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Téchnologie du béton K.H. Khayat

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On peut faire des analyses chimiques par fluorescence X pour déterminer les pourcentages des oxydes (C, S, A, F, S, alcalis, MgO, CaO libre, TiO2, résidus insolubles, ...).

À partir des % des oxydes, la composition théorique (ou potentielle) des 4 phases principales du ciment peut être calculée.

Équations de BOGUE (1955)% C3S = 4,071 C - 7,600 S - 6,718 A - 1,430 F - 2,852 S% C2S = 2,867 S - 0,7544 C3S% C3A = 2,650 A - 1,692 F% C4AF = 3,043 F

Ces équations supposent que les 4 phases principales existent dans le clinker sous formes pures et que :

* d'abord, F2O3 réagit avec Al2O3 et CaO pour former C4AF et puis* le restant de Al2O3 réagit avec CaO pour former C3A* du CaO réagit avec SiO2 pour former C2S et puis* du CaO réagit avec C2S pour former C3S* la portion restante de CaO reste comme CaO libre (non-combinée)Les équations de BOGUE estiment bien les % de C3S et de C2S (75% de la

masse de ciment) mais il y a des erreurs avec l'estimation de C3A.

Equation de Bogue (1955)


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Analyses chimiques par fluorescence X de 2 ciments :

Ciment 1 2 typiqueC 65,0 65,0 60 - 67S 21,1 21,1 17 - 25

A 6,2 ∆ = -1% 5,2 3 - 8F 2,9 ∆ = 1% 3,9 0,5 - 6S 2,0 2,0 1 - 3

alcalis 1,0 1,0 0,2 - 1,3autres 1,8 1,8 ----

La composition potentielle des phases principales (%):Ciment 1 2

C3S 54 58 ∆ = + 4%C2S 20 16 ∆ = - 4%C3A 11 7 ∆ = - 4%C4AF 9 12 ∆ = + 3%

La diminution de 1% de Al2O3 et l'augmentation de 1% de Fe2O3 :* diminue les pourcentages du C3A par 4% et du C2S par 4%* augmente les pourcentages du C4AF par 3% et du C3S par 4%

Type de ciment Portland

Composition chimique, %

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2Oeq

I (moy) 20.5 5.4 2.6 63.9 2.1 3.0 0.61

II (moy) 21.2 4.6 3.5 63.8 2.1 2.7 0.51

III (moy) 20.6 4.9 2.8 63.4 2.2 3.5 0.56

IV (moy) 22.2 4.6 5.0 62.5 1.9 2.2 0.36

V (moy) 21.9 3.9 4.2 63.8 2.2 2.3 0.48

Blanc (moy) 22.7 4.1 0.3 66.7 0.9 2.7 0.18


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Ciment Portland

0

10

20

30

40

50

60

I II III IV V White

C3S

C2S

C3A

C4AF

Hydratation des silicates de calcium (C3S, C2S)

C3S et C2S = ~ 75% de la masse du ciment PortlandRéaction avec l’eau pour former deux nouveaux composés:

Hydroxyde de calcium (CH) Relativement faible et pouvant être attaqué par les acides Cristaux en forme de plaque

Hydrate de Silicate de (C-S-H) Fort et durable

Les pouzzolanes convertissent les CH en C-S-H….


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Hydratation des Aluminates de Calcium (C3A, C4AF)• Affecte principalement la prise et le durcissement• Le gypse ralentit la réaction du C3A• Forme l’ettringite et l’hydrate de monosulfate• Effets minimaux sur la résistance à long terme•Quelques implications sur la durabilité (C3A)• Les accélérateurs de prise et les retardateurs ont un impact


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Réactivité des mélanges de ciment

Degré d’hydratation

Techniques pour examiner l’hydratation:• Perte d’eau sous chauffage, Retrait chimique• Chaleur d’hydratation, changement dans la microscopie• Développement de résistance, Propriétés électriques

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100

Temps (jours)

Deg

ré d

’hyd

rata

tio

n (

%)

C3AC3A+CSH2

C3S

C2S


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Développement de la résistance à la compression

C3A réagit instantanément

La résistance finale est déterminée par le C3S et le C2S

Le taux du C3S affecte la résistance à jeune âge

0

15

30

45

60

0 20 40 60 80 100Time (days)

Co

mp

ress

ive

Str

eng

th (

MP

a)

C2S

C3A+CSH2

C3S

Chaleur d’hydratation


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Chaleur d’hydratation

Tau

x d’

évol

utio

n de

la c

hale

ur

Time

Étape I Évolution rapide de la chaleur (<15 mins)

Étape II Période dormante Important pour le transport (2-4 hrs)

Étape III Étape d’accélération Commence à la prise initiale (4-8 hrs)

Étape IV Étape de décélération N’est plus maniable (12-24 hrs)

Étape V État stable

III

III IV

V

Temps (h)

Gâchage

Taux d’évolution de la chaleur

.1 1 10

Hydratation du ciment à jeune âge


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Temps (h)

Gâchage Tansport


.1 1 10

Temps (h)

Gâchage Transport Mise en place


.1 1 10


25

Temps (h)

