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Chapitre 6 – Les Liants Hydrauliques 020MAGS1 – MATÉRIAUX DE CONSTRUCTION

020MACGS1 - MATÉRIAUX DE CONSTRUCTION - FARAH HOMSI 1

Plan 6.1. Introduction

6.2. La chaux

6.3. Les silico-calcaires

6.4. Le Plâtre

6.5. Le clinker

6.6. Les ciments

6.7. Comparaison des propriétés des chaux et ciments


6.1. Introduction • Pour construire des murs afin de bâtir des habitations ou des édifices, il faut disposer de matériaux solides et massifs.

• Les pierres extraites du sol et la terre crue ou cuite permettent d’avoir à notre disposition des matériaux de base comme des moellons ou des briques que l’on peut empiler pour ériger les murs.

• Mais empiler ne suffit pas pour avoir une structure stable : il est nécessaire de rigidifier l’assemblage afin qu’il reste pérenne, même sous l’action des charges qui incombent à l’ensemble de la construction.

• Il faut donc lier entre eux tous les éléments constitutifs du mur, et aussi avec lui les autres parties du bâtiment (murs adjacents, toiture, planchers…).


6.1. Introduction • Pour assurer ces liaisons, on utilise des matériaux qui doivent:

• être suffisamment plastiques lors de la pose pour s’adapter à toutes les formes,

• être adhérents aux matériaux de base,

• se solidifier après la pose afin de rigidifier le mur et avoir une résistance mécanique suffisante – à l’état rigide – pour garantir la solidité de l’édifice.

• Ces matériaux sont appelés liants.


6.1. Introduction • Il existe deux grandes catégories de liants :

• ceux qui se solidifient par un séchage dû à l’évaporation de l’eau, ce qui nécessite l’absence d’humidité, et même parfois un peu de chaleur : ce sont les liants non hydrauliques ;

• ceux qui se solidifient en présence d’eau, et pour lesquels l’eau est souvent nécessaire à l’obtention d’un solide stable et résistant : ce sont les liants hydrauliques.


6.1. Introduction • Ces liants peuvent être fabriqués directement à partir de matières premières

minérales extraites du sol, comme le calcaire, l’argile ou le gypse, mais on sait aussi en fabriquer d’autres en mélangeant ces matières premières entre elles afin d’optimiser les propriétés recherchées lors de la mise en œuvre, ou d’améliorer les caractéristiques du liant solidifié.

• On peut aussi y joindre des additifs.

• On sait de plus transformer ces matières pour obtenir une pierre nouvelle qui servira de base à des liants hydrauliques artificiels : les ciments.

• Ce chapitre introduit tous ces liants, en insistant plus particulièrement sur les liants hydrauliques, qui sont ceux qui sont les plus utilisés et les plus répandus dans la construction.



6.2. La chaux


6.4. Le Plâtre

6.5. Le clinker

6.6. Les ciments



6.2. La chaux (الكلس) 1. Elements historiques

• La chaux était connue dès la préhistoire : on entretenait le feu entre des pierres, et quand les pierres étaient de calcaire, elles se transformaient en chaux vive sous l’action de la chaleur du feu. De l’eau sur la chaux vive obtenue permettait d’avoir de la chaux éteinte.

• On a retrouvé des traces d’utilisation de la chaux comme liant dans la construction en Mésopotamie, puis chez de nombreux peuples antiques, des Égyptiens aux Grecs et aux Romains.

• La production de la chaux a commencé à chuter lorsque l’utilisation des ciments s’est répandue, après la Première Guerre mondiale. En France, en 1926, la production de ciment a dépassé celle de la chaux.


Ancien four à chaux

6.2. La chaux (الكلس) 2. Fabrication de la chaux aérienne (non hydraulique)

• Il existe deux états de la chaux telle qu’elle peut être utilisée :

• La chaux vive est un oxyde de calcium issu du carbonate de calcium.

• La chaux éteinte est un hydroxyde issu de la chaux vive ayant réagi avec de l’eau.

• Ces deux états procèdent donc du même processus de fabrication.

• Le matériau obtenu aboutit à l’existence d’un liant non hydraulique.



• Le cycle de la chaux aérienne commence avec la pierre de carbonate de calcium (calcaire) CaCO3. Elle est extraite de carrières, puis elle est concassée et broyée.

• Les cailloux obtenus sont ensuite chauffés fortement dans des fours à des températures qui sont comprises entre 1 000 °C et 1 250 °C. Suivant la grosseur des cailloux, on utilise un four horizontal (d < 4 cm) ou vertical (d > 4 cm).

• On extrait de ces fours de la chaux vive (CaO), produite selon la réaction de décarbonatation du calcaire, avec production de gaz carbonique (CO2) :

CaCO3 → CaO + CO2

• La chaux vive est un composé chimique qui se présente sous la forme de cailloux ou d’une poudre blanche concassée très caustique (son contact avec la peau peut provoquer des brûlures) et qui recherche l’humidité avec une réaction vive.

• Il faut 2 t de calcaire pour produire 1 t de chaux vive.



