Béton - Matériaux de Construction (GCI-1000) PDF

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05/09/2020 Le béton Matériaux de construction Matériaux de construction (GCI-1000) GCI-1000 © 2020, Marc JOLIN 2 3 Objectifs spécifiques ✘ Décrire les défis reliés à la sélection des ingrédients du béton ✘ Résumer les liens entre la nature des ciments (liants) et les propriétés du béton (frais et durci) Caractéristiques fondamentales ✘ Énumérer les différents types de ciment courants du béton ✘ Appliquer les connaissances fondamentales pour: utiliser correctement le béton - Introduction et défis - comprendre les renseignements transmis par les devis et normes identifier, au besoin, les ressources nécessaires pour trouver des solutions à des problèmes pratiques 4 6 @2020, Marc Jolin 1  05/09/2020 Les constituants de base Contexte du béton Il s’est produit un peu plus de 4.2 milliard de tonnes de ciment en 2019, À ce titre, le béton est le matériau fabriqué par l'humain le plus Gravier Eau couramment utilisé! Cale sèche - Les Industries Davie Sable Ciment https://www.statista.com/statistics/1087115/global-cement-production-volume/ 7 9 Proportions Les constituants de base typiques du béton → Béton: granulats liés entre eux par la pâte de ciment Gravier Eau Sable Ciment 10 11 @2020, Marc Jolin 2  05/09/2020 Les constituants de Les constituants de base base du béton du béton → Béton: granulats liés entre eux par la → La qualité pâte de ciment → Béton: des granulats granulats liés est très entre eux par importante la pâte de ciment Gravier Eau Une réaction Sable chimique clé: Ciment hydratation 12 14 Béton frais - Introduction et défis - 17 18 @2020, Marc Jolin 3  05/09/2020 19 20 Rhéologie et consolidation Rhéologie et consolidation Le béton frais doit être maniable et plastique Il faut éviter la ségrégation et le ressuage excessif Consolidation (compaction) du béton = expulser les vides d’air (éviter les nids d’abeilles) cohésion Maniabilité (ouvrabilité) 21 22 @2020, Marc Jolin 4  05/09/2020 25 26 Béton durci - Introduction et défis - 27 28 @2020, Marc Jolin 5  05/09/2020 Résistance mécanique du béton DONC… ✘ On cherche à maintenir l’eau en place pour favoriser ✘ La résistance est principalement fonction: l’hydratation la plus longue possible: Porosité réduite, meilleure qualité de la quantité d'eau et de ciment: le rapport E/C du degré d’avancement de ✘ Évidemment, la cure se termine un jour, et à ce moment l’hydratation le béton se mets en équilibre avec le milieu ambiant (HR) L’eau s’évapore, i.e. séchage (et retrait) 29 30 Mûrissement ✘ Mûrir le béton = le maintenir humide («cure») Valeur seuil d’H.R. pour l’hydratation ≈ 85 % ✘ L’hydratation peut se poursuivre tant et aussi longtemps… qu’il subsiste des grains de ciment anhydre et Cure et que l’H.R. dans le béton excède le seuil de 85 % H.R. Mûrissement 31 33 @2020, Marc Jolin 6  05/09/2020 Résistance mécanique du béton ✘ Qualité mécanique première du béton: sa résistance à la compression ✘ Selon le E/C , le liant et le squelette granulaire Résistance à la compression: fc = 10 à 120 MPa Résistance à la traction: ft = 1 à 7 MPa La résistance mécanique du béton est souvent exprimée par la mesure de la résistance en compression: fc [MPa] 35 36 Masse volumique Étanchéité ✘ Bétons usuels = 2200 à 2400 kg/m 3 La perméabilité du béton est fonction de: - la perméabilité de la pâte (E/C): ✘ Bétons légers impact de la cure! pour isolation, charge morte réduite, etc. masse