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Le béton est un matériau obtenu en mélangeant les constituants, à savoir du ciment, de l’eau, des granulats grossiers et fins, avec ou sans ajout d’additions ou d’adjuvants. Les possibilités de variation des paramètres au sein de ce mélange de 5 constituants sont pratiquement illimitées, ce qui permet d’influencer de façon ciblée aussi bien les propriétés du béton frais que celles du béton durci.
Le béton acquiert ses propriétés essentiellement au travers de la réaction chimique du ciment avec l’eau, ce qu’on appelle l’hydratation du ciment. La vitesse de réaction du ciment est déterminante pour la prise et le durcissement du béton.
Fig. 2.1.1: Proportions pondérales et volumétriques du système à 5 constituants du béton.
2.1.2 Hydratation du ciment
Lors de l’hydratation du ciment, les minéraux de clinker du ciment Portland – C3S, C2S, C3A et C4AF – réagissent avec l’eau et se transforment en phases hydratées. Elles provoquent le raidissement et le durcissement de la pâte de ciment. L’évolution des phases hydratées et de la structure s’opère au cours de trois phases d’hydratation (fig. 2.1.2).
Lors de la première phase d’hydratation (I), le C3A réagit très vite et fortement avec le sulfate de calcium dissous (à savoir du gypse ajouté en tant que régulateur de prise). Les hydrates sulfatés d’aluminate de calcium, surtout le trisulfate appelé aussi ettringite, forment des cristaux en colonnes courtes et hexagonales à la surface des particules de clinker. Le développement de cette très fine couche ralentit temporairement l’hydratation. Durant cette période les phases silicates se dissolvent (C3S, C2S) et les particules de silicates de calcium hydratés (CSH) commencent à se former à la surface des particules de clinker (nucléation). Les premiers produits de réaction sont encore trop petits pour combler l’espace entre les grains de clinker qui peuvent toujours se mouvoir librement. De ce fait la pâte de ciment ne se raidit que très peu. Le raidissement et ensuite la prise de la pâte de ciment ne commencent qu’après 1 à 3 heures, lors de de la croissance rapide des aiguilles de CSH. Les hydrates s’entremêlent de plus en plus au fur et à mesure de leur croissance et la pâte de ciment commence à se rigidifier.
Pendant la seconde phase d’hydratation (II), la structure de base se met en place. Elle est constituée de faisceaux fibreux de CSH, des plaquettes d’hydroxyde de calcium (Ca(OH)2) et de cristaux allongés d’ettringite. Les plus grands cristaux pontent l’espace entre les grains de clinker et s’enchevêtrent.
La troisième phase d’hydratation (III) est la solidification progressive de la structure, par le durcissement graduel de la pâte de ciment. Le mécanisme fondamental est la cristallisation de courtes aiguilles et fibres qui de fait comblent les interstices. La vitesse d’hydratation est réduite.
Tandis que le C3A représente le minéral de clinker décisif pour la mise en oeuvre et la prise, le C3S à réaction rapide et le C2S à réaction lente sont déterminants pour le développement d’une structure stable et la montée en résistance. Le C3S et le C2S libèrent de grandes quantités d’hydroxyde de calcium qui ne contribuent pas à la résistance, mais protègent l’armature (lorsqu’elle est présente) contre la corrosion en raison de son caractère alcalin. Un ciment Portland hydraté (CEM I) contient après son hydratation complète environ 60 % en masse de CSH et 30 % en masse d’hydroxyde de calcium.
Fig. 2.1.2: Représentation schématique de l’évolution dans le temps des phases hydratées et de la structure.
Dans certains cas des additions minérales sont utilisées et peuvent participer à la réaction d’hydratation et de fait à la montée en résistance. Seules les additions de type II s’hydratent. On distingue les types de réaction suivants:
hydraulique
hydraulique latente
pouzzolanique
Le schiste calciné est un autre liant hydraulique en plus du clinker de ciment Portland. Ces liants durcissent aussi bien à l’air que sous l’eau, devenant alors durablement insolubles dans l’eau.
Les liants hydrauliques latents tels que le laitier de haut-fourneau moulu ont besoin d’un activateur pour amorcer leur réaction chimique. Les alcalins libérés lors de l’hydratation du clinker (NaOH, KOH, Ca(OH)2) permettent une activation alcaline. Pour l’activation sulfatique, on se sert du gypse additionné au ciment. La réaction hydraulique latente conduit essentiellement aux mêmes produits que l’hydratation du clinker de ciment Portland.Les substances à réaction pouzzolanique sont le schiste calciné, la cendre volante et la fumée de silice. Elles réagissent avec l’hydroxyde de calcium libéré lors de l’hydratation du clinker pour donner des hydrates de silicate de calcium et des hydrates d’aluminate de calcium.
