Ciment et béton- notion de base et durabilité

Question 1

Qu’est-ce qu’un béton ?

Answer 1

Matériau artificiel constitué
d’une pâte de ciment qui lie
rigidement des granulats

Question 2

Constituants du béton

Answer 2

*Granulats fins (< 5 mm) et
grossiers (5 – 37,5 mm et +):
60 à 75% (volume)
*“Matrice - pâte”
(25 - 40% volume):
*Eau: 15 – 20%;
*matériaux cimentaires: 7 – 15%
*adjuvants chimiques: < 2%.
*1 à 8% de vides (air)

Question 3

Exigences relatives aux granulats à béton

Answer 3

• Bonne distribution granulométrique
• Forme (sphéricité, angularité) et texture
  superficielle (rugosité, altération) adéquates
• Bonne performance mécanique → résistance aux
  chocs et à l’abrasion
• Résistance aux intempéries (gel-dégel; parfois au
  feu)
• Stabilité volumétrique
• Absence de substances nuisibles
• Stabilité chimique

Question 4

Béton à « l’état frais »

Answer 4

• Maniable et « plastique » →mise en place sous différentes
  formes
• Facile à mettre en place
• Bonne consolidation

Question 5

Béton à « l’état durci »

Answer 5

• Bonne résistance mécanique
• Faibles changements
  volumétriques
• Plus durable possible

Question 6

Ciment portland

Answer 6

*Liant hydraulique composé principalement de
silicates de calcium hydrauliques qui font prise et
durcissent en vertu d’une réaction chimique avec
l’eau appelée hydratation

Question 7

Ciment → constituent essentiel du béton

Answer 7

• Fabrication de chaque tonne de ciment portland:
• Nécessite environ 1.5 - 2 tonnes de matériaux bruts
  (calcaire, argile, gypse, minerai de fer)
  Ciment → 200 à 450
  kg/m3 de béton
• Nécessite environ 4 GJ d’énergie
• Émission de ≈ 0,8 tonne de CO2
  ~ 60% → calcination
  ~ 40% → énergie

Question 8

Combien de pourcentage mondiale l’industrie du béton est responsable.

Answer 8

6-7% du CO2 mondial

Question 9

Qu’est-ce qui influencent
le comportement du béton
(mécanique, durabilité)

Answer 9

Les propriétés des granulats
et de la pâte (e/c)
-Composition minéralogique : C3S, C2S,…
-Finesse des particules

Question 10

Fabrication du ciment portland

Answer 10

1.Pierre concassée (-125mm, -20mm) et entreposée
2. Matières premières pulvérisées
puis mélangées
3. La calcination transforme chimiquement le mélange de matières premières en clinker de ciment
4. Clinker et gypse pulvérisés = ciment portland

Question 11

Principaux constituant du béton

Answer 11

Calcaire, argile, gypse et minerai de fer

Question 12

Ciment portland

Answer 12

produit résultant de la
pulvérisation d’un clinker formé principalement de
silicates hydrauliques de calcium auquel le fabricant
peut ajouter, s’il le souhaite, différentes formes de
sulfate de calcium, du calcaire, de l’eau et des agents de
mouture.

Question 13

Ciment portland au calcaire (PLC)

Answer 13

produit obtenu
en broyant un clinker de ciment portland et du calcaire,
auquel le fabricant peut ajouter, s’il le souhaite,
différentes formes de sulfate de calcium, de l’eau et des
agents de mouture.
Meilleur pour l’environnement

Question 14

La pâte de ciment

Answer 14

résultat spontané
de la réaction d’hydratation qui se
produit lorsqu’on combine le ciment et
l’eau → forme un produit solide

Question 15

Quel type de ciment utiliser- HS

Answer 15

béton sévèrement exposé aux sulfates (ex:
Ouest canadien)
C3A faible

Question 16

Quel type de ciment utiliser- LH

Answer 16

Sections de béton massives (e.g. barrages)
-quand même grenut

Question 17

Quel type de ciment utiliser- HE

Answer 17

bétonnage par temps froid ou quand il
faut démouler vite
C3s elever
Tres fins (reaction plus vite avec l’eau)

Question 18

Quel type de ciment utiliser-Type MS /MH

Answer 18

béton de masse (barrages),
bétonnage par temps chaud ou résistance modérée
aux sulfates

Question 19

Quel type de ciment utiliser- GU

Answer 19

(ciment «normal» ou tout usage): béton
non exposé à des conditions de mise en place ou
d’exposition particulières

Question 20

Contrôle des propriétés du ciment

Answer 20

• Finesse
• Stabilité volumétrique
• Consistance
• Temps de prise
• Résistance en compression
• Expansion aux sulfates
• Chaleur d’hydratation
• Perte au feu
• Densité
  À éviter:
• Fausse prise
• Prise éclair

Question 21

Pâte de ciment fraiche et hydratation

Answer 21

Suspension: particules séparées
par phase aqueuse
Au contact entre le ciment et l’eau
→ dissolution de certains
composants des grains de ciment
Mise en solution des ions: Ca+2
,
OH-, silicates (plusieurs types),
aluminates, sulfates, etc.

