Béton
Aspect hétérogène de la surface d'un
béton de ciment, appelé communément béton, et constitué de
ciment, d'eau et de
granulats fins (sable) et grossiers (graviers).
Le béton est un assemblage de matériaux de nature généralement minérale. Il met en présence des matières inertes, appelées granulats ou agrégats (graviers, gravillons, sables, etc.), et un liant (ciment, bitume, argile), c'est-à-dire une matière susceptible d'en agglomérer d'autres ainsi que des adjuvants qui modifient les propriétés physiques et chimiques du mélange. Mêlé à de l'eau, on obtient une pâte, à l'homogénéité variable, qui peut, selon le matériau, être moulée en atelier (pierre artificielle), ou coulée sur chantier1. Le béton fait alors « prise », c'est-à-dire qu'il se solidifie.
- Lorsque l'argile est employée, on parle traditionnellement de « pisé », de « torchis » ou, plus récemment, de « béton de terre2 », probablement le plus ancien de tous les bétons.
- Lorsque le ciment est employé comme liant, on obtient un « béton de ciment ». Lorsque les granulats utilisés avec le liant hydraulique se réduisent à des sables, on parle alors de mortier. On peut largement optimiser la courbe granulaire du sable, auquel cas on parlera de « béton de sable ».
- Un liant hydrocarboné (bitume) peut également être utilisé, ce qui conduit à la fabrication du « béton bitumineux ».
- Une nouvelle classe de béton émerge qui prend le nom de géopolymère. La géopolymérisation remplace la chaux par des bases plus puissantes comme la potasse ou la soude qui réagissent avec les argiles pour former une matrice vitreuse qui lie les grains entre eux3.
Le coulis (ciment, eau et adjuvants) et le mortier (ciment, sable, eau et adjuvants éventuels) diffèrent du béton (ciment, sable, gravier, eau et adjuvants éventuels) essentiellement par la taille des granulats (sable et gravier). Selon l'époque et les circonstances, on a pu faire des rapprochement entre ces différents matériaux qui tiennent à leur proximité physico-chimique4,5. On peut dire que les coulis et mortiers sont des cas particuliers simplifiés du béton, ou que le béton est un cas particulier de mortier.
Le béton de ciment associé à de l'acier pour reprendre les efforts de traction permet d'obtenir le béton armé ; associé à des fibres, il est connu sous l'appellation de béton fibré. A l'heure actuelle, le « béton » est l'un des matériaux de construction les plus utilisés au monde (deux tiers des habitations neuves dans le monde6). C'est aussi le deuxième matériau minéral le plus utilisé par l'homme après l'eau potable : 1 m3 par an et par habitant7. Son utilisation énergivore est source de multiples dégradations de l'environnement : la production du clinker entrant dans la composition des liants est responsable d’approximativement 5 % des émissions de gaz à effet de serre (GES) anthropiques8, principaux responsables du réchauffement climatique. De plus, la quête perpétuelle d’agrégats adaptés dont le sable, a conduit à la surexploitation de 75 % des plages de la planète, détruisant nombre d'écosystèmes littoraux6.
Le béton de terre est un matériau qui a mal survécu à la révolution industrielle. Son usage est motivé par des raisons économiques (matériau gratuit disponible à même le sol), écologiques (ne nécessitant pas de processus chimiques de transformation énergivore ou polluant et ne générant pas de déchets indésirables) et politiques : n'intéressant ni l'industrie — car pas de processus de transformation complexe —, ni le commerce, à cause de sa disponibilité immédiate, il est une option notamment pour les pays du tiers-monde, soucieux d'indépendance, d'autonomie et d'autosuffisance2.
Histoire
Le mot betun au sens de mortier est attesté dans le Roman de Troie (vers 1160-1170). Béton désigne d'abord (1636) une maçonnerie de chaux vive, gros gravier, blocailles, et cailloux, dont on fonde les bâtiments. Philibert Monet le traduit par le terme latin opus signinum dont la description originale est donnée par Vitruve au Ier siècle av. J.-C., sorte de bétonnage constitué de chaux, de sable et d'éclats de pierre, exempt de tuileaux, dont la compacité était obtenue au terme d’un damage intensif9. Il était en particulier employé dans des ouvrages de citerne.
« Le béton se pétrifie dans la terre et devient dur comme roc10. »
L'argile
Dans une définition plus large des bétons, les ouvrages de terre crue sont considérés comme étant des bétons. Le béton de terre est le premier de tous les bétons11.
L'argile, ou à défaut une terre argileuse, sous la couche d'humus (les anciens parlaient de « terre franche » sous la terre végétale) est présente dans beaucoup de sols, et constitue un mortier (voir l'article mortier de terre) qui peut être facilement mis en œuvre par moulage dans des techniques de brique de terre crue ou de banchage.
Les premières cités découvertes dans l'ancienne Mésopotamie étaient construites en terre crue, avant même l'invention de l'écriture. Ce matériau se dégradant plus rapidement que la pierre, il existe peu de vestiges aussi marquants que les pyramides d'Égypte. Ainsi, le Moyen-Orient et l'Asie centrale comptent de nombreux sites exceptionnels tels que Tchoga Zanbil (Iran), Mari (Syrie), Shibam (Yémen) ou Merv (Turkménistan).
La chaux
On voit par la suite la chaux associée à d'autres matériaux. La première utilisation du ciment remonte à l'antiquité égyptienne. En effet, un des mortiers les plus anciens, composé de chaux, d’argile, de sable et d’eau, fut utilisé dans la conception de la pyramide d'Abou Rawash, érigée aux alentours de 2600 av. J.-C., sous la IVe dynastie, mais également pour d’autres ouvrages.
La Rome antique et l'opus caementicium
Vers le Ier siècle apr. J.-C., la Rome antique reprend cette technique en l’améliorant avec l’incorporation de sable volcanique de Pouzzoles ou de tuiles broyées. La pouzzolane est associée à la chaux et maçonnée à des matériaux tout venant, les caementa. Elle forme une sorte de béton extrêmement résistant puisque beaucoup de bâtiments construits dans ce matériau présentent des vestiges encore debout. Comme le dit Vitruve dans son De architectura (livre II, chapitre 6), le mortier peut résister à l'eau et même faire prise en milieu très humide. Cette qualité est due à la présence d'une grande quantité de silicate d'alumine. En ajoutant à la chaux aérienne de la pouzzolane ou des tuileaux concassés, on la transforme artificiellement en chaux hydraulique. Ce n'est qu'en 1818 que Louis Vicat expliquera les principes de cette réaction, dans sa théorie de l'hydraulicité12.
L'opus caementicium est une maçonnerie de blocage, un conglomérat souvent réalisé entre deux parois de petit appareil. Il permet de réaliser les volumes considérables de maçonnerie des aqueducs, ponts, basiliques, etc. Ce système constructif est performant, économique, rapide, et ne nécessite aucune qualification de la main-d'œuvre, une bonne partie des matériaux étant employés sans préparation préalable13.
Le Panthéon de Rome est ainsi réalisé dans une sorte de béton14.
En souvenir de l'usage qu'on fit de la pouzzolane, les cendres volantes silico-alumineuses issues de la combustion des charbons schisteux brûlés en centrale thermique, employées dans la confection des ciments contemporains, sont appelées également « pouzzolane15 », de même que tous les matériaux et roches aux vertus pouzzolaniques.
La technique du béton, diffusée dans la Gaule romaine, est encore employée au début du Moyen Âge, même si elle est progressivement moins utilisée, au profit d'autres techniques, en particulier certains mortiers, ou des éléments plus décoratifs. Des exemples de sols en béton ont été observés par les archéologues dans des édifices de la fin du Xe siècle16.
Puis les artisans dédaignent cette pierre factice et oublient son usage. C'est seulement à partir des Lumières que quelques savants s'y intéressent à nouveau14.
La révolution industrielle et la chaux hydraulique
Du temps de Bernard Forest de Bélidor (XVIIIe siècle), on faisait dans l'eau beaucoup de fondations avec des pierres qu'on jetait à l'endroit où on voulait établir des bases ; on plaçait avec ces pierres du mortier susceptible de durcir dans l'eau (qu'on obtient alors toujours par un mélange de chaux aérienne, de tuileaux ou de pouzzolane, et de sable). On donnait le nom de « béton » à ce mortier et cette manière de fonder s'appelait « fondation à pierres perdues ». Cette méthode avait le grand inconvénient d'exposer à mettre trop de mortier à certains endroits et pas assez à d'autres puisque lorsqu'on fondait à une grande profondeur sous l'eau, la mauvaise visibilité empêchait de bien distribuer le mortier. Le versement du béton sous l'eau se faisait par différentes méthodes : trémies, caisses fermées pour éviter que le mortier soit délavé le temps de son immersion, etc.17,18. Par la suite, Vicat donna le nom de « mortier hydraulique » à celui qui a la propriété de durcir dans l'eau (Vicat le nomme aussi « béton », mais il entrevoit qu'il conviendrait de donner ce nom uniquement au mortier hydraulique dans lequel on a introduit des cailloux ou de la pierraille). On a par la suite donné le nom de « béton » uniquement au mélange de ce mortier avec des pierres concassées. « Ainsi le béton n'est autre chose qu'une maçonnerie faite avec de petits matériaux ; et en faisant sur terre le mélange du mortier hydraulique avec les pierres concassées on a le grand avantage d'obtenir dans l'eau un massif bien homogène. On forme ainsi une maçonnerie très dure si le mortier hydraulique que l'on a fait est de bonne qualité. On voit donc que la qualité du béton dépend principalement de celle du mortier hydraulique »19.
La révolution industrielle et le ciment Portland
Le pont du Jardin des plantes de
Grenoble, un des premiers ouvrages au monde en béton de ciment coulé
20, construit en 1855 par Joseph et Louis Vicat.
L'opinion généralement admise dans la seconde moitié du XVIIIe siècle est que c'est l'argile qui donne à la chaux la propriété singulière de durcir dans l'eau. L’Anglais John Smeaton l'expérimente dans la construction du phare d'Eddystone. Jusqu'au début du XIXe siècle, la manière de faire le mortier, qui a presque toujours été abandonnée aux ouvriers, est l'objet de nouvelles expérimentations, éclairées par les progrès récents de la chimie, qui a été promue en science exacte. En 1796, James Parker découvre sur l'île de Sheppey, en Grande-Bretagne, un calcaire suffisamment argileux pour donner après une cuisson à 900 °C un ciment naturel à prise rapide qui est commercialisé sous la marque Ciment romain. Le ciment prompt est de même nature. Côté français, en 1818, Louis Vicat, ingénieur de l'École nationale des ponts et chaussées, expérimente les chaux hydrauliques et la possibilité de les fabriquer de manière artificielle. Sous son impulsion, en France, l'usage des chaux hydrauliques et ciments naturels se généralise et, à partir des années 1850, les ciments artificiels surcuits au nom de ciment Portland[pas clair]. Toutefois, le nom de Portland vient du brevet déposé en 1824 par le briquetier Joseph Aspdin, « ciment de Portland », pour sa chaux hydraulique à prise rapide.
C’est dans les années 1830 que l’on voit apparaître les premiers développements de ce matériau, avec notamment la construction d’une maison de trois étages en béton à Montauban, par l'entrepreneur François-Martin Lebrun, puis, à partir de 1852, le béton-pisé ou béton-aggloméré de l’industriel François Coignet. À la même époque, Joseph Lambot, puis Joseph Monier, développent les ciments armés, amenés à devenir bétons armés sous l'impulsion de François Hennebique, ou encore de l'architecte et entrepreneur Auguste Perret au début du XXe siècle. Ce dernier déclare : « Faisant au béton l'honneur de le tailler, de le boucharder, de le ciseler, nous avons obtenu des surfaces dont la beauté ferait trembler les tailleurs de pierre »14.
L'architecte Tony Garnier préconise l’usage du béton de mâchefer et le nouveau béton armé pour les travaux que lui confie le maire de Lyon Édouard Herriot ; il y réalise notamment le quartier des États-Unis. Pour sa part, Le Corbusier affirme dans sa charte d'Athènes : « Le béton est un matériau qui ne triche pas »14.
En 1929, c’est Eugène Freyssinet, ingénieur français, qui va révolutionner le monde de la construction en inventant le béton précontraint.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, l'architecte nazi Fritz Todt utilise 17 millions de cubes d’Eisenbeton pour bâtir le mur de l'Atlantique. Après le conflit, il faut reloger rapidement les populations dont les habitations ont été détruites et reconstruire des villes rasées comme Le Havre ou Lisieux ; le béton est alors utilisé. De la même façon, le développement des grands ensembles lors des Trente Glorieuses (qui sont cependant rapidement décriés) et la démocratisation du tourisme dans les stations balnéaires comme La Grande-Motte mobilisent ce matériau14.
La célèbre scène d'ouverture du film Mélodie en sous-sol (1961) d'Henri Verneuil évoque les transformations des villes par le béton. Sorti de prison, le personnage joué par Jean Gabin revient à Sarcelles pour trouver, décontenancé, sa maison entourée par des immeubles de béton : « Merde alors. […] Et dire que j'avais acheté ça pour les arbres et puis pour les jardins. Ils appelaient ça la zone verte ! »14.
À la fin des années 1980, on voit apparaître les bétons hautes performances et par la suite, de nouvelles grandes innovations vont voir le jour avec notamment les bétons autoplaçants (BAP) et les bétons fibrés à ultra hautes performances (BFUP).
Le béton de ciment est, à l'heure actuelle, le matériau de construction le plus utilisé au monde.
Les bétons
Béton de terre
La désignation « béton de terre » est récente, ce matériau est plus connu sous les termes traditionnels de pisé ou de torchis.
Les matériaux de base d'un béton de terre sont : l'argile (la plus pure est le kaolin), sable, gravier, eau. Grâce à sa cohésion interne, l'argile joue le rôle de liant, le gravier et le sable sont le squelette interne, l'eau est le lubrifiant. Le béton de terre n'a cependant pas de résistance mécanique suffisante pour autoriser des applications structurales.
L'argile, qui est susceptible de présenter des variations de volume en cas de modification de la teneur en eau, peut être stabilisée par adjonction de ciment Portland, chaux, d'armatures végétales (paille sèche coupée, chanvre, sisal, fibres de feuilles de palmier, copeaux de bois, écorces), par adjonction d'asphalte, d'huile de coco, etc., pour assurer l'imperméabilisation, par traitement chimique (chaux, urine de bestiaux, etc.), géopolymérisation, etc.2.
Le béton de terre est mis en œuvre dans les techniques de torchis (sur pan de bois et clayonnage ou dans la technique du pisé), de bauge, de brique de terre crue (ou adobe) ou dans les briques moulées mécaniquement2, etc.
Béton de chaux
Dans le cas du béton de chaux, c'est la chaux hydraulique qui sert de liant. Ce type de béton est notamment utilisé pour réaliser des dalles.
Béton de ciment
Le béton de ciment, couramment appelé « béton », est un mélange de ciment, de granulats, d'eau et d'adjuvants.
- Dénomination particulière des bétons de ciment
- béton armé : matériau composite, composé d'une armature en acier recouverte de béton ;
- béton extrudé : en technique routière, le béton extrudé est un béton coulé en place à l'aide de machines à coffrages glissants, dénommées machines à extruder ou extrudeuses. Il permet de réaliser des murets de sécurité, des bordures et des dispositifs de retenue sur des linéaires importants ;
- béton projeté ou gunite : béton propulsé, après malaxage, sur un support sous forme de jet ;
- béton autoplaçant : béton de ciment capable, sous le seul effet de la pesanteur, de se mettre en place dans les coffrages même les plus complexes et très encombrés sans nécessiter pour autant des moyens de vibration afin de consolider le mélange avec comme résultat un produit très homogène ;
- béton cellulaire : bloc isolant réalisé en autoclave ;
- béton cyclopéen : béton contenant des gros blocs de pierre, des moellons, des galets, etc. ;
- béton hautes performances : béton caractérisé par une très forte résistance à la compression ;
- béton translucide : matériau de construction en béton ayant la propriété de transmettre la lumière due à des éléments optiques intégrés ;
- bloc de béton : élément de maçonnerie moulé ;
- béton désactivé, dit aussi béton dénudé : nom donné à un béton dont la surface laisse apparaitre les granulats de couleur. Il est obtenu par pulvérisation d'un désactivant sur la surface fraiche d'un béton au moment de son coulage21. Ensuite, une fois séché, un rinçage à haute pression de la surface fait apparaitre les granulats21. Gardant la résistance du béton, il peut-être décoratif, coloré, et ce traitement lui confère des propriétés antidérapantes22.
