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2.7 Ciments et bétons

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SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
SESSION 2.7
Ciments et bétons
Généralités
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Un peu d’histoire
Béton romain
Liant à base de chaux vive et de sable volcanique. Panthéon, Colisée…
Disparition du béton à la fin de l’Empire romain
Du Moyen Âge au 18e siècle
Construction en bois et en pierres naturelles (découpées et assemblées)
Naissance du ciment
1756 : Smeaton découvre que les chaux les plus hydrauliques (celles de Portland)
sont obtenues à partir d’un mélange calcaire + argile en grande proportion (25%)
1818 : Louis Vicat montre qu’il est possible de fabriquer industriellement un liant
hydraulique en dosant calcaire et argile, et définit la théorie de l’hydraulicité
1824 : Joseph Aspdin dépose un brevet de Ciment Portland Artificiel
1846 : premiers fours verticaux pour la fabrication du ciment dans la région de
Boulogne-sur-Mer
1887 : Henri Le Chatelier découvre les mécanismes de formation, puis de
durcissement, du ciment : base de la chimie des ciments
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Un peu d’histoire
Naissance du béton armé
1848 : Joseph-Louis Lambot crée une barque en ciment armé
1849 : Joseph Monier réalise du mobilier de jardin en ciment armé
1855 : François Coignet découvre le béton aggloméré
1892 : François Hennebique est le promoteur du béton armé
1906 : 1er règlement en France sur le calcul des ouvrages en béton armé
Naissance du béton précontraint
1929 : Brevet d’Eugène Freyssinet sur le béton précontraint
Eugène Freyssinet
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Qu’est-ce que le ciment ?
Ciment = liant hydraulique
Un liant hydraulique a la propriété de durcir progressivement au contact de l’eau
(par une série de réactions chimiques de ses constituants avec l’eau).
Après durcissement, il conserve sa résistance et sa stabilité, même sous l’eau.
Constituant principal du ciment = le clinker
Obtenu à partir de la cuisson à haute température (1 450°C) d’un mélange de :
- Calcaire (CaCO3) : 80 %
- Argile (SiO2 , Al2O3 , FeO3) : 20 %
Puis refroidissement rapide (la trempe)
Le ciment se présente sous forme d’une poudre (minérale) très fine
Nota - La prise du ciment n’est pas un séchage de la pâte après ajout d’eau. Il s’agit d’un
ensemble de réactions chimiques permettant le passage de la pâte de ciment de l’état liquide à
l’état solide
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
La fabrication du ciment 1/2
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
La fabrication du ciment 2/2
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
La fabrication du ciment
Les 4 éléments principaux nécessaires pour fabriquer du ciment
Mélange porté progressivement à température très élevée (1 450°C)
Brusquement refroidi
Broyé avec du gypse et des constituants secondaires éventuels :
laitier, cendres volantes, filler, calcaire…
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Recette pour fabriquer 1 kg de ciment
INGRÉDIENTS
1 250 g de calcaire
290 g d’argile
70 g de gypse
Extraire du sol le calcaire et l’argile
Concasser, puis broyer le tout jusqu’à obtention d’une poudre sèche
(farine) à bien mélanger
Faire cuire cette farine dans le four préalablement chauffé à 1
450°C
On obtient 930 g de clinker
A refroidir très fortement
Broyer ensemble et finement le clinker et le gypse
1 kg de très bon ciment
On obtient
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Etapes de la fabrication du ciment
CARRIÈRES
Le calcaire est abattu à l’explosif
et acheminé par dumper vers le hall
de concassage.
L’argile est extraite par ripage.
CUISSON
La cuisson s’effectue dans un four rotatif
où la température de la matière avoisine 1 450°C.
À sa sortie, la matière, appelée clinker,
est trempée à l’air.
CONCASSAGE
Les matériaux sont réduits par le
concasseur à une taille maximum de
80 mm et acheminés ensuite par un
transporteur à bande vers le hall de
préhomogénéisation.
