Essais sur les ciments (partie 1/2)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** À l’issue de ce chapitre, l’élève sera capable de : 1. Déterminer la consistance normale d’un ciment selon la méthode du cône de Vicat et en déduire le rapport eau/ciment adapté. 2. Mesurer les temps de prise initiale et finale d’un ciment à l’aide de l’aiguille de Vicat et interpréter les résultats par rapport aux exigences normatives. 3. Réaliser les essais de résistance à la compression et à la traction sur mortier de ciment, calculer les valeurs obtenues et les comparer aux classes de résistance prescrites. 4. Rédiger un compte‑rendu d’essai conforme aux normes NF EN 196‑1, NF EN 196‑3 et aux bonnes pratiques de laboratoire technique. **Prérequis** - Notions de chimie des liants hydrauliques (hydratation du silicate et aluminate de calcium). - Maîtrise des unités du Système international (mm, g, s, N, MPa). - Lecture et tracé de courbes (consistance en fonction de l’eau, évolution de la résistance avec le temps). - Règles de base de sécurité en laboratoire (port de lunettes, gants, manipulation de produits alcalins). --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, la construction de bâtiments, de ponts et d’ouvrages d’art repose largement sur l’utilisation de ciments Portland et de leurs variantes (ciments composés, ciments à prise rapide). La qualité du liant conditionne directement la durabilité et la sécurité des ouvrages. Ainsi, avant toute mise en service sur un chantier, le technicien de laboratoire doit vérifier que le ciment respecte les spécifications du cahier des charges (consistance, temps de prise, résistance mécanique). Ces essais sont normalisés au niveau national (MINESEC/IGE) et international (NF EN 196‑1, NF EN 196‑3). Le présent cours détaille, étape par étape, les procédés d’essai, les calculs associés et les points de vigilance propres au contexte camerounais (climat tropical, disponibilité du matériel, normes de sécurité au travail). --- ## I. Consistance normale ### 1. Définition et objectif La **consistance normale** d’un ciment est la quantité d’eau nécessaire pour obtenir une pâte présentant une pénétration standard du cône de Vicat de 10 mm (± 1 mm) sous une charge déterminée. Elle permet de fixer le rapport eau/ciment (E/C) à utiliser pour les essais suivants (temps de prise, résistance). > **> À retenir** : Consistance normale = eau (en % du poids du ciment) donnant une pénétration du cône de Vicat de 10 mm (± 1 mm). ### 2. Principe de l’essai On utilise le **cône de Vicat** (cône métallique de 40 mm de base, 60 mm de hauteur, masse totale 300 g). On verse une quantité connue de ciment dans un moule standard, on ajoute progressivement de l’eau, on mélange jusqu’à obtenir une pâte homogène, on place le cône sur la surface et on mesure la profondeur de pénétration après relâchement du cône. ### 3. Matériel et protocole pas à pas | Étape | Action | Détails | |------|--------|---------| | 1 | Pesée du ciment | 400 g (± 1 g) de ciment sec, placé dans le moule en laiton (diamètre 70 mm, hauteur 40 mm). | | 2 | Pré‑humidification | Ajouter 5 % du poids du ciment en eau (20 g) pour faciliter le mélange, malaxer 30 s. | | 3 | Incrémentation d’eau | Ajouter de l’eau par pas de 2 % du poids du ciment (8 g) jusqu’à atteindre la pénétration cible. Après chaque ajout, malaxer 30 s, former une boule, l’aplatir, poser le cône et lire la pénétration. | | 4 | Lecture | Lorsque la pénétration se situe entre 9 mm et 11 mm, noter la quantité totale d’eau ajoutée. | | 5 | Nettoyage | Rincer le moule et le cône à l’eau claire, sécher avec un chiffon non pelucheux. | ### 4. Calcul de la consistance normale \[ \text{Consistance normale (\% E/C)} = \frac{m_{\text{eau}}}{m_{\text{ciment}}}\times 100 \] où \(m_{\text{eau}}\) est la masse totale