MATERIAUX DE CONSTRUCTIONSOMMAIRE : 1. Introduction1.1. L'ingnieur et les matriaux 1.2. Classification des matriaux 1.3. Proprits des matriaux de construction Exercices

2. Les ciments2.1. Introduction 2.2 Principe de fabrication ciment portland 2.3 Constituants principaux et additions. 2.4 Les principales catgories de ciment. 2.5 Caractristiques du ciment portland. Expriences

3. Les granulats3.1 Introduction 3.2 Courbes granulomtriques 3.3 Classification des granulats 3.4 Caractristiques des granulats 3.5 Diffrents types de granulats Expriences

4. La pte de ciment4.1 Introcduction 4.2 Caractristiques

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5. Le mortier5.1 Introduction 5.2 Composition 5.3 Les diffrents mortiers 5.4 Caractristiques principales Expriences

6. Le bton6.1 Introduction 6.2 Classification 6.3 Slection des lments 6.4 Etude de la composition 6.5 Caractristiques principales du bton frais 6.6 Caractristiques principales du bton durcissant 6.6 Caractristiques principales du bton durcissant 6.7 Les dformations du bton Expriences

7. Briques, blocs de bton, bton prfabriqu7.1 Briques 7.2 Blocs de bton 7.3 Bton prfabriqu

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Prsentation du chapitre 1Dans ce chapitre, nous prsenterons tout d'abord l'importance des matriaux dans le mtier d'ingnieur. Les deux sections suivantes traiterons de la classification et des proprits principales des matriaux. En sciences des matriaux, il est possible de classer les matriaux de base en trois catgories, mais dans la construction, il est devenu courant de distinguer les matriaux selon les domaines demploi et les caractristiques principales. Les proprits principales des matriaux de construction peuvent tre gnralement divises en plusieurs groupes telles que:

Proprits physiques. Proprits mcaniques. Proprits chimiques. Proprits physico-chimiques. Proprits thermiques. Dans la section 1.2, nous verrons la classification des matriaux. Dans la section 1.3, nous dtaillerons les diffrentes proprits physiques et mcaniques des matriaux de construction. Dans la partie Exercices, quelques questions vous permettront de tester vos connaissances.

Sommaire du chapitre 1 1.1. L'ingnieur et les matriaux 1.2. Classification des matriaux

.3. Proprits des matriaux de construction

1. LIngnieur et les MatriauxIl existe plusieurs dfinitions du terme ingnieur.Daprs Larousse: Homme qui conduit et dirige laide des mathmatiques appliques des travaux dArt.

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Daprs Robert: Personne qui a reu une formation scientifique et technique le rendant apte diriger certains travaux.

En gnral, lingnieur est une personne qui a termin des tudes scientifiques de niveau Bac + 5 dans diffrents domaines: Gnie civil, Gnie lectrique, Gnie mcanique etc. Selon le programme des tudes d'ingnieur lUniversit Nationale du Laos, particulirement en Gnie civil, les tudiants doivent valider en tout 172 units d'enseignement: 41 units pour les cours gnraux, 56 units sur les sciences de base et 86 units concernent la spcialit. Il y a 3 units d'enseignement de spcialit sur les matriaux de construction. Comme l'illustre le shma suivant, l ingnieur en gnie civil doit connatre les matriaux quelque soit son domaine dactivit.

1.2. Classification des matriaux de constructionEn sciences des matriaux, il est possible de classer les matriaux de base en trois catgories:

Les mtaux Les polymres Les cramiques

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Mais dans la construction, il est devenu courant de distinguer les matriaux selon des domaines demploi et des caractristiques principales: les matriaux de construction et les matriaux de protection. Les matriaux de construction sont les matriaux qui ont la proprit de rsister contre des forces importantes:

Pierres Terres cuites Bois Bton Mtaux, etc. Les matriaux de protection sont les matriaux qui ont la proprit d'enrober et protger les matriaux de construction principaux:

Enduits Peintures Bitumes, etc.

1.3. Proprits des matriaux de constructionLes proprits principales des matriaux peuvent tre divises en plusieurs groupes tels que:

Proprits physiques: (la dimension; la densit; la masse volumique de diffrentes conditions; la porosit; l'humidit etc..), Proprits mcaniques: (la rsistance en compression, en traction, en torsion etc..) Proprits chimiques: (lalcalinit, lacide etc..) Proprits physico-chimiques: (l'absorption, la permabilit, le retrait et le gonflement etc..) Proprits thermiques: (la dilatation, la rsistance et comportement au feu, etc..) Quelques caractristiques et proprits physiques courantes des matriaux de construction sont: Proprits lies la masse et au volume:

Masse spcifique Masse volumique Porosit, densit Proprits lies leau: Humidit Permabilit Degr d'absorption deau Variation de dimension en fonction de la teneur en eau Proprits thermiques: Rsistance et comportement au feu Chaleur spcifique Coefficient dexpansion thermique Les caractristiques et proprits mcaniques principales dun matriau sont: la rsistance la compression, la rsistance la traction, le module de formation, le module dlectricit, etc. Les matriaux de construction doivent: Page 5

1. possder certaines proprits techniques 2. pouvoir facilement tre travaills 3. tre conomiques. La science des matriaux sefforce de relier les proprits macroscopiques des matriaux leur structure microscopique. La technologie des matriaux soccupe des domaines dapplication de la science des matriaux lart de construire ( savoir: choix des matriaux, dtermination de leurs caractristiques, connaissance de leurs proprits, techniques de mise en oeuvre, mthodes dessais, dveloppement de nouveaux matriaux ou systmes de matriaux). Dans ce cours on va prsenter quelques proprits comme les proprits physiques et les proprits mcaniques.

1.3.1 Les proprits physiquesLa masse volumique apparenteDfinition: Cest la masse dun corps par unit de volume apparent en tat naturel, aprs passage ltuve 105 5 C, note 0 et exprime en (gr/cm3 ; kg/m3; T/m3).

Dtermination: Il existe plusieurs mthodes pour dterminer la masse volumique apparente des matriaux de construction selon leur dimension et leur dispersion: a) Pour les matriaux solides : les roches naturelles, le bton, le bois .., on peut faire des chantillons de forme gomtrique (cubique, cylindrique, ..).

b) Pour les matriaux incohrents (ensemble de grains sable ou gravier). La dtermination de la masse volumique apparente peut se faire en utilisant un rcipient standart (de volume connu).

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La masse volumique dun ensemble de grains est fortement influence par la composition granulomtrique, la forme des grains, le degr de tassement ainsi que la teneur en eau lorsque les grains sont petits. La masse volumique apparente des sables ou des graviers peuvent varier entre 1400 1650 kg/m 3. c)Pour les matriaux de construction qui nont pas de forme gomtrique (forme de patate). La dtermination de la masse volumique apparente des matriaux avec cette forme peut se faire de faon indirecte. Dans ce cas, les chantillons tudis doivent tre enrobs de parafine afin d'tre protgs de la pntration de leau, ensuite on va les peser dans leau. Pour dterminer la masse volumique des matriaux de ce type on a: MS - Masse sche dchantillon (g) MS+P - Masse sche dchantillon aprs avoir enrober une parafine (g). M(S+P)L - Masse sche dchantillon aprs avoir enrob de parafine et pes dans leau (g). gP Masse de la parafine ayant enrob de lchantillon et p masse volumique absolue de parafine.

La masse volumique absolueDfinition: C'est la masse dun corps par unit de volume absolu de matire pleine (volume de matire seule, pores l'intrieur des grains exclus), aprs passage ltuve 105 C, note et exprime en (g/cm3, kg/m3 ou T/m3).

Dtermination: Si les matriaux tudis sont poreux, on doit les concasser et les broyer jusqu ce que la dimension des grains de matriaux (lchantillon) devienne infrieurs 0,2 mm. Ceci afin d'liminer les pores et les vides existants dans les matriaux. Ensuite, on verse lchantillon dans un rcipient, qui contient de l'eau pour pouvoir dterminer la masse volumique absolue (Voir la figure 1.3.1)

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Fig 1.3.1: Dtermination de la masse volumique absolue d'un matriau D'abord on va remplir le volumnomtre deau (N 1), ensuite on verse lchantillon sec dans le volumnomtre et le niveau de leau va augmenter (N2). La diffrence entre le niveau N1 et N2 est le volume absolu de lchantillon. La masse volumique absolue peut se calculer:

Si les grains ne sont pas poreux, la masse spcifique absolue et apparente sont identiques

A la place de la masse spcifique et de la masse volumique, on utilise aussi les anciennes dnominations de poids spcifique et de poids volumique ainsi que les notions de densit apparente qui sont des nombres sans dimension gaux au rapport de la masse spcifique ou de la masse volumique la masse dun volume gal absolu ou apparent deau 4 C.

