Ciment

turelles à ciel ouvert. Elles sont extraites des parois rocheuses par abattage à l'explosif ou à la pelle mécanique. C’est la raison pour laquelle les cimenteries sont situées près de carrières de calcaire ou de craie.

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1.3.2 Les autres types de ciment

Au clinker Portland peuvent être ajoutés un ou plusieurs des ingrédients suivants : - laitier de haut-fourneau : produit granulé qui est obtenu par le refroidissement brusque de la gangue en fusion des hauts fourneaux. Constituant à hydraulicité latente, c.-à-d. que l’hydratation doit être activée. Le rôle de démarreur est joué par le clincker Portland. - cendre volante : réagit avec la chaux libérée par l’hydratation du clincker. - calcaire : constituant inerte. Intervient physiquement comme plastifiant dans le béton frais.

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1.3.3 Ciments courants en Belgique

Le choix d’un ciment se fait suivant les critères suivants : - Prestations élevées à court terme ex.: CEM I 52.5R ou CEM III/A 52.5R1 - Température de bétonnage - Temps froid : CEM I 52.5 ou CEM I 42.5 - Temps chaud : CEM III/C 32.5 - Présence de sulfates - Prévention réaction alcali-silice…

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« R » = prise rapide

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1.3.4 Processus d'hydratation

DOC1 : Hydration

Extrait de "CONCRETE : A MATERIAL FOR THE NEW STONE AGE", Materials Science and Technology, 1995, Department of Materials Science and Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL, USA

The equations for the hydration of cement are given by: Tricalcium silicate + Water--->Calcium silicate hydrate+Calcium hydroxide + heat 2 Ca3SiO5 + 7 H2O ---> 3 CaO.2SiO2.4H2O + 3 Ca(OH)2 + 173.6kJ Dicalcium silicate + Water--->Calcium silicate hydrate + Calcium hydroxide +heat 2 Ca2SiO4 + 5 H2O---> 3 CaO.2SiO2.4H2O + Ca(OH)2 + 58.6 kJ Heat is evolved with cement hydration. This is due to the breaking and making of chemical bonds during hydration. The heat generated is shown below as a function of time.

R A T E O F H E A T

E V O L U T I O N HOURS DAYS

MINUTES

Rate of heat evolution during the hydration of portland cement The stage I “hydrolysis of the cement compounds” occurs rapidly with a temperature increase of several degrees. Stage II is known as the dormancy period. The evolution of heat slows dramatically in this stage. The dormancy period can last from one to three hours. During this period, the concrete is in a plastic state which allows the concrete to be transported and placed without any major difficulty. This is particularly important for the construction trade who must transport concrete to the job site. It is at the end of this stage that initial setting begins. In stages III and IV, the concrete starts to harden and the heat evolution increases due primarily to the hydration of tricalcium silicate. Stage V is reached after 36 hours. The slow formation of hydrate products occurs and continues as long as water and unhydrated silicates are present.

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1.3.5 Résistance du ciment durci

La figure et la photo suivantes illustrent ce qui se passe lors de l’hydratation du ciment : formation de cristaux partant de chaque grain de ciment et formant un réseau de plus en plus dense de liens.

On comprend dès lors que la résistance du ciment augmente en fonction du temps, comme le montre la figure suivante :

La composition et la finesse de mouture d'un ciment déterminent le développement de sa résistance. En fonction de cette évolution, les ciments sont divisés en "classes de résistance". Celles-ci correspondent à des niveaux de performances minimales à 28 jours. Dans chaque classe, et suivant les performances au jeune âge, une distinction est faite entre la version N(normale) et la version R(rapide). Le ciment durci a une résistance comparable à celle du béton. Pourquoi dès lors faut-il ajouter au béton d’autres ingrédients ? Parce que : • le coût de production du ciment est élevé, • le ciment durci est l’objet de deux phénomènes dont il faut limiter les effets: le retrait et le fluage

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1.3.6 Phénomène de retrait et de fluage

1.3.6.1 Phénomène de retrait

Le retrait chimique est dû au fait que le ciment hydraté occupe un volume plus petit que la somme des volumes du ciment et de l'eau. Le retrait plastique est causé par l'évaporation de l'eau libre (c’est-à-dire qui n’a pas hydraté le ciment). Le retrait de dessiccation (retrait hydraulique) résulte de l'évaporation de l'eau des pores du béton durci suivie de la contraction des pores par les forces capillaires. 1.3.6.2 Phénomène de fluage

Ce phénomène résulte en premier lieu d'une migration d'humidité. En cas de charge plus importante, des micro-fissures se développent dans la pâte de ciment durcie. Un béton jeune est plus sensible au fluage parce que la structure du matériau résiste moins bien aux contraintes de compression et de traction internes. Le fluage est donc une déformation sous contrainte constante appliquée au béton.

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Donc pour éviter l'apparition de ces phénomènes, il faut minimiser la quantité de ciment c'est-àdire remplir par des matériaux inertes et solides(granulats).

Béton léger

1.4 Rôle des différents éléments constituants le béton

• • • • • Ciment: c'est le constituant qui va réagir chimiquement avec l'eau, devenir résistant, et lier tous les ingrédients. L'eau: c'est elle qui va hydrater le ciment et rendre le mélange malléable. Les granulats: ils vont former une disposition plus ou moins ordonnée qui va conférer au béton sa résistance. C’est le ciment hydraté qui va "coller" les granulats. Le sable: il permet de remplir les trous qui subsistent entre les gros granulats. Les plastifiants: ils augmentent l’ « ouvrabilité » du béton (facilité avec laquelle on peut travailler le béton).

1.5 Prix des constituants et composition standard du béton

Coûts en EUR par tonne

100 80 60 40 20 0 Ciment (PC) Gros granulats: concassés sable Eau + fluid

Masse des composants par m³ de béton (en kg)

1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Ciment (PC) Gros granulats: concassés sable Eau + fluid

Béton : • Prix de revient : 48 €/m³ • Prix rendu : 65 €/m³ (source : bétons Holcim janvier 2006)

On retiendra la répartition des masses dans 1 béton ordinaire : on trouve approximativement, 2x plus de ciment que d’eau, 2x plus de sable que de ciment et 2x plus de gros granulats que de sable.

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Ces diagrammes montrent bien que l’on a tout intérêt, pour diminuer le prix du béton à remplacer du ciment par un maximum de granulats.

1.6 Les granulats

N’importe quel granulat ne convient pas pour faire un béton. La quantité de ciment nécessaire pour lier l’ensemble des constituants est proportionnelle à la surface de ceux-ci. On a donc intérêt à choisir les granulats les plus gros, comme le montre l’illustration suivante :

Ensuite,