Les fours utilisés sont de plusieurs types :

Les fours horizontaux:

• les fours horizontaux sont de conception ancienne, et sont gourmands en énergie. Malgré leur souplesse d’utilisation, ils sont donc réservés aux cailloux de petites granulométries.

• Ces installations industrielles sont de grandes dimensions : 2 à 4m de diamètre et 150m de long. Ces fours sont souvent rotatifs et en faible pente pour favoriser la circulation des cailloux. Ils comportent des zones de préchauffage et de refroidissement. Ils peuvent fournir jusqu’à 1 000 t de chaux par jour ;



Les fours utilisés sont de plusieurs types :

Les fours verticaux:

• les fours verticaux à mélange sont les plus classiques: ce sont des colonnes de 10 à 40 m de hauteur et 2 à 4 m de diamètre, faites en réfractaires céramiques enveloppées par une gaine en acier.

• Elles comportent des zones de préchauffage et de refroidissement (avec un courant d’air montant), et produisent de 50 à 500 t de chaux par jour.


6.2. La chaux 2. Fabrication de la chaux aérienne (non hydraulique)

• La chaux vive doit impérativement être stockée au sec.

• Si on désire obtenir de la chaux éteinte Ca(OH)2, il est nécessaire d’hydrater la chaux vive. Cette opération a lieu dans un hydrateur, qui est généralement un mélangeur rotatif. La réaction d’hydratation produit de la chaleur :

CaO + H2O → Ca(OH)2 ; ΔH = 1 150 kJ/kg de chaux vive.


6.2. La chaux 2. Fabrication de la chaux aérienne (non hydraulique)

• Dans l’hydrateur, la quantité d’eau à introduire est celle nécessaire à la réaction d’hydratation: selon la stœchiométrie de la réaction, il faut mélanger 56 kg de chaux vive et 18 kg d’eau pour obtenir 74 kg de chaux éteinte. La chaleur produite correspond alors à 64 400 kJ (= 56 kg × 1150 kJ/kg) .

• En réalité, il faut ajouter un peu plus d’eau car la chaleur élève la température, de l’eau s’évapore donc, ce qui doit être compensé.

• La chaux éteinte se présente aussi sous forme d’une poudre blanche, mais sans réaction vive avec l’eau.


6.2. La chaux 3. Caractérisation et utilisation des chaux aériennes

• Les caractéristiques des chaux aériennes sont indiquées dans le tableau.

• En solution, et selon la concentration, le pH de la chaux varie entre 11 et 12,5. Elle a donc bien un caractère basique.



• La réactivité de la chaux est reliée au dégagement de chaleur de la chaux vive lors de l’hydratation : c’est le temps t que met la température pour passer de 20 °C à 60 °C lorsqu’on dissout une certaine masse de chaux dans quatre fois sa masse en eau :

• chaux très réactive : t = 2 à 4 min ;

• chaux moyennement réactive : t = 15 à 30 min ;

• chaux peu réactive : t très long.



• Partie à l’état de pierre carbonatée la chaux aérienne est transformée en chaux vive par la chaleur, en fournissant du gaz carbonique.

• Cette chaux vive est éteinte par l’action de l’eau: de la chaleur est restituée. On utilise la chaux éteinte sous une forme pâteuse, pour mettre en place le liant.

• La chaux a tendance à retourner à l’état de pierre carbonatée en perdant son eau et en absorbant le gaz carbonique de l’air: phase de carbonatation de la chaux éteinte, qui conduit à la formation d’un solide.


Cycle d’evolution du calcaire

TD. 6.1 – Fabrication de la chaux vive La chaux vive est obtenue par décarbonatation du carbonate de sodium suivant la réaction:

CaCO3 → CaO + CO2

La chaux éteinte ou hydroxyde de calcium est obtenue par extinction de la chaux vive. L’hydroxyde de calcium est obtenu par réaction de l’oxyde de calcium avec l’eau selon la réaction: CaO + H2O → Ca(OH)2 ; ΔH = 1 150 kJ/kg de chaux vive

1- réaliser un bilan de matière pour montrer que la décarbonatation d’une masse m1 = 10 kg de carbonate de calcium produira une masse m2 = 4,4 kg de dioxyde de carbone ainsi qu’une masse m3=5,6 kg de chaux vive.

2- Réaliser un bilan de matière pour montrer que l’hydratation d’une masse m3 = 5,6 kg de chaux vive nécessite une masse m4=1,8 kg d’eau.


TD. 6.1 – Fabrication de la chaux vive 3- La réaction chimique de l’extinction de la chaux est très exothermique, elle libère une énergie E = 1150 kJ par kg de chaux qui réagit. Calculer en joules l’énergie libérée par l’extinction d’une masse m3 = 5,6 kg de chaux vive.

4- En supposant que cette énergie serve uniquement à chauffer une masse d’eau m5=18,1 kg, quelle variation de température subirait l’eau? Commenter.

Données:

◦ masses molaires atomiques en g/mol: MO=16, Mc = 12, MH = 1, Mca=40.