d’eau (en grammes) nécessaire pour obtenir la pénétration de 10 mm, et \(m_{\text{ciment}} = 400 \text{g}\). ### 5. Exemple chiffré entièrement résolu - Masse de ciment : 400 g. - Après essais successifs, on obtient une pénétration de 10 mm avec 152 g d’eau. \[ \text{Consistance normale} = \frac{152}{400}\times 100 = 38,0\% \] Le rapport eau/ciment à utiliser pour les essais suivants sera donc **0,38** (38 % d’eau par poids de ciment). ### 6. Normes et règles de sécurité - **Norme de référence** : NF EN 196‑1 (méthode de détermination de la consistance normale). - **Sécurité** : porter des lunettes de protection et des gants nitrile ; le ciment est alcalin (pH ≈ 12‑13) – éviter le contact prolongé avec la peau. - **Hygiène** : se laver les mains à l’eau savonneuse après manipulation ; éliminer les résidus selon la réglementation des déchets dangereux (décret n° 2011/… du MINESEC). --- ## II. Temps de prise ### 1. Définition Le **temps de prise initiale** correspond au moment où la pâte de ciment commence à perdre sa plasticité (aiguille de Vicat ne pénètre plus que 5 mm). Le **temps de prise finale** est atteint lorsque l’aiguille ne pénètre plus que 0,5 mm (ou ne laisse aucune trace). > **> À retenir** : Temps de prise initiale = pénétration ≤ 5 mm ; Temps de prise finale = pénétration ≤ 0,5 mm. ### 2. Principe de l’essai On utilise la même pâte que pour la consistance normale (rapport E/C déterminé). On place l’**aiguille de Vicat** (diamètre 1 mm, masse 300 g) sur la surface de la pâte et on mesure la profondeur de pénétration à intervalles réguliers (généralement chaque 15 s). ### 3. Matériel et protocole pas à pas | Étape | Action | Détails | |------|--------|---------| | 1 | Préparation de la pâte | Mélanger 400 g de ciment avec la quantité d’eau correspondant à la consistance normale (ex. 152 g). Malaxer 3 min jusqu’à homogénéité. | | 2 | Mise en moule | Verser la pâte dans le moule en laiton (diamètre 70 mm, hauteur 40 mm), lisser la surface. | | 3 | Début du chronométrage | Dès la fin du malaxage, démarrer le chronomètre (t = 0). | | 4 | Mesure de pénétration | Toutes les 15 s, poser délicatement l’aiguille sur la surface, lire la pénétration (en mm). Noter le temps lorsqu’elle atteint 5 mm (prise initiale) puis 0,5 mm (prise finale). | | 5 | Fin de l’essai | Lorsque la pénétration est ≤ 0,5 mm, arrêter le chronomètre. Nettoyer le moule et l’aiguille. | ### 4. Interprétation des résultats - Si le temps de prise initiale est trop court (< 30 s), le ciment est à prise rapide – risque de fissuration par retrait prématuré. - Si le temps de prise finale dépasse 10 h, le ciment peut être sous‑activé (faible teneur en C₃S) – inadapté pour les ouvrages nécessitant un décoffrage rapide. - Les valeurs attendues pour un ciment Portland ordinaire (CEM I 42,5 R) sont : prise initiale entre 45 min et 75 min, prise finale entre 6 h et 8 h (selon NF EN 196‑3). ### 5. Exemple chiffré entièrement résolu - Consistance normale déterminée précédemment : 38 % E/C. - Après malaxage, on mesure les pénétrations suivantes : | Temps (min) | Pénétration (mm) | |-------------|------------------| | 0 | 18,0 | | 5 | 12,4 | | 10 | 8,1 | | 15 | 5,6 | | 20 | 3,9 | | 30 | 2,2 | | 45 | 0,9 | | 60 | 0,4 | - **Temps de prise initiale** : première valeur ≤ 5 mm observée à 20 min (3,9 mm). Entre 15 min (5,6 mm) et 20 min (3,9 mm) : \[ t_i = 15 + \frac{(5,6-5)}{(5,6-3,9)}\times(20-15) = 15 + \frac{0,6}{1,7}\times5 \approx 15 + 1,76 \approx 16,8\text{ min} \] → **≈ 17 min**. - **Temps de prise finale** : première valeur ≤ 0,5 mm observée à 60 min (0,4 mm). Entre 45 min (0,9 mm) et 60 min (0,4 mm) : \[ t_f = 45 + \frac{(0,9-0,5)}{(0,9-0,4)}\times(60-45) = 45 + \frac{0,4}{0,5}\times15 = 45 + 12 = 57\text{ min} \] → **≈ 57 min**. > **> À retenir** : Pour ce ciment, prise initiale ≈ 17 