Chaleur d'hydratation - LMC

1. Introduction
Chaleur d'hydratation
et fissurabilité
Les réactions du ciment Portland en présence d'eau ou "hydratation" produisent des composés
hydratés qui permettent de lier les différentes particules de ciment et de granulat ce qui confère
au béton ces qualités de résistance mécanique. Ces réactions s'accompagnent d'effets
secondaires qui peuvent produire des dégradations du matériau lorsqu'ils ne sont pas pris en
compte. L'un de ces effets est la chaleur dégagée lors de ces réactions d'hydratation dont la
grandeur dépend de la composition du ciment. La dynamique des réactions d'hydratation va
dépendre de nombreux facteurs tels que finesse de mouture, composition, ajout d'éléments
secondaires (gypse par exemple). Ces propriétés liées aux réactions d'hydratation doivent
permettre de pouvoir travailler le produit béton jusqu'à sa mise en forme. Elles doivent aussi
permettre au produit de durcir dans un temps suffisamment court pour pouvoir poursuivre les
travaux de construction.
Les réactions exothermiques peuvent engendrer des dégradations lors du refroidissement du
béton telles que fissures de retrait thermique lors de refroidissement trop rapide, fissures aux
interfaces entre ancien et nouveau béton (reprise de bétonnage). Ce risque de fissure peut aussi
être du à un retrait lors de la prise du ciment. Les réactions du ciment consomment une partie de
l'eau de gâchage et cette perte peut entraîner des forces capillaires produisant un retrait de la
pâte de ciment que l'on nomme retrait d'autodessication. A plus long terme le séchage du béton,
c'est-à-dire la perte du résidu d'eau jusqu'à l'équilibre entraîne aussi du retrait de séchage.
L'ensemble de ces retraits produits selon les conditions un risque de fissuration de l'objet
construit.
La chaleur dégagée est particulièrement importante pour les ouvrages massifs, tels que les
barrages. La température à l'intérieur des grandes masses de béton peut augmenter de plus de
50°C par rapport à la température du béton lors de sa mise en place. Le retrait est la principale
cause des fissures qui peuvent apparaître dans les bétons de grande masse. Le retrait thermique
se produit lorsque la température baisse. Pour éviter une augmentation de température trop
importante, on peut refroidir artificiellement le béton à l'aide de tuyaux noyés dans la masse et
dans lesquels on fait circuler de l'eau froide. D'autre part, on peut également utiliser des ciments
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spéciaux à basse chaleur d'hydratation. Des exemples d'augmentation de température d'éléments
en béton sont donnés à la figure 1.
Elévation de température [° C]
Elévation de température [° C]
Elévation de température [° C]
50
40
30
20
10
0
40
30
20
10
Dosage en ciment 300 kg/m 3
1m
2m
3m
f cwm = 45 N/mm 2
6m
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Age du béton [jour]
1m
2m
3m
f cwm = 40 N/mm 2
6m
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Age du béton [jour]
40
fcwm = 30 N/mm 2
30
20
10
0
Dosage en ciment 300 kg/m 3
Dosage en ciment 300 kg/m 3
1m
2m
3m
6m
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Age du béton [jour]
Figure 1: Variation de la température au cœur d'éléments en béton de
différentes épaisseurs, pour 3 différentes qualités de béton
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2. Objectif
Le but de la séance consiste à mesurer les effets de l'hydratation de divers ciment Portland et de
comprendre les effets secondaires lier au durcissement, c'est-à-dire la chaleur d'hydratation, les
retraits liés aux durcissements. Connaissant ces mécanismes, il est alors possible de choisir au
mieux un ciment en fonction de l'application.
3. Chaleur d'hydratation
3.1. Méthode
a) Fabrication du mortier normal
Composition : - sable CEN 1350 g
- ciment 450 g
- eau 225 g
Mélanger d'abord eau et ciment durant 30 s à 140 t/min, ajouter le sable rapidement et
malaxer durant 60 s à 280 t/min.
b) Mesure de la chaleur d'hydratation
Aussitôt après la fabrication du mortier
- peser la boîte vide
- mettre le mortier dans la boîte et peser le tout
- installer la sonde de température
- fermer le calorimètre
- mettre en fonction l'acquisiteur de données (mesure du temps et de la température de
référence et des températures des calorimètres)
c) Calcul de la chaleur d'hydratation
La chaleur d'hydratation q à l'instant t s'écrit (1 er terme : chaleur accumulée, 2 ème terme:
perte de chaleur vers l'extérieur):
t
C 1
q = θ + ∫ α ⋅ θ ⋅ dt avec
m m
c
c 0
( m + m ) + 3.
