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TCH-025
MODULE 2: BÉTON DE CIMENT
Jean Harrison, ing., M.Sc.A.
PLAN DE LA PRÉSENTATION
2.1 Introduction
2.2 Ciment Portland
2.3 Adjuvants
2.4 Ajouts cimentaires
2.5 Propriétés béton frais
2.6 Propriétés béton durci
2.7 Dosage des mélanges
2.8 Étapes d’un projet
• « Matériau mixte composé essentiellement d'un
mélange de liant et d'eau auquel on ajoute des
granulats fins et des gros granulats… (BNQ)»
• «Ciment portland avec ou sans ajouts cimentaires.»
Qu’est ce qu’un béton de ciment?
Qu’est ce qu’un liant?
Béton = Granulats + Ciment + eau
2.1 - INTRODUCTION
2.1 - INTRODUCTION
2.1 - INTRODUCTION
Granulats fins
Sable naturel ou manufacturé
≤ 5 mm
Représente de 35% à 45% de la masse ou volume
total des granulats
2.1 - INTRODUCTION
Gros granulats
Gravier ou pierre concassée
> 5 mm
Dimension maximale: généralement entre 10 et 40
mm
2.1 - INTRODUCTION
Réactivité alcalis-granulats (RAG)
Certains constituants contenus dans les granulats
peuvent réagir avec les hydroxyde de calcium alcalins
présents dans le béton
2.1 - INTRODUCTION
Réactivité alcalis-granulats (RAG)
Réaction alcalis-silice (RAS)
Réaction alcalis-carbonate (RAC)
La résistance en compression est directement reliée au rapport E/C (eau/ciment)
La résistance en compression du béton dépend de la qualité de la pâte de ciment (colle).
Si la pâte de ciment est diluée la colle sera moins forte et la résistance en compression plus faible.
E/C f ’c
Résistance en compression (f’c)
2.1 - INTRODUCTION
Résistance en compression (f’c)
2.1 - INTRODUCTION
2.1 - INTRODUCTION
Sur quels paramètres se base-t-on pour choisir
un mélange de béton?
Béton frais
Maniabilité
Contraintes de mise en place (espace, température, etc.)
Béton durci
Résistance mécanique en compression (court et long terme)
Résistance au gel
Résistance chimique
2.2 Ciment Portland
Les débuts de l’industrie
• Le ciment Portland a été breveté par Joseph
Aspdin, un maçon anglais en 1824.
• Nommé ciment Portland car une fois pris, le
béton avait la couleur de la pierre naturelle
extraite des carrières de calcaire de l’île de
Portland dans la Manche.
• Premières cimenteries:
USA – 1871 - Coplay, Pennsylvanie
Canada – 1889 – Hull, Québec
2.2 Ciment Portland
Fabrication d’un Ciment Portland?
«Liant hydraulique composé principalement
de silicates de calcium hydrauliques qui
fait prise et durcit en vertu d'une réaction
chimique à l'eau appelée hydratation
https://youtu.be/tkf-ma_BgOw?t=20
PRODUCTION DU CIMENT
Calcaire
Silice
Alumine
Fer
Clinker
Gypse
Ciment
2.2 Ciment Portland
Qu’est ce que le clinker ?
Produit obtenu à la sortie du four de la
cimenterie (Température variant entre 1450 et
1650 °C.
Constituants de base du ciment:
• Calcaire
• Silice
• Alumine
• Fer
2.2 Ciment Portland
Le ciment portland est obtenu en ajoutant
du gypse au clinker pulvérisé
Clinker Gypse
2.2 Ciment Portland
Phases cristallines du clinker
•Le silicate tricalcique3CaO.SiO2 (C3S) (50-70% du clinker).
•Le silicate bicalcique2CaO.SiO2 (C2S) (10-30% du clinker).
•L’aluminate tricalcique3CaO.Al.O3 (C3A) (2-15% du clinker).
•L’alumino-ferrite tétracalcique4CaOAl2O3.Fe2O3 (C4AF) (5-15% du clinker).
2.2 Ciment Portland
Constituants secondaires?
Le clinker contient également, en faibles quantités,
• des alcalis (Na2O, K2O),
• de la magnésie (MgO),
• diverses traces de métaux.
