Tout sur le ciment

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Ciment Portland

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Ciment prompt

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en utilisant des « plastifiants », le rendre hydrofuge par l'adjonction d'un liquide hydrofuge ou d'une résine p...
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Formulation
Le choix des proportions de chacun des constituants d'un béton afin d'obtenir les propriétés mécaniq...
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Différents types de granulats
Les granulats utilisés pour le béton sont soit d'origine naturelle, soit artificiels. ...
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décoratifs, mobilier urbain.

Importance du rapport eau/ciment
Les dosages de l'eau et du ciment sont deux facte...
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Essai de gâchage
Béton frais : mesure Δ (contrôle des dosages effectifs) mesure plasticité (contrôle de la consista...
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Béton armé
Article détaillé : Béton armé.
Le ciment armé a été inventé par Joseph Monier qui en a déposé les
brevet...
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• Dans la « pré-tension » (le plus souvent utilisée en bâtiment), les armatures sont mises en tension avant la prise...
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Autres utilisations
L’invention du premier « bateau-ciment » par le Français Joseph Louis Lambot remonte à 1848. Da...
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Acheminement
Le mode, la durée et les conditions de l’acheminement du béton sont
des éléments déterminants dans...
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le béton dans le coffrage, de répartir ses agrégats et son liant autour des armatures et sur les faces et les angles...
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Autres causes de dégradation
En France, des documents spécifiques, recommandations et fascicules de documentati...
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Données techniques
Énergie grise
Article détaillé : Énergie grise.
• parpaing : 410 kWh/m3
• béton armé : 1 850 kWh...
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moyenne européenne a été de +2,7 %) ; La France est située après l'Italie (51,8 millions m3, -4,8 %) et l’Allemagne
...
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[17] Décret no 2000-1278 (http:/ / www2. equipement. gouv. fr/ bulletinofficiel/ fiches/ Bo200024/ A0240019. ht...
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Ciment
Cet article possède un paronyme ; voir : Gilles Ciment.

Le ciment (du latin caementum, signifiant moel...
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cimenterie à 1.450 °C alors que la chaux des Romains ne devait être potée qu'à 900 °C[]. Ce modèle permettrait...
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Extraction
L'extraction consiste à extraire les matières premières vierges (comme le calcaire « 75 à 80 % » et...
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Fabrication par voie humide
Cette voie est utilisée depuis longtemps. C’est le procédé le plus ancien, le plus sim...
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Fabrication par voie sèche
Les ciments usuels sont fabriqués à partir d’un mélange d'environ de 80 % de calcaire (...
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• la voie semi-sèche : avant introduction dans le four, la farine est transformée en “granules” par humidification
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• les pouzzolanes naturelles ou artificielles

Broyage très fin
EMC Energetically Modified Cement est un cimen...
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Contamination
La présence de chlore (chlorures) et de soufre (sulfates, sulfure) dans les matières premières est p...
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En général la XRF est couplée avec une XRD.

Les différents ciments
Les ciments peuvent être classés en cinq g...
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En Europe et en Amérique du Nord, la demande du marché pour le ciment a fortement augmenté au cours du
XXe siè...
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Sociétés d'analyse & réalisation
De nombreuses sociétés grandes ou petites gravitent autour des grandes sociét...
Ciment
C'est un ciment lent, fabriqué en grande quantité à partir de 1850 environ, utilisé aujourd'hui pour les bétons et
...
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Ciment lent
Ciment à prise lente, plus de huit heures ; voir ciments naturels ou ciment Portland.
Ciment lourd ou s...
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Le ciment sulfaté fut mis au point en 1908 par Hans Kühl. Il fut peu fabriqué en Allemagne, mais exploité
indu...
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  1. 1. Tout sur le ciment PDF générés en utilisant l’atelier en source ouvert « mwlib ». Voir http://code.pediapress.com/ pour plus d’informations. PDF generated at: Fri, 04 Oct 2013 19:36:14 UTC
  2. 2. Contenus Articles Béton 1 Ciment 16 Ciment Portland 29 Ciment prompt 30 Clinker 31 Gypse 33 Références Sources et contributeurs de l’article 40 Source des images, licences et contributeurs 41 Licence des articles Licence 42
  3. 3. Béton 1 Béton Cet article possède des paronymes ; voir : Beton et Betton. Cet article ne cite pas suffisamment ses sources (avril 2013). Si vous disposez d'ouvrages ou d'articles de référence ou si vous connaissez des sites web de qualité traitant du thème abordé ici, merci de compléter l'article en donnant les références utiles à sa vérifiabilité et en les liant à la section « Notes et références ». (Modifier l'article [1] ) Le béton est un matériau de construction composite fabriqué à partir de granulats naturels (sable, gravillons) ou artificiels (granulats légers) agglomérés par un liant. Le liant peut être qualifié d'« hydrique », lorsque sa prise se fait par hydratation. Ce liant est habituellement du ciment ; on obtient dans ce cas un « béton de ciment », l'un des plus fréquemment utilisés. Un liant hydrocarboné (bitume) peut également être utilisé, ce qui conduit à la fabrication du béton bitumineux. Enfin, lorsque les granulats utilisés avec le liant hydraulique se réduisent à des sables, on parle alors de mortier. On peut largement optimiser la courbe granulaire du sable, auquel cas on parlera de « béton de sable. » Un mètre cube de béton (représentant la production mondiale annuelle de béton par habitant). Le béton frais associé à de l'acier permet d'obtenir le béton armé, un matériau de construction courant. Le béton frais associé à des fibres permet d'obtenir du béton fibré. Le béton est le deuxième matériau minéral le plus utilisé par l'homme après l'eau potable : 1 m3 par an et par habitant[2]. Histoire Article détaillé : Histoire du béton. Les Romains connaissaient déjà une forme de béton, mais son principe fut perdu jusqu'à sa redécouverte en 1756 par l'ingénieur britannique John Smeaton. Popularisé depuis le XIXe siècle, notamment grâce au ciment de Portland et à Louis Vicat en France (à Grenoble), le béton de ciment est, à l'heure actuelle, le matériau de construction le plus utilisé. Principe chimique Le pont du Jardin des plantes de Grenoble, La réaction chimique qui permet au béton de ciment de « faire prise » premier ouvrage au monde en béton coulé, est assez lente : au bout de sept jours, la résistance mécanique atteint à construit en 1855 par Joseph et Louis Vicat. peine 75 % de la résistance finale. La vitesse de durcissement du béton peut cependant être affectée par la nature du ciment utilisé, par la température du matériau lors de son durcissement, par la quantité d'eau utilisée, par la finesse de la mouture du ciment, ou par la présence de déchets organiques. La valeur prise comme référence dans les calculs de résistance est celle obtenue à 28 jours, équivalent à 80 % de la résistance finale. Également, en présence d'eau, la résistance continuera d'augmenter, très légèrement même après 28 jours. Il est possible de modifier la vitesse de prise en incorporant au béton frais des adjuvants ou des additifs, ou en utilisant un ciment prompt ou à prise rapide. D'autres types d'adjuvants permettent de modifier certaines propriétés physico-chimiques des bétons. Par exemple, la fluidité du béton peut être augmentée pour faciliter sa mise en œuvre
  4. 4. Béton 2 en utilisant des « plastifiants », le rendre hydrofuge par l'adjonction d'un liquide hydrofuge ou d'une résine polymère, ou maîtriser la quantité d'air incluse avec un « entraîneur d'air ». Différents modèles (théorie de la percolation, modèle des empilements granulaires pour les bétons de haute performance) permettent d'expliquer les réactions physiques et chimiques de la « prise ». La résistance elle-même du béton pourra être améliorée par l'usage d'adjuvant de type super plastifiant qui par amélioration de l'ouvrabilité du béton permet de réduire la quantité d'eau de gâchage et donc la porosité résultante et par défloculation du ciment améliore la réaction de prise. L'usage de produits de type fumée de silice remplissant une double fonction de filer et de liant permet également d'augmenter la compacité et la résistance. Béton et recyclage Le béton est un matériau qui permet le réemploi de certain déchets industriels : • • • • fumée de silice : résidus de filtration des fumées de fours à verre, laitier de haut fourneau : résidus de fabrication de la fonte et de l'acier servant à la fabrication de certains ciments, sulfonate : composés chimiques issus de l'industrie papetière utilisés sous forme de plastifiant, polyphénols : composés chimiques issus de l'industrie pétrolère utilisés sous forme de plastifiants, • farines animales : produit issus du traitement des carcasses animales utilisés par brûlage pour la fabrication du ciment, • cendres : utilisation des résidus de brûlage des centrales à charbons sous forme de filer, Matériau Si un béton classique est constitué d'éléments de granulométrie décroissante, en commençant par les granulats (NF EN 12620 spécification pour les granulats destinés à être incorporés dans les bétons), le spectre granulométrique se poursuit avec la poudre de ciment puis parfois avec un matériau de granulométrie encore plus fin comme une fumée de silice (récupérée au niveau des filtres électrostatiques dans l'industrie de l'acier). L'obtention d'un spectre granulométrique continu et étendu vers les faibles granulométries permet d'améliorer la compacité, donc les performances mécaniques. Béton. L'eau a un double rôle d'hydratation de la poudre de ciment et de facilitation de la mise en œuvre (ouvrabilité). En l'absence d'adjuvant plastifiant, la quantité d'eau est déterminée par la condition de mise en œuvre. Un béton contient donc une part importante d'eau libre, ce qui conduit à une utilisation non optimale de la poudre de ciment. En ajoutant un plastifiant (appelé aussi réducteur d'eau), la quantité d'eau utilisée décroît et les performances mécaniques du matériau sont améliorées (BHP : béton hautes performances). Les résistances mécaniques en compression obtenues classiquement sur éprouvettes cylindriques normalisées, sont de l'ordre de : • • • • • BFC : bétonnage fabriqué sur chantier : 25 à 35 MPa (méga Pascal), peut parfois atteindre 50 MPa ; BPE : béton prêt à l'emploi, bétonnage soigné en usine (préfabrication) : 16 à 60 MPa ; BHP : béton hautes performances : jusqu'à 80 MPa ; BUHP : béton ultra hautes performances, en laboratoire : 120 MPa. BFUHP : béton fibré à ultra hautes performances La résistance en traction est moindre avec des valeurs de l'ordre 2,1 à 2,7 MPa pour un béton de type BFC. La conductivité thermique couramment utilisée est de 1,75 W·m−1·K−1, à mi-chemin entre les matériaux métalliques et le bois.
  5. 5. Béton 3 Formulation Le choix des proportions de chacun des constituants d'un béton afin d'obtenir les propriétés mécaniques et de mise en œuvre souhaitées s'appelle la formulation. Plusieurs méthodes de formulations existent, dont notamment : • • • • • la méthode Baron ; la méthode Bolomey ; la méthode de Féret ; la méthode de Faury ; la méthode Dreux-Gorisse[réf. nécessaire]. La formulation d'un béton doit intégrer avant tout les exigences de la norme NF EN 206-1, laquelle, en fonction de l'environnement dans lequel sera mis en place le béton, sera plus ou moins contraignante vis-à-vis de la quantité minimale de ciment à insérer dans la formule ainsi que la quantité d'eau maximum tolérée dans la formule. De même, à chaque environnement donné, une résistance garantie à 28 jours sur éprouvettes sera exigée aux producteurs, pouvant justifier des dosages de ciments plus ou moins supérieurs à la recommandation de la norme, et basée sur l'expérience propre à chaque entreprise, laquelle étant dépendante de ses matières premières dont la masse volumique peut varier, notamment celle des granulats. D'autres exigences de la norme NF EN 206-1 imposent l'emploi de ciment particuliers en raison de milieux plus ou moins agressifs, ainsi que l'addition d'adjuvants conférant des propriétés différentes à la pâte de ciment que ce soit le délai de mise en œuvre, la plasticité, la quantité d'air occlus, etc. Classification Le béton utilisé dans le bâtiment, ainsi que dans les travaux publics comprend plusieurs catégories. En général le béton peut être classé en trois groupes (norme NF EN 206-1 articles 3.1.7 à 3.1.9), selon sa masse volumique ρ : • béton normal : ρ entre 2 000 et 2 600 kg/m3 ; • béton lourd : ρ > 2 600 kg/m3 ; • béton léger : ρ entre 800 et 2 000 kg/m3. Le béton courant peut aussi être classé en fonction de la nature des liants : • • • • béton de ciment ; béton silicate (Chaux) ; béton de gypse (gypse) ; béton asphalte. Lorsque des fibres (métalliques, synthétiques ou minérales) sont ajoutées, on distingue : les bétons renforcés de fibre (BRF) qui sont des bétons « classiques » qui contiennent des macrofibres (diamètre ~1 mm) dans proportion volumique allant de 0,5 % à 2 % ; et les bétons fibrés à ultra hautes performances (BFUHP). Ce sont des bétons (BUHP) qui contiennent des microfibres (diamètre > 50 ), ou un mélange de macrofibres et de microfibres. Utilisés depuis le milieu des années 1990 dans le génie civil et parfois la réhabilitation d'ouvrages anciens, en milieu littoral notamment[3]. Le béton peut varier en fonction de la nature des granulats, des adjuvants, des colorants, des traitements de surface et peut ainsi s’adapter aux exigences de chaque réalisation, par ses performances et par son aspect. • Les bétons courants sont les plus utilisés, aussi bien dans le bâtiment qu'en travaux publics. Ils présentent une masse volumique de 2 300 kg/m3 environ. Ils peuvent être armés ou non, et lorsqu'ils sont très sollicités en flexion, précontraints. • Les bétons lourds, dont les masses volumiques peuvent atteindre 6 000 kg/m3 servent, entre autres, pour la protection contre les rayons radioactifs. • Les bétons de granulats légers, dont la résistance peut être élevée, sont employés dans le bâtiment, pour les plates-formes offshore ou les ponts.
