béton de ciment: qualités requises

AB-1/40: BA, BP, BFUPCours CSB – ENTPE 3e année – VA Bâtiment

Conception des structures bâties, BA & BP

MAJ: 2012/08/24 Frédéric FUSO – STAC

Le BETON

On appelle coulis de ciment ou pate de ciment le mélange ciment et eau. On appelle mortier un mélange de coulis et de sable.

Le béton (mélange de ciment, d’eau, de granulats, et d’adjuvants éventuels) est un matériau qui se moule facilement, permet de réaliser des formes, a une bonne résistance à la compression.

La résistance à la traction du béton est très mauvaise (de l’ordre du 10e de sa résistance en compression).

Le béton a un comportement fragile: sa rupture et brutale, spectaculaire.




Béton de ciment: qualités requisesDans le passé, pour la composition du béton, on prescrivait desproportions théoriques de ciment, d’agrégat fin et d’agrégat grossier.L’élaboration des ciments a fait des progrès considérables, et larecherche sur le béton a produit de nombreuses formulationspermettant de garantir des qualités atteintes telles que :

minimum de vides internes, déterminant une résistance élevée ;bonne étanchéité améliorant la durabilité ;résistance chimique ;résistance aux agents extérieurs tels que le gel, l’abrasion, la

dessiccation.Le béton peut alors varier en fonction de la nature des granulats, desadjuvants, des colorants, des traitements de surface, et peut s’adapteraux exigences de chaque réalisation, par ses performances et par sonaspect.




Désignation et résistance




Environnement et usage

La norme donne pour les fabricants des critères minimaux à atteindrepour respecter ces exigences. Certains de ces critères étant envelopped’autres, le fabricant raisonnera sous la forme de tableau discriminantpour mettre au point sa formulation, comme indiqué diapo suivante,pour fabriquer par exemple un béton :BPS NF EN 206-1 C30/37 XC4 XD3 XF4 (L) Cl 0,20 Dmax 22 F3.




Tableau discriminant pour fabrication




Prise du bétonLa réaction chimique qui permet au béton de ciment de faire prise est assez lente : à peine 75 % de la résistance mécanique finale au bout de 7 jours.

La vitesse de durcissement du béton peut cependant être affectée par la nature du ciment utilisé et par la température du matériau lors de son durcissement. La réaction chimique est exogène et se déroule en 5 grandes étapes.




Prise du béton




Fluage du bétonSous chargement constant, la déformation du béton augmente avec le temps. Ce phénomène s’appelle le fluage. Les déformations de fluage sont loin d’être négligeables, et elles peuvent pour le béton représenter jusqu’à deux fois les déformations instantanées. Ainsi, le fluage est pris en compte dans certains modèles de calcul, notamment dans les modèles de calcul des dalles continues.




Retrait du bétonAprès coulage, une pièce de béton conservé à l’air tend à se raccourcir. Ceci est dû à l’évaporation de l’eau non liée avec le ciment et peut entraîner des déformations de l’ordre de 1,5.10-4 à 5.10-4 selon l’humidité de l’environnement. Ce phénomène s’appelle le retrait. Des pièces de béton conservées dans l’eau subissent, elles, un gonflement.

Le retrait commence dès le 1e jour de la vie de la pièce en béton et est achevé à 80% au bout de 2 ans. La principale conséquence du retrait est l’apparition de contraintes internes de traction, dont la valeur peut parfois influer sur la fissuration.

Adjuvants et dispositions constructives permettent de limiter le retrait.




Retrait du bétonIl existe plusieurs sortes de retrait, ayant des origines différentes.

+RETRAIT THERMIQUE + RETRAIT ENDOGÈNE




L’ACIER

L’acier a une résistance à la traction très élevée (400 à 500 Mpa) et pour des élancements faibles, une résistance à la compression équivalente.

L’acier a un comportement ductile (il se déforme très fortement avant la rupture).

L’acier, s’il n’est pas protégé, subit les effets de la corrosion.




