1 hydratation du ciment 7 (réparé)
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Centre universitaire de Souk-Ahras
Département de Génie Civil
Master*1*
Science des Matériaux pour la Construction Durable
Mini projet sur :
Théorie d’hydratation
Préparé par : Sur la supervision de :
1) Haoués Souad * K. Salhi
2) Taouaf Ilhém
*2012
*
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Théorie d’hydratation de ciment Page 2
Sommaire
Introduction.
Histoire de ciment
1) Définition de ciment
2) Description du mécanisme de l’hydratation du ciment
2.1) Hydratation du C3S
2.2) Hydratation des aluminates2.3) Prise du ciment
3) Interaction entre C3S, gypse, et CH
4) Le degré d’hydratation 4-1) Définition
4-2) Détermination du degré d’hydratation
5) Modélisation de l’hydratation 5.1) Modèles Microscopiques5.2) Modèles Macroscopiques
6) Les différentes théories de l’hydratation
7) Synthèse sur les différentes théories d’hydratation
8) Influence de la granulométrie
9) Influence des fumées de silice sur l'évolution de l'hydratation des pâtes de Ciment
10) Résistance chimique du produit de l'hydratation de C4A3S
11) Méthodes de détermination de la diffusivité hydrique de pâtes de ciment durcies
12) L'hydratation des ciments sous malaxage continu
13) Influence du rapport E/C sur l'hydratation, la microstructure et les déformations endogènes de
pâtes de ciment durcies
14) Billon simplifié de l’hydratation de ciment au jeune âge
15) Ciment hydraulique contre le ciment non hydraulique
Conclusion
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Théorie d’hydratation de ciment Page 3
Introduction
Les ciments hydrauliques sont des matériaux avec lesquels placez et durcissez après avoir été combiné
l'eau, en raison de réactions chimiques avec l'eau de mélange, et celle, après durcissement, maintenez
la force et la stabilité même sous l'eau. La condition principale pour ces force et stabilité est que les
hydrates ont formé sur la réaction immédiate avec de l'eau soient essentiellement insolubles dans l'eau.
La plupart des ciments de construction sont aujourd'hui hydrauliques, et les la plupart de ces derniers
sont basées dessus Ciment de Portland, à partir dont est fait principalement pierre à chaux, certain
argile minerais, et gypse dans un processus à hautes températures qui élimine anhydride carbonique et
combine chimiquement les ingrédients primaires dans de nouveaux composés. les ciments Non-
hydrauliques incluent des matériaux tels que les plâtres (non-hydrauliques) de chaux et de gypse, quidoivent être gardés au sec afin de gagner la force, et l'oxychlorure cimente, qui a les composants
liquides. Les mortiers de chaux, par exemple, « ont placé » seulement en se desséchant, et force de
gain seulement très lentement par absorption d'anhydride carbonique de l'atmosphère pour reformer le
carbonate de calcium à travers carbonatation.
Plaçant et durcissant des ciments hydrauliques est provoqué par la formation des composés contenant
de l'eau, qui forment en raison des réactions entre les composants de ciment et l'eau. La réaction et les
produits de réaction désigné sous le nom de l'hydration et des hydrates ou des phases d'hydrate,
respectivement. En raison du début immédiat des réactions, on peut observer un raidissement qui est au
commencement léger mais qui augmente avec du temps. Le point auquel le raidissement atteint un
certain niveau désigné sous le nom du début du réglage. Davantage de consolidation s'appelle
l'arrangement, après quoi la phase du durcissement commence. La résistance à la pression du matériel
se développe alors solidement, sur une période qui s'étend de quelques jours dans le cas de « ultra-
rapide-durcir » des ciments à plusieurs années dans le cas des ciments ordinaires.
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Théorie d’hydratation de ciment Page 4
Histoire de ciment
Les ciments de construction les plus tôt sont aussi vieux que la construction,[1] et étaient non-hydrauliques.Partout où des briques primitives de boue ont été employées, elles ont été enfoncées ainsi qu'une couchemince de boue d'argile. des matériaux Boue-basés ont été également employés pour rendre sur les murs dubois de construction ou acacia et barbouillage structures. Chaux a été probablement employé pour lapremière fois comme un additif dans ces derniers rend, et pour les planchers stabilisants de boue. Une
boue, une bouse de vache et une chaux se composantes de « barbouillage » produit un dur et enduire, dus àla coagulation, par la chaux, des protéines dans la bouse de vache. Ce système simple était commun enEurope jusqu'aux périodes tout à fait récentes. Avec l'arrivée des briques mises le feu, et leur utilisation enplus grandes structures, les diverses cultures ont commencé à expérimenter avec des mortiers de haut-forcebasés sur le bitume (dans Mesopotamia), le gypse (en Egypte) et la chaux (dans beaucoup de régions dumonde).
Il est incertain où on l'a découvert la première fois qu'une combinaison de chaux non-hydraulique
hydratée et d'a pozzolan produit un mélange hydraulique, mais le béton fait à partir de tels mélanges a
été la première fois employé à grande échelle par le Romans. Ils ont employé les deux pozzolans
normaux (trass ou rénovation) et pozzolans artificiels (brique ou poterie de la terre) en ces bétons.Beaucoup d'excellents exemples des structures faites à partir de ces bétons se tiennent toujours,
notamment le dôme monolithique énorme du Panthéon à Rome. L'utilisation du béton structural a
disparu en Europe médiévale, bien que des bétons pozzolanic faibles aient continué à être employés
comme noyau complètent les murs et les colonnes en pierre.
Ciment moderne
Des ciments hydrauliques modernes ont commencé à être développés dès le début de la révolution
industrielle (autour 1700), conduit par les trois besoins principaux : Hydraulique rend pour les bâtiments de finition de brique dans des climats humides
Les mortiers à chaux hydraulique pour la construction de maçonnerie du port fonctionne etc.,
en contact avec l'eau de mer.
Développement des bétons forts.
En Grande-Bretagne en particulier, la pierre de bâtiment de bonne qualité est devenue toujours plus
chère pendant une période de croissance rapide, et c'est devenu une pratique courante de construire des
bâtiments de prestige des nouvelles briques industrielles, et de les finir avec astuc pour imiter la pierre.
Des chaux hydrauliques ont été favorisées pour ceci, mais le besoin de temps rapide d'ensemble a
encouragé le développement de nouveaux ciments. Le plus célèbre parmi ces derniers était Parker «
Ciment romain."[2] Ceci a été développé près James Parker dans le 1780s, et finalement breveté en
1796. Il n'était, en fait, rien comme n'importe quelle matière employée par le Romans, mais était « un
ciment normal » fait en brûlant le septaria - les nodules qui sont trouvées dans certains gisements
d'argile, et qui contiennent les minerais d'argile et le carbonate de calcium. Les nodules brûlées ont été
rectifiées à une poudre fine. Ce produit, transformé en un mortier avec le sable, ensemble en 5-15
minutes. Le succès « du ciment romain » a mené d'autres fabricants à développer les produits rivaux enbrûlant les mélanges artificiels de l'argile et de la craie.