L’hydratation est un processus dépendant du temps, qui ralentit avec l’âge. Une mesure de l’avancement est le degré d’hydratation α qui décrit l’état d’hydratation au moment. Il indique la proportion de ciment hydraté par rapport à la teneur initiale de ciment. Puisque la détermination analytique s’avère difficile, tant celle du ciment encore non hydraté que celle des quantités formées de produits de réaction, on estime le degré d’hydratation par le biais de paramètres indirects, tels que la montée en résistance ou la teneur en eau liée chimiquement.
Le degré d’hydratation dépend principalement du temps écoulé, de la teneur en eau de la pâte de ciment, des conditions de température, de la composition chimique et de la finesse de mouture du ciment. Initialement, le degré d’hydratation est zéro et se situe à la fin de la prise à environ 0.15: il atteint 100 % pour une hydratation complète (α=1). Une hydratation complète n’est éventuellement atteinte qu’après de nombreuses années.
2.1.3 Structure de la pâte de ciment
La structure générée lors de l’hydratation du ciment revêt une importance capitale pour les propriétés mécaniques et la durabilité du béton. Lors du malaxage, les grains de ciment sont entourés par une fine pellicule d’eau dont l’épaisseur augmente avec l'augmentation du rapport E/C. Avec l’avancement de l’hydratation, les hydrates se développent dans les interstices occupés au départ par l’eau. Pour un rapport E/C de 0,40, le ciment est capable de lier chimiquement environ 25 % de l’eau et physiquement environ 15 %, soit au total 40 % de la masse d’eau totale (voir chapitre 2.1.4). Pour ce rapport E/C, les produits de l’hydratation remplissent presque entièrement les interstices entre les grains de ciment. L’eau liée physiquement occupe les pores de gel (rayons des pores entre 10−9 et 10−8 m). En cas de rapports E/C inférieurs à 0.40, la quantité d’eau présente lors du malaxage du béton ne suffit pas à hydrater totalement le ciment et il reste des particules de ciment non hydratées.
Fig. 2.1.3: Représentation schématique de la création des pores capillaires en fonction du rapport E/C.
Fig. 2.1.4: Composition volumétrique de la pâte de ciment en fonction du rapport E/C (degré d’hydratation 100 % (α = 1)).
Si le rapport E/C estsupérieurs à 0.40, la pâte de ciment comprend des pores capillaires remplis d’eau. Ces pores peuvent se vider dans certines conditions de séchage du béton. Ces vides forment un système de pores capillaires d’un rayon situé entre environ 10−8 et 10−5 m. A partir d'un rapport E/C supérieur à 0.60, la perméabilité du système de pores capillaires augmente de manière significative (fig. 2.1.3).
La porosité du gel est dans une large mesure indépendante du rapport E/C et ne peut donc pas être influencée par des mesures liées à la technologie du béton. La figure 2.1.4 présente la composition volumétrique de la pâte de ciment en fonction du rapport E/C.
Les propriétés de la pâte de ciment sont essentiellement déterminées par la porosité capillaire, qui dépend du rapport E/C et du degré d’hydratation, mais aussi de la granularité des grains de ciment. Une granularité optimale d’un ciment Portland pur permet d’obtenir une compacité moyenne (fabrication). Celle-ci peut être encore améliorée si les espaces résiduels entre les grains de ciment (les interstices) sont remplis avec des additions au ciment. La figure 2.1.5 illustre schématiquement les différences de compacité entre deux ciments – à gauche: un ciment Portland d'une compacité moyenne et à droite: un ciment Portland d'une compacité élevée. Plus les classes granulaires des principaux constituants sont adaptées les unes aux autres, plus la compacité sera élevée. Cet effet d’ordre purement physique repose également sur l’effet filler par lequel l’eau est remplacée dans les interstices par des substances d’une classe granulaire suffisamment fine pour y entrer (p. ex. la farine calcaire et le schiste calciné finement moulu).
Si l’on incorpore les additions réactives au ciment, leurs produits d’hydratation supplémentaires renforcent
l’«effet filler». Dans le béton, ces interstices n’existent pas seulement dans la pâte de ciment, mais également entre un granulat et la pâte de ciment. Cet interstice s’appelle zone de transition ou zone de contact. La zone de transition est en général d’une porosité plus élevée que la pâte de ciment proprement dite et présente, pour un béton normal, une épaisseur d’env. 50 μm (fig. 2.1.6).
Fig. 2.1.5: : Représentation schématique de la compacité de la pâte de ciment pour des ciments incorporant différents constituants principaux.
Fig. 2.1.6: Image microscopique de la zone de transition entre un granulat et la pâte de ciment.