La teneur en ALCALIS et magnésie doit rester
faible, car ces matières peuvent influencer
défavorablement la stabilité du ciment durci.
2.2 Ciment Portland
Hydratation des phases cristallines du clinker
•Le silicate tricalcique (C3S) - Développement des résistances à court terme
- Grand dégagement de chaleur d’hydratation
•Le silicate bicalcique (C2S)- Développementdes résistances à long terme
- Faible dégagement de chaleur d’hydratation
•L’aluminate tricalcique (C3A)- Prise initiale
- Très grand dégagement de chaleur d’hydratation
- Faible résistance aux sulfates
•L’alumino-ferrite tétracalcique (C4AF) - Couleur du ciment
❑Les différents ciments
• TYPE GU (10) Ciment normal, 70% des cas
• TYPE MH (20) Ciment à chaleur d’hydratation modérée
TYPE MS (20) Ciment à résistance modérée aux sulfates
• TYPE HE (30) Ciment à haute résistance initiale
• TYPE LH (40) Ciment à faible chaleur d’hydratation
• TYPE HS (50) Ciment résistant aux sulfates
2.2 Ciment Portland
2.2 Ciment Portland
Ciment de type GU (General Use)
Le ciment type GU est destiné pour les
bétons courant. Il convient à tous les usages
pour lesquels les propriétés des autres
ciments ne sont pas nécessaires. On l’utilise
dans les bétons qui ne sont pas exposés aux
attaques des sulfates du sol ou de d’eau, pas
de danger dû à l’élévation de la température
d’hydratation. Il est couramment utilisé dans
les chaussées, trottoirs, planchers, bâtiments
en béton armé, pipes, réservoirs, ponceaux,
…
2.2 Ciment Portland
Ciment de type MS (Moderate Sulfate)
Le ciment type MS est employé lorsque
des précautions contre une attaque
modérée aux sulfates est requise: cas
dans les structures de drainage où les
concentrations en sulfate du sol et des
eaux souterraines sont modérément
élevées.
2.2 Ciment Portland
Ciment de type MH (Moderate Heat)
Le type MH est un ciment à chaleur
d’hydratation modérée. L’utilisateur de
ce type de ciment doit préciser les
caractéristiques de chaleur maximales
à ne pas dépasser. Le type MH est
généralement destiné pour des
éléments massifs en béton: cas de
piliers et culées de pont, murs de
soutènement épais.
2.2 Ciment Portland
Ciment de type HE (High Early)
Le ciment de type HE est un ciment à
résistance initiale élevée. Généralement des
hautes résistances sont obtenues à moins
d’une semaine. Il est utilisé dans des
structures qui sont mis en service le plus vite
possible et qui, donc, nécessitent un
décoffrage rapide. Aussi, il peut être utilisé par
temps froid pour réduire le temps de
maturation.
2.2 Ciment Portland
Ciment de type LH (Light Heat)
Le ciment type LH est à faible chaleur
d’hydratation. C’est un ciment qui s’hydrate
lentement et qui développe des résistances d’une
manière plus lente comparé au type GU. Il est
généralement utilisé dans des bétons de masse:
cas de barrage où l’accroissement de la
température d’hydratation peut occasionner des
dégats.
2.2 Ciment Portland
Ciment de type HS (High Sulfate)
On a recours à ce type de ciment lorsque le
béton est exposé de façon intense aux
sulfates à l’exemple des sols et des eaux
souterraines ayant la teneur en sulfate très
élevée. Sa résistance s’accroit plus
lentement que celle du type GU.
2.2 Ciment Portland
Phases cristalllines
•Type de
cimentDescription
Composition (%)
C3S C2S C3A C4AF
10 Normal 49 25 11 8
20 Modéré 44 31 5 13
30 HRI 58 14 11 8
40 FCH 28 46 5 13
50 RS 41 38 4 10
2.2 Ciment Portland
Propriétés des ciments
• Finesse de mouture (finesse des particules) :
•Indice de la réactivité du ciment
•Finesse Blaine
Type GU : 300 m² / kg
Type MH : 270 m² / kg, + gros : moins de chaleur
Type HE : 500 m² / kg, + fin : réagit plus vite
•Temps de prise
•Délais entre le malaxage et la prise (3 à 6 heures)
2.2 Ciment Portland
Propriétés des ciments
• Résistance à la compression
•Mesurée sur cubes de mortier normalisés
• Chaleur d’hydratation
•Chaleur libérée lors de l’hydratation
• Densité relative
•3,15 dans la plupart des cas
2.2 Ciment PortlandHydratation du ciment
L’hydratation du ciment est une série de réactions
chimiques entre le ciment et l’eau.
