cendres volantes

SCMs
Supplementary Cementing Materials
Conséquences
Gestion des déchets
industriels
Utilisation de moins
de ciment
Avantages
environnementaux
Ex.
Diminution de l’
autoéchauffement
+
Performances
améliorés
Amélioration
de la rhéologie
compacité
Amélioration
de la Durabilité
Les SCMs ne sont pas des
matériaux inertes, ils ont une action,
soit:
pouzzolanéique
• Réaction avec le CH,
hydroxyde de calcium pour
former plus de C-S-H
soit
Hydraulique
• Formation de plus d’hydrates
Comparaison
SiO2
Fumée
silice
Cendres
volantes
C
laitier
+ pouzzolanes naturels
Cendre de
cosse de riz
F
Metakaolin
Ciment
Portland
CaO
Al2O3
Note: disponibilité local
Les pouzzolanes:
Les volcans produisent des cendres riches en verre de
silice et alumine.
Les pouzzolanes:
Les Romains utilisaient
les cendres volcaniques,
du voisinage de pozzoli,
les pouzzolaneas
mélangés avec de la
chaux:
CH + S ⇒ C-S-H
Ces ciments ont eu les propriétés supérieures et étaient
utilisés dans les bâtiments montrants une bonne
durabilité comme le Pantheon.
Les pouzzolanes synthétiques:
Centrale d’électricité
thermale
carbone
Precipitators
Zone de
combustion
Taille moyenne
~ 50 μm
Cendres
Volantes
Utilisation dans les bétons
parmi d’autres applications.
Approx.
1500oC
Cendres volantes
Tout le matériel incombustible du carbone, forme les
gouttelettes de liquide, puis condense.
10 μm
Cendres Volantes
Particules avec la même finesse de ciment
Composition: 60 – 95% amorphe
Type F
basse teneur
en chaux
MgO
Type C
haute teneur
en chaux
CaO
MgO
Fe 2O3
Fe 2O3
CaO
Al2O3
SiO2
Al2O3
SiO2
Seulement
la partie
amorphe
est
réactive
anhyd
3%
pores
16%
other
4%
ett (AFt)
4%
C-S-H
48%
AFm
11%
Composition typique
d’une pâte de ciment
CH
14%
xCH + yS + zH → Cx SyHx + z
Cendre volante
xCH + yA + zH → Cx AyHx + z
Plus d'hydrates
moins de porosité
Résistance en
compression
Contenu
du CH
100%
ciment
+ 30%
cendre
volante
100%
ciment
+ 30%
cendre
volante
28j
age
28j
La réaction est assez lente. Elle commence après 3-7 jour
Elle a besoin d’humidité
La résistance d’un béton avec ~30% de cendres volantes
Dépasse celle d’un ciment avec 100% après ~28 jours
S’IL Y A UNE BONNE « CURE »
age
Utilisation
Substitution dans un béton pour
10 – 30 % du ciment
(attention e/c → e/l (liant) ou w/b (binder))
Avantages
• Amélioration de l’ouvrabilité (e/l ↓ pour même slump)
• Réduction de la chaleur d’hydratation
– Réduire le risque de fissuration thermique dans
les grandes masses
• Réduction de la porosité
– Augmentation de la résistance à terme
– Diminution de perméabilité
• Augmentation de la durabilité
• Réduction du risque de réaction alkali silicate
• Moins cher que le ciment
Diminution d’autoéchauffement
°C
50
Sans
cendres
volantes
40
30
avec
cendres
volantes
20
10
0
4
8
12
16
20
24
jours
Désavantages
• Efficacité des adjuvants, ex : entraîneurs d’air
– Fonction de charbon résiduel
• Importance d’une bonne « cure » augmente
EFFECT OF CURING ON STRENGTH AND
CARBONATION LIFE CYCLE,
50 MPa Concrete
% 28 days ponding cure
100
90
80
70
60
Strength
Life Cycle
-35
yrs.
50
40
30
20
10
0
-58
yrs.
-76
yrs.