◦ Energie échangée lors d’une élévation de température: Q = m ×c × (T2-T1)

◦ Capacité thermique de l’eau: c = 4,2 103 J.kg-1.K-1


6.2. La chaux


6.2. La chaux 4. Les chaux hydrauliques


6.2. La chaux 4. Les chaux hydrauliques

• La norme NF EN 459-1 standardise les produits de chaux pour la construction : • les chaux hydrauliques naturelles (NHL) sont fabriquées avec des argiles naturellement

contenues dans les pierres de la carrière utilisée. Elles sont de type soit hydraulique, soit éminemment hydraulique (i > 0,3). Leur résistance minimale à la compression après 28 jours de prise est de 2 MPa ;

• les chaux hydrauliques naturelles avec matières ajoutées (NHL-Z), afin d’obtenir jusqu’à 20 % (en masse) de matières argileuses. Leur résistance minimale à la compression après 28 jours de prise est de 3,5 MPa ;

• les chaux hydrauliques (HL) produites à partir de mélanges de matériaux nécessaires à l’obtention de l’hydroxyde de calcium et des silicates et aluminates recherchés. Leur résistance minimale à la compression après 28 jours de prise est de 5 MPa.


6.2. La chaux 5. Cycle de la chaux hydraulique

• A l’origine, sont présents le carbonate de calcium, la silice, l’alumine et l’oxyde de fer.

• La cuisson a le même effet sur le calcaire que dans le cycle de la chaux aérienne : il se forme de la chaux vive avec libération de gaz carbonique à partir de 900 °C.

• Mais la silice entre en réaction avec une fraction de la chaux vive à partir de 1 100°C, et il se forme alors un silicate bicalcique, noté C2S, accompagné d’un dégagement de chaleur.

• Cette chaleur peut faire monter localement la température dans le mélange jusqu’à 1250 °C, et le C2S se transforme alors partiellement en sodium tricalcique, noté C3S. Parallèlement, on a formation d’aluminates et de ferro-silicates de calcium



CaCO3 → CaO.

CaO + SiO2 + Aℓ2O3 + Fe2O3 → C2S + Ca(AℓO2)2 + ferro-aluminate de calcium.

CaO + C2S → C3S.

• L’extinction par l’eau, provoque une hydratation de la chaux vive, qui se transforme en hydroxyde de calcium, noté CH, avec dégagement de chaleur. La chaux hydraulique est alors commercialisée: CaO + H2O → CH

• Sur le chantier, le gâchage fait apparaître du silicate de calcium hydraté, noté CSH. Cette dernière évolution est très lente et peut se dérouler durant plusieurs années. Elle est surtout notable durant les premières semaines, et ralentit ensuite:

C2S + H2O + CH → CSH + CH.



• C’est la présence de CSH qui confère au matériau final sa cohésion et sa résistance mécanique.

• Au contact de l’air, la chaux éteinte CH réagit avec le gaz carbonique pour reformer du carbonate: c’est la prise aérienne de la chaux, ou carbonatation, qui provoque son durcissement : CH + CO2 → CaCO3 + H2O.

• Dans les chaux NLH-Z, les matières ajoutées sont des cendres volcaniques, appelées pouzzolanes.

• Elles contiennent des silicates qui forment d’autres CSH et qui augmentent la résistance mécanique de la chaux solidifiée.


6.2. La chaux 6. Propriétés et utilisation des chaux hydrauliques

• La résistance mécanique des chaux NLH est moyenne. Cependant, leur durée de prise peut être suffisamment longue pour éviter les problèmes de fissuration liés à un retrait rapide, et de remontées capillaires qui en découlent.

• L’utilisation de chaux comme liant permet de préserver les matériaux voisins qui sont peu sollicités.

• Le critère qui permet d’évaluer la tenue mécanique est la résistance à la compression, mais comme la prise peut s’avérer longue, voire très longue, on convient de la mesurer :

• soit au jeune âge, au bout de 7 jours. On la note alors Rc7 ;

• soit à 28 jours. On la note alors Rc28.



• Le tableau donne des valeurs-cadres de résistance pour les différents types normalisés de chaux hydrauliques.



• Les types les moins résistants (NHL 2) sont associés à des matériaux naturels et pourront participer à des montages de murs en torchis, en pierre tendre ou en terre.

• Le deuxième type (NHL 3,5) correspond à un usage courant de la chaux en construction : montage de murs, enduits, carrelages.

• Les chaux les plus résistantes (NHL 5) peuvent en plus être employées pour la restauration d’ouvrages anciens ou pour élaborer des bétons de chaux.

• La chaux est imperméable à l’eau, mais la perméabilité à la vapeur d’eau est nettement plus grande que celle d’un mortier de ciment.

• La chaux peut donc contribuer aux échanges hygrothermiques des locaux d’habitation, tout en protégeant la structure d’un ruissellement.



6.2. La chaux


6.4. Le Plâtre

6.5. Le clinker

6.6. Les ciments



6.3. Les silico-calcaires • Les silico-calcaires sont des liants hydrauliques obtenus en mélangeant de la chaux (vive ou éteinte selon les cas) avec du sable et de l’eau.

