Le ciment expansif peut s’étendre jusqu’à un volume spécifique pendant le processus d’hydratation, alors que le ciment silicaté rétrécit souvent pendant le processus de durcissement, provoquant des fissures et une perméabilité à l’eau dans les composants en ciment. Le ciment expansif permet donc de surmonter les inconvénients susmentionnés du ciment silicaté et d’améliorer la compacité et l’intégrité des composants en béton de ciment.
Lorsque le ciment expansif est utilisé dans le béton armé, l’expansion du béton provoque une contrainte de traction spécifique sur les barres d’acier, et le béton est soumis à une contrainte de compression correspondante. Cette contrainte de compression peut empêcher le béton de produire des microfissures internes. Lorsque sa valeur est importante, elle peut également compenser une partie de la contrainte de traction causée par des facteurs externes, améliorant ainsi efficacement le défaut de faible résistance à la traction du béton. Cette contrainte de compression préexistante provient de l’hydratation du ciment lui-même, appelée autocontrainte, et la “valeur d’autocontrainte” (MPa) est utilisée pour représenter l’ampleur de la contrainte de compression générée dans le béton.
Il est possible d’obtenir un ciment expansif avec différentes valeurs d’expansion en ajustant la proportion des différents composants. Le ciment expansif peut être divisé en deux catégories en fonction de la taille de l’autocontrainte. Lorsque la valeur de l’autocontrainte est ≥2MPa, on parle de ciment autocontraint ; lorsque la valeur de l’autocontrainte est <2MPa (généralement autour de 0,5MPa), on parle de ciment expansif.
Le ciment expansif, un matériau polyvalent, peut être divisé en quatre catégories en fonction de ses principaux composants : silicate, aluminate, sulfoaluminate et aluminoferrate de calcium. Son mécanisme d’expansion est l’expansion du sulfonate de calcium formé dans la pâte de ciment. Le ciment expansif de type silicate prend et durcit lentement, tandis que le ciment expansif de type aluminate prend et durcit rapidement.
Le ciment expansif de type silicate est composé principalement de ciment silicate, auquel sont ajoutés du ciment aluminate et du gypse. Sa valeur d’expansion est ajustée en modifiant la teneur en ciment aluminique et en gypse. Si le ciment aluminique du ciment expansif au silicate est remplacé par de l’alumite, on parle de ciment expansif à l’alumite. Le composant principal de l’alumite est [K₂SO₄-Al₂(SO₄)₃-4Al(OH)₃], qui peut générer du sulfonate de calcium et qui est actuellement le meilleur ciment expansif. Si un agent expansif d’aluminate et un agent expansif d’aluminate sont ajoutés au ciment silicaté, l’effet du ciment expansif peut également être obtenu.
Le ciment expansif d’aluminate est fabriqué en mélangeant du clinker de ciment d’aluminate et du gypse dihydraté ou en les broyant séparément puis en les mélangeant. Il présente les avantages d’une valeur d’autocontrainte élevée, d’une bonne imperméabilité et d’une bonne étanchéité à l’air. Le ciment expansif au sulfoaluminate est constitué de sulfoaluminate anhydre et de silicate dicalcique comme composants principaux, ainsi que de gypse.
Le ciment expansif à base de ferroaluminate de calcium est constitué d’une phase ferreuse, de sulfoaluminate de calcium anhydre, de silicate dicalcique et de gypse comme principaux composants.
Les types de ciment expansif suivants, chacun avec ses propriétés uniques et ses applications pratiques, sont actuellement couramment utilisés.
1. Ciment expansif à l’alumite
On appelle ciment expansif à l’alumine tout matériau cimentaire hydraulique aux propriétés expansives obtenu par broyage d’aluminate naturel, de gypse et de laitier granulé de haut fourneau (ou de cendres volantes) dans des proportions appropriées, le clinker de ciment silicaté étant le matériau principal.
Le ciment expansif à l’alumine est divisé en trois catégories : 425, 525 et 625. Ses exigences techniques en matière de performance sont les suivantes.
(1) Trioxyde de soufre
La teneur en trioxyde de soufre du ciment ne doit pas dépasser 8,0 %.
(2) Surface spécifique
La surface spécifique du ciment ne doit pas être inférieure à 420m²/kg.
(3) Temps de prise
La prise initiale ne doit pas être antérieure à 45 minutes et la prise finale ne doit pas être supérieure à 6 heures.
(4) Résistance
La résistance du ciment de chaque qualité à chaque âge doit être égale à la valeur du tableau 2-19.
(5) Taux d’expansion
Le taux d’expansion libre des éprouvettes de pâte de ciment durcies dans l’eau à différents âges doit répondre aux exigences suivantes : 1d ne doit pas être inférieur à 0,15 % ; 28d ne doit pas être inférieur à 0,35 % mais ne doit pas être supérieur à 1,20 %.
(6) Imperméabilité à l’eau
1:3 Après que l’échantillon de mortier mou a durci dans l’eau pendant 3 jours, il doit être imperméable sous une pression constante de 1,0 MPa pendant 8 heures (Note : Indicateur facultatif, applicable aux projets de lutte contre les infiltrations. Si le ciment n’est pas utilisé dans les projets de lutte contre les infiltrations, l’essai de perméabilité à l’eau peut ne pas être effectué).
2. Ciment à micro-expansion à basse température
Tout matériau de cimentation hydraulique à faible chaleur d’hydratation et à faible performance de micro-expansion fabriqué en ajoutant la quantité appropriée de clinker de ciment silicaté et de gypse au laitier granulé de haut fourneau en tant que composant principal est appelé ciment à micro-expansion à basse température, connu sous le nom de code LHEC.
3. Ciment au ferroaluminate autocontraint
Le ciment ferro-aluminate autocontraint est un matériau de cimentation hydraulique solide et expansif fabriqué en ajoutant une quantité appropriée de gypse au clinker obtenu par calcination de matières premières de composition appropriée, le sulfoaluminate de calcium anhydre, la phase ferreuse et le silicate dicalcique étant les principaux composants minéraux, et dont le nom de code est SFAC. Le produit est divisé en trois catégories en fonction de la valeur d’autocontrainte 28d : 30, 40 et 50.
4. Ciment de silicate autocontraint
Le ciment silicaté autocontraint, ou ciment silicaté d’expansion, est un matériau cimentaire hydraulique expansif fabriqué en broyant du ciment silicaté ordinaire, du ciment d’alumine et du gypse naturel dans des proportions appropriées.
Le béton de silicate autocontraint se rétracte lorsqu’il est placé à l’air, mais le taux de retrait n’est que de 0,03 % à 0,06 %. Après réhumidification et durcissement, les valeurs d’expansion et d’autocontrainte perdues par le retrait peuvent être rétablies. Le ciment silicaté autocontraint présente une bonne résistance au gel. Après 150 cycles de gel-dégel, le degré d’expansion du mortier de ciment autocontraint 1:1 est le même que celui d’un durcissement à long terme dans de l’eau à température normale, mais la résistance peut être continuellement améliorée pendant le processus de gel-dégel.
