 0,20
0,20 %
CI 0,40
0,40 %
CI 0,65
0,65 %
CI 1,0
1,0 %
Contenant des armatures de précontrainte en acier Contenant des armatures en acier ou des pièces métalliques noyées Contenant des armatures en acier ou des pièces métalliques noyées et formulées avec des ciments de type CEM III Ne contenant ni armatures en acier, ni pièces métalliques noyées
IV Spécification du béton → 3 types de béton:
• Béton à Propriétés Spécifiées (BPS): Béton pour lequel les propriétés requises et les caractéristiques supplémentaires sont spécifiées au producteur par le prescripteur. Le producteur est responsable de fournir un béton satisfaisant à ces exigences.
• Béton à Composition Prescrite (BCP): Béton pour lequel la composition et les constituants à utiliser sont spécifiés au producteur. Le producteur est responsable de fournir un béton qui respecte cette composition. • Béton à Composition Prescrite dans une norme: Béton à composition prescrite dont la composition est définie dans une norme applicable là où le béton est utilisé. → Exemple de commande d’un BPS = spécifications minimales requises: Classe d’exposition
Classe de consistance
Conformité à la norme BPS NF EN 206-1 C 30/37 XC1 (F) Dmax 22,4 S2 Cl 0,65 Classe de résistance à la compression Granularité (cyl/cube)
Classe de teneur en chlorure