BROYAGE
Le clinker est broyé très finement dans un broyeur
à boulets avec du gypse et d’autres constituants
comme des cendres de centrale thermique ou du
laitier de haut fourneau, dont les pourcentages
permettent d’obtenir différents types de ciment.
PRÉ-HOMOGÉNÉISATION
Le mélange calcaire/argile est réalisé
dans un hall de pré-homogénéisation où
la matière est disposée en couches
horizontales superposées puis reprise
verticalement.
BROYAGE
Les matières premières sont séchées
et broyées très finement pour obtenir
« la farine ».
STOCKAGE/EXPÉDITIONS
Les ciments ainsi obtenus sont stockés dans des silos
avant d’être expédiés, en vrac (75 %) et en sac (25 %).
CONTRÔLE
À chaque étape de la transformation de la matière,
des échantillons sont automatiquement prélevés
et analysés de façon très rigoureuse. Les pilotes
de la salle de contrôle conduisent l’usine depuis
leurs écrans de contrôle où s’affichent toutes
les informations relatives à la fabrication.
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
4 phases cristallines principales
Etapes de la fabrication
du ciment
EXTRACTION
DES MATIÈRES
PREMIÈRES
Calcaire : 80%
Argile : 20%
Bauxite/oxyde de fer
Notation
symbolique
C3S
C2S
C3A
C4AF
Nom
Formule chimique
% en
poids
moyen
Silicate tricalcique ou alite
Silicate bicalcique ou bélite
Aluminate tricalcique
Alumino-ferrite tétracalcique
3 CaO, SiO2
2 CaO, SiO2
3 CaO, Al2O3
4 CaO, Al2O3, Fe2O3
62
22
8
8
FABRICATION
DU CRU
par broyage des
matières premières
< 200 μm
CRU
Déshydratation : 100 à 500°C
Décarbonatation et calcination
: 800 à 1 100°C
Clinkérisation : 1 450°C
CUISSON
1 450°C
CLINKER
Composition chimique (poids)
Chaux
(CaO)
Silice
(SiO2)
Alumine
(Al2O3)
Oxyde
ferrique
(Fe2O3)
65 à 70%
18 à 24%
4 à 8%
1 à 6%
À chaque étape de la fabrication des
échantillons sont prélevés et analysés
BROYAGE
DU CLINKER
< 100 μm avec gypse
(le gypse permet
de réguler la prise)
CIMENT
Clinker + autres constituants éventuels : laitier de haut fourneau,
cendres volantes, calcaires, fumées de silice.
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Etapes de la fabrication du ciment
Concassage
Préhomogénéisation
EXTRACTION
DES MATIÈRES
PREMIÈRES
CARRIÈRES
Blocs de Dmax 150mm
Calcaire 80%
Argile 20%
FABRICATION
DU CRU
par broyage des
matières premières
< 200 μm
CRU
ÉCHANGEUR À CYCLONE
Réchauffement du cru
Précalcination
FOUR HORIZONTAL, ROTATIF
CYLINDRIQUE
Décarbonatation
Clinkérisation
CUISSON
1 450°C
CLINKER
STOCKAGE
silos
ensachage
BROYAGE
DU CLINKER
Broyage intime du calcaire
et de l’argile
(et bauxite, oxyde de fer)
Homogénéisation du mélange
< 100 μm avec gypse
CIMENT
Clinker + autres constituants éventuels : laitier de haut fourneau,
cendres volantes, calcaires, fumées de silice.
