Le béton

1. Généralités

Le béton est un matériau composite aggloméré constitué de granulats durs de diverses dimensions collées entre eux par un liant.

Types de liants :

• Ciment (Béton hydraulique);

• Bitume, goudron, asphalte (Béton hydrocarboné);

• Résine (Béton de résine) (liant de polymère thermoplastique/thermodurcissable);

• Argile (béton d'argile).

Types de granulats : grains de pierre, sable, gravier, cailloux; autres….

Béton hydraulique est constitué :

 d’une pate (ciment + eau),

 d’un mélange granulaire,

 de produits additionnels (adjuvants, additions minérales,…).

On désigne par :

 Matrice (mortier) : le mélange liant + sable + eau,

 Squelette : le mélange des granulats

Le ciment est un liant hydraulique qui se présente sous la forme d’une poudre minérale fine s’hydratant en présence d’eau. Il forme une pâte faisant prise qui durcit progressivement à l’air ou dans l’eau. C’est le constituant fondamental du béton puisqu’il permet la

transformation d’un mélange sans cohésion en un corps solide (voir. cours sur les ciments).

Les granulats (sables, gravillons) constituent le squelette du béton. Ils doivent être

chimiquement inertes vis-à-vis du ciment, de l’eau et de l’air. On utilise en général, pour les ouvrages courants, des granulats constitués uniquement par du sable et des gravillons. On emploie également des granulats légers qui sont le plus souvent artificiels et fabriqués à partir de matières minérales, comme les argiles, les schistes (argiles expansées) et les silicates (vermiculite et perlite). Les premiers permettent la fabrication de bétons de structure légers, dont la résistance peut atteindre de 40 à 50 MPa. Les seconds servent à la fabrication de parois en béton très léger, à fort pouvoir d’isolation thermique. Le poids volumique apparent

de ces granulats varie d’environ 0.6 à 8 kN/m3. Malgré leur intérêt technique, leur coût énergétique de fabrication en réduit l’emploi à des applications particulières. Les granulats lourds sont soit des riblons ou de la grenaille de fer, soit des minéraux naturels comme la magnétite, la limonite ou la barytine. Ils sont utilisés dans les bétons destinés à assurer une protection contre les rayonnements atomiques. Leur poids volumique apparent varie de 30 à 50 kN/m3.

Les additions minérales (ultrafines) sont des particules de faibles dimensions qui, ajoutées en quantités de l’ordre de 10% du poids de ciment, améliorent notablement les performances et la durabilité du béton grâce à leurs propriétés physico-chimiques (cendres volantes, laitier, fillers, ...). Les fumées de silice, ou micro silices, sont les plus utilisées, ce sont des oxydes de silicium à structure amorphe en forme de microsphères de diamètre de l’ordre de 10 µm.

L'eau (de gâchage) : de façon générale, l’eau de gâchage doit avoir les propriétés de l’eau potable. Il est exclu d’employer de l’eau de mer, qui contient environ 30 g/l de chlorure de sodium, pour la fabrication de bétons armés ou précontraints.

Les adjuvants sont des produits chimiques incorporés au béton frais en faibles quantités (en général moins de 3% du poids de ciment, donc moins de 0.4% du poids du béton) afin d’en améliorer certaines propriétés. Leur efficacité est liée à l’homogénéité de leur répartition dans la masse du béton. Les principaux adjuvants sont :

• les plastifiants, qui jouent un double rôle. Ils permettent, d’une part, d’obtenir des bétons frais à consistance parfaitement liquide, donc très maniables, par défloculation des grains de ciment. A maniabilité donnée, ils offrent, d’autre part, la possibilité de réduire la quantité d’eau nécessaire à la fabrication et à la mise en place du béton. La résistance du béton durci peut ainsi être notablement augmentée. La durée d’action de ces adjuvants est de 1 à 3 heures,

• les retardateurs de prise du ciment, qui prolongent la durée de vie du béton frais.

