c&t_1992_26_58
Post on 13-Dec-2015
215 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Lucien Pliskin Le béton
Ci-dessus : un malaxeur pour béton employé sur les chantiers du Métropolitain de la place St-Michel à Paris en 1907. Système Gauhe, ingénieur à Cologne, représenté par M. Hanker, concessionnaire du brevet en France. Extrait de la Nature, 1907.
Plus de quatre milliards de mètres cubes de béton sont
coulés chaque année dans le monde . C e matériau permet de
construire des ouvrages de toute nature et, no tamment , des
bâtiments, des immeubles d'habitation, des ponts , des routes, des
tunnels, des barrages, des centrales thermiques et nucléaires ainsi
que des plates-formes d'exploitation pétrolière off shore.
Le développement de l 'emploi d 'un matériau de construc
tion repose sur des critères techniques et économiques. La résis
tance mécanique et la durabilité du matériau fondent les princi
paux critères de choix techniques. La disponibilité et le faible coût
des matières premières, la facilité d 'emploi et le prix de revient du
matériau valident les conditions économiques.
Le béton répond parfaitement à ces conditions de choix :
- il est fabriqué à partir de matières premières naturelles
largement répandues à la surface de la terre ;
- sa mise en œuvre est aisée et ne nécessite que l'emploi
d 'une main-d 'œuvre rapidement formée ;
- il autorise les plus grandes audaces architecturales et
techniques, puisque, mis en place à l'état fluide, il épouse les
formes de moules ou de coffrages les plus complexes ;
- sa résistance mécanique dépasse aujourd'hui largement
celle des meilleures roches naturelles ;
- sa durabilité est plus que séculaire dès lors qu'il est
correctement formulé et mis en œuvre ; il s 'accommode des
environnements corrosifs et résiste bien, en particulier, aux ac
tions agressives de l'eau de mer ; il offre une bonne tenue au feu,
garantie de sécurité vis-à-vis des incendies ;
- son prix de revient, enfin, fait du béton le matériau de
construction par excellence.
Le béton est probablement le plus ancien matériau compo
site. Il est fabriqué à partir d 'un mélange int ime de ciment, de
granulats, de fines et d'ultrafines, d'adjuvants et d'eau. Ces
constituants sont dosés, en fonction de leurs propriétés propres,
de manière à obtenir, après réaction physico-chimique entre eux,
un produi t solide don t les caractéristiques physiques et mécani
ques peuvent être très supérieures à celles des roches les plus
résistantes. Dans la mesure où le ciment est un liant hydraulique
lui-même fabriqué avec des minéraux naturels, le béton peut être
considéré comme une roche artificielle.
D'aucuns font remonter l 'invention du béton à la plus haute
Antiquité, puisque Pline l'Ancien rapporte que les colonnes de
certains monuments égyptiens, datant de plus de 4 000 ans, ont été
réalisées avec une pierre artificielle fabriquée à partir d 'un mélange
de granulats et de gypse calciné. Il est en tout cas patent que Grecs
et Romains ont construit des édifices avec des matériaux dont les
c o m p o s a n t s p r ima i r e s s ' a p p a r e n t e n t à ceux des b é t o n s
d'aujourd'hui ; ils mettaient en œuvre un mélange de sable, de
pierres, de briques argileuses pilées et de chaux calcinée, dans lequel
on retrouve effectivement les composants élémentaires des bétons
actuels. Le pont du Gard, entre autres, témoigne encore aujourd'hui
de l'utilisation de ces premiers mortiers et bétons.
L'invention du ciment, généralement attribuée à John
Smeaton, vers 1756, ainsi que les développements apportés par
Joseph Aspdin, qui déposa en 1824 un brevet sur la fabrication du
« ciment de Port land », et par Louis-Joseph Vicat, à la même
époque, sont cependant à l'origine de la naissance ou de la
renaissance du béton. Le ciment est en effet le composant essentiel
du mélange à partir duquel est fabriqué le béton : les réactions
physico-chimiques complexes qui se produisent entre le ciment,
l'eau et les autres composants, qui consti tuent ce qu'il est coutume
d'appeler le phénomène de durcissement du béton, conduisent à
la formation d 'un solide don t les différents éléments sont
rigidement liés.
L'utilisation effective du béton n 'a cependant pu se répan
dre qu'avec l ' invention du béton armé.
C o m m e les roches naturelles, le bé ton n'offre q u ' u n e
résistance limitée à la traction, alors m ê m e que sa résistance à la
compression peut at teindre des valeurs très élevées. Claude
Perrault comprend dès 1670, sur le chantier du Louvre, qu'i l
convient de pallier l'insuffisante résistance à la traction de la
maçonnerie de pierre taillée par l 'adjonction de tirants métalliques.
Jean-Baptiste Rondelet , entre autres, généralise ce procédé de
renforcement vers 1780 pour édifier le d ô m e d u Pan théon ; il lie
les voussoirs à la fois par des tirants, ancêtres des armatures
longitudinales, et par des ferrures obliques, précurseurs des
armatures transversales d u béton armé.