La porosit et compacit (les granulats)Porosit: La porosit est le rapport du volume vide au volume total.

Fig 1.2: Volume quelconque On peut aussi dfinir la porosit comme le volume de vide par unit de volume apparent.

Compacit: La compacit est le rapport du volume des pleins au volume total.

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Fig 1.3: Volume initaire Ou volume des pleins par unit de volume apparent.

La porosit et la compacit sont lies par relation: p+c=1 Porosit et compacit: La porosit et la compacit sont souvent exprimes en %. La somme des deux est alors gale 100%. En effet:

Si lon connat la masse volumique et la masse spcifique 0 dun matriau, il est ais de calculer sa compacit et porosit.

LhumiditLhumidit est une des proprits importante des matriaux de construction. Elle est un indice pour dterminer la teneur en eau relle des matriaux au moment de l'exprience. En gnral lhumidit est note W et sexprime en pourcentage (%). On peut dterminer lhumidit de matriaux quelconques en utilisant la formule suivante:

o Gs est la masse sche dchantillon (aprs passage ltuve) Gh est la masse humide dchantillon.

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Le degr de lhumidit des matriaux dpend de beaucoup de facteurs, surtout de latmosphre o ils sont stocks, le vent, la temprature et de la porosit du matriau.

Labsorption de leauLabsorption de leau du matriau est la capacit de conserver des chantillons quand ils sont immergs au sein de leau temprature de 20,5 C et la pression atmosphrique. A cette condition leau peut pntrer dans la plupart des vides intersticiels du matriau. Si la porosit du matriau est importante, labsorption de l eau est plus grande, mais labsorption est toujours infrieure la porosit du matriau. On peut dterminer le degr dabsorption de deux manires: a) Labsorption calcule suivant la masse du volume apparent dchantillon note H v (%)

o Gab est la masse absorbante. Gs est la masse sche dchantillon. V0 est le volume apparent du matriau. b) Labsorption calcule suivant la masse de lchantillon note H p (%)

o Gab est la masse absorbante. Gs est la masse sche dchantillon. V0 est le volume apparent du matriau.

Dgr de Saturation (Teneur en eau)La rsistance mcanique des matriaux dpend de plusieurs facteurs. Un des plus importants facteurs influenant la rsistance est le degr de saturation. On a remarqu que les matriaux absorbants de leau, ont une rsistance certainement diminue. Cest pourquoi on doit dterminer le degr de saturation de matriaux. Lorsque tous les vides dun corps sont remplis deau, on dit quil est satur. Le degr de saturation est le rapport du volume de vide rempli deau au volume total de vide. Il joue un grand rle dans les phnomnes de destruction des matriaux poreux par le gel. En se transformant en gel, leau augmente de 9% en volume environ. Le degr de saturation est labsorption maximale de matriaux sous les conditions de pression et de temprature. Il y a deux moyens pour raliser la saturation dans les chantillons de matriaux: limmersion des chantillons dans leau bouillante et la saturation en pression dair . Pour dterminer le degr de saturation en pression dair, on a la dmarche suivante:

Immerger les chantillons dans leau.

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Donner la pression de base de 20 mm Hg jusquau moment o on peut liminer toutes les bulles dair. Ensuite on fait baisser la pression de base de 20 mm Hg la pression atmosphrique. ce moment l, presque tout le vide est rempli deau et dans ce cas-l on dit que les chantillons sont saturs. Le degr de saturation peut se calculer par la formule suivante:

o BH est le degr de saturation (%) Gsat est la masse dchantillon au moment de saturation. Gs est la masse sche dchantillon. V0 est le volume apparent du matriau. Mais de toutes faons, on ne peut pas remplir entirement les vides de lchantillon deau, cest pourquoi il est obligatoire de prsenter cette valeur en une autre solution: "coefficient de saturation", note C BH et exprime en %. Ce coefficient peut tre calcul avec la formule suivante:

o est le degr de porosit. BH est le degr de saturation. Pour connatre la diminution de la rsistance de matriaux en prsence deau, on utilise lindice molle:

o Km Indice molle RBH Rsistance dchantillon au moment de saturation.. Rk Rsistance dchantillon sec. A la place de la saturation, on utilise aussi la teneur en eau dun matriau. Elle est le rapport du poids deau contenu dans ce matriau au poids du mme matriau sec. On peut aussi dfinir la teneur en eau comme le poids deau W contenu par unit de poids de matriau sec.

o E Poids deau dans le matrau. Ps Poids du matriau sec. Ph Poids matriau humide Page 11

Si W est exprim en % :

A partir des dfinitions donnes plus haut, on peut crire les relations :

Leau et les matriaux pierreux (Divers tats de leau dans un matriau poreux)On distingue trois grandes catgories deau:

Leau absorbe: qui se trouve dans le vide entre les particules de matire solide; Leau adsorbe: qui se trouve la surface des particules solides; Plus les particules sont petites, plus cette eau joue un rle important. La premire couche molculaire est oriente et prsente des proprits voisines de celles de ltat solide; Leau chimiquement lie: qui fait partie des particules solides. Ces distinctions ne sont pas toujours absolument claires. Par exemple, dans le gypse CaSO4.2H2O et dans le pltre CaSO4.H2O, leau intervient dans ldifice cristallin, mais tout en conservant son identit. Dans un spectre infra-rouge du gypse et du pltre, il apparat les bandes anhydrite CaSO 4 et eau H2O juxtaposes. On parle deau dhydratation ou de cristallisation. Par contre, dans la raction MgO + H2O -> Mg(OH)2, leau se combine chimiquement en perdant son identit.

Leau dans les granulats destins la confection des btonsEn gnral, les granulats naturels utiliss pour la confection du bton sont peu poreux et nabsorbent pratiquement pas deau lorsquils sont gchs avec le ciment et leau. Par contre, des granulats artificiels, tels le LECA (Light expanded clay aggregate = agrgats lgers expanss dargile), sont poreux. Il faut alors tenir compte de labsorption de leau par les granulats lorsque lon dtermine la quantit deau requise pour fabriquer le bton.

1.3.2 Les proprits mcaniquesLa dformation:La dformation est une des proprits essentielles pour des matriaux de construction. Selon la caractrisation des dformations, on les divise en trois sortes: 1. Dformation lastique:

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Lorsque lon effectue un essai de mise en charge et si, aprs dcharge le corps reprend les mmes formes quil avait avant lessai et quil ne reste aucune dformation rsiduelle, on dit que le corps a un comportement parfaitement lastique (Fig 1.4).

De nombreux corps soumis des charges peu leves ont un comportement presque lastique et la dformation est approximativement proportionnelle la contrainte. Si lon reporte les mesures sur un diagramme contrainte () et dformation (), on obtient une ligne droite (Fig 1.5). Ce type de dformation est appele lasticit linaire. 2. Dformation plastique: La dformation est dite plastique, si aprs dcharge le corps ne reprend pas les mmes formes quil avait avant lessai, il reste quelques dformations (fig 1.6). Cette dformation est appele aussi dformation rsiduelle.

Le fluage et la relaxation

Lorsqu'un corps est soumis l'action prolonge d'une force, la dformation instantane apparaissant lors de la mise en charge est suivie d'une dformation diffre lente laquelle on donne le nom de fluage. Le fluage peut se manifester de deux faons: 1) Le fluage proprement dit (au sens restreint du mot) 2) La relaxation. Admettons que l'action permanente ou de longue dure laquelle est soumis le corps ait produit un tat de contrainte 0 et une dformation 0 l'instant de la mise en charge. Deux cas extrmes peuvent se produire:

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La relaxation est une consquence du fluage, comme cela est bien mis en vidence par les dfinitions suivantes:Fluage proprement dit = Fluage sous charge constante. Fluage sous charge variable = Superposition de fluages dbutant des ges variables. Relaxation = Fluage sous charge dcroissante variable telle que la dformation reste constante.

3. Dformation visqueuse: La dformation est dite visqueuse, si aprs dcharge le corps ne reprend pas instantanment les mme formes quil avait avant lessai, mais il se produit lentement.

La rsistanceLa rsistance des matriaux est un des cours de la formation des ingnieurs en gnie civil. Dans ce cours on apprend de faon plus dtaille les calculs du comportement des matriaux, mais dans le cours de "Matriaux de construction" on va montrer seulement la rsistance en compression et en traction.