  6. 6. Béton Différents types de granulats Les granulats utilisés pour le béton sont soit d'origine naturelle, soit artificiels. Leur taille variable déterminera l'utilisation du béton (les gros granulats pour le gros œuvre, les très fin pour le béton sophistiqué). La résistance du béton augmente avec la variété des calibres mélangés. Le prix des granulats étant inférieur à celui du liant, une bonne granulométrie permettra de réduire le prix du béton. Il s'agit alors, pour un béton d'usage général d'utiliser des granulats de taille variable. En effet, la quantité de pâte de ciment utilisée sera moins grande, car les plus petits granulats rempliront les interstices entre les plus gros. La pâte de ciment étant plus chère que les granulats, le prix global diminue. En règle générale, un granulat doit avoir une taille maximum d'au plus un cinquième de la taille de l'échantillon. Parmi les granulats naturels, les plus utilisés pour le béton proviennent de roches sédimentaires siliceuses ou calcaires, de roches métamorphiques telles que les quartzites, ou de roches éruptives telles que les basaltes, les granites, les porphyres. Indépendamment de leur origine minéralogique, on classe les granulats en deux catégories qui doivent être conformes à la norme NF EN 12620 et la NF P 18-545 (Granulats - Éléments de définition, conformité et codification ): 1. les granulats alluvionnaires, dits roulés, dont la forme a été acquise par l'érosion. Ces granulats sont lavés pour éliminer les particules argileuses, nuisibles à la résistance du béton et criblés pour obtenir différentes classes de dimension. Bien qu'on puisse trouver différentes roches selon la région d'origine, les granulats utilisés pour le béton sont le plus souvent siliceux, calcaires ou silico-calcaires ; 2. les granulats de carrière sont obtenus par abattage et concassage, ce qui leur donne des formes angulaires. Une phase de pré-criblage est indispensable à l'obtention de granulats propres. Différentes phases de concassage aboutissent à l'obtention des classes granulaires souhaitées. Les granulats concassés présentent des caractéristiques qui dépendent d'un grand nombre de paramètres : origine de la roche, régularité du banc, degré de concassage… La sélection de ce type de granulats devra donc être faite avec soin et après accord sur un échantillon. Les plus employés sont le laitier cristallisé concassé et le laitier granulé de haut fourneau obtenus par refroidissement à l'eau. La masse volumique apparente est supérieure à 1 250 kg/m3 pour le laitier cristallisé concassé, 800 kg/m3 pour le granulé. Ces granulats sont utilisés notamment dans les bétons routiers. Les différentes caractéristiques des granulats de laitier et leurs spécifications font l'objet des normes NF P 18-302 et 18-306. Les granulats à hautes caractéristiques élaborés industriellement sont des granulats élaborés spécialement pour répondre à certains emplois, notamment granulats très durs pour renforcer la résistance à l'usure de dallages industriels (granulats ferreux, carborundum…) ou granulats réfractaires. Les granulats allégés par expansion ou frittage, très utilisés dans de nombreux pays comme l'URSS ou les États-Unis, n'ont pas eu en France le même développement, bien qu'ils aient des caractéristiques de résistance, d'isolation et de poids très intéressantes. Les plus usuels sont l'argile ou le schiste expansé (norme NF P 18-309) et le laitier expansé (NF P 18-307). D'une masse volumique variable entre 400 et 800 kg/m3 selon le type et la granularité, ils permettent de réaliser aussi bien des bétons de structure que des bétons présentant une bonne isolation thermique. Les gains de poids sont intéressants puisque les bétons réalisés ont une masse volumique comprise entre 1 200 et 2 000 kg/m3. Les granulats très légers sont d'origine végétale et organique plutôt que minérale (bois, polystyrène expansé). Très légers – 20 à 100 kg/m3 – ils permettent de réaliser des bétons de masse volumique comprise entre 300 et 600 kg/m3. On voit donc leur intérêt pour les bétons d'isolation, mais également pour la réalisation d'éléments légers : blocs coffrants, blocs de remplissage, dalles ou rechargements sur planchers peu résistants. Les bétons cellulaires (bétons très légers) dont les masses volumiques sont inférieures à 500 kg/m3. Ils sont utilisés dans le bâtiment, pour répondre aux problèmes d'isolation. Lors de sa réalisation, des produits moussants lui sont incorporées créant des porosités dans le béton. Les bétons de fibres, plus récents, correspondent à des usages très variés : dallages, éléments 4
  7. 7. Béton 5 décoratifs, mobilier urbain. Importance du rapport eau/ciment Les dosages de l'eau et du ciment sont deux facteurs importants. En effet, l'ouvrabilité et la résistance sont grandement affectés par ces deux paramètres. Plus le rapport eau/ciment est grand, plus l'ouvrabilité sera grande. En effet, plus il y a d'eau, plus le béton aura tendance à remplir aisément les formes. Le rapport des masses E/C « moyen » est normalement fixé à 0,45. C'est ce rapport qui est le plus souvent utilisé, car le béton obtenu dispose d'une assez bonne ouvrabilité, tout en ayant une bonne résistance. Le phénomène de ressuage est dû à un rapport eau sur ciment trop élevé. Il se manifeste par l'apparition d'une flaque au-dessus du béton frais. Au niveau des granulats, on observe la présence d'eau à l'interface entre les granulats et la pâte de ciment. La résistance en est réduite, car l'eau s'évapore et il y a des vides entre le granulat et la pâte. Étude de la composition Il n’existe pas de méthode de composition du béton qui soit universellement reconnue comme étant la meilleure. La composition du béton est toujours le résultat d’un compromis entre diverses exigences souvent contradictoires. De nombreuses méthodes de composition du béton plus ou moins compliquées et ingénieuses ont été élaborées. Une étude de composition de béton doit toujours être contrôlée expérimentalement ; une étude effectuée en laboratoire doit généralement être adaptée ultérieurement aux conditions réelles du chantier. Une méthode de composition du béton pourra être considérée comme satisfaisante si elle permet de réaliser un béton répondant aux exigences suivantes : Le béton doit présenter, après durcissement, une certaine résistance à la compression. Le béton frais doit pouvoir facilement être mis en œuvre avec les moyens et méthodes utilisés sur le chantier. Le béton doit présenter un faible retrait (source de fissurations internes et externes : phénomène de « faïençage ») et un fluage peu important. Le coût du béton doit rester le plus bas possible. Dans le passé, pour la composition du béton, on prescrivait des proportions théoriques de ciment, d’agrégat fin et d’agrégat grossier. Mais l’élaboration des ciments ayant fait des progrès considérables, de nombreux chercheurs ont exprimé des formules en rapport avec les qualités recherchées : • • • • minimum de vides internes, déterminant une résistance élevée ; bonne étanchéité améliorant la durabilité ; résistance chimique ; résistance aux agents extérieurs tels que le gel, l’abrasion, la dessiccation. Sur un petit chantier où l’on fabrique artisanalement (et souvent bien) son béton, on utilise un dosage dit « standard » de 350 kg de ciment par m³ de béton. La composition de 1 m3 de béton « standard » est donc de : • 350 kg de ciment • 680 kg de sable (granulométrie de 1 à 5 mm) • 1 175 kg de gravier (granulométrie de 6 à 15 mm). soit des proportions proches de 1-2-3. C'est-à-dire que pour un volume de ciment, on a deux volumes de sable (350 kg × 2) et trois volumes de graviers (350 kg × 3). C'est la fameuse règle du 1-2-3 qui va de la granulométrie la plus fine (le ciment) à la plus grosse (le gravier). En pratique, on achète souvent un mélange déjà fait de sable et de gravier qu'on appelle "paveur". La formule 1,2,3 devient alors une pelle de ciment pour 5 pelles de paveur. La quantité d’eau de gâchage varie trop souvent au gré du savoir-faire du maçon, la nature de ciment, l’humidité du granulat passant après la consistance du béton à obtenir. Le béton peut varier en fonction de la nature des granulats, des adjuvants, des colorants, des traitements de surface, et peut ainsi s’adapter aux exigences de chaque réalisation, par ses performances et par son aspect. La composition d’un béton et le dosage de ses constituants sont fortement influencés par l’emploi auquel est destiné le béton et par les moyens de mise en œuvre utilisés.
