Les ciments expansifs ou à retrait compensé

Les ciments expansifs ou à retrait compensé
sol-industrielL’usage des ciments expansifs, ou à retrait compensé, vise à éliminer le défaut majeur du ciment Portland que représente le retrait de dessiccation. Ces ciments sont utilisés lorsqu’on cherche à soustraire des pièces de bétons ou des éléments de construction en béton à la fissuration causée par le retrait.
On utilise aussi particulièrement ce ciment pour la construction de pistes d’aérodromes, de chaussées, de parkings, de sols d’entrepôts… Les ciments expansifs servent également à la fabrication de bétons dits autocontraints, dans lesquels les premiers efforts de compression sont le résultat des contraintes chimiques. Les premiers travaux portant sur un ciment devant fournir un mortier expansif datent des années 30 et on les doit à H. Lossier. Ce sujet a été repris en URSS dans les années 50 par Budnikov, Kosyreva et Mikhailov. Aux Etats-Unis, les travaux de Klein démarrent sur ce sujet en 1958.

Le(s) retrait(s)
Lors de l’hydratation du ciment Portland, les composés anhydres du ciment réagissent avec l’eau pour former les produits d’hydratation.
Il se trouve que le volume total des hydrates formés lors de la réaction est moindre, d’environ 20%, que la somme des volumes du ciment et de l’eau engagés lors de l’hydratation. Le retrait endogène est la conséquence de ce phénomène, mis en évidence par Le Chatelier. Il s’agit là du retrait chimique ou retrait hydraulique du ciment. Tant que le ciment est plastique, ce retrait chimique se manifeste par une diminution du volume extérieur de la pâte. Ce retrait est indépendant du phénomène de dessiccation et son intensité dépend du rapport E/C du béton (ce retrait est plus élevé dans le cas des BHP à faible rapport E/C).

Le retrait de dessiccation, lui, correspond à l’évaporation de l’eau libre de la pâte durcie. Il est lié à la différence d’hygrométrie entre le cœur du béton et l’ambiance extérieure. Il peut générer des contraintes internes qui peuvent mener à la fissuration du béton en peau. Il s’agit d’un retrait à long terme.
Il existe également un autre type de retrait appelé retrait thermique qui correspond à une contraction thermique liée au refroidissement de la pâte de ciment et des granulats. Ce retrait n’a que peu d’influence dans le cas d’éléments de faibles dimensions mais peut être très sensible dans le cas des pièces massives.

Les ciments à retrait compensé, au cours de leur hydratation génèrent une contrainte d’expansion au sein de la pâte durcie qui contrebalance la contrainte générée par le retrait chimique et la dessication.
Ces ciments sont formés d’un composé cimentaire qui assure l’hydratation et la résistance de la pâte et d’un composé expansif. Certains ciments sont des liants qui contiennent directement les deux composants. Plus généralement, les deux composants sont produits séparément puis mélangés ou broyés ensemble ultérieurement.
L’expansion est produite par une réaction qui conduit à la formation d’ettringite (sulfoaluminate de calcium hydraté). Cette réaction est bien connue des cimentiers puisqu’elle se produit toujours pendant l’hydratation du ciment Portland puisque, pour réguler la prise de l’aluminate tricalcique, on ajoute du gypse (sulfate de calcium) au clinker.

Différents types de ciments expansifs sont produits industriellement : le ciment de type K (addition de sulfoaluminate de calcium et de sulfate de calcium au clinker Portland), le ciment de type M (addition de ciment alumineux et de sulfate de calcium au ciment Portland), le ciment de type S (à partir de ciment Portland riche en C3A et en sulfate de calcium additionnel).
Une application particulière du ciment expansif est l’usage de sa force d’expansion à la destruction de roche, de béton ou de tout autre matériau. Il est alors utilisé en technique minière, en prospection, désobstruction, démolition. On le désigne parfois sous le non évocateur de bétonamite.

Bibliographie :
W. Kurdowski. Ciments expansifs, in 7e Congrès de la Chimie des Ciments, volume 2-V-1, Paris, 1980
O. Odler. Special inorganic cements. E & F. N. Spon, 2000.