Repris, ou réinventés, ces concepts conduisent à conférer au
béton la capacité de résister aux efforts de traction par la mise en
place d'armatures en acier (initialement en fer) en son sein.
L'invention du béton armé est attribuée à Joseph Lambot ,
qui, en 1848, fait flotter une barque en « ciment armé », et à
Joseph Monier , qui, indépendamment , produi t en 1849 des bacs
à fleurs avec ce même matériau. François Coignet construit une
première maison en 1855 à Saint-Denis. L'emploi du béton armé
dans les structures s'étend dès lors rapidement en France sous
l ' impulsion d'entrepreneurs et d'ingénieurs tels que Monier ,
Coignet, Hennebique et Considère. François Hennebique bâtit
en 1892 le premier immeuble en béton armé à Paris. Le premier
pon t est réalisé par Maillart à Viggen, en Suisse, en 1905. Dès
1906, une circulaire ministérielle française fixe les « Instructions
relatives à l 'emploi du béton armé », codifiant ainsi pour la
première fois la conception et le calcul des structures met tant en
œuvre ce matériau.
L'invention du béton précontraint par Eugène Freyssinet,
vers 1930, apporte un nouvel élan à l 'emploi du béton. U n pas
conceptuel important est alors franchi, qui constitue « une véri
table révolution dans l'art de construire », tant par la mise en
p r a t i q u e d u p r i n c i p e de la p r é c o n t r a i n t e q u e p a r
l 'approfondissement de la compréhension du compor tement
mécanique et rhéologique du béton. L'emploi de la précontrainte
autorise, en effet, la maîtrise de la distribution des contraintes
dans la matière. Elle permet donc d'exploiter au mieux la grande
résistance à la compression du béton, tout en éliminant les
inconvénients liés à sa faible résistance en traction. Le béton peut
dès lors être utilisé de façon optimale.
Freyssinet rencontre au cours des années trente de nom
breuses difficultés pour faire adopter ses procédés. C'est la
reconstruction qui suit la Seconde Guerre mondiale, dans une
époque de pénurie de matériaux de construction, qui assure la
généralisation de l 'emploi du béton précontraint pour la cons
truction des ouvrages d'art français.
L'empirisme initial des inventeurs du béton armé laisse peu
à peu la place à des approches plus scientifiques. U n e meilleure
compréhension du compor tement physico-chimique du béton,
permise par les travaux de recherche menés dans de nombreux
laboratoires, est à l'origine d 'un nouveau bond qualitatif et
quantitatif de ses propriétés. Les améliorations apportées par
l ' industrie du ciment à la qualité de ses produits , l 'emploi d'adju
vants réducteurs d'eau élaborés à base de naphtalènes sulfonates
ou de mélamines, ainsi que l 'addition d'ultrafines aux constituants
du béton permet tent la fabrication de bétons à très faible porosité.
Ces bétons, dits à hautes performances (BHP) , offrent des carac
téristiques physiques et mécaniques é tonnamment élevées qui en
font des matériaux nouveaux. D'ores et déjà, en France, les
« Règles techniques de conception et de calcul des ouvrages et
constructions en béton armé et en béton précontraint suivant la
méthode des états-limites» datées de 1991 , appelées règles
BAEL 91 et BPEL 9 1 , autorisent l 'emploi de bétons don t la
résistance à la compression atteint 60 à 70 MPa. En fait, des
ouvrages ont déjà été réalisés avec des bétons de 100 MPa. En
laboratoire, on fabrique des bétons don t la résistance dépasse
600 MPa. C'est dire que les bétons de demain n 'auront que peu
de rapport avec les bétons courants d 'aujourd 'hui , don t la résis
tance n'est que de l 'ordre de 30 MPa . Le béton est plus que jamais
un matériau plein d'avenir.
COMPOSANTS DU BÉTON Le terme « béton » recèle une ambiguïté. Le matériau doit
en effet être considéré sous deux formes :
- le béton frais, mélange homogène de matières premières
solides en suspension dans l'eau : c'est l'état dans lequel il se trouve
lors de sa fabrication. Il se trouve en état foisonné dans et à la sortie
des appareils assurant l 'obtention d 'un mélange homogène, et en
état compacté dans son coffrage, après mise en place et damage,
serrage ou vibration ;
- le béton durci, solide don t les propriétés physiques et
mécaniques s'acquièrent au cours des réactions physico-chimi
ques qui se déroulent entre ses composants à vitesse relativement
rapide au début, puis à vitesse fortement décroissante avec le
temps.
Le béton est un matériau composite ; ses propriétés dépen
dent de la nature et de la qualité de ses composants mais aussi de
leurs proport ions relatives. S'agissant des propriétés, il convient
de distinguer celles qui concernent le béton frais et le béton durci.
Les matières premières
A titre d'exemple, la composit ion pondérale d 'un béton
courant, c'est-à-dire le poids des différents composants permet-
tant de fabriquer 1 m 3 de béton durci, est la suivante : granulats,
1 800 kg ; ciment, 350 kg ; eau, 180 kg ; à quoi s'ajoutent éven
tuellement quelques 10 à 20 kg d'adjuvants.
