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Paul ACKER : Ingénieur ECP, docteur de l’ENPC - Chef de la division Bétons et ciments pour ouvrages d’art au Laboratoire central des Ponts et chaussées
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Lire l’articleINTRODUCTION
L’hydratation du ciment est une réaction exothermique et thermo-activée. Dans les pièces massives (ou calorifugées), l’exothermie se traduit par une élévation de la température qui peut atteindre, dans certaines zones, une cinquantaine de degrés. Dans les pièces de plus faible épaisseur, la thermo-activation peut être mise à profit, sur chantier et surtout en usine de préfabrication, pour accélérer la croissance des résistances. Après un rappel des principales propriétés thermiques des ciments et des bétons, cet article présente les trois principaux effets thermomécaniques qui sont importants pour l’ingénieur, à savoir :
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les risques de fissuration dans les ouvrages massifs ou de géométrie complexe et les modèles numériques qui permettent d’analyser ces risques (et, le cas échéant, de faire le choix entre les techniques qui permettent de limiter les ouvertures des fissures) ;
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les techniques industrielles qui permettent d’accélérer, sur chantier ou en usine, la croissance des résistances mécaniques du matériau, grâce à divers types de traitements thermiques (thermomaturation) ;
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les méthodes de chantier qui permettent d’estimer, dans les heures qui suivent la prise du béton, la résistance mécanique acquise en des points choisis de l’ouvrage, à partir de l’enregistrement des températures dans l’ouvrage lui-même (maturométrie).
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- Version archivée 1 de févr. 1993 par Marc MAMILLAN
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1. Chaleur d’hydratation du ciment et durcissement du béton
1.1 L’hydratation du ciment : une réaction exothermique et thermo-activée
La prise et le durcissement du béton sont le résultat d’un certain nombre de réactions chimiques dont les principales — l’hydratation des silicates du clinker — s’accompagnent d’un fort dégagement de chaleur. Outre la difficulté à définir et à isoler ces différentes réactions, les chaleurs d’hydratation des espèces pures sont assez délicates à mesurer et la littérature ne fournit pas de valeurs précises.
la chaleur d’hydratation est la somme de l’enthalpie de formation et de la chaleur dégagée par l’absorption des molécules d’eau adsorbées.
On retiendra, pour les principaux constituants du clinker, les fourchettes suivantes (en joule par gramme de matière anhydre) :
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silicate tricalcique (C3S) 500 à 525 J/g ;
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silicate bicalcique (C2S) 250 à 270 J/g ;
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aluminate tricalcique (C3A) 1 000 à 1 200 J/g ;
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aluminoferrite tétracalcique (C4AF) 395 à 425 J/g.
La chaleur d’hydratation d’un ciment dépend donc de sa composition chimique. Compte tenu de ces valeurs et des fourchettes de composition, elle varie surtout avec la teneur en C3A. Dans les cimenteries, elle est estimée, systématiquement, au moyen d’un essai normalisé (l’essai à la bouteille de Langavant, figure 1), essai qui consiste à enregistrer, dans des conditions semi-adiabatiques, l’élévation en cours de prise de la température d’un mortier de composition fixée, avec un sable imposé. Cet essai, qui fournit des valeurs à 12 h et à 24 h, fiables et intéressantes sur le plan pratique, ne permet cependant pas d’obtenir les valeurs finales, car l’erreur due aux pertes thermiques de l’appareil devient très importante au bout de quelques jours, alors que les réactions d’hydratation sont loin d’être terminées. Les valeurs à 12 h et à 24 h dépendent à la fois de la chaleur totale et de la cinétique de la réaction, qui dépend elle-même de la composition chimique (car les différentes réactions d’hydratation n’ont pas la même énergie d’activation) et de la...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - ACKER (P.), ULM (F.J.) - Modélisation des ouvrages en béton soumis à des effets thermiques et/ou hydriques : in Emploi des éléments finis en Génie civil - La maîtrise de la modélisation des ouvrages. - Livre 2, Chap. 6, Hermès, Paris, 1996.
-
(2) - ACKER (P.) - Effets thermiques dans les bétons en cours de fabrication et applications aux ouvrages d’art : de nouveaux outils, pour une optimisation simultanée du coût et de la qualité. - Annales de l’ITBTP, n× 442, Série Béton 235, p. 61-77, fév. 1986.
-
(3) - ACKER (P.) - Comportement mécanique du béton : apports de l’approche physicochimique. - Rapport de recherche des LPC n× 152, Paris, 120 p., 1988.
-
(4) - BAMFORTH (P.B.) - Early-age thermal cracking in concrete. - Slough institute of concrete technology, Tech. n× TN/2, 1982.
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(5) - BASTIAN (G.), KHELIDJ (A.) - Propriétés thermophysiques d’un béton fraîchement coulé. - Bulletin...
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