76 ⋅ m + 1.
3 ⋅ m + µ
C
et α = a + b ⋅ θ
= 0.
75 c s
e
b
m c , m s , m e , m b : masse de ciment, sable, 'eau dans l'éprouvette et de la boîte [g]
t : durée d'hydratation [h]
C : capacité thermique du calorimètre et de l'éprouvette [J °C -1 ]
α : coefficient de déperdition thermique du calorimètre [J h -1 °C -1 ]
θ : échauffement de l'éprouvette à l'instant t (différence entre la température de
l'éprouvette et la référence) [°C]
µ : capacité thermique du calorimètre vide [J °C -1 ]
a, b : paramètre spécifique d'étalonnage du calorimètre
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Le calcul est réalisé par pas successif sur toute la période de mesure. Pour chacun des pas, on
connaît le temps ti et l'échauffement θ i . Ceci permet de calculer les valeurs suivantes:
C
A = θ
m
- chaleur dans le calorimètre : i
c
- échauffement moyen :
θi
+ θ(
i−1)
θ i,
moy =
2
- coeff. de déperdition moyen : α i,
moy = a + b ⋅ θi,
moy
1
- perte de chaleur : B = ∑ αi,
moy ⋅ θi,
moy ⋅ ∆ti
m
- chaleur d'hydratation au temps t : Q = A + B
3.2. Travail à effectuer
- déterminer le temps de prise à l’aide de l’appareil de Vicat. Le temps de prise est le temps
écoulé entre l’instant où l’on mélange le ciment et l’eau et celui où l’aigille s’arrête à 4 mm du
fond de l’anneau.
Figure 2 : Appareil de Vicat.
- déterminer la chaleur d'hydratation à 12 h, 1 j, 3 j et 5 j
- estimer la réactivité du ciment (pente de la courbe q(t) durant la prise
- faire des commentaires sur les différents comportements des ciments
3.3. Aspect théorique
La chaleur d'hydratation dépend de la composition du ciment Portlands. Le tableau ci-dessous
défini les principales caractéristiques de ces constituants.
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c

Constituant Chaleur dégagée Comportement des constituants purs
C 3 S 500 J/g - fait prise et durcit rapidement
C 2 S 260 J/gr - réagit lentement
- haute résistance atteinte à court terme
- haute résistance atteinte à long terme
C 3 A 865 J/gr - prise de façon très désordonnée et rapide
C 4 AF 418 J/gr - faible résistance
- faible résistance
(nécessite du gypse pour régulariser la prise)
Les valeurs des chaleurs d'hydratation pour les 4 principaux composés du CP et du laitier de
haut fourneau sont données à la figure 3, pour des temps d'hydratation de 7 jours et une année.
Les valeurs données pour une année correspondent aux valeurs pour une hydratation complète.
Figure 3: Chaleur d'hydratation des principaux composés des ciments et du laitier
Lors du mélange eau + ciment, il y a une première réaction entre le C 3 A et le gypse pour former
l'ettringite. Ceci permet de bloquer les réactions d'hydratation erratiques de ce composé durant 1
à 2 heures.
Les vitesses d'hydratation dépendent évidemment de la composition du ciment mais aussi de la
finesse de mouture du produit. Un ciment fin, donc avec une surface spécifique élevée, aura une
réactivité plus importante. La température du milieu influence aussi la réactivité; à température
élevée la réactivité est nettement plus forte.
4. Fissurabilité
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L'anneau de Bolomey est un moule de format cylindrique avec en son centre un noyau
métallique. Ce dernier étant indéformable par rapport à la pâte de ciment qui l'entoure, il induit
des efforts de traction menant à la fissuration. On mesure l'ouverture de la fissure. Cette
méthode permet une comparaison des produits, elle ne donne pas de valeur susceptible d'être
utilisée lors d'un dimensionnement.
4.1. Méthode
- préparer une pâte de ciment avec un rapport E/C de 0.25
- remplir l'anneau de Bolomey et lisser la surface
- couvrir la surface avec une feuille PE durant le premier jour
- laisser sécher
- mesurer l'ouverture de la fissure après 1 semaine
4.2. Travail à effectuer
- calculer le retrait de la pâte de ciment
- comparer les valeurs selon le type de ciment
5. Plan suggéré pour le rapport
1. Essais effectués
- brève description de chaque essai effectué avec les résultats.
- discussion et commentaires sur les résultats obtenus.
2. Conclusions
- conclusions, remarques et commentaires personnels
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