Quel que soit le béton, il est fabriqué avec du ciment, des
granulats, de l'eau, des adjuvants. Les granulats peuvent inclure
des fillers et, éventuellement, des ultrafines.
Le ciment
Le ciment se présente sous la forme d 'une poudre fine de
couleur grise ou blanche. La dimension des grains de ciment est
caractérisée par la valeur de la finesse Blaine qui mesure la surface
totale des grains contenus dans 1 gramme ; la finesse Blaine des
ciments est de l 'ordre de 3 500 à 4 500 cm 2 /g . La dimension ca
ractéristique des grains de ciment est d'environ 30 à 50 |i .
O b t e n u par cuisson à 1450°C d 'un mélange homogène de
calcaire et d'argile, dans la proport ion 80 % / 2 0 %, c'est un
produi t complexe constitué essentiellement de silicate tricalcique
3 C a O , S i 0 2 , de silicate bicalcique 2 C a O , S i 0 2 , d 'aluminate
tricalcique 3 C a O , A 1 2 0 3 et de ferro-aluminate tétracalcique
4 C a O , A 1 2 0 3 , F e 2 0 3 . Ce sont pr inc ipa lement les silicates
tricalcique et bicalcique qui confèrent au béton sa résistance ;
selon leur nature, les ciments cont iennent entre 40 et 70 % de
silicate tricalcique et entre 10 et 30 % de silicate bicalcique.
Mélangé à l'eau, le ciment forme une pâte qui fait prise et
durcit progressivement dans l'air ou dans l'eau. C'est le compo
sant fondamental du béton, puisqu'il permet la transformation
d 'un mélange sans cohésion en un corps solide.
Les granulats
Les granulats rocheux sont constitués par les sables, les
gravillons et les cailloux. Ils forment le squelette du béton.
Les granulats sont d 'origine détr i t ique, sédimentaire,
m é t a m o r p h i q u e ou éruptive. O n dist ingue les granulats roulés,
extraits de ballastières naturelles ou dragués en rivière ou en mer,
et les granulats concassés, ob tenus à part ir de roches exploitées
en carrière.
Ils sont classés en fonction des dimensions de leurs grains.
La courbe granulométrique représente la distribution en pour
centage des poids des matériaux passant dans des tamis et passoi
res de dimensions normalisées.
Par convention, on appelle sables les grains de dimensions
comprises entre 0,08 m m et 5 m m , gravillons ceux dont les
dimensions sont comprises entre 5 et 25 m m et cailloux ceux dont
les dimensions sont supérieures à 25 m m . Pour les ouvrages
courants, les granulats n ' incluent que des sables et des gravillons.
Les granulats doivent être propres et chimiquement inertes vis-
à-vis du ciment, de l'eau et de l'air. Ils doivent répondre à certaines
exigences de forme, de texture de surface, de résistance à la compression,
de résistance à l'abrasion, de porosité et de tenue au gel.
Les fillers
Les fillers sont obtenus par broyage ou pulvérisation de
certaines roches telles que les calcaires, les kieselguhrs ou les
bentonites. Ils ont une finesse comparable à celle du ciment.
Les ultrafines
Les ultrafines sont des particules de très faibles dimensions.
Leur dimension caractéristique est de l 'ordre de 50 à 100 nm, soit
1000 à 500 fois moins que celle des grains de ciment. Addit ion
nées en quantités de l 'ordre de 5 à 10 % du poids de ciment, elles
améliorent considérablement les caractéristiques physiques et
mécaniques des bétons. Elles sont utilisées pour la fabrication des
bétons à hautes et à très hautes performances.
Les fumées de silice, sous-produits de l'industrie électro
métallurgique, sont les ultrafines les plus couramment employées à
ce jour. Elles contiennent entre 70 et 95 % d'oxyde de silicium S i 0 2
sous forme de microsphères d 'un diamètre de l'ordre de 20 à 50 nm.
L'eau
L'eau, dite eau de gâchage, doit présenter les propriétés
d 'une eau potable.
Les adjuvants
Les adjuvants sont des produits chimiques incorporés en
faibles quantités au béton frais afin d 'en améliorer certaines
propriétés. Ils représentent entre 1 et 3 % du poids du ciment.
Leur rôle et leur efficacité dépendent de la nature du produit
chimique et de l 'homogénéité de leur répartition dans la masse du
béton frais.
Les principaux adjuvants sont :
- les plastifiants et fluidifiants réducteurs d'eau, qui rem
plissent deux fonctions : il permettent , d 'une part, d 'obtenir des
bétons frais à consistance fluide et même liquide ; à maniabilité
donnée, ils offrent, d 'autre part, la possibilité de réduire la
quanti té d'eau nécessaire à la fabrication et à la mise en place du
béton frais. Ce sont des résines mélamines ou des naphtalènes
sulfonates. Leur action s'exerce par défloculation et dispersion par
répulsion électrostatique des grains de ciment en solution dans
l'eau, et leur durée d'activité n'excède pas 1 ou 2 heures ;
- les retardateurs de prise du ciment, qui prolongent la
durée pratique d'utilisation du béton frais. Ce sont généralement
des sucres ou des lignosulfonates. Ils sont utiles pour le transport
du béton sur de grandes distances ou pour sa mise en place par
pompage, particulièrement par temps chaud ;
- les accélérateurs de prise et de durcissement, qui permet
tent , p o u r les premiers , la réalisation de scellements ou
d 'étanchements et, pour les seconds, une acquisition plus rapide
de résistance du 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 micro-bulles d'air réparties de façon
homogène.
