2.1 - La pâte de ciment hydraté

Question 1

Quelle réaction est celle de la déhydratation du gypse?
A)
1 : CaSO4.2H2O à 130-150 °C ——> CaSO4.1/2 H2O + 3/2 H2O (Gypse) (hemihydrate-plâtre)
2 : CaSO4.1/2 H2O à 205 °C —–> CaSO4 + 1/2 H2O (hemihydrate) (anhydrite)
B) CaSO4.1/2H2O (ou CaSO4) + H2O ——> CaSO4.2H2O

Answer 1

A, B c’est l’hydratation

Question 2

Le ciment Portland est un liant hydraulique, c’est-à-dire qu’il se ____ en réagissant avec l’eau (hydratation) pour produire des composés (hydrates) qui sont stables dans l’eau.

Answer 2

Solidifie

Question 3

Quels sont les principaux constituants du ciment Portland?

Answer 3

C3S : 3CaO.SiO2 (35% à 65%) - C2S : 2CaO.SiO2 (10% à 40%) - C3A : 3CaO.Al2O3 - C4AF : 4CaO. Al2O3Fe2O3 - Autres (sulfates, alcalis, filler calcaire, impuretés, …)

Question 4

Le béton durci est produit à la suite de l’hydratation du ciment Portland qui réagit avec l’eau pour former des ______. Ces derniers jouent le rôle de colle qui solidarise les granulats entre eux pour former un matériau rigide.

Answer 4

C-S-H (silicates de calcium hydratés) (pâte de ciment)

Question 5

Quel pourcentage occupe la pâte de ciment dans le béton?

Answer 5

La pâte de ciment représente de 25% à 40% du volume du béton.
25% : Béton autoplaçant
40% : Béton préfabriqué

Question 6

Vrai ou faux : La plupart des propriétés du béton, et plusieurs aspects de la durabilité du béton, sont directement liés aux caractéristiques de la pâte de ciment durci.

Answer 6

Vrai

Question 7

La pâte de ciment hydraté est le résultat de la réaction chimique entre l’eau et le ciment (la réaction d’hydratation). C’est un processus chimique complexe où les principaux composés du ciment C3S, C2S, C3A, C4AF réagissent pour former de nouveaux composés insolubles qui durcissent avec le temps. Quels sont les composés qui participent le plus au développement de la résistance en produisant des C-H-S?

Answer 7

C3S et C2S

• C3S et C2S produise de la chaleur
• C3A : réaction très violente avec l’eau
• C4AF : dégage peu de chaleur et participe pas beaucoup au développement de la résistance

Question 8

La pâte de ciment est formée par?

Answer 8

Les hydrates, les grains de ciment non-hydraté, les espaces capillaires, les bulles d’air

Question 9

Quels sont les principaux hydrates?

Answer 9

C-S-H, Aluminates hydratés, chaux hydratés, eau adsorbée sur certains cristaux, impuretés.

Question 10

Quel pourcentage occupe les C-S-H dans le volume solide d’une pâte de ciment?

Answer 10

50 et 60%

Question 11

Le C-S-H est un gel solide qui a les propriétés d’un ____

Answer 11

corps solide

Question 12

Le pH de la solution interstitielle contenant les C-S-H est très _____

Answer 12

Alcalin. À des pH plus faibles, il peut y avoir lixiviation des ions Ca 2+. Les CS-H subissent alors des transformations qui peuvent augmenter leur porosité et diminuer les propriétés mécaniques.

Question 13

Est-ce que le gel de C-S-H est poreux?

Answer 13

oui

Question 14

Quel pourcentage représente la porosité du gel de C-S-H dans le volume total du gel?

Answer 14

28%

Question 15

Est-ce que les pores de gel contribuent à la perméabilité?

Answer 15

Non puisqu’ils sont extrêmement fins

Question 16

Quel volume occupe la chaux hydratée dans les solides de la pâte de ciment complètement hydratée.

Answer 16

20 à 25%

Question 17

Qu’est-ce qui explique que la portlandite a une morphologie hexagonale prismatique?

Answer 17

La morphologie est très variable en fonction des paramètres de composition du béton

Question 18

Comment est-elle produite la portlandite?

Answer 18

À la suite de l’hydratation du C3S et C2S.

Dans la pâte de ciment hydraté, elle devient instable (lixiviation) lorsque le pH devient inférieur à environ 12,5.

Question 19

Est-ce que la portlandite participe beaucoup au développement de la résistance du béton?

Answer 19

Non, elle participe peu

Question 20

Quels pourcentages occupent les aluminates hydratés dans le volume solide de la pâte de ciment hydraté?