• Le mélange est ensuite porté en autoclave à une température d’environ 180 °C, afin d’obtenir des silicates de chaux hydratés tels que ceux déjà mentionnés avec la chaux hydraulique : les CSH.

• Les autoclaves sont des installations industrielles de dimension importante, pouvant faire 2,5 à 4 m de diamètre et entre 20 et 40 m de long.


6.3. Les silico-calcaires • On peut mettre des adjuvants dans les silico-calcaires, et notamment des colorants. Il est également possible de pratiquer des traitements de surface pour améliorer certaines caractéristiques (anti-corrosion, étanchéité…).

• Il existe deux variétés de silico-calcaires : l’une dense et l’autre légère :

les silico-calcaires denses:

• Ils sont fabriqués avec de la chaux vive uniquement.

• Le mélange est vibro-comprimé avant le passage en autoclave, et on fabrique en bout de chaîne des briques et des blocs, dont la masse volumique varie de 1 700 à 2100 kg/m3, et dont la résistance mécanique varie en fonction de la densité de 6 à 60 MPa.

• La conductivité thermique évolue entre 1,16 et 12,63 W/m.K ;


6.3. Les silico-calcaires les silico-calcaires légers:

• Ils ont un autre mode de fabrication.

• On mélange en effet de la chaux et du ciment auxquels on ajoute de la poudre d’aluminium. La pâte élaborée est coulée dans des moules dont le contenu est durci lors d’un préchauffage à 60 °C.

• Après démoulage, les éléments passent à l’autoclave à 180 °C durant au moins 10 h. La présence d’aluminium produit une réaction dégageant de l’hydrogène, ce qui provoque une expansion du matériau dont le volume peut doubler.

• On fabrique des blocs et des dalles en silico-calcaire léger. La masse volumique est comprise entre 300 et 800 kg/m3, et la résistance mécanique varie en fonction de la densité de 1,5 à 7 MPa.

• La conductivité thermique est environ de 0,08 W/m.K pour le matériau sec de masse volumique 300 kg/m3. Il est nécessaire de tenir compte de l’humidité dans le matériau.



6.2. La chaux


6.4. Le Plâtre

6.5. Le clinker

6.6. Les ciments



6.4. Le plâtre 1. Fabrication

• Le plâtre est un matériau fabriqué avec du gypse, qui est un minéral naturel constitué de sulfate de calcium hydraté dont la formule chimique est CaSO4, 2H2O.

• Il existe du gypse synthétique, qui est un sous-produit de la fabrication industrielle d’acide phosphorique ou d’autres acides minéraux, ou bien encore du traitement de désulfuration des fumées d’usine. La source principale de fabrication du plâtre est le traitement des fumées. On en extrait une boue qui est séchée puis compactée en cailloux de taille millimétrique. Ces cailloux sont ensuite traités comme du gypse naturel.

• Le gypse naturel est extrait de galeries souterraines ou de carrières à ciel ouvert, concassé, calibré et tamisé avant d’être envoyé au four de cuisson.


6.4. Le plâtre 1. Fabrication • Les fours sont semblables aux fours à chaux horizontaux (fixes ou rotatifs) ou à

mélange :

• en atmosphère sèche, si la température du four est comprise entre 110 °C et 180°C, on obtient un semi-hydrate ; si la température dépasse 500 °C, on obtient du plâtre surcuit ;

• en atmosphère humide, dans des autoclaves à 180 °C avec des pressions de vapeur comprises entre 2.105 Pa et 12.105 Pa ou dans des fours rotatifs. On obtient un gypse semi-hydraté très dur, utilisable pour fabriquer des moulages.

• Le plâtre semi-hydraté est obtenu par une déshydratation partielle qui s’écrit :

CaSO4, 2 H2O → CaSO4, ½ H2O + ¾ H2O.



• Après la cuisson, le plâtre obtenu est broyé puis tamisé. On peut alors ajuster la

composition à l’aide d’adjuvants. Le plâtre calibré est ensuite stocké. Le vieillissement

est favorable pour la qualité du produit.

• Lors de l’hydratation, les variations de volume sont telles que le matériau solide

obtenu est fortement poreux. Cette porosité de constitution confère au plâtre de

bonnes propriétés d’isolation thermique.

• Le gâchage du plâtre utilise des quantités d’eau importantes, plus grandes que celles

correspondant à l’hydratation seule. Le séchage est donc une étape cruciale.



• Le séchage correspond à la cristallisation puis au durcissement du réseau cristallin.

• Ce néo-solide ne doit pas subir trop de contraintes, et il convient d’assurer un

assèchement régulier et homogène. Un retrait léger se produit pendant l’étape de

séchage. La durée de prise peut être augmentée ou diminuée par l’utilisation

d’adjuvants spécifiques.

• le plâtre peut être utilisé comme liant ou mortier pour les joints entre pierres,

comme enduit de surface ou comme matériau de moulure.