Tableau 1.1 : Schma et mthode de dtermination de la rsistance la compression Formule de Matriaux Echantillon Schma calcul testsPage 14

Dimension des chantillons (cm)

Cube

Bton Mortier Roche naturelle Bton Mortier Roche naturelle

15x15x15 7,07x7,07x7,07 10x10x10 15x15x15 20x20x20 d=15 ; h=30 d=h= 5; 7; 10; 15

Cylindre

Prisme

Bton Bois

a=10; 15; 20 h=40; 60; 80 a=2; h=3

chantillons assembls

Brique

a=12; b=12,3; h=14

Moiti d'chantillon de Mortier

Ciment

a=4; S=25 cm2

Tableau 3.2.2 : Schma et mthode de dtermination de la rsistance la flexion Formule de Matriaux Echantillon Schma calcul tests Essai de traction par flexion

Dimension des chantillons (cm)

Prismatique Brique

Ciment Brique

4x4x16 15x15x15

Prismatique

Bton Bois

15x15x60 2x2x30

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Essai de rsistance en traction pure 5x5x50 10x10x80 d0=1; l0=5; l10

Cylindrique Prismatique

Bton Armature

Cylindrique

Bton

d=15; l=30 d=16; l=32

En gnral la rsistance des matriaux est sa capacit contre les actions des forces externes (les charges, les conditions dambiance) tant dfinie en contrainte maximale quand lchantillon est dtruit. La proprit principale de bton durci est sa rsistance la compression. Pour pouvoir valuer la rsistance la compression, on doit avoir la valeur moyenne de trois chantillons au moins, dont les diffrences entre eux doivent tre infrieures 15 %. Il existe deux mthodes pour dterminer la rsistance des matriaux : Mthode Destruction d"chantillon et mthode Non destuction d"chantillon.

3.2.1 Mthode destruction dchantillon La Mthode de destruction dchantillon est la plus utilise, surtout pour dterminer la rsistance la compression de bton, mortier, bloc de bton etc.. Ce type de dtermination est largement usite dans les laboratoires. Le mode opratoire est le suivant:

Prparation des chantillons. Entretien des chantillons. Destruction des chantillons. Dtermination des valeurs de rsistance. Lopration de lessai est excute sur les rglementations de la norme concerne.

3.2.2 Mthode Non destruction dchantillon La mthode de non destruction dchantillon est une des mthodes, qui permet lobtention rapide de la rsistance des matriaux des ouvrages (bton dun ouvrage), sans procder des prlvements de bton durci par carottage. Gnralement il existe quelques moyens usits :

On utilise lappareil qui sapelle sclromtre . En fait il sagit de tester la duret de surface dun bton durci (douvrage). Cette duret dautant plus leve que le bton est plus rsistant, cela permet davoir un ordre de grandeur de la rsistance atteinte par un bton un ge donn. On utilise lappareil qui peut lancer le rayon X travers l ouvrage. Selon le changement de la vitesse du rayon X, il est possible de dterminer la rsistance du matriau.

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Lutilisation de lauscultation sonique : Le principe de l'essai consiste mesurer la vitesse du son lintrieur du bton. Cette vitesse est dautant plus leve que le bton est plus rsistant; cela permet davoir un ordre de grandeur de la rsistance atteinte par un bton un ge donn.

Prsentation du chapitre 2Dans ce chapitre, nous tudierons en dtail le matriau de construction qu'est le ciment. Tout d'abord, nous aborderons les diffrents modes de fabrication du ciment portland dans la section 2.2 . Dans la section 2.3, nous verrons quels sont les constituants principaux du clinker, composant essentiel du ciment, ainsi que les autres constituants du ciment tels que les calcaires, le laitier, les fillers etc... Ensuite, nous classifierons les ciments suivant leur composition et leur rsistance dans la section 2.4. Enfin, nous tudierons dans la section 2.5 les caractristiques physiques et mcaniques du ciment portland telles que la finesse de mouture, la prise, le retrait, la rsistance la compression etc...

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Dans la rubrique Expriences, nous dcrirons quelques essais qui vous permettront de mesurer en laboratoire les caractristiques physiques et mcaniques du ciment. Pour valuer vos connaissances sur ce chapitre, vous pourrez rpondre aux questions de la partie Exercices.

Sommaire du chapitre 2 2.1. Introduction 2.2 Principe de fabrication ciment Portland 2.3 Constituants principaux et additions. 2.4 Les principales catgories de ciment. 2.5 Caractristiques du ciment portland. Expriences

2.1 IntroductionLe ciment est un produit moulu du refroidissement du clinker qui contient un mlange de silicates et daluminates de calcium port 1450 1550 C, temprature de fusion. Le ciment usuel est aussi appel liant hydraulique, car il a la proprit de shydrater et de durcir en prsence deau et par ce que cette hydratation transforme la pte liante, qui a une consistance de dpart plus ou moins fluide, en un solide pratiquement insoluble dans leau. Ce durcissement est d lhydratation de certains composs minraux, notamment des silicates et des aluminates de calcium. Lexpression de pte de ciment durcissant sera utilise pour dsigner la pte de ciment dans la transformation dun tat plus ou moins fluide en un tat solide.

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2.2 Principe de fabrication ciment portlandLa fabrication de ciment se rduit schmatiquement aux trois oprations suivantes:

prparation du cru cuisson broyage et conditionnement Il existe 4 mthodes de fabrication du ciment qui dpendent essentiellement du matriau: 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 sche (la plus utilise). Fabrication du ciment par voie semi-sche (en partant de la voie sche). La compos de base des ciments actuels est un mlange de silicates et daluminates de calcium rsultant de la combinaison de la chaux (CaO) avec la silice (SiO2), lalumine (Al2O3), et loxyde de fer (Fe2O3). La chaux ncessaire est apporte par des roches calcaires, lalumine, la silice et loxyde de fer par des argiles. Les matriaux se trouvent dans la nature sous forme de calcaire, argile ou marne et contiennent, en plus des oxydes dj mentionns, dautres oxydes et en particulier Fe 2O3, l'oxyde ferrique. Le principe de la fabrication du ciment est le suivant: calcaires et argiles sont extraits des carrires, puis concasss, homogniss, ports haute temprature (1450 C) dans un four. Le produit obtenu aprs refroidissement rapide (la trempe) est le clinker. Un mlange dargile et de calcaire est chauff. Au dbut, on provoque le dpart de leau de mouillage, puis au del de 100 C, le dpart deau davantage lie. A partir de 400C commence la composition en gaz carbonique (CO 2) et en chaux (CaO), du calcaire qui est le carbonate de calcium (CaCO 3). Le mlange est port 1450-1550 C, temprature de fusion. Le liquide ainsi obtenu permet lobtention des diffrentes ractions. On suppose que les composants du ciment sont forms de la faon suivante: un partie de CaO est retenu par Al 2O3 et Fe2O3 en formant une masse liquide. SiO2 et CaO restant ragissent pour donner le silicate bicalcique dont une partie se transforme en silicate tricalcique dans la mesure o il reste encore du CaO non combin.

Fabrication par voie humideCette voie est utilise depuis longtemps. Cest le procd le plus ancien, le plus simple mais qui demande le plus dnergie. Dans ce procd, le calcaire et largile sont mlangs et broys finement avec leau de faon, constituer une pte assez liquide (28 42% deau).On brasse nergiquement cette pte dans de grands bassins de 8 10 m de diamtre, dans lesquels tourne un mange de herses. La pte est ensuite stocke dans de grands bassins de plusieurs milliers de mtres cubes, o elle est continuellement malaxe et donc homognise. Ce mlange est appel le cru. Des analyses chimiques permettent de contrler la composition de cette pte, et dapporter les corrections ncessaires avant sa cuisson. La pte est ensuite envoye lentre dun four tournant, chauff son extrmit par une flamme intrieure. Un four rotatif lgrement inclin est constitu dun cylindre dacier dont la longueur peut atteindre 200 mtres. On distingue lintrieure du four plusieurs zones, dont les 3 zones principales sont: Page 19

Zone de schage. Zone de dcarbonatation. Zone de clinkerisation. Les parois de la partie suprieure du four (zone de schage - environ 20% de la longueur du four) sont garnies de chanes marines afin daugmenter les changes caloriques entre la pte et les parties chaudes du four. Le clinker la sortie du four, passe dans des refroidisseurs (trempe du clinker) dont il existe plusieurs types (refroidisseur grille, ballonnets). La vitesse de trempe a une influence sur les proprits du clinker (phase vitreuse). De toutes faons, quelque soit la mthode de fabrication, la sortie du four, on a un mme clinker qui est encore chaud de environ 600-1200 C. Il faut broyer celui-ci trs finement et trs rgulirement avec environ 5% de gypse CaSO 4 afin de rgulariser la prise. Le broyage est une opration dlicate et coteuse, non seulement parce que le clinker est un matriau dur, mais aussi parce que mme les meilleurs broyeurs ont des rendements nergtiques dplorables. Les broyeurs boulets sont de grands cylindres disposs presque horizontalement, remplis moiti de boulets dacier et que lon fait tourner rapidement autour de leur axe (20t/mn) et le ciment atteint une temprature leve (160C), ce qui ncessite larrosage extrieur des broyeurs. On introduit le clinker avec un certain pourcentage de gypse en partie haute et on rcupre la poudre en partie basse. Dans le broyage circuit ouvert, le clinker ne passe quune fois dans le broyage. Dans le broyage en circuit ferm, le clinker passe rapidement dans le broyeur puis la sortie, est tri dans un cyclone. Le broyage a pour but, dune part de rduire les grains du clinker en poudre, dautre part de procder lajout du gypse (environ 4%) pour rguler quelques proprits du ciment portland (le temps de prise et de durcissement). A la sortie du broyeur, le ciment a une temprature environ de 160 C et avant d'tre transporter vers des silos de stockages, il doit passer au refroidisseur force centrifuge pour que la temprature de ciment reste environ 65 C.