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Théorie d’hydratation de ciment Page 5
John Smeaton a apporté une contribution importante au développement des ciments quand il projetait
la construction du tiers Phare d'Eddystone (1755-9) dans la Manche. Il a eu besoin d'un mortier à chaux
hydraulique qui placerait et développe une certaine force dans la période de douze heures entre les
marées élevées successives. Il a effectué une recherche de marché approfondie sur les chaux
hydrauliques disponibles, visitant leurs emplacements de production, et a noté que le « hydraulicity »
de la chaux a été directement lié à la teneur en argile de la pierre à chaux à partir de laquelle elle a été
faite. Smeaton était a ingénieur par profession, et a pris l'idée pas plus loin. Apparent ignorant du
travail de Smeaton, le même principe a été identifié près Louis Vicat dans la première décennie du dix-
neuvième siècle. Vicat a continué pour concevoir une méthode de combiner la craie et l 'argile dans un
mélange intime, et, brûlant ceci, a produit « un ciment artificiel » en 1817.Gel de James,[3] travailler en
Grande-Bretagne, produite ce qu'il a appelé « ciment britannique » d'une façon semblable autour du
même temps, mais n'a pas obtenu un brevet jusqu'en 1822. En 1824, Joseph Aspdin a fait breveter un
matériel semblable, qu'il a appelé ciment de Portland, parce que le rendu fait à partir de lui était en
couleurs semblable au prestigieux Pierre de Portland.
Tous produits ci-dessus ne pourraient pas concurrencer la chaux/bétons pozzolane en raison du rapide-
réglage (donnant l'heure insuffisante pour le placement) et des basses forces tôt (exigeant un retarder
de beaucoup de semaines avant que le coffrage pourrait être enlevé). Les chaux hydrauliques, les
ciments « normaux » et les ciments « artificiels » tous comptent sur le leurbelite contenu pour le
développement de résistance. Belite développe la force lentement. Puisqu'ils ont été brûlés aux
températures en-dessous du °C 1250, ils ont contenu le non alite, qui est responsable de la force tôt en
ciments modernes. Le premier ciment pour contenir uniformément l'alite était cela fait par le fils de
Joseph Aspdin's William dans le 1840s tôt. Était ce ce que nous appelons aujourd'hui ciment dePortland « moderne ». En raison de l'air du mystère avec lequel William Aspdin a entouré son produit,
d'autres (par exemple. Vicat et I C Johnson) ont réclamé la priorité dans cette invention, mais l'analyse
récente[4] de son ciment concret et cru ont prouvé que produit de William Aspdin fait à Northfleet,
Kent était un ciment alite-basé vrai. Cependant, les méthodes d'Aspdin étaient « règle-de-pouce » :
Vicat est responsable d'établir la base chimique de ces ciments, et Johnson a établi l'importance
d'agglomérer le mélange dans le four.
L'innovation de William Aspdin était compteur-intuitive pour des fabricants « des ciments artificiels »,
parce qu'ils ont exigé plus de chaux dans le mélange (un problème pour son père), parce qu'ils ontexigé une température beaucoup plus élevée de four (et donc plus de carburant) et parce que les scories
résultantes étaient très dures et rapidement ont porté en bas des meules qui étaient la seule technologie
de meulage disponible du temps. Les coûts de fabrication étaient donc considérablement plus hauts,
mais le produit a placé raisonnablement lentement et a développé la force rapidement, de ce fait
ouvrant un marché pour l'usage en béton. L'utilisation du béton dans la construction s'est développée
rapidement à compter de 1850, et était bientôt l'utilisation dominante pour des ciments. Ainsi le ciment
de Portland a commencé son rôle prédominant.
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1) Définition de ciment
Le ciment est un liant hydraulique défini selon la norme NF P 15-301, comme une fine moutureinorganique qui, gâchée avec de l’eau, forme une pâte qui fait prise et durcit. Le ciment Portland estconstitué d’un mélange de clinker, de gypse (source de sulfate pour éviter la "fausse prise" [Taylor, 1997])et d’ajouts minéraux.
Tableau : Composition chimique en oxydes d’un ciment ordinaire et notation cimentaire
Oxyde CaO Al2O3 SiO2 Fe2O3 CaSO4 H2O SO3
Composition%
50-70 5-10 15-30 5-10 0-5 0-2 0-5
NotationCimentaire
C A S F CS H -S
Principes et méthodes de fabrication
La fabrication de ciment se réduit schématiquement aux trois opérations suivantes :
préparation du cru cuisson broyage et conditionnement
Il existe 4 méthodes de fabrication du ciment qui dépendent essentiellement du matériau :
Fabrication du ciment par voie humide (la plus ancienne). Fabrication du ciment par voie semi-humide (en partant de la voie humide). Fabrication du ciment par voie sèche (la plus utilisée). Fabrication du ciment par voie semi-sèche (en partant de la voie sèche).
Résumé du processus de fabrication du ciment
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2) Description du mécanisme de l’hydratation du ciment :
Le béton est un mélange de plusieurs composants, les agrégats, le sable, le ciment et l’eau. Parmi ces
derniers, le composant le plus important est le ciment, dont la propriété essentielle est de durcir au contactde l’eau. C’est pour cette raison qu’on l’appelle le liant hydrique du béton. [Taylor, 1990] a défini demanière générale l’hydratation du ciment par : « L’ensemble des changements qui se produisent quand un
ciment anhydre, ou une de ses phases constitutives, est mélangé avec de l’eau ». Dés que le ciment anhydre
est mélangé avec de l’eau, l’hydratation commence et les propriétés du béton ainsi obtenu évoluent dans letemps. Tant que cette hydratation n’est pas trop avancée le béton reste plus ou moins malléable, ce quipermet de lui faire épouser par moulage la forme désirée.Les composants du ciment sont les suivants :1. le clinker2. le sulfate de calcium3. les ajouts éventuels (laitiers, cendres volantes, pouzzolanes ou fillers et les fumées de silice)Le clinker est obtenu par un broyage à haute température (1450°C) d’un mélange de 20% d’argile et 80%
de calcaire. Les compos´es minéralogiques principaux du clinker sont :1. Les silicates
– Tricalcique ( Alite) : 3CaO. SiO2 (C3S) – Bicalcique ( Belite) : 2CaO. SiO2 (C2S)2. Les aluminates
– Tricalcique : 3CaO.Al2O3 (C3A) – Ferroaluminate t´etracalcique :4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF)Les termes C3, C2. . . se rapportent aux abréviations suivantes, utilisées en chimie du ciment: C = CaO : laChaux, S = SiO2 : la Silice, ¯ S = SO3 : le trioxyde de soufre, ¯C =CO2 le dioxyde de carbone, H=H2O : l’Eau, F = Fe2O3 : la Ferrite.Le mélange de ciment et d’eau forme une pate qui se rigidifie progressivement et devient solide après undélai de quelques heures : c’est le phénomène de prise du ciment.La prise du ciment est le résultat de réactions entre l’eau et les constituants du ciment anhydre. Le principal
produit de l’hydratation est le silicate de calcium hydraté CaO.SiO2 H 2O ou C −S− H , Figure (1.1),l’hydroxyde de calcium Ca.(OH )2(CH) appelé portlandite, et les aluminates hydroxyde de calcium sousforme d’ettringite AF t (trisulfoaluminate)
FIGURE 1: Image obtenue au MEB de Portlandite dans la matrice, échantillon CEMIII/B 12h, 1 = portlandite ; 2 = C-S-H [Mitani, 2003]
Le sulfate de calcium permet de réguler l’hydratation du ciment. Il peut se présenter sous forme de gypse(CaSO4.2H2O), d’hemihydrate (CaSO4.1 / 2H2O) ou de mélange des deux. Le gypse est souvent associé àde l’anhydrite (CaSO4).