Enduit d’un plafond Moulures de plâtre

6.4. Le plâtre 2. Proporiétés du plâtre

Thermo-hygrométrie

• La conductivité thermique du plâtre

dépend de la masse volumique du

solide obtenu, ainsi que de l’humidité

du matériau.

• Elle reste toutefois faible, car le plâtre

est poreux.

• On en déduit que le matériau peut être

considéré comme un isolant.



Thermo-hygrométrie

• Il est toutefois rarement utilisé seul. En

tant qu’enduit, il participera donc aux

propriétés d’isolation thermique d’une

paroi, bien que sa faible épaisseur ne

lui confère pas un rôle primordial.



Thermo-hygrométrie

• La perméabilité à la vapeur d’eau est considérable :

• la perméance e/π à la vapeur d’un enduit de plâtre épais de 15 mm est de 0,7g/m3.h.mmHg. Par comparaison, celle d’un enduit de mortier de ciment avec la même épaisseur serait de 0,03 g/m3.h.mmHg ;

• la perméance d’un carreau de plâtre épais de 50 mm est de 0,25 g/m3.h.mmHg.

• Le plâtre est donc capable d’absorber des quantités importantes de vapeur d’eau dans un local. Il peut aussi la restituer lorsque l’ambiance s’assèche. Ce matériau est donc un régulateur de l’hygrométrie d’un local.



Propriétés acoustiques

• Le plâtre étant un matériau poreux, la loi de masse qui s’applique à lui ne lui

confère pas de très bonnes propriétés d’isolement acoustique.

• Le plâtre n’étant pas utilisé seul, c’est son assemblage avec d’autres matériaux qui

peut être intéressant (double paroi avec des placages de plâtre par exemple).

• Par contre, le plâtre est un matériau non réverbérant qui peut ainsi contribuer au

confort acoustique à l’intérieur d’un local.



Tenue au feu

• Le plâtre est rangé parmi les matériaux de l’Euroclasse A1. Il est donc incombustible.

• Comme il est mauvais conducteur de la chaleur, il ne participe pas à la propagation

d’un incendie par conduction.

• De plus, sous l’effet de la chaleur, le plâtre se transforme en absorbant une partie de

cette chaleur et en libérant de l’eau. Il s’oppose donc au développement du feu.

• Enfin, il forme une croûte qui reste stable même à température élevée et qui

continue à protéger les couches sous-jacentes de matériau.



Plâtre et environnement

• La production de plâtre émet des poussières lors de l’étape initiale (broyage), ce qui

nécessite la mise en œuvre de dispositifs de dépoussiérage.

• La combustion est aussi productrice de gaz à effet de serre, ce qui impose une

grande rigueur dans la gestion du fonctionnement des fours. L’émission de gaz

carbonique reste cependant faible.

• Le plâtre est un sulfate, ion très soluble dans l’eau, mais qui n’est pas considéré

comme toxique. Les stockages de plâtre n’ont pas révélé de pollution des nappes

phréatiques.



Plâtre et environnement

• Le plâtre peut être recyclé dans les usines de gypse. Les procédures sont plus

complexes quand le plâtre est combiné avec d’autres matériaux, comme dans des

plaques pour cloisons intérieures. Il faut alors séparer ces matériaux.

• On peut aussi utiliser le plâtre comme remblai, ou le mettre en décharge.



6.2. La chaux


6.4. Le Plâtre

6.5. Le clinker

6.6. Les ciments



6.5. Le clinker 1. Formulation du clinker

• C’est Louis Vicat qui en 1817 a élaboré la théorie de l’hydraulicité et a fourni les proportions d’un mélange qui, après cuisson convenable, donne naissance à un liant hydraulique nouveau: le ciment.

• Les quatre constituants de base sont les mêmes que ceux des chaux hydrauliques :

• la chaux vive, qui est désignée par C ;

• la silice, qui est désignée par S ;

• l’alumine, qui est désignée par A ;

• l’oxyde ferreux, qui est désigné par F.


5. Le clinker 2. Fabrication du clinker

• Pour obtenir ce mélange, il faut partir de matières premières naturelles : les roches de calcaire (carbonate de calcium) et d’argile (silice + alumine + oxyde ferrique).

• Les roches extraites sont concassées sur place, puis envoyées à la cimenterie. Les blocs y sont alors broyés et mélangées intimement dans des proportions de 80 % de calcaire et 20 % d’argile. Après contrôle, on peut corriger la composition et la granulométrie du mélange obtenu.

• Il est ensuite séché (étuvage à 300 °C), broyé (farine de 0,2 mm) et homogénéisé par brassage (à l’aide d’une soufflerie). Ce mélange est appelé le cru.


6.5. Le clinker 2. Fabrication du clinker

• La cuisson est pratiquée en deux étapes :

• dans une tour haute de plusieurs dizaines de mètres, on introduit le cru par le haut. Dans cette tour, on fait passer un courant ascendant d’air chaud à 1 000 °C. En descendant, la poudre s’échauffe jusqu’à 850 °C et le calcaire se transforme en chaux vive ;

• le mélange passe ensuite dans un four rotatif horizontal (environ 100 m de long, 1 à 3 tr/min), où un brûleur fournit une flamme de 30 m qui monte au minimum à 1800°C. La poudre chaude atteint la température critique de 1 450 °C et rentre partiellement en fusion.