Spray-3 days
Spray-6 days
Ponding-6 days
Fumée de silice:
sous produit de production des alliages de silicone
Fidjestol & Lewis, 1998
4SiO + 2O2 → 4SiO2
4SiO + 2CO
oC
1800
SiO2 + C
Si metal
Silica Fume
SiO2
Verre de silice (90 – 99.9% SiO2)
• Agglomérats de
particules très fines
~100 nm
• Surface spécifique:
~15000m2/kg
(cf. 350 m2/kg ciment)
• Réactif
(similaire au ciment)
• Réduction de CH
par réaction
pouzzolaneique
Ciment seul
Granulat
Avec fumée silice
Granulat
Microfilerisation
Amélioration
de l’interface
entre
granulats
et pâte
de ciment
Utilisation
Substitution dans un béton pour
5 - 15 % de ciment
Avantages
• Réduction du ressuage et de la ségrégation
• Forte Réduction de la porosité
– Augmentation de la résistance
– Diminution de la perméabilité
• Augmentation de la durabilité
• Amélioration de la liaison entre pâte et granulat.
• Composant utilisé dans la plupart des bétons de
haute performance
Désavantages
• Ouvrabilité, il faut utiliser des superplastifiants
• Il faut bien malaxer pour casser les agglomérats
• Augmentation du retrait possible
• Cher (~2-5 x cout ciment)
Ouvrabilité
Témoin
Cendres
Volantes
Fumée
Silice
Fumée
Silice +
Cendres
Volantes
Laitier du haut fourneau
Minerai
de Fer
Fe2O3
SiO2
Al2O3
Flux
CaCO3
MgCO3
Burden
Laitier
Fabrication
d’acier
Fonte (Fe)
Fuel
Coke, C
Laitier refroidi
à l’air
(granulat)
Expanded slag
(lightweight agg)
Granulated or
pelletized slag
(cement)
Composition 80-100% amorphe
Dû a sa forte teneur en
CaO le laitier n’est pas un
pouzzolane
MgO
Fe2O3
Al2O3
CaO
Il est lentement
hydraulique
(réagit avec l’eau pour former
des hydrates similaires au
ciment)
SiO2
La vitesse de réaction est
augmentée (activée) par
chaux ou alcalis
Donc ciment
Utilisation
Substitution dans un béton pour
30 - 70 % du ciment
Avantages
• Réduction de la chaleur d’hydratation modérée
– Réduire le risque de fissuration thermique dans
les grandes masses
• Réduction de la porosité
– Augmentation de la résistance à terme
– Diminution de la perméabilité
• Augmentation de la durabilité
• Réaction des aluminates avec les ions chlore
– Réduction de la corrosion des armatures
Désavantages
• Sensibilité à une bonne « cure »
• Augmentation du retrait possible
Comparaison
SiO2
Fumée
silice
Cendres
volantes
C
laitier
+ pouzzolanes naturels
Cendre de
cosse de riz
F
Metakaolin
Ciment
Portland
CaO
Al2O3
Note: disponibilité local
Classification des principaux types de ciments
selon ENV 197-1: ciment pré-melangé en usine
Composition en % massique
Désignation
Type
I
II
Ciment
Notation
Principaux
Clinker
Ajout
Secondaire
Portland
I
95-100
0
0-5
Portland
au laitier
II / A-S
II / B-S
80-94
65-79
6-20
21-35
0-5
0-5
Portland
à la F.S.
Portland
au calcaire
II / A-D
90-94
6-10
0-5
II / A-L
II / B-L
80-94
65-79
6-20
21-35
0-5
0-5
... etc
III
Ciment
de haut
fourneau
III / A
III / B
III / C
35-64
20-34
5-19
36-65
66-80
81-95
0-5
0-5
0-5
IV
Ciment
pouzzolanique
IV / A
IV / B
65-89
45-64
11-35
36-55
0-5
0-5
V
Ciment
composé (*)
V/A
V/B
40-64
20-39
36-60
61-80
0-5
0-5
EXEMPLES d’ UTILISATION
Viaduct au Cameroon utilisation de ciment avec fumée de silice
importé du Canada – pour amelioration d’étanchéité
Confederation bridge, Canada: ciment+FS pré-mélangé +cendres
volantes ajoutées à stage de fabrication du béton – pour augmenter la
durabilité, améliorer pompabilité, réduire chaleur, meilleur résistance.
+ ice load
Causeway en Floride – Cendres volantes utilisées pour augmenter
résistance à la pénétration des ions chlore.
Barrage au Canada – Cendres Volantes (Type F) pour minimiser risque
d’expansion par réaction alcali granulats (ASR)
Voutre pour tunnel –ciment avec FS pré-melangé plus laitier, pour
réduire pénétration des ions chlore.
