La pâte de ciment est
composée principalement de ciment (C) et d’eau (E). Soit E et C les concentrations (en masse)
d’eau et de ciment pour un volume unité de pâte. Dès que l’on mélange le ciment avec l’eau,
l’hydratation va commencer et les propriétés de la pâte sont évolutives dans le temps.
Tant que cette hydratation n’est pas trop avancée, la pâte reste plus ou moins malléable, ce qui
permet de lui faire épouser par moulage la forme désirée. Mais après un certain temps les cristaux
d’hydrates prenant de plus en plus d’importance, le mélange se raidit, on dit qu’il fait prise, et le
matériau commence alors à s’apparenter plus à un solide qu’à un fluide.
La pâte de ciment joue un
rôle très important pour solidariser les squelettes granulaires du béton. Elle est un des facteurs
influençant la qualité, le prix et les propriétés mécaniques du béton. En général, la pâte pure de
ciment est pratiquement peu utilisée et même pour déterminer la classe de la résistance des ciments,
on mesure à travers des mortiers. Bien souvent, un ou plusieurs adjuvants sont
également associés au ciment pour influer sur les qualités de la pâte. En outre, les divers ajouts jouent un grand
rôle pour modifier les propriétés selon leurs domaines d'emploi. Ce type de
pâtes s'appelle aussi les coulis.
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Les constituants des pâtes et des coulis de ciment |
Les coulis de ciment sont des
mélanges fluides de:
- Ciment (ou autre liant);
- Eau;
- Adjuvants et ajouts divers (éventuellement).
Les coulis sont différents
les uns des autres, suivant:
- La nature du ciment: normalisé des CPA au CLK; spéciaux;
- La quantité d’eau (le rapport de E/C est souvent compris entre 0,5 et 5):
- La présence de certains adjuvants:
- rétention d’eau;
- fluidifiant;
- retardateur de prise;
- rigidifiant;
- accélérateur de prise;
- expansifs;
- L’ajout de certaines substances:
- argile, bentonite;
- kieselguhr, silice fine;
- cendres volantes, fillers, laitier en poudre;
- chaux;
- sable fin (0/1 mm).
- L’énergie de malaxage.
Dans chaque cas, on étudiera
une formule de coulis tenant compte du but recherché: c’est-à-dire que pour sa mise au point
l’aide du laboratoire est pratiquement indispensable.
Les exigences quant aux
coulis porteront suivant les cas, sur:
- les propriétés rhéologique (fluidité, ressuage);
- les temps de prise (à la température du chantier);
- l'évolution des résistances mécaniques;
et parfois sur:
- la résistance au milieu environnant;
- la densité;
- la perméabilité, l'absorption capillaire;
- le retrait et gonflement.
Dans tous les cas, les coulis
devront être stables, homogènes et conserver ces propriétés pendant
l’injection (ils sont en
général mis en oeuvre par injection).
Les
principales applications
- travaux souterrains:
- comblement de carrières;
- remplissage de grosses cavités;
- injection dans les failles et les grosses fissures des roches fissurées;
- injection dans des sols pulvérulents (consolidation); préfabriqués, parois moulées;
- parois aux coulis auto-durcissant et panneaux;
- calage de voussoirs préfabriqués (dans la réalisation de tunnels).
- voile d’étanchéité dans le sol (cas des barrages)
- injection dans un squelette de granulats mis en place au préalable;
- scellement de tirants d’ancrage;
- scellement et calage de machines;
- consolidation de dalles (support);
- réalisation de sols semi-rigides;
- régénération de maçonneries et joints divers;
- injection dans le cas de puits de pétrole;
- injection de gaine du béton précontraint.
Les caractéristiques
principales de la pâte de ciment sont:
- la consistance (fluidité)
- les temps de prises (début et fin de prises),
- la stabilité, etc..
La consistance
La consistance de la pâte
de ciment est sa plus ou moins grande fluidité. C'est une caractéristique qui évolue au cours du temps.
Pour pouvoir étudier l'évolution de la consistance en fonction
des différents paramètres, il
faut pouvoir partir d'une consistance qui soit la même pour toutes les pâtes étudiées. La consistance dite "consistance normalisée"
peut être déterminée par l'essai en utilisant un appareil qui
s'appelle "Vicat"
La distance ( d ) caractérise
l’aptitude de la consistance de la pâte étudiée.
- Si ( d ) = 6mm ± 1mm, on dit que la consistance de la pâte étudiée est normalisée, (Consistance normalisée ).
- Si ( d ) n’atteint pas cette valeur ( c.a.d. d > 7 mm ou d < 5mm ), il convient de refaire l’essai avec une valeur différente du rapport E/C jusqu’à atteindre la valeur recherchée de la consistance.
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Appareil de Vicat muni de sa sonde |
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Evolution de la consistance d’une pâte de ciment en fonction de E/C (Eau/Ciment) |
Le graphique ci-
dessous présente la composition volumique d'une pâte de ciment en fonction de E/C. Dans ce
mélange, il existe trois parties: ciment, eau et air. On constate que le rapport E/C de 0,18 au-delà
duquel l'augmentation du dosage en eau permet la fluidification du mélange correspond à une pâte
à l'intérieur de laquelle il n'y a plus que très peu d'air occlus.