Fabrication par voie scheLes ciments usuels sont fabriqus partir dun mlange de calcaire (CaCO 3) environ de 80% et dargile (SiO2 Al2O3) environ de 20%. Selon lorigine des matires premires, ce mlange peut tre corrig par apport de bauxite, oxyde de fer ou autres matriaux fournissant le complment dalumine et de silice requis. Aprs avoir finement broy, la poudre est transporte depuis le silo homognisateur jusquau four, soit par pompe, soit par aroglisseur. Les fours sont constitus de deux parties:

Un four vertical fixe, prchauffeur (cyclones changeurs de chaleur). Un four rotatif. Les gaz rchauffent la poudre crue qui circule dans les cyclones en sens inverse, par gravit. La poudre schauffe ainsi jusqu 800 C environ et perd donc son gaz carbonique (CO2) et son eau. La poudre pntre ensuite dans un four rotatif analogue celui utilis dans la voie humide, mais beaucoup plus court. La mthode de fabrication par voie sche pose aux fabricants dimportants problmes techniques:

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1. La sgrgation possible entre argile et calcaire dans les prchauffeurs. En effet, le systme utilis semble tre nfaste et en fait, est utilis ailleurs, pour trier des particules. Dans le cas de la fabrication des ciments, il nen est rien. La poudre reste homogne et ceci peut s'expliquer par le fait que largile et le calcaire ont la mme densit (2,70 g/cm3). De plus, le matriel a t conu dans cet esprit et toutes les prcautions ont t prises. 2. Le problme des poussires. Ce problme est rendu dautant plus aigu, que les pouvoirs publics, trs sensibiliss par les problmes de nuisance, imposent des conditions draconiennes. Ceci oblige les fabricants installer des dpoussireurs, ce qui augmente considrablement les investissements de la cimenterie.Les dpoussireurs sont constitus de grilles de fils mtalliques ports haute tension et sur lesquels viennent se fixer des grains de poussire ionise. Ces grains de poussire sagglomrent et sous laction de vibreurs qui agitent les fils retombent au fond du dpoussireur o ils sont rcuprs et renvoys dans le four. En dehors des pannes, ces appareils ont des rendements de lordre de 99%, mais absorbent une part importante du capital dquipement de la cimenterie. 3. Le problme de lhomognit du cru est dlicat. Nous avons vu comment il pouvait tre rsolu au moyen dune prhomognisation puis dune homognisation. Le schma de la fabrication du ciment

Le schma de la fabrication du ciment par voie sche

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Figure 1. Fabrication du ciment

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2.3 Constituants principaux et additions2.3.1 Constituants du clinkerLes principaux composants anhydres obtenus lors du refroidissement rapide du clinker sont:

Le silicate tricalcique 3CaO.SiO2 (C3S) (50-70% du clinker). Le silicate bicalcique 2CaO.SiO2 (C2S) (10-30% du clinker). Laluminate tricalcique 3CaO.Al.O3 (C3A) (2-15% du clinker). Lalumino-ferrite ttracalcique (Ferro-aluminate tetracalique) 4CaOAl2O3.Fe2O3 (C4AF) (5-15% du clinker). Le clinker contient encore en faibles quantits, sous forme de solution solide ou pris dans des combinaisons complexes, des alcalis (Na2O, K2O), de la magnsie (MgO), diverses traces de mtaux. La teneur en alcalis et magnsie doit rester faible, car ces matires peuvent influencer dfavorablement la stabilit du ciment durci. A laide du microscope, on peut distinguer la structure minralogique du clinker en trois phases, auxquelles les chercheurs donnrent les noms suivants:

A = alite (phase cristallise), se prsente sous la forme de cristaux polygonaux assez grands (grains anguleux foncs) de lordre de 50. B = blite (phase vitreuse), se trouve sous forme impure dans le clinker (grains lgrement arrondis et rays). C = clite (phase vitreuse lgrement fonce et claire), se trouve dans le clinker sous forme impure et de phase vitreuse.

2.3.2 Les autres constituants des cimentLe ciment portland est compos de clinker moulu auquel on ajoute une quantit de gypse, destin rgulariser la prise. Pour modifier les proprits du ciment, on ajoute les autres constituants associs au clinker grce leurs caractristiques chimiques ou physiques. Les constituants les plus utiliss sont: Calcaires: Les calcaires sont considrs comme un des constituants principaux du ciment. Ils doivent prsenter une proportion de carbonate de calcium CaCO3 suprieure 75% en masse. Laitier granul de haut fourneau: Le laitier est un sous-produit de l'industrie mtallurgique ayant des proprits hydrauliques. Il est obtenu par refroidissement rapide (trempe) de certaines scories fondues provenant de la fusion du minerai de fer dans un haut fourneau. Cendres volantes (V ou W): Elles sont les produits pulvrulents de grande finesse, provenant du dpoussirage des gaz de combustion des centrales thermiques. On distingue: Les cendres volantes siliceuses (V) qui ont des proprits pouzzolaniques; Les cendres volantes calciques (W) qui ont des proprits hydrauliques et parfois pouzzolaniques. Schistes calcins:

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Ce sont des schistes que lon porte une temprature denviron 800 C dans un four spcial. Finement broys, ils prsentent de fortes proprits hydrauliques et aussi pouzzolaniques. Fume de silice: Les fumes de silices sont un sous-produit de lindustrie du silicium et de ses alliages. Elles sont formes de particules sphriques de trs faible diamtre (de lordre de 0,1 m). Pour entrer dans la composition dun ciment en tant que constituant principal, elles doivent tre prsentes pour au moins 85 % (en masse). Les fumes de silices ont des proprits pouzzolaniques. Fillers: Ce sont des constituants secondaires des ciments, donc ils ne peuvent jamais excder 5 % en masse dans la composition du ciment. Ce sont des matires minrales, naturelles ou artificielles qui agissent par leur granulomtrie sur les proprits physiques des liants (maniabilit, pouvoir de rtention deau).

2.4 Les principales catgories de ciment.Les ciments peuvent tre classs en fonction de leur composition et de leur rsistance normale.

2.4.1 Classification des ciments en fonction de leur compositionLes ciments constitus de clinker et des constituants secondairs sont classs en fonction de leur composition, en cinq types principaux par les normes NF P15-301 et ENV 197-1. Ils sont nots CEM et numrots de 1 5 en chiffres romains dans leur notation europenne (la notation franaise est indique entre parenthse):

CEM I: Ciment portland (CPA - dans la notation franaise), CEM II: Ciment portland compos ( CPJ), CEM III: Ciment de haut fourneau (CHF), CEM IV: Ciment pouzzolanique (CPZ), CEM V: Ciment au laitier et aux cendres (CLC). La proportion (en masse) des diffrents constituants est indique dans le tableau 2.2. Les constituants marqus dune toile (*) sont considrs comme constituants secondaires pour le type de ciment concern; leur total ne doit pas dpasser 5%. (Les fillers sont considrs comme des constituants secondaires).

2.4.2 Classification des ciments en fonction de leur rsistance normaleTrois classes sont dfinies en fonction de la rsistance normale 28 jours; des sous classes R sont associes ces 3 classes principales pour dsigner des ciments dont les rsistances au jeune ge sont leves. Ces classes sont notes, classe 32,5, classe 42,5, classe 52,5. Elles doivent respecter les spcifications et valeurs garanties du tableau 2.3. Les valeurs entre parenthses sont les valeurs garanties lorsquelles peuvent tre infrieures aux valeurs spcifies.