  8. 8. Béton Essai de gâchage Béton frais : mesure Δ (contrôle des dosages effectifs) mesure plasticité (contrôle de la consistance) mesure teneur en air (contrôle des vides). Fabrication éprouvette (contrôle de β moyen). Béton durci : mesure Δ, mesure β cube, évolution scléromètre, évolution essai gel, perméabilité, essais spéciaux… Corrections En fonction des observations, des mesures faites lors de l’essai de gâchage et des résistances mécaniques obtenues, il sera nécessaire d’effectuer des corrections. 1. Consistance : Lors de l’essai de gâchage, il est recommandé de ne pas ajouter tout de suite la quantité d’eau totale E prévue. Il est préférable d’ajouter seulement 95 % de E, de mesurer la consistance, puis d’ajouter de l’eau jusqu’à obtention de la consistance prescrite. 2. Dosage en ciment : Si le dosage en ciment effectivement réalisé est incorrect, on devra le corriger. S’il faut rajouter (ou enlever) un poids ΔC de ciment pour obtenir le dosage désiré, on devra enlever (ou rajouter) un volume absolu équivalent de sable, soit un poids ΔC égal à : Si ΔC est important, il faudra aussi corriger la quantité d’eau. 3. Résistances mécaniques : Si les résistances mécaniques sont insuffisantes, il faudra avoir recours à l’une ou à plusieurs des possibilités suivantes : • Augmenter le dosage en ciment (au-delà de 400 kg/m3, une augmentation de dosage en ciment n’a plus qu’une très faible influence sur l’accroissement de résistance). • Diminuer le dosage en eau sans changer la granulométrie ; • Corriger la granulométrie et réduire la quantité d’eau ; • Utiliser un autre type de granulats ; • Utiliser un adjuvant et réduire la quantité d’eau ; • Utiliser un ciment à durcissement plus rapide. Il faudra en tous cas toujours veiller à ce que la consistance du béton permette une mise en œuvre correcte. Utilisation Béton aggloméré Le béton aggloméré est inventé par François Coignet. Sa première utilisation a été faite pour la maison de François Coignet en 1853. L'église Sainte-Marguerite au Vésinet, réalisée en 1855 par l'architecte L. A. Boileau suivant le procédé Coignet de construction de béton aggloméré imitant la pierre, fut le premier bâtiment public non industriel réalisé en béton en France. Cette église fut très critiquée lors de sa réalisation en raison de sa morphologie mais aussi du procédé Coignet qui a provoqué très rapidement des marbrures noires sur les murs (en raison de présence de mâchefer dans le béton). C'est un matériau imitant la pierre. 6
  9. 9. Béton Béton armé Article détaillé : Béton armé. Le ciment armé a été inventé par Joseph Monier qui en a déposé les brevets dès 1870. On peut citer aussi les barques de Lambot (1848) en ciment armé de 5 à 6 cm d'épaisseur et dont deux exemplaires existent toujours. On se reportera pour plus de précision au livre Joseph Monier et la naissance du ciment armé paru aux éditions du Linteau (Paris, 2001). L'inventeur officiel du béton armé est François Hennebique en 1886 qui l'utilisa pour la construction en 1899 du premier pont civil en béton armé de France, le pont Camille-de-Hogues à Châtellerault. Le béton armé a été utilisé dès la Seconde Guerre De façon intrinsèque, le béton de ciment possède une bonne résistance mondiale pour la réalisation de dispositifs à la compression, mais une faible résistance à la traction. Aussi est-il défensifs tels que bunkers ou lignes antichars (ici nécessaire, lorsqu'un ouvrage en béton est prévu pour subir des des hérissons tchèques de la ligne Siegfried). sollicitations en traction ou en flexion (comme par exemple un plancher, un pont, une poutre…), d'y incorporer des armatures en acier destinées à s'opposer aux efforts de traction et à les reprendre. Les armatures mises en œuvre peuvent être soit en acier doux (l'acier doux est généralement lisse, il n'est plus guère utilisé aujourd'hui en béton armé que dans la confection des boucles de manutention préscellées pour son aptitude aux pliages-dépliages successifs sans perte de résistance) soit en acier haute-adhérence (aciers HA anciennement dénommés TOR) dont les caractéristiques mécaniques sont de l'ordre du double de celles des aciers doux. Béton précontraint Le béton possède des propriétés mécaniques intéressantes en compression alors que la résistance en traction est limitée et provoque rapidement sa fissuration et sa rupture. Ainsi le béton armé fissuré ne fait qu'enrober les armatures mais ne participe pas à la résistance. Il pèse presque inutilement… Lorsque les sollicitations deviennent très importantes, l'alourdissement de la section de béton armé devient prohibitif (en général au-delà de 25 m de portée pour une poutre). C'est ainsi qu'il devient intéressant de créer une compression initiale suffisante pour que le béton reste entièrement comprimé sous les sollicitations ; ainsi toute la section du béton participe à la résistance : c'est le principe du béton « précontraint ». Le béton « précontraint » est une technique mise au point par Eugène Freyssinet en 1928 et testée sur des poteaux préfabriqués destinés au support de câbles électriques. Ultérieurement, le champ d'application du béton précontraint s'est considérablement élargi. Le béton précontraint convient aussi bien à des petites dalles préfabriquées qu'à des ouvrages de très grandes portées (100 mètres ou plus). Lorsque le béton précontraint subit des sollicitations de signe opposé à la précontrainte, le béton se décomprime ; les variations de tensions dans les armatures sont quasiment négligeables compte tenu de la forte inertie de la section de béton rapportée à celles des aciers. En pratique, les règlements modernes (BPEL, Eurocodes) autorisent de légères décompressions du béton sensiblement dans la limite de sa résistance en traction. Ceci pose problème dans certains domaines (enceinte de béton de réacteur nucléaire par exemple, où des déformations différées anormales du béton ont été constatées dans les années 1980-1990 ; anomalies « que les modèles de calcul réglementaires ne prenaient pas en compte d'une façon satisfaisante » ont été constatées . Ces anomalies ont en France justifié une vaste étude sur ces bétons par EDF, avec des modélisations du « comportement réel en fluage des enceintes déjà construites »[]). Les aciers utilisés pour la mise en compression du béton sont des câbles (à torons) ou des barres de très haute résistance à la rupture. Selon que cette tension appliquée aux armatures est effectuée avant la prise complète du béton ou postérieurement à celle-ci, on distingue la précontrainte par « pré-tension » et la précontrainte par « post-tension ». 7
  10. 10. Béton • Dans la « pré-tension » (le plus souvent utilisée en bâtiment), les armatures sont mises en tension avant la prise du béton. Elles sont ensuite relâchées, mettant ainsi le béton en compression par simple effet d'adhérence.Elle est très souvent réalisée en usine, avec des machines spécifiques. les prédalles ou les poutrelles préfabriquées sont réalisées avec cette technique. Elle ne permet pas d'atteindre des valeurs de précontrainte aussi élevées qu'en post-tension. • La « post-tension » consiste à disposer les câbles de précontrainte dans des gaines incorporées au béton. Après la prise du béton, les câbles sont tendus au moyen de vérins de manière à comprimer l'ouvrage au repos. Cette technique, relativement complexe, est généralement réservée aux grands ouvrages (ponts) puisqu'elle nécessite la mise en œuvre d'encombrantes « pièces d'about » (dispositifs mis en place de part et d'autre de l'ouvrage et permettant la mise en tension des câbles). L'équilibre des efforts est obtenu par un tracé judicieux des câbles de précontrainte sur l'ensemble de la poutre ou de l'élément concerné de telle sorte que les sections de béton restent (quasiment) entièrement comprimées sous l'effet des différentes actions. Par exemple, au milieu d'une poutre isostatique, à vide, la précontrainte sera conçue de telle sorte que la contrainte du béton soit maximale en fibre inférieure et minimale en fibre supérieure (dans ces conditions, une contre-flèche peut apparaître à vide). Une fois la poutre soumise à sa charge maximale, la précontrainte en fibre inférieure sera presque annulée par la tension de charge, alors que dans la partie supérieure la compression sera largement plus importante que dans une poutre en béton armé classique. Autres techniques de renforcement On peut améliorer la résistance mécanique (post-fissuration) du béton de différentes manières : • en y incorporant des fibres (dosages traditionnels de l'ordre de 600 à 1 200 g/m3). L'incorporation de celles-ci dans le béton rend ce dernier davantage ductile (moins fragile). Différents types de fibre peuvent être utilisés avec des propriétés spécifiques. C'est surtout le rapport entre la longueur et le diamètre des fibres (élancement) qui aura une influence sur les performances finales du béton fibré. On obtient ainsi un « béton fibré », souvent mis en œuvre par projection (tunnels) ou couramment utilisé pour les dallages industriels par exemple. Pour les applications architecturales ou quand la corrosion des armatures est potentiellement dangereuse, les ciments à renfort fibre de verre, dits « CCV » (composites ciment-verre), sont utilisés depuis la fin des années 1970. Ils allient une matrice riche en ciment et des fibres de verre alcali résistantes (3 à 6 % en masse totale du mélange humide) et peuvent être préfabriqués en produits minces, donc légers,. • en y ajoutant une « poudre réactive » à structure fractale : les grains qui le composent ont tous la même taille, et accessoirement la propriété de présenter la même forme à différentes échelles (fractale). L'organisation optimale des granulats au sein du béton lui octroie de meilleures propriétés mécaniques. Il s'agit toutefois d'une technique toujours au stade expérimental. • en utilisant une « nappe de coffrage drainante » (ou « nappe de coffrage à perméabilité contrôlée »), pour améliorer les caractéristiques de la peau du béton par drainage de l'eau excédentaire (ce qui densifie le béton, le protégeant notamment mieux des chlorures qui en milieu marin accélèrent la corrosion des armatures). Le drainage se fait via une membrane drainante en géotextile interposée entre le béton et le coffrage. « Elle comprend deux faces ayant des fonctions distinctes : une face "drainante" qui collecte l’air et l’eau et permet leur évacuation à l’interface avec le coffrage et une face "filtrante" qui retient les particules fines (liant essentiellement) à la surface du béton »[4]. De l'eau est retenue dans la nappe de coffrage puis réabsorbée par le béton durant sa maturation. 8
  11. 11. Béton Autres utilisations L’invention du premier « bateau-ciment » par le Français Joseph Louis Lambot remonte à 1848. Dans les années 1970, aux États-Unis, a lieu la première compétition de canoës de béton. Depuis, près de 200 universités américaines participent chaque année à l’événement, et ce type de compétition s’est exporté dans de nombreux pays tels que la France depuis 2000, le Canada, l’Allemagne, le Japon ou encore l’Afrique du Sud. Béton bitumineux Le béton bitumineux (aussi appelé enrobé bitumineux) est composé de différentes fractions de gravillons, de sable, de filler et utilise le bitume comme liant. Il constitue généralement la couche supérieure des chaussées (couche de roulement). L'enrobé est fabriqué dans des usines appelées « centrales à enrobés », fixes ou mobiles, utilisant un procédé de fabrication continu ou par gâchées. Il est mis en œuvre à chaud (150 °C environ) à l'aide de machines appelées « finisseurs » qui permettent de le répandre en couches d'épaisseur désirée. L'effet de « prise » apparaît dès le refroidissement (< 90 °C), aussi est-il nécessaire de compacter le béton bitumineux avant refroidissement en le soumettant au passage répété des « rouleaux compacteurs ». Contrairement au béton de ciment, il est utilisable presque immédiatement après sa mise en œuvre. Le bitume étant un dérivé pétrolier, le béton bitumineux est sensible aux hydrocarbures perdus par les automobiles. Dans les lieux exposés (stations services) on remplace le bitume par du goudron. Le tarmacadam des aérodromes est l'appellation commerciale d'un tel béton de goudron (rien à voir avec le macadam, dépourvu de liant). Pratique industrielle Fabrication Le béton peut être confectionné dans une bétonnière mobile (électrique ou thermique) pour les petites quantités. Mais il est aussi fabriqué dans des centrales à béton. Si nous sommes en présence d’un chantier qui demande de grandes quantités, une centrale mobile est parfois installée directement sur le chantier; ce qui permet d’augmenter le débit de livraison au chantier. De plus, cela nécessite moins de camions malaxeurs (couramment appelés camions-toupie) pour le transport du béton étant donné que la distance parcourue est plus courte. Cependant, elle nécessite une grue sur le chantier. Il existe deux types de méthodes pour fabriquer le à béton prêt à l'emploi (BPE): (Dry-Batch) et le (Pré-Mix) . Le Dry-batch consiste à mélanger les agrégats et adjuvants chargés par convoyeurs directement dans le camion-toupie. Cette méthode nécessite que la bétonnière malaxe pendant 5 minutes. Le Pré-Mix consiste à mélanger les agrégats et adjuvants dans un malaxeur dans l’usine pour ensuite le déverser dans le camion-toupie qui est prête à faire sa livraison. Attention, il faut livrer le béton sur le chantier avant qu'il n'ait commencé à prendre. 9