min, prise finale ≈ 57 min – valeurs hors norme pour un Portland ordinaire, indiquant un ciment à prise accélérée (possible ajout d’aluminate de calcium ou de sulfates). ### 6. Normes et règles de sécurité - **Norme** : NF EN 196‑3 (détermination des temps de prise). - **Sécurité** : même équipement que pour la consistance normale ; éviter les projections de pâte alcaline sur les yeux. - **Précaution climatique** : réaliser l’essai à température ambiante contrôlée (20 ± 2 °C) ; au Cameroun, prévoir une climatisation ou un bain d’eau glacée pour compenser la chaleur extérieure qui accélère la prise. --- ## III. Résistance mécanique (compression/traction) ### 1. Définition La **résistance à la compression** est la contrainte maximale qu’un éprouvette de mortier peut supporter avant rupture sous une charge axiale. La **résistance à la traction** (souvent mesurée par la méthode du briquet ou du tirage direct) représente la capacité du matériau à résister à une force tendant à le séparer. > **> À retenir** : Résistance à la compression = \(F_{\text{max}}/A\) (N/mm² = MPa) ; Résistance à la traction = \(F_{\text{max}}/A\) (idem). ### 2. Principe des essais - **Compression** : on prépare des éprouvettes cubiques de 2 cm de côté (ou des prismes 4 × 4 × 16 cm selon la norme). Après cure, on les place entre deux platines d’une presse de compression et on applique une charge constante jusqu’à rupture. - **Traction** : on utilise des briquets de mortier (forme de « dog‑bone ») ou des éprouvettes en forme de « cylindre » soumis à un tirage axial jusqu’à rupture. ### 3. Matériel et protocole pas à pas (compression) | Étape | Action | Détails | |------|--------|---------| | 1 | Dosage du mortier | Mélanger 1 part de ciment (masse m_c) avec 3 parts de sable norme (masse 3 m_c) et eau selon la consistance normale (0,38 m_c). Exemple : 500 g ciment → 1500 g sable → 190 g eau. | | 2 | Malaxage | Mélanger sèchement ciment + sable 1 min, ajouter eau, malaxer 3 min jusqu’à homogénéité. | | 3 | Moulage | Verser le mortier dans un moule en acier de 2 cm × 2 cm × 2 cm (ou prisme 4 × 4 × 16 cm). Vibrer sur table vibrante 30 s pour éliminer l’air. | | 4 | Cure initiale | Couvrir le moule d’une feuille plastique, laisser reposer 24 h à 20 ± 2 °C et HR > 90 %. | | 5 | Démoulage & cure humide | Démouler, placer les éprouvettes dans un bac d’eau saturée à 20 ± 2 °C pendant 6 jours (ou 28 jours selon la classe de résistance souhaitée). | | 6 | Essai de compression | Placer l’éprouvette entre les platines de la presse, appliquer une charge de 0,5 MPa/s jusqu’à rupture. Enregistrer la charge maximale \(F_{\text{max}}\). | | 7 | Calcul | \(R_c = F_{\text{max}} / A\) où \(A = 20 mm \times 20 mm = 400 mm²\). | ### 4. Protocole pas à pas (traction – méthode du briquet) | Étape | Action | Détails | |------|--------|---------| | 1 | Préparation du mortier | Même dosage que pour la compression (ciment : sable : eau = 1 : 3 : 0,38). | | 2 | Moulage du briquet | Utiliser un moule en acier donnant une section réduite de 10 mm × 10 mm au milieu et des extrémités de 20 mm × 20 mm (forme « dog‑bone »). Vibrer 30 s. | | 3 | Cure | Identique à la compression (24 h sous plastique, puis 6 jours en eau). | | 4 | Essai de traction | Placer le briquet dans la machine de traction, appliquer une charge constante de 0,05 MPa/s jusqu’à rupture. Noter \(F_{\text{max}}\). | | 5 | Calcul | Section réduite \(A_r = 10 mm \times 10 mm = 100 mm²\). \(R_t = F_{\text{max}} / A_r\). | ### 5. Exemple chiffré entièrement résolu (compression) - Dosage : 500 g ciment, 1500 g sable, 190 g eau (E/C = 0,38). - Après 28 jours de cure, l’éprouvette de 2 cm × 2 cm se rompt sous une charge maximale de **12 kN**. \[ A = 20 mm \times 20 mm = 400 mm² \] \[ R_c = \frac{12 000 N}{400 mm²}=30 N/mm² = 30 MPa \] > **> À retenir** : Cette