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Tableau 2.2: Dsignation des diffrents types de ciment en fonction de leur composition

Tableau 2.3: Spcification et valeurs garanties en fonction de la classe

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Tableau 2.4: Limite des classes et sous classes de rsistances ( nouvelle norme AFNOR)

2.5. Les caractristiques du ciment portland2.5.1 La priseDs que le ciment anhydre a t mlang avec de leau, lhydratation commence et les proprits de la pte ainsi obtenue sont volutives dans le temps. Tant que cette hydratation nest pas trop avance la pte reste plus ou moins mallable, ce qui permet de lui faire pouser par moulage la forme dsire. Mais au bout dun certain temps, les cristaux dhydrayes prenant de plus en plus dimportance, le mlange a chang de viscosit et se raidit, on dit quil se fait priser.

fig 2.3: Dtermination du temps de dbut de prise Le dbut de prise correspond au moment o l'on observe une augmentation de la viscosit , ou raidissement de la pte, ce qui, dans la pratique, se mesure au moyen de l'aiguille normalise (appareil de Vicat) et correspond au temps coul depuis le gchage de la pte jusqu'au moment o l'aiguille sarrte une distance (d = 4 mm 1 mm) du fond de lanneau de 40 mm de hauteur remplie de pte pure de ciment. De mme, la fin de prise correspond au moment o l'aiguille ne s'enfonce plus dans lanneau.

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fig 2.4: Dtermination du temps de fin de prise Le phnomne de prise du ciment est li de nombreux paramtres tels:

la nature du ciment, la finesse de mouture du ciment; plus son broyage a t pouss, plus le temps de prise est court, la temprature; alors qu' zro degr la prise est stoppe, plus la temprature ambiante est leve plus la prise est rapide, pour un ciment donn le dbut de prise sera de 18 heures 2 C, de 5 heures 10 C, de 3h 30 20 C et de 30 min 35 C (fig 2.5), la prsence de matires organiques dans l'eau ou dans l'un des autres constituants du bton qui ralenti la prise, l'excs d'eau de gchage qui a, entre autres inconvnients, une action retardatrice sur la prise (fig 2.7) En fonction de leur classe de rsistance, les normes spcifient un temps de prise minimum qui est, la temprature de 20 C, de: 1 h 30 pour les ciments de classes 35 et45. 1 h pour les ciments des classes 55 et HP. Il est noter que pratiquement tous les ciments ont des temps de prise largement suprieurs ces valeurs minimales, l'ordre de grandeur tant de 2 h 30 3 h pour la majorit des ciments.

fig 2.5: Evolution du temps de prise en fonction de la temprature

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fig 2.6: Influence de la temprature sur la prise des ciments

fig 2.7: Influence du E/C sur le temps de prise

2.5.2 Le durcissementCest la priode qui suit la prise et pendant laquelle se poursuit lhydratation du ciment. Sa dure se prolonge pendant des mois au cours desquels les rsistances mcaniques continuent augmenter. Comme le phnomne de prise, le durcissement est sensible la temprature, ce qui conduit notamment en prfabrication, chauffer les pices pour lesquelles on dsire avoir des rsistances leves au bout de quelques heures. Prise et durcissement des constituants du clinker: Pour mieux comprendre les proprits des ciments portland, il est intressant dtudier comment ragit en prsence deau chacun des constituants anhydres du ciment pris isolment.

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Tableau 2.5: Le comportement et le dgagement de chaleur des constituants du clinker

Le graphique ci-dessous montre le dveloppement des rsistances dans le temps des constituants purs du ciment portland.

fig 2.8: Le dveloppement des rsistances dans le temps des constituants purs du CP. Dans une poudre de ciment portland en contact avec leau, laluminate tricalcique (C 3A) ragit en premier, se dissous et se recristallise. Vient ensuite la raction dhydrolyse, de lalite-Silicate tricalcique (C3S) forme autour des grains une pellicule de gel et met en mme temps des ions Ca2+ en solution. Lhydrolyse et la recristallisation de (C 3A) sont rapides. Cette activit est si grande quil faut la retarder car elle conduirait des prises trop rapides et rendrait le liant inutilisable sur chantier. Evolution physico-chimique de la pte de ciment: En gchant le ciment avec leau, on obtient une pte dans laquelle leau entoure chaque grain de ciment en formant un rseau capillaire. Les composs anhydres du ciment sont alors attaqus en surface par leau pour produire des composs hydrats. Dans le cas des silicates de calcium C 3S et C2S, la chaux hydrate se dissout et il se dpose des cristaux de Ca(OH)2 en plaquettes hexagones alors que les silicates de calcium hydrats forment un gel compos de fines aiguilles la surface du ciment. Ces aiguilles se dveloppent en dimension et en nombre tout en rduisant les interstrices capillaires entre

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les grains. Quand les aiguilles entre les grains de ciment se rapprochent, la pte devient plus raide. Cette rigidit est au dbut faible et peut encore tre facilement dtruite mcaniquement. Cest le dbut de la prise. Aprs quelques heures, les interstrices capillaires sont partiellement combles par le gel. La pte de ciment acquiert une certaine rsistance. Cest le durcissement qui commence. La rsistance continue crotre mesure que le gel devient plus compact, dune part, parce quil y a un accroissement de la cohsion entre les aiguilles et accroissement du feutrage des aiguilles, dautre part, parce quil se formerait des joints de soudure entre les aiguilles de tobermolite des divers grains de ciment. Dans les ptes de ciment durcies, il reste de ce fait toujours des grains de ciment non hydrats. Lhydratation des grains de ciment continue non seulement des mois, mais des annes durant, pour autant que le gel soit entour d'eau, car le gel de tobermolite ne peut se former quen prsence deau.

fig 2.9: L'volution physico-chimique de la pte de ciment Quelques ractions chimiques importantes:

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Les ractions dhydratation du ciment Portland sont trs complexes. Nous ne considrons que les quelques-unes utiles connatre pour mieux comprendre les proprits des ciments portlands.

2.5.3 La finesse de mouture (finesse de Blaine)Elle est caractrise par la surface spcifique des grains de ciment, exprime en (cm 2/g). Dans les cas courants, elle est de l'ordre de 3000 3500 cm2/g. Plus la finesse de mouture est grande, plus la vitesse des ractions d'hydratation est leve et plus ces rsistances mcaniques un ge jeune sont grandes, par contre plus le ciment est sensible l'ventellement et plus le retrait est important. En outre, la finesse de mouture influence la plasticit et la cohsion de la pte de ciment l'tat frais, ainsi que son pouvoir de rtention d'eau et la ressue. La surface massique de ciment tudi nest pas mesure directement, mais par comparaison avec un ciment de rfrence dont la surface massique est connue. Il sagit de faire passer un volume dair connu au travers dune poudre de ciment. Toutes choses tant gales par ailleurs, plus la surface massique de cette poudre est importante et plus le temps t mis par lair pour traverser la poudre est longue: Dans les conditions normalises dcrites, la surface est proportionnelle .

L'appareil utilis pour dterminer la finesse de mouture de ciment est appel Permabilimtre de Blaine. Cet appareil est schmatis sur fig 2.11. Il se compose pour lessentiel dune cellule dans laquelle est plac le ciment tester et dun manomtre constitu dun tube en verre en forme de U rempli, jusqu son repre infrieur (n 4) dune huile lgre. La cellule est quipe dune grille en sa partie infrieure. Un piston sert tasser le ciment dans la cellule sous un volume V dfini.

fig 2.10: Influence de la surface spcifique sur la rsistance la compression

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fig 2.11: Principe de fonctionnement de permabilimtre de Blaine.

2.5.4 Le retraitLa pte de ciment se rtracte dans l'air sec (alors qu'au contraire elle gonfle dans l'eau), ce phnomne se poursuivant dans le temps et ceci pendant des dures d'autant plus longues que les pices sont massives. C'est le retrait qui est cause des fissures que l'on observe dans des pices en bton. En fait il existe plusieurs types de retrait:

Le retrait avant prise d essentiellement la perte prmature d'une partie de l'eau de gchage par vaporation et dont l'amplitude est dix fois celle du retrait hydraulique classique. Ce retrait qui provoque des contraintes de traction suprieures la rsistance du bton la traction, qui est alors pratiquement nulle, se traduit par l'apparition, la surface du bton encore plastique, de grosses crevasses peu profondes, pouvant tre refermes par talochage, le retrait hydraulique, qui dcoule d'une part de la contraction Le Chatelier (le volume des hydrates est infrieur au volume des constituants de dpart) et d'autre part du retrait de dessiccation (contraction au schage), est de l'ordre de 0,2 0,4 mm/m pour les btons. Dans le cas de bton faible rapport E/C, la dessiccation d'origine "endogne" (consommation de l'eau de gchage pour hydratation) peut tre prpondrante sur la dessiccation par change avec le milieu externe, le retrait thermique, qui est d la contraction du bton lors de son refroidissement. L'importance du retrait hydraulique, en dehors du facteur de temps, est fonction de nombreux paramtres parmi lesquels: la nature du ciment le dosage en eau (fig 2.12) la propret des sables la forme et la dimension des granulats

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fig 2.12: Influence du E/C sur le retrait plastique des mortier.