  12. 12. Béton 10 Acheminement Le mode, la durée et les conditions de l’acheminement du béton sont des éléments déterminants dans sa formulation. Ils ont chacun une influence particulière sur sa manœuvrabilité et sa qualité. Le béton se transporte soit par des moyens manuels (seau, brouette…), soit, pour de grandes quantités, par des moyens mécaniques. Dans ce cas, il est généralement transporté depuis la centrale à béton par camions malaxeurs appelés « toupies » dont la capacité est de 4 m3 maximum pour un camion 4 x 2 ou 4 x 4, 6 m3 maximum pour un camion 6 x 4, 8 m3 maximum pour un camion 8 x 4, et 10 m3 pour un camion Camion-pompe à béton en action lors de travaux semi-remorque 2-essieux de 38 tonnes. Au Québec les capacités de rénovation d’un hôtel de Ploumanac’h, varient : 5 m3 pour un camion 10 roues, 7 à 8 m3 pour un camion 12 Perros-Guirec. roues, 10 m3 pour un semi-remorque 2-essieux, et 13 m3 pour un semi-remorque 3-essieux. Une fois sur le chantier, il est transvasé soit dans des bennes à béton (350 litres à 3 m3 et à volant ou à manchette) qui sont levées à la grue pour être ensuite vidées dans le coffrage, soit dans une pompe à béton qui est accouplée à un mât de distribution du béton. Certaines toupies sont aussi équipées d’un tapis convoyeur (standard, télescopique, avec une goulotte rotative en bout de tapis), pouvant aller jusqu’à 17 m. Le béton peut aussi être projeté à l’aide d’un compresseur pneumatique, cette technique est très utilisée pour réparer des ouvrages en béton. Le temps de prise du béton commence à partir du mélange et malaxage, à sa fabrication. Le transport entame donc ce temps et doit être le plus rapide possible pour préserver un maximum de manœuvrabilité du béton pendant sa mise en place. En général la durée moyenne pour le transport et la mise en œuvre du béton est de deux heures, au-delà de cette durée, les centrales à béton ne garantissent plus la qualité car le béton a déjà commencé à faire prise. La température lors du transport est aussi importante. La rapidité de prise du béton est fortement influencée par la température ambiante. Lors du malaxage il est ainsi possible d’utiliser de l’eau froide par très grosses chaleurs et de l’eau chaude par temps froid. Certain camions sont également calorifugés Mise en œuvre Les propriétés rhéologiques du béton à l’état frais peuvent permettre de distinguer différents types de béton : • béton vibré : nécessite une vibration (aiguille vibrante, banche vibrante ...) pour une bonne mise en place dans le coffrage ; chasser les "vides" et resserrer le matériau autour des armatures. • béton compacté au rouleau : béton très raide qui est mis en place à l’aide d’un rouleau compresseur (utilisé principalement pour les chaussées, les pistes d’atterrissage ou les barrages[5]); • béton projeté : béton raide mis en place par projection sur une surface verticale ou en surplomb (il existe deux techniques : la projection par voie humide et la projection par voie sèche) ; Coulage d’une dalle en béton. • béton pompé : béton fluide qui peut être acheminé sur plusieurs centaines de mètres à l’aide d’une pompe à béton ; • béton auto-plaçant et béton auto-nivelant : bétons très fluides qui ne nécessitent pas de vibration, la compaction s’effectuant par le seul effet gravitaire. De façon courante, le béton est coulé dans un coffrage (moule à béton). Pendant son malaxage, son transport et sa mise en œuvre, le béton est brassé et de l’air reste emprisonné en lui. Il faut donc enfoncer des aiguilles vibrantes dans le béton pour faire remonter ces bulles d’air en surface. La vibration a aussi pour effet de couler plus facilement
  13. 13. Béton le béton dans le coffrage, de répartir ses agrégats et son liant autour des armatures et sur les faces et les angles qui seront visibles, de le rendre homogène mécaniquement et esthétiquement. Le béton est coulé par couches d’environ 30 cm pour la simple raison qu’un vibreur courant fait 30 cm de haut. Lorsque l’on enfonce un vibreur dans le béton, il faut atteindre la couche inférieure pour la marier avec la dernière couche sans poches jointives. La cure du béton est importante au début de sa prise. Elle consiste à maintenir le béton dans un environnement propice à sa prise. Il faut éviter toute évaporation de l’eau contenue dans le béton (par temps chaud et/ou venteux), ce qui empêcherait la réaction chimique de prise de se faire et mettrait donc en cause la résistance du béton. Il faut aussi éviter les chocs thermiques. La réaction exothermique du béton, éventuellement ajoutée à une forte chaleur ambiante fait que le béton pourrait « s’autocuire ». À l’inverse il faut protéger le béton du froid ambiant pour que la réaction chimique du béton s’amorce et qu’elle s’entretienne pendant un laps de temps minimum (jusqu’à 48 heures pour les bétons à prise lente). Dans le cas de grands froids, les coffrages sont isolés (laine de verre ou tentes chauffées) et doivent rester en place jusqu’à ce que le béton ait fait sa prise. Vieillissement Selon sa composition (alcali-réaction ou réaction sulfatique interne), ses additifs et selon les conditions de sa préparation (température, etc.) ou de son coulage ou selon les contraintes qu’il a subies (attaques chimiques, séismes, vibrations, chocs thermiques, etc.), le béton vieillit plus ou moins bien. De nombreux tests et études portent sur la durabilité des bétons. En particulier, la caractérisation des matériaux par acoustique ultrasonore permet de détecter des changements structuraux du matériau. Un des maux qui affectent le plus fréquemment le béton est sa « Cancer » du béton. carbonatation. Il s’agit d’une réaction chimique entre le CO2 de l’atmosphère et le ciment du béton, qui attaque son alcanilité et le rend moins basique (passant de 12 à environ 9) ce qui est suffisant pour ne plus protéger les aciers. Lorsque l’acier n’est plus protégé par la barrière basique de 12, celle-ci se corrode et gonfle, ce qui fait éclater le béton les enrobant. Les armatures ne sont alors plus protégées et la résistance mécanique est compromise. Contact avec l’eau potable Dans un château d'eau ou un réservoir d’eau potable, les bétons sont soumis à des contraintes non rencontrées habituellement sur des bâtiments. Le béton seul (sans adjuvant) est normalement apte au contact avec l’eau potable. Pour respecter les exigences de la norme EN 206-1 et obtenir les caractéristiques physico-chimiques requises pour un réservoir (résistance mécanique et chimique, porosité, durabilité, etc.), l’utilisation d’adjuvants est devenue indispensable (il s’agit de molécules ou de polymères à propriété antigel, de plastifiants, de résine, de fumées de silice, d’hydrofuge, etc.). Pour éviter que ces produits se diffusent plus tard dans l’eau, ces adjuvants doivent être certifiés aptes pour contact avec l’eau potable. L’eau potable, en étant légèrement acide ou très faiblement minéralisée, est agressive pour le béton des parois. L’eau dissout progressivement la chaux du ciment, cela entraîne une augmentation de la porosité du béton et une légère élévation du pH de l’eau, sans conséquence majeure sur la qualité de l’eau. En revanche, en devenant poreuse, la surface de béton peut alors favoriser le développement d’un biofilm. Des résines étanches, certifiées aptes au contact alimentaire et eau potable, peuvent alors être utilisées. Les joints des canalisations peuvent aussi parfois relarguer dans l’eau des nutriments d’origine organique pouvant stimuler la croissance de certaines bactéries. « Certains matériaux de revêtement interne de grosses conduites ou de réservoirs relargueront pour leur part des polymères ou des adjuvants, ou des solvants ce qui se traduira par l’apparition de saveurs désagréables »[6],[7]. 11
  14. 14. Béton 12 Autres causes de dégradation En France, des documents spécifiques, recommandations et fascicules de documentation, synthétisent des principes de prévention pour des problématiques de durabilité en complétant les normes européennes. Il s'agit : • • • • Recommandations pour la prévention contre les phénomènes d’alcali-réaction Recommandations pour la durabilité des bétons durcis soumis au gel[] Fascicule de documentation FD P 18-011 Recommandations pour la prévention des désordres liés aux réactions sulfatiques internes Corrosion des armatures Elle se manifeste pour le béton armé par des tâches de rouille à la surface du béton, mais aussi par de la délamination. L'acier des armatures se transforme en oxyde de fer, ce qui augmente le volume des armatures et provoque la dégradation du béton qui enrobe ces armatures. Alcali silica réaction Si les granulats utilisés contiennent de la silice mal cristallisée, on peut observer une réaction alcali granulats qui se manifeste par un gonflement au niveau microscopique qui peut entraîner des dégradations au niveau macroscopique. Recyclage Le béton peut être recyclé lors des chantiers de démolition : il est alors concassé, la ferraille en étant extraite par aimantation. Il peut être utilisé essentiellement dans la confection de remblais. Les gravillons obtenus peuvent être aussi réincorporés dans du béton neuf dans des proportions variables (maximum de 5 % en France, tolérances plus élevées dans d’autres pays). Si cette proportion est trop importante, le béton résultant est moins solide. Aspect Le béton peut être teinté dans la masse en y incorporant des pigments naturels ou des oxydes métalliques. Il peut aussi être traité à l'aide d'adjuvants pour être rendu hydrofuge (il devient alors étanche, empêchant les remontées capillaires). L'ajout de différents matériaux (fibres textiles, copeaux de bois, matières plastiques…) permet de modifier ses propriétés physiques. Son parement pouvant être lissé ou travaillé, le béton de ciment est parfois laissé apparent (« brut de décoffrage ») pour son aspect minimaliste, brut et moderne. Le béton utilisé en revêtement de grandes surfaces (esplanades, places publiques…) est souvent désactivé : on procède en pulvérisant, à la surface du béton fraîchement posé, un produit désactivant qui neutralise sa prise. Un rinçage à haute pression permet alors, après élimination de la laitance, de faire apparaître, en surface, les divers gravillons constitutifs. Moulé ou « banché » (c'est-à-dire coulé dans une banche : un moule démontable mis en place sur le chantier et démonté après la prise), le béton peut prendre toutes les formes. Cette technique a permis aux architectes de construire des bâtiments avec des formes courbes. Elle permet aussi de réaliser les tunnels. En technique routière, le béton extrudé, mis en œuvre à l'aide de coffrages glissants, permet de réaliser des murets de sécurité, des bordures et des dispositifs de retenue sur des linéaires importants.
  15. 15. Béton Données techniques Énergie grise Article détaillé : Énergie grise. • parpaing : 410 kWh/m3 • béton armé : 1 850 kWh/m3 Classes de résistance En application de la norme[8], les bétons de masse volumique normale et les bétons lourds sont classés selon leur résistance à la compression, ce classement[9] est de la forme Cx/y. x désigne la résistance caractéristique exigée à 28 jours, mesurée sur des cylindres[10] de 150 mm de diamètre sur 300 mm de haut ; y désigne la résistance caractéristique exigée à 28 jours, mesurée sur des cubes de 150 mm de côté. La résistance caractéristique est définie par la norme comme étant la valeur de résistance en dessous de laquelle peuvent se situer 5 % de la population de tous les résultats des mesures de résistance possibles effectués pour le volume de béton considéré (fractile de 5 %). Cette résistance caractéristique, une pression, est exprimée en MPa ou en N/mm². Les classes de résistance normalisées sont C8/10, C12/15, C16/20, C20/25, C25/30, C30/37, C35/45, C40/50, C45/55, C50/60, C55/67, C60/75, C70/85, C80/95, C90/105 et C100/115. Pour les bétons légers le classement est de la forme[11] LCx/y (art. 4.3.1 tableau 8), les classes de résistance normalisées sont LC8/9, LC12/13, LC16/18, LC20/22, LC25/28, LC30/33, LC35/38, LC40/44, LC45/50, LC50/55, LC55/60, LC60/66, LC70/77 et LC80/88. Importance économique Avec une production annuelle de cinq milliards de mètres cube, il est le matériau le plus consommé au monde (selon les pays, 5 à 10 fois la consommation de métaux, 10 à 30 fois celle de carton ou plastique)[12] En France Ce secteur tient une place économique importante, dans le secteur public, comme dans le privé. Il subit la crise de 2008, mais bien moins qu'en Espagne ou au Portugal selon les producteurs[13],. Si l'on considère la vente de béton prêt à l’emploi comme un indicateur d'activité, l'Italie, l’Allemagne et la France ont été en 2011 les 3 plus gros producteurs de ces bétons, avec plus de 40 millions de mètres cubes chacun[]. C'est un secteur très consommateur de ressources énergétiques (pétrole, gaz, charbon) et émetteur de gaz à effet de serre. Une partie du béton détruit est recyclée. Selon les relevés d’enquête de FIB-UNICEM[14], et les producteurs. En 2005, le béton prêt à l'emploi représentait 39 365 800 m3 vendus, pour 3 365 407 000 euros dont 3 048 000 euros à l’exportation dans 542 entreprises ou sections d’entreprises, par 7 914 salariés (dont 4 310 cadres & ETAM), effectuant 6 164 000 heures de travail, pour une masse salariale brute (hors cotisations sociales) de 206 749 000 euros. En 2008, la fabrication de produits en béton représentait 29 829 000 tonnes vendues, pour 3 146 757 000 euros dans 708 entreprises ou sections d’entreprises, par 20 526 salariés (dont 6 077 cadres et ETAM), effectuant 23 003 000 heures de travail, pour une masse salariale brute (hors cotisations) de 535 769 000 euros. La fabrication de supports en béton armé représente 120 700 tonnes vendues, pour 34 045 000 euros dans 9 entreprises ou sections d’entreprises, par 260 salariés (dont 131 cadres & ETAM), effectuant 225 000 heures de travail, pour une masse salariale brute (hors cotisations) de 6 866 000 euros. En 2011 la France a produit 41,3 millions m3 de béton prêt à l’emploi en 2011, soit une hausse de + 10,4 % (explicable pour 3 à 4 % par un « effet de rattrapage de 3 mois d’intempéries subis en 2010 » mais alors que la 13
