Partie I : La Bibliographie
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Dans ce deuxième chapitre, je vais présenter quel que mot sur le béton autoplaçant. Il s'agit des informations concernant sur la rhéologie des bétons fluides et des pâtes de ciment du béton autoplaçant. Une synthèse bibliographique donnant l'état d'avancement des travaux et les connaissances déjà acquises sur ce matériau¡K 2. Chapitre2 : Les bétons Auto-plaçants (B@P) Error: Reference source not found 1. Introduction Error: Reference source not found 2. La structure des suspension de ciment Error: Reference source not found 2.1 Microstructure de la pâte de ciment Error: Reference source not found 2.1.1 Les ciments hydraté Error: Reference source not found 2.1.2 Les hydrates de la pâte de ciment Error: Reference source not found 2.2 Bilans des forces des suspensions: Error: Reference source not found 2.2.1 Interactions interparticuliaires Error: Reference source not found 2.2.2 Interactions colloïdales Error: Reference source not found 2.2.3 Forces hydrodynamiques Error: Reference source not found 2.2.4 Forces de contact Error: Reference source not found 2.3 Modèle du grain unique Error: Reference source not found 2.3.1 La surface du grain unique Error: Reference source not found 2.3.2 L'eau au voisinage du grain Error: Reference source not found 2.4 Les interations entre deux grains dans l'eau Error: Reference source not found 2.4.1 La gravité Error: Reference source not found 2.4.2 Attraction et répulsion électrostatiques Error: Reference source not found 2.4.3 Attraction et répulsion non-electriques Error: Reference source not found 2.4.4 Les conséquences sur une suspension de grain sphériques Error: Reference source not found 2.5 La structure des pâtes de ciments Error: Reference source not found 2.5.1 L'etat de floculent des pâtes de ciment Error: Reference source not found 2.5.2 L'etat dispersé des pâtes de ciment Error: Reference source not found 2.6 Les paramètres influant sur les mesures rhéologiques des pâtes Error: Reference source not found 2.6.1 Introduction Error: Reference source not found 2.6.2 Effet du malaxage Error: Reference source not found 2.6.3 Effet de la vibration Error: Reference source not found 2.6.4 Effet des ajouts Error: Reference source not found 2.6.5 Effet de la composition chimique du ciment Error: Reference source not found 2.6.6 Effet de la surface spécifique du ciment Error: Reference source not found 2.6.7 Effet d’une augmentation de la teneur en eau Error: Reference source not found 2.6.8 Effet de l’ajout d’un agent de viscosité Error: Reference source not found 2.6.9 Effet de l’air occlus Error: Reference source not found 2.6.10 Effet de la température Error: Reference source not found 2.6.11 Effet du temps Error: Reference source not found 3. Les bétons auto plaçants : Error: Reference source not found 3.1 Principes de formulation Error: Reference source not found 3.2 Formulation des bétons autoplaçants Error: Reference source not found 3.2.1 Particularités de la composition des bétons auto-plaçants Error: Reference source not found 3.2.2 Approche de Jean-Marie Geoffray Error: Reference source not found 3.2.3 Approche de l’INSA de Lyon Error: Reference source not found 3.2.4 Approche japonaise Error: Reference source not found 3.2.5 Approche suédoise (CBI) Error: Reference source not found 3.2.6 Approche LCPC Error: Reference source not found 3.2.7 Quelques formulations types Error: Reference source not found 3.3 Propriétés rhéologiques des bétons autoplaçants Error: Reference source not found 3.3.1 La relation entre la