• Au cours du passage dans le four rotatif, la température du cru monte progressivement et l’on obtient, comme déjà décrit avec les chaux hydrauliques :

• la formation du silicate C2S à partir de 800 °C (2CaO, SiO2) ;

• la formation des aluminates C3A à partir de 850 °C (3CaO, Al2O3) ;

• la formation des alumino-ferrites C4AF à partir de 1 100 °C (4CaO, Al2O3, Fe2O3) ;

• la formation du silicate C3S entre 1 250 et 1 450 °C (3CaO, SiO2).



• Le produit obtenu redescend ensuite jusqu’à 1 200 °C, puis il est brutalement refroidi par une trempe à l’air ambiant. Ce produit se présente sous la forme de granules gris. Il est appelé le clinker.

• Le clinker contient finalement le sodium tricalcique C3S (62 %) et dicalcique C2S (22 %), avec de l’aluminate tricalcique C3A (8 %) et de l’alumino-ferrite C4AF (8 %).

• Il est ensuite mélangé avec une faible proportion de gypse (moins de 5 %) pour améliorer la prise ultérieure, puis finement broyé pour obtenir une poudre farineuse grise : le ciment Portland.



• Après sa fabrication, il est stocké puis livré :

• soit en vrac sur des grands chantiers ou dans les usines de préfabrication (camions-citernes, wagons, péniches) ;

• soit après conditionnement en sacs de papiers kraft de 25 ou 50 kg ;

• il peut être conditionné en big bags, des emballages plastique contenant 1 à 2 t de poudre.

• La poudre de ciment portland pèse environ 1 200 kg/m3, avec des variations liées à sa granulométrie.




https://www.infociments.fr/ciments/fabrication-du-ciment-le-process


6.2. La chaux


6.4. Le Plâtre

6.5. Le clinker

6.6. Les ciments



6.6. Les ciments 1. Composition des ciments courants (Selon ASTM C150)

• ASTM C 150, Standard Specification for Portland Cement, provides for eight types of portland cement using Roman numeral designations as follows: • Type I Normal • Type IA Normal, air-entraining • Type II Moderate sulfate resistance • Type IIA Moderate sulfate resistance, air-entraining • Type III High early strength • Type IIIA High early strength, air-entraining • Type IV Low heat of hydration • Type V High sulfate resistance



• Type I portland cement is a general-purpose cement suitable for all uses where the special properties of other types are not required.

• Its uses in concrete include pavements, floors, reinforced concrete buildings, bridges, tanks, reservoirs, pipe, masonry units, and precast concrete products.


6.6. Les ciments 1. Composition des ciments courants (Selon ASTM C150) • Type II portland cement is used where precaution against moderate sulfate attack is important.

• It is used in normal structures or elements exposed to soil or round waters where sulfate concentrations are higher than normal but not unusually severe.

• Type II cement has moderate sulfate resistant properties because it contains no more than 8% tricalcium Aluminate (C3A).

• Because of its increased availability, Type II cement is sometimes used in all aspects of construction.

• Some cements may be labeled with more than one type designation, for example Type I/II.


6.6. Les ciments 1. Composition des ciments courants (Selon ASTM C150) • Moderate sulfate resistant cements and high sulfate resistant cements improve the sulfate resistance of concrete elements, such as slabs on ground, pipe, and concrete posts exposed to high-sulfate soils.



• Type III portland cement provides strength at an early period, usually a week or less.

It is chemically and physically similar to Type I cement, except that its particles have

been ground finer. (higher content of C3S)

• It is used when forms need to be removed as soon as possible or when the structure

must be put into service quickly. In cold weather its use permits a reduction in the

length of the curing period.

• Although higher-cement content mixes of Type I cement can be used to gain high

early strength, Type III may provide it easier and more economically.




• High early strength cements are used where early concrete strength is needed, such as in cold

weather concreting, fast track paving to minimize traffic congestion, and rapid form removal for

precast concrete.


• Type IV portland cement is used where the rate and amount of heat generated from

hydration must be minimized.

• It develops strength at a slower rate than other cement types. Type IV cement is

intended for use in massive concrete structures, such as large gravity dams, where the

temperature rise resulting from heat generated during hardening must be minimized.

Type IV cement is rarely available.


• Moderate heat and low heat cements minimize heat generation in

massive elements or structures such as (left) very thick bridge

supports, and (right) dams. Hoover dam, shown here, used a Type IV

cement to control temperature rise.


• Type V portland cement is used in concrete exposed to severe sulfate action—principally where soils or groundwaters have a high sulfate content.

• It gains strength more slowly than Type I cement.

• The high sulfate resistance of Type V cement is attributed to a low tricalcium aluminate content, not more than 5%.