Hydrates (peu solubles) se
forment dans les espaces entre les
grains de ciment → processus de
nucléation et cristallisation

Question 22

Processus d’hydratation du ciment portland

Answer 22

• Ciment portland → matériau hydraulique
  CSH (Silicate de calcium hydratés) représente plus de 50 % des produits d’hydratation
  (les hydrates) et exerce une influence dominante
• L’eau est retenue de différents façons au sein de la
  structure des CSH

Question 23

Importance du Gypse au clinker

Answer 23

-Controle la réaction du C3A
* Pas assez de gypse: prise éclair
* trop de gypse: formation de sulfoaluminates
après la prise, expansion et risque de destruction
de la pâte

Question 24

Processus d’hydratation

Answer 24

• Croissance des cristaux (hydrates) →
  formation de ponts entre les particules →
  prise et durcissement de la pâte de ciment
• Après la prise, le processus de durcissement
  continue pendant des heures, des jours, des
  mois et + !!
• Réactions exothermiques → chaleur ↑↑↑

Question 25

Phases du Processus d’hydratation du ciment portland (REGARDER GRAPHIQUE EXAM)

Answer 25

Phase 2 : * Période
dormante →
béton maniable
(mise en place)
* ↑ [ions Ca] en
solution
Phase 3 et 4: Précipitation/cristallisation
des hydrates
* Prise se fait tranquillement
* Système se densifie; « diffusion »

Question 26

Qualité de la pâte de ciment dépend du
rapport eau –ciment (E/C)

Answer 26

• E/C théorique pour
  hydration complète → 0,36
• Plus il y a d’eau, plus la pâte
  de ciment durcie est poreuse
  et moins elle est de « bonne
  qualité »

Question 27

Porosité de la pâte de ciment et du béton

Answer 27

• Porosité → grande influence sur les propriétés
  mécaniques et la durabilité du béton !
• Porosité dans la pâte de ciment est distribuée dans
  toutes les tailles → continuité dans le système poreux

Question 28

Type de porosité dans la pâte de ciment et le béton:

Answer 28

• Vides de compaction (consolidation du béton)
• Bulles d’air (résistance au gel-dégel)
• Pores capillaires (non remplis par des produits
  d’hydration)
• Pores du « gel de CSH » (structure des CSH)
• Interface pâte-granulat

Question 29

Vides d’air & de compaction

Answer 29

• > 1 mm → 1 à 2%
• Indésirables
• Forme et taille variables

Question 30

Bulles d’air

Answer 30

• Protègent la pâte de
  ciment (et le béton)
  contre l’action des
  cycles de gel-dégel
• Pas d’influence
  importante sur les
  propriétés de transport
• Vides discontinus
• 10 – 200 µm et + → générées lors du malaxage
  pour l’ajout d’un adjuvant chimique
• Air entrappé (1-2%) et entraîné (4 à 7%)

Question 31

Porosité capillaire

Answer 31

• Degré d’interconnexion des pores capillaires diminue
  avec une ↓ e/c et une ↑ du degré d’hydratation
• Faibles e/c → moins besoin d’un degré d’hydratation
  avancé pour que la porosité soit discontinue
  58
  GCI 60325 (2019)
• e/c ≥ 0,6 → porosité restera continue peu importe le
  degré d’avancement de l’hydratation.

Question 32

Pores du gel de CSH

Answer 32

Porosité de l’ordre de 28%
* Niveau de l’angström (10-4μm), moyenne 20 Ä
* Eau non évaporable:
eau liée chimiquement
dans les CSH (interfeuillet)
* Eau évaporable: eau
libre contenue dans la
porosité (adsorbée)

Question 33

Porosité d’interface pâte-granulat

Answer 33

• Auréole de transition (ITZ) (10 à 30 µm)
• Porosité importante et microstructure différente
  (effet de paroi – emboitement des particules)
  60
• Plus d’espace pour
  cristallisation des hydrates
• Riche en cristaux de chaux et
  d’ettringite
• Orientation préférentielle des
  cristaux de chaux (parallèles
  à la surface)
• Cristaux orientés
  aléatoirement dans la pâte de
  ciment homogène
• Distribution compacte des granulats → interaction
  possible des zones ITZ → chemins de percolation
• Affecte les propriétés de transports (eau, ions, etc.)

Question 34

influence

Answer 34

• Porosité capillaire influence principalement →
  chemin d’entrée pour l’eau, vapeur d’eau, éléments
  chimiques « nuisibles » → critique pour :
• Propriétés mécaniques
• Propriétés de transport
• Durabilité du béton
• Porosité du gel de CSH influence principalement
• Comportement visqueux
• Stabilité volumétrique (fluage, retrait)
• CSH donne la résistance à la pâte de ciment; rigide,
  adhère aux particules de ciment non hydratées

Question 35

Pâte de ciment → essentielle (“colle”), mais…

Answer 35

Elle est sujette à des variations volumétriques
significatives (gonflement, retrait)
* À l’état frais
* expansion et contraction thermique
* contraction Le Chatelier
* formation de composés expansifs
(ex: C3A + sulfates → gonflement)
* À l’état durci
* variations hygrométriques (séchage, mouillage)
* variations thermiques

Question 36

“Optimiser” le contenu en pâte du béton →
distribution granulométrique des granulats

Answer 36

Pâte (ciment + eau) → remplir les vides