Durant la phase d’hydratation, le mélange ciment – eau
forme une pâte qui durcie en liant les granulats
ensemble pour former une masse solide.
L’hydratation du ciment est l’étape primordiale dans
le développement des résistances des bétons.
2.2 Ciment Portland
Hydratation du ciment
Les 72 heures suivant le malaxage sont les heures les
plus critiques. Durant cette période, le béton peut
atteindre jusqu’à 50 % et plus de sa résistance
souhaitée.
Durant cette période, le béton est très susceptible aux
différentes contraintes extérieures. Ces contraintes
pourraient engendrer la fissuration du béton car ce
dernier n’a pas atteint sa pleine résistance.
2.2 Ciment Portland
CHALEUR D’HYDRATATION
2.3 Adjuvants
Définitions
Constituant autre que l'eau, les granulats, les liants et
les fibres, ajouté au mélange immédiatement avant ou
pendant le malaxage, afin d'en modifier les
caractéristiques et les comportements usuels.
En petite quantité……. Maximum 2% en
masse
2.3 Adjuvants
Diminuer le coût des constructions en béton
Donner au béton certaines caractéristiques plus efficacement que par d’autres moyens
Assurer la qualité du béton durant le malaxage, le transport, la mise en place et la cure dans des conditions météorologiques défavorables
Palier à certaines urgences durant le bétonnage
2.3 Adjuvants
Avantages
➢ Améliorer la maniabilité ou la consistance
➢ Améliorer la durabilité
➢ Réduire la teneur en eau
➢ Accélérer la prise ou le durcissement
➢ Retarder la prise ou le durcissement
➢ Améliorer l’imperméabilité
➢ Améliorer la résistance à l’abrasion
➢ Diminuer la chaleur d’hydratation
➢ …..
2.3 Adjuvants
Entraineurs d’air : provoquent le
développement d'un réseau de bulles d'air
microscopiques dans le béton ou le mortier au
cours du malaxage ce qui permet de résister aux
cycles de gel et de dégel
Réducteurs d’eau : permettent d’augmenter
l’affaissement d’un béton sans avoir à
augmenter la teneur en eau ou permettent
d’augmenter la résistance en compression
du béton en réduisant le rapport E/C sans
compromettre la maniabilité du béton.
2.3 Adjuvants
Retardateur de prise : permettent d’allonger
le temps où le béton reste plastique et
maniable ce qui permet de compléter sa mise en
place.
Accélérateur de prise : permettent d’accélérer
le développement des résistances en
compression ce qui permet d’augmenter la
vitesse de murissement, décoffrer plus vite,
accélérer la mise en service, ...
2.3 Adjuvants
Superplastifiants: réducteur d’eau à haute
efficacité. Permettent d’obtenir des bétons
fluidifiés à affaissement élevé (>190 mm) ou des
bétons à très haute résistance.
2.4 Ajouts cimentaires
Poudres minérales, calciques, siliceuses ou silico-
alumineuses qui utilisées en ajout ou en
substitution partielle du ciment, améliorent les
propriétés des bétons frais et durcis.
