I - Les caractéristiques mécaniques des ciments : (NF EN 196-1)

S.T.S Bâtiment LABORATOIRE CESSA - TP N° 8

Caractéristiques physiques et mécaniques des ciments

Principe

Les caractéristiques mécaniques des ciments permettent de connaître la classe d’un ciment. Elles sont évaluées à partir d’essais en compression sur des éprouvettes prismatiques de dimensions 4x4x16.

Les caractéristiques physiques des ciments permettent de connaître l’arrangement des grains de ciment, leur finesse, leur compacité et leur surface massique. Elles sont évaluées à partir d’essais de masses volumiques apparente et absolue et d’essais de finesse Blaine.

⌦ Intérêt en Génie Civil

La mesure de ces caractéristiques sert à :

• formuler un béton. masses volumiques ; classe vraie

• contrôler la qualité des ciments. finesse Blaine ; classe vraie ; masses volumiques

• à connaître la cinétique des réactions chimiques eau-ciment qui est proportionnelle à l’étendue des surfaces solide-fluide. finesse Blaine

• caractériser la différence de comportement en traction et en compression des ciments. classe vraie.

I - Les caractéristiques mécaniques des ciments : (NF EN 196-1)

Matériel nécessaire

Essai de traction par flexion : - presse de traction.

- appareillage de rupture en traction par flexion des 4x4x16.

- balance.

Essai de compression : - presse de traction.

- appareillage de rupture en compression des 4x4x16.

Matériaux utilisés : -

- 3 éprouvettes 4x4x16 fabriquées lors de la 1^ère série de travaux pratiques.

1-L’essai de traction par flexion :

Etude la norme NF EN 196-1

Répondre aux questions sur le compte rendu de TP :

• L’essai de rupture en traction par flexion est-il obligatoire ? Quel est son rôle ? (art. 9-1).

• Quelle est la méthode à adopter pour rompre les éprouvettes en traction ? (art. 9-1 et 4-7).

• Quelle doit-être la vitesse de chargement(art. 9-2).

• Comment se calcule la contrainte de rupture en traction par flexion ? (art. 9-2).

• Quels sont donc les paramètres à mesurer ?

• Quelles sont les faces de l’éprouvettes à mettre au contact des rouleaux ? (art. 9-2).

Mode opératoire :

L’essai de rupture en traction par flexion (présence de l’enseignant obligatoire) :

• Prendre 3 éprouvettes dans la salle de stockage(hall d’essais), puis peser les 3 éprouvettes.

• Mettre l’appareillage de rupture en traction par flexion en place sur la presse.

• Placer l’éprouvette au contact des appuis en respectant la norme.

• Appeler le professeur (

ne pas manipuler seuls pour le premier essai

• Réaliser l’essai de rupture en traction par flexion.

• Noter la valeur de la force de rupture en traction par flexion.

• Récupérer les 2 demi – prismes pour l’essai de compression.

• Reprendre l’essai pour les 2 autres éprouvettes 4x4x16.

• Nettoyer soigneusement la presse.

Calculs - Résultats – Questions :

• Faire un tableau récapitulatif des résultats (masse, force et contrainte de rupture en traction par flexion).

Conclusion.

• Calculer la moyenne des contraintes de traction par flexion : σtf.

• A partir de la RdM, retrouver la formule du calcul de la contrainte de traction par flexion donnée par la norme à l’article 9.2.

2-L’essai de compression :

Etude la norme NF EN 196-1 :

Répondre aux questions sur le compte rendu de TP :

• Comment doit être placé le demi – prisme dans l’appareillage de compression ? (art. 9-3).

• Quelle doit être la vitesse d’application des charges?

• Quelle doit être la formule à utiliser pour calculer les contraintes ?

Mode opératoire :

L’essai de rupture en compression (présence de l’enseignant obligatoire:

• Mettre l’appareillage de rupture en compression en place sur la presse.

• Placer le 1^er demi - prisme au contact des appuis en respectant la norme.

• Appeler le professeur (ne pas manipuler seuls pour le premier essai).

• Réaliser l’essai de rupture en compression.

• Noter la valeur de la force de rupture en compression.

• Reprendre l’essai pour les 5 autres demi - prismes.

• Observer le type de rupture.

• Nettoyer soigneusement la presse et déposer les éprouvettes dans la benne extérieure.

Calculs - Résultats – Questions :

• Faire un tableau récapitulatif des résultats (masse, force et contrainte de rupture en traction par flexion et en compression). Conclusion.

• Calculer la moyenne ( σ’c ) des résultats obtenus pour les 8 demi – prismes (art. 10.2 et 10.3) .

• Calculer l’écart type

• Calculer le rapport σ’c / σtf . Conclusion.