• Use of a low water to cementitious materials ratio and low permeability are critical to the performance of any concrete exposed to sulfates. Even Type V cement concrete cannot withstand a severe sulfate exposure if the concrete has a high water to cementitious materials ratio.




• Specimens used in the outdoor

sulfate test plot in Sacramento,

California, are 150 x 150 x 760-mm

beams. A comparison of ratings is

illustrated: a rating of 5 for 12-year old

concretes made with Type V cement

and a water-to-cement ratio of 0.65;

and a rating of 2 for 16- year old

concretes made with Type V cement

and a water-to cement ratio of 0.39 Rating 5 – 12 years concrete – Type

V cement – W/C = 0.65 Rating 2 – 16 years concrete – Type

V cement – W/C = 0.39


• Cements of Types IA, IIA, and IIIA correspond in composition to ASTM Types I, II, and III, respectively, except that small quantities of air-entraining material are interground with the clinker during manufacture. These cements produce concrete with improved resistance to freezing and thawing.

• Such concrete contains minute, well-distributed, and completely separated air bubbles.

• Air entrainment for most concretes is achieved through the use of an air-entraining admixture, rather than through the use of air-entraining cements. Air-entraining cements are available only in certain areas.



• White portland cement is made of selected raw materials containing negligible

amounts of iron and magnesium oxides—the substances that give cement its gray

color.

• White portland cement is used primarily for architectural purposes. Its use is

recommended wherever white or colored concrete, grout, or mortar is desired. White

portland cement should be specified as: white portland cement meeting the

specifications of ASTM C 150, Type [I, II, III, or V].




• White portland cement is used in white or light-colored architectural concrete, ranging from (left to right)

terrazzo for floors shown here with white cement and green granite aggregate to decorative and structural

precast and cast-inplace elements to building exteriors. The far right photograph shows a white precast

concrete building housing the ASTM Headquarters in West Conshohocken, Pennsylvania.

TD-6.2 – Classification Ciments Selon ASTM C150

Le tableau suivant donne la composition chimique de différents types de ciment Portland. Identifier les différents types de ciment selon ASTM C150. Expliquer votre réponse.


Composant Ciment

A B C D E

C3S 46 30 49 55 41

C2S 30 47 26 14 36

C3A 6 5 11 10 4

C4AF 12 13 8 7 10

TD-6.3 – Type de ciment à utliser What type of cement would you use in each of the following cases? why?

- construction of a large pier ------------------------------------------------------------

- construction in cold weather ----------------------------------------------------------

- construction in hot weather -----------------------------------------------------------

- foundation in a soil with severe sulfate exposure -------------------------------


TD-6.4 – Type de ciment selon ASTM C 150 Le graphe suivant montre l’évolution de la résistance à la compression de bétons faits avec les 5 différents types de ciment selon ASTM C150. Identifier les types de ciments utilisés dans chaque cas.


6.6. Les ciments 1. Composition des ciments courants (Selon NF EN 197-1 )

• Le clinker ou ciment Portland fait partie de la composition de tous les ciments courants.

• C’est la norme NF EN 197-1 qui régit la dénomination des cinq types de ciments courants en fonction de la composition du mélange en poudre.

• Le ciment dont la composition est la plus simple est donc le ciment Portland, fabriqué avec du clinker (K). La norme l’appelle ciment de type I, ou CEM I.

• Pour les autres types, il y a donc des additions d’autres composés appelés composés principaux si leur teneur est égale ou supérieure à 6 % ; les autres constituants sont les composés secondaires (comme le gypse) ou des additifs (concentrations inférieures à 0,5 %).



• Parmi les composés principaux, on trouve:

• le clinker (noté K),

• le calcaire, noté L ou LL ;

• les laitiers de haut fourneau, notés S (attention aux confusions avec les silicates) ;

• les fumées de silice, notées D ;

• les pouzzolanes naturelles, notées P ou Q ;

• les cendres volantes siliceuses, notées V ;

• les cendres volantes calciques, notées W ;

• le schiste calciné, noté T.



• Les composants secondaires sont notés F, ils peuvent être parmi ceux déjà cités ci-avant si leur teneur est inférieure à 6 %. Ils sont destinés à conférer au ciment des caractéristiques particulières. Les additifs améliorent la fabrication du ciment (agents de mouture). Les ciments sont classés en cinq types selon leur composition:

• CEM I : ciments Portland ;

• CEM II : ciments Portland composés : (au laitier, à la fumée de silice, à la pouzzolane, aux cendres volantes, au schiste calciné, composés) ;



• CEM III : ciments de haut-fourneau (vitesse d'hydratation réduite, bonne résistance aux milieux agressifs, utilisés pour travaux hydrauliques, travaux souterrains, fondations, injections, travaux en eaux agressives, ouvrages massifs);

• CEM IV : ciments pouzzolaniques (bonne résistance mécanique, sensible au froid, il est destiné en particulier à des travaux massifs en béton armé ou précontraint, aux travaux maritimes et aux ouvrages étanches);

• CEM V : ciments composés.