Béton bitumineux
Le béton bitumineux (aussi appelé enrobé bitumineux) est composé de différentes fractions de gravillons, de sable, de filler et de bitume employé comme liant. Il constitue généralement la couche supérieure des chaussées (couche de roulement). L'enrobé est fabriqué dans des usines appelées « centrales à enrobés », fixes ou mobiles, utilisant un procédé de fabrication continu ou par gâchées. Il est mis en œuvre à chaud (150 °C environ) à l'aide de machines appelées « finisseurs » qui permettent de le répandre en couches d'épaisseur désirée. L'effet de « prise » apparaît dès le refroidissement (< 90 °C), aussi est-il nécessaire de compacter le béton bitumineux avant refroidissement en le soumettant au passage répété des « rouleaux compacteurs ». Contrairement au béton de ciment, il est utilisable presque immédiatement après sa mise en œuvre.
Le bitume étant un dérivé pétrolier, le béton bitumineux est sensible aux hydrocarbures perdus par les automobiles. Dans les lieux exposés (stations services) on remplace le bitume par du goudron. Le tarmacadam des aérodromes est l'appellation commerciale d'un tel béton de goudron (rien à voir avec le macadam, dépourvu de liant).
Géopolymère
Autres bétons
Le béton de chanvre est un béton isolant mêlant de la chaux formulée à de la chènevotte — du chanvre textile, chanvre industriel ou chanvre agricole — mis en œuvre sous forme de blocs préfabriqués, conglomérat isolant banché, ou projeté.
Le béton de copeaux est un mélange de copeaux de bois issu de scierie liés par de la chaux et/ou du ciment. Son avantage est son très faible cout découlant des copeaux de bois souvent mis à disposition gratuite par les scieries en tant que rebut. Ses performances isolantes sont équivalentes au béton de chanvre. Il peut aisément être mis en œuvre au niveau individuel et proposé aussi sous forme de briques ou panneaux prêts à l'emploi.
Le béton de mâchefer est constitué de granulats de type mâchefer, liés avec de la chaux et/ou du ciment23. Prôné par l'architecte Tony Garnier, il eut son heure de gloire dans la première moitié du xxe siècle, notamment pour la réalisation du stade de Gerland et du quartier des États-Unis24.
Le béton tendre est un béton composé issu d'un mélange de ciment Portland et de granulats de roches tendres (calcaire, tourbe ou argile consolidés)25, donnant au béton une consistance plutôt molle.
Impact environnemental
La bétonisation, l'action d'urbaniser à l'excès une zone caractérisée par le développement de surfaces minérales du type béton, asphalte, pierre ou acier, a des conséquences néfastes sur l'environnement et les paysages.
Consommation d'énergie
Le gros de la consommation d’énergie due au béton provient d'activités consommatrices d’énergie qui entraînent une émission plus ou moins forte de CO2 :
- l'acheminement (dérivés du pétrole pour le transport en camion du béton ou des matières premières) ;
- la confection (dans le cas du béton de ciment, mazout ou autre combustible pour cuire la roche en ciment) ;
- la consommation électrique pour brasser mécaniquement de grandes quantités de béton.
Si la consommation d'énergie est importante pour du béton de ciment ou du béton bitumineux, l'énergie grise du bloc de chanvre (énergie nécessaire à l’ensemble de la fabrication d’un produit) est inférieure à tous les autres matériaux isolants dans la masse (un rapport de 4 par rapport à la brique terre cuite et 3 par rapport au béton cellulaire).
Émissions de gaz à effet de serre
L'impact carbone varie fortement selon le type de béton (la résistance à la compression, Ccylindre/cube, dépend directement de la teneur en ciment) et de ciment utilisé : de 95 kg CO2 eq /m3 pour un béton C25/30 à base de CEM III/B, à 396 kg CO2 eq /m3 pour un béton C60/75 à base de CEM I26.
En 2022, l'empreinte carbone du béton provient principalement de l'utilisation de ciment Portland dans les bétons courants. La production de ciment Portland nécessite la décarbonatation du calcaire, une réaction grande émettrice de CO2. En outre, la température très élevée de 1 450 °C indispensable au déroulement des réactions chimiques en phase pâteuse pour produire le clinker implique une consommation élevée de combustibles fossiles. La production du clinker (qui après broyage donne le ciment Portland) est responsable de plus de 5 % des émissions de CO28, le principal gaz à effet de serre responsable du réchauffement climatique.
Certains travaux tentent d'évaluer la quantité de CO2 que le béton pourrait réabsorber au cours de sa durée de vie. Ainsi, selon une étude aux conclusions optimistes, jusqu'à 40 % du CO2 émis par la production de ciment, de 1913 à 2013, aurait été ainsi capturé27. Malheureusement, cela revient à ignorer la croissance exponentielle de la production de ciment, surtout depuis que la Chine a rejoint l'organisation mondiale du commerce (OMC)28. Ces études soulignant les mérites de la « carbonatation » ne prennent pas en compte le décalage temporel et la différence des échelles de temps entre le moment des émissions de CO2 et sa recapture. Le même constat (déphasage et non adéquation des processus) est également valable pour la compensation carbone en décidant de planter des arbres ou de modifier l'occupation des sols (cf. Félix Lallemand et Jonathan Guyot[réf. nécessaire]). La carbonatation des matériaux contenant du ciment ne semble apporter qu'une contribution minime à la réduction de leur empreinte carbone lors de l'analyse de leur cycle de vie29.
Vide juridique autour du "béton bas carbone"
Si des solutions de « béton bas carbone » sont de plus en plus mises sur le marché par les cimentiers, le terme « béton bas carbone » ne fait pas l’objet d’une définition officielle s’appuyant sur un cadre normatif ou réglementaire30. Ainsi, de nombreux vides juridiques permettent des abus concernant le calcul du bilan carbone des laitiers et autorisent la délocalisation des émissions de CO2. Dans le dernier cas, des entreprises comme Lafarge-Holcim ou la start-up Cem'In'Eu importent du clinker depuis le Maroc ou la Turquie, pays ou le bilan carbone n'est pas établi. Le ciment composé de ce clinker peut ensuite être commercialisé légalement dans l'Union européenne sous l'appelation bas carbone en évitant les contraintes réglementaires du marché européen du CO231,32,33,34.
Consommation de ressources naturelles
Disparition du sable
Dans le cas du béton de ciment, la quête perpétuelle d’agrégats adaptés dont le sable a conduit à la surexploitation de 75 % des plages de la planète, détruisant nombre d'écosystèmes littoraux6.
Durabilité
« Il convient de ne pas assimiler la durabilité d'un produit de construction à celle de l'ouvrage. En effet, il est inutile de formuler un béton intrinsèquement durable, si sa mise en œuvre au sein de la structure n'est pas conforme aux règles de l'art et si les diverses sollicitations auxquelles il est soumis n'ont pas été correctement appréciées, ce qui conduirait à ce que l'ouvrage ne remplisse pas durablement sa fonction pendant sa durée de service requise. »
— Infociment35
« Un béton durable est un béton compact (présentant une faible porosité) dont les constituants de qualité ont été bien choisis conformément aux normes. »
— Infociment35
La durabilité du béton est définie par la norme NF X60-500 — Terminologie relative à la fiabilité – Maintenabilité – Disponibilité. Octobre 1988 —:
« l‘aptitude d’un bien à accomplir une fonction jusqu’à ce qu’un état limite soit atteint »
— LERM36
Certaines attaques réduisent la durabilité du béton : la carbonatation, la corrosion des armatures (danger majeur pour la durabilité des ouvrages en béton armé), les chlorures dans le béton, l'eau de mer, la lixiviation, l'alcali-réaction (ou ASR pour alkali silica reaction), la réaction sulfatique interne, le gel et le dégel, l'écaillage du béton37.
Notes et références
- Dans le langage courant, « béton », sans précision, désigne le béton de ciment.
- René Vittone, Bâtir. Manuel de la construction, PPUR Presses polytechniques, 10 juin 2010 (ISBN 978-2880748357), consulter en ligne [archive].
- Rainer 2008, p. 223.
- Witier, p. 6.
- Treussart 1829, p. 21.
- « Nos plages à court de sable » [archive du ], sur future.arte.tv, (consulté le ).
- Amaury Cudeville, « Recycler le béton » [archive] sur pourlascience.fr, octobre 2011, p. 17-18 (consulté le 2 mai 2019).
- « Émissions du ciment, quelles perspectives » [archive] sur construction-carbone.fr (consulté le 2 mai 2019).
- L'archéologie assigne à opus signinum une autre signification, celle donnée par Pline, lecteur de Vitruve : un mortier étanche incorporant des tuileaux utilisé en application de la maçonnerie décrite plus haut. Voir à ce sujet Pierre Gros, Vitruve et la tradition des traités d’architecture. Frabrica et ratiocinatio, nouvelle édition en ligne [archive], Rome, Publications de l’École française de Rome, 2006 (ISBN 9782728310289).
- « Concrescit in petram signinum opus insudameris, et tupis durita cocipit, contrahit. » Dans Philibert Monet, Parallèle des langues latine et française, Guillaume Valfray imprimeur, 1636, consulter en ligne [archive].
- Le bois, le feuillage et les peaux d'animaux furent les premiers constituants de l'architecture naissante des pays tempérés. Pour les régions du globe où la végétation est rare, ainsi pour la plupart des rivages méditerranéens, ce fut l'argile qui fut le matériau le plus utilisé. Il est intéressant de retrouver ensuite l'argile et le bois associés, dans une architecture plus mûre, constituant les structures dites à maison à pans de bois. (Jean-Pierre Adam, La Construction romaine. Matériaux et techniques, Grands manuels picards, 6e édition, 2011.
- Louis Joseph Vicat, Traité pratique et théorique de la composition des mortiers, ciments et gangues à pouzzolanes et de leur emploi dans toutes sortes de travaux [archive], Impr. Maisonville, 1856, 103 p. (consulté le 3 mai 2019).
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- Treussart 1829, p. x1.
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- Le premier ouvrage a été construit en 1840 à Grisolles par l'architecte François-Martin Lebrun. Il a fait l'objet d'une présentation à l'Académie des sciences en 1842. Il a été démoli.
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Voir aussi
Sur les autres projets Wikimedia :
- Béton, sur Wikimedia Commons
- béton, sur le Wiktionnaire
Bibliographie
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- Leslie Rainer, Angelyn Bass Rivera, David Gandreau, Terra 2008 : The 10th International Conference on the Study and Conservation of Earthen Architectural Heritage, Getty Publications, (lire en ligne [archive]).
- Clément Louis Treussart, Mémoire sur les mortiers hydrauliques et sur les mortiers ordinaires, Carillan-Goeury, (lire en ligne [archive]).
- Pierre Witier et Gérard Platret, Analyse et caractérisation de matériaux de construction, Éditions Techniques ingénieur (lire en ligne [archive]).
- (en) Alan B. Poole et Ian Sims, Concrete petrography : a handbook of investigative techniques, CRC Press, , 794 p. (ISBN 978-1-85617-690-3).
Articles connexes
Liens externes
Béton de ciment
Un mètre cube de béton (représentant la production mondiale annuelle de béton par habitant).
Le béton de ciment, couramment appelé béton, est un mélange de ciment, de granulats, d'eau et d'adjuvants.
Histoire du béton de ciment
Le ciment
Le ciment se compose essentiellement de chaux, de silice, d'alumine et d'oxyde de fer combinés au silicate et aluminate de calcium. Les différents ciments résultent du mélange de clinker, de calcaire, de laitier et de cendres volantes (qui sont des composés à effet pouzzolanique, mais non considérés comme des pouzzolanes).
La fabrication du ciment se décompose en 6 étapes :
- l’extraction (de calcaire et d’argile) ;
- l’homogénéisation ;
- le séchage et le broyage ;
- la cuisson ;
- le refroidissement ;
- le broyage.
Les granulats
Un granulat est composé d’un ensemble de grains minéraux qui, selon sa dimension, se situe dans une famille particulière. Les granulats sont donc triés selon leur granulométrie, c’est-à-dire selon leur diamètre, et peuvent donc appartenir, selon la norme NFP 18-101, à l’une des cinq familles suivantes :
- les fines avec un diamètre compris entre 0 et 0,08 mm ;
- les sables avec un diamètre compris entre 0 et 6,3 mm ;
- les gravillons avec un diamètre compris entre 2 et 31,5 mm ;
- les cailloux avec un diamètre compris en 20 et 80 mm ;
- les graves avec un diamètre compris en 6,3 et 80 mm.
Les granulats sont les principaux composants du béton (70 % en poids). Les performances mécaniques des granulats vont donc conditionner la résistance mécanique du béton et leurs caractéristiques géométriques et esthétiques, en particulier, l’aspect des parements des ouvrages. Le choix des caractéristiques des granulats (roulés ou concassés, teintes, dimensions) est déterminé par les contraintes mécaniques, physico-chimiques et esthétiques du projet à réaliser et de mise en œuvre du béton (critère de maniabilité, enrobage)1.
Différents types de granulats
Les granulats utilisés pour le béton sont soit d'origine naturelle, soit artificiels. Leur taille variable déterminera l'utilisation du béton (par exemple : les gros granulats pour le gros œuvre). La résistance du béton augmente avec la variété des calibres mélangés.
Dans des régions de certains pays d'Asie du Sud-Est (Inde, Bangladesh…) particulièrement pauvres en roches, il est courant d'utiliser comme granulats des briques cuites, concassées et calibrées. Le concassage et le calibrage sont généralement effectués sur place.
Parmi les granulats naturels, les plus utilisés pour le béton proviennent de roches sédimentaires siliceuses ou calcaires, de roches métamorphiques telles que les quartzites, ou de roches éruptives telles que les basaltes, les granites, les porphyres.
Indépendamment de leur origine minéralogique, on classe les granulats en deux catégories qui doivent être conformes à la norme NF EN 12620 et la NF P 18-545 (Granulats - Éléments de définition, conformité et codification) :
- Les granulats alluvionnaires, dits roulés, dont la forme a été acquise par l'érosion. Ces granulats sont lavés pour éliminer les particules argileuses, nuisibles à la résistance du béton et criblés pour obtenir différentes classes de dimension. Bien qu'on puisse trouver différentes roches selon la région d'origine, les granulats utilisés pour le béton sont le plus souvent siliceux, calcaires ou silico-calcaires ;
- Les granulats de carrière sont obtenus par abattage et concassage, ce qui leur donne des formes angulaires. Une phase de pré-criblage est indispensable à l'obtention de granulats propres. Différentes phases de concassage aboutissent à l'obtention des classes granulaires souhaitées. Les granulats concassés présentent des caractéristiques qui dépendent d'un grand nombre de paramètres : origine de la roche, régularité du banc, degré de concassage… La sélection de ce type de granulats devra donc être faite avec soin et après accord sur un échantillon.
Les granulats allégés par expansion ou frittage, très utilisés dans de nombreux pays comme la Russie ou les États-Unis, n'ont pas eu en France le même développement, bien qu'ils aient des caractéristiques de résistance, d'isolation et de poids très intéressantes. Les plus usuels sont l'argile ou le schiste expansé (norme NF P 18-309) et le laitier expansé (NF P 18-307). D'une masse volumique variable entre 400 et 800 kg/m3 selon le type et la granularité, ils permettent de réaliser aussi bien des bétons de structure que des bétons présentant une bonne isolation thermique. Les gains de poids sont intéressants puisque les bétons réalisés ont une masse volumique comprise entre 1 200 et 2 000 kg/m3.
Les granulats très légers sont d'origine végétale et organique plutôt que minérale (bois, polystyrène expansé). Très légers — 20 à 100 kg/m3 — ils permettent de réaliser des bétons de masse volumique comprise entre 300 et 600 kg/m3. On voit donc leur intérêt pour les bétons d'isolation, mais également pour la réalisation d'éléments légers : blocs coffrants, blocs de remplissage, dalles ou rechargements sur planchers peu résistants. Les bétons cellulaires (bétons très légers) dont les masses volumiques sont inférieures à 500 kg/m3. Ils sont utilisés dans le bâtiment, pour répondre aux exigences d'isolation. Lors de sa réalisation, des produits moussants lui sont incorporées créant des porosités dans le béton. Les bétons de fibres, plus récents, correspondent à des usages très variés : dallages, éléments décoratifs, mobilier urbain.