valeur correspond à un mortier de classe **M 30** (résistance caractéristique à 28 j ≈ 30 MPa), conforme aux attentes pour un ciment CEM I 42,5 R. ### 6. Exemple chiffré entièrement résolu (traction) - Même mortier, briquet après 28 jours de cure. - Charge maximale à la rupture : **0,4 kN**. \[ A_r = 10 mm \times 10 mm = 100 mm² \] \[ R_t = \frac{400 N}{100 mm²}=4 N/mm² = 4 MPa \] > **> À retenir** : La traction du mortier est généralement comprise entre 10 % et 15 % de la compression ; ici 4 MPa / 30 MPa ≈ 13 % – valeur conforme aux attentes. ### 7. Normes et règles de sécurité - **Normes** : NF EN 196‑1 (résistance à la compression), NF EN 196‑4 (résistance à la traction par méthode du briquet). - **Sécurité** : porter des lunettes de protection, des gants anti‑coupure et des chaussures de sécurité lors de la manipulation des presses (risque de projection de fragments). - **Prévention des risques** : vérifier le bon fonctionnement des dispositifs de secours d’urgence de la presse, ne jamais placer les mains entre les platines pendant la charge. - **Environnement** : réaliser les essais dans un espace ventilé ; la poussière de ciment peut irriter les voies respiratoires – porter un masque anti‑poussière (FFP2) lors du pesage et du malaxage. --- ## Synthèse du chapitre - **Consistance normale** : eau nécessaire pour obtenir une pénétration du cône de Vicat de 10 mm (± 1 mm) → détermine le rapport E/C. - **Temps de prise** : mesure de la pénétration de l’aiguille de Vicat ; prise initiale ≤ 5 mm, prise finale ≤ 0,5 mm. - **Résistance mécanique** : - Compression : \(R_c = F_{\max}/A\) (éprouvette 2 cm × 2 cm). - Traction : \(R_t = F_{\max}/A_r\) (briquet section réduite). - **Normes de référence** : NF EN 196‑1, NF EN 196‑3, NF EN 196‑4. - **Sécurité** : lunettes, gants, masque anti‑poussière, respect des consignes de presse, température contrôlée (20 ± 2 °C). - **Interprétation** : comparer les valeurs obtenues aux classes de ciment (CEM I 32,5 R, 42,5 R, 52,5 R) et aux exigences du projet (décoffrage, résistance caractéristique). --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Consistance normale | Quantité d’eau (en % du poids du ciment) donnant une pénétration du cône de Vicat de 10 mm (± 1 mm). | | Cône de Vicat | Appareil métallique (cône de 40 mm de base, 60 mm de hauteur, 300 g) utilisé pour mesurer la consistance et les temps de prise. | | Temps de prise initiale | Moment où la pénétration de l’aiguille de Vicat devient ≤ 5 mm. | | Temps de prise finale | Moment où la pénétration de l’aiguille de Vicat devient ≤ 0,5 mm. | | Rapport E/C | Masse d’eau divisée par la masse de ciment (sans unité, souvent exprimé en pourcentage). | | Éprouvette de compression | Bloc cubique (2 cm × 2 cm × 2 cm) ou prisme (4 × 4 × 16 cm) de mortier soumis à une charge axiale. | | Briquet de traction | Éprouvette en forme de « dog‑bone » avec section réduite utilisée pour mesurer la résistance à la traction. | | Résistance caractéristique | Valeur de résistance inférieure à laquelle 5 % des résultats peuvent être inférieurs (notée \(f_{ck}\) pour le béton, \(R_{c,char}\) pour le mortier). | | Cure humide | Maintien des éprouvettes dans l’eau ou sous plastique à température contrôlée pour permettre l’hydratation complète du ciment. | | Table vibrante | Dispositif permettant d’éliminer l’air emprisonné dans le mortier lors du moulage. | | FFP2 | Masque filtrant à particules utilisé pour se protéger contre les poussières de ciment. | | HR | Humidité relative, exprimée en pourcentage. | --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Détermination de la consistance normale **Situation** Un technicien de laboratoire reçoit un sac de ciment Portland CEM I 42,5 R. Il doit préparer un mortier pour un essai de résistance à la compression. Il effectue l’essai de consistance normale avec 400 g de ciment et obtient les données suivantes : | Eau ajoutée (g) | Pénétration du cône (mm) | |-----------------|--------------------------| | 120 | 14,2 | | 130 | 11,8 | | 140 | 9,5 | | 150 | 7,9 | **Questions** 1. Déterminer la consistance normale (en % E/C) par interpolation linéaire. 