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Tableau 1 : Principaux hydrates formés lors de l’hydratation du ciment
Notation cimentaire Formule chimique Dénomination
CH Ca(OH) 2 PortlanditeC-S-H (CaO)C / S-(SiO2)-(H2O) H / S Silicate de calcium hydraté
C3A(CS)3H32 [Ca3Al(OH) 6]2, 3SO4, 26H2O Trisulfoaluminate de calcium
hydratéou ettringite (structure de typeAFt)
C3ACSH12 [Ca2Al(OH) 6]2, SO4, 6H2O Monosulfoaluminate de calciumhydraté (structure de type AFm)
C2AH8 (CaO) 2-Al2O3-(H2O)8 Aluminate dicalcique hydratéC3AH6 (CaO) 3-Al2O3-(H2O)6 HydrogrenatC4AH13 (CaO)4-Al2O3-(H2O)13 Aluminate tétracalcique hydraté
2.1 Hydratation du C3S :
Le constituant majoritaire du ciment anhydre est le silicate tricalcique C3S. L’hydratation du C3S produitun silicate de calcium hydraté, C-S-H, et de la portlandite Ca(OH)2 (CH). L’´equation globale de
l’hydratation du C3S est la suivante [Le Chatelier, 1904] :Ca3SiO5+ H 2O⇌CaO.SiO2. H 2O+Ca(OH )2 (1.1)Dans cette écriture la stoechiométrie du C-S-H n’est pas précisée. L’hydratation du C 3S procéde selon troisréactions qui deviennent successivement simultanées [Barret et Bertrandie,
1986] :1.) Ca3SiO5+ H 2O→3Ca2++ H 2SiO24−+4OH −
Cette première étape consiste en la dissolution congruente des grains deCa3S superficiellementhydroxylés.
FIGURE 2: MEB Ettringite aciculaire (aiguille) dans un béton [Mitani, 2003]
2.) xCa2++ H 2SiO24−+2( x−1)OH −+( y− x) H 2O⇋C xSH y
Les ions silicates ayant atteint la limite de leur sursaturation, précipitent tandis que la dissolution des grainsde Ca3S se poursuit.
3.) Ca+++2OH − ⇋
Ca(OH )2La troisième réaction du système est la précipitation des ions calcium sous forme de portlandite,
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La stœchiométrie du C −S− H dépend des concentrations en ions calcium et silicate dans la solutiond’hydratation. Le paramètre le plus courant pour caractériser la stœchiométrie du C −S− H est le rapportentre le nombre d’atomes de calcium et le nombre d’atomes de silicium dans la structure : le rapport C / S.Ce rapport varie, dans les C −S− H , entre C / S = 0,7 et 2 [Klur, 1996].La progression de la réaction d’hydratation peut être suivie par des mesures de calorimétrie et de
conductivité, qui sont décrites plus bas en section 2.6. L’hydratation des silicates peut être séparée en cinqpériodes distinctes, que [Barcelo, 2001] décrit de la manière suivante :
– Période 1 : Réactions initiales :
Lorsque les silicates entrent en contact avec l’eau, les ions SiO44− qui sont situe´s en surface des grainspassent en solution. La présence de ces ions provoque une augmentation de la conductivité électrique dumilieu. Une couche protectrice de C −S− H se forme alors autour des grains et empêche la réaction entre lessilicates et l’eau. Par conséquent la dissolution du C 3S devient tr`es lente après quelques minutes, et lapremière période se termine rapidement.
– Période 2 : Période d’induction ou période dormante :
Durant cette période il y a peu d’activité chimique, ce qui se traduit par un faible dégagement de chaleur.
Ainsi la concentration en calcium croit alors que la concentration en silice décroit. La conductivitéaugmente mais plus faiblement que lors de la première période. LesC −S− H dits métastables (C −S− H (m))continuent de se former autour des grains de C 3S alors que la portlandite ne précipite pas. Cette période estdite dormante car le degré d’hydratation reste faible et quasiment constant.
– Période 3 : Période d’accélération :
La caractéristique de cette période est le fort dégagement de chaleur qui traduit une activité chimiqueintense. C’est pendant cette période que survient la prise, deux types de réactions mènent à la formation de
(C −S− H ) dits (C −S− H (s)) et de portlandite. La formation de ces hydrates fait diminuer les concentrationsioniquesde la solution interstitielle. Cette période s’accompagne également d’une baisse importante de laconductivité, Figure (1.3).
– Période 4 : Période de décélération :
La formation de la couche d’hydrates ne permet plus qu’une réaction d’hydratation par diffusion à traversla couche d’hydrates déjà formés. En conséquence, la cinétique d’hydratation ralentit avec le temps. A
mesure que les hydrates se forment, les ions disparaissent de la solution interstitielle, ce qui entraine unediminution de la conductivité électrique. Il apparait également une diminution de la chaleur dégagéependant cette période.