  16. 16. Béton moyenne européenne a été de +2,7 %) ; La France est située après l'Italie (51,8 millions m3, -4,8 %) et l’Allemagne (48 millions m3, +14,3 %). La construction en béton est dopée en Italie, Allemagne et Autriche notamment, par l'habitude de fabriquer des routes en béton. Avec 0,638 m3 de béton par habitant et par an en 2011 la France est au-dessus de la moyenne communautaire (0,613 m3), loin derrière l’Autriche (1,254 m3/hab.itant) qui utilise beaucoup de béton pour construire des routes. La France disposait en 2011 d'environ 1 800 centrales à béton employant 14 500 personnes et 6 500 camions toupies. La France est le pays où le plus d'adjuvants sont introduits dans le béton (90 kg/m3, contre 74,3 kg/m3 en moyenne dans l'Union européenne, pour produire des « bétons spéciaux » (décoratifs, ou devant résister à des milieux agressifs (acidité, sel marin ou de déneigement, radioactivité, poinçonnement…). En 2011, 22 % des bétons étaient pompés (jusqu'à 30 % dans les départements du Sud-Est) Avec 1 800 pompes à béton, c'est plus qu'en Italie (2 400 camions pompes) et un peu moins qu'en Allemagne (1 600 camions pompes). La livraison est plus rapide et ne nécessite pas de grue, mais avec moins d'emplois (3 personnes contre 5). Recherche et développement Le CERIB, Centre d'études et de recherches de l'industrie du béton manufacturé[15], est créé en France en janvier 1967, (publication au journal officiel[16], au vu de la loi sur les Centres Techniques Industriels 48-1228 du 22 juillet 1948), actuellement financé par une taxe parafiscale sur les produits en béton et en terre cuite[17], qui travaille de concert avec le CIMBETON (Centre d'information sur le ciment et ses applications) et le CSTB (Centre Scientifique et Technique du Bâtiment), le CTMCC (Association des Centres Techniques des Matériaux et Composants pour la Construction) et l'EFB (École Française du Béton) et le SFIC (Syndicat Français de l'Industrie Cimentière). En 2007 à l'université de Leeds, John Forth et son équipe ont mis au point le « bitublock ». À base de 95 % de verre brisé, ferrailles et cendres, ce block serait six fois plus résistant que le béton classique. Notes et références [1] http:/ / fr. wikipedia. org/ w/ index. php?title=B%C3%A9ton& action=edit [2] Cudeville A, Recycler le béton (http:/ / www. pourlascience. fr/ ewb_pages/ f/ fiche-article-recycler-le-beton-27964. php#liresuite), Pour la Science, octobre 2011, p. 17-18 [3] Thierry KUBWIMANA, Nicolas BOURNETON, Nicolas ROUXEL, Aldéric HAUCHECORNE Utilisation des bétons fibrés à ultrahautes performances en site portuaire (685-692) DOI:10.5150/jngcgc.2010.079-K ( Lire en ligne (http:/ / www. paralia. fr/ jngcgc/ 11_79_kubwimana. pdf)) [4] Benoit Thauvin, Nicolas Rouxel, Stéphane Pasquiet, Évaluation du gain de durabilité apporté par l'utilisation d'un procédé de nappe de coffrage drainante pour un béton en site maritime (pp. 771-782) DOI:10.5150/jngcgc.2010.086-T ( (http:/ / www. paralia. fr/ jngcgc/ 11_86_thauvin. pdfLien)) [5] Barrage de Petit-saut [6] Ghislain Loiseau et Catherine Juery, mis à jour par Jean-luc cellerier et Jean-Antoine Faby ; La dégradation de la qualité de l’eau potable dans les réseaux (http:/ / www. fndae. fr/ documentation/ PDF/ fndaehs12bis. pdf), Fonds national pour le développement des adductions d’eau ; Office International de l’Eau, SNIDE, PDF, 98 pages [7] Schulhof P., Cabridenc R., Chedal J. Qualité de l’eau dans les grands réseaux de distribution, TSM, 1990, N° 11, 561-594 [8] Norme NF EN 206-1 Béton Partie 1 : Spécification, performances, production et conformité. Cette norme n'est pas librement accessible sur l'internet mais vendue par l'AFNOR [9] NF EN 206-1, art. 4.3.1 tableau 7 [10] Avant l'homologation de la norme NF EN 206-1, les éprouvettes cylindriques, couramment utilisées en France, avaient comme dimensions de diamètre sur de haut. À partir de la norme NF EN 206-1, ces cylindres doivent avoir des dimensions conformes à la norme NF EN 12390-1 (Essai pour béton durci Partie 1 : Forme, dimensions et autres exigences relatives aux éprouvettes et aux moules), soit de diamètre sur de haut. [11] C comme Concrete et LC comme Light Concrete [12] conférence de Paul Acker à l'Université de tous les Savoirs, 01/10/2000 [13] L’organisation européenne du béton prêt à l’emploi (ERMCO ou European Ready Mixed Concrete Organization) ; chiffres de production pour l’année 2011 [14] Site de l'UNICEM (http:/ / www. unicem. fr/ ) [15] Site du CERIB (http:/ / www. cerib. com/ frontoffice/ ceribcom. l1. htm=) [16] JO du 14 janvier 1967 (http:/ / www. legifrance. gouv. fr/ jopdf/ common/ jo_pdf. jsp?numJO=0& dateJO=19670114& numTexte=00626& pageDebut=00626& pageFin=) 14
  17. 17. Béton 15 [17] Décret no 2000-1278 (http:/ / www2. equipement. gouv. fr/ bulletinofficiel/ fiches/ Bo200024/ A0240019. htm) du 26 décembre 2000 portant création d’une taxe parafiscale sur les produits en béton et en terre cuite Annexes Articles connexes • • • • • • • • • Histoire du béton Matériau composite Bloc de béton Béton armé Béton cyclopéen coulis (maçonnerie) Carbonatation du béton François Hennebique, inventeur du béton armé Auguste Perret, premier architecte à généraliser l’usage du béton armé dans la construction Liens externes • (fr) Centre d'information sur le ciment et ses applications (http://www.infociments.fr/) (CIM Béton)] • (fr) Syndicat National du Béton Prêt à l'Emploi (http://www.snbpe.org/) (France) • (fr) FedBeton, Fédération du béton prêt à l'emploi (http://www.fedbeton.be/home.asp?id=0&lng=fr&m=0/) Bibliographie • Sous la direction de Jean-Pierre Ollivier et Angélique Vichot pour l'ATILH - La durabilité du béton - Presses de l'école des Ponts et Chaussées - Paris - 2008 (ISBN 978-2-8597-8434-8) Cette section est vide, insuffisamment détaillée ou incomplète. Votre aide (http:/ / fr. wikipedia. org/ w/ index. php?title=Béton&action=edit) est la bienvenue ! • • • • Portail de la chimie Portail de l’architecture et de l’urbanisme Portail du bâtiment et des travaux publics Portail des sciences des matériaux
  18. 18. Ciment 16 Ciment Cet article possède un paronyme ; voir : Gilles Ciment. Le ciment (du latin caementum, signifiant moellon, pierre de construction) est une matière pulvérulente, formant avec l’eau ou avec une solution saline une pâte plastique liante, capable d’agglomérer, en durcissant, des substances variées. Il désigne également, dans un sens plus large, tout matériau interposé entre deux corps durs pour les lier. C'est une gangue hydraulique durcissant rapidement et atteignant en peu de jours son maximum de résistance. Après durcissement, cette pâte conserve sa résistance et sa stabilité, même sous l’eau. Son emploi le plus fréquent est sous forme de poudre, mélangée à de l'eau, pour agréger du sablefin, pour produire du mortier, ou des graviers, pour produire du béton. Le mot « ciment » peut désigner différents matériaux comme : • • • • • le plâtre ; la chaux commune ; la pouzzolane naturelle ; le ciment prompt ; le ciment Portland ou ciment artificiel. Un ciment artificiel est un produit provenant de la cuisson de mélanges artificiels (de la main humaine) de silice, d'alumine, de carbonate de chaux, sur lesquels l'eau n'a aucune action, ou qu'une action très lente avant la trituration, et qui, réduits en poudre mécaniquement, font prise sous l’action de l'eau, dans un délai qui varie selon leur proportion. Historique Le mortier et le ciment auraient été inventé par les Égyptiens. Il aurait ensuite été amélioré par les civilisations suivantes par l'ajout de chaux à de l'argile. Les Grecs d'Italie le renforcèrent avec des cendres pouzzolaniques (cendres volcaniques de la région de Pouzzoles ou « Pozzuoli » près de Naples), et cet usage a été repris et généralisé par les Romains[1] selon une recette donnée par Vitruve[2][3] (pas toujours respectée). L'ajout de "pouzzolanes" (scories volcaniques exploitées autour du Vésuve dans un mortier mouillé à l'eau de mer, lui conférait une solidité élevée suite à une réaction impliquant l'aluminium d'origine volcaniques qui stabilise le complexe d'hydrate de silicate de calcium, avant qu'un phénomène de carbonatation durcisse plus encore le mortier, lui permettant notamment de bien résister aux attaques de la mer comme en baie de Naples où l'on trouve des maçonneries de plus de 2000 ans (mieux que le ciment Portland actuel, et en consommant moins d'énergie pour le produire (car le portland actuel nécessite une cuisson en Maçon mettant en œuvre du ciment. La cimenterie d'Obourg (Belgique).
  19. 19. Ciment 17 cimenterie à 1.450 °C alors que la chaux des Romains ne devait être potée qu'à 900 °C[]. Ce modèle permettrait de réduire les émissions de gaz à effet de serre des cimenteries, dont en France où la pouzzolane est disponible (Auvergne, Velay, Vivarais, Provence). Puis jusqu’à l'Époque moderne, le ciment est un liant, souvent une chaux, additionnée de tuiles ou briques concassées, dont l'argile possède des propriétés hydrauliques. La pouzzolane (terre volcanique de Pouzzoles, dans la région de Naples, en Italie) est très utilisée comme addition. Le ciment ne prit son acception contemporaine qu'au XIXe siècle, lorsque Louis Vicat identifia le phénomène d'hydraulicité des chaux en 1817, et celle des ciments, qu'il appelait chaux éminemment hydrauliques, ou chaux limites, en 1840. La recherche sur l'hydraulicité des chaux débuta à la fin du XVIIIe siècle siècle pour aboutir vers 1840, à la fabrication des ciments modernes. Elle concernait les chaux grasses, non hydrauliques, qui ne durcissent pas sous l'eau, les chaux hydrauliques qui durcissent même sous l'eau, les chaux éminemment hydrauliques (riches en argiles) qui se solidifient très rapidement, et les chaux limites (trop riches en argiles) qui se solidifient très rapidement puis se décomposent, si elles ne sont pas cuites au degré de fusion pâteuse. En 1796, James Parker découvrit sur l'Île de Sheppey, en Grande-Bretagne, le ciment prompt (une chaux éminemment hydraulique ou ciment naturel à prise rapide, cuit à 900 °C comme les chaux naturelles ordinaires) qu'il baptisa commercialement ciment romain. Ce ciment acquit par la suite, de 1820 à 1920 environ, une grande réputation. Il fut fabriqué dans toute l'Europe et servait à faire des moulages au gabarit, ou à fabriquer des pierres artificielles de ciment moulé. Au début du XIXe siècle siècle, toute l'Europe s'active, la France surtout, pour ne rien devoir aux Britanniques ni à la pouzzolane italienne. Et le Français Louis Vicat découvrit en 1817 le principe d'hydraulicité des chaux - concernant la proportion d'argile et la température de cuisson - et publia ses travaux sans prendre de brevet. En 1824, le Britannique Joseph Aspdin déposa un brevet pour la fabrication d'une chaux hydraulique à prise rapide qu'il appela commercialement le ciment Portland, car la couleur de son produit ressemblait aux célèbres pierres des carrières de la péninsule de « Portland » situées en Manche. C'est un ciment similaire à ceux que décrivit Vicat, encore que son brevet soit imprécis. Mais il fallut attendre 1840, et la découverte des principes d'hydraulicité des ciments lents (dits aujourd'hui ciments Portland) toujours par Louis Vicat (société Vicat) - une cuisson à la température de fusion pâteuse soit 1 450 °C qui permit d'obtenir le clinker - pour voir une réelle fabrication de ces ciments modernes, et voir apparaître ensuite une architecture de béton coffré puis de béton armé. La première usine de ciment a été créée par Dupont et Demarle en 1846 à Boulogne-sur-Mer. Le développement n'a pu se faire que grâce à l'apparition de matériel nouveaux, comme le four rotatif et le broyeur à boulets. Les procédés de fabrication se perfectionnèrent sans cesse, et le temps nécessaire pour produire une tonne de clinker, constituant de base du ciment, est passé de quarante heures en 1870, à environ trois minutes actuellement. Fabrication du ciment courant, ou ciment Portland La fabrication du ciment se distingue en six étapes principales : • • • • • • l'extraction l'homogénéisation le séchage et le broyage la cuisson le refroidissement le broyage
  20. 20. Ciment 18 Extraction L'extraction consiste à extraire les matières premières vierges (comme le calcaire « 75 à 80 % » et l'argile « 20 à 25 % ») à partir de carrières. Ces matières premières sont extraites des parois rocheuses par abattage à l'explosif ou à la pelle mécanique. La roche est acheminée par des tombereaux, (dumpers), ou des bandes transporteuses vers un atelier de concassage. Les matières premières doivent être échantillonnées, dosées et mélangées de façon à obtenir une composition régulière dans le temps. La prise d'échantillons en continu permet de déterminer la quantité des différents ajouts nécessaires (oxyde de fer, alumine et silice). Homogénéisation La phase d'homogénéisation consiste à créer un mélange homogène. Cette opération peut être réalisée : soit dans un hall où on obtient le mélange homogène en disposant la matière en couches horizontales superposées, puis en la reprenant verticalement à l'aide d'une roue-pelle; soit dans un silo vertical par brassage par air comprimé. Principes et méthodes de fabrication La fabrication de ciment se réduit schématiquement aux trois opérations suivantes : • préparation du cru ; • cuisson ; • broyage et conditionnement. Il existe quatre méthodes de fabrication du ciment qui dépendent essentiellement des matériaux : • • • • fabrication du ciment par voie humide (la plus ancienne) ; fabrication du ciment par voie semi-humide (dérivée de la voie humide) ; fabrication du ciment par voie sèche (la plus utilisée) ; fabrication du ciment par voie semi-sèche (dérivée de la voie sèche). La composition de base des ciments actuels est un mélange de silicates et d’aluminates de calcium, résultant de la combinaison de la chaux (CaO) avec de la silice (SiO2), de l’alumine (Al2O3), et de l’oxyde de fer (Fe2O3). La chaux nécessaire est fournie par des roches calcaires, l’alumine, la silice et l’oxyde de fer par des argiles. Ces matériaux se trouvent dans la nature sous forme de calcaire, argile ou marne et contiennent, en plus des oxydes déjà mentionnés, d’autres oxydes. Le principe de la fabrication du ciment est le suivant : calcaires et argiles sont extraits des carrières, puis concassés, homogénéisés, portés à haute température (1 450 °C) dans un four. Le produit obtenu après refroidissement rapide (la trempe) est le clinker. Un mélange d’argile et de calcaire est introduit dans un four tubulaire rotatif légèrement incliné chauffé par une flamme aux environs de 2 000 °C. Cette flamme est alimentée par différents combustibles solides, liquides ou gazeux. Au contact des gaz chauds la matière Four rotatif incliné ou kiln s'échauffe progressivement. À l'entrée la température de l'ordre de 800 °C provoque la déshydratation des argiles et la décarbonation du calcaire pour produire la chaux(CaO). Puis la chaux se combine d'une part à l'alumine et l'oxyde de Fer pour former des aluminates et aluminoferrites de calcium, et d'autre part, à la silice pour former du silicate bicalcique (bélite). La température augmentant tandis que la matière progresse vers la flamme, les aluminates (1 450 °C) et aluminoferrites (1 380 °C) fondent : cette phase de fusion favorise la formation de silicate tricalcique à partir du silicate bicalcique et de la chaux restante. C'est l'hydratation au cours de cette phase qui donne l'essentiel de sa résistance au béton de ciment Portland.