granulométrie et la demande en eau Error: Reference source not found 3.3.2 Granulométrie et développement des résistances Error: Reference source not found 3.3.3 La stabilité Error: Reference source not found 3.3.4 La résistance à la ségrégation Error: Reference source not found 3.4 Propriétés mécaniques et durabilité Error: Reference source not found 3.4.1 Propriétés mécaniques Error: Reference source not found 3.4.2 Durabilité Error: Reference source not found 4. Les adjuvants organiques et minéraux Error: Reference source not found 4.1 Les adjuvants organiques Error: Reference source not found 4.1.1 Mode d’action des superplastifiants Error: Reference source not found 4.1.2 La théorie DLVO Error: Reference source not found 4.1.3 L’effet électrostatique au voisinage de la particule de ciment Error: Reference source not found 4.1.4 La corrélation ionique Error: Reference source not found 4.1.5 Quelques adjuvants organiques Error: Reference source not found 4.2 Les ajouts minéraux (ou fillers) Error: Reference source not found 4.2.1 Généralités Error: Reference source not found 4.2.2 Les fillers calcaires Error: Reference source not found 4.2.3 La fumée de silice Error: Reference source not found 4.2.4 Cendres volantes Error: Reference source not found 4.2.5 Laitiers de hauts fourneaux Error: Reference source not found 5. Conclusion du chapitre Error: Reference source not found 1. Introduction
Avantages techniques : ÀƒƒnFacilité et rapidité dans la mise en oeuvre du béton (coulage en un seul point, augmentation du débit de béton pompé). ÀƒƒnBétonnage en milieux fortement ferraillés. ÀƒƒnAmélioration de la qualité des parements et de l’enrobage des aciers. ÀƒƒnRéalisation d’éléments de forme plus complexe. Avantages socio-économiques : ÀƒƒnRéduction du coût de la main d’oeuvre. ÀƒƒnAbsence de systèmes de vibration (intérieurs ou extérieurs) réduisant ainsi les coûts et les nuisances sonores dans et au voisinage du chantier. ÀƒƒnRéduction du temps de bétonnage et des besoins de ragréage. Toutefois, certains points restent à surveiller dans l’utilisation du béton autoplaçant : ÀƒƒnAugmentation du coût des matières premières, par la présence des nouveaux adjuvants, et des différentes additions minérales. ÀƒƒnCompatibilité des matériaux. ÀƒƒnEtanchéité des coffrages. Certains font les distinctions entre le béton auto-plaçant qui est employé pour un coulage vertical et le béton auto-nivelant qui correspond à une mise en œuvre horizontale.
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2.1 Microstructure de la pâte de ciment % ---------------------------------- Les ciments sont des liants hydrauliques constitués de minéraux anhydres cristallisés, contenant essentiellement des oxydes de calcium, de silicium et de l'aluminium. Leurs mélanges avec de l'eau seule donnent des pâtes pures, avec de l'eau et du sable: des mortier, et avec de l'eau et des graviers : des bétons. 2.1.1 Les ciments hydraté % ---------------------------------- Le ciment anhydre est en général composé de clinker et de gypse auxquels on ajoute éventuellement des cendres volantes, du laitier ou de la pouzzolane. Le clinker, riche en silicates et en aluminates de chaux, est obtenu par cuisson à 1450°C d'un mélange intime d'argile ou de marne et de calcaire finement broyés. L'ajout de silice, d'alumine, de fer et de magnésium (par l'intermédiaire de cendres, de laitier, de filler ou de pouzzolane) permet parfois d'augmenter la résistance à l'agression chimique. Les principaux constituants du clinker sont les suivants (la notation cimentière est indiquée entre parenthèses: - le