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FIGURE 3: Evolution du dégagement de chaleur et de la conductivité électrique lors del’hydratation d’une pate de C 3S [Vernet et Cadoret, 1991]
– Période 5 : Période de consolidation :
Cette dernière période est considérée comme quasi-stable. Le ralentissement de la réaction, du au caractèrediffusif de la réaction d’hydratation, peut s’étaler sur des mois ou des années. Cette période est tr`esimportante du point de vue du développement de la résistance mécanique, car elle commence très tôt, aprèsun jour d’hydratation, et persiste longtemps après. D’après la description qui vient d’être donnée de l’hydratation des silicates, il apparait que l’évolution dela chaleur d’hydratation passe par un premier maximum, diminue à un minimum pendant la périoded’induction, passe ensuite par une deuxième maximum et diminue finalement de façon progressive[Taylor, 1990],
FIGURE 4: Courbe calorimétrique typique reliant le taux de libération de la chaleurd’hydratation du C 3S avec le temps [Brown et al., 1986
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Figure 5 : Diagramme chaux-silice lors de l’hydratation de C3S
2.2) Hydratation des aluminates :
L’hydratation des aluminates étant trés rapide, les cimentiers ajoutent du sulfate sous forme de gypse auclinker pour contrôler ces réactions [Taylor, 1990]. L’Aluminate Tricalcique C 3 A est responsable du
phénomène de ”prise éclair” qui conduit `a la formation d’aluminates hydratés. Les hydrates issus de
l’Aluminate Ferroaluminate C 4 AF se déduisent de ceux du C 3 A par substitution de l’alumine Al2O3 par
l’alumino-ferrite ( Al2O3.Fe2O3) dans les formules chimiques. Pour cette raison, nous présentons seulementl’hydratation du C 3 A. En l’absence de sulfates, le C 3 A est tr`es réactif lorsqu’il entre en contact avec l’eau. En revanche son hydratation est régulée en présence de gypse, et conduit `a la formation detrisulfoaluminate de calcium hydraté (TSA) ou ettringite.L’ettringite n’est un produit hydraté stable que lorsque la quantité de gypse est suffisante. Dans la majorité de cas, le C 3 A est en excès par rapport au gypse. C’est pourquoi, quand le gypse estconsommé et que leC 3 A n’est pas complétement hydraté, l’ettringite se transforme en monosulfoaluminatetétracalcique (MSA). De plus, s’il reste du C 3 A après la formation du monosulfoaluminate tétracalcique, ilse forme des composés de moins en moins riches en sulfate du typeC 3 A,1− xCH , H 19. Les réactions sontrésumées par les équations suivantes [Taylor, 1990] :
C 3 A+3CS ̄H 2+26 H 2O→C 6 AS¯ 3 H 32…………………….. (1.2)2C 3 A+C 6 AS¯ 3 H 32+4 H 2O→3C 4 AS ̄H 12 ……………….. (1.3)C 3 A+CH +12 H 2→C 4 AH 13…………………………………. (1.4)
Le C 3 A et le gypse se dissolvent les premiers lors de l’hydratation du ciment. Le C 3 A est ensuite recouvertd’une couche protectrice d’ettringite trés finement cristallisée. Cette couche se dissout ensuite pourrecristalliser sous la forme d’aiguilles prismatiques. C’est pourquoi la présence déttringite fragilise lematériau [Regourd, 1982b]. L’ettringite et les monosulfates représentent environ (20−30%) du cimenthydraté. La vitesse de recristallisation de l’ettringite est trés faible. Cette particularité joue un rôle trésimportant dans l’hydratation du ciment puisqu’elle permet de conserver la maniabilité de la pate dans les
premières heures. La phase ferritique C 4 AF constitue environ (8−13%) d’un ciment Portland. Cette phaseest en réalité une solution solide dont la composition répond à la formuleC 2 ( A x,F 1− x) pour x compris entre
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0 et 0.7 [Ramachandran, 1995]. De nombreuses études ont montré que l’hydratation des phasesC 4 AF serapproche de celle duC 3 A lorsque les conditions d’hydratation sont identiques [Taylor, 1990]. En présenced’eau, le C 4 AF réagit de la manière suivante avec ( A,F ) = ( A x,F 1− x) :
C 4 AF +16 H →2C 2( A,F ) H 8………………………………….. (1.5) C 4 AF +16 H →C 4( A,F ) H 13+( A,F ) H 3 ………………………(1.6)
En présence de gypse l’hydratation du C 4 AF est plus efficacement retardée que celle du C 3 A [Fukuhara et
al., 1981] 2.3) Prise du ciment :La réaction d’hydratation du ciment Portland va combiner les réactions d’hydratation des principauxconstituants du clinker. D’une manière générale, la réactivité avec l’eau des différentes phases minéralesd’un ciment respecte l’ordre suivant :
C 3 A > C 3S > C 2S≈ C 4 AF
Au cours de l’hydratation du ciment, la pate se rigidifie puis durcit. Cependant la prise du ciment n’est pas
uniquement liée à la quantité d’hydrates formée. La structuration et la prise peuvent être caractérisées pardeux processus fondamentaux : la coagulation et la rigidifiassions[Jiang et al., 1995]. La coagulationcorrespond `a la formation de contacts entre particules par interactions réversibles. La forte augmentationde la force ionique de la solution au cours de l’hydratation est `a l’origine d’une diminution de la portée de
la répulsion électrostatique due `a une diminution de la longueur de Debye entre les grains partiellementhydratés. [Nonat et Mutin, 1992; Nachbaur et al., 2001]. La réversibilité de ce phénomène permet à lapate de conserver sa maniabilité pendant la période dormante.
3) Interactions entre C3S, C3A, gypse et CH :
L’hydratation du ciment, comme d’un mélange de phases pures, n’est pas trivialement déductible de la réactivité des phases pures hydratées séparément les unes des autres[Minard, 2003]. Par exemple, le flux thermique expérimental du mélange C3S-C3A-gypse-CH est nettement différent du flux calculé théoriquement en sommant les flux correspondant à C3A-gypse-
CH d’une part et au C3S d’autre part (figure 12).
Figure 6 : Interactions entre C3S, C3A, gypse et CH lors de l’hydratation [Minard, 2003]
Les conclusions émises par Minard sur les interactions entre phases pures sont :* Lors de l’hydratation du mélange C3A-C3S-CH, les C-S-H présentent une forte affinité avec les AFm(produits d’hydratation de C3A en absence de gypse) qui offrent une grande surface disponible à lacroissance ultérieure des C-S-H.
* Pour l’hydratation du mélange C3A-C3S-gypse-CH, la vitesse d’hydratation du C3A en AFm estsignificativement réduite (par rapport à l’hydratation de C3A seul) à cause de la présence simultanée deC3S et de gypse, alors qu’elle ne l’est pas en présence de C3S seul.
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* L’hydratation du C3A pour un mélange C3A-C3S-gypse-CH est considérablement ralentie encomparaison au système C3A-gypse-CH sans C3S.* L’hydratation du C3S est inchangée dans le système C3A-C3S-gypse-CH (par rapport au C3S seul),alors qu’elle est différente pour les mélanges C3A-C3S-CH et C3S-gypse-CH. Ainsi il semble que les C-S-H n’ont aucune affinité avec l’ettringite.
