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Retrouver ce document rédigé par Nathalie Pillon sur le portail national Physique-Chimie (Éduscol) 1/16 Le centre de recherche et développement auquel vous appartenez vient de synthétiser un nouvel adjuvant prometteur pour la formulation de mortiers hautes performances (HP), il s’agit d’un super plastifiant réducteur d’eau à base de polymère. Vous avez été missionné(e) pour effectuer les premiers essais comparatifs avec un adjuvant de l’ancienne génération. Votre travail consiste à optimiser la formule d’un mortier HP en utilisant le nouvel adjuvant pour une même ouvrabilité avec une quantité d’eau inférieure. Pour votre étude et la réponse aux questions posées vous disposez de documents fournis en annexe. Formulation des bétons Reiulf Ramstad, Selvika National Tourist Route Jiri Havran Retrouver ce document rédigé par Nathalie Pillon sur le portail national Physique-Chimie (Éduscol) 2/16 1) Quelle différence y-a-t-il entre béton et mortier ? 2) Quel est le rôle de l’eau dans la fabrication du béton ? 3) Pourquoi les particules de ciment restent agglomérées entre elles dans l’eau? 4) Quelles sont les formes prédominantes dans le mortiers frais du plastifiant et super plastifiant ? Entourer les parties anioniques des deux molécules de plastifiant et super plastifiant utilisées lorsqu’elles sont en solution dans le mortier frais. 5) Comment le plastifiant et le super plastifiant se fixent sur les particules de ciments ? 6) Quel effet physique supplémentaire permet au super plastifiant de fluidifier le ciment ? 7) Calcul de la formulation des échantillons à tester : Mortier 1 = premier échantillon avec Eeff/C = 0,45 et le plastifiant ancienne génération (plastiment 25) de densité dp = 1,180  0,030 et qui contient 38,5  1,9 % d’extrait sec. Mortier 2 à 6 = deuxième échantillon avec Eeff/C = 0,33 et le super plastifiant nouvelle génération en différentes concentrations. Ce super plastifiant a une densité dsp = 1,081  0,020 et contient 27,70  1,30 % d’extrait sec. Le sable utilisé provient de la carrière Vincent et a un coefficient d’absorption de WA24 = 1,3% Calculer la masse d’eau à apporter (Eapp) pour la formulation des mortiers 1 à 6. Ciment (g) CEM I 52,5 Sable sec (g) Eapp(g) adjuvant en % d’extrait sec sur le ciment Masse d’adjuvant à peser (g) Mortier 1 450 1350 0,9 (plastiment25) Mortier 2 450 1350 0,8 (super plastifiant) Mortier 3 450 1350 1,1 (super plastifiant) Mortier 4 450 1350 1,4 (super plastifiant) Mortier 5 450 1350 1,7 (super plastifiant) Mortier 6 450 1350 2 (super plastifiant) Retrouver ce document rédigé par Nathalie Pillon sur le portail national Physique-Chimie (Éduscol) 3/16 8) Protocole de formulation à suivre pour la fabrication du mortier : - Peser le ciment et le sable humide - Ajouter le sable au ciment et malaxer ce mélange anhydre pendant 5 mn jusqu’à ce que le mélange devienne homogène, - Peser l’eau de gâchage et le plastifiant puis verser le plastifiant dans l’eau, - Ajouter l’eau et l’adjuvant au ciment et sable puis mélanger pendant environ 5 minutes jusqu’à obtenir à nouveau un mélange homogène, - Filmer avant de démarrer les différents tests 9) Après chaque formulation vous devez réaliser une série de tests décrits ci-dessous et remplir la fiche jointe de résultats en page 13/13 : - Mesure de la viscosité à t = 10mn, 20, 30 et 40mn à 200 tr.mn-1 dans des conditions de température qui seront mesurées à l’aide du viscosimètre du laboratoire. Attention : pour les suivis rhéologiques, remettre le mortier dans le bol du malaxeur et le protéger de l’évaporation en attendant la prochaine mesure et malaxer 15 secondes avant la mesure. - Mesure du diamètre d’étalement avec la méthode du mortier de béton équivalent suivant la norme fournie dans le document 7. - A la séance suivante mesure du coefficient de pénétration capillaire B suivant la norme interne fournie sur le mortier sec dans le document 8. 10) Conclure quant à la formule la plus appropriée pour un mortier de sable HP. Retrouver ce document rédigé par Nathalie Pillon sur le portail national Physique-Chimie (Éduscol) 4/16 Document 1 : Composition du béton d’après http://www.infociments.fr Le béton est composé : - de ciment : poudre fine de silicate tricalcique ou alite (Ca3SiO5 ou C3S), de silicate bicalcique ou bélite (Ca2SiO4 ou C2S), d’aluminate tricalcique (Ca3Al2O6 ou C3A), et d’aluminoferrite tétracalcique (Ca4Al2O10Fe2 ou C4AF), de sulfate de calcium (CaSO4) - de granulats (sable ou gravillons) - d’eau - d’adjuvants divers Le ciment est le constituant principal du béton. Mélangé à l’eau il forme la pâte qui enrobe les granulats et comble le vide