Béton et recyclage
Le béton est un matériau qui permet le réemploi de certains déchets industriels ou domestiques :
Dans le secteur du bâtiment et des travaux publics (BTP), les gravats de béton provenant des chantiers de démolition/déconstruction sont théoriquement eux-mêmes recyclables. Les armatures envoyées à la ferraille sont refondues en four électrique, tandis que les granulats recyclés peuvent remplacer en partie les granulats naturels. En France (pour 2015), la production annuelle de déchets du BTP était d'environ 260 millions de t/an dont 20 millions de t/an de déchets de béton (dont 80 % finissent en fond de couche routière). Le projet Recybéton2 lancé en 2012 avec un soutien financier (5 millions d'euros pour 2012-2016) de l'Ademe, du ministère de l'Écologie et de l'ANR, parallèlement à Ecoreb (Eco-construction par le recyclage du béton) regroupe 47 partenaires souhaitant promouvoir le recyclage du béton (« y compris la fraction fine »2) en granulats, via des études de caractérisations, l'amélioration des procédés de séparation mécaniques et optiques, la construction de plateformes de tri « au plus près des sites de production, tels les cimenteries ou les producteurs de granulats », une adaptation de la législation qui en 2014 via la norme NF EN 206-1/CN (publiée en décembre 2014) impose un maximum de 20 % de substitution de gravillons naturels par des gravillons recyclés dans du béton3. Le projet Recybéton s’appuyait sur trois chantiers expérimentaux (un parking fait avec 100 % de béton recyclé, une passerelle ferroviaire faite avec 20 % de granulats recyclés et un bâtiment d'archive dont le béton contient 30 % de sable recyclé et de 50 % de gravillon recyclé). Une des conditions à respecter est de bien éliminer les restes de plâtre ou d'autres substances susceptibles d'affecter la qualité du futur béton. Les ouvrages en béton peuvent aussi être « écoconçus » de manière à faciliter le recyclage futur du béton et diminuer sa forte empreinte carbone. Selon le groupe Lafarge, la fabrication de ciment « représente quelques [sic] 5 % des émissions mondiales de CO2. 60 % proviennent du processus de « décarbonatation » et 40 % de la combustion de combustibles fossiles »4.
Granulométrie
Si un béton classique est constitué d'éléments de granulométrie décroissante, en commençant par les granulats (NF EN 12620 - spécification pour les granulats destinés à être incorporés dans les bétons), le spectre granulométrique se poursuit avec la poudre de ciment puis parfois avec un matériau de granulométrie encore plus fin comme une fumée de silice (récupérée au niveau des filtres électrostatiques dans l'industrie de l'acier). L'obtention d'un spectre granulométrique continu et étendu vers les faibles granulométries permet d'améliorer la compacité, donc les performances mécaniques. L'eau a un double rôle d'hydratation de la poudre de ciment et de facilitation de la mise en œuvre (ouvrabilité). Un béton contient donc une part importante d'eau libre, ce qui conduit à une utilisation non optimale de la poudre de ciment. En ajoutant un plastifiant (appelé aussi réducteur d'eau), la quantité d'eau utilisée décroît et les performances mécaniques du matériau sont améliorées (BHP : béton hautes performances).
Les résistances mécaniques en compression obtenues classiquement sur éprouvettes cylindriques normalisées, sont de l'ordre de :
- BFC : bétonnage fabriqué sur chantier : 25 à 35 MPa (méga Pascal), peut parfois atteindre 50 MPa ;
- BPE : béton prêt à l'emploi, bétonnage soigné en usine (préfabrication) : 16 à 60 MPa ;
- BHP : béton hautes performances : jusqu'à 80 MPa ;
- BUHP : béton ultra hautes performances, en laboratoire : 120 MPa.
- BFUHP : béton fibré à ultra hautes performances : supérieur à 150 MPa.
La résistance en traction est moindre avec des valeurs de l'ordre 2,1 à 2,7 MPa pour un béton de type BFC. La conductivité thermique couramment utilisée est de 1,75 W·m−1·K−1, à mi-chemin entre les matériaux métalliques et le bois.
Les adjuvants
Un adjuvant est un produit incorporé au moment du malaxage du béton, à une dose inférieure ou égale à 5 % en masse de la teneur en ciment du béton pour modifier les propriétés du mélange à l’état frais et/ou durci.
En avril 1998, l’Association Française de Normalisation (AFNOR) publie la norme NF EN 934-2 qui définit les catégories générales propres aux adjuvants. Ces catégories sont au nombre de 3 selon leurs caractéristiques générales :
- la prise et le durcissement (accélérateurs de prise, accélérateurs de durcissement, retardateurs de prise) ;
- l’ouvrabilité (plastifiants, superplastifiants) ;
- certaines propriétés particulières (entraineurs d’air, générateurs de gaz, hydrofuges de masse).
L’ajout d’un adjuvant dépend donc des caractéristiques que l’on souhaite obtenir dans le béton utilisé.
La réaction chimique qui permet au béton de ciment de « faire prise » est assez lente : au bout de sept jours, la résistance mécanique à la compression atteint à peine 75 % de la résistance finale. La vitesse de durcissement du béton peut cependant être affectée par la nature du ciment utilisé, par la température du matériau lors de son durcissement, par la quantité d'eau utilisée, par la finesse de la mouture du ciment, ou par la présence de déchets organiques. La valeur prise comme référence dans les calculs de résistance est celle obtenue à 28 jours, équivalent à 80 % de la résistance finale. Également, en présence d'eau, la résistance continuera d'augmenter, très légèrement même après 28 jours.
Il est possible de modifier la vitesse de prise en incorporant au béton frais des adjuvants ou des additifs, ou en utilisant un ciment prompt ou à prise rapide. D'autres types d'adjuvants permettent de modifier certaines propriétés physico-chimiques des bétons. Par exemple, la fluidité du béton peut être augmentée pour faciliter sa mise en œuvre en utilisant des « plastifiants », le rendre hydrofuge par l'adjonction d'un liquide hydrofuge ou d'une résine polymère, ou maîtriser la quantité d'air incluse avec un « entraîneur d'air ». Différents modèles (théorie de la percolation, modèle des empilements granulaires pour les bétons de haute performance) permettent d'expliquer les réactions physiques et chimiques de la « prise ».
La résistance elle-même du béton pourra être améliorée par l'usage d'adjuvant de type super plastifiant qui par amélioration de l'ouvrabilité du béton permet de réduire la quantité d'eau de gâchage et donc la porosité résultante et par défloculation du ciment améliore la réaction de prise. L'usage de produits de type fumée de silice remplissant une double fonction de filer et de liant permet également d'augmenter la compacité et la résistance.
Eau de gâchage
Importance du rapport eau/ciment
Les dosages de l'eau et du ciment sont deux facteurs importants. En effet, l'ouvrabilité et la résistance sont grandement affectés par ces deux paramètres. Plus le rapport eau/ciment est grand, plus l'ouvrabilité sera grande. En effet, plus il y a d'eau, plus le béton aura tendance à remplir aisément les formes. Le rapport des masses E/C « moyen » est normalement fixé à 0,55. C'est ce rapport qui est le plus souvent utilisé, car le béton obtenu dispose d'une assez bonne ouvrabilité, tout en ayant une bonne résistance.
Le phénomène de ressuage est dû à un rapport eau sur ciment trop élevé. Il se manifeste par l'apparition d'une flaque au-dessus du béton frais. Au niveau des granulats, on observe la présence d'eau à l'interface entre les granulats et la pâte de ciment. La résistance en est réduite, car l'eau s'évapore et il y a des vides entre le granulat et la pâte.
Formulation
Le choix des proportions de chacun des constituants d'un béton afin d'obtenir les propriétés mécaniques et de mise en œuvre souhaitées s'appelle la formulation. Plusieurs méthodes de formulations existent, dont notamment :
- la méthode Baron ;
- la méthode Bolomey ;
- la méthode de Féret ;
- la méthode de Faury ;
- la méthode Dreux-Gorisse[réf. nécessaire].
La formulation d'un béton doit intégrer avant tout les exigences de la norme NF EN 206/CN, laquelle, en fonction de l'environnement dans lequel sera mis en place le béton, sera plus ou moins contraignante vis-à-vis de la quantité minimale de ciment à insérer dans la formule ainsi que la quantité d'eau maximum tolérée dans la formule. De même, à chaque environnement donné, une résistance garantie à 28 jours sur éprouvettes sera exigée aux producteurs, pouvant justifier des dosages de ciments plus ou moins supérieurs à la recommandation de la norme, et basée sur l'expérience propre à chaque entreprise, laquelle étant dépendante de ses matières premières dont la masse volumique peut varier, notamment celle des granulats. D'autres exigences de la norme NF EN 206/CN imposent l'emploi de ciment particuliers en raison de milieux plus ou moins agressifs, ainsi que l'addition d'adjuvants conférant des propriétés différentes à la pâte de ciment que ce soit le délai de mise en œuvre, la plasticité, la quantité d'air occlus, etc.
Classification
Le béton utilisé dans le bâtiment, ainsi que dans les travaux publics comprend plusieurs catégories. En général le béton peut être classé en trois groupes (norme NF EN 206/CN articles 3.1.4.1 à 3.1.4.3), selon sa masse volumique ρ :
- béton léger : ρ entre 800 et 2 000 kg/m3 ;
- béton normal : ρ entre 2 000 et 2 600 kg/m3 ;
- béton lourd : ρ > 2 600 kg/m3 ;
Les bétons courants peuvent aussi être classés en fonction de la nature de leurs liants :
- béton de ciment ;
- béton asphalte.
Lorsque des fibres (métalliques, synthétiques ou minérales) sont ajoutées, on distingue : les bétons renforcés de fibre (BRF) qui sont des bétons « classiques » qui contiennent des macrofibres (diamètre ~1 mm) dans proportion volumique allant de 0,5 % à 2 % ; et les bétons fibrés à ultra hautes performances (BFUHP). Ce sont des bétons (BUHP) qui contiennent des microfibres (diamètre > 50 µm), ou un mélange de macrofibres et de microfibres. Utilisés depuis le milieu des années 1990 dans le génie civil et parfois la réhabilitation d'ouvrages anciens, en milieu littoral notamment5.
Le béton peut varier 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 courants sont les plus utilisés, aussi bien dans le bâtiment qu'en travaux publics. Ils présentent une masse volumique de 2 300 kg/m3 environ. Ils peuvent être armés ou non, et lorsqu'ils sont très sollicités en flexion, être précontraints.
- Les bétons lourds, dont les masses volumiques peuvent atteindre 6 000 kg/m3 sont utilisés dans le domaine du nucléaire pour réaliser les blindages des protections biologiques contre les rayons gamma de haute énergie et très pénétrants.
- Les bétons de granulats légers, dont la résistance peut être élevée, sont employés dans le bâtiment, pour les plates-formes offshore ou les ponts.
Étude de la composition
Il n’existe pas de méthode de composition du béton qui soit universellement reconnue comme étant la meilleure. La composition du béton est toujours le résultat d’un compromis entre diverses exigences souvent contradictoires. De nombreuses méthodes de composition du béton plus ou moins compliquées et ingénieuses ont été élaborées. Une étude de composition de béton doit toujours être contrôlée expérimentalement ; une étude effectuée en laboratoire doit généralement être adaptée ultérieurement aux conditions réelles du chantier.
Une méthode de composition du béton pourra être considérée comme satisfaisante si elle permet de réaliser un béton répondant aux exigences suivantes : Le béton doit présenter, après durcissement, une certaine résistance à la compression. Le béton frais doit pouvoir facilement être mis en œuvre avec les moyens et méthodes utilisés sur le chantier. Le béton doit présenter un faible retrait (source de fissurations internes et externes : phénomène de « faïençage ») et un fluage peu important. Le coût du béton doit rester le plus bas possible. Dans le passé, pour la composition du béton, on prescrivait des proportions théoriques de ciment, d’agrégat fin et d’agrégat grossier. Mais l’élaboration des ciments ayant fait des progrès considérables, de nombreux chercheurs ont exprimé des formules en rapport avec les qualités recherchées :
- 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.
Sur un petit chantier où l’on fabrique artisanalement (et souvent bien) son béton, on utilise un dosage dit « standard » de 350 kg de ciment par m³ de béton. La composition de 1 m3 de béton « standard » est donc de :
- 350 kg de ciment ;
- 680 kg de sable (granulométrie de 1 à 5 mm) ;
- 1 175 kg de gravier (granulométrie de 6 à 15 mm).
soit des proportions proches de 1-2-3. C'est-à-dire que pour un volume de ciment, on a deux volumes de sable (350 × 2 kg) et trois volumes de graviers (350 × 3 kg). C'est la fameuse règle du 1-2-3 qui va de la granulométrie la plus fine (le ciment) à la plus grosse (le gravier).
En pratique, on achète souvent un mélange déjà fait de sable et de gravier qu'on appelle « paveur ». La formule 1,2,3 devient alors une pelle de ciment pour 5 pelles de paveur. La quantité d’eau de gâchage varie trop souvent au gré du savoir-faire du maçon, la nature de ciment, l’humidité du granulat passant après la consistance du béton à obtenir. Le béton peut varier 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. La composition d’un béton et le dosage de ses constituants sont fortement influencés par l’emploi auquel est destiné le béton et par les moyens de mise en œuvre utilisés.
Essai de gâchage
Béton frais : mesure Δ (contrôle des dosages effectifs) mesure plasticité (contrôle de la consistance) mesure teneur en air (contrôle des vides). Fabrication éprouvette (contrôle de β moyen). Béton durci : mesure Δ, mesure β cube, évolution scléromètre, évolution essai gel, perméabilité, essais spéciaux…
Correction des dosages ou de la formulation
En fonction des observations, des mesures faites lors de l’essai de gâchage et des résistances mécaniques obtenues, il sera nécessaire d’effectuer des corrections.
- Consistance : Lors de l’essai de gâchage, il est recommandé de ne pas ajouter tout de suite la quantité d’eau totale E prévue. Il est préférable d’ajouter seulement 95 % de E, de mesurer la consistance, puis d’ajouter de l’eau jusqu’à obtention de la consistance prescrite.
- Dosage en ciment : Si le dosage en ciment effectivement réalisé est incorrect, on devra le corriger. S’il faut rajouter (ou enlever) un poids ΔC de ciment pour obtenir le dosage désiré, on devra enlever (ou rajouter) un volume absolu équivalent de sable, soit un poids ΔC égal à : Si ΔC est important, il faudra aussi corriger la quantité d’eau.
- Résistances mécaniques : Si les résistances mécaniques sont insuffisantes, il faudra avoir recours à l’une ou à plusieurs des possibilités suivantes :
-
- augmenter le dosage en ciment (au-delà de 400 kg/m3, une augmentation de dosage en ciment n’a plus qu’une très faible influence sur l’accroissement de résistance) ;
- diminuer le dosage en eau sans changer la granulométrie des granulats ;
- réduire la quantité d’eau et corriger la granulométrie des granulats ;
- utiliser un autre type de granulats ;
- utiliser un adjuvant et réduire la quantité d’eau ;
- utiliser un ciment à durcissement plus rapide.
Il faudra en tous les cas toujours veiller à ce que la consistance du béton permette une mise en œuvre correcte.
Utilisations du béton de ciment
Bloc de béton aggloméré
Le bloc de béton aggloméré a été inventé par François Coignet. Sa première utilisation a été faite pour la maison de François Coignet en 1853. L'église Sainte-Marguerite du Vésinet, réalisée en 1855 par l'architecte Louis-Auguste Boileau suivant le procédé Coignet de construction de béton aggloméré imitant la pierre, fut le premier bâtiment public non industriel réalisé en béton en France. Cette église fut très critiquée lors de sa réalisation en raison de sa morphologie mais aussi du procédé Coignet qui a provoqué très rapidement des marbrures noires sur les murs (en raison de présence de mâchefer dans le béton). C'est un matériau imitant la pierre.
Béton armé
Le béton armé a été utilisé dès la Seconde Guerre mondiale pour la réalisation de dispositifs défensifs tels que bunkers ou lignes antichars (ici des
hérissons tchèques de la
ligne Siegfried).