4) Le degré d’hydratation
4-1) Définition :
On sait depuis longtemps que la réaction d’hydratation du ciment est une réaction très exothermique. Dansles structures massives, les élévations de température qui accompagnent le durcissement du béton peuventatteindre 50°C. En outre, l’hydratation du ciment est une réaction thermo-activée, ce qui implique que lavitesse de cette réaction chimique croit avec la température. Par ailleurs, le béton est un matériauvieillissant, ce qui signifie que ses propriétés mécaniques (moduled’élasticité, résistance) [De Schutter etTaerwe, 1996], voire certaines de ses composantes de déformations différées comme le développement dufluage au jeune âge [De Schutter et Taerwe, 2000], évoluent en fonction de degré d’hydratation du ciment.
Tout ceci nous amène naturellement `a considérer le degré d’hydratation comme un des paramètresfondamentaux pour modéliser le comportement du béton. Par ailleurs, la notion de degré d’hydratation
s’avère particulièrement adaptée `a la description de l’évolution des caractéristiques du béton au jeune âge,car elle permet d’intégrer la notion de température et la notion de temps (au sens de l’histoire du chargement en température subi par lematériau). En utilisant le degré d’hydratation pour d´écrire le comportement du béton, on dispose ainsi
d’une base unifiée pour la caractérisation de plusieurs phénomènes : retrait, fluage, résistance encompression, résistance à la traction, module d’élasticité.L’hydratation se manifeste par un certain nombre de phénomènes, ainsi le caractère exothermique desréactions d’hydratation se traduit par un dégagement de chaleur important. En conséquence, pour suivrel’hydratation, on peut donc mesurer soit les quantités de réactifs ayant réagi (ciment hydraté, eau nonévaporable, silice ayant réagi) ou n’ayant pas réagi (ciment anhydre, eau libre, silice amorphe), soit desgrandeurs caractérisant les
phénomènes qu’on vient d’´evoquer : chaleur dégagée par l’hydratation, variation dimensionnelle d’une
éprouvette, résistance . . . [Byfors, 1980].Les différentes méthodes utilisées pour déterminer le degré d’hydratation () amènent à différentesdéfinitions du ” degré d’hydratation ”, qui sont passées en revue dans le paragraphe suivant.1. Le degré d’hydratation est défini par [Byfors, 1980] en fonction de la quantité degel de ciment formée :
=
(1.7)
ou de manière ´équivalente :
=
…………. (1.8)
Il est difficile de déterminer directement la quantité de gel de ciment formée, car ce gel est le résultat del’hydratation des composants du clinker. La connaissance de la composition originale du ciment permetpar contre de déterminer la quantité de ciment non hydraté, ceci amène à deuxième définition.2. Le degré d’hydratation peut être défini en fonction de la quantité de ciment anhydre encore présente :
= 1−
……..(1.9)
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* Les définitions 1 et 2 peuvent différer, en particulier au jeune âge. Age (h) Composants
de cimentC3S C2S C3A C4AF
Degré d’hydratation (%)
0.01 0.0 0.0 0.0 0.01 0.0 0.0 11.3 9.0
2 1.4 0.0 11.3 9.03 3.3 0.0 11.3 9.04 5.7 0.0 12.4 9.024 33.7 0.0 26.3 10.448 43.0 8.6 35.4 13.664 44.5 10.4 38.0 19.8
Rapport d’hydratation des composants de la pâte de ciment ( E/C = 0.4 21°C ) [Lea, 1970]
En conclusion de cette section, nous pouvons dire qu’il n’existe aucune définition univoque et
communément admise du degré d’hydratation. En pratique, différentes déf initions sont utilisées selon lesméthodes de mesure appliquées.
FIGURE 8: Degré d’hydratation de deux ciment normal et blanc : T-1H ciment Portland, T-L ciment blancavec cendres volantes [Feng et al., 2004]
4-2) Détermination du degré d’hydratation
4-2-1) Mesure de par Diffraction des Rayons X :
FIGURE 9 : Diagramme de Diffraction aux Rayons X d’un ciment anhydre et d’un ciment hydraté pendant24 heures
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4-2-2) Mesure de par analyse d’images au Microscope Electronique à Balayage :
(MEB)
FIGURE
10: Image MEB de mortier d’un ciment Portland, ˆag´e de 200 jours, E/C=0,4[Scrivener, 2004]
4-2-3) Mesure de par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN)
4-2-4) Mesure de `a partir de l’eau liée chimiquement
4-2-5) Mesure de par calorimétrie :
La calorimétrie ne mesure pas directement une quantité de ciment hydraté, mais plutôt la chaleur produiteau cours des réactions d’hydratation. Les méthodes calorimétriques peuvent être classées en quatre types
distincts :
* Méthode de la chaleur de solution.* Calorimétrie isotherme.* Calorimétrie isotherme.* Calorimétrie adiabatique.
5) Modélisation de l’hydratation :
Après nous être intéressé à la définition et à la mesure du degré d’hydratation, nous présentons dans lesparagraphes suivants quelques modèles numériques d’hydratation bas´es sur une représentation aléatoirede la microstructure des matériaux cimentaires.
5-1) Modèles Microscopiques :
Les modèles d’hydratation microscopiques sont généralement complexes. La plupart des approches auniveau microscopique se basent sur une étude de la cinétique d’hydratation à l’échelle du grain de ciment.Dans ces modèles il est nécessaire d’utiliser des méthodes numériques d’homogénéisation. Ces méthodesd’homogénéisation apportent une précision nécessaire au calcul des champs locaux et permettent deprendre en compte les comportements non linéaires des phases constitutives[Andrieux, 1983;Marigo et
al.,1987]. Dans les paragraphes suivants, nous présentons quelques modèles numériques basés sur unereprésentation aléatoire de la microstructure des matériaux cimentaires.
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5.1.1) Le modèle du NIST
FIGURE 11: A gauche - Le modèle CEMHYD3D [Bentz, 1997] A droite - représentation3D de la microstructure simulée après une hydratation complète [Pigbat et al., 2005]
Cinétiques d’hydratation des particules pour simuler l’´evolution de la microstructure du ciment en coursd’hydratation. Dans ce modèle l’espace poreux capillaire a ´et´e caractérisé par transformation en réseau detubes cylindriques [Pigbat et al., 2005].
5.1.2) Le modèle du TU Delft
5.1.3) Le modèle de l’EPFL
5.2) Modèles Macroscopiques :
L’approche macroscopique du processus d’hydratation consiste à considérer la réaction de manière globale. Un exemple parmi les modèles les plus connus est celui proposé parAvrami en 1940, et initialement développé pour décrire les changements de phases enmilieu homogène. C’est un modèle largement répandu qui décrit l’hydratation au cours des périodesd’accélération
FIGURE 12: Modèle de l’EPFL : Représentation du VER généré par éléments finis. a- Maillage 3D des
granulats, b- Décomposition de domaine [Huet, 1999].
