MdC Lecture 4 Hydratation

7/26/2019 MdC Lecture 4 Hydratation

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Chimie dhydratation


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Questions

What is the maximum temperature reached during production of

clinker?

Which are the raw materials used to produce clinker, in what

proportions?

What are the 4 phases present in clinker?

Why is the Bogue calculation not very good for determining the

amounts of these four phases?

What is the typical particle size of cement after grinding?

Roughly how much calcium sulfate is added during grinding?

What is the easiest way to control the reactivity of cement?


3/44

Hydratation

phases

anhydres

+eau

dissolution prcipitation


4/44

Dissolution

Cl-

Cl-

Na+

Cl-

Na+

Cl-

Na+ Cl- Na+ Cl-

Na+ Cl- Na+ Cl-

Na+ Cl- Na+ Cl-

Na+

Cl-

Na+

Cl-

Na+

Na+

Ex. sel de table:les ions dans un solide entr

en solution.

[Na+]

[Cl-]

Solution sature[Na+]. [Cl-] = const.

Il y a une

limite de solubil it

au-del

de laquelle

la

solution est

sature


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anhydre C3

S

3 O2- SiO44Ca 2

H SiO2 42

Ca2

OH-

3

4

dans cette rgion:

le C3

S dissoudles hydrates prcipits

solubilit

trs haute

solubilit

des autres phases:

hydrates

[SiO2

]

[CaO]


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Hydrates de C3

Shydroxyde de calcium

chaux hydratecalcium hydroxyde

portlanditeCa(OH)2CH

cristallinmorphologie hexagonale

calcium silicate hydrateC-S-H

amorphemultiples morphologies

~ 25-28% pte hydrate

~ 60-65% pte hydrate


7/44

C-S-H, similarit

au minralTobermorite

couches de Ca -

O

ttradre de Si -

O4en chanesmolcules deau

141.4nm


8/44

pore du gel

Modle

gel C-S-H

leau inter-feuillet

eau absorbe dans

les pores du gel


9/44

Ractions globales

age, jours

R

esistanceencompression,MPa C3

S

C2

S

80

60

40

20

07 28 90 180 360

C S H C S H C H3 1 7 45 3 1 3. ..

C S H C S H C H2 1 7 44 3 0 3. ..


10/44

Cintique

~10 h

priode

da

cclration

~3 h

priode

d

induction

~10 m

diss

olution

initi

ale

priode

dedclration

~24 h

raction

lente

continue

dga

gementde

chaleur

temps

prise


11/44

3 hrs 10 hrs


12/44


13/44

20% Porosit

10% Porosit

5% Porosit

Porosit

capillaire


14/44

1 day10 m


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Complexe, Htrogne

grain du ciment

inner

C-S-H

outer

ouundifferentiated

C-S-H

sable (granulat)

hydroxyde du calcium(CH)

pores


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C3

A C3

A+

eau

rigidification

prise flash

flash set

raction rapidegrandes

plaques

dhydrates


17/44

C3

A + CaSO4

Hx

_ _

3 2 3 32C A 3CSH 26H C A.3CS.H (ettringite)+ +

6Ca2+ + 2Al(OH)4 + 3SO4

2 + 4OH + 26H

Ca3A.3CS

_

.H32(ettringite)


18/44

10 min

24 heures


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puisement du sulfate

Calcium monosulfo aluminateMonosulfo aluminate de calcium

"AFm"

Pte

7 joursFormation locale de monosulfo lintrieur des

couches

de C-S-H ouil y a

du C3

A disponible.Lettringite reste

lextrieur

dugrain.

2C3A+ C3A.3CS_

.H32+ 4H 3C3A.CS_

.H12


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Rsum

de lhydratation


21/44

~10 h

rapide

pptn deshydrates

~3 h

Raction

lente:

induction

~10 m

diss

olution

initiale

raction

ralentie,

diffusion

travers

de couches

dhydrates

~24 h

chaleur

tem s

SILICATES

ALU

MINATES

Dissol

utionet

puis

ralentissement

Dis

solutionet

form

ationrapide

ralen

tissementdu

lab

sorbtionSO4

2-

Ra

ction

trs

lente

R

action

tr

slente

Form

ation

rapidede

C-S-H

etCH

Formation

rapide

dettringite

vites

sede

raction

(C-S-H

etCH)

diminue

causede

cou

che

deshydrates

Ep

uisement

dusulfate

C3

A+ett>

monosulfo-

aluminate

TAUX DERACTION 2% 25% 50%


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~10 h~3 h~10 m ~24 h

rapid

pptn of

hydrates

Slow

reaction

induction

initialdissolution

Slower

reaction

diffusionthrough

layer ofhydratesH

eatevo

lution

time

SILICATES

D

issolutionand

rapidformation

of"blocking"

product

Slow

reaction

rapid

Formation

of

C-S-H

&CH

Slow

continuing

formation

of

C-S-H

&CH

Degree ofReaction 2% 15% 30%

set

1m 1m 10 m


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Bilan Volumtrique

Pte de

ciment Portland, E/C = 0,5, 14 mois

anhyd3%

pores

16%

other

4%ett (AFt)