Le ciment armé a été inventé par Joseph Monier qui en a déposé les brevets dès 1870. On peut citer aussi les barques de Lambot (1848) en ciment armé de 5 à 6 cm d'épaisseur et dont deux exemplaires existent toujours. On se reportera pour plus de précision au livre Joseph Monier et la naissance du ciment armé paru aux éditions du Linteau (Paris, 2001). C'est ensuite en 1886 que François Hennebique va étudier et améliorer l'invention de Joseph Monier pour ensuite l'utiliser pour la construction en 1899 du premier pont civil en béton armé de France, le pont Camille-de-Hogues à Châtellerault.
De façon intrinsèque, le béton de ciment possède une bonne résistance à la compression, mais une faible résistance à la traction. Aussi est-il nécessaire, lorsqu'un ouvrage en béton est prévu pour subir des sollicitations en traction ou en flexion (par exemple un plancher, un pont, une poutre…), d'y incorporer des armatures en acier destinées à s'opposer aux efforts de traction et à les reprendre. Les armatures mises en œuvre peuvent être soit en acier doux (l'acier doux est généralement lisse, il n'est plus guère utilisé aujourd'hui en béton armé que dans la confection des boucles de manutention préscellées pour son aptitude aux pliages-dépliages successifs sans perte de résistance) soit en acier haute-adhérence (aciers HA anciennement dénommés TOR) dont les caractéristiques mécaniques sont de l'ordre du double de celles des aciers doux.
Béton précontraint
Le béton possède des propriétés mécaniques intéressantes en compression alors que la résistance en traction est limitée (environ 1/10e de la résistance à la compression). Lorsque les sollicitations deviennent très importantes, l'alourdissement de la section de béton armé devient prohibitif (en général au-delà de 25 m de portée pour une poutre). C'est ainsi qu'il devient intéressant de créer une compression initiale suffisante pour que le béton reste entièrement comprimé sous les sollicitations ; ainsi toute la section du béton participe à la résistance : c'est le principe du béton « précontraint ».
Le béton « précontraint » est une technique mise au point par Eugène Freyssinet en 1928 et testée sur des poteaux préfabriqués destinés au support de câbles électriques. Ultérieurement, le champ d'application du béton précontraint s'est considérablement élargi. Le béton précontraint convient aussi bien à des petites dalles préfabriquées qu'à des ouvrages de très grandes portées (100 mètres ou plus). Lorsque le béton précontraint subit des sollicitations de signe opposé à la précontrainte, le béton se décomprime ; les variations de tension dans les armatures sont quasiment négligeables compte tenu de la forte inertie de la section de béton rapportée à celles des aciers. En pratique, les règlements modernes (BPEL, Eurocodes) autorisent de légères décompressions du béton sensiblement dans la limite de sa résistance en traction. Ceci pose problème dans certains domaines comme celui des enceintes primaires en béton précontraint des réacteurs nucléaires par exemple, où des déformations différées anormales du béton ont été constatées à partir des années 1980-1990 ; anomalies « que les modèles de calcul réglementaires ne prenaient pas en compte d'une façon satisfaisante » ont été constatées6. Ces anomalies ont, en France, justifié une vaste étude sur ces bétons par EDF, avec des modélisations du « comportement réel en fluage des enceintes déjà construites »6.
Les aciers utilisés pour la mise en compression du béton sont des câbles (à torons) ou des barres de très haute résistance à la rupture. Selon que cette tension appliquée aux armatures est effectuée avant la prise complète du béton ou postérieurement à celle-ci, on distingue la précontrainte par « pré-tension » et la précontrainte par « post-tension ».
- Dans la « pré-tension », le plus souvent utilisée en préfabrication, les armatures (souvent des câbles) sont mises en tension avant la prise du béton. Elles sont ensuite relâchées, mettant ainsi le béton en compression par simple effet d'adhérence, le diamètre des câbles augmentant légèrement lorsque la tension appliquée est relâchée (cfr. coefficient de Poisson). Elle est très souvent réalisée en usine, avec des machines spécifiques. Les prédalles ou les poutrelles préfabriquées sont réalisées avec cette technique. Elle ne permet pas d'atteindre des valeurs de précontrainte aussi élevées qu'en post-tension.
- La « post-tension » consiste à disposer les 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 (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).
L'équilibre des efforts est obtenu par un tracé judicieux des câbles de précontrainte sur l'ensemble de la poutre ou de l'élément concerné de telle sorte que les sections de béton restent (quasiment) entièrement comprimées sous l'effet des différentes actions. Par exemple, au milieu d'une poutre isostatique, à vide, la précontrainte sera conçue de telle sorte que la contrainte du béton soit maximale en fibre inférieure et minimale en fibre supérieure (dans ces conditions, une contre-flèche peut apparaître à vide). Une fois la poutre soumise à sa charge maximale, la précontrainte en fibre inférieure sera presque annulée par la tension de charge, alors que dans la partie supérieure la compression sera largement plus importante que dans une poutre en béton armé classique.
Autres techniques de renforcement
On peut améliorer la résistance mécanique (post-fissuration) du béton de différentes manières, notamment en y incorporant des fibres (0,5 à 2 % en volume). L'incorporation de celles-ci dans le béton rend ce dernier davantage ductile (moins fragile). Différents types de fibre (métalliques, en polypropylène, en verre…) peuvent être utilisés avec des propriétés spécifiques. C'est surtout le rapport entre la longueur et le diamètre des fibres (élancement) qui aura une influence sur les performances finales du béton fibré. On obtient ainsi un « béton fibré », souvent mis en œuvre par projection (tunnels) ou couramment utilisé pour les dallages industriels par exemple.
Pour les applications architecturales ou quand la corrosion des armatures est potentiellement dangereuse, les ciments à renfort fibre de verre, dits « CCV » (composites ciment-verre), sont utilisés depuis la fin des années 1970. Ils allient une matrice riche en ciment et des fibres de verre alcali résistantes (3 à 6 % en masse totale du mélange humide) et peuvent être préfabriqués en produits minces, donc légers7,8.
Avantages et inconvénients du béton armé de fibres
Fibres métalliques :
+ : La ductilité, augmentant la résistance aux chocs et à la fatigue, diminution des fissures de retrait.
- : Demande plus de granulats fins et donc plus d’eau de gâchage (sauf en cas d'usage d'un super-plastifiant), les fibres qui apparaissent en surface peuvent rouiller ou endommager les pneus, utilisation proscrite pour des béton apparents (fibres visibles).
Fibres synthétiques :
+ : Diminution des fissures de retrait, diminution du retrait plastique, diminution de la ségrégation.
- : Diminution de la plasticité du mélange (idem que pour fibres métalliques), utilisation proscrite pour des béton apparents (fibres visibles).
Autres utilisations
L’invention du premier « bateau-ciment » par le Français Joseph Lambot remonte à 1848. Dans les années 1970, aux États-Unis, a lieu la première compétition de canoës en béton. Depuis, près de 200 universités américaines participent chaque année à l’événement, et ce type de compétition s’est exporté dans de nombreux pays tels que la France depuis 2000, le Canada, l’Allemagne, le Japon ou encore l’Afrique du Sud.
Caractéristiques d’un béton colloïdal
Le béton colloïdal a été conçu pour être déversé sous eau avec des procédés conventionnels. Les particules de ciment adhérent fortement aux granulats: on dit que ce béton « colle ». Le béton colloïdal frais a une plasticité différente de celle d’un béton ordinaire: il ne se désagrège pas et n’est pas délavé lors de sa mise en place sous eau.
Pratique industrielle
Fabrication
Le béton peut être confectionné dans une bétonnière mobile (électrique ou thermique) pour les petites quantités. Mais il est aussi fabriqué dans des centrales à béton ou dans des usines de préfabrication qui utilisent directement le matériau produit en fabriquant des éléments en béton. Si nous sommes en présence d’un chantier qui demande de grandes quantités, une centrale mobile est parfois installée directement sur le chantier; ce qui permet d’augmenter le débit de livraison au chantier. De plus, cela nécessite moins de camions malaxeurs (couramment appelés camions-toupie) pour le transport du béton étant donné que la distance parcourue est plus courte. Cependant, elle nécessite une grue sur le chantier.
Il existe deux types de méthodes pour fabriquer le béton prêt à l'emploi (BPE) : (Dry-Batch) et le (Pré-Mix). Le Dry-batch consiste à mélanger les agrégats et adjuvants chargés par convoyeurs directement dans le camion-toupie. Cette méthode nécessite que la bétonnière malaxe pendant 5 minutes. Le Pré-Mix consiste à mélanger les agrégats et adjuvants dans un malaxeur dans l’usine pour ensuite le déverser dans le camion-toupie qui est prête à faire sa livraison. Attention, il faut livrer le béton sur le chantier avant qu'il n'ait commencé à prendre.
Caractéristiques du béton léger.
Masse volumique < à 2 000 kg/m3 ; Granulats à structure poreuse ; Résistance au feu ; Faible coefficient de dilatation thermique (par rapport au béton normal) ; Module d’élasticité plus faible (par rapport au béton normal)
Acheminement
Camion-pompe à béton en action lors de travaux de rénovation d’un hôtel de Ploumanac’h,
Perros-Guirec.
Le mode, la durée et les conditions de l’acheminement du béton sont des éléments déterminants dans sa formulation. Ils ont chacun une influence particulière sur sa manœuvrabilité et sa qualité. Le béton se transporte soit par des moyens manuels (seau, brouette…), soit, pour de grandes quantités, par des moyens mécaniques. Dans ce cas, il est généralement transporté depuis la centrale à béton par camions malaxeurs appelés « toupies » dont la capacité est de 4 m3 maximum pour un camion 4 x 2 ou 4 x 4, 6 m3 maximum pour un camion 6 x 4, 8 m3 maximum pour un camion 8 x 4, et 10 m3 pour un camion semi-remorque 2-essieux de 38 tonnes. Au Québec les capacités varient : 5 m3 pour un camion 10 roues, 7 à 8 m3 pour un camion 12 roues, 10 m3 pour un semi-remorque 2-essieux, et 13 m3 pour un semi-remorque 3-essieux. Une fois sur le chantier, il est transvasé soit dans des bennes à béton (350 litres à 3 m3 et à volant ou à manchette) qui sont levées à la grue pour être ensuite vidées dans le coffrage, soit dans une pompe à béton qui est accouplée à un mât de distribution du béton. Certaines toupies sont aussi équipées d’un tapis convoyeur (standard, télescopique, avec une goulotte rotative en bout de tapis), pouvant aller jusqu’à 17 m.
Le béton peut aussi être projeté à l’aide d’un compresseur pneumatique, cette technique est très utilisée pour réparer des ouvrages en béton. Le temps de prise du béton commence à partir du mélange et malaxage, à sa fabrication. Le transport entame donc ce temps et doit être le plus rapide possible pour préserver un maximum de manœuvrabilité du béton pendant sa mise en place. En général la durée moyenne pour le transport et la mise en œuvre du béton est de deux heures, au-delà de cette durée, les centrales à béton ne garantissent plus la qualité car le béton a déjà commencé à faire prise. La température lors du transport est aussi importante. La rapidité de prise du béton est fortement influencée par la température ambiante. Lors du malaxage il est ainsi possible d’utiliser de l’eau froide par très grosses chaleurs et de l’eau chaude par temps froid. Certain camions sont également calorifugés
Mise en œuvre
Coulage d’une dalle en béton.
Les propriétés rhéologiques du béton à l’état frais peuvent permettre de distinguer différents types de béton :
- béton vibré : nécessite une vibration (aiguille vibrante, banche vibrante…) pour une bonne mise en place dans le coffrage ; chasser les "vides" et resserrer le matériau autour des armatures ;
- béton compacté au rouleau (BCR) : béton très raide qui est mis en place à l’aide d’un rouleau compresseur (utilisé principalement pour les chaussées, les pistes d’atterrissage ou les barrages9) ;
- béton projeté : béton raide mis en place par projection sur une surface verticale ou en surplomb (il existe deux techniques : la projection par voie humide et la projection par voie sèche) ;
- béton tapissé : concerne tous les types de béton du plus sec au plus fluide qui est acheminé à l'aide d'un tapis convoyeur à béton ;
- béton pompé : béton fluide qui peut être acheminé sur plusieurs centaines de mètres à l’aide d’une pompe à béton ;
- béton auto-plaçant et béton auto-nivelant : bétons très fluides qui ne nécessitent pas de vibration, la compaction s’effectuant par le seul effet gravitaire.
De façon courante, le béton est coulé dans un coffrage (moule à béton). Pendant son malaxage, son transport et sa mise en œuvre, le béton est brassé et de l’air reste emprisonné en lui. Il faut donc enfoncer des aiguilles vibrantes dans le béton pour faire remonter ces bulles d’air en surface. La vibration a aussi pour effet de couler plus facilement le béton dans le coffrage, de répartir ses agrégats et son liant autour des armatures et sur les faces et les angles qui seront visibles, de le rendre homogène mécaniquement et esthétiquement. Le béton est coulé par couches d’environ 30 cm pour la simple raison qu’un vibreur courant fait 30 cm de haut. Lorsque l’on enfonce un vibreur dans le béton, il faut atteindre la couche inférieure pour la marier avec la dernière couche sans poches jointives. La cure du béton est importante au début de sa prise. Elle consiste à maintenir le béton dans un environnement propice à sa prise. Il faut éviter toute évaporation de l’eau contenue dans le béton (par temps chaud et/ou venteux), ce qui empêcherait la réaction chimique de prise de se faire et mettrait donc en cause la résistance du béton.
Il faut aussi éviter les chocs thermiques. La réaction exothermique du béton, éventuellement ajoutée à une forte chaleur ambiante fait que le béton pourrait « s'autocuire ». À l’inverse il faut protéger le béton du froid ambiant pour que la réaction chimique du béton s’amorce et qu’elle s’entretienne pendant un laps de temps minimum (jusqu’à 48 heures pour les bétons à prise lente). Dans le cas de grands froids, les coffrages sont isolés (laine de verre ou tentes chauffées) et doivent rester en place jusqu’à ce que le béton ait fait sa prise.
Propriétés des bétons projetés.
- Grande résistance due à un faible rapport E/C et à un degré de compactage élevé.
- Bonne adhérence.
- Bonne résistance aux acides et à l'usure.
- Perméabilité faible.
- Retrait faible, principalement par la méthode sèche.
- Mélange très homogène par la méthode humide,
Finitions
Le béton peut avoir différentes finitions, traitements mécaniques et chimiques de surface qui font apparaître les granulats : brossé, désactivé (dénudé par un désactivateur), scié, poli, poncé, sablé, flammé, bouchardé10…
Vieillissement
Selon sa composition (alcali-réaction ou réaction sulfatique interne), ses additifs et selon les conditions de sa préparation (température notamment) ou de son coulage ou selon les contraintes qu’il a subies (attaques chimiques, séismes, vibrations, chocs thermiques, etc.), le béton vieillit plus ou moins bien. De nombreux tests et études portent sur la durabilité des bétons. En particulier, la caractérisation des matériaux par acoustique ultrasonore permet de détecter des changements structuraux du matériau.
Un des maux qui affectent fréquemment le béton est la carbonatation. Il s’agit d’une réaction chimique, entre le gaz carbonique de l’atmosphère (CO2) et le ciment du béton, qui provoque une baisse de l'alcalinité du béton en le rendant moins basique, le pH passe ainsi de 12 à environ 9 ce qui n'est plus suffisant pour protéger les aciers. Lorsque l’acier enrobé n’est plus protégé par la barrière basique du béton, il se corrode, gonfle, et fait éclater le béton d'enrobage, les armatures ne sont alors plus protégées et la résistance mécanique est compromise.
Contact avec l’eau potable
Dans un château d'eau ou un réservoir d’eau potable, les bétons sont soumis à des contraintes non rencontrées habituellement sur des bâtiments. Le béton seul (sans adjuvant) est normalement apte au contact avec l’eau potable. Pour respecter les exigences de la norme EN 206/CN et obtenir les caractéristiques physico-chimiques requises pour un réservoir (résistance mécanique et chimique, porosité, durabilité, etc.), l’utilisation d’adjuvants est devenue indispensable (il s’agit de molécules ou de polymères à propriété antigel, de plastifiants, de résine, de fumées de silice, d’hydrofuge, etc.). Pour éviter que ces produits se diffusent plus tard dans l’eau, ces adjuvants doivent être certifiés aptes pour contact avec l’eau potable.