L'influence des adjuvants peut varier sensiblement en fonc
tion de la nature et de la composition du ciment ; des problèmes de
compatibilité peuvent apparaître entre adjuvants et ciments.
La composition du béton
En se limitant aux points de vue du maître d'ouvrage, du
concepteur et de l'entreprise qui réalise les travaux, un béton peut
être caractérisé par trois critères : la durabilité et la résistance à la
compression du béton durci, qui garantissent la pérennité et la
sécurité des ouvrages, d 'une part, et, d 'autre part, la consistance
ou la maniabilité du béton frais, qui mesure sa facilité de mise en
œuvre. Ces propriétés dépendent de la qualité des constituants,
mais aussi de la composit ion du béton, c'est-à-dire des quantités
des divers constituants contenus dans 1 m 3 de béton en place.
Dès 1898, René Féret a établi les principes d'optimisation
de la composit ion conduisant à l 'obtention de bétons de résis
tance spécifiée. Il a énoncé la relation qui lie la résistance à la
compression fc d 'un béton aux volumes de ciment c, d'eau e et de
vides v contenus dans une unité de volume de béton durci :
Cette expression met en évidence le fait que la résistance fc
croît avec le dosage en ciment, c'est-à-dire avec le poids de ciment
contenu dans 1 m 3 de béton durci, les coefficients k dépendant de
la nature des granulats et du ciment.
Elle mont re aussi que la résistance décroît lorsque croissent
la quanti té d'eau et le volume des vides contenus dans le béton. Si
la quanti té d'eau e est supérieure à celle qui est str ictement néces
saire pour l'hydratation du ciment, il subsistera de l'eau excédentaire
qui, après évaporation, laissera des vides s'ajoutant aux vides
physiques de volume v. Le béton présentera une certaine porosité
du fait de ces vides.
La formule de Féret met donc en évidence le fait que, pour
un dosage donné de ciment, la résistance est d 'autant plus grande
que la teneur en eau du béton frais est plus réduite, c'est-à-dire que
la porosité du béton durci est plus faible. Depuis Féret, de
nombreuses méthodes ayant pour objectif la minimisat ion de la
porosité et donc, en pratique, du volume (e+v), on t été proposées.
Il n'est cependant pas possible de diminuer fortement la teneur en
eau, car o n obtient des bétons frais très peu fluides, donc très
difficiles à mettre en place.
C'est l 'emploi d'adjuvants modernes, les superfluidifiants
réducteurs d'eau, qui permet de réduire le dosage en eau tout en
améliorant la maniabilité des bétons frais. Ces adjuvants sont à
l'origine d u développement des bétons à hautes performances.
Alors que les valeurs du rapport pondéral E / C des bétons
courants sont comprises entre 0,50 et 0,60, celles des bétons à
hautes performances (BHP) s'étagent entre 0,15 et 0,40 ; il en
résulte que, si la porosité des bétons ordinaires est de l 'ordre de 15
à 20 %, celle des B H P est inférieure à 7 % dès lors que le rapport
E / C est inférieur à 0,40. Les très faibles porosités ne peuvent être
obtenues que par l 'addition d'ultrafines, telles que les fumées de
silice, don t l 'extrême finesse des grains permet u n comblement
des vides subsistant entre les grains de ciment. Les bétons à hautes
et à très hautes performances offrant une maniabilité correcte sont
donc fabriqués en ajoutant aux composants classiques du béton
de faibles quantités d'adjuvants réducteurs d'eau et d'ultrafines.
A titre d'exemple, les dosages courants en ciment varient de
150 à 300 kg pour le béton non armé et de 250 à 400 kg pour le
béton armé. Ils sont compris entre 3 50 et 400 k g / m 3 pour le béton
précontraint.
FABRICATION ET MISE EN ŒUVRE DU BÉTON
Le mélange, convenablement dosé, de granulats, de ciment,
d'eau, d'adjuvants et éventuellement d'ultrafines est homogénéisé
dans des malaxeurs ou des bétonnières.
Les malaxeurs sont consti tués par des cuves cylindriques
fixes, en général à axe vertical, munies de systèmes de palettes
qui , par ro ta t ion au tour d ' un axe vertical excentré ou n o n ,
brassent énerg iquement le mélange p e n d a n t environ 60 se
condes. Ces appareils sont utilisés p o u r la fabrication industrielle
des bétons prêts à l 'emploi (BPE) ainsi que sur les grands
chantiers, car ils permet tent des product ions horaires importantes
de bé ton (plus de 100 m 3 / h ) .