silicate tricalcique 3CaO.SiO2 (C3S) 50-70% - le silicate bicalcique 2CaO.SiO2 (C2S) 15-30% - l’aluminium tricalcique 3CaO.Al2O3 (C3A) 5-10% - l’aluminoferrie tétracalcique 4CaO.Al2O3.Fe2O3 (C4AF) 5-15% L'ajout d'eau à cette poudre de ciment permet d'obtenir une pâte de ciment, milieu poreux composé de phases solides hydratées et d'une solution aqueuse interstitielle remplissant les pores. Cette hydratation s'opère par dissolution des solides anhydres, suivie d'une précipitation en hydrates formant une structure mécaniquement stable (théorie de Le Chatelier). Elle passe par les 5 étapes suivantes [24]: FIG. 2§ 10 : Evolution schématique de la quantité de chaleur dégagée lors de l’hydratation [Taylor 1997] Vernet et Cardoret [25] ont proposés une liaison entre ces étapes avec les schémas de hydratation des grains ciment comme suivant: 1 - phase de "pré-induction" de quelques minutes caractérisant le mouillage des grains, dans cette phase, on obtient une accélération très rapide de réaction chimique et une dégradation thermiques assez forte. Les premiers hydrates se forment et entourent des grains. FIG. 2§ 11 : Période de début du gâchage [Vernet et Cadoret 1992] 2 - phase "d'induction", ou période dormante, pouvant durer quelques heures et pendant laquelle les réactions sont très lentes, la dissolution des anhydres étant ralentie par la couche protectrice des premiers hydrates formées FIG. 2§ 12 : Période dormant [Vernet et Cadoret 1992] 3 - phase d'accélération, coïncidant approximativement avec le début de prise et la croissance des hydrates FIG. 2§ 13 : Période de prise [Vernet et Cadoret 1992] 4 - phase de décélération (après 6 à 24 heures pour les ciments à base de clinker à température ordinaire), correspondant à la formation progressive de la microstructure du liant, ralentissant l'hydratation par un effet de barrière poreuse FIG. 2§ 14 : Période de durcissement [Vernet et Cadoret 1992] 5 - phase finale de densification progressive du ciment hydraté, limitée par des phénomènes de diffusion à travers les couches d'hydrates formées. FIG. 2§ 15: Période de ralentissement [Vernet et Cadoret 1992] Les principales réactions d'hydratation des ciments sont résumées dans la liste suivante: * Hydratation des portlands C3S + (y+3-x) H2O ¡æ CxSHy + (3-x)CH C2S + (y'+2-x') H2O ¡æ Cx'SHy’ + (2-x')CH C3A + 6 H2O ¡æ C3AH6 C3A + 3(Cs.2H) + 26. H2O ¡æ C3A.3Cs.H32 C3A + Cs.2H + 10. H2O ¡æ C3A.Cs.H12 * Hydratation des alumineux 2.CA + 11 H2O ¡æ C2AH8 + AH3 3.CA + 12 H2O ¡æ C3AH6 + 3.AH3 * Hydratation des laitiers C2AS + 8. H2O ¡æ C2ASH8 * Réaction pouzzolanique x.CH + (y-x) H2O ¡æ CxSHy L'hydratation du C3S et du C3A se produit rapidement et n'évolue pratiquement plus après 28 jours. En revanche, le C2S et le C4AF s'hydratent pendant plusieurs mois voire plusieurs années : le C2S par exemple n'est hydraté qu'à 72% à 17 mois et 87% au bout de 4 ans 1/2 [26]. La prédiction à long terme de la durabilité de ce milieu nécessite la connaissance de la composition, de la structure et de la solubilité des phases hydratées. Une bonne compréhension des équilibres chimiques entre les hydrates et la solution aqueuse permet de savoir si une phase est stable ou métastable, distinction primordiale pour notre modèle (une phase stable ne se dissout pas s'il n'y a pas modification de la solution aqueuse en équilibre, tandis qu'une phase métastable se dissout spontanément en faveur d'une phase plus stable). En effet, un modèle de prédiction de l'état d'une pâte de ciment à 300 ans doit uniquement prendre en compte les phases stables. 