L’eau potable, en étant légèrement acide ou très faiblement minéralisée, est agressive pour le béton des parois. L’eau dissout progressivement la chaux du ciment, cela entraîne une augmentation de la porosité du béton et une légère élévation du pH de l’eau, sans conséquence majeure sur la qualité de l’eau. En revanche, en devenant poreuse, la surface de béton peut alors favoriser le développement d’un biofilm. Des résines étanches, certifiées aptes au contact alimentaire et eau potable, peuvent alors être utilisées. Les joints des canalisations peuvent aussi parfois relarguer dans l’eau des nutriments d’origine organique pouvant stimuler la croissance de certaines bactéries.
« Certains matériaux de revêtement interne de grosses conduites ou de réservoirs relargueront pour leur part des polymères ou des adjuvants, ou des solvants ce qui se traduira par l'apparition de saveurs désagréables11,12. »
Autres causes de dégradation
En France, des documents spécifiques, recommandations et fascicules de documentation, synthétisent des principes de prévention pour des problématiques de durabilité en complétant les normes européennes. Il s'agit :
- recommandations pour la prévention des désordres dus à l'alcali-réaction13 ;
- recommandations pour la durabilité des bétons durcis soumis au gel13 ;
- définitions et classifications des environnements chimiquement agressifs, recommandations pour la formulation des bétons (FD P 18-011)14
- recommandations pour la prévention des désordres liés aux réactions sulfatiques internes15.
Corrosion des armatures
Elle se manifeste pour le béton armé par des taches de rouille à la surface du béton, mais aussi par de la délamination. L'acier des armatures se transforme en oxyde de fer, ce qui augmente le volume des armatures et provoque la dégradation du béton qui enrobe ces armatures.
Alcali silica réaction
Si les granulats utilisés contiennent de la silice mal cristallisée, on peut observer une réaction alcali granulats qui se manifeste par un gonflement au niveau microscopique qui peut entraîner des dégradations au niveau macroscopique.
Recyclage
Recyclage du béton en gravier par concassage.
Le béton peut être recyclé lors des chantiers de démolition : il est alors concassé, la ferraille en étant extraite par aimantation. Il peut être utilisé essentiellement dans la confection de remblais16. Les gravillons obtenus peuvent être aussi réincorporés dans du béton neuf dans des proportions variables (maximum de 5 % en France, tolérances plus élevées dans d’autres pays)16. Si cette proportion est trop importante, le béton résultant est moins solide16.
Aspect
Le béton peut être teinté dans la masse en y incorporant des pigments naturels ou des oxydes métalliques. Il peut aussi être traité à l'aide d'adjuvants pour être rendu hydrofuge (il devient alors étanche, empêchant les remontées capillaires). L'ajout de différents matériaux (fibres textiles, copeaux de bois, matières plastiques…) permet de modifier ses propriétés physiques. Son parement pouvant être lissé ou travaillé, le béton de ciment est parfois laissé apparent (« brut de décoffrage ») pour son aspect minimaliste, brut et moderne. Le béton utilisé en revêtement de grandes surfaces (esplanades, places publiques…) est souvent désactivé : on procède en pulvérisant, à la surface du béton fraîchement posé, un produit désactivant qui neutralise sa prise. Un rinçage à haute pression permet alors, après élimination de la laitance, de faire apparaître, en surface, les divers gravillons constitutifs.
Moulé ou « banché » (c'est-à-dire coulé dans une banche : un moule démontable mis en place sur le chantier et démonté après la prise), le béton peut prendre toutes les formes. Cette technique a permis aux architectes de construire des bâtiments avec des formes courbes. Elle permet aussi de réaliser les tunnels. En technique routière, le béton extrudé, mis en œuvre à l'aide de coffrages glissants, permet de réaliser des murets de sécurité, des bordures et des dispositifs de retenue sur des linéaires importants.
Données techniques
Énergie grise
Empreinte carbone
Le ciment employé dans le béton contribue maintenant pour 5 pour cent de la production annuelle mondiale de CO2 anthropique. D'ici 2050, l'utilisation du béton atteindra quatre fois le niveau d'utilisation de 1990. Le problème semble donc vouloir empirer. La raison pour laquelle le béton a une grande empreinte carbone dans son ensemble tient aux quantités énormes de béton utilisées. Le remplacement hypothétique du béton par de l'acier par exemple ne ferait qu'accroitre le problème, la fabrication de l'acier produisant également beaucoup de CO2. La règle empirique est que pour chaque tonne de ciment produit, une tonne de CO2 est produite. Les fours à ciment modernes sont maintenant plus efficaces et produisent environ 800 kg de CO2 par tonne - mais c'est encore une grosse émission. La production de béton est responsable d'une telle quantité de CO2 parce que le ciment Portland ne nécessite pas seulement des quantités importantes d'énergie pour atteindre des températures de réaction allant jusqu'à 1 500 °C, mais aussi parce que la réaction principale du ciment est la décomposition du carbonate de calcium, en oxyde de calcium et en CO2. Sur ces 800 kg de CO2 produits, environ 530 kg sont libérés par la réaction de décomposition calcaire elle-même. Plusieurs façons de réduire l'impact environnemental du béton font actuellement l'objet d'études17 :
L'une d'elles est la possibilité de produire des variétés ultra-résistantes de béton - et donc moins de béton serait nécessaire pour faire le même travail ; Obtenir un béton haute-résistance est un jeu d'équilibre particulier. Trop de pores remplis d'eau n'ayant pas réagi, affaiblissent la structure finale du béton, mais une certaine quantité d'eau est nécessaire pour maintenir l'ouvrabilité du mélange. Cependant, ce seuil d'ouvrabilité peut être abaissé en utilisant des additifs appelés plastifiants. La résistance finale est obtenue par une réduction d'eau maximale, qui nécessite des molécules dispersantes ultra-puissantes, celles par exemple dont les chaînes latérales sont les plus longues et qui fournissent les forces de dispersion les plus fortes17.
Le remplacement du clinker de Portland, en partie ou en totalité, par d'autres ciments fait également l'objet d'études. Les déchets tels que les scories provenant des hauts-fourneaux et les cendres volantes provenant des centrales alimentées au charbon sont déjà utilisés comme matériaux cimentaires supplémentaires (Supplementary cementing materials, SMC) depuis quelques décennies. Le défi de cette substitution est de remédier à certains effets négatifs qui tiennent principalement au développement précoce de la force. Avec un remplacement de 50 % du clinker par des cendres volantes, la résistance de départ diminue de façon spectaculaire (Idéalement pour un entrepreneur de construction, le béton de l'après-midi, devrait être démoulé le lendemain matin.) Le potentiel de remplacement du clinker est finalement limité. La mise en place de SCM a été assez bonne - mais la production de ces matériaux est minée par la demande de ciment. Fabriquer du ciment à partir d'un mélange de scories et de ciment Portland est assez simple, remplacer entièrement le clinker par du laitier nécessite l'ajout d'un alcali au mélange pour l'activer - et l'alcali peut alors continuer à attaquer l'agrégat. La réaction alcali-silice devient un problème, parce que le temps passant on a découvert que beaucoup d'agrégats sont réactifs. Par exemple, en Suisse, beaucoup des 300 barrages construits dans les années 1950 et 1960 commencent à montrer des signes de cette réaction. C'est un problème qu'il faille attendre 60 ans avant que ce défaut ne se manifeste17.
Un substitut de clinker plus viable à long terme, est en termes de disponibilité, le calcaire finement broyé. L'ajout de 5 % peut avoir des effets positifs, en améliorant la microstructure du béton. Et pour les bâtiments tels que les maisons individuelles, où l'on n'a pas besoin de grande résistance, on peut remplacer 20 % du clinker, en gardant de bonnes performances. Car c'est un obstacle clé de l'utilisation efficace du béton, l'incapacité actuelle de prédire facilement la performance d'un mélange particulier, et qui tient à l'incapacité à comprendre de manière complète les réactions chimiques en œuvre dans la formation du béton, connaissance devant laquelle on a souvent reculé au profit d'une sorte d'approche empirique. Selon les normes européennes, quelque 170 types de ciment sont disponibles, et si une personne veut construire une structure, il est presque impossible de décider du matériel optimal pour la structure qu'il souhaite construire. Ce manque actuel de connaissances signifie que souvent un béton est utilisé plus fort et en plus grande quantité que ce que le travail exige17. Nanocem (en) est un consortium de groupes universitaires et privés qui étudie les propriétés du ciment et du béton sur des échelles nano- et micrométriques, et met l'accent sur la réduction des émissions de dioxyde de carbone à tous les stades de la production17.
Classes de résistance
En application de la norme18, les bétons de masse volumique normale et les bétons lourds sont classés selon leur résistance à la compression, ce classement19 est de la forme Cx/y.
x désigne la résistance caractéristique exigée à 28 jours, mesurée sur des cylindres20 de 150 mm de diamètre sur 300 mm de haut ; y désigne la résistance caractéristique exigée à 28 jours, mesurée sur des cubes de 150 mm de côté.
La résistance caractéristique est définie par la norme comme étant la valeur de résistance en dessous de laquelle peuvent se situer 5 % de la population de tous les résultats des mesures de résistance possibles effectués pour le volume de béton considéré (fractile de 5 %). Cette résistance caractéristique, une pression, est exprimée en MPa ou en N/mm2.
Les classes de résistance normalisées sont C8/10, C12/15, C16/20, C20/25, C25/30, C30/37, C35/45, C40/50, C45/55, C50/60, C55/67, C60/75, C70/85, C80/95, C90/105 et C100/115.
Ces classes sont définies par la résistance à la compression du béton et sont :
- la classe C 16/20 : ce béton peut être utilisé pour des éléments non armés et donc peu sollicités ;
- la classe C 20/25 : pour des bétons peu exposés et soumis à de faibles sollicitations. Cette classe peut être utilisée pour des bétons légèrement armés, par exemple dans les fondations et dalles sur sol ;
- la classe C 25/30 : pour colonnes, poutres et dalles sans sollicitation exceptionnelle. Cette classe satisfait aux exigences de résistance et de durabilité requises dans les bâtiments.
Pour les bétons légers le classement est de la forme21 LCx/y (art. 4.3.1 tableau 8), les classes de résistance normalisées sont LC8/9, LC12/13, LC16/18, LC20/22, LC25/28, LC30/33, LC35/38, LC40/44, LC45/50, LC50/55, LC55/60, LC60/66, LC70/77 et LC80/88.
Quatre (cinq) règles à respecter pour avoir un béton durable.
Les 4C : Ciment contenu : avoir une teneur en ciment suffisante ; Cover : avoir un enrobage suffisant ; Compacité : Le facteur E/C doit être optimal → cela limitera les vides (+compact) Curing : Protéger le béton frais contre la dessication et le gel
(Contrôle : Contrôler l’application des 4 C précédents)
Classe de consistance
La consistance du béton peut être mesuré par l'essai d’affaissement au cône d’Abrams. Cet essai classe le béton en 5 classes de consistance, allant de la classe S1, décrivant un béton très peu fluide, jusqu'à la classe S5, décrivant un béton très fluide. Cet essai est décrit par la norme NF EN 12350-2.
Cet essai peut être aussi nommé « slump test », terme venant directement de l'anglais.
Classe d'exposition
Le béton est classé selon plusieurs critères décrivant son environnement et tous les type de dégradation qu'il pourrait subir. Il existe 6 classes d'exposition (X0, XC, XD, XS, XF et XA) décrivant toutes un type différent d'attaque, comme par exemple la corrosion induite par carbonatation, ou l'altération par cycle gel/dégel. Ces classes d'exposition impactent la formulation d'un béton pour qu'il réponde aux exigences de l'environnement dans lequel il sera mis en œuvre.
Importance économique
Avec une production annuelle de cinq milliards de mètres cubes, il est le matériau le plus consommé au monde (selon les pays, 5 à 10 fois la consommation de métaux, 10 à 30 fois celle de carton ou plastique)22
En France
Ce secteur tient une place économique importante, dans le secteur public, comme dans le privé. Il subit la crise de 2008, mais bien moins qu'en Espagne ou au Portugal selon les producteurs23,24. Si l'on considère la vente de béton prêt à l’emploi comme un indicateur d'activité, l'Italie, l’Allemagne et la France ont été en 2011 les trois plus gros producteurs de ces bétons, avec plus de 40 millions de mètres cubes chacun24.
Selon les relevés d’enquête de FIB-UNICEM25, et les producteurs24. En 2005, le béton prêt à l'emploi représentait 39 365 800 m3 vendus, pour 3 365 407 000 euros dont 3 048 000 euros à l’exportation dans 542 entreprises ou sections d’entreprises, par 7 914 salariés (dont 4 310 cadres & ETAM), effectuant 6 164 000 heures de travail, pour une masse salariale brute (hors cotisations sociales) de 206 749 000 euros. En 2008, la fabrication de produits en béton représentait 29 829 000 tonnes vendues, pour 3 146 757 000 euros dans 708 entreprises ou sections d’entreprises, par 20 526 salariés (dont 6 077 cadres et ETAM), effectuant 23 003 000 heures de travail, pour une masse salariale brute (hors cotisations) de 535 769 000 euros. La fabrication de supports en béton armé représente 120 700 tonnes vendues, pour 34 045 000 euros dans 9 entreprises ou sections d’entreprises, par 260 salariés (dont 131 cadres et ETAM), effectuant 225 000 heures de travail, pour une masse salariale brute (hors cotisations) de 6 866 000 euros.
En 2011 la France a produit 41,3 millions de mètres cubes de béton prêt à l’emploi en 2011, soit une hausse de +10,4 % (explicable pour 3 à 4 % par un « effet de rattrapage de 3 mois d’intempéries subis en 2010 » mais alors que la moyenne européenne a été de +2,7 %). La France est située après l'Italie (51,8 millions de mètres cubes, -4,8 %) et l’Allemagne (48 millions de mètres cubes, +14,3 %). La construction en béton est dopée en Italie, Allemagne et Autriche notamment, par l'habitude de fabriquer des routes en béton. Avec 0,638 m3 de béton par habitant et par an en 2011 la France est au-dessus de la moyenne communautaire (0,613 m3), loin derrière l’Autriche (1,254 m3 par habitant) qui utilise beaucoup de béton pour construire des routes24. La France disposait en 2011 d'environ 1 800 centrales à béton employant 14 500 personnes et 6 500 camions toupies24. En 2011, 22 % des bétons étaient pompés (jusqu'à 30 % dans les départements du Sud-Est) Avec 1 800 pompes à béton, c'est moins qu'en Italie (2 400 camions pompes) et un peu plus qu'en Allemagne (1 600 camions pompes)24. La livraison est plus rapide et ne nécessite pas de grue, mais avec moins d'emplois (3 personnes contre 5)24.
Métiers
La pratique du béton se raccroche à la pratique du maçon et de la maçonnerie. On parle de bétonneur ou de maçon-bétonneur. Le travail d’élaboration des coffrages se fait par le coffreur. L'ingénieur structure est responsables de l'étude des ferraillages et ferrailleurs de leur pose.
Recherche et développement
- Le CERIB, Centre d'études et de recherches de l'industrie du béton manufacturé26, est créé en France en janvier 1967, (publication au journal officiel27, au vu de la loi sur les Centres Techniques Industriels 48-1228 du 22 juillet 1948), actuellement financé par une taxe parafiscale sur les produits en béton et en terre cuite28, qui travaille de concert avec le CIMBETON (Centre d'information sur le ciment et ses applications) et le CSTB (Centre scientifique et technique du bâtiment), le CTMCC (Association des Centres Techniques des Matériaux et Composants pour la Construction) et l'EFB (École Française du Béton) et le SFIC (Syndicat Français de l'Industrie Cimentière).
- En 2007 à l'université de Leeds, John Forth et son équipe ont mis au point le « bitublock ». À base de 95 % de verre brisé, ferrailles et cendres, ce matériau serait six fois plus résistant que le béton classique.
- En 2016, un procédé dénommé « Solidia Technologies » (conjointement breveté par Air Liquide et une startup américaine) est présenté comme permettant de produire un béton préfabriqué à partir de ciment non-hydraulique. Adapté à la production de parpaings plaques, pavés autobloquants, etc. le procédé est moins consommateur d'eau et à moindre empreinte carbone, car l'eau y est remplacée par l'injection de gaz carbonique qui en outre accélère la formation de carbonate de calcium et le durcissement du béton (complètement durci en 24 h au lieu de 28 jours)29. Le CO2 réagit en 24 heures avec les silicates de calcium du ciment, en permettant la production de calcite (CaCO3) et de silice (SiO2) qui rendront le béton résistant29. En 2013, Lafarge a passé un accord avec Solidia pour s'assurer de pouvoir utiliser le procédé. Selon un communiqué d'Air Liquide ceci diminue jusqu'à 70 % de l'empreinte environnementale de ces bétons. Le CO2 pourrait être prélevé sur les cheminées des cimenteries, qui constituaient vers 2015 un gisement potentiel d'environ 800 millions de tonnes de CO2 par an29. En outre le clinker utilisé pour le ciment peut être produit à 1 200 °C, soit environ 250 °C de moins que pour les ciments "classiques", permettant environ 30 % d'économie d'énergie pour la cimenterie et une émission de CO2 également réduire d'environ 30 %30.
