chaleur d'hydratation

8/16/2019 Chaleur d'Hydratation

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Chaleur d'hydratation

et fissurabilité

1. Introduction

Les réactions du ciment Portland en présence d'eau ou "hydratation" produisent des composéshydratés qui permettent de lier les différentes particules de ciment et de granulat ce qui confère

au béton ces qualités de résistance mécanique. Ces réactions s'accompagnent d'effets

secondaires qui peuvent produire des dégradations du matériau lorsqu'ils ne sont pas pris en

compte. L'un de ces effets est la chaleur dégagée lors de ces réactions d'hydratation dont la

grandeur dépend de la composition du ciment. La dynamique des réactions d'hydratation va

dépendre de nombreux facteurs tels que finesse de mouture, composition, ajout d'éléments

secondaires (gypse par exemple). Ces propriétés liées aux réactions d'hydratation doivent

permettre de pouvoir travailler le produit béton jusqu'à sa mise en forme. Elles doivent aussi

permettre au produit de durcir dans un temps suffisamment court pour pouvoir poursuivre les

travaux de construction.

Les réactions exothermiques peuvent engendrer des dégradations lors du refroidissement du

béton telles que fissures de retrait thermique lors de refroidissement trop rapide, fissures aux

interfaces entre ancien et nouveau béton (reprise de bétonnage). Ce risque de fissure peut aussi

être du à un retrait lors de la prise du ciment. Les réactions du ciment consomment une partie de

l'eau de gâchage et cette perte peut entraîner des forces capillaires produisant un retrait de la

pâte de ciment que l'on nomme retrait d'autodessication. A plus long terme le séchage du béton,

c'est-à-dire la perte du résidu d'eau jusqu'à l'équilibre entraîne aussi du retrait de séchage.

L'ensemble de ces retraits produits selon les conditions un risque de fissuration de l'objet

construit.

La chaleur dégagée est particulièrement importante pour les ouvrages massifs, tels que les

barrages. La température à l'intérieur des grandes masses de béton peut augmenter de plus de

50°C par rapport à la température du béton lors de sa mise en place. Le retrait est la principale

cause des fissures qui peuvent apparaître dans les bétons de grande masse. Le retrait thermique

se produit lorsque la température baisse. Pour éviter une augmentation de température trop

importante, on peut refroidir artificiellement le béton à l'aide de tuyaux noyés dans la masse et

dans lesquels on fait circuler de l'eau froide. D'autre part, on peut également utiliser des ciments

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spéciaux à basse chaleur d'hydratation. Des exemples d'augmentation de température d'éléments

en béton sont donnés à la figure 1.

0

10

20

30

40

50

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Age du béton [jour]

Dosage en ciment 300 kg/m3

f cwm= 45 N/mm2

E l é v a t i o n d e t e m p é r a t u r e [ ° C ]

6m

3m

2m

1m


0

10

20

30

40

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14


f cwm= 40 N/mm2

6m

3m

2m

1m

0

10

20

30

40

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14


f cwm= 30 N/mm2


6m

3m

2m

1m



Figure 1: Variation de la température au cœur d'éléments en béton de

différentes épaisseurs, pour 3 différentes qualités de béton

- 2 -


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2. Objectif

Le but de la séance consiste à mesurer les effets de l'hydratation de divers ciment Portland et de

comprendre les effets secondaires lier au durcissement, c'est-à-dire la chaleur d'hydratation, les

retraits liés aux durcissements. Connaissant ces mécanismes, il est alors possible de choisir au

mieux un ciment en fonction de l'application.

3. Chaleur d'hydratation

3.1. Méthode

a) Fabrication du mortier normal

Composition : - sable CEN 1350 g- ciment 450 g

- eau 225 g

Mélanger d'abord eau et ciment durant 30 s à 140 t/min, ajouter le sable rapidement et

malaxer durant 60 s à 280 t/min.

b) Mesure de la chaleur d'hydratation

Aussitôt après la fabrication du mortier

- peser la boîte vide

- mettre le mortier dans la boîte et peser le tout

- installer la sonde de température

- fermer le calorimètre

- mettre en fonction l'acquisiteur de données (mesure du temps et de la température de

référence et des températures des calorimètres)

c) Calcul de la chaleur d'hydratation

La chaleur d'hydratation q à l'instant t s'écrit (1er terme : chaleur accumulée, 2ème terme:

perte de chaleur vers l'extérieur):

dtm

1

m

C

q

t

0cc⋅θ⋅α+θ= ∫ avec

( ) µ+⋅+⋅++= besc m3.1m76.3mm75.0C et θ⋅+=α ba

mc, ms, me, m b : masse de ciment, sable, 'eau dans l'éprouvette et de la boîte [g]

t : durée d'hydratation [h]