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Principales caractéristiques du ciment
Caractéristiques de la poudre
Surface spécifique / finesse blaine : 2 800 à 5 000 cm2/g
Masse volumique apparente : 1 000 kg/m3
Masse volumique absolue : 3 000 à 3 200 kg/m3
Caractéristiques sur pâte ou mortier
Début de prise : aiguille de Vicat
Expansion : aiguille de Le Chatelier
Résistances mécaniques : 2 jours/7 jours/28 jours
Chaleur d’hydratation : 250 à 400 J/g
Aiguille de Vicat
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Principales caractéristiques du béton
Résistance mécanique : 10 à 100 MPa
Porosité : 17,5 - 0,08 x Rc en %
Retrait : 150 µm/m à 500 µm/m en fonction des conditions climatiques
Dilatation : 10-5 / °C
Pour L = 10m, baisse de température de 10°C
Module élastique instantané : 40 GPa
Conductivité thermique : 1,5 à 2 W/m2/°C
Raccourcissement de 1 mm
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Constituants des ciments
Constituants principaux
- CLINKER
- Laitier granulé de haut fourneau (S)
- Pouzzolanes naturelles (Z) ou naturelles calcinées (Q)
- Cendres volantes siliceuses (V) ou calciques (W)
- Schistes calcinés (T)
- Calcaire (L, LL)
- Fumées de silice (D)
Sulfate de calcium : régulation de la prise
Constituants secondaires : moins de 5%
Additifs : moins de 0,5%
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Différents ciments
Ciments courants
– Ciments Portland : CEM I
– Ciments Portland composés : CEM II / A ou B
– Ciments de haut fourneau : CEM III / A, B ou C
– Ciments pouzzolaniques : CEM IV / A ou B
– Ciments composés : CEM V / A ou B
Ciments à usage spécifique
– Ciment prompt naturel
– Ciment d’aluminates de calcium
– Ciment à maçonner
Ciments à caractéristiques complémentaires
– Ciment pour travaux à la mer : PM
– Ciment pour travaux en eaux à haute teneur en sulfates : ES
– Ciment à teneur limitée en sulfures : CP
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Domaines d’emploi des ciments
Bétons*
Mortiers
Ciments
Coulis
(*)
BÉTONS :
Béton non armé
Béton armé
Béton précontraint
Bâtiments
Routes
Ouvrages
de génie civil
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
De l’hydratation au durcissement
3 PHASES SUCCESSIVES
Phase dormante
ETAT INITIAL
GRAIN DE
CIMENT + EAU
Début de prise*
Augmentation de la viscosité de la pâte de ciment
Dégagement de chaleur
Durcissement
HYDRATATION
DE CHAQUE
GRAIN
Accroissement progressif des résistances
mécaniques
L’enfance du béton
est un moment critique
LA VIE DU BÉTON
ne commence pas à son
arrivée dans le coffrage
à 28 jours
PRISE
ÉVOLUTION
PHYSIQUE DES
GRAINS
RÉACTION
EXOTHERMIQUE
ETAT FINAL
SOLIDE HYDRATÉ
POREUX
FORMATION DE SILICATES ET ALUMINATES DE CALCIUM HYDRATÉS
(*) le début de prise s’apprécie à l’aide de l’aiguille de Vicat
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Qu’est-ce que le béton ?
Le béton est un matériau composite. Mélange de :
- Ciment
- Eau
- Granulats, (concassés, roulés…) : 4 classes granulaires (fillers, sables, graves, gravillons)
- Adjuvants
- Additions minérales
- Air
Nota - Coulis = Ciment + eau + adjuvant
Mortier = Ciment + eau + sable + adjuvant
3 origines de production du béton
Béton Prêt à l’Emploi = BPE : capacité de production 40 à 150 m3/heure
Produits préfabriqués en béton
Béton réalisé sur chantier
Rôle de l’eau
Hydratation du ciment
Optimisation de la consistance de la pate
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Exemple de formulation
FORMULATION POUR 1 m3 DE BÉTON
Ciment : 350 kg
Granulats : 1 800 kg
- Gravillons : 1 200 kg
- Sable : 600 kg
Eau (E/C = 0.5) : 175 litres
Adjuvants
Nota
Eau = Eau pour hydratation du ciment + Eau pour maniabilité du béton frais
Eau = Eau Efficace (eau disponible pour l’hydratation du ciment) + Eau absorbée par les granulats
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Composition d’un béton