De gauche à droite :
• Cendres volantes (classe C),
• Métakaolin (argile calcinée),
• Fumée de silice,
• Cendres volantes (classe F),
• Laitier
• Schiste calciné
2.4 Ajouts cimentaires
Provenance des ajouts cimentaires
Cendres volantes: Centrales thermiques au charbon
Laitiers: Industrie sidérurgique (hauts fourneaux)
Fumées de silice: Industrie du silicium et ferro-silicium
Pouzzolanes naturelles: Argiles et schistes calcinés, etc…
2.4 Ajouts cimentaires
Proportions des ajouts cimentaires dans les bétons
1. Cendres volantes
▪ Classe C 15% à 40%
▪ Classe F 15% à 25%
2. Laitier 30% à 45%
3. Fumée de silice 5% à 10%
4. Les pouzzolanes naturelles
▪ Argile calcinée 15% à 35%
▪ Métakaolin 10% à 20 %
▪ Schiste calciné 15% à 35%
EFFETS DES AJOUTS CIMENTAIRES
SUR LE BÉTON PLASTIQUE
Réduction Non / peu d'effet
Cendres
volantesLaitier
Fumée
silice
Pouzzolanes
Naturellesaugmenté Varies
Besoins en eau
Ouvrabilité
Ségrégation et ressuage
Teneur en air
Chaleur d’hydratation
Temps de prise
Finition
Pompabilité
Retrait plastique
EFFETS DES AJOUTS CIMENTAIRES SUR LE BÉTON DURCI
Réduction Non / peu
d'effet Cendres
volantesLaitier
Fumée
silice
Pouzzolanes
Naturellesaugmenté Varies
Résistance
Résistance à l’impact et à l’abrasion
Résistance aux cycles de gel-dégel
Résistance aux agents de déglaçage
Perméabilité
Réaction alcali-granulat
Résistance à l’attaque des sulfates
Carbonatation
Couleur du béton
2.5 Propriétés du béton frais
Délais pour la mise en place: selon le type
de mélange, il faut s’assurer que les réactions
d’hydratation entamées ne nuisent pas à la
mise en place et la qualité du béton
(maximum de 2h selon la CSA).
Maniabilité (mise en œuvre) mesurée avec
l’essai d’affaissement
2.5 Propriétés du béton frais
Teneur en air (si requis): fonction des conditions
d’exposition et de la dimension des gros granulats
Teneur en air recommandée selon la catégorie d’exposition au gel-dégel
Catégorie Teneur en air (en %)
Granulats de
grosseur
maximale 10
Granulats de
grosseur
maximale 14 à 20
Granulats de
grosseur
maximale 28 à
40
1 si gel-dégel 6-9 5-8 4-7
2 autrement 5-8 4-7 3-6
2.5 Propriétés du béton frais
Condition d’exposition et E/C
Température du béton frais : indicateur de
l’hydratation
Critères pour le bétonClasse
d’exposition
Rapport E/C
Maximum
Résistance
spécifiée minimale
à 28 jours en MPa
Catégorie de teneur
en air
C-1
C-2
C-3
C-4
F-1
F-2
N
0,40
0,45
0,50
0,55
0,50
0,55
Selon les besoins
structuraux
35
32
30
25
30
25
Selon les besoins
structuraux
1
1
2
2
1
2
Aucune exigence
2.5 Propriétés du béton frais
• Masse d’un mètre cube de béton. On pèse la
masse d’un volume connu de béton
Masse volumique
• La masse volumique doit se situer entre 2150 et
2550 kg/m3
RÉSUMÉ DES PROPRIÉTÉS DU BÉTON FRAIS
Propriété Type de béton Valeurs
Maniabilité Béton raide
Béton moyen
Béton fluide
Affaissement < 50 mm
50mm < Affaissement < 100
Affaissement > 100 mm
Teneur en air Béton normal
Béton à air entraîné
0,5 à 3% d’air emprisonné
3 à 10% d’air entraîné
Masse volumique Béton léger isolant
Béton léger structural
Béton normal
Béton lourd
400 à 1400 kg/m3
1400 à 1850 kg/m3
1850 à 2550 kg/m3
2750 à 6400 kg/m3
2.5 Propriétés du béton frais
Ségrégation : séparation des différents
composants
Ressuage : remontée d’eau à la surface du
béton
Autres indicateurs visuels
Consolidation : augmenter la compacité et
réduire les vides ce qui entraine une bonne
résistance et durabilité
2.5 Propriétés du béton frais
Consolidation du béton frais
2.5 ESSAIS DE CONTRÔLE DE LA QUALITÉ