Les bétonnières sont des cuves cylindro-coniques, compor
tant des palettes fixées sur leur paroi, qui tournent autour d 'un axe
horizontal ou légèrement incliné. Des orifices situés aux extrémités
de la cuve permet tent l ' introduction des constituants et la vidange
du béton frais. Le brassage des constituants du béton s'y effectue
essentiellement par gravité pendant 2 à 3 minutes environ.
Les bétonnières portées sur châssis de camion, d 'une capacité
utile de 4 à 10 m 3 , permet tent le transport du béton préalablement
fabriqué en malaxeur ou en bétonnière. Leur cuve est animée
d 'une rotation à faible vitesse afin de maintenir l 'homogénéité du
béton. Le béton peut aussi être transporté par bennes ou par tapis
convoyeurs. Il est repris par des bennes de faible capacité et
conduit au droit des coffrages au moyen de grues. Il peut aussi être
apporté à pied d 'œuvre par des pompes à béton qui permet tent
son transport dans des canalisations sur environ 300 m hori
zontalement et 150 m verticalement.
Le béton frais foisonné mis en place dans les coffrages est
compacté. La mise en vibration du béton permet d 'obtenir ce
serrage par liquéfaction locale du mélange à consistance plastique.
Le volume des vides est réduit et le bon remplissage du coffrage
ainsi que l 'enrobage des armatures sont assurés. Trois moyens
sont couramment utilisés pour vibrer le béton : la pervibration,
qui consiste à introduire dans le béton frais des aiguilles vibrantes,
cylindres de 25 à 50 m m de diamètre et de 30 à 50 cm de longueur
à l 'intérieur desquels u n balourd excentré tourne à une vitesse de
l 'ordre de 10 000 tours /minute ; la vibration extérieure du cof
frage lui-même par des vibrateurs fixés sur ce coffrage ; la vibra
t ion superficielle par règles vibrantes utilisée un iquement pour
des éléments de faible épaisseur tels que les routes ou les dallages.
Il est impératif d 'empêcher toute dessiccation superficielle
du béton lors du début de son durcissement. C'est l'objet de la
cure, opération don t le but est de prévenir l 'évaporation de l'eau
causée par l 'ensoleillement ou le vent à l'interface béton-atmos
phère. La technique employée consiste soit à arroser pendant
quelques jours d 'une pluie fine d'eau la surface exposée du béton,
soit à la recouvrir de toiles maintenues humides, soit encore à la
revêtir, par peinture ou par pulvérisation, d ' un mince film imper
méable d 'un produi t de cure.
Le béton durci
Le béton frais compacté dans son coffrage est constitué par
une pâte de ciment de consistance plastique enrobant les granulats.
Après une période dormante d 'une à deux heures, le ciment fait
prise. C'est au cours de cette période que débutent le processus
exothermique d 'hydratat ion du ciment et le durcissement de la
pâte aboutissant à la formation d 'une matrice solide de ciment
hydraté. Parallèlement, des réactions chimiques se développent
entre l'eau, le ciment, ses produits d 'hydratat ion et les granulats
à l'interface matrice-granulats qui donnen t naissance à une auréole
de transit ionoù se crée la liaison entre la matrice et les granulats.
Cette période de durcissement se poursui t pendan t plusieurs mois
au cours desquels se complète, à vitesse décroissante, l 'hydratation
du ciment. Avec les ciments courants, la résistance atteinte à
28 jours représente 85 à 90 % de la résistance maximale.
Constituants du béton durci
L'analyse microstructurelle d 'une matrice de ciment Portland
durci, à peu près totalement hydratée, fait apparaître la compo
sition typique suivante : 55 % de silicates de calcium hydratés
complexes (CSH ou tobermorite) , 20 % d'hydroxyde de calcium
( C a ( O H ) 2 ) , 10 %demono-etdet r i -su l foa luminates(e t t r ingi te) ,
7 % d'eau et 8 à 15 % de vides.
Les C S H se présentent à l'examen microscopique en feuillets
très minces enroulés sur eux-mêmes, formant des fibres tubulaires
enchevêtrées d 'un diamètre de quelques fractions de micron. Ces
cristaux recouvrent les grains anhydres de ciment, leur donnan t
un aspect de hérissons. Les propriétés mécaniques de résistance de
la matrice sont dues principalement aux C S H . La chaux, C a ( O H ) 2 ,
cristallise sous la forme de portlandite en plaquettes hexagonales
empilées entre les grains de ciment partiellement hydratés.
L'ettringite cristallise en aiguilles à base hexagonale parsemées
dans les fibres de C S H .
Les vides subsistant dans la matrice résultent de l'existence
de pores et de capillaires, emplis ou non d'eau excédentaire, qui
se sont formés en son sein. Les diamètres de ces pores s'étagent de
quelques nanomètres à 20 nanomètres, celui des capillaires est de
l 'ordre de 0,1 [L C'est leur volume cumulé qui mesure la porosité
de la pâte durcie. O n vérifie expérimentalement, comme l'avait
montré Féret, que les propriétés mécaniques de cette pâte, telles que
la résistance à la compression ou le module de déformation, sont des
fonctions exponentielles inverses de la valeur de la porosité : elles
sont d'autant plus grandes que la porosité est plus faible.