4%

AFm

11%

CH

14%

C-S-H

48%


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retenir

Dissolution puis prcipitation

Hydrates: C-S-H autour des grainset CH entre les grains

pour les silcates (C3

S et C2

S)

Ajout du gypse pour contrler raction C3

A favorise formation dettringite

Ettringite et AFM (ou monosulfate) sont lesproduit issue du C3

A qui va jouer un roleimportante dans rsistance aux eau sulfat


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Increasing solid volume, replaces water

Cement grainwater

hydrates

Transformation from fluid paste to solid

The basics


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Effect of Temperature


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dgagementdechaleur

temps

TC - /TT 0R R e =

Arrhenius relationship


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temp

Rsistan

ceencompression

T2

> T1T1


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T, modification des hydratesT < 100C T , C-S-H plus dense

Hydratation 90C

Hydratation 20C

Ciment non hydrat

T > ~70C, modifation majeur au raction des aluminates


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Questions

Quelle phase contribue le plus au dveloppement de

la rsistance du bton de ciment de Portland?

Quels sont les produits principaux d'hydratation decette phase?

Le gypse est ajout

pendant le broyage du clinkerpour contrler l'hydratation de quelle phase?

Quels sont les produits dhydratation les plus

importants rsultant de l'hydratation de la phaseC3

A?


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Structure Physique

dune pte de

ciment


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Importance de la structurephysique:

Rsistance mcanique

Comportement vis--vis de leau;

Durabilit


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Changements volumtriques

Volume du

solide augmente, mais le volume total diminue:

Contraction Le Chatelier:

Valeurs entre

5 et 10%

en fonction des

hypothses

V V V VC S H O C S H CH3 21318 157 0 597, , ,

2 318, 2157,

V = =0161

2 318 7

,

, ~ %


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t=0 t=t1

Contraction

"le Chatelier"

eau puise


35/44

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

vides

eau

CH

CSHciment

E/C = 0,50

0,2

0,4

0,6

0,8

1

E/C = 0,3

eau puisedegr

d

hydratation


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Particularit

de la porosit

dune ptede

ciment:

Gel du C-S-H

Surface spcifique ~ 700 m2/g

porosit

intrinsque

~28%


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Modle

gel C-S-H

pore dugel

leau inter-feuillet

eau adsorbe dans

les pores du gel

Dimension caractristique des pores ~20, 2nm

FELDMAN and SERREDA, 1964

4 nm

Ch t d h ll 10 000


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fr is

dur i

lesPorescapillaires

40 m

Changement

dchelle: 10 000


39/44

10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2

nm

m mm

pores

du gel Pores capillairesVides dair

et de compactage


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Forces capillaires

c o s .2 r

h

d

PP

P

Patm

Pb

eq. Laplace

= ( )P P ra tm b 2

P=

2 cos

r


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( )( )( )HRLn1

cosT2RT

MR lpK =

0.1 m

99 % RH


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Pressions gnres

~ 0,072 J/m2

nergie de

surface

~ 0,072 N/m tension superficielle

= ~ 0

r = 1 m P ~

0,1

MPa

r = 100 nm P ~

1

MPa

P ~

2

MPar = 50 nm

P = 10

MPar = 10 nm

P=2 cos

r


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Questions

Quelle phase contribue le plus au dveloppement de

la rsistance du bton de ciment de Portland?

Quels sont les produits principaux d'hydratation decette phase?

Le gypse est ajout

pendant le broyage du clinkerpour contrler l'hydratation de quelle phase?

Quels sont les produits dhydratation les plusimportants rsultant de l'hydratation de la phaseC3

A?


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Questions

Pendant lhydratation, le volume globalaugmente-t-il ou diminue-t-il?

Quelles sont les principales catgories dupore en pte de ciment?

A HR de 80%, quelle est la plus grande tailledes pores saturs en eau?

A partir de quelle taille de pores la force decapillarit

dpasse-t-elle la contrainte detraction dans la pte de ciment?

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