6.6. Les ciments 2. Résistance mécanique des ciments courants

• la norme NF EN 196-1 permet de déterminer la résistance mécanique d’un ciment, mesurée en fait par des essais de compressions sur des éprouvettes de mortier. Cette résistance augmente avec le temps depuis le début de la prise : elle est mesurée à 2 jours, 7 jours et 28 jours.

• Les résistances à 2 et 7 jours sont les résistances à court terme RC2, RC7 et la résistance à 28 jours est la résistance courante RC28.

• Les ciments courants doivent être identifiés au moment de la vente par le type de ciment (CEM X) suivie d’un chiffre correspondant à sa classe de résistance mécanique (32,5, 42,5 ou 52,5), suivi d’une lettre R ou N qui qualifie la résistance à court terme.


6.6. Les ciments 2. Résistance mécanique des ciments courants

• Le tableau permet de retrouver les résistances à attendre (en mégapascals) selon les désignations employées.


6.6. Les ciments 3. Ciments spéciaux

• L’existence des ciments spéciaux se justifie de deux manières :

• soit parce qu’ils correspondent à un usage particulier. On y trouve :

• les ciments pour travaux en eau de mer (PM) : ils ont une teneur limitée en C3A qui leur confère une meilleure résistance aux agressions par les chlorures,

• les ciments pour travaux en eaux sulfatées (ES) : voisins des ciments PM,

• les ciments à teneur en sulfures limitée (CP) : destinés à la fabrication de bétons précontraints;


6.6. Les ciments 3. Ciments spéciaux • soit parce qu’on recherche des caractéristiques particulières lors de la mise en

œuvre. On y trouve: • le ciment d’aluminate de calcium, dont le constituant principal est le CA (CaO,

Al2O3). La prise de ce ciment est très rapide, et la résistance obtenue est rapidement très bonne. De plus, le ciment solide résiste bien aux agressions chimiques,

• le ciment prompt naturel (CPN), dont la cuisson ne s’effectue qu’à 1 200°C, entraînant la formation de composés différents. On observe que la prise est très rapide (moins de 30 min), ainsi que le durcissement,

• le ciment à maçonner, qui produit des mortiers suffisamment esthétiques pour être utilisés pour des enduits intérieurs ou extérieurs, sans ajouts. Ils sont très voisins des ciments Portland.


6.6. Les ciments 4. Propriétés de ciments

• Surface spécifique de la poudre de ciment

• C’est la surface totale développée de tous les grains de la poudre contenus dans 1 g de cette poudre. La finesse d’une mouture s’exprime donc en cm²/g. Elle est comprise entre 2 700 et 5 500 cm²/g, sauf pour les CPN qui sont très fins (jusqu’à 7 500 cm²/g).

• Masse volumique de la poudre de ciment

• La masse volumique apparente est voisine de celle de l’eau (1 000 kg/m3). La masse volumique absolue (le solide sans les vides interstitiels entre les grains) avoisine 3000kg/cm3.


6.6. Les ciments 4. Propriétés de ciments

• Début de prise de la pâte

• Après un certain temps, et selon le ciment, on observe une croissance brutale de la viscosité du ciment gâché avec de l’eau, qui s’accompagne d’une élévation de température : c’est le début de la prise. Ce temps doit être, selon le type de ciment, supérieur à 45 min ou à 1 h. Il est souvent compris entre 60 et 90 min.

• Epaisseur minimale

• Les éléments en ciment doivent posséder en tout point une épaisseur minimale pour que cet élément puisse être considéré comme stable mécaniquement. Cette épaisseur minimale de stabilité est de 10 mm.


6.6. Les ciments 4. Propriétés de ciments • Retrait

• La prise du ciment correspond à une réaction d’hydratation qui consomme une certaine quantité d’eau, et dégage de la chaleur. Une autre partie de l’eau s’évapore durant la prise, et le volume final diminue au fur et à mesure de cette évaporation.

• On observe donc un retrait du volume de ciment avec le temps. Le retrait linéaire correspond à la diminution de longueur observée sur une barre de ciment de 1 m, au bout d’un temps donné. Ce retrait s’exprime en μm/m.


6.6. Les ciments 4. Propriétés de ciments • Retrait

• Le tableau fournit les valeurs de ce retrait en fonction de la classe du ciment, au bout de 28 jours. Le retrait se poursuit cependant bien au-delà de cette période et dépend beaucoup des conditions physico-chimiques d’emploi pour le matériau (notamment température et humidité de l’atmosphère).



6.2. La chaux


6.4. Le Plâtre

6.5. Le clinker

6.6. Les ciments




• Les chaux et les ciments ne possèdent pas les mêmes caractéristiques physiques et mécaniques. Pour s’en rendre compte, le tableau permet de faire des comparaisons entre une chaux aérienne, une chaux hydraulique et un ciment Portland.

• C’est le ciment qui possède la prise la plus rapide et pour lequel la résistance mécanique est le plus grande.


chapitre 6 les liants hydrauliques - mes online · 2019. 12. 5. · 6.1. introduction •il existe...

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