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FIGURE 13: Développement de la microstructure au cours de l’hydratation du ciment
a-Particules de ciment anhydre,b- Première étape de l’hydratation, c- Couche instantanée de gel,
d- Recouvrement du gel [Qing Sheng, 2006]
6) Les différentes théories de l’hydratation :Ce paragraphe s’attache à dégager les deux grandes écoles de pensée sur lesquelles reposent les différentesthéories de l’hydratation. Cette présentation critique et volontairement partiale des différentes conceptionsde l’hydratation est l’occasion de décrire succinctement les phénomènes physico-chimiquescaractéristiques de l’hydratation des liants hydrauliques.
6-1) La théorie de Le Châtelier :Lavoisier fut le premier à décrire la prise des liants hydrauliques comme un processus de cristallisation[Lavoisier, 1768]. Plus tard, Le Châtelier reprit à son compte et développa cette conception. Le Châtelierestime improbable un mécanisme d’hydratation que l’on définirait aujourd’hui comme "topochimique". Il
propose que la sursaturation soit induite par les vitesses relatives de deux phénomènes contraires (ladissolution et la précipitation), et considère la sursaturation de la solution à partir de laquelle se produit laprécipitation comme le moteur et la caractéristique fondamentale de l’hydratation : "En précisant les
réactions chimiques auxquelles donne lieu l’hydratation des liants hydrauliques, en rattachant leurcristallisation aux phénomènes de sursaturation et leur durcissement à la cristallisation, on aconsidérablement fait progresser nos connaissances pratiques sur les dits liants"[Le Châtelier, 1919].Tributaire des moyens expérimentaux de son époque, Le Châtelier ignorait l’existence de la "périodedormante" pendant laquelle la sursaturation se stabilise et le système paraît ne plus évoluer. Cette périodeinitiale d’hydratation de faible activité est caractérisée par une période d’induction. Les différentes
théories, développées après Le Châtelier, se sont attachées à fournir une explication à cette périoded’induction apparaissant comme une caractéristique essentielle et spécifique de l’hydratation des liantshydrauliques. Ainsi, de nombreux auteurs ont été amenés à modifier la théorie originale de Le Châtelierpour rendre compte de cette particularité.*1887 : Le Châtelier*La prise du ciment intervient par dissolution des phases anhydres, puis précipitation des phases hydratées.Solubilité des hydrates < Solubilité des anhydres
7-2) Période "dormante" et théorie de la cristallisation :Dans le cadre de la théorie de la cristallisation, la précipitation des hydrates a lieu à partir de solutionssursaturées. Pour interpréter la "période dormante", la notion de "retards de cristallisation" est introduite.
Ces retards sont facilement observables lors de la précipitation de sels peu solubles à partir de solutionssursaturées seules (ne comportant aucun renouvellement des ions en solution par la dissolution d’une phase
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solide). Les travaux sur la germination du C-S-H [Garrault, 1998], détaillés dans la suite de ce mémoire,montreque la germination homogène du C-S-H intervient après un temps d’induction de durée inversement
proportionnel au degré de sursaturation atteint à partir d’une solution de chaux et de silice.
Figure 3 : Induction de précipitation de C-S-H en fonction de la sursaturation notée _ [Garrault, 1998]
Dans ce cas particulier, les mécanismes mis en jeu ont entièrement lieu en solution. La germination esthomogène et les germes croissent à partir des ions de la solution. Ainsi, la durée de la période d’induction
de germination homogène, en tant que fonction décroissante du degré de sursaturation de la solution, meten évidence que la sursaturation peut être à la fois la cause et le moteur de la précipitation. Sur ce pointprécis, cette conception rejoint la théorie de l’hydratation proposée par Le Châtelier.
6-3) Période "dormante" et germination hétérogène : Le caractère hétérogène de la germination de C-S-H est mis en évidence lors de l’hydratation du C3S
[Garrault, 1998]. Mais la surface de solide anhydre n’intervient pas dans le principe originel de la théoriede la cristallisation. Toutefois, un mécanisme de germination hétérogène peut tout de même être introduit.Dans ce cas, des germes d’hydrate apparaissent brutalement, par un mécanisme de germination hétérogène,sur des sites énergétiquement favorables à la surface du solide anhydre. Néanmoins, la quantité de germesest insuffisante pour déclencher immédiatement une précipitation significative.La "période dormante" représente alors une phase de croissance de ces germes à partir des ions en solution.Mais cette croissance est extrêmement réduite compte-tenu de la faible surface extérieure des germes.Comme la théorie de la cristallisation originelle, cette conception maintient le rôle moteur de lasursaturation pendant la "période dormante".Néanmoins, elle accorde une place nouvelle et majeure à la surface de solide anhydre initiale. Le terme"période dormante", entretenant l’idée d’une phase de gestation où rien ne se passe, induit en erreur sur la
véritable nature du phénomène pilotant cette période de l’hydratation. Il serait plus exact et rigoureuxd’employer la dénomination de période d’induction, ou mieux encore de période athermique.
6-4) Période "dormante" et réaction topochimique :
Cette conception se démarque de la théorie défendue par Le Châtelier, car elle considère que le sel hydraténe précipite pas à partir de la solution. L’eau qui se "dissout" dans le réseau cristallin de l’anhydre
provoque une précipitation de germes dont la croissance est alimenté par la diffusion à l’état solide des
molécules d’eau au travers de l’interface ainsi créée.Dans son principe, le processus d’hydratation est ici très proche des réactions hétérogènes solide-gaz,comme l’oxydation des métaux pulvérulents. L’un des premiers a soutenir cette hypothèse de mécanismefut Michaëlis [Michaëlis, 1909]. Il considérait qu’au contact de l’eau, la dissolution du clinker formait un
squelette pauvre de chaux après libération d’ions calcium en solution. Le gel d’hydrate apparaît alors par
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gonflement de ce squelette sous l’action de la solution de chaux. La période d’induction correspond ainsi
au recouvrement des grains anhydres d’une espèce hydratée intermédiaire, souvent mal cristallisée, decomposition mal définie et variable, peu stable et qui formerait dans certains cas un gel. La sursaturationde la solution ne joue pas un rôle moteur dans cette conception de l’hydratation.
7) Synthèse sur les différentes théories d’hydratation
Il a longtemps été difficile de trancher entre les deux grandes catégories de mécanismed’hydratation : 1). le mécanisme d’hydratation désigné généralement par le qualificatif "topochimique", fondé sur lafixation directe des molécules d’eau à la manière d’une réaction solide-gaz,2). le mécanisme d’hydratation défendu par Le Châtelier, reposant sur la dissolution des phases anhydres,la formation d’une solution sursaturée qui entraîne la précipitation des hydrates.Grâce aux progrès réalisés ces dernières décennies sur la compréhension du mécanisme d’hydratation du
C3S, des preuves expérimentales semblent valider l’idée maîtresse de le Châtelier selon laquelle lasursaturation de la solution est le moteur de l’hydratation [Ménétrier, 1977]. Le processus d’hydratation du
ciment, connu aujourd’hui sous l’appellation "principe de Le Châtelier", peut être schématisé par troisétapes successives :* la dissolution congruente des différentes phases anhydres du ciment,
* la formation de solutions sursaturées,* les réactions de formation des différents hydrates qui sont alors en compétition.
