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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
Taux d’évolution de la chaleur
.1 1 10
Temps (h)
Gâchage Transport Mise en place
Taux d’évolution de la chaleur
.1 1 10
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Temps (h)
Gâchage Transport Mise en place Finition
Taux d’évolution de la chaleur
.1 1 10
Temps (h)
Gâchage Transport Mise en place Finition Mûrissement
Taux d’évolution de la chaleur
.1 1 10
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Time (hr)
Gâchage Transport Mise en place Finition Mûrissement
Taux d’évolution de la chaleur
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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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
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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