C : capacité thermique du calorimètre et de l'éprouvette [J °C-1]

α : coefficient de déperdition thermique du calorimètre [J h-1 °C-1]θ : échauffement de l'éprouvette à l'instant t (différence entre la température de

l'éprouvette et la référence) [°C]

µ : capacité thermique du calorimètre vide [J °C-1]

a, b : paramètre spécifique d'étalonnage du calorimètre

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Le calcul est réalisé par pas successif sur toute la période de mesure. Pour chacun des pas, on

connaît le temps ti et l'échauffement iθ . Ceci permet de calculer les valeurs suivantes:

- chaleur dans le calorimètre : i

c

m

C A θ=

- échauffement moyen :( )

2

1ii

moy,i

−θ+θ=θ

- coeff. de déperdition moyen : moy,imoy,i ba θ⋅+=α

- perte de chaleur : imoy,imoy,ic

tm

1B ∆⋅θ⋅α= ∑

- chaleur d'hydratation au temps t : B AQ +=

3.2. Travail à effectuer

- déterminer le temps de prise à l’aide de l’appareil de Vicat. Le temps de prise est le temps

écoulé entre l’instant où l’on mélange le ciment et l’eau et celui où l’aigille s’arrête à 4 mm du

fond de l’anneau.

Figure 2 : Appareil de Vicat.

- déterminer la chaleur d'hydratation à 12 h, 1 j, 3 j et 5 j

- estimer la réactivité du ciment (pente de la courbe q(t) durant la prise

- faire des commentaires sur les différents comportements des ciments

3.3. Aspect théorique

La chaleur d'hydratation dépend de la composition du ciment Portlands. Le tableau ci-dessous

défini les principales caractéristiques de ces constituants.

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Constituant Chaleur dégagée Comportement des constituants purs

C3S 500 J/g - fait prise et durcit rapidement

- haute résistance atteinte à court terme

C2S 260 J/gr - réagit lentement

- haute résistance atteinte à long terme

C3A 865 J/gr - prise de façon très désordonnée et rapide

- faible résistance

(nécessite du gypse pour régulariser la prise)

C4AF 418 J/gr - faible résistance

Les valeurs des chaleurs d'hydratation pour les 4 principaux composés du CP et du laitier de

haut fourneau sont données à la figure 3, pour des temps d'hydratation de 7 jours et une année.

Les valeurs données pour une année correspondent aux valeurs pour une hydratation complète.

Figure 3: Chaleur d'hydratation des principaux composés des ciments et du laitier

Lors du mélange eau + ciment, il y a une première réaction entre le C3A et le gypse pour former

l'ettringite. Ceci permet de bloquer les réactions d'hydratation erratiques de ce composé durant 1

à 2 heures.

Les vitesses d'hydratation dépendent évidemment de la composition du ciment mais aussi de la

finesse de mouture du produit. Un ciment fin, donc avec une surface spécifique élevée, aura une

réactivité plus importante. La température du milieu influence aussi la réactivité; à température

élevée la réactivité est nettement plus forte.

4. Fissurabilité

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L'anneau de Bolomey est un moule de format cylindrique avec en son centre un noyau

métallique. Ce dernier étant indéformable par rapport à la pâte de ciment qui l'entoure, il induit

des efforts de traction menant à la fissuration. On mesure l'ouverture de la fissure. Cette

méthode permet une comparaison des produits, elle ne donne pas de valeur susceptible d'être

utilisée lors d'un dimensionnement.

4.1. Méthode

- préparer une pâte de ciment avec un rapport E/C de 0.25

- remplir l'anneau de Bolomey et lisser la surface

- couvrir la surface avec une feuille PE durant le premier jour

- laisser sécher

- mesurer l'ouverture de la fissure après 1 semaine

4.2. Travail à effectuer

- calculer le retrait de la pâte de ciment

- comparer les valeurs selon le type de ciment

5. Plan suggéré pour le rapport

1. Essais effectués

- brève description de chaque essai effectué avec les résultats.

- discussion et commentaires sur les résultats obtenus.

2. Conclusions

- conclusions, remarques et commentaires personnels

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