2.5.5 Chaleur d'hydratationLe phnomne de prise du ciment s'accompagne d'une raction exothermique dont l'importance dpend de diffrents paramtres, en particulier:

la finesse de mouture: plus le ciment est broy fin, plus la chaleur d'hydratation est leve la nature des constituants: les ciments CPA comportant presque exclusivement du clinker dgagent plus de chaleur que des ciments avec constituants secondaires la nature minralogique du clinker: plus les teneurs en aluminate tricalcique (C3A) et silicate tricalcique (C3A et C3S) sont leves, plus la chaleur d'hydratation est forte la temprature extrieure.

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fig 2.13: Chaleur dgage lors de l'hydratation du CP

2.5.6 Stabilit de volumeLa raction d'hydratation est acclre par un traitement thermique de la pte, de faon pouvoir constater lexpansion ventuelle du ciment dans un dlai trs court.

fig 2.13: Aiguilles de Le Chtelier Un essai permet de s'assurer que le ciment ne contient pas de substances susceptibles de provoquer une expansion dangereuse au cours du temps.

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On simule l'effet du temps en acclrant les processus de durcissement par une cuisson 100 C pendant 2 heures d'une pte durcie de ciment consistance normale ge de 24 heures. Pour mesurer l'expansion, on utilise les aiguilles de Le Chtelier (fig 2.13). La diffrence d'ouverture des aiguilles avant et aprs cuisson doit rester infrieure 10 mm. Ouverture d'aiguille cause par cuisson 10 mm. L'essai d'tuvage a t supprim pour les ciments Portland, car depuis de nombreuses annes, il n'y a jamais eu de ciment Portland dfectueux selon cet essai. On continue par contre utiliser ce type d'essai pour contrler la stabilit de volume des chaux hydrauliques. Aujourd'hui on contrle la puret et la stabilit des ciments portland par voie chimique tels:

Perte au feu Insoluble Teneur en SO3, en MgO, en C3A etc..

2.5.7 Rsistance la compressionLes rsistances mcaniques des ciments sont dtermines par les essais sur mortier dit "normal", 28 jours d'ges en traction et en compression des prouvettes 4 x 4 x 16 cm. La rsistance du mortier est alors considre comme significative de la rsistance du ciment. Elle dpend de la classe de ciment et est exprime en Mpa. Le mortier utilis est ralis conformment la norme EN 196-1. Le sable utilis est un sable appel "sable normaliser CEN EN 196-1". Pour chaque type de ciment, il existe effectivement plusieurs classes de rsistances pour lesquelles les fabricants garantissent des valeurs minimales et maximales.

fig 2.14: Rsistance du mortier normal

Expriences 1. Masse volumique absoluePage 35

Objectif de lessaiIl sagit de mesurer la masse volumique absolue du ciment anhydre qui varie en fonction de la composition du ciment, tout en restant comprise entre 3,0 et 3,2 g/cm3.

Principe de lessai: (avec le pycnomtre )On repre en comparant la masse (mc) dun volume connu de ciment (Vc) la masse (mt) dun mme volume dun liquide dont la masse volumique (t) est connue. La masse (c) sen dduit en crivant:

Principe de la mesure: (avec le chantelier) Volumnomtre.Il consiste mesurer le dplacement du niveau de liquide contenu dans un rcipient col troit, lorsquon y introduit la poudre dont on cherche la masse volumique absolue. La mthode ncessite galement une balance au dcigramme, volumnomtre et un liquide inerte vis--vis de la poudre: ce sera par exemple du tetrachlorure de carbone, si la poudre est du ciment (ou bien on peut remplacer le tetrachlorure par le ptrole).

quipement ncessaire

Un volumnomtre dune contenance minimale de 50 cm3. Un rcipient contenant de leau 20 1 C. Un liquide qui ne doit pas tre ractif avec le ciment, du tolune par exemple ( le tetrachlorure, le benzne, cancrigne, le ptrole, ne doit plus tre utilis). Une balance. La prcision de la balance devra tre adapte la masse de l'chantillon utilis. Un thermomtre, prcis 0,1 C, permettant de connatre la temprature du laboratoire.

Conduite de lessai: (Mode opratoire).Remplir lappareil de ttrachlorure de carbone jusqu ce que le niveau parvienne entre les divisions zro et 1. viter de mouiller les parois lors du remplissage. Immerger le volumnomtre dans un rcipient contenant de leau 201 C. Pendant lquibrage de temprature, peser une masse de ciment de 64 g 0,1 g prs. Reprer exactement le niveau atteint N0. Verser le ciment trs lentement (en dheure environ) dans lappareil en prenant garde ne pas laisser de dpt sur les parois. Dplacer le volumnomtre contenant le ciment, de rcipient et le poser sur la table. Boucher le volumnomtre, lincliner 45 par rapport la table et le faire rouler avec un mouvement de va-et-vient de manire faciliter de dpart de lair. Replacer lappareil dans le bain et lire le niveau N 1 du liquide aprs quilibrage de temprature. La masse volumique absolue est donne par le rapport:

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2. Mesure de la finesseObjectif de lessaiLes ciments se prsentent sous forme de poudre finement divise. Cette finesse est une caractristique importante: lors du gchage, plus la surface de ciment en contact avec leau est grande et plus lhydratation est rapide et complte. La finesse dun ciment est gnralement exprime par sa surface massique: cest la surface totale des grains contenus dans une masse unit de poudre. La surface massique est gnralement exprime en cm 2 de surface des grains de ciment par gramme de poudre. Lobjectif de lessai est dapprcier cette surface.

Principe de lessaiLessai a pour but de calculer le dbit dair susceptible de passer travers la poudre. La surface massique du ciment tudi nest pas mesure directement, mais par comparaison avec un ciment rfrence dont la surface massique est connue. Il sagit de faire passer un volume dair connu au travers dune poudre de ciment. Toutes choses tant gales par ailleurs, plus la surface massique de cette poudre est importante et plus le temps t mis par lair pour traverser la poudre est long. Dans les conditions normalises dcrites, la surface est proportionnelle

quipement ncessaire

Un appareil appel Permabilimtre de Blaine. Il se compose pour lessentiel dune cellule dans laquelle est plac le ciment tester et dun manomtre constitu dun tube en verre en forme de U rempli, jusqu son repre infrieur dune huile lgre. La cellule est quipe dune grille en sa partie infrieure. Un piston sert tasser le ciment dans la cellule sous un volume V dfini. Une balance prcise 0,001 g. Un chronomtre prcis 0,2 s prs. Du ciment de rfrence de surface massique (S0)et de masse volumique ( 0) connues. Des rondelles de papier filtre adaptes au diamtre de la cellule. Du mercure pour mesurer le volume V de la couche tasse. Un thermomtre prcis 0,1 C prs pour mesurer la temprature de lair.

Conduite de lessai (Mode opratoire).Le liant hydraulique dont on dsire mesurer la surface spcifique doit tre porosit constante (gale 0,500). - Mthode : peser 0,01 g prs, une masse m de liant telle que, compte tenu de son volume V aprs tassement dans la cellule, sa porosit soit gale 0,500. - La masse de matire prendre scrit: m = (1 - e) V - masse volumique V volume utile de la cellule.

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Placer la grille au fond dela cellule. Appliquer sur cette grille, au moyen dune tige face infrieure plane et dune querre, un disque neuf de papier filtre. Verser le liant dans la cellule en utilisant un entonnoir. Donner quelques lgres secousses la cellule pour niveler la couche suprieure du liant, puis placer sur celui-ci un autre disque neuf de papier filtre. Tasser avec prcaution au moyen du piston en vitant la remonte de la poudre au-dessus du papier filtre jusqu ce que le collier vienne buter contre le haut de la cellule. Retirer le piston lentement (Il est commode de pratiquer une lgre rotation alternative). Vrifier le niveau du liquide du manomtre qui doit affleurer au trait infrieur. Enduire de vaseline la partie ronde de la cellule et la placer sur son ajutage en lui imprimant un lger mouvement de rotation pour rpartir la vaseline; veiller au cours de cette opration ne pas altrer le tassement de la couche. Aspirer lentement au moyen de la poire lair du tube jusqu ce que le niveau du liquide atteigne le trait suprieur. Fermer le robinet. Mettre en marche un chronomtre sensible au cinquime de seconde quand le niveau de liquide atteint le deuxime trait. Larrter quand le niveau de liquide atteint le troisime trait. Noter le temps coul t ainsi que la temprature de la pice. Faire trois mesures et prendre la moyenne arithmtique des trois temps. La surface spcifique est calcul par la formule:

. S Surface spcifique (cm2/g). . k Constante delappareil. . e Porosit de la couche tasse . t Temps mesur en secondes. . Masse volumique (g/cm3). . Viscosit de lair la temprature dessai (en poises). talonnage de lappareil: (a) Dtermination du volume V de la couche tasse. Enduire la paroi intrieure de la cellule dune trs mince pellicule dhuile pour viter lamalgame. Placer la grille au fond de la cellule, puis deux disques de papier filtre appliqus sur la grille. Remplir la cellule jusquau bord avec du mercure, en chassant les bulles dair adhrant aux parois. Niveler la surface de mercure en appliquant une lamelle de verre sur le sommet de la cellule. Puis recueillir dans un rcipient tar le mercure se trouvant dans la cellule, et peser 0,01 g prs soit (m1) la masse en gramme du mercure utilis.