2. En déduire la quantité d’eau à utiliser pour préparer 1 kg de mortier (ciment : sable = 1 : 3). **Corrigé** 1. La pénétration de 10 mm se situe entre 130 g (11,8 mm) et 140 g (9,5 mm). Interpolation : \[ E = 130 + \frac{(11,8-10)}{(11,8-9,5)}\times(140-130) = 130 + \frac{1,8}{2,3}\times10 \approx 130 + 7,83 \approx 137,8\text{ g} \] Consistance normale = \( \frac{137,8}{400}\times100 = 34,45\% \) → **34,5 % E/C**. 2. Pour 1 kg de mortier, la masse de ciment représente \( \frac{1}{1+3}=0,25\) du total → 250 g de ciment. Eau nécessaire = 0,345 × 250 g = 86,25 g → **≈ 86 g d’eau**. Le sable sera donc 3 × 250 g = 750 g. --- ### Exercice 2 – Temps de prise et adaptation au chantier **Situation** Sur un chantier de construction d’un bâtiment à Douala, le maître d’œuvre prévoit un décoffrage après 4 h. Le ciment utilisé a donné, lors de l’essai de temps de prise, les valeurs suivantes (aiguille de Vicat) : | Temps (min) | Pénétration (mm) | |-------------|------------------| | 0 | 20,0 | | 30 | 12,4 | | 60 | 6,8 | | 90 | 3,9 | | 120 | 2,1 | | 150 | 0,8 | **Questions** 1. Déterminer les temps de prise initiale et finale. 2. Le ciment convient‑il au décoffrage prévu après 4 h ? Justifier. **Corrigé** 1. **Prise initiale** : première pénétration ≤ 5 mm observée à 90 min (3,9 mm). Entre 60 min (6,8 mm) et 90 min (3,9 mm) : \[ t_i = 60 + \frac{(6,8-5)}{(6,8-3,9)}\times(90-60) = 60 + \frac{1,8}{2,9}\times30 \approx 60 + 18,62 \approx 78,6\text{ min} \] → **≈ 79 min**. **Prise finale** : première pénétration ≤ 0,5 mm observée à 150 min (0,8 mm) – encore au‑dessus. Entre 150 min (0,8 mm) et on suppose que à 180 mm elle serait < 0,5 mm (extrapolation). On peut considérer que la prise finale se situe autour de **165 min** (≈ 2 h 45 min). 2. Le décoffrage prévu après 4 h (= 240 min) intervient bien après la prise finale (≈ 165 min). Le ciment aura donc acquis suffisamment de résistance pour supporter le décoffrage sans risque de déformation. **Le ciment convient**. --- ### Exercice 3 – Résistance à la compression et classement **Situation** Un laboratoire prépare trois éprouvettes de mortier (ciment : sable = 1 : 3, E/C = 0,38) provenant du même lot de ciment. Après 28 jours de cure, les charges maximales à la rupture sont : - Éprouvette A : 9,6 kN - Éprouvette B : 10,2 kN - Éprouvette C : 10,8 kN **Questions** 1. Calculer la résistance à la compression de chaque éprouvette (en MPa). 2. Déterminer la résistance caractéristique (valeur moyenne moins 1,64 × écart‑type) et en déduire la classe de résistance du mortier selon la norme NF EN 196‑1 (classes M 5, M 10, M 15, M 20, M 25, M 30, …). **Corrigé** Section d’une éprouvette de 2 cm × 2 cm : \(A = 20 mm \times 20 mm = 400 mm²\). \[ R = \frac{F (N)}{A (mm²)} \text{ (MPa)} \] - A : \(F = 9 600 N\) → \(R_A = 9 600 / 400 = 24,0 MPa\) - B : \(F = 10 200 N\) → \(R_B = 10 200 / 400 = 25,5 MPa\) - C : \(F = 10 800 N\) → \(R_C = 10 800 / 400 = 27,0 MPa\) Moyenne \(\bar{R} = (24,0 + 25,5 + 27,0)/3 = 25,5 MPa\). Écart‑type : \[ \sigma = \sqrt{\frac{(24,0-25,5)^2 + (25,5-25,5)^2 + (27,0-25,5)^2}{3-1}} = \sqrt{\frac{(-1,5)^2 + 0 + (1,5)^2}{2}} = \sqrt{\frac{2,25+2,25}{2}} = \sqrt{2,25}=1,5 MPa \] Résistance caractéristique : \[ R_{ck} = \bar{R} - 1,64\sigma = 25,5 - 1,64\times1,5 = 25,5 - 2,46 = 23,04 MPa \approx 23 MPa \] La classe de résistance la plus proche inférieure ou égale à 23 MPa est **M 20** (caractéristique ≥ 20 MPa et < 25 MPa). Selon la norme, on peut classer ce mortier comme **M 20**. --- *Fin du cours.*