8) Influence de la granulométrie :
Alors que la concentration initiale en Ca(OH)2 détermine la cinétique d’hydratation des phases silicates, lagranulométrie est un paramètre particulièrement important pour l’hydratation des phases aluminates. Parexemple, l’influence de la granulométrie de CA contenant des traces de CA2 résiduel a été observée[Galtier, 1981]. Pour une hydratation à 25 °C, la tranche granulométrique de C3A la plus fine (diamètremoyen φ < 40 μm) présente une vitesse d’hydratation 1,7 fois plus lente qu’avec des particules de C3A
plus grosses (100 μm < φ < 40 μm). Galtier conclut que les fines particules de CA retardent l’hydratation
des plus grosses. Cette réactivité spécifique paraît liée à la formation de l’hydrate CAH10.L’influence de la granulométrie du C3A sur son hydratation en présence de gypse (L/S = 25) dans unesolution saturée en portlandite a été examinée [Minard, 2003]. La période de formation de l’ettringite est
alors 25 fois plus longue pour les grosses particules de C3A (φ = 53 μm) que pour les fines (φ = 1,2 μm).Ces résultats sur les tranches granulométriques de C3A notées tranche 11 (pour les fines particules de 1,2μm) et tranche 3 (pour les grosses de 53 μm)
Figure 7 : Impact de la granulométrie sur l’hydratation de mélange C3A-gypse [Minard, 2003]
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La cinétique d’hydratation du C3A, en présence de gypse et de portlandite, est dépendante de la taille des grains de C3A. La surface développée des grains anhydres de C3A est unfacteur cinétique prépondérant. L’hydratation du C3A en présence de gypse est d’autant plus rapide que les grains sont petits et la surface accessible de C3A importante.
9) Influence des fumées de silice sur l'évolution de l'hydratation des pâtes de Ciment :
Les fumées de silice (FS) sont utilisées en génie civil, notamment pour la fabrication de bétons à trèshautes performances. Afin de mettre en évidence le gain de résistance des bétons à base de FS, nous noussommes intéresséà l'aspect microstructural. Les mélanges FS-Chaux en pâte ont une prise hydraulique dueà la formation d'une phase C-S-H (hydrosilicates de calcium). Cette dernière est semi cristallisée. Elle estcaractérisée par les raies de diffraction aux rayons X, hk0 à savoir: 3,06 Å (220), 2,80 À (400) et 1,83 À(040). L'étude des mélanges FS-Chaux en pâte est donc une approche simplifiée de celle des mélanges FS-CEM I dans lesquels la réaction principale est la fixation, par les FS, de la Portlandite provenant del'hydratation du C3S sous forme de C-S-H. Les essais ont été effectués, sur deux variétés de FS issus d'unmême four de fabrication, en présence de chaux ou de ciment Portland. Les résultats montrent que laprésence de certaines impuretés, par leurs actions sur la solubilité de la silice joue un rôle important surl'évolution de l'hydratation des principaux constituants des ciments Portland et sur la cinétique de fixationde la chaux par les FS. Parmi les impuretés contenues dans les FS, le carbone retarde considérablementl'hydratation des principaux constituants du ciment Portland (C3S et C3A) ainsi que la réactivitépouzzolanique des fumées de silice sans pour autant l'éliminer.
10) Résistance chimique du produit de l'hydratation de C4A3S :
Du point de vue de la résistance chimique de la matrice à base de ciment bélitique sulfoaluminate, larésistance chimique de β-C
2S et de C
4AF est à la fois intéressante et importante. D'après les résultats
obtenus, le C4A3S hydraté est une masse hétérogène d'ettringite et d'hydroxyde d'aluminium. L'ettringites'est révélée être un composant instable en réaction avec des solutions d'acide chlorhydrique et de chlorurede calcium. Elle semble stable dans la solution de sulfate de sodium, alors que l'hydroxyde d'aluminiumsemble être un composant neutre lorsqu'il est soumis aux agressivités étudiées.
11) Méthodes de détermination de la diffusivité hydrique de pâtes de ciment durcies :
Ce travail présent différent méthodes de détermination des diffusivités hydriques des matériaux poreux.Elles sont basées respectivement sur les cinétiques expérimentales d'adsorption et de désorption de lavapeur d'eau, les perméabilités à la vapeur d'eau et les isothermes, et l 'évolution des profits hydriques au
cours d'expériences en régime dynamique. Elles ont été appliquées à une pâte de ciment ordinaire de E/c =0,85 et sur une pâte correspondant aux bétons à haute performance de E/c = 0,2 et contenant de la fumée desilice et un super plastifiant.
12) L'hydratation des ciments sous malaxage continuRéalisation d'un dispositif de malaxage continu (auto malaxeur) qui permet d'étudier le rôle fondamentalde la phase aqueuse dans la chimie des ciments. Le dispositif permet le prélèvement en continud'échantillons de la pâte fluide avec séparation aussi rapide que possible de la phase liquide des phasessolides pour analyse
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13) Influence du rapport E/C sur l'hydratation, la microstructure et les déformations endogènes de
pâtes de ciment durcies :
L'objectif de cette étude est d'évaluer l'influence du rapport E/C sur l'hydratation du ciment et sur la natureet la structure des hydrates formés. Les résultats obtenus par plusieurs techniques ont permis de mettre enévidence l'influence du rapport E/C sur les caractéristiques structurales des pâtes de ciment. Quelle que soitl'échéance d'hydratation, il apparaît un comportement différent lorsque le rapport E/C atteint des valeurs
proches de 0,40. Cette limite semble correspondre à un «seuil de percolation» de l'eau dans le réseaucapillaire. Lorsque le rapport E/C augmente, la quantité de portlandite, ramenée à une masse unitaire deciment anhydre, augmente alors que le rapport molaire CaO/SiO2 des C-S-H a tendance à diminuer. Parailleurs, le suivi des déformations endogènes lors de l'hydratation montre, pour les rapports E/C élevés, unephase de gonflement suivie d'un retrait. Dans le cas des rapports E/C faibles, seul un retrait est observé.
14) Bilan simplifié de l’hydratation du ciment au "jeune âge"
14-1) Simplification du système de réactions chimiquesLa description grossière d’un ciment Portland aboutit à un mélange ternaire de C3S,C3A et de CSH2.