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Prparer ensuite la cellule dans les conditions prvues pour lessai, avec une quantit de ciment portland telle que la couche obtenue soit suffisamment comprime (2,8 3 g), (Il est ncessaire que la poudre soit plus compacte pour ltalonnage que pour les essais, afin dviter son tassement par le mercure), et refaire avec du mercure les oprations dcrites larticle prcdent - soit ( m2) la masse, en gramme, du mercure utilis. Le volume de la couche tasse est obtenu par la formule:

V Volume del acouche tasse (cm3). m1 et m2 Masse de mercure (g) .Hg Masse volumique du mercure la temprature dessai (g/cm3) ( voir en annexe, les valeurs .Hg) Rpeter la dtermination de faon obtenir deux valeurs diffrents de moins de 0,01 cm 3 et adopter leur moyenne. (b) Dtermination de la constante k de lappareil. Avec une poudre talon de surface spcifique et de masse volumique connues, oprer selon le processus dcrit larticle prcdent. Calculer k en appliquant la formule fondamentale:

La valeur adopte sera la moyenne arithmtique rsultant de trois prises dchantillons diffrentes.

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Fig.2.7.2: Principe de fonctionnement du permiabilimtre de Blaine

3. Mesure des temps de dbut et de priseObjectif de lessaiIl est ncessaire de connatre les dbut et fin de prise des ptes de ciment ( des liants hydrauliques ) afin de pouvoir valuer le temps disponible pour la mise en place correcte des mortiers et des btons qui seront ensuite confectionns. Les essais se font laide de laiguille de Vicat qui donne deux repres pratiques: Le dbut de prise et la fin de prise.

Principe de essaiLessai consiste suivre lvolution de la consistance dune pte de consistance normalise; lappareil utilis est appareil de VICAT quip dune aiguille de 1,13 mm de diamtre. Quand sous leffet dune charge de 300 g laiguille sarrte une distance d du fond du moule telle que d= 4mm 1 mm on dit que le dbut de prise est atteint. Ce moment, mesur partir du dbut du malaxage, est appel TEMPS DE DEBUT DE PRISE . Le TEMPS DE FIN DE PRISE est celui au bout duquel laiguille ne senfonce plus que de 0,5 mm.

Equipement ncessaire

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- Salle climatise: Lessai doit se droule dans une salle, dont la temprature est de 20 C 1 C et dont lhumidit relative est suprieure 90%. A dfaut dune telle humidit relative, lchantillon test pourra, entre deux mesures, tre entrepos dans de leau maintenue 20 C 1 C. - Malaxeur normalis: avec une cuve de 5 litres de contenance et dune pale de malaxage pouvant tourner 2 vitesses ( dites lente 140 tr/mn et rapide 285 tr/mn ). - Appareil de VICAT ( du nom de lingnieur franais ). Lappareil est compos dun moule tronconique de 40 mm de hauteur et dune tige coulissante quipe son extrmit dune aiguille de 1,13 mm de diamtre. - Balance prcise 0,1 g prs. - Chronomtre prcise 0,1 s prs.

Conduite de essaiLe mode opratoire de lessai est fix par la norme EN 196-3. Il sagit de confectionner une pte de consistance normalise: On prparera 2 Kg de ciment, une pte pure de rapport E/C=0,26. Ceci permettra de prparer 5 moules. Pour acclrer les phnomnes, on dissolvera dans leau de gche du chlorure de calcium (CaCl 2) en prenant comme poids de CaCl2, 2% du poids deau calcul pour la gche. On versera leau avec lacclrateur de prise dissous dans la cuve du malaxeur, contenant le ciment, on dclenchera les deux chronomtres, ( un pour la gche, un autre pour base du temps, pour la manipulation ).

La pte est alors rapidement introduite dans le moule tronconique pos sur une plaque de verre, sans tassement ni vibration excessifs. Il faut enlever lexcs de pte par une mouvement de va-et-vient effectu avec une truelle maintenue perpendiculairement la surface suprieure du moule. Puis lensemble est plac sur la platine de lappareil de vicat. Quatre minutes aprs le dbut du malaxage, laiguille est amene la surface de lchantillon et relche sans lan ( sans vitesse ). Laiguille alors senfonce dans la pte. Lorsquelle est immobilise ( ou aprs 30 s dattente ), relever la distance d sparant lextrmit de laiguille de la plaque de base. Recommencer lopration des intervalles de temps convenablement espacs ( ~ 10-15 mn ) jusqu ce que d= 4mm 1mm. Cet instant mesur 5 mn prs est le temps de dbut de prise pour le ciment concern ( tudi )

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4. Mesure la consistance de la pteObjectif de lessaiLa consistance de la pte caractrise sa plus ou moins grande fluidit. Il y a deux types dessai, qui permettent dapprcier cette consistance. 1. Lessai de consistance ffectu avec lappareil de Vicat conformment la norme 196-3. 2. Lessai dcoulement au cne, conformment la norme NF P-18-358.

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La consistance de la pte de ciment est une caractristique, qui volue au cours de temps. Pour pouvoir tudier lvolution de la consistance en fonction des diffrents paramtres, il faut pouvoir partir dune consistance qui soit la mme pour toutes les ptes tudies. Lobjectif de cet essai est de dfinir une telle consistance dite CONSISTANCE NORMALISEE .

Principe de essaiLa consistance est value ici en mesurant lenfoncement dans la pte, dune tige cylindrique sous leffet dune charge constante. Lenfoncement est dautant plus important que la consistance est plus fluide. La consistance value de cette manire sera appele CONSISTANCE VICAT.

Equipement ncessaire- Un malaxeur avec une cuve de 5 litres de contenance et dune pale de malaxage pouvant tourner 2 vitesses ( dites lente 140 tr/mn et rapide 285 tr/mn ) . - Un appareil de VICAT. Lappareil est compos dun moule tronconique de 40 mm de hauteur et dune tige coulissante quipe son extrmit dune sonde 10 mm de diamtre. La partie coulissante a une masse totale de 700 g ( y compris la sonde amovible ). - Une balance permettant de peser 1 g prs. - Une Chronomtre prcis 1 s prs.

Conduite de l'essai500 g de ciment sont pess et introduits dans la cuve du malaxeur. La quantit deau choisie est ajoute au ciment en un temps compris entre 5 et 10 secondes. Mettre immdiatement le malaxeur en route la vitesse lente pendant 90 s. Arrter la machine pendant 15 s et ramener, dans la gche avec une petite truelle, la pte adhrant la cuve et se trouvant au dl de la zone de malaxage. Remettre la machine en route pour une dure de 90s vitesse lente.

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La pte est alors rapidement introduite dans le moule tronconique pos sur une plaque de verre, sans tassement ni vibration excessifs; Il faut enlever lexcs de pte par une mouvement de va-et-vient effectu avec une truelle maintenue perpendiculairement la surface suprieure du moule. Puis lensemble est plac sur la platine de lappareil de vicat. Quatre minutes aprs le dbut du malaxage, la sonde est amene la surface suprieure de lchantillon (moule tronconique ) et relche sans lan . La sonde alors senfonce dans la pte. Lorsquelle est immobilise ( ou aprs 30 s dattente ), on mesure la distance d sparant lextrmit de la sonde et de la plaque de base. Cette distance ( d ) caractrise la consistance de la pte tudie.

Si ( d ) = 6mm 1mm, on dit que la consistance de la pte tudie est normalise. ( Consistance normalise ). Si ( d ) natteint pas cette valeur ( c.a.d. d >7 mm ou d < 5mm ), il convient de refaire lessai avec une valeur diffrente du rapport E/C jusqu atteindre la valeur recherche de la consistance.

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5. DTERMINATION DE LA STABILIT (EN 196-3)Objectif de lessaiIl sagit dapprcier laugmentation de volume que seraient susceptible de provoquer, au cours de la raction dhydratation, les oxydes de calcium ou de magnsium contenus dans le ciment.

Principe de lessaiLa raction dhydratation est acclre par un traitement thermique de la pte, de faon pouvoir constater lexpansion ventuelle du ciment dans un dlai trs court.

quipement ncessaire- Un malaxeur normalis. - Deux moules en laiton lastique, appels appareil le Chatelier. Ces moules sont fendus de faon pouvoir souvrir en cas daugmentation de volume de la pte. - Un bain deau muni dun moyen de chauffage, dans lequel il est possible dimmerger les prouvettes et de porter la temprature de leau de 20C 2C jusqu bullition en 30 min 5 min. - Une salle ou une armoire humide maintenue une temprature de 20C 1C et au moins 98% dhumidit relative.