Notes et références
- « Site d'infociments, collection technique Cimbéton » [archive]
- Site du projet Recybéton [archive], consulté le 2015-06-04
- Recyclage récupération ; Recybéton veut faire évoluer les normes [archive],3 juin 2015
- Groupe Lafarge (2001) « 1er rapport de performance économique, sociale et environnementale ; "Construire un monde durable" »(Archive.org • Wikiwix • Archive.is • http://www.lafarge.com/sites/default/files/import/publication/09222004-publication_sustainable-Sustainability_report_2001_041501-fr.pdf" rel="nofollow" class="external text">Google • Que faire ?), voir p. 34/60 (encart : les réductions des émissions de CO2)
- Thierry Kubwimana, Nicolas Bourneton, Nicolas Rouxel, Aldéric Hauchecorne. Utilisation des bétons fibrés à ultrahautes performances en site portuaire. p. 685–692. DOI:10.5150/jngcgc.2010.079-K (Lire en ligne. [archive])
- Jean-Michel Torrenti (1995) Comportement différé du béton dans les enceintes de centrales nucléaires : analyse et modélisation Laurent Granger 1 [archive] 1995-02-15, Feed HAL:tel-00520675 (Thèse de Doctorat de l'École Nationale des Ponts et Chaussées), 406 p.
- P. Faucon, « Les composites ciment verre : Un matériau pour accéder à de nouveaux marchés », dans Congrès international du béton manufacturé N° 5, Paris, Fédération de l'industrie du béton, , 560 p. (présentation en ligne [archive]), II.59-II.71
- Thierry Lucas, « Les composites ciment-verre s'immiscent dans le B-TP », L'Usine nouvelle, no 2970, (lire en ligne [archive])
- Barrage de Petit-Saut
- Marcel Hurez, Béton architectonique, Ed. Techniques Ingénieur, (lire en ligne [archive]), p. 8-9
- Ghislain Loiseau et Catherine Juery, mis à jour par Jean-luc cellerier et Jean-Antoine Faby ; La dégradation de la qualité de l’eau potable dans les réseaux [archive], Fonds national pour le développement des adductions d’eau ; Office International de l’Eau, SNIDE, PDF, 98 p.
- Schulhof P., Cabridenc R., Chedal J. Qualité de l’eau dans les grands réseaux de distribution, TSM, 1990, no 11, 561-594
- http://madis-externe.ifsttar.fr/exl-php/cadcgp.php?CMD=CHERCHE&VUE=ifsttar_internet_recherche_experte&MODELE=vues/ifsttar_internet_recherche_experte/home.html&query=1 [archive]
- http://www.boutique.afnor.org/norme/fd-p18-464/beton-dispositions-pour-prevenir-les-phenomenes-d-alcali-reaction/article/819017/fa176300 [archive]
- http://dtrf.setra.fr/notice.html?id=Dtrf-0004269 [archive]
- Amaury Cudeville, « Recycler le béton [archive] », Pour la Science, octobre 2011, p. 17-18.
- The concrete conundrum Chemistry World 62 Mars 2008 Royal Society of Chemistry. en ligne [archive]
- Norme NF EN 206/CN Béton Partie 1 : Spécification, performances, production et conformité. Cette norme n'est pas librement accessible sur l'internet mais vendue par l'AFNOR
- NF EN 206-1, art. 4.3.1 tableau 7
- Avant l'homologation de la norme NF EN 206/CN, les éprouvettes cylindriques, couramment utilisées en France, avaient comme dimensions 16 cm de diamètre sur 32 cm de haut. À partir de la norme NF EN 206/CN, ces cylindres doivent avoir des dimensions conformes à la norme NF EN 12390-1 (Essai pour béton durci Partie 1 : Forme, dimensions et autres exigences relatives aux éprouvettes et aux moules), soit 150 mm de diamètre sur 300 mm de haut.
- C comme Concrete et LC comme Light Concrete
- conférence de Paul Acker à l'Université de tous les Savoirs, 01/10/2000
- L’organisation européenne du béton prêt à l’emploi (ERMCO ou European Ready Mixed Concrete Organization) ; chiffres de production pour l’année 2011
- BatiActu, Béton prêt à l’emploi : pourquoi la France résiste à la crise [archive] (2012-08-29)
- Site de l’UNICEM [archive]
- Site du CERIB [archive]
- JO du 14 janvier 1967 [archive]
- Décret no 2000-1278 [archive] du portant création d’une taxe parafiscale sur les produits en béton et en terre cuite
- BatiActu (2016) Un béton qui séquestre du CO2 [archive], Publié le 01/07/2016.
Annexes
Bibliographie
- Sous la direction de Jean-Pierre Ollivier et Angélique Vichot pour l'ATILH - La durabilité du béton - Presses de l'école des Ponts et Chaussées - Paris - 2008 (ISBN 978-2-8597-8434-8)
- Cimbéton, cahier des modules de conférence pour les écoles d'architecture - Janvier 2009 - Histoire du béton, naissance et développement 1818-1970
Articles connexes
- Matériau composite
- Bloc de béton
- Béton translucide
- Béton cyclopéen
- Coulis (maçonnerie)
- Retrait du béton
- Fluage du béton
- Carbonatation du béton
- Béton armé
- Louis Vicat, formulation du ciment artificiel et inventeur du clinker,
- Joseph Aspdin, inventeur du ciment Portland,
- Joseph Monier, inventeur du ciment armé
- Gustav Adolf Wayss et le développement du béton armé en Allemagne et en Autriche,
- Emil Mörsch, théorie et application du béton armé,
- François Hennebique, concepteur de structures en béton armé
- Auguste Perret, premier architecte à généraliser l’usage du béton armé dans la construction
- Eugène Freyssinet, inventeur du béton précontraint
- Union nationale des industries de carrières et matériaux de construction (France)
- Commission du ciment armé (1900)
- Béton bas carbone
- Musée du béton
Liens externes
Béton armé
Armatures métalliques de renforcement du béton.
«
Cancer du béton » : lorsque le
front de carbonatation atteint l'armature métallique, celle-ci est atteinte de
rouille qui fait augmenter le volume de l'acier, conduisant à l'éclatement du béton d'enrobage, ce qui provoque des délaminations, ou comme ici des
épaufrures qui mettent à nu les armatures oxydées.
Le béton armé est un matériau composite constitué de béton et de barres d'acier alliant les propriétés mécaniques complémentaires de ces matériaux (bonne résistance à la compression du béton et bonne résistance à la traction de l'acier). Il est utilisé comme matériau de construction, en particulier pour le bâtiment et le génie civil.
Histoire
Principe de fonctionnement
Le béton est un matériau capable de supporter des contraintes de compression importantes (10 à 100 MPa1) alors que sa résistance aux efforts de traction est très faible (de l’ordre du dixième de sa résistance à la compression). C’est donc pour pallier cette insuffisance qu’est née l’idée de placer, dans les zones soumises à des efforts de traction, des barres d’acier (armatures) qui, elles, sont résistantes aussi bien en compression qu’en traction. Le matériau résultant de l’association du béton et de l’acier est appelé « béton armé ».
Dans une structure en béton armé, les aciers principaux sont positionnés dans les parties tendues du béton pour compenser la mauvaise résistance du béton en traction. Pour une dalle en béton armé par exemple, on place les armatures principales en partie basse des travées et en partie haute au niveau des appuisnote 1.
Les premiers ouvrages en béton armé utilisaient des barres lisses en acier doux, par la suite les barres furent constituées d'acier haute adhérence (HA) comprenant des aspérités et ayant une meilleure résistance.
Les premières définitions des principes de calcul ont été faites à la suite des travaux de la commission du ciment armé qui ont abouti à la rédaction de la circulaire du concernant les instructions relatives à l'emploi du béton armé. Une commission prussienne définit les premières instructions sur le béton armé le , modifiées par le ministre des Travaux publics de Prusse par la circulaire du .
Les grandes dates de la réglementation pour les ingénieurs béton en France sont les suivantes :
- La circulaire du ;
- Le projet de règlement de la chambre syndicale du BA de 1928 ;
- La circulaire du ;
- Les règles BA 1945 modifiées en 1948 ;
- Les règles BA 1960 ;
- Circulaire no 70 du ;
- Règles CCBA 68 ;
- Règles BAEL 80 modifiées en 83 ;
- Règles BAEL 91, révisé en 1999 ;
- En , entrent en vigueur les règles constructives Eurocodes, qui marquent la fin de l’application des règles nationales précitées.
Principes de calcul
Principes de sécurité
Avant que les méthodes de calcul semi-probabilistes modernes deviennent la règle générale, les calculs de structure étaient basés sur le principe déterministe des coefficients de sécurité. Le coefficient de sécurité était défini comme le rapport d'une contrainte admissible sur une contrainte de calcul, les contraintes admissibles étant données par la nature des matériaux, et les contraintes de calcul déduites de la résistance des matériaux (RDM).
Lorsque les matériaux sont soumis à des combinaisons d'efforts, ce principe de calcul basé sur le coefficient de sécurité a montré ses limites et ses insuffisances. Un exemple significatif est celui de la cheminée soumise à son poids propre et au vent. Avec un coefficient de sécurité égal à 2, on peut croire que chaque effort élémentaire sollicitant la structure peut être doublé sans que l'on atteigne la ruine. Or on montre que ce raisonnement est faux et qu'une augmentation du vent de 10 % peut entraîner la rupture de la cheminée.
Face à l'insuffisance du principe déterministe de coefficient de sécurité, il a fallu définir autrement la sécurité des structures : les sollicitations ont été scindées en deux genres qui ont ensuite évolué vers la définition des états limites.
- Le premier genre de sollicitations, qui a évolué vers l'état limite de service (ELS), traite les structures dans leur fonctionnement de tous les jours, les matériaux sont sollicités dans le domaine élastique uniquement. Cet état regroupe un peu plus de 95 % des sollicitations normales.
- Le second genre de sollicitations, qui a évolué vers l'état limite ultime (ELU), traite les structures dans leur fonctionnement exceptionnel avant ruine, les matériaux peuvent alors atteindre le domaine plastique. La probabilité d'atteindre et dépasser cet état est de l'ordre de 10–7 à 10−3. Durant la vie d'un ouvrage, celui-ci doit pouvoir résister une fois à l'ELU, cela étant l'ouvrage en ressort endommagé de façon irréversible.
Ainsi, le principe de sécurité des ouvrages est aujourd'hui basé sur des notions d'analyse de fiabilité probabiliste et non plus sur des coefficients de sécurité. Cette définition probabiliste fait intervenir des notions de spectres de sollicitation et de résistance2. On démontre alors que mathématiquement, la sécurité absolue (probabilité de ruine nulle ou risque nul) ne peut exister, les coefficients de pondération utilisés dans les calculs réduisent les recouvrements des spectres et donc la probabilité de ruine, mais ne l'annulent jamais…
Pour que les habitudes de calcul ne soient pas totalement bouleversées, et malgré des concepts sous-jacents totalement différents, le formalisme des calculs suivant la nouvelle approche probabiliste de la sécurité a été maintenu très proche du formalisme des anciennes méthodes de calcul déterministes ; on parle alors de méthode de calcul semi-probabiliste.
Bien que la notion de sécurité a été complètement redéfinie, les règles de calcul modernes (BAEL et Eurocode 2) emploient encore le terme de coefficient de sécurité, il faut le comprendre comme coefficient de pondération et non plus comme le définissaient les anciennes règles déterministes.
Évolution des règles de calcul
Les progrès scientifiques dans la compréhension du comportement des matériaux et des phénomènes physiques ont amené les règles de calcul à évoluer.
Jusque dans les années 1970, on utilisait uniquement le modèle de comportement linéaire des matériaux (contraintes proportionnelles aux déformations : loi de Hooke), y compris pour les sollicitations du second genre où on utilisait une limite élastique conventionnelle3.
Avec l'évolution de la notion de sécurité et des progrès scientifiques, les modèles de calcul se sont rapprochés du comportement réel, non linéaire, des matériaux. Les règles de calcul du béton armé aux états limites de 1980 (BAEL80) ont été les premières à intégrer pleinement le modèle de comportement non linéaire des matériaux. Ces règles ont ensuite évolué en BAEL83, BAEL91 et BAEL91 révisées 99.
L'Eurocode 2, qui remplace les règles BAEL depuis 20104, est dans la lignée des règles de calcul modernes intégrant les notions probabilistes de sécurité et les comportements non linéaires des matériaux.
Domaines des modèles de calcul
État limite de service, ELS
Il s'agit du mode sollicitation de « tous les jours », l'ouvrage ne doit pas subir de déformation irréversible. Les matériaux sont employés dans leur domaine de comportement élastique. Tout naturellement, c'est le « modèle élastique linéaire » qui est utilisé pour les calculs à l'ELS.
En général pour les ouvrages courants de bâtiment, les éléments ne sont pas calculés en résistance à l'ELS5, ils le sont principalement pour des environnements agressifs ou lorsque les conditions de fissuration ou de déformation sont préjudiciables à la durabilité de l'ouvrage dimensionné. Il convient cependant de vérifier la déformation de la structure à l'ELS afin de s'assurer que les limites admissibles ne sont pas dépassées.
État limite ultime, ELU
Dans ce mode de sollicitation, l'ouvrage est à la limite de la ruine6, il doit résister aux charges, mais il subit des déformations irréversibles et en ressort endommagé. Pour cet état, il est inutile de rester dans le domaine de comportement élastique des matériaux, on utilise alors des « modèles de plasticité non linéaires » qui se rapprochent du comportement réel des matériaux. On utilise aussi les « modèles de calcul de stabilité de forme » qui concernent le flambement et le voilement des éléments comprimés (poteau, buton, voile ou coque) ainsi que le déversement des éléments fléchis élancés.
Pour le béton, le diagramme contrainte-déformation est habituellement une courbe parabole rectangle, un rectangle simplifié ou encore un diagramme bilinéaire7. Pour certains ouvrages d'exception, il est aussi possible d'utiliser des lois de comportement plus élaborées modélisant mieux la rhéologie réelle et complexe du béton.
Pour l'acier, le diagramme contrainte-déformation est habituellement un diagramme bilinéaire, une droite ayant pour pente le module d'élasticité, limitée par les zones plastiques horizontales ou incurvées8.
Les modèles de stabilité de forme pour le béton sont plus complexes que ces « principes de calcul » du béton armé9.
En général pour les ouvrages courants de bâtiment, les éléments sont calculés uniquement à l'ELU5 avec les lois de comportement simples.
Calcul
Le calcul d'un ouvrage en béton armé ne se limite pas à la seule maîtrise du calcul du béton armé. Outre une bonne maîtrise de la mécanique des milieux continus et de la résistance des matériaux, cela nécessite aussi la compréhension des phénomènes physiques qui engendrent les efforts sur l'ouvrage (hydrostatique, mécanique des sols, effets du vent sur les structures, phénomènes vibratoires, rhéologie des matériaux, limites des modèles de calcul, etc.) : c'est le métier d'ingénieur en béton armé.
Les modèles de comportement linéaire simples, utilisés à l'origine pour dimensionner le béton, ont aujourd'hui cédé la place à des modèles rhéologiques beaucoup plus complexes, mais plus proches du comportement réel des matériaux. Ces progrès scientifiques et techniques ont permis de réduire les quantités de matière nécessaires à la construction des ouvrages, et donc de réaliser des économies substantielles.
Le calcul du béton armé est bien trop complexe pour être expliqué en quelques lignes dans cet article. Le lecteur intéressé par le dimensionnement du béton armé pourra se reporter aux ouvrages spécialisés et aux règles de calcul du béton armé. Les cours cités dans les liens externes constituent une première introduction au calcul du béton armé.
Dispositions courantes de ferraillage
Façonnage du ferraillage d'une semelle sur le chantier du nouvel aéroport international de
Ouagadougou.