2.1.2 Les hydrates de la pâte de ciment % ---------------------------------- A. Les CSH ou silicates de calcium hydratés En tant que constituants principaux d'une pâte de ciment Portland, les CSH sont à l'origine d'une grande partie de ses propriétés. CSH est un terme très général. Il décrit une multitude de phases solides: - plus ou moins cristallisées. - naturelles ou synthétiques. - de rapports calcium sur silicium (C/S) et silicium sur l'eau liée (S/H) variables,... Les divers CSH sont obtenue dans le ciment soit par hydratation des silicates tricalcique (C3S) et bicalcique (C2S) à température ordinaire, soit par réaction d'additions pouzzolaniques avec de la portlandite. Ils peuvent par ailleurs être synthétisés par réaction d'un sel de calcium (CaCl2, 6H2O) avec un silicate de sodium (Na2OSiO2, 5H2O) ou par réaction d'un hydroxyde de calcium avec de l'acide silicique. Tab. 2§ 1 : Différents CSH naturels et synthétique La structure et les caractéristiques thermodynamiques des CSH dépendent de leurs conditions de formation. Par exemple: - le rapport C/S des CSH dépend des quantités de calcium et de silicium disponibles, et de la composition de la solution au contact (cf infra). - leur degré de cristallisation dépend de la température de réaction et de l'agitation. Ainsi, à température ordinaire, une suspension de C3S agitée violemment s'hydrate en afwillite (C3S2H3), un minéral naturel très bien cristallisé et plus stable que les gels de CSH rencontrés dans une pâte de ciment [27]. FIG. 2§ 16: Electron Micrograph : CSH, Ettringite & Calcium Hydroxide in cements Les CSH de la pâte de ciment sont généralement très mal cristallisés. Leur structure est donc extrêmement difficile à caractériser. Ceci pose plusieurs problèmes: - des méthodes telles que la diffraction des rayons X ne permettent pas de distinguer deux CSH de structure légèrement différentes et donc de propriétés thermodynamiques dissemblables. - de même, toute modification structurale dans le temps sera difficile à appréhender. Par conséquent, d'un auteurs à un autres, les résultats expérimentaux concernant la structure des CSH et leurs équilibres chimiques avec les solutions aqueuses au contact sont sensiblement différents. B. Les phases solides dans le système Al2O3-CaSO4-CaO-H2O Les phases solides du système Al2O3-CaSO4-CaO-H2O observables dans une pâte de ciment sont les hydrates suivants: - 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O : l'ettringite - CaSO4.2H2O : le gypse - 3CaO.Al2O3.CaSO4.12H2O : le monosulfoaluminate, qui forme peut-être une solution solide avec une phase 4CaO.Al2O3.19H2O ou avec une phase faiblement sulfonée - 2CaO.Al2O3.8H2O - 3CaO.Al2O3.6H2O, qui, selon certains auteurs, est la forme stable de la solution solide composée de monosulfoaluminate. - du CaO. Al2O3.10H2O à faibles températures (<20°C). Ces différentes phases résultent en général de hydratation du C3A en présence de gypse. En effet, celui-ci empêche la cristallisation immédiate du C3A en plaquettes hexagonales de C2AH8 et C4AH19 puis en C3A H6 qui, en provoquant une fausse prise, rendrait le matériau peu malléable. La présente du sulfate amené par le gypse permet à l'éttringite de précipiter autour des grains de C3A en les empêchant de s'hydrater. L'ettringite se dissout ensuit pour reprécipiter en aiguilles d'ettringite, en monosulfoaluminate, en C3AH6, en C4AH19 suivant les teneurs de la pâte de ciment en calcium, alumine et sulfate. Naturellement, il peut y avoir cœxistence de plusieurs phases. FIG. 2§ 17 : (a) ettringite crystals et (b) gypsum twin crystals [28]