Fig.: Essai de stabilit avec lappareil le chantelier

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Conduite de l'essaiLe mode opratoire est dcrit par la norme EN 196-3. Il faut confectionner une pte de consistance normalise, qui sera introduite dans deux moules. Aprs remplissage les moules sont conservs 24 h dans la salle ou larmoire humide. Au bout de ce temps il convient de mesurer 0,5 mm prs lcartement A entre les pointes des aiguilles. Le moule est alors entrepos dans le bain deau 20C qui doit tre port bullition pendant 3 h 5 min. Soit B lcartement entre les points des aiguilles au bout de ce temps. Soit C lcartement lorsque le moule, aprs refroidissement, est revenu la temprature de 20 C. La stabilite est caractrise par la valeur C-A exprime en mm 0,5 mm prs: Stabilit = C-A

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Prsentation du chapitre 3Ce chapitre traite du granulat qui est un composant important intervenant dans la fabrication du bton. Aprs avoir dfini les granulats, nous parlerons de l'analyse granulomtrique qui apportera des renseignements essentiels sur les composants pour obtenir un bton rsistant, tanche et durable. Dans la section 3.3, nous prsenterons une classification des granulats en fonction du diamtre des grains. La section 3.4 abordera les caractristiques physiques et mcaniques des granulats. Enfin, dans la section 3.5, diffrents types de granulats seront prsents parmi les granulats naturels et artificiels. Les Expriences dcriront comment effectuer une analyse granulomtrique en laboratoire ainsi que diffrents essais pour mesurer les caractristiques physiques et mcaniques des granulats. Pour clore le chapitre, des questions vous permettront de tester vos connaissances sur les granulats.

Sommaire du chapitre 3 3.1 Introduction 3.2 Classification 3.3 Granulats naturels et artificiels. 3.4 Proprits et formes. 3.5 Granulomtrie. Expriences

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3.1.IntroductionDfinitionOn donnera le nom de granulats un ensemble de grains inertes destins tre agglomrs par un liant et former un agrgat.

Le terme agrgats, utilis pour dsigner les granulats, est donc impropre. En effet, un agrgat est un assemblage htrogne de substances ou lments qui adhrent solidement entre eux (le mortier ou le bton par exemple). Le terme granulat, au singulier, dsigne un ensemble de grains d'un mme type, quel que soit le critre de classification utilis. Le terme granulats, au pluriel, sera utilis pour dsigner un mlange de grains de divers types. Les granulats utiliss dans les travaux de gnie civil doivent rpondre des impratifs de qualit et des caractristiques propres chaque usage. Les granulats constituent le squelette du bton et ils reprsentent, dans les cas usuels, environ 80 % du poids total du bton. Les granulats sont ncessaires pour la fabrication des btons; du point de vue conomique, car ils permettent de diminuer la quantit de liant qui est plus cher; du point de vue technique, car ils augmentent la stabilit dimensionnelle (retrait, fluage) et ils sont plus rsistants que la pte de ciment. Il faut par consquent, augmenter au maximum la quantit de granulats, en respectant toutefois les deux conditions suivantes:

Les granulats doivent satisfaire certaines exigences de qualit; La qualit de pte liante doit tre suffisante pour lier tous les grains et remplir les vides. Les essais effectus en laboratoire portent ncessairement sur des quantits rduites de matriaux, ceux-ci devant permettre de mesurer des paramtres caractristiques de l'ensemble du matriau dans lequel on a fait le prlvement. Il faut que l'chantillon utilis au laboratoire soit reprsentatif de l'ensemble. Cette opration est gnralement difficile, prend du temps et, parfois, est coteuse, mais elle est essentielle; souvent, les essais effectus sont sans valeur car ils ne sont pas reprsentatifs. En gnral le prlvement d'chantillons se fait en deux temps: a) Prlvement sur le chantier, la carrire ou l'usine d'une quantit de matriaux nettement plus grande que celle qui sera utilise pour l'essai. b) Au laboratoire, prlvement de la quantit ncessaire l'essai et qui soit galement reprsentative de l'chantillon de dpart. Lorsqu'il n'est pas possible de prendre tout le tas et de le rduire, on procde un prlvement local. Prlvement sur tas normaux a) la main, l'aide d'une planche ou d'une plaque mtallique. b) la main, sur tas d'lments grossiers (gravier concass) par ratissage dans un rcipient. c) au moyen d'une sonde, ouverture 4 ~ 6 cm, longueur 60 ~ 100 cm, extrmit taille en sifflet. Page 48

Prlvement en laboratoire (chantillonnage en laboratoire) Le passage de l'chantillon total prlev sur le tas l'chantillon rduit, ncessaire l'essai, peut se faire par quartage ou l'aide d'un chantillonneur. L'chantillon doit tre sch l'tuve 105 C s'il est exempt de minraux argileux, ce qui est rare, ou 60 C dans le cas contraire. Quartage

Fig. 3.2: Opration de quartage Echantillonneur Cet appareil de laboratoire fig 3.3, permet de diviser facilement en deux parties reprsentatives la totalit d'un chantillon initial, chaque moiti tant recueillie dans un bac de manire spare. La rptition en cascade de cette opration, en retenant chaque opration le contenu de l'un des bacs, permet d'obtenir l'chantillon ncessaire, aprs trois ou quatre oprations identiques.

Le procd peut tre rsum par la (fig. 3.4) ci-dessous. Celle-ci permet de slectionner une masse (m) partir d'un prlvement de masse 3m.

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Fig. 3.4: Schma d'une opration de rpartition des matriaux en utilisant de l'chantillonneur

3.2.Courbes granulomtriquesImportance de la composition granulomtrique Les proprits physiques et mcaniques du bton dpendent de beaucoup de facteurs. Gnralement on souhaite obtenir un bton rsistant, tanche et durable. Pour atteindre ce but, il faut:

que le bton l'tat frais soit facile mettre en oeuvre et compacter (pour rduire la porosit). un maximum de granulats par unit de volume de bton (pour rduire la quantit de pte liante ncessaire pour remplir les vides, tous les vides devant tre remplis de pte liante). un minimum de surface spcifique (pour rduire la quantit d'eau de gchage et obtenir un rapport C/E plus lev). Par ailleurs: il faut choisir Dmax aussi grand que le permet la dimension minimum de la pice btonner et l'encombrement des granulats. la proportion de chaque dimension des grains doit tre choisie de faon remplir les vides laisss par les grains de dimensions suprieures. il faut rduire la teneur en lments fins au minimum requis pour obtenir une bonne maniabilit et une bonne compacit. Les courbes granulomtriques apporteront quelques lments de rponses ces conditions. La condition essentielle pour obtenir le moins de vides possibles (meilleure compacit) dans un mlange de sable et gravillon est de: 35 % de sable de 0/5 et 65 % de gravillons 5/20.

Fig. 3.5: Compacit d'un mlange de grains fins et de grains grossiers Les courbes granulomtriques des diffrents granulats peuvent tre dtermines par l'essai de l'analyse granulomtrique (NF P 18-560). L'essai consiste classer les diffrents grains constituant l'chantillon en utilisant une srie de tamis, embots les uns sur les Page 50

autres, dont les dimensions des ouvertures sont dcroissantes du haut vers le bas. Le matriau tudi est plac en partie suprieure des tamis et le classement des grains s'obtient par vibration de la colonne de tamis. On considre que le tamisage est termin lorsque le refus ne varient pas de plus de 1 % entre deux squences de vibration de la tamiseuse. On trace la courbe granulomtrique sur un graphique comportant en ordonne le pourcentage des tamisats sous les tamis dont les mailles D sont indiques en abscisse selon une graduation logarithmique. Par exemple pour le trac de la courbe granulomtrique d'un sable 0/5, on pse une certaine quantit (aprs schage) soit 2 kg par exemple. Le poids des tamisats successifs permet de dterminer les pourcentages du tamisats (tableau 3.1) correspondant chacun des tamis utiliss. Tableau 3.1: Rsultats d'une analyse granulomtrique correspondant un sable (fig. 3.5)

La courbe correspondant ce sable normal, est prsente sur la fig. 3.6, sur lequel ont t galement portes les courbes des sables trs fins et grossiers ainsi que celles de graviers. La forme des courbes granulomtriques apporte les renseignements suivants:

Les limites d et D du granulat en question; La plus ou moins grande proportion d'lments fins; par exemple la courbe situe au-dessus de celle du sable normal correspond un sable majorit de grains fins et c'est l'inverse pour celle situe en dessous. En effet, ces trois sables sont des sables 0/5 mm mais les proportions de grains fins (