volumique aussi faible que 240 kg/m3 - la perméabilité et la granulométrie des granulats - la proportion pâte – granulats ✘ Bétons lourds - la qualité du lien pâte – granulats pour contrepoids, écran antiradiations, etc. masse volumique aussi élevée que 6000 kg/m3 37 38 @2020, Marc Jolin 7  05/09/2020 Étanchéité Stabilité volumétrique ✘ Le béton de ciment est sujet à des variations volumétriques Contractions o retrait thermique o retrait d’auto- dessiccation o retrait de séchage Sol Gonflements o thermique o chimique Mur de o hygrométrique béton 39 43 Stabilité volumétrique En conclusion Fluage o déformation (mécanique) additionnelle différée sous ✘ Le béton est un matériau composite (ciment, eau, chargement maintenu granulats, etc.) et tous les ingrédients auront un Ordre de grandeur des déformations: de 100 à 1000 ×10-6 effet sur: ▪ i.e. ε = 100 à 1000x10-6 Le béton frais frais: malaxage, transport, mise en ▪ si L = 10 m, alors Δ = 1 à 10 mm ⁉ place, consolidation et finition Le béton durci Le béton durci: propriétés mécanique et Fluage du tapis sous une charge: partiellement (!) réversible (?) durée de vie 44 45 @2020, Marc Jolin 8  05/09/2020 T-C-Q-V-A-T-V-S-S-L-C-S-J-O-L-D ✘ Remonte à 7000 ans BC. Un plancher à base de ciment de chaux est trouvé durant la Ciments portland construction d’une route à Yiftah El en Galilée, Israël et autres liants hydrauliques ✘ Le ciment Portland a été breveté par Joseph Aspdin, un maçon anglais en 1824. Ciment ≠ béton ✘ Première production: Amérique du Nord, 1871— Coplay, Pennsylvania Canada, 1889 — Hull, Québec 50 51 Ciment portland Fabrication du ciment portland ✘ Fabrication ✘ Ciment Portland: liant hydraulique ✘ Type de ciment ✘ Constituants bruts argile (fournit la silice et l’alumine) ✘ Composition chimique et hydratation pierre calcaire (fournit de la chaux) ✘ Structure de la pâte de ciment oxyde de fer ✘ Propriété physique du ciment ✘ Fabrication four à des température de 1500 à 1700 °C: clinker ✘ Ajouts cimentaires (clinker + gypse) x broyage = ciment portland 52 53 @2020, Marc Jolin 9  05/09/2020 Fabrication du ciment portland Fabrication du ciment portland ✘ Fabrication actuelle (procédé sec) 54 55 Fabrication du ciment Fabrication du ciment portland portland + Gypse* et Broyage = Ciment Clinker 56 57 @2020, Marc Jolin 10  05/09/2020 Analyse chimique du ciment Portland Symboles de la Qte Ciments Portland chimie du ciment Chaux vive CaO C 63% Silice SiO2 S 20% Alumine Al2O3 A 6% composition et hydratation Oxyde de fer Fe2O3 F Eau H2O H Chaux hydratée Ca(OH)2 CH Magnésie MgO M Sulfate SO3 Ŝ 59 62 Composés chimiques du ciment portland Hydratation ✘ Hydratation : réaction chimique entre le ciment et l’eau » 75 % Silicate tricalcique: 3 CaO·SiO2 C3S ✘ Constituants principaux du ciment Silicate bicalcique: 2 CaO·SiO2 C2S Aluminate tricalcique: 3 CaO·Al2O3 C3A C3S - C2S - C3A - C4AF » 15 % Aluminoferrite tétracalcique: 4 CaO·Al2O3·Fe2O3 C4AF le ciment Portland est un liant hydraulique, car il réagit avec l’eau pour former la pâte de ciment hydraté Les différents types de ciment (voir plus loin) auront des compositions différentes! 