Téchnologie du béton K.H. Khayat

Téchnologie du béton
K.H. Khayat
Equation de Bogue (1955)
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.
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Téchnologie du béton
K.H. Khayat
Analyses chimiques par fluorescence X de 2 ciments :
Ciment
C
S
A
F
S
alcalis
autres
1
65,0
21,1
6,2 ∆ = -1%
2,9 ∆ = 1%
2,0
1,0
1,8
2
65,0
21,1
5,2
3,9
2,0
1,0
1,8
typique
60 - 67
17 - 25
3-8
0,5 - 6
1-3
0,2 - 1,3
----
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%
Composition chimique, %
Type de ciment
Portland
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
18
Téchnologie du béton
K.H. Khayat
60
50
C3S
40
C2S
30
C3A
20
C4AF
10
0
I
II
III
IV
V
White
Ciment Portland
Hydratation des silicates de
calcium (C3S, C2S)
 C3S et C2S = ~ 75% de la masse du ciment Portland
Réaction 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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Téchnologie du béton
K.H. Khayat
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
20
Téchnologie du béton
K.H. Khayat
Réactivité des mélanges de ciment
Degré d’hydratation
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
100
C3A
80
C3A+CSH2
C3S
60
40
C2S
20
0
0
20
40
60
Temps (jours)
21
80
100
Téchnologie du béton
K.H. Khayat
Développement de la résistance à
la compression
60

Compressive Strength (MPa)
C 3S
45

C 2S
30

15
C3A+CSH 2
0
0
20
40
60
Time (days)
80
100
Chaleur d’hydratation
22
C3A réagit
instantanément
La résistance finale
est déterminée par le
C3S et le C2S
Le taux du C3S affecte
la résistance à jeune
âge
Téchnologie du béton
K.H. Khayat
Taux d’évolution
de la chaleur
Chaleur
d’hydratation
IV
III
I
V
II
Time
Étape I
Évolution rapide de la chaleur
(<15 mins)
Étape II
Période dormante
(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
Étape V
État stable
Important pour le transport
(12-24 hrs)
Hydratation du ciment à jeune âge
Gâchage
Taux
d’évolution
de la chaleur
.1
1
Temps (h)
23
10
Téchnologie du béton
Gâchage
K.H. Khayat
Tansport
Taux
d’évolution
de la chaleur
.1
Gâchage
1
Transport
Temps (h)
10
Mise en place
Taux d’évolution
de la chaleur
.1
1
Temps (h)
24
10
Téchnologie du béton
Gâchage
K.H. Khayat
Transport
Mise en place
Finition
Taux d’évolution
de la chaleur
.1
Gâchage
1
Transport
Temps (h)
Mise en place Finition
10
Mûrissement
Taux d’évolution
de la chaleur
.1
1
Temps (h)
25
10
Téchnologie du béton
Gâchage
K.H. Khayat
Transport
Mise en place Finition
Mûrissement
Découpage à la scie
Taux d’évolution
de la chaleur
.1
Time (hr)
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
26
Téchnologie du béton
K.H. Khayat
Types de Ciment ASTM
Composé
Fraction de
Degrée
∆H
masse
d'hydratation (J/g composé)
Ciment Type I à 7 jours d'hdratation
∆ H total
(J/g ciment)
C3S
0.50
0.70
500
175
C2S
C3A
0.25
0.10
0.35
0.80
250
1350
22
108
C4AF
0.10
0.65
Gypse
0.05
Ciment Type I
460
30
Total
335
à 100 jours d'hdratation
C3S
0.50
0.90
500
225
C2S
C3A
0.25
0.10
0.60
0.95
250
1350
38
128
C4AF
0.10
0.80
27
460
37
Total
428
Téchnologie du béton
K.H. Khayat
Réactivité des composés de ciment
C3S
C2S
C3A
C4AF
Ciment Type III
0.60
0.15
0.14
0.06
à 7 jours d'hdratation
0.70
500
0.35
250
0.80
1350
0.65
460
Total
210
13
151
18
392
C3S
C2S
C3A
C4AF
Ciment Type III
0.60
0.15
0.14
0.06
à 100 jours d'hdratation
0.90
500
0.60
250
0.95
1350
0.80
460
Total
270
23
180
22
494
C3S
C2S
C3A
C4AF
Ciment Type IV
0.25
0.53
0.05
0.12
à 7 jours d'hdratation
0.70
500
0.35
250
0.80
1350
0.65
460
Total
88
46
54
36
224
C3S
C2S
C3A
C4AF
Ciment Type IV
0.25
0.53
0.05
0.12
à 100 jours d'hdratation
0.90
500
0.60
250
0.95
1350
0.80
460
Total
113
80
64
44
300
28
Téchnologie du béton
K.H. Khayat
C3S
Type I
Normal
50
Type III
HES
60
Type IV
Low Heat
25
C2S
25
15
50
C3A
12
10
5
45
Type III
45
Type IV
40
Compressive Strength (MPa)
Adiabatic Temperature (C)
Types de ciment
Type I
30
Type IV
15
Type I
35
Type III
30
25
20
15
10
5
0
0
0
10
20
30
0
Time (days)
3
6
9
12
15
18
21
Age (months)
Ciment hydraulique
ASTM C 1157
Première spécification de performance pour les ciments hydrauliques
Type GU
Type HE
Type MS
Type HS
Type MH
Type LH
Usage général
Haute résistance initiale
Résistance modérée aux sulfates
Haute résistance aux sulfates
Chaleur d’hydratation modérée
Faible chaleur d’hydratation
CEM I : 32,5; 42,5; 52,5
CEM I : N ou R (C3A élevé)
29
24
Téchnologie du béton
K.H. Khayat
Type I (GU)
Ciments à chaleur
modérée ou basse
30
Téchnologie du béton
K.H. Khayat
60
50
C3S
40
C2S
30
C3A
20
C4AF
10
0
I
II
III
IV
V
White
Ciment Portland
Ciments
Type III
à haute
résistance
initiale
31
Téchnologie du béton
K.H. Khayat
Réactivité des mélanges de ciment
Chaleur d’hydration à 7 jours
Ciment Ciment Ciment à chaleur Ciment
Type I Type II modérée
Type III
Type II
% de Type I
100
99
75
32
106
Ciment
Type IV
67
Ciment
Type V
89
Téchnologie du béton
K.H. Khayat
Ciments Type II & V
résistants aux
sulfates
Attaque par les sulfates
Ciment Type V
Rapport E/C = 0,65
33
Ciment Type V
Rapport E/C = 0,39
Téchnologie du béton
K.H. Khayat
Performance des bétons fabriqués avec
différents E/C en sols sulfatiques
Types de ciment ASTM
34
Téchnologie du béton
K.H. Khayat
ASTM C 204
Finesse du ciment
Distribution des tailles
de particules
35
Téchnologie du béton
K.H. Khayat
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/kg
Haute 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
36
Téchnologie du béton
K.H. Khayat
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
37
Téchnologie du béton
K.H. Khayat
Cubes de mortier
ASTM C 109
(AASHTO T 106)
Évolution de la performance :
importance du rapport E/C
Ciment
non hydraté
État frais
Eau
E/C = 0,60
0,35
C-S-H
Pâte
hydratée
Ettringite
CH
38
Téchnologie du béton
K.H. Khayat
E/C = 0,60
1
Pores capillaires
Eau de "gel"
Volume
relatif
"Gel" solide
Ciment
0
Degré d’hydration, 
1
Développement de la microstructure
10 m
5 m
39

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