Dans un ferraillage, il existe plusieurs types d'armatures :
- les aciers principaux qui reprennent les efforts dans les parties tendues du béton ;
- les aciers transversaux pour reprendre les effets de l'effort tranchant et/ou de la torsion ;
- les aciers de comportement (pourcentage minimum d'armatures principalement pour limiter la fissuration) ;
- les aciers de montage pour fixer les aciers et les maintenir au bon emplacement.
En général, les aciers ne sont calculés et mis en œuvre que dans les parties où le béton est en traction. Dans certains cas où le béton est fortement comprimé, par exemple des poutres fortement fléchies ou certains poteaux dont la géométrie est fixée par l'architecture de l'ouvrage, il arrive que le béton seul ne soit pas suffisant pour résister aux efforts de compression. On met alors en œuvre des aciers comprimés10 pour reprendre une partie de ces efforts.
Les dispositions indiquées ci-après concernent uniquement les aciers principaux.
Poutres
Les poutres sont armées par des aciers principaux longitudinaux, destinés à reprendre les efforts de traction dus à la flexion, et des aciers transversaux, cadres et épingles (ou étriers), destinés à reprendre l'effort tranchant.
Les espaces entre cadres varient en fonction de l'effort tranchantnote 2, resserrés quand l'effort tranchant est important, en général près des appuis ou à l'endroit d'application des efforts concentrés, et plus espacés quand l'effort tranchant est faible, en général vers le milieu des travées des poutres.
Poteaux
Les poteaux sont armés par des aciers longitudinaux et des cadres transversaux destinés à empêcher le flambement.
Les cadres transversaux sont espacés régulièrementnote 3 et resserrés dans les zones de recouvrement avec les aciers en attente[pas clair].
Dalles et dallages
Transport de treillis soudés sur un chantier.
Les dalles sont généralement armées par deux à quatre lits (ou « nappes ») d'armatures croisées, formés par des barres individuelles ou des treillis soudés. On parle de « lit inférieur » (« nappe inférieure ») pour les deux nappes d'aciers proches de l'intrados de la dalle (face inférieure) et de « lit supérieur » (« nappe supérieure », « nappe haute ») pour les éventuelles nappes d'aciers proches de l'extrados de la dalle (face supérieure).
Il est possible, par mesure d’économie, de renoncer aux armatures supérieures en travée et de ne conserver des aciers en nappe haute qu'au niveau des appuis ; ils sont alors appelés « chapeaux ».
Les armatures transversales (verticales) sont assez rares, mais peuvent être mises en œuvre dans le cas d'un cisaillement localisé important (risque de poinçonnement) ou d'une reprise de bétonnage comme une prédalle (partie inférieure de dalle préfabriquée et utilisée comme coffrage pour la partie supérieure).
Voiles
Les voiles sont des murs massifs coulés en béton11, dont l'épaisseur est faible vis à vis des autres dimensions. Suivant les cas, ils peuvent être « non armés » ou « armés ».
Poutres-voiles ou parois fléchies
Une poutre-voile ou paroi fléchie est une poutre de grande hauteur dont le rapport hauteur sur longueur est supérieur à 0,5 dans laquelle il se développe un « effet de voûte »note 4.
Les poutres-voiles sont armées, en partie basse, par un tirant qui reprend la traction engendrée par l'effet de voûte et par des armatures horizontales et verticales qui reprennent les effets du cisaillementnote 5.
Murs de soutènement
Il s'agit d'ouvrages destinés à retenir les terres, ils sont armés par des aciers longitudinaux destinés à reprendre les efforts de flexion.
Fondations
Le terme fondations regroupe tous les éléments de structure qui transmettent les efforts d'un ouvrage vers le sol. On distingue deux types de fondations :
- fondations superficielles (semelle, radier) : elles travaillent par contact entre la surface d'assise de la fondation et le sol :
- les semelles sont armées d'une nappe d'acier en partie basse et en partie haute si besoin,
- les radiers se comportent comme des dalles à l'envers, de façon analogue, ils sont armés d'une nappe haute, et d'aciers en partie basse au niveau des longrines, voiles ou poteaux ;
- fondations profondes (puits, pieux) : elles travaillent soit par friction entre la face latérale de la fondation et le sol, soit en pointe :
- les pieux sont, suivant les cas, non armés ou armés par des d'aciers longitudinaux et transversaux,
- les puits sont rarement ferraillés.
Coques
Il s'agit de tous les ouvrages en béton à surfaces non planes, cela concerne par exemple des silos, des réservoirs, des toituresnote 6.
Les coques peuvent être armées d'une seule nappe d'armatures située au milieu ou bien de deux nappes, une sur chacune des faces.
Pathologies du béton armé
Les pathologies du béton armé peuvent affecter le béton ou l'acier mais bien souvent un endommagement de l'un engendre un endommagement de l'autre.
Réactions alcali-granulat
Source12.
Les réactions alcali-granulat (RAG) comprennent une famille de plusieurs réactions chimiques endogènes au béton. Dans toute cette famille, les réactions ont lieu entre les ions hydroxyde alcalins (de sodium et de potassium principalement) dissous dans la solution interstitielle du milieu et les granulats constitutif du béton. Ces réactions entrainent un gonflement et une fissuration des bétons infectés et engendre une réduction de ses capacités mécaniques. Dans le cas d'un béton armé, ces fissures engendrent une corrosion plus rapide des aciers, qui gonflent et participent à agrandir ces mêmes fissures.
Réaction par le sodium :
- Na2SiO3·H2O + n H2O ⟶ Na2SiO3·(n+1)H2O.
Réaction par le sodium et le calcium :
- Na2SiO3·nH2O + Ca(OH)2 ⟶ CaSiO3·nH2O + 2 NaOH.
Réaction par le calcium :
- SiO2 + Ca(OH)2 + n H2O ⟶ CaSiO3·(n+1)H2O.
La réaction alcali-silicate implique des roches polyminérales contenant des phyllosilicates (argile, terre…). Présents dans des roches de type granite, rhyolite, andésite et basalte, où la silice est sous forme microcristalline, ou vitreuse, où les minéraux silicatés peuvent libérer des alcalins et de la silice. La réaction alcali-silicate est également bien plus lente que l’alcali-silice car les roches et minéraux peuvent présenter des modifications de l’acide silicique qui réagit différemment.
La réaction alcali-carbonate comprend les réactions engendrant de l'hydroxyde de magnésium et du carbonate de calcium. Deux réactions chimiques peuvent être observées :
- premièrement, la présence de dolomie ou de magnésite dans les agrégats peut engendrer une réaction entre le carbonate de magnésium, la chaux présente dans l’eau et le ciment, qui donne lieu à du carbonate de calcium et à la cristallisation de l’hydroxyde de magnésium (brucite). Cet hydroxyde de magnésium est responsable du gonflement du béton et à terme de sa fissuration.
- MgCO3 + Ca(OH)2 ⟶ Mg(OH)2 + CaCO3 ;
- ou bien, dans le cas de l'attaque de la dolomite par les hydroxydes de potassium ou de sodium présents dans le béton, il s'agit plutôt de la réaction de dé-dolomitisation, donnée ici pour l'attaque par les hydroxydes.
- (Ca,Mg)(CO3)2 + 2 NaOH ⟶ CaCO3 + Na2CO3 + Mg(OH)2.
Notes et références
Notes
- Ces aciers en partie haute sont souvent appelés chapeaux.
- La suite de Caquot est une méthode permettant de calculer les espacements entre cadres.
- En général, les aciers longitudinaux sont calculés comprimés et donc l'espace maximum entre cadres transversaux est limité à quinze fois le diamètre des aciers longitudinaux.
- Le calcul classique RDM habituellement utilisé pour les poutres ne s'applique plus pour une poutre-voile puisque ce n'est plus une poutre respectant les hypothèses simplifiées de la RDM.
- Dans le cas d'une poutre-voile, on ne peut parler d'effort tranchant, description issue du modèle RDM, mais de cisaillement, description plus générale issue du modèle de la mécanique des milieux continus.
- Les toitures peuvent représenter des surfaces mathématiques telles que des cylindres paraboliques pour le CNIT dans le quartier de La Défense, ou des paraboloïdes hyperboliques, marché de Royan, faculté de pharmacie à Toulouse.
Références
- Norme EN 206-1, classes de résistances C8/10 à C100/115.
- Pour plus de détails sur l'analyse de la fiabilité et les méthodes probabilistes, voir la norme NF EN 1990 (Eurocodes structuraux, Bases de calcul des structures) éditée par l'AFNOR.
- Règles BA45, BA60, CCBA68.
- L'avant-propos de l'Eurocode 2 précise : « Cette norme européenne devra recevoir le statut de norme nationale, soit par publication d'un texte identique, soit par entérinement, au plus tard en , et toutes les normes nationales en contradiction devront être retirées au plus tard en . »
- BAEL, partie B.
- Cette limite de ruine est souvent confondue avec la limite de rupture. En réalité, les matériaux entrent dans leur phase de déformation plastique, la ruine ne signifie pas qu'il y a rupture d'un élément de structure, il suffit que les déformations soient irréversibles.
- BAEL [A.4.3,4] et Eurocode 2 [3.1].
- BAEL [A.2.2] et Eurocode 2 [3.2].
- Par exemple, l'annexe E.7 du BAEL propose pour le calcul du flambement des poteaux la formule de MM. Desayin et Krishnan tandis que l'Eurocode 2 propose la formule de Sargin simplifiée.
- BAEL [A.4.1,2] et Eurocode 2 [9.2.1.2(3)]. En particulier les aciers comprimés doivent être maintenus tous les quinze diamètres.
- DTU 23.1/NF P 18-210. Murs en béton banché.
- Steve Lesquereux, Réactions alcali-granulats dans le béton, TECHNI.CH, , 6 p. (lire en ligne [archive] [PDF]), p. 1-6.
Annexes
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Articles connexes
Bibliographie
Les règles de calcul et normes citées ci-après ne sont pas disponibles librement sur le web, mais sont vendues par leurs éditeurs respectifs.
- Règles BAEL 91 révisées 99, DTU P 18-702 édité par le CSTB.
- Règles BAEL 91 révisées 99, Fascicule n° 62 - Titre I - Section I édité par la Direction des Journaux officiels.
- Eurocode 0, normes NF EN 1990 et NF EN 1990/NA éditées par l'AFNOR.
- Eurocode 2, normes NF EN 1992-1-1 et NF EN 1992-1-1/NA éditées par l'AFNOR.
Liens externes
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| Articles liés |
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Béton hautes performances
Un béton hautes performances (BHP) (ou béton à hautes performances) est un béton caractérisé par une très forte résistance à la compression, puisque celle-ci est supérieure à 50 MPa à 28 jours, et des propriétés exceptionnelles à l’état frais (notamment en termes de viscosité), à court ou à long terme.
Le béton hautes performances est apparu à la fin des années 1980.
Histoire
Les lois du béton liant la résistance à la composition sont énoncées dès la fin du XIXe siècle avec en particulier l’ingénieur français Féret, mais ne sont pas exploitées immédiatement. Jusqu’à la fin des années 1940, la formulation du béton était d’une grande simplicité : 800 litres de gravillons, 400 litres de sable, de 4 à 8 sacs de ciment et de l’eau en abondance, cette recette ne devait pas correspondre toujours exactement à un mètre cube, mais elle faisait prise et durcissait. Avec des coefficients de sécurité à la rupture de l’ordre de trois dans des ouvrages simples, les risques étaient minimes.
Dans les années 1940, on sait que pour obtenir un béton, il faut minimiser le pourcentage de vides. M. Duriez précise ainsi qu’il convient d’aboutir à une ossature dont la surface spécifique soit minimale tout en donnant un béton qui, mis en place avec le dosage en ciment prescrit et le minimum d’eau nécessaire au mouillage de tous les grains, ciment compris, forme un ensemble homogène sans vide1.
Dans les années 1980, on découvre le moyen de réduire ces vides avec l’ajout de microparticules et d’adjuvants de types plastifiants, ainsi naissent les bétons hautes performances.
Composition
Pour améliorer les performances d’un béton, il convient d’en réduire la porosité en agissant sur le squelette granulaire (granulométrie) par l'addition de particules ultrafines type "fumée de silice", l'ajout d'un adjuvant superplastifiant/haut réducteur d'eau et par la réduction du rapport eau/ciment.
Les bétons hautes performances (BHP)
L’emploi des "superplastifiants/haut réducteur d'eau" permet de réduire l'eau du béton à consistance égale entraînant la suppression d’un volume important non mobilisé par l’eau nécessaire à l’hydratation du ciment. Le rapport eau/ciment est ainsi de 0,30 à 0,40 alors qu’il est habituellement de 0,45 à 0,60 pour un béton ordinaire2.
La composition d’un béton hautes performances est en général la suivante : 750 à 950 kg/m3 de gravillons, 700 kg/m3 de sable, 350 à 500 kg/m3 de ciment de classe 52.5 N ou R et d'une addition type "fumée de silice". L’ajout d’un "superplastifiant/haut réducteur d'eau" à hauteur de 1 à 2 % du poids de ciment permet de réduire le volume d'eau nécessaire à une valeur de 140 à 160 litres/m33.
Les bétons à très hautes performances (BTHP)
L’utilisation de particules ultrafines de moins d’un micron de largeur contribue à réduire encore plus la porosité, mais est essentiellement utilisée pour les bétons à très hautes performances (BTHP) 2.
Les particules ultrafines utilisées sont la plupart du temps des fumées de silice, contenant plus de 90 % d’oxyde de silicium, sous-produit de l’industrie du ferrosilicium.
Ces fumées de silice ont une double action. Outre le fait de réduire les vides, elles jouent aussi un rôle de catalyseur avec la chaux vive, lié à leur caractère pouzzolanique3.
Les bétons fibrés à ultra hautes performances (BFUHP)
Ce type de béton combine les avantages des bétons très hautes performances et les bétons renforcés de fibres. En comparaison aux bétons normaux, ils contiennent plus de ciment, un ratio eau/ciment plus bas, des granulats à large distribution granulométrique et des fibres4.
Propriétés
Manœuvrabilité
Du fait de la présence de superplastifiants, le béton hautes performances est très facilement manœuvrable. Les valeurs d’affaissement sont mesurées au cône où à la table à chocs pour une classe S4 ou F5 (fluide) dans la plupart des cas3. La fluidité d’un tel béton permet une facilité de mise en œuvre avec en particulier un bon remplissage des coffrages et un enrobage complet des armatures, y compris dans les zones où le ferraillage est très dense. Cette facilité de mise en œuvre permet en outre de réduire les délais d’exécution et autorise des bétonnages complexes dans des conditions d’accès difficiles, comme les pompages sur une grande hauteur (cas des piles du viaduc de Millau) 5
Durabilité
La porosité et la perméabilité de ces bétons améliorent par ailleurs la durabilité. Il en est de même pour la résistance aux agressions chimiques comme celles que peuvent subir les bétons en milieu marin ou en milieu agressif (ciment de classe PM-ES) et la résistance au gel3. La résistance aux agents agressifs (ions chlore, sulfates, eau de mer, acides …), le faible risque de corrosion des armatures, la forte résistance au cycle gel-dégel et à l’écaillage ainsi que la faible perméabilité sont autant de propriétés qui qualifient ce béton comme étant durable6,7.
Toutefois du fait de sa composition spécifique utilisant en particulier des matériaux comme les fumées de silice, il est difficile de prévoir sa durée de vie. Le programme européen Lifecon a permis de la comparaison de différentes structures construites dans des environnements bien spécifiques et de leurs données théoriques associées, d’élaborer différents modèles de dégradation. Des directives sur l'évaluation de la durée de vie, la classification EN 206 ont également été rédigées ainsi que des recommandations au secteur pour les applications du BHP8.
Caractéristiques
Résistance à la compression
Les bétons sont classés selon leur résistance à la compression à 28 jours. Les bétons hautes performances ont une résistance élevée.
| Classe | Résistance
à la compression à 28 jours
(en MPa) |
|---|
| Béton ordinaire |
16 à 40 |
| Béton à hautes performances |
45 à 60 |
| Béton à très hautes performances |
65 à 100 |
| Béton à ultra hautes performances |
> 150 (EIFFAGE avec le BSI peut atteindre 195 MPA)
et BOUYGUES 250 Mpa
|
Fluage et fluidité
Le fluage est très inférieur à celui d’un béton usuel. Le coefficient de fluage, égal au rapport de la déformation différée sur la déformation instantanée est compris entre 1 et 1,5 pour les BHP alors qu’il est de 2 pour les bétons ordinaires3.