SUR LE BÉTON FRAIS
Essai d’affaissement
Source : Association canadienne du ciment portland (2004)
2.5 ESSAIS DE CONTRÔLE DE LA QUALITÉ
SUR LE BÉTON FRAIS
Prise de température
Source : Association canadienne du ciment portland (2004)
2.5 ESSAIS DE CONTRÔLE DE LA QUALITÉ
SUR LE BÉTON FRAIS
Masse volumique
Source : Association canadienne du ciment portland (2004)
2.5 ESSAIS DE CONTRÔLE DE LA QUALITÉ
SUR LE BÉTON FRAIS
Teneur en air
Source : Association canadienne du ciment portland (2004)
2.6 Propriétés du béton durci
Charge appliquée (N) sur une unité de surface
mm2
La résistance en compression est exprimée en MPa
Elle est mesurée sur un échantillon cylindrique de
100 mm x 200 ou 150 x 300 mm
Résistance à la compression
Elle peut être mesuré à 3 jours, 7 jours, 21 jours, 28
jours, 56 jours…. Mais la valeur de référence est à 28
jours. La norme CSA recommande 3 échantillons
dont 1 à 7 jours et 2 à 28 jours…
2.6 ESSAIS DE CONTRÔLE DE LA QUALITÉ
SUR LE BÉTON DURCI
Essai de résistance en compression
3 cylindres
20 minutes après le prélèvement pour confectionner
les cylindres
Entreposage temporaire pour 24 h
Cure en chambre humide
1 essai à 7 jours
2 essais à 28 jours
2.7 DOSAGE DE BÉTON DE CIMENTS
EXIGENCES DE LA NORME CSA A23.1
Teneur en air: dépend de l’exposition au gel-dégel et de la grosseur maximale des granulats.
Rapport E/C maximum à utiliser selon la classe d’exposition.
Affaissements maximum et minimum recommandés
Grosseur maximale des granulats:
ne doit pas excéder :
un cinquième de l’espace entre les coffrages ;
trois quarts de l’espace entre les barres d’armatures ou entre le coffrage et les barres d’armatures ;
un tiers de l’épaisseur des dalles.
2.7 Dosage de béton de ciments
Il existe plusieurs méthodes de calcul d’un mélange.
Le dosage des bétons de ciment par la méthode des
volumes absolus (méthode ACI) est le plus utilisé
La méthode de dosage proposée par Ciment St-
Laurent CSL-1991 est une méthode simplifiée
dérivée de la méthode ACI
2.7 Dosage de béton de ciments
On vous demande de réaliser la conception, selon la méthode
CSL, d’un mélange de béton ayant les caractéristiques
suivantes:
Résistance à la compression f’c = 42 Mpa
Avec air entrainé (5% à 8%)
Caractéristiques des granulats qui seront utilisés:
Sable:
Densité sss=2,631
Teneur en eau= 3,3%
Absorption: 1,1%
Gros granulat:
Densité sss=2,742
Teneur en eau= 2,5%
Absorption: 0,7%
Ciment:
densité=3,14
2.7 Dosage de béton de ciments
2.6 –Dosage de béton de ciments
Réponse
Matériaux
utilisés
Volume
occupé
(L/m3)
Caractéristiques
des matériaux
Masse en
Kg/m3
(SSS)
Masse en
Kg/m3
À peser
eau 156,7 E/C=0,32 156,7 123,8
ciment 156 Densité=3,14 489,8 489,8
Gros
granulat
374 Densité sss=2,742;
abs=0,7%
humidité=1,8%
1025,5 1044,0
Granulat fin 248,3 Densité sss=2,631;
abs=1,1%
humidité=2,2%
653,3 667,7
Teneur en
air
65 6,5%
2325,3
Volume total 1000
2.8 ÉTAPES D’UN PROJET : TRANSPORT
« La norme CSA A23.1 limite à 2 heures le temps
entre le gâchage et la mise en place. »
2.8 ÉTAPES D’UN PROJET : CURE OU
MÛRISSEMENT
Le béton doit être maintenu dans des conditions
d’humidité et de température pour une période
de temps convenable immédiatement après la
mise en place et la finition afin que les propriétés
puissent se développer
Cure minimale: 3 jours
Cure pour conditions sévères d’exposition: 7 jours
2.8 ÉTAPES D’UN PROJET : CURE OU
MÛRISSEMENT
https://www.youtube.com/watch?v=mDEywgSP4xk
2.8 ÉTAPES D’UN PROJET : TYPES DE
JOINTS
Joint de désolidarisation
Joint de retrait
Joint de construction