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Calcul du volume d’un béton à partir d’une formule
Volume de pâte : ciment + eau + adjuvant : 271 litres
Volume béton : 999.6 litres
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Granulats pour béton
FILLERS
ROULÉ
SABLES
CONCASSÉ
GRAVILLONS
ROCHES MASSIVES
carrières
GRAVES
NATUREL
ARTIFICIEL
RECYCLÉ
ROCHES MEUBLES
alluvions, fleuves,
rivières
CLASSE GRANULAIRE d/D
GRANULARITÉ
CARACTÉRISTIQUES :
CALCAIRE
Physico-chimiques
BASALTES
Physiques
Mécaniques
Chimiques
Esthétiques
GRANITE
GRÈS
DIORITES
SILEX…
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Principes de formulation
Classes
d’exposition
Contraintes
du chantier
Caractéristiques
des constituants
MÉLANGE
OPTIMAL
Moyens de
transport et de
mise en œuvre
Résistance
mécanique
Exigences
de durabilité
Conditions
climatiques
Propriétés du béton
à l’état frais et à
l’état durci
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Principes de formulation
Mélange optimal : granulats/eau/ciment/adjuvants
Minimum de vide, minimum d’eau, optimisation de la quantité de pâte, optimisation du squelette
granulaire
Nombreuses méthodes de formulation :
- A granularité continue
- A granularité discontinue
- Expérimentale
- Empirique
Principaux critères de formulation
- Caractéristiques géométriques de l’ouvrage
- Classes d’exposition
- Ouvrabilité : facilité de remplissage du coffrage
- Priorités et performances du béton frais et durci
- Durabilité
- Dimension maximale D des granulats : enrobage, espacement entre armatures
- Condition de fabrication et de mise en œuvre
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Principales caractéristiques du béton
Béton frais
Consistance : affaissement au cône d’Abrams
Stabilité : absence de ségrégation
Pompabilité
Béton durci
Résistance mécanique à la compression à 28 jours
- Sur cube
- Sur cylindre
Résistance à la traction par fendage
Résistance à la flexion
Nota - Les performances mécaniques du ciment sont fonction de la composition minéralogique
et des caractéristiques chimiques du clinker et de ses autres composants et de ses
caractéristiques physiques (finesse…)
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Résistance du béton
La résistance du béton augmente avec le temps
Rc = résistance mécanique en compression
Avec :
Rc = K
C = dosage en ciment
E = volume d’eau
V = volume de vide
Rc
Rc
si C
si E
Porosité
Optimisation de l’empilement granulaire
Mélange optimal de granulats
Résistance
Durabilité
Compacité maximum
Pourcentage minimum
de vides entre les grains
Nota - Pour garder la même résistance, il faut augmenter la quantité de ciment de 20 kg/m 3, si on ajoute 10 l/m3
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Principales déformations du béton
Flèche : déformation sous chargement uniforme ou concentré
Élasticité : module E = σ/ε
Retrait
- Chimique : hydratation
- Plastique : évaporation de l’eau de gâchage
- Dessication : évaporation de l’eau des pores
- Autodessication endogène : contraction des pores
- Thermique : fonction de la température
Fluage : déformation sous chargement constant
Mouvement thermique
Le béton se dilate quand la température augmente
Δl = 1 mm/10 m/10°C
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
De la centrale au coffrage
COFFRAGE
Traditionnel
Industriel
Perdus
Glissants
Prédalles
Prémurs
MALAXAGE
Centrale à béton
TRANSPORT*
jusqu’au chantier
Camion toupie
TRANSPORT SUR CHANTIER
Benne - Tapis - Pompe
Aiguille vibrante
Poutre vibrante
MISE EN PLACE
DANS LE COFFRAGE
* Temps de transport
inferieur à 1h30
PEAU DE COFFRAGE
Bois
Acier
Moule caoutchouc
VIBRATION
PROTECTION
CURE 28
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Mise en œuvre du béton
Tout ajout d’eau est interdit
Mise en place dans les coffrages
- Déversement direct
- Bennes à manches
- Pompage
Vibration et Cure
OBLIGATOIRES