Ils trouvent leur utilisation dans le transport du béton sur de grandes distances ou la mise en place par pompage, en particulier par temps chaud. Ils sont aussi employés pour éviter toute discontinuité lors de reprises de bétonnage,

• les accélérateurs de prise et de durcissement, qui permettent, pour les premiers, la réalisation de scellements ou d’étanchements et, pour les seconds, une acquisition plus rapide de résistance au béton durci,

• les entraîneurs d’air, qui confèrent au béton durci la capacité de résister aux effets de gels et de dégels successifs en favorisant la formation de microbulles d’air réparties de façon homogène. Le volume d’air occlus doit être de l’ordre de 6% de celui du béton durci.

2. Ouvrabilité (caractéristique principale béton frais)

L'ouvrabilité caractérise l'aptitude d'un béton (frais) à remplir les coffrages, et à enrober convenablement les armatures. Elle doit donc être telle, que le béton soit maniable et qu'il conserve son homogénéité.

2.1 Introduction

L'ouvrabilité est caractérisée par une grandeur représentative de la consistance du béton frais.

Dans le cas de bétons classiques, elle est principalement influencée par : • la nature et le dosage du liant,

• la forme des granulats,

• la granularité, la granulométrie, • le dosage en eau.

Le rôle de l'eau est prépondérant pour l'ouvrabilité du béton frais et sur les propriétés du béton durci :

• L'eau donne au béton sa maniabilité, d'une part par son action lubrifiante sur les différents grains, d'autre part par la cohésion due à la pâte provoquée par l'association des grains fins (ciment et fines) avec elle.

• L'eau permet l'hydratation du ciment et donc le durcissement du béton. Un ciment Portland demande environ 25% de son poids en eau pour s'hydrater complètement (sous réserve des problèmes de flocs et d'expansion. Toute variation de la quantité d'eau entraîne des modifications de la vitesse de durcissement et des performances mécaniques.

Le dosage en eau ne peut pas être augmenté au-delà d'une certaine valeur afin d'améliorer l'ouvrabilité sans entraîner des inconvénients. Les conséquences d'un excès d'eau sont : • risque de ressuage,

Le dosage en eau doit donc être limité au 'juste nécessaire' à l'hydratation du liant et aux exigences d'ouvrabilité.

Mesure et contrôle de l'ouvrabilité

De nombreux essais et tests permettent de mesurer les caractéristiques dont dépend l'ouvrabilité d'un béton. Les plus utilisés dans la pratique sont :

- l'affaissement au cône d'Abrams - le maniabilimètre LCPC

- l'étalement à la table à secousses - le test CES (pour les ouvrages en BA) - le plasticimètre à rotation

2.2 Affaissement au cône d'Abrams (Slump test)

La consistance du béton est donnée suivant les valeurs données dans le tableau ci-dessous:

2.3

Autres essais comparatifs – ouvrabilité

3. Résistance (caractéristique principale du béton durci)

La caractéristique essentielle du béton durci est la résistance mécanique en compression à un âge donné (28 jours). Le béton est un matériau travaillant bien en compression, dont la

connaissance de ses propriétés mécaniques est indispensable pour le calcul du dimensionnement des ouvrages.

Lorsqu'il est soumis à l'action d'une charge rapidement croissante, le béton se comporte comme un matériau fragile. D'une part, sa rupture n'est pas précédée de déformations importantes et, d'autre part, sa résistance à la traction est beaucoup plus faible que sa résistance à la compression.

3.1 Facteurs influençant la résistance du béton

La résistance du béton dépend d'un grand nombre de paramètres :

- qualité du ciment,

Une des caractéristiques essentielles de la qualité du ciment est sa classe de résistance ; un béton fabriqué avec un ciment de classe 42.5 présente une plus grande résistance qu’un béton fabriqué avec un ciment de classe 32 .5.

- le dosage en ciment et en eau,

La résistance croit avec l’augmentation du dosage en ciment et décroit avec l’augmentation de la quantité d’eau incorporée ; c’est pourquoi on a tendance à prendre en compte le rapport E/C comme facteur global intervenant dans la résistance du béton.

- la granularité,

La granularité est définit par le rapport

;

le rapport des volumes absolus du gravier et du sable. En général pour les bétons courants (1.5≤ ≤2) ; pour des raisons d’ouvrabilité. Il en résulte que l’influence de la granularité est relativement faible.