D'après la bibliographie, il n'existe que deux types d'aluminosilicates de calcium stables: - la gehlenite hydratée : C3A SH8 - la solution solide d'hydrogrenat (C3A H6- C3A S3) - Le premier est bien connu, il peut être obtenue à température ambiante par réaction du C3S avec du C3A en présence d'eau ou par réaction d'une solution de chaux avec un gel aluminosilicate, des pouzzolanes ou des argiles. Il est toutefois difficile de l'obtenir pur; en général, il coexiste avec un CSH ou un hydrogrenat. Sa structure est proche de celle du C4AH13 [29]. Du fait de cette difficulté, il n'a pas été prouvé que sa dissolution fût incongruente [30]. Finalement, [31] modélisent son équilibre en solution par une dissolution congruente. En présence de portlandite, la gehlenite hydratée est instable et se transforme en hydrogrenat. Dron [32] a proposé dans le système Al2O3-CaSO4-CaO-H2O un diagramme d'équilibre des phases comportant deux phases métastables: C4AH13 et C2AH8. A terme, ce système doit évoluer vers un système stable où les deux phases métastables sont remplacées respectivement par C3AH6 et la solution solide d'hydrogrenat. - Hydrogrenat est un terme général pour définir les composés de la solution solide C3AH6-C3AS3. La structure de cette solution solide ressemble à celle d'un grossulaire (grenat particulier). Dans un hydrogrenat, certains atomes de silicium (Si4+) du grenat sont remplacés par des atomes d'hydrogène. On obtient un grossulaire lorsque chaque atome de silicium est remplacé par 4 atomes d'hydrogène (H+). D'après [33], la solution solide est continue, mais seule la série C3AH6-C3AS2H2 peut être obtenue à faible température. D'après [34], à 95°C, seule la série C3AH6-C3ASH4 peut être obtenue avec une discontinuité entre C3AS0.42H5.16 et C3AS0.76H4.48. Pour les hydrogrenats ayant un rapport silicium sur calcium supérieur à 0.42/3, nous avons simultanément deux hydrogrenats en phase solide: l'un pauvre et l'autre riche en silicium. Pour les solides riches en silicium, on observe la présence d'un gel de CSH pouvant contenir jusqu'à 20\% d'aluminium (\% molaire). Glasser [35] fait aussi remarquer que la teneur en aluminium dans les hydrogrenats synthétisés est inférieur à la teneur stoechiométrique. D'après lui, on aurait une substitution de Si par Al. Atkins a effectué des mesures d'équilibre en solution pur différents hydrogrenat et modélise la solution solide C3AH6-C3ASH4 par une solution solide idéale ayant comme bornes extrêmes C3AH3 et C3AH3 (C3ASH4 correspondant à 1/3 de C3AH3 et 2/3 de C3AH3 et représentant l'hydrogrenat pouvant coexister avec les CSH). D. Les autres phases solides de la pâte de ciment * La portlandite (Ca(OH)2) Cette espèce est très bien connue, elle précipite lors de l'hydratation du C3S en CSH. Sa solubilité a été étudiée à différentes températures par [36] FIG. 2§ 18: Cristal de portlandite (G x 500) et Cristaux de calcite tapissant un cristal de portlandite (G x 1000) - [Cliché LERM] * Le gypse (CaSO4.2H2O) Cette phase, que l'on ajoute au clinker, est stable dans certains cas dans la pâte de ciment. Sa structure et sa solubilité sont bien connues [37] * Les hydrates ferrifères du ciment Le fer contenu dans une pâte de ciment provient essentiellement du C4A F. L'hydratation de ce composé donne les mêmes types d'hydrates que ceux obtenus avec du C3A, mais avec du fer (Fe3+) à la place de l'aluminium (Al3+) ([38,39]): - Aft: $3CaO.Fe_{2}O_{3}.3CaSO_{4}.32H_{2}O$ - Afm: $3CaO.Fe_{2}O_{3}.CaSO_{4}.12H_{2}O$ - Hydrogrenats ferrifères: $C_{3}FH_{6}-C_{3}FS_{3}-C_{3}AS_{3}-C_{3}AH_{6}$ Yüklə 334,27 Kb. Dostları ilə paylaş:
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