L’apparition d’une zone de contact poreuse est due non seulement aux effets de bord, mais aussi à une compacité moindre et à l’eau ressuée par la pâte de ciment qui se dépose comme un film sur les granulats. Outre la porosité plus élevée de la zone de contact, on constate également une forme modifiée plus grossière des cristaux d’hydroxyde de calcium empêchant un enchevêtrement aussi dense que dans la pâte de ciment voisine. A l’aide des additions réactives, on peut obtenir – selon leur réactivité et finesse – une nette densification de la zone de contact, en réduisant son épaisseur et la proportion de gros cristaux d’hydroxyde de calcium. La figure 2.1.7 présente de façon schématique pour différents types de ciment la zone de transition du granulat.
Fig. 2.1.7: Représentation schématique de la zone de transition des granulats lors de l'utilisation de différents types de ciment.
2.1.4 Formulation du béton
Généralités
La formulation du béton tient compte des exigences à l’égard des propriétés de béton frais et durci. Les exigences posées au béton frais se définissent principalement par les conditions de production, de transport et de mise en oeuvre, p. ex. l’ouvrabilité, l’aptitude au pompage ou le bétonnage par temps extrême. Quant au béton durci, les exigences concernent principalement les propriétés mécaniques et la durabilité.
Volume de la pâte de ciment
Dans le cas le plus simple, la pâte de ciment est constituée de ciment, d’eau, d’air ainsi que des éventuelles additions. La pâte de ciment remplit les interstices entre les granulats. Dès que ceux-ci sont comblés, elle peut créer une pellicule enrobant les granulats et déployer son effet lubrifiant (fig. 2.1.8). On part alors du principe que la couche d’enrobage de la pâte de ciment est constante pour tous les granulats. La consistance du béton frais s’assouplit au fur et à mesure que l’épaisseur de la couche de pâte de ciment augmente.
Fig. 2.1.8: Modèle de l’effet de la pâte de ciment dans le béton.
Un béton de construction avec de bonnes propriétés d’ouvrabilité et de compactage devrait posséder un volume minimal de pâte de ciment de l’ordre de 280 l/m3 pour une dimension maximale du granulat de 32 mm. Plus la dimension maximale du granulat baisse, plus le besoin en pâte de ciment augmente. Le besoin en pâte de ciment est plus élevé avec des granulats concassés en raison des surfaces spécifiques plus grandes (compacité moindre) que pour les granulats roulés (fig. 2.1.9).
Fig. 2.1.9: Volume de la pâte de ciment nécessaire en fonction de la dimension maximale du granulat.
La granularité du ciment influence également le besoin en pâte de ciment. Plus la distribution granulométrique du ciment est large, plus la compacité sera élevée , et le besoin en pâte de ciment plus faible (voir chapitre 2.1.3).
La masse d’eau efficace est rapportée à celle du ciment, ainsi nous avons pour 1 m3 de béton frais:
Eq. 2.1.1
Si, en plus du ciment, on utilise des additions, on calcule alors un rapport eau / ciment équivalent (E/Céq) (voir chapitre 1.5.2).
D’une manière générale, les propriétés du béton durci diminuent énormément avec l’augmentation du rapport E/C. La figure 2.1.10 illustre de façon qualitative les conséquences d’un rapport E/C bas et élevé pour quelques propriétés choisies.
Fig. 2.1.10: Conséquences qualitatives d’un rapport E/C bas et élevé, pour quelques propriétés choisies.
Le rapport eau / ciment nécessaire pour obtenir la résistance à la compression visée du béton peut être estimé sur la base de la résistance à la compression du ciment. L’ajout d’additions et d’un adjuvant fluidifiant peut conduire à de nets changements des relations entre le rapport E/C, la résistance à la compression du ciment mesurée sur mortier normalisé et la résistance à la compression du béton. La figure 2.1.11 montre à l’exemple du ciment CEM II/B-M (T-LL) 42,5N (Optimo 4) la relation entre la résistance à la compression sur cube du béton à 28 jours et le rapport E/C, respectivement E/Céq.
Fig. 2.1.11: Relation pour le ciment Optimo 4 entre la résistance à la compression sur cube à 28 jours et le rapport E/C d’un béton produit et conditionné conformément à la norme.
Calcul volumétrique
L’outil indispensable pour la formulation du béton est le calcul volumétrique. À l’aide du calcul volumétrique, on définit le rapport fonctionnel entre le volume et la masse d’un système à plusieurs constituants. Pour le béton, l’équation utilisée pour calculer le volume de la masse correspondant à un mètre cube de béton est la suivante:
Eq. 2.1.2
Ci-après, différents exemples de calculs volumétriques sont donnés.
Calcul volumétrique avec des granulats secs
Calcul volumétrique avec des granulats humides
Calcul volumétrique avec des granulats humides et de l’eau recyclée
Calcul volumétrique avec des granulats secs et des additions
Fig. 2.1.12: Transport par bateau des cendres volantes.