C'est d'ailleurs pour des
valeurs de E/C supérieures à cette limite que le mélange a réellement
l'aspect d'une pâte;
auparavant il a plutôt l'aspect d'une poudre donc la cohésion croît quand le
dosage en eau augmente.
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| Composition volumique d’une pâte de ciment en fonction de E/C |
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Grains de ciment reliés entre eux par des ménisques capillaires |
En effet, la présence d'air
et d'eau dans la pâte conduit à l'apparition de ménisques capillaires
qui solidarisent les grains de ciment entre eux (fig 4.5). En l'absence d'eau
(E/C = 0), il n'y a pas de tels ménisques; en absence d'air (dans l'essai
considéré pour E/C ≈0,2) il y en a plus; entre ces deux valeurs extrêmes de E/C la
cohésion passe par un maximum pour E/C ≈0,18 qui correspond à l'influence
maximum des forces de capillarité. Pour E/C > 0,18, l'augmentation de la quantité d'eau contribue à
éloigner les grains de ciment les uns des autres et donc à fluidifier le mélange.
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Influence de la nature de ciment et des adjuvants sur la consistance normalisée |
Caractéristiques
de fluidité (Norme NF P 18-358)
En général, les pâtes de
ciment entrant dans la composition des mortiers ou des bétons ont des consistances beaucoup
plus fluides et donc des dosages en eau plus importants. Quant aux pâtes qui sont utilisées pures pour
l’injection des câbles de précontrainte, elles sont encore plus fluides et appelées coulis. Pour
tester la consistance de ces coulis, on utilise alors un autre
appareillage: le cône d’écoulement.
Un coulis trop épais mettra
plus de temps pour pénétrer dans la gaine et parcourir toute la longueur; de plus la pression
d’injection à exercer risque d’être plus élevée. Un coulis trop fluide risque de s'agréger (ressuage important).
La fluidité se mesure habituellement à l’aide d’un cône de Marsh de 1875 cm3. On
chronomètre le temps mis par un litre de coulis pour passer au travers d’un ajutage calibré (orifice
10 mm de diamètre et 60 mm de longueur). Plus l’écoulement sera rapide et plus le coulis sera
réputé être fluide.
L’essai s’effectue sur 3 échantillons. Si t0 est l’instant d’achèvement de la
confection du coulis, les mesures de fluidité se font à: t0 ; t0 + 15 minutes et t0 + 30
minutes, (on malaxe que 30 secondes le coulis qui est protégé pendant son attente de toute
évaporation).
Le temps d’écoulement doit
être inférieur à 25 secondes et se maintenir constant pendant les 15
minutes qui suivent la fabrication du coulis.
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Dimension du cône de Marsh (cône d’écoulement) |
Caractéristiques
de stabilité (Norme NF P 18-359)
L’essai consiste à mesurer la
quantité d’eau qui ressue à la surface du coulis hydraulique laissé au repos et à l’abri de toute
évaporation.
L’exsudation du coulis doit
être réduite. La mesure s’effectue à l’aide d’une éprouvette en verre de 25 mm de diamètre, de 25
mm de hauteur, que l’on remplit jusqu’à une graduation comprise entre 95 et 100. Cette
éprouvette est recouverte afin d’éviter toute évaporation. Les directives actuelles précisent que, dans
ces conditions, la quantité d’eau exsudée à la surface du coulis, maintenue au repos pendant
trois heures, ne devra pas être supérieure à 2 % du volume de coulis. Cette eau devra, de plus,
être complètement réabsorbée 24 h après.
Autres
caractéristiques
La réduction
d’eau (par rapport au témoin) doit être supérieure ou égale à 5 %.
Les résistances mécaniques
(Norme NF P 18-360): doivent être suffisantes en compression et en traction par flexion. Pour
les coulis dont la teneur en eau varie 34 à 37 %, les résistances en compression s’échelonnent
généralement de 500 à 600 daN/ cm2. Les résistances peuvent être abaissées dans le cas d’addition de certains
produits destinés à améliorer l’injectabilité ou l’addition d’agents
expansifs.
Les résistances peuvent, par
contre, être améliorées grâce à un puissant malaxage du coulis (par haute turbulence, par
exemple). Les directives actuelles demandent les résistances minimales suivantes à 28 jours
(conservation des prismes de pâte pure de 4 x 4 x 16 cm à 20 °C dans des sacs étanches): 4 MPa en
traction par flexion, 30 MPa en compression.
Le temps de prise (Norme NF P 18-362):
compte tenue de la température ambiante, le coulis ne devra pas faire prise trop tôt
(risque d’obturation des gaines), ni trop tard (risque d’exsudation). Les temps de prise sont mesurés
à trois températures différentes: 5, 20 et 30 °C. Par temps chaud, le début de prise déterminé à
30 °C devra être supérieur à 3 h. Par temps froid, la fin de prise déterminée à
5 °C devra être inférieure à 24 h (au-delà, le risque de gel du coulis devient important).
Le retrait (Norme NF P 15- 361):
Il est mesuré sur prismes de 4 x 4 x 16 cm, conservés à 20 °C