1 )

1

2

−

=

∑ ₌

x xi s

n

Μ

i

Nous allons maintenant étudier la conformité du ciment par rapport à la prescription de résistance à la compression. (art. 10-1 et 10-6)

• σ’c = classe vraie + k s

⇒ σ’c = classe vraie + k V σ’c / 100 06

. 0 100

' * =V = c

s σ

classe vraie =

σ

avec : *V = 6 ⇒ différence entre 2 résultats d’essais correspondants obtenus dans différents laboratoire < 15%

* pour p = 5% ⇒ k = 1.64

• Comparer l’écart type que vous avez obtenu avec l’écart type théorique ( V * σ’c ). Conclusion.

• Calculer la classe vraie de votre ciment.

• En déduire la classe commerciale ( voir cours de matériaux).

• Comparer la classe commerciale ci-dessus avec celle inscrite sur la sac de ciment que vous avez utilisé pour fabriquer vos 4x4x16. Conclusion.

II - Les caractéristiques physiques des ciments :

Essai de masse volumique apparente : - récipient calibré de 1 litre + règle à araser.

- Cône de mise en place.

- balance.

Essai de masse volumique absolue : - Densimètre ‘’Le Chatelier ‘’

- balance.

Essai de surface massique : - Appareil de Blaine.

- Chronomètre.

- balance.

- disques de papier filtre.

Matériaux utilisés : - Ciment CPJ – CEM II/B 32,5.

- White spirit.

1-Les masses volumiques : Rappels :

Soit un volume (V) de ciment

⇒

V = Va + Vs

avec : Va : Volume des vides : air Vs : volume de la phase solide.

La masse totale (m) se décompose en :

⇒

m = ma + ms

avec : ma : Masse des vides ≈ 0 ms : Masse de la phase solide.

On définit alors :

La masse volumique apparente :

L’unité S.I. est le kg/m3

La masse volumique absolue:

La porosité :

La compacité :

V

d

Vs

s

V n=Va

V n c=Vs =1−

Mode opératoire :

La préparation de l’échantillon :

• Passer l’échantillon de ciment dans un tamis de 1 mm afin d’éliminer grumeaux et résidus accidentels de broyage.

1.1- La masse volumique apparente :

On utilise un entonnoir porté par un trépied, muni d’une passoire et d’un opercule mobile, placé au-dessus d’un récipient calibré.

Règle à araser

Passoire

Opercule

• Placer l’entonnoir au-dessus du centre du récipient calibré. Fermer l’opercule.

• Verser une petite quantité de ciment sur la passoire et la faire descendre dans l’entonnoir à l’aide de la spatule.

• Ouvrir l’opercule et refermer quand l’entonnoir est vide.

• Recommencer jusqu’à ce qu’il y ait débordement.

• Araser à la règle.

• Mesurer la masse du ciment contenu dans le récipient (attention à la tare !) et noter la valeur.

• Reprendre l’essai 3 fois.

1.2 - La masse volumique absolue :

La détermination de Ms ne présente aucune difficulté. Par contre, celle de Vs s’avère plus compliquée et elle doit faire appel à des méthodes de mesure indirecte. ( pycnomètre, pesée à la balance hydrostatique, voluménomètre Le Chatelier).

La méthode du voluménomètre (ou densimètre) Le Chatelier est la plus pratique et c’est celle que nous utiliserons.

Il s’agit d’un récipient composé d’un ballon surmonté d’un renflement ( de 20 cm3 environ) puis d’un col étroit gradué.

Précautions recommandées : -Pour info : Il faudrait

normalement opérer dans un bain thermostatique à 20°C±0.2°C.’’

- Effectuer au moins 2 mesures.

1

2 1

2 V

V M

s= M −−

ρ

Zéro Volumes depuis le zéro en 1/10 cm3

V2

V1

M M2 M1

• Introduire le White spirit jusqu’en V1 voisin de 0. Noter V1.

• Peser le tout M1.

• Introduire le ciment (env. 60 g). Chasser les bulles d’air. Noter V2.

• Peser le tout : M2.

• Reprendre l’essai (effectuer au moins 2 mesures)

Calculs - Résultats – Questions :

• Déterminer la masse volumique apparente moyenne du ciment

• Déterminer la masse volumique absolue moyenne du ciment

• Comparer aux ordres de grandeur usuels. Conclusion (voir cours de matériaux)

• En déduire la compacité et la porosité. Conclusion par rapport aux résultats obtenus avec les granulats

2-La surface massique : Définitions – buts :

On appelle surface massique ou spécifique d’une poudre, la surface (exprimée en cm²) d’un gramme de cette poudre dont tous les grains seraient développés.

La surface massique des poudres est très variable : 2500 cm²/g < Sm < 4500 cm²/g pour les ciments courants et 1000 m²/g pour les argiles les plus fines !