Answer 20

15 à 20%

Question 21

On retrouve les aluminates hydratés sous deux formes. Lesquelles?

Answer 21

Ettringite et monosulfoaluminates

Question 22

La porosité du béton et de la pâte de ciment hydraté gouverne de nombreuses propriétés du béton. Lesquelles?

Answer 22

Caractéristiques mécaniques, perméabilités (eau, ions, gaz), durabilité

Question 23

Plus la porosité interne du béton diminue, plus les propriétés mécaniques ____ et plus la perméabilité ___.

Answer 23

augmentent, diminue

Question 24

Pourquoi les bétons peu poreux sont en général plus durables?

Answer 24

Puisque leur faible perméabilité retarde la pénétration de l’eau, et des autres agents potentiellement agressifs (sulfates, C02, Cl-, etc)

Question 25

Quelles sont les quatre familles de vides?

Answer 25

1- Vides d’air entrapés et défauts de conception (D inférieur à 1mm) : Généralement pas remplis d’eau
2- Bulles d’air entrainées (D entre 10 microns et 1 mm)
3- Pores capillaires (D entre 0,01 et 5 microns) : Si le béton est constamment conservé à l’humidité, on peut considérer que les pores capillaires sont pratiquement remplis d’eau. Si le béton est soumis au séchage, les pores capillaires commencent à se vider graduellement en commençant par les plus gros. ** Ce sont surtout le volume total et la dimension des pores capillaires qui influencent le plus la perméabilité du béton
4- Les pores de gel (D inférieur à 40 angstrom) : Les pores de gel contiennent de l’eau qui est en partie adsorbée à la surface des feuillets de C-S-H. Cette eau est relativement stable et il est difficile de l’extraire par séchage. Les pores de gel n’ont pas une grande influence sur la perméabilité.

Question 26

Pourquoi le rapport eau/ciment exerce une grande influence sur la porosité de la pâte de ciment hydraté?

Answer 26

car il gouverne directement l’espacement initial entre les grains de ciment en suspension dans l’eau de gâchage.

Question 27

Quelle est l’influence du E/C sur la porosité capillaire?

Answer 27

Si E/C très élevé, Les grains de ciment seront donc très éloignés les uns des autres et, après s’être complètement hydratés, il restera un surplus d’eau important, donc, une porosité capillaire très importante. La perméabilité du béton sera très grande et ses propriétés mécaniques seront très faibles. Inversement, si la quantité d’eau est très faible par rapport à la masse de ciment (E/C faible). Les grains de ciment sont très près les uns des autres. Toute l’eau pourra réagir avec le ciment et il ne restera que très peu de porosité capillaire. La perméabilité du béton sera très faible et les propriétés du béton seront très élevées. Cependant, on aura utilisé beaucoup trop de ciment car une grande partie de celui-ci n’aura pas pu réagir par manque d’eau.

Question 28

Y a-t-il un juste milieu pour un bon rapport E/C?

Answer 28

À partir de mesures expérimentales de base, on peut calculer plus précisément la relation entre le E/C et volume de la porosité capillaire

Question 29

Quel pourcentage représente l’eau combinée chimiquement dans le poids du ciment non-hydraté?

Answer 29

23%

Question 30

réduction du rapport E/C permet non seulement de diminuer le volume total des pores capillaires mais elle permet aussi de réduire….

Answer 30

: leur diamètre. Pour un E/C plus faible la porosité capillaire est en fait constituée d’un réseau de pores plus fin et plus discontinu. En réduisant le E/C de 0,45 à 0 ,25, le volume total de la porosité (cumulative porosity) passe de 40% à moins de 20% et, en même temps, le diamètre moyen des plus gros pores est diminué par un facteur 10

Question 31

Pourquoi est-il préférable que le réseau de pores capillaires soit constitué de pores les plus petites possibles?

Answer 31

car le degré d’interconnection y est plus faible. La perméabilité de la pâte s’en trouve alors considérablement diminuée car il y a très peu de chemins préférentiels pour le passage des liquides, des gaz ou des ions potentiellement agressifs

Question 32

Dans la pâte de ciment hydraté, on retrouve de l’eau sous différentes formes. Cette eau interviendra différemment dans les processus liés à la durabilité, en fonction de sa localisation et de son état. Nommez les 4 formes et expliquez.