- l'influence de la température et de l'humidité,

La chaleur accélère la prise et le durcissement du béton tandis que le froid allonge la durée de prise. Des expériences menées au laboratoire ont montré que l’augmentation de l’humidité du milieu de cure contribue à améliorer la résistance du béton.

3.2 Essais sur béton durcis

1. Résistance à la compression par rupture d’éprouvette

La résistance en compression à 28 jours est désignée par fc28. Elle se mesure par ccompression axiale de cylindres droits de révolution et d'une hauteur double de leur diamètre. (16×32) ou (15×30)

 L’effort de compression est donné par la relation :

f

^{cj =}

^{(en MPa)}

^{S = 200 cm}

²

Pour une éprouvette cylindrique de16×32

 D’après leur résistance à la compression, les bétons peuvent être : - courants : fc est de : 20 à 40 MPa ;

- à hautes performances : fc est de : 50 à 100 MPa ;

- les bétons de très hautes performances : fc est de : 100 à 150 MPa ; - exceptionnels: FC est au-delà de 150 MPa ;

2. Résistance à la traction.

Généralement le béton est un matériau travaillant bien en compression, mais on a parfois besoin de connaître la résistance en traction, en flexion et au cisaillement.

La résistance en traction à 28 jours est désignée par

F

t28.

a.

Traction directe : NF P 18.409.

 La contrainte de rupture en traction est donnée par la relation :

f

t

=

^{En MPa}

P – charge de rupture, S – la section exacte de l’éprouvette

b.

En traction par flexion :NF P 18.407

Les essais les plus courants sont des essais de traction par flexion. Ils s'effectuent en général sur des éprouvettes prismatiques d'élancement 4 (10×10×40), reposant sur deux appuis, soit sous charge concentrée unique appliquée au milieu de l'éprouvette (moment maximal au centre). soit sous deux charges concentrées, symétriques, égales, appliquées au tiers de la portée (moment maximal constant entre les deux charges.



La contrainte de rupture en traction par flexion est donnée par la relation :

f

_tj

c.

Essai de traction par fendage.

L'essai consiste à écraser un cylindre de béton suivant deux génératrices opposées entre les plateaux d'une presse. Cet essai est souvent appelé "Essai Brésilien". Si P est la charge de compression maximale produisant l'éclatement du cylindre par mise en traction du diamètre vertical, la résistance en traction sera :

 La résistance à la traction est donnée par:

P – charge de la rupture, D – diamètre du cylindre, L – longueur de cylindre, J – âge du béton.

f

_tj

= 2

3.3 Autres propriétés du béton :

Le retrait

Il dépend de quatre facteurs : l'humidité, le dosage en ciment, le dosage en eau, le pourcentage des armatures) C'est le phénomène de raccourcissement d'un élément de béton dans son jeune âge En l'absence de toute charge. Il est assimilable à l'effet d'un abaissement de température

entraînant un raccourcissement. Il est influencé par quatre facteurs : - L'humidité : le durcissement en milieu humide diminue le retrait.

- Le dosage en ciment : le retrait croît en même temps que le dosage en ciment.

- Le dosage en eau : à dosage en ciment constant, une diminution du rapport C/E

augmente le retrait. Pour un béton armé, le retrait diminue avec une augmentation du pourcentage en aciers.

La dilatation

On admet, en moyenne, un coefficient de dilatation thermique de 1 x 10^-5 pour le béton (c'est-à-dire.0, 01 mm/m °C).

Le fluage

C’est le phénomène de déformation différé sous une charge constamment appliquée.

L'élasticité

Le module d'élasticité est défini par la relation suivante :

E = Contrainte unitaire /déformation relative = Fci

/

(DL/L) L'effet poisson

En compression ou en traction, la déformation longitudinale est aussi accompagnée d'une déformation transversale. C'est l'effet poisson. Le coefficient de poisson n est le rapport de la déformation transversale et la déformation longitudinale en valeur relative. Il est pris égal à 0,2 pour le calcul des déformations, et à 0 pour le calcul des sollicitations. Par ailleurs, pour les calculs des éléments bidirectionnels (dalles,…), il est pris égal à 0,2 pour un béton non fissuré et 0 pour un béton fissuré.