La surface massique d’un ciment est un élément de contrôle de fabrication ; elle conditionne par exemple la durée et les moyens de broyage.

D’autre part, on sait que les phénomènes de prise des ciments sont d’abord des phénomènes superficiels : c’est la surface des grains de ciment qui s’hydrate la première et le degré d’hydratation est lié à cette surface.

On distingue 3 sortes de surface spécifiques :

• la surface spécifique théorique facilement calculable lorsque les particules sont constituées de volumes simples.

• la surface spécifique réelle qui n’est pas calculable lorsque les particules sont irrégulières.

• la surface spécifique pratique qui représente une fraction de la surface réelle et qui est mesurée par des techniques simples.

Nous ne nous intéresserons dans ce TP qu’à la méthode de Blaine. (NF EN 196-6) Principe :

La surface massique est d’autant plus grande que les grains sont plus petits.

Par ailleurs, la vitesse d’écoulement d’un fluide (air pour l’appareillage de Blaine) à travers un corps granulaire est d’autant plus faible que les grains qui composent ce corps sont fins.

Il « suffit » donc de mesurer la vitesse d’écoulement de ce fluide à travers un lit de poudre de matériau.

Mode opératoire :

La méthode consiste à aspirer l’air au travers de la couche de poudre par l’intermédiaire d’une poire en caoutchouc et d’un manomètre et de mesurer le débit d’air susceptible de passer dans la poudre amenée à une compacité fixée.

Principe :Le ciment est placé dans une cellule dont le volume est limité par un piston enlevé pendant l’essai.

Poire aspirante

4 traits repères

1 2

3 4

Manomètre en U

Robinet Bouchon rodé

Cellule Ciment

Papier filtre

Piston

Grille métallique

Cellule : tube métallique dont le volume est limité par :

*à la partie supérieure : par un piston.

*à la partie inférieure : par une grille avec 20 trous de diam.1 mm.

Les mesures préliminaires :

Détermination de la masse m de l’échantillon à placer dans la cellule.

La vitesse d’écoulement de l’air à travers le ciment dépend du degré de tassement de ce ciment dans la

cellule , donc de la quantité de ciment introduite. Cet état de tassement est caractérisé par la porosité : n = Va /V

Si V est le volume de la cellule ⇒ V = volume apparent.⇒ Va = n . V Vous prendrez : V = 1,874 cm³

Donc : m = ρs . V . ( 1 – n )

On opère à porosité (n ou e) constante avec n = 0,50 ⇒ m = 0,50 . ρs . V Il reste à déterminer ρs et V est proposé :

ρs est déterminée lors de la manipulation sur la masse volumique absolue dans ce TP.

V a été déterminé à l’aide de mercure :

(Méthodologie schéma de principe)

( 1 2)

Hg

P P

V ρ

= −

Grille perforée

Ciment

Plaque plane en verre

MERCURE P2

2 Papiers filtre

Grille perforée Plaque plane en verre

2 Papiers filtre MERCURE

V= 1,874 cm³ P1

ρHg est donnée en annexe de la norme NF EN 196-6 en fonction de la température.

Méthodologie : Pour la mesure de la vitesse d’écoulement de l’air à travers la couche de ciment :

Etape 1 : Placer la grille plus une rondelle de papier filtre, plus la quantité de ciment (m)calculée. Ajouter une deuxième rondelle de papier filtre.

Etape 2 : Tasser et ôter le piston.

Etape 3 : Vérifier le niveau du liquide (repère 4).

Etape 4 : Placer la cellule sur l’ajutage et s’assurer de l’étanchéité de l’ensemble.

-A partir de l’étape 4 demandez l’assistance d’un enseignant Etape 5 : Aspirer le liquide jusqu’au repère 1 et fermer le robinet.

Etape 6 : L’air traverse alors le ciment. Chronométrer au 1/5 ème de seconde près, le temps ( t )mis par le niveau du liquide pour passer du repère 2 au repère 3.

Etape 7 : Noter la température : en déduire la valeur de la viscosité de l’air, à partir des annexes de la norme NF EN 196-6.

Etape 8 : En déduire la surface massique :

g cm t en

n n

Sm K ²/

. 1 , 0 1 .

.

3

ρ − η

=

avec : K : constante de l ‘appareil = 15.

η : la viscosité de l’air en P.a.s. (voir affiche salle de TP) t : le temps écoulé en s.

ρ : la masse volumique du ciment en g/cm3.

n : la porosité du ciment = 0,5

Etape 9 : Refaire l’essai 3 fois consécutivement.

Calculs - Résultats – Questions :

• Déterminer la surface massique par la méthode de Blaine pour le ciment proposé.

• Analyser ce résultat par rapport aux indications des normes sur les ciments (voir cours de matériaux).