Answer 32

1 - L’eau combinée chimiquement (densité ˜ 1,2) Cette eau fait partie intégrante des C-S-H. Elle représente environ 23% du poids de ciment qui a réagi. Elle est très stable et on ne peut l’évaporer qu’en décomposant le C-S-H à haute températue.
2- L’eau zéolitique (interlayer) (densité ˜ 1,0) Cette eau n’est pas chimiquement combinée dans la structure des C-S-H mais elle est retenue entre les feuillets de C-S-H par des liens hydrogène. Pour l’évaporer il faut que le taux d’humidité s’abaisse au-dessous de 30%, ce qui provoque un très fort retrait de la pâte.
3- L’eau adsorbée (densité ˜ 1,0) Cette eau est physiquement liée sur la surface des solides (surtout sur les parois des capillaires ou des pores de gel). On croit qu’une couche d’environ 6 molécules d’eau (15 Å) peut être retenue par des liens hydrogène. Une grande partie de l’eau adsorbée peut être retirée si le taux d’humidité est inférieur à 50%. Cette perte d’eau est en grande partie responsable du retrait de la pâte ou du béton.
4- L’eau des capillaires. Il s’agit du surplus d’eau qui n’a pas pu réagir avec le ciment. Libre : contenue dans les plus gros capillaires. Non-libre : contenue dans les plus petits capillaires

Question 33

Quelle est la cause la plus fréquente des changements de volume de la pâte?

Answer 33

Retrait. Il est à l’origine des fissures que l’on retrouve très fréquemment dans presque tous les types d’ouvrages en béton.

Question 34

Par quoi les fissures de retrait sont-elles provoquées?

Answer 34

contraction d’une pièce de béton dont les mouvements sont partiellement ou complètement empêchés.

Question 35

Le retrait est un paramètre fondamental qui gouverne en grande partie la performance des réparations. Quels sont les 3 types de retrait?

Answer 35

1- Le retrait plastique peut affecter le béton au très jeune âge (pendant la prise initiale). Il est causé par une évaporation trop rapide de l’eau en surface qui ne peut pas être compensée par un apport d’eau provenant de la masse de béton sous la surface. Il provoque une forte contraction de la pâte qui fait fissurer la surface externe. Le retrait plastique est généralement associé à une technique de cure mal adaptée aux conditions climatiques.
2- Le retrait endogène est provoqué par la contraction LeChâtelier. Il résulte du fait que le volume des hydrates formés est légèrement inférieur au volume des composants initiaux (eau+ciment). Ce processus entraîne une diminution de volume après la prise du béton. Il fait apparaître des vides dans la pâte de ciment hydraté (capillaires vides) qui ont pour effet de diminuer le taux d’humidité interne (autodessiccation). Il y a alors un processus de réorganisation de l’eau dans la pâte de ciment qui provoque une contraction que l’on désigne par retrait endogène.
3- Le retrait de séchage est une diminution du volume de la pâte provoquée par une réorganisation de l’eau. Le retrait de séchage survient lorsqu’on abaisse le taux d’humidité interne du béton. C’est la forme la plus courante et la plus visible du retrait. La cause principale du retrait de séchage est l’assèchement progressif de la pâte de ciment.

Question 36

La formation de la glace dans la pâte est un processus graduel qui dépend de…

Answer 36

la température, de la vitesse de refroidissement et de la dimension des pores

Question 37

Comment diminuer et raffiner la porosité capillaire?

Answer 37

Diminuer, dans la limite du possible, le rapport E/C de la pâte. Prévoir des conditions de mûrissement adéquates et suffisamment longues pour maintenir la formation des hydrates (l’hydratation !) qui comblent et raffinent la porosité capillaire.

Question 38

Souvent, les différents processus de dégradation du béton ont pour origine des échanges entre le milieu externe et la pâte de ciment hydraté. Ces transferts sont regroupés en 2 catégories, lesquelles?

Answer 38

Écoulements de l’eau interstitielle, transports par diffusion en milieu poreux

Question 39

Les transports par diffusion en milieu poreux : La diffusion désigne le processus de transport d’un constituant dans un milieu donné sous l’effet de son agitation aléatoire à l’échelle moléculaire. S’il existe des différences de concentration entre deux points du milieu, il y aura un transport du constituant de la zone la plus concentrée vers la zone la moins concentrée. Peut se produire sous deux formes :

Answer 39

liquide et gazeuse

Question 40

Donner un exemple de transport par diffusion en phase liquide.

Answer 40

l’attaque par l’eau de mer et la corrosion des aciers d’armature

Question 41

Le type de mécanisme de transport est généralement fonction de…

Answer 41

caractéristiques du milieu environnant et des conditions d’exposition de la structure. Les formes principales de détérioration sont étroitement liées aux mécanismes de transferts de masse à travers les pores