4. Différents types de bétons

Le béton varie en fonction de la nature des granulats, des adjuvants, des colorants, des traitements de surface, et peut ainsi s'adapter aux exigences de chaque réalisation, par ses performances et par son aspect.

 Les bétons réfractaires

Ce sont des bétons qui résistent à des températures élevées (jusqu'à 2000°C). Ici, il faut un ciment réfractaire(en général alumineux) et des granulats également réfractaires (scories, corindon, terre cuite).

 Les bétons cellulaires

Ces bétons sont très légers(ils flottent sur l'eau), sciables, clouables et sont de très bons isolants.

Ces bétons sont en réalité du mortier (sable fin et ciment) auquel on a ajouté une matière génératrice de gaz traitée à l'autoclave (enceinte fermée dans laquelle le matériau est soumis à haute température et à haute pression).

 Bétons Prêts à l’Emploi :

Les "Bétons Prêts à l’Emploi", abrégés en BPE, sont des bétons conçus et produits

industriellement dans une centrale à béton. Le béton est livré frais sur le chantier dans des camions-toupies. Il est prêt à être mis en œuvre soit directement avec la goulotte du camion-toupie, soit à l’aide d’un tapis ou d’une pompe à béton.

 Le béton armé :

Le béton armé est un matériau composite qui allie les propriétés mécaniques du béton et celles de l'acier. La résistance en traction du béton étant assez mauvaise, on ajoute des armatures en acier qui viennent renforcer le béton. L’acier ayant une bonne résistance tant en traction qu'en

compression, il compense les faiblesses du béton et retarde ainsi l'ouverture des microfissures qui apparaissent lorsque le béton ne résiste plus à la traction.

 Le béton fibré :

Le béton fibré est un béton dans lequel sont incorporées des fibres synthétiques ou métalliques.

Comme pour le béton armé, les fibres renforcent le béton. Il permet une plus grande rapidité et une plus grande facilité de mise en œuvre du fait de la suppression de la mise en place du ferraillage et une limitation de la fissuration grâce au grand nombre de fibres dispersées dans le béton.

 Le béton précontraint :

Techniques qui consistent à tendre (comme des ressorts) les aciers constituant les armatures du béton, et donc à comprimer, au repos, ce dernier.

Dans la pré-tension (le plus souvent utilisée en bâtiment), les armatures sont mises en tension avant la prise du béton. Elles sont ensuite relâchées, mettant ainsi le béton en compression par simple effet d'adhérence. Cette technique ne permet pas d'atteindre des valeurs de précontrainte aussi élevées qu'en post-tension.

La post-tension consiste à disposer des câbles de précontrainte dans des gaines incorporées au béton. Après la prise du béton, les câbles sont tendus au moyen de vérins de manière à comprimer l'ouvrage au repos. Cette technique, relativement complexe, est généralement réservée aux grands ouvrages (comme les ponts) puisqu'elle nécessite la mise en œuvre d'encombrantes « pièces d'about » (dispositifs mis en place de part et d'autre de l'ouvrage et permettant la mise en tension des câbles).

La précontrainte permet d’augmenter encore la résistance des pièces en béton, et d’allonger la portée des éléments porteurs. Elle équilibre les efforts des charges extérieures, et évite ainsi au béton de se fissurer. La compression initiale introduite grâce à la précontrainte dans la partie inférieure des poutres s’oppose aux tractions engendrées par les charges et surcharges appliquées sur la poutre.

 Les Bétons à hautes Performances :

Les BHP sont des bétons dits de hautes performances car ils possèdent de meilleures caractéristiques que les bétons normaux tels que :

 Une meilleure résistance à la compression, ce qui permet une réduction des quantités de béton nécessaires.

 Une grande fluidité (due aux super plastifiants) ce qui permet une meilleure mise en œuvre, un meilleur pompage et ne nécessite pas de vibrer le béton pour obtenir une surface lisse.

 Des besoins en eau plus faible.

De plus les BHP ont une plus grande durabilité qui résulte de leur forte compacité et de leur très faible porosité ce qui diminue la quantité d'agents agressifs pénétrant dans le béton et donc protège les armatures de la corrosion et augmente la résistance des bétons au cycle gel/dégel.