Relaxation de l'acier

Quand un élément métallique dont les extrémités sont libres est soumis à une sollicitation permanente, sa déformation augmente légèrement au cours du temps. Cet effet, appelé fluage, est généralement négligeable et ne devient important que lorsque l’acier est fortement sollicité.

C’est notamment le cas pour les aciers actifs utilisés dans le principe du béton précontraint. L’ acier de précontrainte est soumis à un tel niveau de contrainte qu’il va s’allonger au cours du temps. Suite à l’allongement de l’acier par fluage, ce câble perd progressivement une partie de sa contrainte de traction. Cette variation, dite perte par relaxation de l’acier, peut être estimée grâce à des formules fournies par le règlement.




Relaxation de l'acier




Adhérence acier-béton: le béton armé

Pour palier à la faible résistance en traction du béton et à sa fragilité, on lui associe une armature en acier: cette association des 2 matériaux constitue ce qu’on appelle le béton armé.

Le béton armé n’existe que par l’adhérence de l’acier et du béton.

On met en évidence cette adhérence par des essais d’arrachement.




Essai d’arrachement




Essai d’arrachement (suite)

Lors d’essais d’arrachement, on obtient plusieurs types de ruptures:

rupture par traction de l’acier (ancrage parfait)

Rupture par glissement de la barre dans le béton

Destruction du béton par arrachement d’un cône de béton

On définit un bon ancrage comme un ancrage où quand la barre commence à glisser, l’acier a atteint sa limite d’élasticité.




Modélisation de l’ancrage

Serrage σAdhérence τ




Recouvrements et ancrages




Scellement des barres




Positionnement des aciers




Positionnement des aciers




Dispositions classiques en flexion




Dispositions sur poutre continue




Armatures




Armatures




Armatures




Treillis soudés




Treillis soudés




Disposition pour les dalles




Dalles (suite)




Dispositions en compression et semelles




Le béton précontraintLe béton précontraint est un matériau composite qui permet de se débarrasser de certains inconvénients du béton armé. Il est assez peu utilisé en bâtiment « classique », mais il est assez utilisé en préfabrication d’éléments. En ouvrage d’art, son usage est courant. Il permet de palier les quelques inconvénients du béton armé qui sont :

du fait de son poids, les structures sont assez peu élancées ;

à cause de la faible résistance à la traction, le béton armé fissure (il s’agit même de son fonctionnement normal, mais en fonction des conditions d’environnement la fissuration doit être maîtrisée) ;

sur le long terme, le béton subit les effets différés (fluage notamment).

Afin de s’affranchir de ces inconvénients, l’idée d’introduire un dispositif permettant de modifier les contraintes internes des sections de béton fait son chemin.




Béton précontraint












Mise en oeuvre




Subtilités du matériau




Béton fibré ultra performantCréés au début des années 1990, grâce d’une part aux progrès dans les domaines des adjuvants et de la formulation des coulis, d’autre part à l’adjonction de fibres de matériaux divers au mélange.

Les caractéristiques mécaniques de ces bétons sont particulièrement performantes, atteignant des résistances à la compression de l’ordre de 200 MPa, et de 40 MPa en flexion.

Ces bétons permettent donc d’envisager de se passer d’armatures passives dans certains éléments, ou encore de limiter les sections pour d’autres.




Béton et environnementConsidérons une poutre sur deux appuis de portée 7,5 mètres, reprenant une charge permanente de 75 daN/ml et une charge d’exploitation de 300 daN/ml.La masse propre des sections déterminées varie de 5 à 216 kg/ml.

Produire les matériaux pour mettre en œuvre ces sections a un effet sur l’environnement : l’acier, le béton et l’aluminium relâchent du CO2 dans l’atmosphère. Seul le bois en stocke.

Vient ensuite la question du transport de ces matériaux depuis leur lieu de production vers le chantier. Il sera difficile, sur le plan écologique, de justifier un choix constructif en bois loin d’une zone de sylviculture, car le stockage de carbone dans le matériau ne compensera pas la dépense en carbone due aux émissions liées au transport.




Pour aller plus loin

http://fewslinux.free.fr/CSB/CultureG/

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