Adjuvants:
ajouts liquide ~ quelque %
Conséquences
• Performances améliorées
• Compensation des déficiences
• NOTE: en général très coûteux
Adjuvants
• Entraîneurs d’air
• Plastifiants (plasticisers) – réducteurs d’eau
• Superplastifiants –(superplastifiants
high range water reducers)
• Retardateurs
• Accélérateurs
• Inhibition de corrosion (des armatures)
• Réduction du retrait
Superplastifiants
Fluidification
OU
Réduction de e/c
(augmentation de
résistance)
OU
réduction du contenu
du ciment
Ex: lignosulfonates
HO
O
CH2
H
C
C
C
H
SO3H
O
Le groupe polaire anionique rend le
ciment hydrophile et conduit à la
répulsion des forces entre les
grains
Chaîne polaire absorbée, à
l’interface de l’eau
solidifiée
+ -
CH2OH
Répétition du
module d’une
molécule de
lignosulfonate
-
Répulsion
Ciment flocculé
-
+
-
+
-
-
-
+ +
+
-
+
- +
-
+
Dispersant
+
(plasticizer)
+
L’eau immobilisé en masse
n’est pas disponible
pour lubrifier la pâte
L’eau libéré par
la lubrification amène
à réduire la viscosité
Micrographie des grains de
ciment en suspension dans
l’eau
Pas d’adjuvant →
Avec HRWA →
From Lea, 1998
Perte de slump
From Neville, 1995
E/C = 0.58
Pas d’ajuvant
E/C = 0.47
Avec superplastifiant
L’effet des SPs est limité
dans le temps. Ils sont
absorbés dans les produits
d’hydratation des aluminates.
La vitesse de perte
d’efficacité dépend de:
• C3A, SO3, alcali
• la température
• la finesse
On peut minimiser cette
perte par addition
d ’adjuvant sur chantier, au
lieu de le faire pendant le
malaxage
Utilisation de SP + retardateur
From Neville, 1995
E/C = 0.58
Pas d’ajuvant
E/C = 0.47
Avec superplastifiant
Utilisation des accélérateurs
Modification des propriétés du béton,
particulièrement en temps froid
• Pour avancer les opérations de finition et si
nécessaire l’application d’isolation.
• Réduire le temps pendant lequel il faut faire une
« cure » et protéger.
• Augmenter la vitesse de durcissement pour le
décoffrage et la mise en service.
Accélérateurs pour le ciment
• Le plus connu est le chlorure de calcium, CaCl2
mais celui-ci promouvoit la corrosion des
armatures.
• Accélérateurs sans chlore:
formate de calcium, nitrate de calcium, etc.
Effet de CaCl2 sur le
Effet de CaCl2 sur le
développement de la résistance
temps de prise du ciment pour différentes températures
Retardateurs
• Compense les effets de haute température.
• Quand il y a besoin de prolonger la période
avant la prise, ex: grande structures; pompage
ATTENTION:
Un retardateur très efficace
pour le béton est le sucre
Les sels de métaux lourds (ex. Pb, Zn, Sn)
ont aussi une action retardatrice
prolongée et difficile à contrôler
Retardateurs pratiques
•
poly acides organique ou ses sels:
– Acide gluconate
– gluconate de soude
– Acide tartrique
– Tartrate de soude
• Formation de produits bloquants sur la surface
des grains.
• En fort dosage; possibilité de désactiver le
béton pendant 2-3 mois.
• Réactivation sur chantier.
• Lancement des produits, béton prêt à l’emploi.
Nouvelles tendances des bétons
Les développements récents dans la
technologie des bétons dépendent
de l ’utilisation des adjuvants et
SCMs
Bétons à haute
résistance /
Performance
BHP ou HPC
High performance
Concretes
Bétons autoplacants /
Autocompactant
BAP ou SCC
Self compacting
concretes
Bétons à haute résistance
Définition
Résistances:
> 42 MPa (6000psi) définition ACI
> 70 MPa (10,000psi)
jusqu’à 140+ MPa possible
W/C < 0.35
Pourquoi?
• Gratte-ciel:
– Colonnes plus mince pour les étages bas –
jusqu’à 30% d’espace en plus.
– Construction plus rapide (haute résistance à
jeune âge).
– Réduction des coûts – moins d’acier,
construction plus rapide.
• Ponts, etc
– résistance (à court et long terme)
– durabilité
– étanchéité
Les Grattes-ciel
1966-67, Lake Point Tower, Chicago
52 MPa (7500 psi), 70 étages, un tous les 3
jours.