Protection par temps chaud (> 30° C)
Pas de bétonnage par temps froid (< 5° C)
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Agressions du béton durci
Carbonatation :
Piégage du CO2 par le béton
corrosion des armatures
Gel-dégel :
Ecaillage du béton
Sels de déverglaçage :
Ecaillage du béton
Chlorures : Corrosion des armatures
Sulfates : Gonflement du béton
Attaques chimiques
Chocs
Feu
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Performances du béton durci
Durabilité
Résistance mécanique
Inertie thermique
Isolation acoustique
Résistance au feu
Esthétique
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Aspects et traitements de surface
FORME
TEINTE
Brut de décoffrage
Lavé
Sablé
Désactivé
Bouchardé
Poli
Grésé…
TEXTURE
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Répartition de l’emploi des ciments
55 %
26 %
16,5 %
2,5 %
Béton prêt
à l’emploi
Béton et mortier
produits sur
chantier
Produits
préfabriqués
en béton
Mortiers
industriels
et divers
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Flux du ciment
CENTRALE BPE
BPE
V
V
S
CIMENTERIE
USINE DE
PRÉFABRICATION
NÉGOCE EN
MATÉRIAUX / GSB
V
V
S
CHANTIERS
MS
V
MORTIÉRISTE
S
V = Ciment vrac
S = Ciment sac
MS = Mortier en sac
PB = Produit préfabriqué en béton
BPE = Béton Prêt à l’Emploi
PB
S
ENTREPRISES
DE BTP
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Cimenteries
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Chiffres clefs
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Chiffres clefs
Nord-ouest : Basse-Normandie, Bretagne, Centre, HauteNormandie, Ile-de-France, Nord-Pas-de-Calais, Pays de la
Loire, Picardie, Poitou Charente.
Nord-est : Alsace, Bourgogne, Champagne-Ardenne,
Franche-Comté, Lorraine.
Sud-ouest : Aquitaine, Auvergne, Languedoc-Roussillon,
Limousin, Midi-Pyrénées.
Sud-est : Corse, PACA, Rhône-Alpes
Y compris clinker exporté et liants géotechniques
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Chiffres clefs
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Chiffres clefs
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Évolutions de ces dernières années
Amélioration des connaissances
Sur les mécanismes physico-chimiques liés à l’hydratation des ciments
Sur le comportement des bétons face aux agressions et attaques chimiques
Sur la rhéologie des bétons frais
Sur les pathologies des bétons : origine, évolutions
Sur la maîtrise de la durabilité
Sur les phénomènes de corrosion des armatures
Perfectionnement
Des process de fabrication des ciments et des bétons :
- cimenterie (optimisation du pilotage de la cuisson du clinker)
- centrale BPE
- usine de préfabrication
Des moyens de contrôle et d’analyse en laboratoire
Adaptation de la normalisation
A la diversité des usages
Aux exigences des concepteurs et des architectes
Aux contraintes environnementales
SESSION 2
NORMES, CONSTITUANTS ET BÉTON
2.7 Ciments et bétons - Généralités
Évolutions de ces dernières années
Développement d’une large gamme de ciments optimisés pour satisfaire
à de nouvelles exigences
Ciments courants, PM / ES / CP / faible chaleur d’hydratation
Évolution des performances des adjuvants
Maîtrise de l’ouvrabilité
Réduction du rapport E/L
Adaptation aux conditions climatiques
Augmentation de la durabilité des bétons
Prise en compte de l’environnement de l’ouvrage pour définir les
spécifications des bétons
Classe d’exposition traduisant les risques d’agressions ou d’attaques que va subir
le béton de chaque partie de l’ouvrage au cours de sa durée de vie
Maîtrise de la durabilité des bétons
Meilleure connaissance des phénomènes et paramètres
conditionnant la durabilité des matériaux cimentaires
Evolution des exigences en matière de durabilité,
relayées par des normes et des recommandations et
spécifications plus précises et mieux adaptées
SOMMAIRE SESSION 2
SOMMAIRE GÉNÉRAL
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