 Le béton projeté :

Le béton projeté est un béton qui est projeté à grande vitesse sur une surface au moyen d’air comprimée. La force de l’impact sur la surface compacte le matériau ce qui l’empêche de

s’affaisser ou de couler. Le béton projeté a des propriétés similaires à celles d’un béton ordinaire de composition similaire et mis en place de façon usuelle si ce n’est en fait qu’une méthode de mise en place différente. Cette méthode permet d’éviter l’utilisation des coffrages, elle ne nécessite qu’une seule surface de support et peut être utilisée sur des surfaces courbes et irrégulières.

Il existe deux procédés pour faire du béton projeté, le procédé par voie sèche et celui par voie humide :

 Le procédé par voie sèche est le plus utilisé pour les réparations. Les matériaux secs, c’est-à-dire le ciment et les granulats, sont incorporés directement dans une canalisation, où ils sont transportés par l’air comprimé jusqu’à la lance. L’eau sous pression est introduite dans le mélange à la sortie de la lance.

Le procédé par voie sèche a l’avantage de pouvoir être arrêté et reparti à tout moment durant les travaux, Car le béton étant sec dans la lance il ne risque pas de se solidifier. Des résistances élevées peuvent être facilement obtenues avec ce procédé puisqu’il permet d’atteindre de faibles rapports eau/liant. Le désavantage du procédé sec est que le dosage de l’eau dans le mélange se fait directement à la lance, par le lancier, ce qui complique le contrôle de la qualité.

 Le procédé par voie humide implique qu’un béton ou un mortier soit pompé de façon conventionnelle et projeté à haute vitesse contre une surface réceptrice en utilisant de l’air comprimée ajoutée à la lance. Le procédé par voie humide est surtout utilisé lorsque les volumes à produire sont importants. Le contrôle de la qualité est plus simple avec ce procédé, puisqu’en utilisant un béton conventionnel, le dosage des constituants du mélange est connu.

 Les bétons auto plaçant, auto compactant et auto nivelant :

Ce sont des bétons très fluides, homogènes et stables, mis en œuvre sans vibration dans le coffrage, ils se mettent en place sans serrage. Ils se caractérisent par leur grande capacité d’écoulement sans altération de la stabilité, leur pompabilité et leur long maintien de la fluidité.

Ils se distinguent des bétons courants principalement par leurs propriétés à l’état frais, compromis entre fluidité, résistance à la ségrégation. Ils présentent à l’état durci des performances analogues à celles des bétons traditionnels mis en œuvre par vibration.

 Les bétons caverneux, drainant et poreux :

Ce sont des bétons à structure ouverte de granulométrie discontinue, avec, à l’état durci, des vides entre les plus gros éléments granulaires. La porosité ouverte utile (pourcentage de vides

communiquant entre eux et avec l’extérieur) représente alors plus de 10 % du volume du béton compacté. Le béton devient donc suffisamment poreux pour être drainant.

 Le béton de ciment alumineux (ou béton fondu) :

Le béton de ciment alumineux est un béton dans lequel le liant utilisé est du ciment alumineux. Il s'agit un ciment à base d'aluminates de calcium. Ces aluminates ne libèrent pas de chaux au cours d'hydratation et offrent plusieurs propriétés spéciales au béton ou au mortier alumineux. Cela permet :

 une prise rapide

 une résistance chimique élevée

 une résistance élevée à l'usure

 une résistance aux températures élevées

 une accélération de la prise par temps froid

Ce béton a une bonne résistance aux environnements agressifs et développe rapidement des résistances mécaniques élevées. Lorsqu’il contient des granulats artificiels à base d’aluminium, il a également des propriétés réfractaires (forte inertie thermique).

 Le béton décoratif :

Le béton bouchardé : béton décoratif mettant en valeur les granulats. Il est réalisé à l’aide d’une machine qui érode le béton en surface afin de faire apparaître les granulats.

Le béton désactivé : béton décoratif mettant en valeur les gravillons inclus dans le béton. Pour obtenir ce résultat, on applique lors du coulage, un retardateur de prise sur la surface sur béton frais juste après la mise en œuvre. Quelques heures après, un nettoyage au jet d’eau haute

pression est réalisé, pour faire apparaître les gravillons en relief par rapport au mortier.

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