Le béton est donc un matériau composite complexe, forte
ment hétérogène puisque constitué de granulats dont les d imen
sions varient de 0,1 à 25 m m ou plus, de ciment dont la dimension
caractéristique des grains est de l 'ordre de 30 à 100 |i , de cristaux
d'hydrates de l 'ordre de 0,1 | i , éventuellement d'ultrafines de
0,1 n m à 0,5 JLX et de vides de quelques nanomètres.
PROPRIÉTÉS PHYSIQUES
O n distingue, un peu arbitrairement, les propriétés physi
ques des propriétés mécaniques des bétons. Elles procèdent
toutes, en fait, de leur degré de porosité.
- Poids volumique : il varie entre 23 et 24 k N / m 3 pour les
bétons ordinaires ; i l a t t e i n t25 k N / m 3 pour les B H P . Laprésence
d'armatures dans le béton armé ou précontraint conduit à prendre
en compte dans les calculs un poids volumique de 25 k N / m 3
(2.500 kg /m 3 ) pour les bétons courants.
- Imperméabili té : le béton est d 'autant plus imperméable
que la porosité est plus faible. Les bétons don t le rapport E / C est
inférieur à 0,40 sont pra t iquement imperméables à l'eau : leur
perméabilité ne peut plus être mesurée.
- Résistance aux agents agressifs : les bétons compacts et à
porosité réduite offrent une grande résistance aux effets corrosifs
de divers agents agressifs. Ils présentent, en particulier, une
excellente tenue vis-à-vis des effets corrosifs de l'eau de mer.
- T e n u e au feu : la résistance du béton aux incendies est
excellente.
- Durabili té : les diverses propriétés physiques des bétons
lui confèrent une grande durabilité. Réalisées correctement, selon
les règles de l'art, les structures en béton conservent donc leur
apti tude au service pendant toute leur durée de vie prévue, sans
nécessiter de coûteuses réparations.
PROPRIETES MÉCANIQUES O n ne considère ici que les propriétés prises en compte par
l 'ingénieur de génie civil. D e ce point de vue, un béton est défini
par les caractères suivants :
- Résistance à la compression : un béton est défini par la
valeur de sa résistance caractéristique à la compression à 28 jours,
fc28. En France, par convention, la résistance à la compression du
béton est mesurée par la charge conduisant à l 'écrasement par
compression axiale d 'une éprouvette cylindrique de 16 cm de
diamètre et de 32 cm de hauteur. Les bétons courants ont une
résistance de 20 à 30 MPa, ceux de qualité atteignent 40 à
50 MPa, et les bétons à hautes performances peuvent dépasser
100 MPa. Le diagramme représentatif de la loi de compor tement
du béton mont re que la contrainte maximale de compression fc est
atteinte pour une déformation de l 'ordre de 2.10" 3. La ruine de
l 'éprouvette se produi t pour une déformation e r de l 'ordre de
3,5.10 "3. La pente de la partie linéaire du diagramme définit le
module d'élasticité instantané E ; (module de Young). Sa valeur
peut être évaluée par des relations empiriques telles que celle
donnée par les règles françaises :E; = 11.000 fc
1/3 (MPa). U n béton
de 40 M P a de résistance a donc un module de déformation
longitudinale instantanée de l 'ordre de 38 GPa.
- Résistance à la traction : la résistance à la traction est
environ égale au 1/10 de la résistance à la compression.
- Coefficient de dilatation : la valeur du coefficient de
dilatation linéaire est généralement prise égale à 1.10"5. En fait,
cette valeur s'étend de 0,8.10" 5 (béton à granulats calcaires) à
1,2.10 5 (béton à granulats siliceux).
- Propriétés rhéologiques : Tous les matériaux, et, entre
autres, le béton, sont, à des degrés divers, visco-élastiques. Le
facteur temps intervient donc dans leur comportement et dans la
formulation de leurs déformations. Il faut donc distinguer les
déformations instantanées des déformations différées qui se pro
duisent au cours du temps. Ceci est particulièrement vrai pour le
béton, dont la résistance s'accroît asymptotiquement avec le temps,
au fur et à mesure que se complète l 'hydratation du ciment.
Retrait : le béton est l'objet de retrait, c'est-à-dire d 'une
réduction dimensionnelle, en l'absence de chargement, due
essentiellement à l'évaporation de l'eau excédentaire interne. Pour
l'ingénieur, le retrait est une déformation différée se produisant en
l'absence de charge. Il croît avec le temps, pour tendre après
quelques années vers une limite qui dépend notamment de la
composition du béton, des dosages en ciment et en eau, de
l'épaisseur des pièces et de l 'humidité relative de l 'atmosphère
environnante. Dans les conditions climatiques françaises, le retrait
unitaire total est de l'ordre de 2 à 3.10" 4. C'est entre autres l'exis
tence du retrait qui justifie la création de joints dans les structures.