L’hydratation au "jeune âge" peut alors être considérée comme un système de cinq réactions se déroulantsimultanément (équation 5).(a) C3S + 3 H → 3 Ca2+
+ 4 OH− + H2SiO2−4
(b) C / S Ca2+ + 2 (C / S − 1) OH− + H2SiO2− 4 → C − S − H
(c) C3A + 6 H → 3 Ca2+ + 4 OH− + 2 Al(OH)−4
(d) CSH2 → Ca2+ + SO2−4 + 2 H
(e) 26 H + 6 Ca2+ + 2 Al(OH)−4 + 3 SO2−4 + 4 OH− → C6AS3H32
Equation 5 : Bilan simplifié des réactions d’hydratation du ciment au "jeune âge"
Dans ce système, trois réactions de dissolution se distinguent :
* la dissolution du C3S (équation 5 a),* la dissolution du C3A (équation 5 c),* la dissolution du gypse (équation 5 d).Mais également deux réactions de précipitation :*la précipitation des C-S-H (équation 5 b),* la précipitation de l’ettringite (équation 5 e).
14-2) Limites et domaines de validitéLe système de réactions chimiques décrit précédemment n’est valable que sur une courte période que nousappelons l’hydratation au "jeune âge". Cette appellation est arbitraire et correspond à la périoded’hydratation s’étendant de la fin de la dissolution pure des phases anhydres jusqu’à la précipitation
massive de la portlandite, tant qu’il reste du sulfate de calcium pour pouvoir former de l’ettringite. Les
principales approximations de cette description consistent à négliger les réactions avec les phases C4AF etC2S ainsi que la formation des phases C4AH13 et C2AH8.* Réactivité et facteurs cinétiques* Impact de la concentration initiale en Ca(OH)2
La cinétique du processus d’hydratation du C3S est considérablement affectée par la concentration initialeen hydroxyde de calcium de l’eau de gâchage. Les mesures conductimétriques sont particulièrementsensibles et adaptées au suivi de l’hydratation des phases silicates. L’hydratation de C3S se déroule en
quatre périodes distinctes (figure 5 A et B).L’impact de la concentration initiale en hydroxyde de calcium sur ces différentes périodes est interprété
grâce aux conclusions émises par Garrault [Garrault, 1998].
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15) Ciment hydraulique contre ciment non-hydraulique :
Les ciments hydrauliques sont des matériaux avec lesquels placez et durcissez après avoir été combiné
l'eau, en raison de réactions chimiques avec l'eau de mélange, et celle, après durcissement, maintenez la
force et la stabilité même sous l'eau. La condition principale pour ces force et stabilité est que les hydrates
ont formé sur la réaction immédiate avec de l'eau soient essentiellement insolubles dans l'eau. La plupart
des ciments de construction sont aujourd'hui hydrauliques, et les la plupart de ces derniers sont basées
dessus Ciment de Portland, à partir dont est fait principalement pierre à chaux, certain argile minerais, et
gypse dans un processus à hautes températures qui élimine anhydride carbonique et combine
chimiquement les ingrédients primaires dans de nouveaux composés. Les ciments Non-hydrauliques
incluent des matériaux tels que les plâtres (non-hydrauliques) de chaux et de gypse, qui doivent être gardés
au sec afin de gagner la force, et l'oxychlorure cimente, qui a les composants liquides. Les mortiers de
chaux, par exemple, « ont placé » seulement en se desséchant, et force de gain seulement très lentement
par absorption d'anhydride carbonique de l'atmosphère pour reformer le carbonate de calcium à travers
carbonatation.
Plaçant et durcissant des ciments hydrauliques sont provoqués par la formation des composés
contenant de l'eau, qui forment en raison des réactions entre les composants de ciment et l'eau. La
réaction et les produits de réaction désigné sous le nom de l'hydrations et des hydrates ou des phases
d'hydrate, respectivement. En raison du début immédiat des réactions, on peut observer un
raidissement qui est au commencement léger mais qui augmente avec du temps. Le point auquel le
raidissement atteint un certain niveau désigné sous le nom du début du réglage. Davantage de
consolidation s'appelle l'arrangement, après quoi la phase du durcissement commence. La résistance àla pression du matériel se développe alors solidement, sur une période qui s'étend de quelques jours
dans le cas de « ultra-rapide-durcir » des ciments à plusieurs années dans le cas des ciments ordinaires.
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Conclusion
Ce mini projet nous a permis de rappeler les principes de base des mécanismes d’hydratation des matériaux
matrice cimentaire. C’est une étape indispensable pour la bonne compréhension de tous les phénomènesassociés à l’hydratation, que nous avons caractérisés et modélisés dans ce mini projet, et qui comprennent
les retraits endogène et thermique, ainsi que les déformations sous l’effet du chargement (fluage propre).
Ensuite quelques techniques de détermination du degré d’hydratation ont été brièvement décrites et nous
avons présenté quelques modèles microscopiques utilisés pour modéliser l’hydratation du ciment. Ces
modèles peuvent être utilisés lorsque nous cherchons à étudier des phénomènes locaux au sein de lamicrostructure, mais s’avèrent complexes développer et couteux en moyens de calcul et d’identification.
C’est pourquoi nous avons été amenés à présenter des modelés macroscopiques phénoménologiques quifournissent des estimations simples du comportement des bétons. Ces modelés nous ont ensuite donnél’idée de développer un modèle macroscopique qui reproduise l’hydratation du ciment au cours de temps,et son effet sur les déformations différées. Nous proposerons les théories d’hydratation de ciment .Enfin
nous avons terminé le mini projet par une comparaison entre le ciment hydraté et le ciment non hydraté.
Louis Joseph Vicat, né le 31 mars 1786 à Nevers et mort le 10 avril 1861 à Grenoble, est un ingénieurfrançais, inventeur du artificiel. Il entre à l'École polytechnique en 1804, puis à l'École des Ponts etChaussées en 1806.Il étudie le mécanisme de prise des chaux naturelles et découvre leurs principesd'hydraulicité sur le chantier du pont de Souillac. Cela permet la fabrication de la chaux hydrauliqueartificielle et du ciment naturel à partir de 1817. Il découvre le clinker, élément constitutif du ciment lent,et permet la fabrication artificielle du ciment Portland (« l'or gris ») à partir de 1840.Il invente égalementl'aiguille Vicat qui permet de déterminer le temps de prise.
Rappelons rapidement que le ciment portland (CPA), inventé par Louis VICAT en 1817, est la cuissond'un mélange minéral à base de calcaire (80%) et d'argile (20%) cuits à une température de 1400° environ.Les nodules issus de cette cuisson produit le clinker qui est ensuite moulu puis additionné de gypse. Dans l'antiquité, il n'est pas sûr que nous ayons pu atteindre ces températures de façon constante- bien-quel'on fabriqua de la chaux depuis la Haute Antiquité- si bien que l'observation scientifique a montré que cesciments étaient constitués de pierre volcanique calcinée ou d'argile kaolinitique calcinée (les cimentsromains), de cendres volcaniques ou de pouzzonales naturelles.