  21. 21. Ciment Fabrication par voie humide Cette voie est utilisée depuis longtemps. C’est le procédé le plus ancien, le plus simple mais qui requiert le plus d’énergie. Dans ce procédé, le calcaire et l’argile sont broyés finement et mélangés avec l’eau de façon à constituer une pâte assez liquide (28 à 42 % d’eau). On brasse énergiquement cette pâte dans de grands bassins de huit à dix mètres de diamètre, dans lesquels tourne un manège de herses. La pâte est ensuite entreposée dans de grands bassins de volumes de plusieurs milliers de mètres cubes, où elle est continuellement malaxée et homogénéisée. Ce mélange est appelé le cru. Des analyses chimiques permettent de contrôler la composition de cette pâte et d’apporter les corrections nécessaires avant sa cuisson. La pâte est ensuite acheminée à l’entrée d’un four rotatif, chauffé à son extrémité par une flamme intérieure. Ce four rotatif légèrement incliné est constitué d’un cylindre d’acier dont la longueur peut atteindre deux cents mètres. On distingue à l’intérieur du four plusieurs zones, dont les trois principales sont : • Zone de séchage. • Zone de décarbonatation. • Zone de clinkerisation. Les parois de la partie supérieure du four (zone de séchage - environ 20 % de la longueur du four) sont garnies de chaînes marines afin d’augmenter les échanges caloriques entre la pâte et les parties chaudes du four. Le clinker à la sortie du four, passe dans des refroidisseurs (trempe du clinker), dont il existe plusieurs types comme les refroidisseurs à grille, ou à ballonnets. La vitesse de trempe a une influence sur les propriétés du clinker (phase vitreuse). De toute façon, quelle que soit la méthode de fabrication, à la sortie du four, on obtient un même clinker qui est encore chaud, d'environ 600 à 1 200 °C. Il faut ensuite le broyer très finement et très régulièrement avec environ 5 % de gypse CaSO4 afin de « régulariser » la prise. Le broyage est une opération délicate et coûteuse, non seulement parce que le clinker est un matériau dur, mais aussi parce que même les meilleurs broyeurs ont des rendements énergétiques déplorables. Les broyeurs à boulets sont de grands cylindres disposés presque horizontalement, remplis à moitié de boulets d’acier et que l’on fait tourner rapidement autour de leur axe (20 tr/min) ; le ciment y atteint une température élevée (160 °C), ce qui nécessite l’arrosage extérieur des broyeurs. On introduit le clinker avec un certain pourcentage de gypse dans la partie haute, puis on récupère la poudre dans la partie basse. Lors du broyage à circuit ouvert, le clinker ne passe qu’une fois dans le broyeur. Lors du broyage en circuit fermé, le clinker passe rapidement dans le broyeur, puis à sa sortie, est trié dans un cyclone. Le broyage a pour but de réduire les grains du clinker en poudre, et de permettre l’ajout du gypse (environ 4 %) pour réguler quelques propriétés du ciment Portland, comme son temps de prise et de durcissement. À la sortie du broyeur, le ciment est à une température environ de 160 °C, et avant d'être transporté vers des silos de stockage, il doit passer au refroidisseur à force centrifuge pour que sa température soit maintenue à environ 65 °C. 19
  22. 22. Ciment Fabrication par voie sèche Les ciments usuels sont fabriqués à partir d’un mélange d'environ de 80 % de calcaire (CaCO3) et de 20 % d’argile (SiO2–Al2O3). Selon l’origine des matières premières, ce mélange peut être corrigé par apport de bauxite, oxyde de fer ou autres matériaux fournissant le complément d’alumine et de silice requis. Après avoir été finement broyée, la poudre (farine) est transportée depuis le silo d'homogénéisation jusqu’au four, soit par pompe, aéroglisseur puis par aérolift ou élévateur. Les fours sont constitués de deux parties: • la structure verticale fixe : la tour de préchauffage constituée de cyclones et d'échangeurs de chaleur ; • le four ou tronçon rotatif. Les gaz réchauffent la farine crue qui circule dans les cyclones en sens inverse, par gravité. La farine en s'échauffant au-delà des 800 °C environ va se décarbonater (partiellement) en libérant du dioxyde de carbone (CO2) et son eau. La farine chaude pénètre ensuite dans le tronçon rotatif analogue à celui utilisé dans la voie humide, mais beaucoup plus court. La méthode de fabrication par voie sèche pose aux fabricants d’importants problèmes techniques: La ségrégation possible entre argile et calcaire dans les préchauffeurs. En effet, le système utilisé semble être néfaste et, en fait, est utilisé ailleurs pour trier des particules. Dans le cas de la fabrication des ciments, il n’en est rien. La poudre reste homogène et ceci peut s'expliquer par le fait que l’argile et le calcaire ont la même masse volumique (2,70 g/cm³). De plus, le matériel a été conçu dans cet esprit et toutes les précautions ont été prises. Le problème des poussières. Ce problème est rendu d’autant plus aigu, que les pouvoirs publics, très sensibilisés par les problèmes de nuisance, imposent des conditions draconiennes. Ceci oblige les fabricants à installer des dépoussiéreurs, ce qui augmente considérablement les investissements de la cimenterie. Les dépoussiéreurs utilisés pour traiter les gaz du four sont : • les électrofiltres constitués de grilles de fils métalliques mis sous haute tension électrique et sur lesquels viennent se fixer des grains de poussière ionisée. Ces grains de poussière s’agglomèrent et, sous l’action de vibreurs ou de marteaux qui agitent les fils, retombent au fond du dépoussiéreur où ils sont récupérés et renvoyés dans le four. En dehors des pannes, ces appareils ont des rendements de l’ordre de 99 %, mais absorbent une part importante du capital d’équipement de la cimenterie. • les filtres à manches Le problème de l’homogénéité du cru est délicat. Nous avons vu comment il pouvait être résolu au moyen d’une préhomogénéisation puis d’une homogénéisation. Séchage et broyage Le séchage et le broyage sont l'étape visant à favoriser les réactions chimiques ultérieures. Les matières premières sont séchées et broyées très finement (de l’ordre du micron) dans des broyeurs à boulets, ou, plus récemment, dans des broyeurs verticaux à meules, plus économes en énergie. On distingue trois types principaux de "voies" en fonction du type de préparation : • la voie humide : c’est la technique la plus ancienne. Elle est aussi la plus gourmande en énergie, nécessaire à l’évaporation de l’excédent d’eau. Dans les deux techniques suivantes, les matières premières sont parfaitement homogénéisées et séchées sous forme de « cru » ou « farine ». • la voie sèche : la farine est introduite directement dans le four sous forme pulvérulente, après un préchauffage dans une tour à échangeurs thermiques. 20
  23. 23. Ciment • la voie semi-sèche : avant introduction dans le four, la farine est transformée en “granules” par humidification dans de grandes « assiettes » rotatives inclinées. Le cru est ensuite introduit dans un long four (60m à 200m) rotatif (1,5 à 3 tours par minute), tubulaire (jusqu’à 6m de diamètre), légèrement incliné (2 à 3 % d’inclinaison) Cuisson Le cru va suivre différentes étapes de transformation lors de sa lente progression dans le four, vers la partie basse, à la rencontre de la flamme. Cette source de chaleur est alimentée au charbon broyé, fioul lourd, gaz, ou encore en partie avec des combustibles de substitution provenant d'autres industries, tels que le coke de pétrole, les pneus usagés, les farines animales, les huiles usagées. La température nécessaire à la clinkerisation est de l'ordre de 1 450 °C. L'énergie consommée se situe entre 3 200 et 4 200 kJ par tonne de clinker, qui est le produit semi fini obtenu à la fin du cycle de cuisson. Il se présente sous forme de granules grises. À la sortie du four, le clinker doit être refroidi et broyé avant d'être entreposé dans des silos. Le clinker est le résultat d'un ensemble de réactions physico-chimiques progressives (clinkerisation) permettant : • La décarbonatation du carbonate de calcium (donnant la chaux vive) • La scission de l'argile en silice et alumine • La combinaison de la silice et de l'alumine avec la chaux pour former des silicates et des aluminates de calcium. Refroidissement Dans le cas des ciments gris, le clinker est refroidi, dans la plupart des cimenteries actuelles, par un refroidisseur à grilles: • le clinker va progresser à l'intérieur du refroidisseur grâce aux à-coups répétés des grilles sur lesquelles il repose, • au travers des grilles, de puissants ventilateurs vont souffler sous le clinker afin de le refroidir, • à l'entrée ou à la sortie du refroidisseur, selon le modèle utilisé, un concasseur à un ou plusieurs rouleaux va le broyer de manière grossière. Dans le cas du ciment blanc, plus fragile que le gris car il doit rester immaculé, un refroidisseur rotatif est inséré entre le four rotatif et le refroidisseur a grilles. Il s'agit d'un cylindre légèrement incliné qui tourne sur lui-même et à l'intérieur duquel de l'eau est pulvérisée à l'aide de multiples buses. Bien que sa composition chimique soit légèrement différente, c'est grâce au refroidisseur rotatif que le ciment peut rester blanc : en effet, son rôle est de refroidir très rapidement le clinker à sa sortie du four, avant qu'il ne soit oxydé au contact de l'air. De plus, la taille des refroidisseurs à grilles utilisés sur les lignes de ciment blanc est considérablement réduite, le refroidisseur rotatif accomplissant une partie de leur travail. Broyage Le clinker est ensuite finement broyé pour conférer au ciment des propriétés hydrauliques actives. Ce broyage s'effectue dans des broyeurs à boulets, dispositifs cylindriques chargés de boulets d'acier et mis en rotation. Lors de cette étape, le gypse (3 à 5 %), indispensable à la régulation de prise du ciment, est ajouté au clinker. On obtient alors le ciment Portland. Les ciments à ajouts sont obtenus par l'addition, lors de la phase de broyage, d'éléments minéraux supplémentaires contenus dans des matériaux tels que : • le laitier de hauts fourneaux (résidus de la sidérurgie) • les cendres volantes de centrales électriques • les fillers calcaires (granulats) 21
  24. 24. Ciment 22 • les pouzzolanes naturelles ou artificielles Broyage très fin EMC Energetically Modified Cement est un ciment produit selon un procédé breveté de broyage intense de ciment CPA avec des différentes charges, comme sable fin, quartzite, pouzzolane ou cendres volantes, etc. Il possède les mêmes caractéristiques physiques que les ciments portland artificiels CPA, mais avec 50 % moins de ciment, énergie et émissions de CO2. Chimie du ciment Phases cimentières Article connexe : Notation cimentière. Pour désigner les phases cimentières, on utilise en général une notation abrégée dite « notation shorthand » : C pour CaO (Chaux), S pour SiO2 (silice), A pour Al2O3 (alumine) et F pour Fe2O3 (hématite). Les phases couramment rencontrées dans l'industrie du ciment sont : • Alite C3S : (CaO)3(SiO2) ;cette phase est la plus importante. Elle consiste en environ deux tiers du produit final. • • • • • • • • • • Aluminate C3A : (CaO)3(Al2O3) ; Belite C2S : (CaO)2(SiO2) ; Calcaire (limestone) : CaCO3 Célite phases «interstitielles» « celite » C3A, impure et solution solide de ferrite « C4AF » ; Chaux libre (free lime) : CaO, la teneur doit être en général inférieure à 2 % en masse dans le clinker (la quantité de chaux libre augmente lorsque la température du four baisse) ; Ferrite ou aluminoferrite ou brownmillerite C4AF : (CaO)4(Al2O3)(Fe2O3), on voit parfois la demi-formule (CaO)2FeAlO3 ; Gypse : CaSO4.2(H2O) ; chauffé entre 60 °C et 200 °C, le gypse se déshydrate et donne le plâtre ; Périclase : MgO ; Portlandite : hydroxyde de calcium Ca(OH)2, provenant de l'hydratation de la chaux libre. Sable, silice : SiO2 La composition chimique garantit les qualités du ciment à terme, c’est-à-dire pendant sa fabrication, et également des mois, voire des années après sa commercialisation. Des analyses sont donc effectuées sur des échantillons prélevés régulièrement tout au long du processus de la fabrication. On analyse également les matières premières et les combustibles afin de connaître leur teneur en différents composés, et de pouvoir ainsi les doser. Ces analyses sont devenues d'autant plus importantes que la fabrication du ciment a de plus en plus recours à des produits de recyclage, tant dans les matières premières (par exemple le laitier) que pour les combustibles (déchets ne dégageant pas de fumées toxiques, farines animales…). Par ailleurs, cette analyse permet également un pilotage rétroactif du four : lorsque le taux de chaux libre (CaO) est trop important, cela signifie que le four n'est pas assez chaud. La qualité finale est évaluée par des modules, c'est-à-dire des valeurs calculées à partir de la composition. On définit par exemple : • Module de saturation de Kühl : • Module silicique (MS ou SR) : • Module alumino-ferrique (AF ou AR) :