- Fluage : le fluage du béton est le processus continu de
déformation d 'un élément sur lequel s'exerce une charge cons
tante ou variable. Il est fonction no t ammen t des caractéristiques
et de l'âge du béton lors du chargement, de l'épaisseur de
l 'élément, de l 'hygrométrie environnante et du temps. Le fluage
est un phénomène complexe, constaté mais non encore bien
compris. Il serait lié à des effets de migration d'eau dans les pores
et les capillaires de la matrice, ainsi qu 'à un processus de
réaménagement de la structure des cristaux hydratés du liant.
La déformation d 'un élément en béton soumis à un charge
men t de longue durée est donc la somme de la déformation
différée, due au fluage, et de la déformation dite instantanée.
Cette dernière se produi t sous l'effet d 'un chargement de courte
durée (jusqu'à quelques heures). Elle peut être évaluée à partir de
la valeur du module instantané E{. Par ailleurs, le chargement
étant maintenu constant, on constate que la déformation croît
lentement, à vitesse décroissante, jusqu'à atteindre, après plu
sieurs années, sa valeur maximale. La valeur de cette déformation
différée est, en ordre de grandeur, le double de celle de la
déformation instantanée. Dans ce cas, le module vrai du béton Ev
est égal à E / 3 .
C'est Eugène Freyssinet qui, le premier, dès 1912, a mis en
évidence ce phénomène et en a mesuré les conséquences sur le
compor tement des structures en béton armé ou précontraint
(réduction de la résistance sous charges soutenues, pertes de
précontrainte, redistribution de moments) .
UTILISATIONS DU BÉTON Le béton seul n'est pra t iquement utilisé que pour la cons
t r u c t i o n de chaussées rout iè res et au to rou t i è r e s , ou de
barrages poids. En règle générale, les ouvrages, quelle que soit leur
nature, sont réalisés en béton armé ou en béton précontraint.
Le béton armé
Le béton armé est le matériau composite constitué par du
béton et par des armatures en acier judicieusement disposées.
U n élément de structure est généralement l'objet de solli
citations de flexion, d'effort normal et d'effort t ranchant quand
il est soumis à l 'action de charges. Les moments de flexion sont
équilibrés dans une section donnée de la pièce par des contraintes
normales don t la valeur varie linéairement sur la hauteur de la
section. Elles sont maximales sur les fibres extrêmes ; ce sont, par
exemple, des contraintes de compression dans la partie supérieure
de la section, et de traction dans sa partie inférieure. Si la
contrainte de traction atteint la résistance à la traction du béton,
résistance dont on a dit qu'elle est relativement faible, celui-ci se
rompt . Cet te rupture est évitée en disposant des barres d'acier, ou
armatures, dans la zone où les contraintes de traction sont
maximales. Le m o m e n t est alors équilibré, d 'une part, par les
contraintes de compression qui se développent dans la partie
supérieure de la section et, d 'autre part, par l'effort de traction qui
s'exerce alors dans les armatures longitudinales disposées en partie
inférieure. D e même, les efforts tranchants sont à l'origine de
contraintes de cisaillement réparties sur la hauteur de la section.
Celles-ci sont reprises par des armatures transversales, cadres et
étriers, en général perpendiculaires aux armatures longitudinales.
Cette disposition permet d'utiliser au mieux la capacité élevée de
résistance à la compression du béton, tout en palliant sa faible
résistance à la traction.
Le compor tement normal d 'une pièce en béton armé
suppose une fine fissuration des zones tendues. La durabilité n'est
pas affectée dès lors que l 'ouverture des fissures demeure infé
rieure à 0,1 m m en environnement agressif, et à 0,3 m m en milieu
non agressif : de telles ouvertures ne permettent pas la corrosion
des armatures en acier, le béton consti tuant un milieu basique qui
protège les aciers par passivation. Il est à noter que le composite
béton-acier ne présente un compor tement satisfaisant que parce
que le béton et l'acier ont à peu près le même coefficient de
dilatation thermique.
Le béton armé est utilisé pour la construction de bâtiments,
d'usines, de couvertures en coques minces, de réservoirs et de silos
de petite capacité, de ponts de petite portée, de routes, d'ouvrages
de fondation, d'ouvrages portuaires.
Le béton précontraint
Bien que constitué aussi par du béton et des armatures, le
béton précontraint se différencie fondamentalement du béton
armé. « Précontraindre une construction, c'est la soumettre,
avant application des charges, à des forces additionnelles détermi
nant des contraintes telles que leur composit ion avec celles
provenant des charges donne en tout point des résultantes infé
rieures aux contraintes limites que la matière peut supporter
indéfiniment sans altération. » Cet te définition est d 'Eugène
Freyssinet, l ' ingénieur qui construisit, vers 1935, les premières
structures en béton précontraint et qui, plus généralement, créa
de nouvelles techniques de construction consti tuant un saut
qualitatif historique dans la conception et la réalisation d'ouvra
ges de toute nature.
L'application du concept de précontrainte au béton con
duit à modifier artificiellement les contraintes subies par une
section d 'une poutre, afin qu'il n 'y subsiste plus de contraintes de
traction. Précontraindre une section en béton consiste donc à la
soumettre, avant sa mise en charge, à des contraintes de compres
sion permanentes distribuées de manière à s'opposer aux contraintes
de traction provoquées par les charges.