63 66 @2020, Marc Jolin 11  05/09/2020 Le ciment se dissout lentement et Hydratation Hydratation réagit pour former des hydrates (avec le temps) C3S, C2S, C3A,C4AF Eau Pâte de ciment hydraté Grain de ciment Hydrated cement 67 68 À la fin de la cure (et de l’hydratation), Hydratation L’hydratation se poursuit avec la Hydratation quelques pores restent présents cure, la température et le temps 69 70 @2020, Marc Jolin 12  05/09/2020 Influence de l’eau Influence de l’eau Faible rapport eau/ciment Haut rapport eau/ciment Faible rapport eau/ciment Haut rapport eau/ciment MOINS poreux après cure PLUS poreux après cure MOINS poreux après cure PLUS poreux après cure La quantité de pores dépend du E/C et de la durée de la cure Les propriétés du béton sont FORTEMENT reliées à la porosité 71 72 Hydratation: réaction exothermique Chaleur d'hydratation Chaleur d’hydratation ! 73 75 @2020, Marc Jolin 13  05/09/2020 Réaction(s) d’hydratation Réaction(s) d’hydratation ✘ Simplifiée: rôle prépondérant de la réaction des silicates ✘ Simplifiée: rôle prépondérant de la réaction des silicates C 3S + H 2O C-S-H + Ca(OH)2 C 3S + H 2O C-S-H + Ca(OH)2 C 2S C 2S “Calcium silico-hydrates” Hydroxide de calcium, chaux hydratée, le C3S réagit plus vite, dégage plus de chaleur et libère plus de silicate de calcium hydraté chaux hydratée (c'est la colle!) “Portlandite” le C2S réagit moins vite, dégage moins de chaleur et libère ✘ 28 jours à 100 % H.R.: de 80 à 90 % de la réaction finale s’est déjà moins de chaux hydratée manifestée pour les ciments Portland traditionnels 76 77 Réaction(s) d’hydratation Réaction(s) d’hydratation ✘ la réaction du C 3A est retardée grâce à l’addition de ✘ la réaction du C 3A est retardée grâce à l’addition de gypse au clinker pendant le broyage gypse au clinker pendant le broyage C3A + eau + gypse sulfoaluminates de calcium hydratés C3A + eau + gypse sulfoaluminates de calcium hydratés (ettringite) (ettringite) ✘ Il faut bien contrôler la quantité de gypse: même ralentie, la réaction du C3A dégage beaucoup de chaleur o Attention aux bétons de masse; on utilisera des ciments trop peu de gypse: prise éclair plus faible en C3A trop de gypse: formation de sulfoaluminates après la prise, expansion et risque de destruction de la pâte note: le C3A et le C4AF sont nécessaires à la cuisson dans le four 79 80 @2020, Marc Jolin 14  05/09/2020 Évolution des produits d’hydratation Structure de la pâte de ciment hydratée ✘ À noter: C-S-H et Portlandite sont les principaux produits de la réaction ✘ La pâte de ciment hydratée contient des espaces non remplis de la porosité capillaire diminue avec le degré d’hydratation gel de ciment (saturés d’eau si la pâte est maintenue humide): pores capillaires ϕcapillaires = 0,20 µm (50 nm à 10 µm) ✘ Les pores capillaires (volume total et distribution) exercent une influence marquée, notamment… sur la perméabilité sur la résistance mécanique 81 84 Structure de la pâte de ciment hydratée Structure de la pâte de ciment hydratée ✘ Quantité d’eau requise pour l’hydratation ✘ Quantité d’eau requise pour l’hydratation (…) le rapport E/C théorique minimal pour lequel l’eau de gâchage si E/C = 0,50 : les capillaires sont discontinus après 14 jours suffit à hydrater complètement le ciment à terme est de l’ordre d’hydratation de 0,42 si E/C ≥ 0,70 : les capillaires sont toujours continus même après si E/C ≈ 0,36 : il n’y a plus de capillaire après hydratation 1 an d’hydratation (ou de mûrissement) complète, mais cela nécessite un apport d’eau externe en cours d’hydratation (mûrissement) ✘ Il reste toujours dans le béton des particules de ciment si E/C < 0,36 : les capillaires peuvent théoriquement disparaître à terme même si l’hydratation est incomplète non hydratées 85 86 @2020, Marc Jolin 15  05/09/2020 Pores capillaires et hydratation En conclusion La fabrication du ciment est un procédé industriel complexe qui mène à 4 composés principaux: C3S, C2S, C3A et C4AF Au contact de l'eau, la réaction d'hydratation débute (dégagement de chaleur) Le E/C et le degré d'hydratation contrôlent la porosité capillaire ➜ QUALITÉ DU BÉTON! 