  25. 25. Ciment Contamination La présence de chlore (chlorures) et de soufre (sulfates, sulfure) dans les matières premières est problématique. En effet, lors du chauffage, le chlore et le soufre se volatilisent et réagissent avec les composés alcalins pour former des chlorures et sulfures alcalins. En effet, les chlorures et les sulfates subissent un cycle (interne ou externe) et, en l'absence d'alcalin comme le potassium et le sodium (K2O & Na2O) avec qui réagissent les chlorures et les sulfates, des concrétions de sulfates en forme d'anneau se forment au niveau des tours de préchauffage. Tests en laboratoire Mesures physiques Surface spécifique La finesse de broyage d'un ciment est exprimée par sa surface spécifique. C'est-à-dire la surface développée par unité de masse cette valeur s'exprime en [cm²/g]. Elle est mesurée au moyen du Test de Blaine, dit de perméabilité à l'air, selon la relation d'Arcy-Kozeny, qui établit que la traversée d'un lit de granules par un fluide est affectée par la surface spécifique de ces granules. Ainsi, en calculant la durée que met un gaz sous pression à traverser un volume donné de granules, on peut déduire la surface des granules. Plus le broyage est fin, plus la surface calculée est importante. Cette expérience se produisant dans un volume déterminé, on peut imaginer obtenir une surface développée infinie en broyant toujours plus finement le ciment. Il s'agit là d'une application industrielle d'un modèle expliqué par les mathématiques fractales: une dimension d'ordre n, finie, englobant une dimension d'ordre n-1, tendant vers l'infini. Mesure du temps de prise Cette section est vide, insuffisamment détaillée ou incomplète. Votre aide [4] est la bienvenue ! Granulométrie Cette section est vide, insuffisamment détaillée ou incomplète. Votre aide [4] est la bienvenue ! Essai mécanique Cette section est vide, insuffisamment détaillée ou incomplète. Votre aide [4] est la bienvenue ! Résistance à la compression. Résistance à la traction. Mesures chimiques Cette section est vide, insuffisamment détaillée ou incomplète. Votre aide [4] est la bienvenue ! En général, les analyses chimiques réalisées sur un ciment sont: • La détermination de la Perte au feu (loss on ignition): c'est-à-dire déterminer la matière organique par incinération. Matière première → CO2 + H2O + éléments oxydables. • La teneur en soufre par gravimétrie. • La teneur en chlorure par dosage de Volhart. • La teneur en carbonates, CO2 et chaux libre. En industrie ces tests sont réalisés manuellement mais aussi par spectrométrie toutes les heures afin de contrôler la production et de rester dans les valeurs attendues. • La spectrométrie utilisée est la XRF (fluorescence à rayon X) pour la détermination de: SiO2, Al2O3, Fe2O3, TiO2, CaO, MgO, Na2O, K2O, SO3, P2O5, MnO, Cr2O3 et SrO. Ces valeurs sont utilisée pour le calcul des différents modules vus dans le chapitre précédent. • la XRD (diffraction à rayon X) pour mesurer la valeur en chaux libre. 23
  26. 26. Ciment 24 En général la XRF est couplée avec une XRD. Les différents ciments Les ciments peuvent être classés en cinq grandes familles et vingt-sept variantes principales (voir la norme (en)EN-197-1-2000) pour plus de détails : • • • • • • Ciment Portland (noté CEM I) Ciment Portland composé (noté CEM II) Ciments de hauts fourneaux (noté CEM III) Ciments pouzzolaniques (noté CEM IV) Ciments au laitier et aux cendres ou ciment composé (noté CEM V) Ciment blanc (différent des précédents par sa composition chimique et la méthode de fabrication) La désignation des ciments est normalisée [5] L'économie du ciment et impacts sur l'environnement Cet article ne cite pas suffisamment ses sources (juillet 2008). Si vous disposez d'ouvrages ou d'articles de référence ou si vous connaissez des sites web de qualité traitant du thème abordé ici, merci de compléter l'article en donnant les références utiles à sa vérifiabilité et en les liant à la section « Notes et références ». (Modifier l'article [4] ) • Une industrie lourde… Le coût des installations nécessaires à la production d’un million de tonnes de ciment représente 150 millions d’euros: ce coût équivaut à leur chiffre d’affaires pendant trois ans. • …fortement consommatrice d’énergie… Chaque tonne de ciment produite requiert l’équivalent de 60 à 130 kg de fioul, ou une moyenne de 110 kWh. • …fortement productrice de gaz à effet de serre…[6] La seule fabrication du ciment est responsable de 5 % des émissions mondiales de CO2. Ces émissions sont dues : pour 40 % au carburant pour chauffer la roche calcaire, pour 60 % à la décarbonatation de cette roche lors du chauffage. Lors de la prise du ciment il n'y a pas de CO2 fixé, la prise se fait à l'eau contrairement à la prise de la chaux aérienne qui fixe la même quantité de CO2 que celle émise lors de la décarbonatation. • …à faible besoin en main d’œuvre… Une usine moderne d’un million de tonnes de capacité emploie moins de 150 personnes. • …fabriquant un produit pondéreux… Le coût du transport par route devient équivalent au coût du produit au-delà de 300 km (25 t de charge utile par camion) et limite donc le rayon utile de l’acheminement terrestre. Cette contrainte fait du marché du ciment un marché régional. Néanmoins, le moindre coût du fret maritime en regard des volumes transportés (bateaux de 35 000 tonnes) permet les échanges intercontinentaux (par tonne transportée, il est moins coûteux de faire traverser l’Atlantique à une cargaison de ciment que de la déplacer de 300 km par voie routière). • …aux caractéristiques homogènes… Bien que le ciment soit produit à partir de matériaux naturels locaux, différents selon la région où se situe une usine, le produit fini répond aux mêmes standards. De ce fait, plus que la qualité d’un ciment, c’est sa disponibilité et le service au client qui sont déterminants dans l’acte de vente, après bien entendu le prix de vente. • …à la consommation fortement liée au niveau de développement local.
  27. 27. Ciment 25 En Europe et en Amérique du Nord, la demande du marché pour le ciment a fortement augmenté au cours du XXe siècle, et le développement de l’industrie a répondu aux besoins de l’urbanisation croissante. Après la Seconde Guerre mondiale, et malgré une évolution cyclique, la consommation des pays industrialisés a été multipliée par un facteur 6 à 8, jusqu’au choc pétrolier de 1975. Depuis lors, les marchés occidentaux dits matures ont décru de l’ordre de 20 à 40 %, les besoins en infrastructures lourdes ayant été comblés, et remplacés par de la consommation d'entretien. Néanmoins, au cours des vingt-cinq dernières années, certains pays européens (Grèce, Portugal et Espagne, par exemple) ont doublé, voire triplé leur consommation par suite de leur taux élevé de croissance interne (PIB) D’un pays à l’autre, la consommation de ciment par habitant varie fortement selon les profils géographiques (tunnels et ponts dans les zones montagneuses), les contraintes sismiques (Grèce, Turquie), et climatologiques (autoroutes en béton dans les pays du nord), les habitudes locales, les densités de population et le cycle de croissance. La moyenne européenne était en 2004 (source CEMBUREAU) de 528 kg par habitant, avec des pics à 1 221 kg pour le Luxembourg, 1 166 kg pour l’Espagne et 963 kg pour la Grèce et des creux pour la Suède (192 kg), la Lettonie (200 kg) et le Royaume Uni (216 kg). Sociétés cimentières Sociétés de production La production mondiale de ciment est dominée par quelques groupes internationaux occidentaux (classement à fin 2005) : • • • • • Holcim, Suisse, n°1 mondial Lafarge, France, n°2 mondial Cemex, Mexique, n°3 mondial HeidelbergCement, Allemagne, n° 4 mondial Italcementi, Italie, n°5 mondial • en France : Groupe Ciments Français dont : Ciments Calcia Il existe également de nombreux producteurs indépendants : • En Italie et au Canada : • Société Colacem • En France : • Vicat • Au Maroc • CIMAT (Ciments de l'Atlas) • En Algérie : • ERCE-GIC • En Tunisie : • SOTACIB • CIOK cimenterie d'Oum El Klil Kef • SCG CIMENTERIE DE GABES
  28. 28. Ciment 26 Sociétés d'analyse & réalisation De nombreuses sociétés grandes ou petites gravitent autour des grandes sociétés de production et sont spécialisées dans le process cimentier, en particulier dans l'ingénierie et la mise en service électriques des lignes de production de ciment (par ex: Fives FCB en France). Pour les sociétés de ciment en Algérie, elles sont regroupées autour d'un groupe national de ciments appelé GROUPE GICA (Groupe Industriel des Ciments d'ALGÉRIE), au nombre de 12 cimenteries, elles totalisent une capacités de production annuelle de 11 500 000 tonnes. La nouvelle politique économique a permis d'augmenter ces capacités nationales pour qu'elles avoisinent les 18 000 000 tonnes par AN. Organismes internationaux et normes Le premier résultat d’harmonisation des ciments est apparu en 2000, développé par CEN (« Comité européen de normalisation) (www.cenorm.be). Le ciment est alors le premier produit normalisé (EN-197-1-2000) en accord avec la CPD (Construction Products Directive). La norme définit vingt-sept ciments communs et leurs constituants, incluant des recommandations d’utilisation (proportions des mélanges), ainsi que les spécificités mécaniques, physiques et chimiques des différents ciments et de leurs composants. Les vingt-sept classes sont réparties en cinq groupes, selon leurs constituants, autres que le clinker. Depuis avril 2003, tous les ciments ont reçu le label CE, en accord avec la norme EN 197-1. Les tests à pratiquer sur les ciments tout au long de la chaîne de production, pour mesurer leurs propriétés, ont été décrits dans une pré-norme européenne finalisée en 1989 (EN 196 series). La CEN se penche également sur la normalisation des six autres types de ciments suivants : • • • • • Ciments à faible chaleur d’hydratation Ciments prompts à faible résistance Liants hydrauliques routiers Ciments calcio-aluminates Ciments sulphato-résistants Le comité C01 de l'ASTM est consacré aux ciments hydrauliques. Les normes suivantes s'appliquent au domaine des ciments : • EN 196.2 : analyse chimique par complexométrie Glossaire des ciments Ciment alumineux Le ciment alumineux fut mis au point par J. Bied, directeur scientifique des Ciments Lafarge, en 1908, et fabriqué industriellement en France à partir de 1918. C’est un ciment à base d'aluminates de calcium. Les ciments Portland, quant à eux, contiennent des silicates de calcium. Les aluminates ne libèrent pas de chaux en cours d'hydratation, et confèrent au béton ou au mortier alumineux des propriétés recherchées : • • • • • Une prise rapide Une résistance chimique élevée Une résistance élevée à l'usure Une résistance aux températures élevées Un accélération de la prise par temps froid Ciment artificiel Le ciment artificiel, ou ciment Portland, est un mélange artificiel (de la main de l'homme) de 76 à 80 % de carbonate de chaux, et de 24 à 20 % d'argile, broyé et mélangé à cru, puis cuit à une température de 1 450 °C pour obtenir une roche artificielle très dure, le clinker, qui, broyé à nouveau très finement, donne le ciment artificiel.