entre les différents granulats. La pâte devient une colle en durcissant. On dit que c’est un liant hydraulique. Le mélange du ciment à l’eau (gâchage) provoque des réactions chimiques complexes d’hydratation entre les particules de ciment et l’eau. Ces réactions provoquent la croissance de cristaux sur les grains de ciments et entrainent un raidissement croissant de la pâte. Elles provoquent aussi la libération d’ions OH- qui donne au ciment frais un pH basique de l’ordre de 13. Le dosage en eau est un facteur très important de la composition du béton, il est quantifié par le rapport Eeff/C (masse en eau efficace par rapport à celle du ciment) L’eau a deux rôles : l’hydratation du ciment avec la formation des cristaux et l’ouvrabilité (pompage, et mise en œuvre) du béton frais. Par exemple, avec un Eeff/C couramment utilisé (0,55) on estime que la moitié de l’eau de gâchage sert à l’hydratation du ciment, l’autre moitié est une eau de mouillage interstitielle qui contribue à la plasticité du béton requise pour sa mise en œuvre. Si la quantité d’eau est insuffisante, il subsiste des poches d’air entre les granulats et le béton devient poreux donc moins étanche, moins résistant au gel et moins durable. Si l’eau est excédentaire, il se forme des « vides d’eau » lors de l’évaporation de l’eau, c’est à dire une plus grande distance entre les agglomérats que les cristaux ont du mal à combler d’où une diminution forte de la résistance mécanique du béton. La teneur en eau est donc très importante et, pour faire face aux défis environnementaux, le développement de certains additifs appelés plastifiants ou super plastifiants, ont permis de diminuer le volume d’eau ajouté au ciment tout en gardant une grande fluidité permettant ainsi le développement des bétons hautes performances. Retrouver ce document rédigé par Nathalie Pillon sur le portail national Physique-Chimie (Éduscol) 5/16 Document 2 : calcul de la masse d’eau à apporter (Eapp) au ciment pour la formulation du mortier Cette masse d’eau dépend du type de sable, de la teneur en eau du sable et du coefficient d’absorption de l’eau par le sable. Le coefficient d’absorption de l’eau par le sable est donné par les fiches techniques du fournisseur et est noté WA24, il permet de déterminer la masse d’eau qui s’infiltre dans les pores des grains de sable par capillarité et qui ne participe pas à l’hydratation du ciment (humidité absorbée) La teneur en eau du sable (w) permet de déterminer la masse d’eau due à l’humidité ambiante du lieu de provenance et de stockage du granulat (humidité libre). Il faut le déterminer à chaque fois car cette masse d’eau va participer à l’hydratation du ciment. figure 1 (d’après febelcem) Formule de calcul de la masse l’eau à apporter Eapp : Eeff = Eapp + msablesec´(w – WA24) + Eadj msable est la masse du sable sec et Eadj est l’eau apportée par les adjuvants utilisés pour formuler le mortier. Détermination de la msablesec et de la teneur en eau du sable w : - tarer une poêle de diamètre de 30 cm environ, - y déposer une masse mh de sable fraichement prélevé don humide - agiter doucement pour faciliter le séchage - quand le sable paraît sec, laisser refroidir et peser une première fois - prolonger le séchage jusqu’à obtention de la masse constante msablesec (la masse est considérée comme constante lorsque deux pesées successives de l’échantillon espacées de quelques minutes ne différent pas de plus de 0,1% - la teneur en eau en pourcentage (w) a pour valeur : w = 100x((mh-msablesec)/msablesec) - la masse de sable sec msablesec = mh / (1+w) Retrouver ce document rédigé par Nathalie Pillon sur le portail national Physique-Chimie (Éduscol) 6/16 Document 3 : d’après http://www.febelcem.be/fileadmin/user_upload/dossiers- ciment-94-08/fr/40fr_01.pdf figure 2 La surface de chaque grain de ciment contient des charges électriques libres. Les charges opposées s’attirent mutuellement. Au contact de l’eau, les grains s’agglomèrent alors en floculats. L’eau de gâchage qui se trouve entre ces floculats sera toutefois emprisonnée (figure1) A partir de ce moment, elle ne contribuera plus à la fluidité de la pâte de ciment. L’ajout d’une quantité supplémentaire d’eau de gâchage sera nécessaire pour obtenir l’ouvrabilité souhaitée Document 4 : l’hydratation des bétons d’après le cours de Sandrine Gauffinet, professeure à l’Université de Bourgogne/Esirem Lorsque le ciment est mélangé à l’eau (gâchage) chacune des phases se dissout au moins partiellement conduisant à une solution sursaturée par rapport à différents hydrates qui vont alors précipiter. L’hydratation du C3S uploads/Ingenierie_Lourd/ exemple-activite-formulation-mortiers.pdf