1976, Water Tower, Chicago
62 MPa (9000 psi), 76 étages,
à l’époque le plus haut bâtiment en béton
renforcé.
Two Union Square, Seattle
131 MPa (19000 psi) la plus haute résistance
pour des applications commerciales.
Design Concrete Strength (MPa)
70
60
50
40
30
20
1900
80
1910
90
1920
Adapted from Concrete Canada
1930
1940
1950
Année
10
0
1960
1970
Columbia Center, Seattle
Gulfacks C Platform
Scotia Plaza, Toronto
Bay Adelaide Project, Toronto
CN Tower, Toronto
Early N. Sea Platform
Lake Point Tower, Chicago
Dallas Apartment Buildings
Islington Ave. Bridge, Toronto
Walnut Lane Bridge, Pa
German Autobahn Bridges
Sir Adam Beck G.S., Niagara Falls
Pelham Parkway Bridge, NY
Ingals Building,Cincinatti
Evolution de BHR
100
1980
1990
Premier brevet US par
réduction d’eau et par
utilisation des
polycondensateurs de
naphthalene sulfonate
0
1950
Potentiel
d’utilisation
de fumée silice
reportée
1960
1970
1980
Utilisation
de FS en
Scandinavie
Scotia Plaza, Toronto
Columbia Center
Seattle
CN Tower
Toronto
20
Early North
Sea Platform
*
Dallas Aptmt.
Buildings
40
Lake Point Tower,
Chicago
60
Gulfacks C Platform
80
Bay Adelaide Project, Toronto
100
Islington Ave.
Bridge, Toronto
Résistance en compression
specifier (MPa)
1938
SPs arrive sur le
marché d ’Amérique
du Nord
1èr utilisation des
Début d ’utilisation
superplastifiants
des SP pour la
En Allemagne et au Japon
réduction de l ’eau
1990
Introduction
de FS en
Amerique du
Nord
Comment?
• E/C plus bas
SPs
• Granulat haute résistance
• Amélioration de ITZ
(zone de transition interfaciale)
• Compacité:
– Fillers
– Granulométrie des granulats
FS
FS
Limitations
• Besoin pour les codes plus sophistiqués
• Fragile – rupture catastrophique
• Dans le feu, dégradation explosive
• Formulation souvent pointue
– Sensible aux fluctuations de la température
– Interactions du ciment – SP
• Sensible au retrait et à la fissuration endogène
(autodessication)
UHPFRC
Ultra High Performance,
Fibre Reinforced Concretes
Reactive powder
Concretes
ICCC 2007, Montreal
® registered trade name of Lafarge, Bougyes, Rhodia
example
®
Flexural strength
ICCC 2007, Montreal
Beams of comparable
load bearing capacity
STEEL
117 kg
REINFORCED
CONCRETE
530 kg
PRESTRESSED
« DUCTAL »
CONCRETE
140 kg
467 kg
ICCC 2007, Montreal
Seonyu Footbridge in Seoul, Korea
Arch span
120 m
Deck
Thickness
30 mm
ICCC 2007, Montreal
Cost adapted applications
New edge barrier in
prefabricated UHPFRC
existing edge barrier
rehabilitated in UHPFRC
3cm layer UHPFRC, then covered with
bitumen
New beam in prefabricated reinforced concrete
•
Widening and renovating
bridge in Switerland:
•
Laboratory MCS-EPFL
Professor Brühwiler:
Rehabilitation and widening bridge
• October / November 2004
Extra cost ~12%
June
2006
ICCC 2007, Montreal
Béton autoplacant
• Une mise en œuvre à la pompe, avec
un tuyau manuportable
• Construction plus rapide
• Moins de personel
• Pas de vibration, moins de bruits
• Très bon remplissage des voiles
• Parements soignés
Sols chauffants
Sols industriels
Self-Compacting Concrete
z
autonivelant
z
pas de ségrégation
coule dans le coffrage et autour des
renforcements
z
z
pas besoin de vibrations
Comment
• Augmentation du contenu en ciment
+ SCMs (cendres volantes)
– Espacement des granulats
• Utilisation des superplastifiants
• Utilisation des épaississants pour éviter la
ségrégation
Self compacting:
Figures: Vernet, MRS bulletin May 2004
Increase paste fraction
– allows aggregates to move past each other:
Fillers: limestone, fly ash
Essais pour le béton de compactage
V-Flow
(V-coulé)
U-Flow Filling
(U-coulé en remplissant)
Coulé (et tassement) dans les éléments en masse renforcés