Ceci est en général obtenu par l'action d'armatures de
précontrainte tendues à leurs extrémités par des vérins reportant
l'effort de traction créé dans ces armatures sur les abouts de
l 'élément en béton durci. Des organes d'ancrage assurent la
permanence de l'effort de compression ainsi introduit dans le
béton. Les armatures de précontrainte sont constituées par des
torons, des fils ou des barres d'acier à haute limite élastique
disposés à l 'intérieur de conduits ou de tubes métalliques ou
plastiques. Ces aciers ont des résistances à la rupture de l 'ordre de
1800 à 2000 MPa. Ils sont principalement employés sous forme
de torons de 13 et 15 m m de diamètre, et de fils lisses ou crantés
de 5 à 12 m m de diamètre.
En fait, la précontrainte d 'un élément en béton peut
s'effectuer par post-tension, par pré-tension ou par compression
directe. Dans les procédés par post-tension, la précontrainte est
obtenue par l 'action d'armatures disposées dans des conduits
vides, et mises en tension postérieurement au coulage du béton et
après que ce dernier a acquis une résistance suffisante lui permet
tant d'être mis en compression. Après mise en tension, du mortier
de ciment est injecté sous pression dans les conduits afin de
protéger les torons, fils ou barres en acier contre toute corrosion.
Ce mode de précontrainte est utilisé dans tous les grands ouvrages
et, en général, lorsque les forces à mettre en jeu sont importantes.
Dans les procédés par pré-tension, les torons ou les fils d'acier
de précontrainte sont mis en tension préalablement au coulage du
béton dans les coffrages. Les armatures sont tendues en prenant
appui sur des culées fixes spécialement construites à cet effet. Après
coulage et durcissement du béton, les armatures sont libérées des
culées. Elles tendent à se raccourcir et mettent donc en compression
l'élément en béton, l'effort de traction des armatures étant transmis
au béton par adhérence. Ce procédé est employé essentiellement
pour la construction industrielle en grandes séries d'éléments pré
fabriqués standardisés tels que les poutrelles, les prédalles de bâtiment
ou les traverses de chemin de fer. La précontrainte par torons ou fils
adhérents consomme, en France, plus des trois quarts des aciers à
haute limite élastique utilisés en construction.
La mise en précontrainte d 'une structure en béton peut
enfin être réalisée en la met tan t directement en compression au
moyen de vérins prenant appui sur des culées fixes. C'est encore
Freyssinet qui, le premier, mi t en œuvre ce mode de précontrainte.
Il créa pour cela les vérins plats, outils extrêmement puissants et
d 'un faible coût. Ce mode de précontrainte, par la nécessité de
culées qu'il impose, n 'a que des applications limitées. Il a été
utilisé pour la construction de pistes d'aviation et de routes.
Le béton précontraint est utilisé dans les structures forte
ment sollicitées telles que les ponts à moyenne et grande portées,
les réservoirs de plus de 1500 m 3 , les réservoirs à hydrocarbures et
à gaz liquéfiés, dont certains ont une capacité unitaire de 80 000 m 3 ,
les enceintes de réacteurs nucléaires ou les plates-formes offshore.
Les autres bétons
Le béton est à la base d'autres modes d'utilisation. Le béton
léger, par l'emploi de granulats artificiels de faible masse volumique,
autorise la construction de structures de poids réduit ou d'éléments
à fort pouvoir d'isolation.
Le béton de fibres constitue un matériau composite obtenu
par l 'adjonction au béton, durant le malaxage, de fibres d'acier ou
de fonte ductile, de fibres de verre, de fibres de matières plastiques
ou de carbone. Selon les fibres, ces bétons acquièrent des propriétés
différentes toujours associées à une grande ductilité. Cette qualité
leur confère une bonne résistance aux effets des chocs durs.
Actuellement, le domaine principal d 'emploi des bétons de fibres
métalliques réside dans la réalisation de dallages industriels. Les
bétons de fibres de verre et plastiques sont utilisés pour la
fabrication d'éléments de mobilier urbain de faible épaisseur tels
que les revêtements de bâtiments ou les corniches de ponts .
Le béton compacté au rouleau (BCR) constitue un nouveau
champ d'utilisation du béton en cours de développement. Mis en
place selon des procédés qui s 'apparentent à ceux employés dans
les techniques de grands terrassements, il permet la construction
économique de barrages se substi tuant aux barrages en terre ou en
enrochements.
Quo ique millénaire, le béton est encore une matériau très
jeune. Dans son acception moderne, le terme « béton » désigne
un matériau dont l 'emploi n 'a commencé à se répandre qu 'au
début de ce siècle. Les dernières décennies ont vu la naissance de
nouveaux bétons aux performances sans c o m m u n e mesure avec
celles qu 'on prête habituellement à ce matériau. Ces nouveaux
bétons, qui seront ordinaires demain, sont appelés à modifier
profondément les modes de conception et de construction du
génie civil.
top related