  29. 29. Ciment C'est un ciment lent, fabriqué en grande quantité à partir de 1850 environ, utilisé aujourd'hui pour les bétons et bétons armés courants, ainsi que pour les travaux de haute technicité comme ceux des ponts et chaussées ou les ouvrages d'art. Sa fabrication longue et compliquée l'a longtemps rendu coûteux. Il fut imité à moindre frais par ce que l'on peut appeler les « faux artificiels » (voir ce terme). En 1897, la Commission de méthode d'essais des matériaux classa dans la même catégorie tous les ciments à prise lente, et à partir de 1902, la Commission des chaux et ciments, n'utilisa plus ce terme d'artificiel et l'engloba dans les ciments Portland. Ciment blanc ou extra-blanc Le ciment blanc ou extra-blanc est un ciment Portland sans oxyde métallique (sorte de chaux lourde), destiné à la fabrication des carreaux de ciment ou des moulages. Il est remarquable par sa finesse et sa blancheur, ne produisant aucune gerçure sur la surface lisse. Il fut inventé en 1870. Sa prise se fait entre 6 et 15 heures. Ciment brûlé (ou clinker) Le clinker, cuit à 1 450 °C et non encore moulu, peut être utilisé comme ciment, on parle alors de ciment brûlé. Il est très dur. Sa prise est beaucoup plus lente que les ciments modérément cuits à 1 000 °C, mais il présente un durcissement et un degré de cohésion tout à fait extraordinaires. Broyé et mélangé à du gypse pour en retarder la prise, il est à la base de la fabrication courante des ciments ordinaires modernes (ciment Portland). Au XIXe siècle en Dauphiné, les morceaux modérément cuits, souvent de couleur jaune, étaient appelés des frittes jaunes ou des grumes. Les morceaux surcuits s'appelaient des frittes noires. Le mot clinker, importé du Royaume-Uni, désignait les frittes noires du ciment Portland artificiel. Ciment aux cendres Les ciments aux cendres furent produits pour la première fois en France en 1951, par P. Fouilloux. Ciment fondu Ciment du début du XXe siècle siècle, très alumineux, à prise normale, dont le durcissement demande beaucoup d'eau, dégage beaucoup de chaleur et est très rapide. Il est indécomposable dans les eaux magnésiennes et séléniteuses, se mélange mal avec d'autres ciments et est d'un prix élevé. Ciments de grappiers La production de ciments de grappiers commence vers 1870. Les grappiers sont les éléments durs que l'action de l'eau ne peut faire tomber en poudre lors de l'extinction de la chaux, et que les bluteries rejetaient. C'étaient les incuits, surcuits, chaux limites et parties trop chargées en argile des calcaires marneux. Constituant une perte sensible pour le fabricant, on aboutit au Teil (Ardèche) à en tirer parti en créant le ciment de grappiers, dont la qualité pouvait être remarquable. Ce produit un peu bâtard a disparu définitivement du marché avec la guerre 1914, mais on le retrouve dans les manuels d'architecture des années 1930. Ciment de laitier Ciment appelé aussi ciment pouzzolane, obtenu à partir de laitier de hauts-fourneaux mélangé avec de la chaux grasse éteinte et de la chaux hydraulique. Le laitier, pour acquérir de la résistance, doit avoir été refroidi brusquement à la sortie du four en étant immergé dans l'eau. Il contient des sulfures de calcium qui s'oxydent à l'air, qui lui donnent une teinte verte, et désagrègent les mortiers, mais il durcit considérablement, bien que lentement, en milieu humide. C'est aussi un mélange d'hydrate de chaux en poudre et de gangues hydrauliques pulvérisées ou pouzzolanes artificielles. En Allemagne, le début de la fabrication du ciment à 30 % de laitier remonte à 1901, mais il ne fut agréé qu'en 1909. Dans ce même pays les ciments contenant jusqu'à 70 % de laitier furent produits à partir de 1907 et agréés en 1909. En France, avant 1914, on utilisait surtout le laitier à la chaux, provenant de la région Est. Les cahiers des charges français le mentionnent pour la première fois en 1928 et l'admettent pour les travaux au littoral, en 1930. 27
  30. 30. Ciment Ciment lent Ciment à prise lente, plus de huit heures ; voir ciments naturels ou ciment Portland. Ciment lourd ou surcuit Ciment surcuit à 1 450 °C, donc lent à la prise. Ciment mixte Nom que donnaient les usines du nord de la France aux faux artificiels, et vendus ailleurs sous le nom de Portland naturels, est composé de ciment naturel et de grappiers de chaux mélangés en proportions variables. Ciments naturels Les ciments naturels sont des ciments prompts ou lents, voire demi-lents. Ils sont obtenus par la cuisson de calcaire, argileux naturellement, de bonne composition. Les ciments naturels se divisent en deux classes : • les ciments prompts, cuits à 900 °C comme les chaux, qui font prise en moins de vingt minutes ; • les ciments lents, cuits à un état proche de la fusion pâteuse à 1 450 °C, qui font prise en une ou plusieurs heures. Des variétés intermédiaires étaient obtenues directement ou par mélanges et étaient appelées demi-lents. Vers 1880, les ciments naturels des environs de Grenoble (plus grande région productrice) résultaient de la cuisson de calcaire marneux contenant de 23 à 30 % d'argile, plus ou moins pure. Une fois cuits, ils renfermaient 35 à 45 % d'argile calcinée et 65 à 56 % de chaux. La proportion d'argile considérée comme la meilleure est de 23 à 24 % dans le calcaire et de 36 dans le ciment. Ils donnaient suivant leur cuisson des ciments naturels lents ou prompts. Seul le ciment prompt naturel est encore produit. Ciment Portland Le ciment Portland est un ciment artificiel obtenu par la cuisson, proche de l'état de fusion pâteuse, à 1 450 °C, des chaux limites mélangées intimement (calcaires contant de 20 à 25 % d'argile) et longtemps appelées chaux brûlées, ou de roches calcaires et de roches argileuses soigneusement dosées. C'est l'appellation courante des ciments lents. La dénomination de Portland vient des fabriques de Portland au Royaume-Uni, où le ciment avait la même couleur que les pierres de la région. Ciment Portland naturel Nom impropre des ciments naturels de l'Isère. Voir ciments naturels. Ciment prompt (ou « ciment romain ») Techniquement, le ciment prompt est une chaux éminemment hydraulique, un ciment obtenu par la cuisson à 900 °C de calcaires contenant de 23 à 30 % d'argile et dont la prise s'effectue en dix ou vingt minutes. Le plus souvent, c'est un ciment naturel, un ciment provenant de la simple cuisson d'une gangue ayant naturellement les bonnes proportions de calcaire et d'argile. La pierre, à la sortie du four, reste quelque temps à l'air et absorbe de l'humidité, puis elle est blutée, conservée en silos et ensachée. Ce ciment atteint sa dureté maximale après quelques jours. Le ciment prompt est fabriqué depuis la fin du XVIIIe siècle. Il a longtemps été appelé ciment romain dans le nord de la France, les pays anglo-saxons et d'Europe de l’Est, bien que cette qualification commerciale soit absolument impropre. Les grands producteurs étaient sur l'île de Sheppey en Grande-Bretagne et à Vassy, Pouilly et Grenoble (encore en activité), en France. Le ciment prompt a longtemps été utilisé pour faire des moulages au gabarit, ou fabriquer des pierres factices de ciment moulé (de 1820 à 1920 environ). Il est encore utilisé comme ciment à sceller, comme adjuvant naturel dans les enduits de chaux, pour les travaux maritimes et pour la fabrication des moulages d'art, surtout dans les Alpes et en Italie du nord (importation de ciment français, le prompt de la Pérelle et de la Porte de France de la société Vicat, dernier producteur). Ciment sulfaté. 28
  31. 31. Ciment 29 Le ciment sulfaté fut mis au point en 1908 par Hans Kühl. Il fut peu fabriqué en Allemagne, mais exploité industriellement en Belgique et en France à partir de 1922, et jusqu'en 1965. Ciment romain. Voir ci-dessus ciment prompt. Sources • Cement data book de Walter H. Duda • Ciment naturel Cédric Avenier ss. dir., Bruno Rosier, Denis Sommain, Grenoble, Glénat, 2007, 176 pages Notes [1] F. Davidovits, Vitruve et le mortier romain, étude archéologique et linguistique , mémoire de maîtrise de lettres classiques, Faculté des Lettres, Amiens, 1992 [2] G. Lugli, (1956) L'opus caementicium in Vitruvio , in Classica et Mediaevalia , Vol. 17, Copenhague. [3] Frédéric Davidovits (1995) [Les Cultures de l'Antiquité Classique ; Les Mortiers de pouzzolanes artificielles chez Vitruve évolution et historique architecturale] ; Université ParisX-Nanterre 1992-1993 Thèse de D.E.A. Geopolymer Institute France ; PDF, 95 p [4] http:/ / fr. wikipedia. org/ w/ index. php?title=Ciment& action=edit [5] http:/ / www. piles. setra. equipement. gouv. fr/ IMG/ pdf/ normes_160904_cle0f133d. pdf [6] Bâtir en terre. Du grain de sable à l'architecture. Laetitia Fontaine et Romain Anger. Ed° Belin. 2009. Ciment Portland Pour les articles homonymes, voir Portland (homonymie). Les Ciments Portland sont des liants hydrauliques composés principalement de silicates de calcium hydrauliques qui font prise et durcissent en vertu d'une réaction chimique à l'eau appelée hydratation. Lorsqu'on ajoute la pâte (ciment, air et eau) aux granulats (sable et gravier, pierre concassée ou autre matériau granulaire), elle agit comme une colle et lie ensemble les granulats pour former une masse semblable à de la pierre, le béton, le matériau artificiel le plus polyvalent et le plus répandu qui existe[1]. Fabrication PС Le ciment Portland est le produit que l'on obtient en réduisant en poudre un clinker constitué essentiellement de silicates de calcium hydrauliques auxquels on ajoute diverses formes de sulfate de calcium (gypse/plâtre), du calcaire et de l'eau, ainsi que divers produits d'addition au choix du fabricant. Les matières qui entrent dans la fabrication du ciment portland doivent contenir des proportions appropriées de chaux, de silice, d'alumine et de fer.

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