87 92 Types de ciment Portland ✘ On obtient les différents ciments Portland en ajustant les proportions des composés principaux C3S - C2S - C3A - C4AF Ciments portland Types de ciment / liant 96 97 @2020, Marc Jolin 16  05/09/2020 Types de ciment Portland Types de ciment portland- CSA A3000-18 ✘ La norme CSA A3000-18 Compendiums des matériaux liants Type GU reconnaît 6 types de liants: - "General Usage" - Ciment d'usage général - ciment Portland normal, anciennement (< 2004)Type 10 Type GU - Ciment d'usage général - le plus courant (70+ % du total) Type MH - Ciment à chaleur d'hydratation modérée Type MS – Ciment à résistance modérée aux sulfates Type HE - Ciment à haute résistance initiale Type LH - Ciment à faible chaleur d'hydratation Type HS - Ciment à haute résistance aux sulfates 99 101 Types de ciment portland- CSA A3000-18 Types de ciment portland- CSA A3000-18 Type MH et MS Type HE - "Moderate Heat" et "Moderate sulphate exposure" - "High Early Strength" – Ciment à haute résistance initiale - anciennement Type 20 - anciennement Type 30 - Utilisé lorsque le contrôle de la chaleur d'hydratation ou la résistance - Résistance mécanique en une semaine ou moins; similaire au Type GU, modéré aux sulfates est requise: limite du C3A mais avec une plus grande finesse 102 103 @2020, Marc Jolin 17  05/09/2020 Types de ciment portland- CSA A3000-18 Types de ciment portland- CSA A3000-18 Type LH Type HS - "Low Heat" – Ciment à faible chaleur d'hydratation - "High sulphate exposure" - Ciment à haute résistance aux sulfates - anciennement Type 40 - anciennement Type 50 - Utilisé lorsque le contrôle de la chaleur d'hydratation est important - Utilisé lors d'exposition aux sulfates (plus que Type MS): limite du C3A (plus que le Type MH); contrôle du C3A et du C3S 104 105 Ciments hydrauliques composés Ciments hydrauliques composés: Désignation CSA ✘ La norme reconnaît 4 types de ciment hydraulique Tb-Axx/Byy/Czz composé; on parle alors d'ajout cimentaire au ciment où: Portland : T: ciment portland dont la performance serait équivalente b: indique un liant composé ("binder" - fixe) ajout de laitier de faut fourneau (S - Slag) A: % ajout cimentaire prédominant (masse du produit total) ajout de cendres volantes (F – Fly Ash) xx: ajout cimentaire prédominant ajout de fumée de silice (SF) B: % ajout cimentaire secondaire (masse du produit total) Ciment composé ternaire yy: ajout cimentaire secondaire … ex: GUb-25S/10SF MHb-30F/10S/5CH 106 107 @2020, Marc Jolin 18  05/09/2020 Sélection et spécification des ciments ✘ Disponibilité des ciments ✘ Nature et conditions du projet volume de béton conditions de mise en place et de mûrissement délai d’exécution applications relatives à l’eau potable Propriétés physiques du ✘ Devis et normes applicables ciment Portland 108 110 Finesse du ciment Finesse du ciment ✘ Ciment Portland: environ 85 % à 95 % des particules sont ✘ Pourquoi? plus petites que 45μm, la particule moyenne mesurant La finesse du ciment influence le dégagement de chaleur et la environ 15 μm vitesse d’hydratation ✘ Finesse du ciment: la distribution dimensionnelle des Plus le ciment est fin (plus ses particules sont petites), plus sa particules qui s'exprime