Gâchage Transport Mise en place Finition


.1 1 10

Temps (h)

Gâchage Transport Mise en place Finition Mûrissement


.1 1 10


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Time (hr)

Gâchage Transport Mise en place Finition Mûrissement


Découpage à la scie

.1 1 10

Types de ciment selon ASTM C 150 Comité C-1 de ASTM

Type I - ordinaire Type II – résistance aux sultates modérée (<8% C3A) Type III - haute résistance hâtive (< 15% C3A) Type IV - faible chaleur d’hydratation Type V - résistant aux sulfates

< 6% MgO Faible en alcalis < 0.6% Prise 60 – 600 min


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Types de Ciment ASTM

Composé Fraction de Degrée ∆ H ∆ H total

masse d'hydratation (J/g composé) (J/g ciment)

Ciment Type I à 7 jours d'hdratation

C3S 0.50 0.70 500 175

C2S 0.25 0.35 250 22

C3A 0.10 0.80 1350 108

C4AF 0.10 0.65 460 30

Gypse 0.05 Total 335

Ciment Type I à 100 jours d'hdratation

C3S 0.50 0.90 500 225

C2S 0.25 0.60 250 38

C3A 0.10 0.95 1350 128

C4AF 0.10 0.80 460 37

Total 428


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Réactivité des composés de ciment

Ciment Type III à 7 jours d'hdratationC3S 0.60 0.70 500 210C2S 0.15 0.35 250 13C3A 0.14 0.80 1350 151

C4AF 0.06 0.65 460 18Total 392

Ciment Type III à 100 jours d'hdratationC3S 0.60 0.90 500 270C2S 0.15 0.60 250 23C3A 0.14 0.95 1350 180

C4AF 0.06 0.80 460 22Total 494

Ciment Type IV à 7 jours d'hdratationC3S 0.25 0.70 500 88C2S 0.53 0.35 250 46C3A 0.05 0.80 1350 54

C4AF 0.12 0.65 460 36Total 224

Ciment Type IV à 100 jours d'hdratationC3S 0.25 0.90 500 113C2S 0.53 0.60 250 80C3A 0.05 0.95 1350 64

C4AF 0.12 0.80 460 44Total 300


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Types de cimentType I Type III Type IV

Normal HES Low HeatC3S 50 60 25

C2S 25 15 50

C3A 12 10 5

0

15

30

45

0 10 20 30

Time (days)

Ad

iab

ati

c Te

mp

erat

ure

(C

)

Type IV

Type I

Type III

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 3 6 9 12 15 18 21 24

Age (months)

Co

mp

ress

ive

Str

eng

th (

MP

a)

Type IType IV

Type III

Ciment hydraulique

Type GU Usage général

Type HE Haute résistance initiale

Type MS Résistance modérée aux sulfates

Type HS Haute résistance aux sulfates

Type MH Chaleur d’hydratation modérée

Type LH Faible chaleur d’hydratation

ASTM C 1157Première spécification de performance pour les ciments hydrauliques

CEM I : 32,5; 42,5; 52,5CEM I : N ou R (C3A élevé)


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Type I (GU)

Ciments à chaleur modérée ou basse


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Ciment Portland

0

10

20

30

40

50

60

I II III IV V White

C3S

C2S

C3A

C4AF

Ciments Type IIIà haute résistance initiale


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Réactivité des mélanges de ciment

Chaleur d’hydration à 7 jours

Ciment

Type I

Ciment

Type II

Ciment à chaleur modérée

Type II

Ciment

Type III

Ciment

Type IV

Ciment

Type V

% de Type I 100 99 75 106 67 89


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Ciments Type II & V résistants aux sulfates

Attaque par les sulfatesCiment Type V Rapport E/C = 0,65

Ciment Type V Rapport E/C = 0,39


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Performance des bétons fabriqués avec différents E/C en sols sulfatiques

Types de ciment ASTM


35

Finesse du cimentASTM C 204

Distribution des tailles de particules


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Finesse du ciment

Mouture – Dernière étape du processus

Deux mesures - Surface spécifique Distribution des tailles de particules

Finesse Blaine - Mesure de perméabilité

Surface active typique - Normal ~ 350 m2/kgHaute résistance initiale ~ 500 m2/kg

Plus fin = Plus rapide

Les particules de grande taille ne s’hydratent pas complètement

Finesse accrue – Réduction du ressuage, augmentation du retrait, durabilité réduite, nécessite plus de gypse


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Densité du ciment

Flacon de Le Chatelier ( ASTM C 188 ou AASHTO T 133)

Pycnomètre à l’hélium

Temps de prise

ASTM C 191 (AASHTO M 131)

Appareil de Vicat


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Cubes de mortier

ASTM C 109 (AASHTO T 106)

État frais

Pâtehydratée

Eau

E/C = 0,60 0,35

Cimentnon hydraté

CH

Ettringite

C-S-H

Évolution de la performance : importance du rapport E/C


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E/C = 0,60

Eau de "gel"

Ciment

"Gel" solide

Pores capillaires

0 1Degré d’hydration,

1

Volumerelatif

5 m

10 m

Développement de la microstructure

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