en [m 2/kg] vitesse d’hydratation est grande et plus l’accroissement de sa Essai Blaine résistance est rapide (0-7 jours) Essai tamisage Essai de diffraction (laser) 112 113 @2020, Marc Jolin 19  05/09/2020 Composition Temps de prise temps de prise initiale: délai entre le contact eau-ciment et le moment où la pâte cesse d’être fluide et plastique temps de prise finale: délai entre le contact eau-ciment et le moment où la pâte acquiert une certaine dureté aiguille de GILLMORE aiguille de VICAT 114 115 Type HS Temps Chaleur d’hydratation Type LH de prise ✘ la chaleur libérée par la réaction d’hydratation est influencée par différents facteurs Type HE o composition (C3A, C3S) et finesse du liant o E/C (i.e. la teneur en ciment) o température de mûrissement Type MS & MH ✘ La chaleur d’hydratation est limitée pour: Type GU o le ciment modéré (type MH) o le ciment à faible chaleur d’hydratation (type LH) 116 118 @2020, Marc Jolin 20  05/09/2020 Résistance en compression ✘ mesurée sur des cubes de mortier normalisés Les ajouts cimentaires Note: c'est pour du contrôle qualité, il n’existe pas de corrélation directe entre les résistances obtenues sur mortier et celles du béton 120 123 Les ajouts cimentaires Les ajouts cimentaires ✘ Les pouzzolanes ✘ Les pouzzolanes (...) matériaux siliceux, finement divisés naturels ou artificiels fumée de silice (production de silicium ou alliages) pouzzolanicité = hydraulicité avec un produit de réaction du cendres volantes (centrales thermiques) ciment portland: Ca(OH)2 laitier de haut fourneau (fonderies) SiO2 + Ca(OH)2 C-S-H métakaolin etc. Ils font maintenant partie du ciment (on parle de liant) ! 124 125 @2020, Marc Jolin 21  05/09/2020 Les ajouts cimentaires Fumée de silice ✘ Avantages ✘ La fumée de silice (FS) diminution ou élimination du ressuage grain de effet filler - maniabilité («billes») déchet industriel ciment meilleure répartition des hydrates 15 µm particules sphériques raffinement de la porosité (100 à 200 fois plus petites que les résistances mécaniques particules de ciment) perméabilité réduite, durée de vie accrue teneur très élevée en SiO2 fumée de silice ✘ Inconvénient utilisation courante dans les BHP Disponibilité 0,1 µm (bétons de haute performance) Demande en eau, retrait (fissuration) 126 128 Les ajouts cimentaires ✘ Les cendres volantes et les laitiers action pouzzolanique généralement marquée (hydraulicité de certains laitiers) remplacement du ciment: de 0 % jusqu’à 50 % en masse vitesse de réaction plus lente et dégagement de chaleur moins L'eau de gâchage important atteinte des propriétés plus lente que dans les bétons ordinaires 129 130 @2020, Marc Jolin 22  05/09/2020 L’eau de gâchage du béton En conclusion ✘ En général, l’eau naturelle potable incolore et inodore La nature (type) du ciment (ou liant) aura un impact sur est convenable les propriétés du béton frais et durci ✘ De l’eau non-potable peut dans certains cas être Le contrôle qualité du ciment permettra de les classifier utilisée, dans la mesure où les critères suivants sont rencontrés Les ajouts cimentaires jouent un rôle majeur dans résistance (CSA A23.2-8A) Contaminants: l'amélioration des propriétés des bétons temps de prise - carbonates alcalins concentrations limites - chlorures (attention: béton armé) Mots-clés: Hydratation, e/c, e/l, chaleur dégagée, cure - sulfates - impuretés organiques - sucre - huiles 131 132 Matériaux de construction (GCI-1000) © 2020, Marc JOLIN 133 @2020, Marc Jolin 23