Contrôle
le Béton hautes performances est soumis aux mêmes types d’essais que les bétons ordinaires dans le cadre de leur conformité à la norme NF EN 206-1, par exemple :
- Consistance mesurée au cône d’Abrams
- Résistance à la compression
Il y a aussi divers essais complémentaires permettent de mesurer les propriétés du Béton hautes performances aussi bien au stade de mise au point de la formulation, que lors des convenances, ou des contrôles sur chantier.
- Étalement à la table à secousse
- Rhéomètre
- Méthode des coulis de l’AFREM
- Méthode du Mortier de Béton Equivalent (MBE)
Applications
Les grandes résistances à court terme de 24 h à trois jours selon CCTP permettent un décoffrage rapide ainsi que des mises en précontraintes rapides. Ainsi les BHP sont utilisés pour des ouvrages : précontraints, préfabriqués, coulés en place9..
Ces propriétés élevées au jeune âge conduisent à préconiser l’utilisation de ce BHP pour les ouvrages soumis à de fortes sollicitations mécanique (bâtiments de grande hauteur, ponts, réservoirs, centrales nucléaires, etc.)9. La résistance en milieu agressif conduit à les préconiser pour les travaux en milieu marin ou agressif. Enfin lorsque le béton doit être pompé sur une grande hauteur, le BHP est recommandé du fait de sa grande manœuvrabilité9.
| Année |
Ouvrage |
Élément en BHP |
Lieu |
| 1979-1991 |
Centrale nucléaire de Cattenom |
Poutres des tours des aéroréfrigérants |
Cattenom, France  |
| 1986-1988 |
Pont de l'île de Ré |
Voussoirs |
Île de Ré, France |
| 1988-1995 |
Pont de Normandie |
Voussoirs |
Le Havre, France |
| 1997 |
Passerelle de l'Université de Sherbrooke |
Poutre et dalle10 |
Sherbrooke, Canada  |
| 1998-2004 |
Pont Rion-Antirion |
Plancher béton |
Rion, Grèce  |
| 2001 |
Tour EDF |
Piliers de façade |
La Défense, France |
| 2001 |
Cœur Défense |
Poteaux des tours |
La Défense, France |
| 2001-2004 |
Viaduc de Millau |
Piles & Couverture de la barrière de péage |
Millau, France |
| 2002 |
Passerelle de Seonyu |
Arc 11 |
Séoul, Corée du Sud  |
| 2005 |
Place de l'hôtel de ville Marseille |
Pots |
Marseille, France |
| 2007 |
Théâtre de Chartres |
Façade ajourée |
Chartres, France |
| 2009 |
Gare de Bordeaux St-Jean |
Façades, Garde-corps, panneaux ajourés |
Bordeaux, France |
| 2008-2012 |
Pont de l'île Rousski |
Pylônes12 |
Vladivostok, Russie  |
| 2010 |
Aéroport international de Tokyo |
Dalles de la Piste D |
Tokyo, Japon  |
| 2010-2013 |
MuCEM |
Piliers de structure |
Marseille, France |
| 2011 |
École des Arts |
Panneaux matricés |
Carcassonne, France |
| 2011 |
Aéroport Rabat-Salé |
Façade |
Rabat, Maroc  |
| 2010-2013 |
Stade Jean-Bouin |
Couverture extérieure |
Paris, France |
| 2012 |
Rectorat |
Panneaux extérieurs |
Dijon, France |
| 2012 |
Rotman School of Management |
Couverture extérieure |
Toronto, Canada |
| 2012 |
Crèche Pierre Budin |
Façade ondulante |
Paris, France |
| 2013 |
Siège Hermes |
Dalles de couverture |
Pantin, France |
| 2013 |
Multiplexe cinématographique Cap'Cinéma |
Auvent |
Rodez, France |
| 2014 |
Mémorial International de Notre-Dame de Lorette |
Anneau Elliptique |
Ablain-Saint-Nazaire, France |
| 2011-2014 |
Fondation Louis Vuitton |
Panneaux de couverture |
Paris, France |
| 2015 |
Passerelle |
Passerelle |
Le Cannet-des Maures, France |
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La tour EDF, à La Défense, présente une hauteur de 165 mètres. L’utilisation d’un BHP de type B80 pour les piliers de façade a permis de limiter le diamètre des poteaux les plus chargés à 1,30 m13.
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Les poteaux des tours Cœur Défense ont un diamètre de 1,10 m et ont été réalisés avec un BHP B8013.
Fabricants
Notes et références
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Voir aussi
Lien externe
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Béton de soufre
Le béton de soufre, parfois aussi appelé béton au soufre, ou thiobéton, est un matériau composite rarement utilisé en construction, et d'usage limité à l'extérieur des bâtiments en raison de sa faible résistance à la chaleur. Il est constitué essentiellement de soufre élémentaire comme agent liant, de granulats comme charge, et d'adjuvants chimiques modifiants (en anglais, modifiers), en fait des plastifiants. Comme dans le béton classique, les granulats de différentes granulométries sélectionnées par tamisage sont constitués de granulats grossiers (graviers de rivière ou roches concassées) et d'un granulat fin (sable). A la différence du béton classique, la production du béton au soufre ne fait pas appel à un liant hydraulique composé d'un mélange de ciment et d'eau, qui après avoir réagi (réaction d'hydratation du clinker) forment la pâte de ciment durcie assurant le maintien et la cohésion des granulats.
Le mélange cru (raw mix en anglais) utilisé pour la production du béton de soufre contient entre 12 et 25 % massique de soufre, le reste étant du granulat. Ce mélange est chauffé au-dessus du point de fusion du soufre élémentaire (115,21 °C (239,38 °F)) à environ 140 °C (284 °F)1. Des agents modifiants organiques (modifiers) peu volatils (c.-à-d., à haut point d'ébulition), comme du dicyclopentadiène (DCPD), du styrène, de la térébenthine, ou du furfural, sont ajoutés au soufre fondu pour inhiber sa cristallisation et stabiliser sa structure polymérique2. Le soufre fondu très fluide enrobe les granulats. Après refroidissement, le soufre se solidifie. En absence d'agents modifiants, le soufre élémentaire cristalliserait dans sa phase cristalline allotrope (polymorphe) la plus stable à température ambiante. Avec ajout d'agents modifiants, le soufre élémentaire forme un copolymère (chaines linéaires avec le styrène, structure réticulée (cross-linking) avec le DCPD3) et reste plastique2,note 1. Le béton au soufre atteint alors en ~ 24 h de refroidissement une résistance mécanique élevée. Il ne nécessite pas une période de cure prolongée comme le béton classique au ciment qui après sa prise (quelques heures) doit encore durcir pour atteindre sa résistance nominale prévue à 28 jours. La vitesse de durcissement du béton de soufre est fonction de sa vitesse de refroidissement et aussi de la nature et de la concentration en agents modifiants (processus de réticulation)2. Son durcissement est régi par le changement d'état liquide/solide assez rapide et les processus de transition de phases associés (maintien à l'état plastique en évitant sa recristallisation). C'est un matériau thermoplastique dont l'état physique dépend de la température. Il peut être recyclé et remis en forme de façon réversible, simplement en le refondant à température élevée.
Dès 1900, un brevet de béton de soufre a été déposé par McKay4,5. Le béton de soufre a été étudié plus en détail dans les années 1920 et 1930. Il a connu un regain d'intérêt dans les années 1970 en raison de l'accumulation de quantités considérables de soufre élémentaire comme sous-produit du procédé d'hydrodésulfuration du pétrole et du gaz et de son faible coût (déchet industriel très abondant)5,6,7.
Caractéristiques
Le béton de soufre a une faible porosité et est également peu perméable. La faible porosité et la faible conductivité hydraulique de sa matrice ralentissent les infiltrations d'eau et diminue le transport d'espèces chimiques corrosives, comme les chlorures (corrosion par piqûres des armatures en acier. En absence de fissuration, il assure la protection physique des armatures en isolant l'acier au carbone du contact avec l'eau. Le béton au soufre résiste à certains composés chimiques comme les acides qui attaquent le béton classique à base de ciment. Il n'est toutefois pas capable de résister à une exposition prolongée à une température élevée (T > 100 °C).
A côté de son imperméabilité, Loov et al. (1974)5 mentionnent également parmi les caractéristiques avantageuses du béton de soufre sa faible conductivité thermique et sa basse conductivité électrique. Le béton de soufre ne provoque pas de réaction néfaste avec le verre (pas de réaction alcali-silice), ne produit pas d'efflorescences et présente un fini de surface très lisse. Loov et al. (1974)5 mentionnent également parmi ses principales limitations techniques, son coefficient de dilatation thermique élevé (contraintes mécaniques induites et risque de fissuration associé), et aussi la formation possible de composés acides sous l'action de l'eau et de la lumière. Le béton de soufre réagit aussi avec le cuivre et dégage une odeur caractéristique lorsqu'il est fondu.
Usages
Le béton de soufre a été développé et promu comme matériau de construction en extérieur afin de pouvoir se débarrasser, tout en les valorisant, de grands stocks de soufre issus de l'hydrodésulfuration du gaz et du pétrole (procédé Claus). Toutefois, vu ses inconvénients, le béton de soufre n'est généralement utilisé qu'en petites quantités lorsqu'une prise et un durcissement rapides ou une résistance aux acides sont recherchés8,5. Ce matériau a été proposé comme matériau de construction potentiel sur la planète Mars, où l'eau et le calcaire ne sont pas facilement disponibles, contrairement au soufre9,10,11.
Avantages et bénéfices
La température nécessaire à la production du béton de soufre (140 °C) étant 10 fois plus faible que celle du ciment Portland (1 450 °C), ses émissions totales de CO2 sont 40 % inférieures à celles de la fabrication du béton de ciment classique12,13,14. Le béton de soufre est donc considéré comme un matériau de construction participant aux efforts nécessaires pour se diriger vers la neutralité en carbone. Sa production sans consommation d'eau et nettement moins énergivore par rapport aux bétons classiques à base de ciment Portland ordinaire (CEM I selon la norme européenne EN 197 définissant les différents types de ciments hydrauliques) en fait une alternative potentiellement intéressante, sans compter la réduction des émissions de gaz à effet de serre, les bétons à base de ciment portland étant responsables de ~ 8 % des émissions mondiales de CO2 en 2020[réf. nécessaire]. Grâce aux progrès des procédés de fabrication, le béton de soufre peut être produit avec qualité et en grande quantité15. Par exemple, des traverses de chemin de fer en béton de soufre recyclables sont utilisées en Belgique pour une partie de l'infrastructure ferroviaire dans la région d'Anvers, et sont produites en masse localement13. Un autre usage possible pour le béton de soufre est celui des canalisations d'égout, des chambres de visite, des raccords et des tuyaux les reliant aux égouts12. Sa haute densité, sa faible porosité, sa surface lisse, et sa bonne résistance aux acides sont des qualités recherchées. Cependant, sa résistance aux attaques bactériennes doit encore faire l'objet d'attention sur le long terme dans le cadre du cycle biogéochimique du soufre16.
Défis scientifiques et techniques à long terme
En effet, les bactéries sulfato-réductrices (en anglais : sulfate-reducing bacteria, SRB) et thio-oxydantes (en anglais : sulfur-oxidizing bacteria, SOB) produisent respectivement du sulfure d'hydrogène (H2S) et de l’acide sulfurique (H2SO4) capable d’attaquer la pâte de ciment Portland hydratée des matériaux cimentaires, notamment dans les parties non-noyées (zone vadose, accessible à pied) des égouts17. Elles sont connues pour occasionner de grands dégâts au mortier et au béton des anciennes infrastructures d’égouttage18,19. Le béton de soufre, s’il s’avère résistant aux attaques chimiques et bactériennes à long terme, pourrait offrir une solution efficace et durable à ce problème. Cependant, le soufre élémentaire participant lui-même aux réactions d’oxydoréduction utilisées par certaines bactéries pour produire l’énergie qui leurs est nécessaire à partir du cycle du soufre, le soufre élémentaire pourrait contribuer à alimenter directement l’activité bactérienne20.
Les biofilms adhérents à la surface des parois des égouts pourraient abriter des colonies microbiennes autotrophes pouvant dégrader le béton de soufre si elles sont capables d’utiliser celui-ci directement comme donneur d’électrons pour réduire les nitrates (processus de dénitrification autotrophique)21,22,23,24, ou les sulfates, présents dans les eaux usées. La durée de service requise pour les infrastructures d’égouttage des grandes villes et métropoles dépasse largement plus de 100 ans (à Londres, de nombreux égouts datent de l'époque victorienne, 1832 – 1901). Un des défis majeurs auxquels le béton de soufre est confronté est de pouvoir démontrer son caractère suffisamment peu réactif et peu sensible à l’activité microbienne à très long terme. Des essais de dégradation microbiologique en laboratoire et en conditions in situ sur le terrain s’avèrent encore nécessaires vu le manque de recul sur la durabilité de ce matériau et les échelles de temps concernées.
La durabilité du béton de soufre à très long terme dépend aussi de facteurs physico-chimiques comme ceux contrôlant, entre autres, la diffusion des agents modifiants (si non complétement fixés chimiquement) hors de la matrice du soufre élémentaire et leur lixiviation par l'eau. Les modifications éventuelles des propriétés physiques du matériau en résultant détermineront sa résistance mécanique et son comportement chimique à long terme. Le caractère biodégradable, ou au contraire récalcitrant vis-à-vis à l’activité microbienne, des adjuvants organiques, voire leur éventuel pouvoir biocide (susceptible de protéger le béton de soufre de l’attaque des micro-organismes) constitue un aspect important pour évaluer la durabilité du matériau. Celle-ci pourrait également dépendre à terme de la recristallisation progressive du soufre élémentaire au fil du temps ou de la vitesse de déformation plastique de sa structure modifiée par les différents types d’adjuvants organiques.
Inconvénients et limites d'utilisation
Étant basées sur l'utilisation du soufre élémentaire (S0, ou S8) comme liant thermoplastique, les applications du béton de soufre connaissent les mêmes limitations que celles du soufre élémentaire. En effet, ce dernier n'est pas un matériau inerte, car il peut brûler à température élevée au contact de l'oxygène de l'air. Il est également connu pour être un puissant agent corrosif pour des métaux et des alliages comme le cuivre et les aciers25,26,27.
En cas d'incendie, le béton de soufre est inflammable et dégagera des fumées acides toxiques et corrosives de dioxyde de soufre (SO2) et de trioxyde de soufre (SO3), conduisant à la formation d'acide sulfurique (H2SO4). Lors du contact du soufre élémentaire avec l'eau, des réactions d'oxydo-réduction de dismutation (aussi dites de disproportionation) peuvent également conduire à la formation d'espèces réduites du soufre très corrosives, comme les sulfures responsables notamment de la corrosion anaérobie du cuivre par les protons de l'eau (H+) par formation de précipités de Cu2S et de CuS très peu solubles. La modification des équilibres chimiques qui résulte des réactions de précipitation a pour effet d'intervertir la position du couple Cu2+/Cu vis-à-vis du couple 2H+/H2 servant de référence à l'échelle redox (2 H+ + 2 e– ⇌ 
H2 : 0 Volt), ce qui a pour effet d'anéantir le caractère noble du cuivre par rapport au couple de l'hydrogène et permet son oxydation par l'eau en conditions anaérobies.
Selon Maldonado-Zagal et Boden (1982)26, l'hydrolyse du soufre élémentaire (soufre octa-atomique, S8) dispersé dans l'eau est due à sa dismutation en formes réduites (sulfures) et oxydées (sulfates) dans le rapport H2S/H2SO4 = 3/1. Le sulfure d'hydrogène (H2S) provoque également de la fissuration sous contrainte (en anglais : sulfide stress corrosion, ou SSC). Au contact de l'air, H2S est également facilement oxydé en thiosulfate (S2O32–), une espèce chimique réduite du soufre très réactive au contact des aciers et responsable de corrosion par piqûres plus sévères que celles induites par les ions chlorures.
Comme la pyrite (FeS2, un disulfure de fer(II)), en présence d'humidité, le soufre élémentaire est également sensible à l'oxydation par l'oxygène atmosphérique et peut à terme produire de l'acide sulfurique (H2SO4), des sulfates (SO42–), et des espèces chimiques intermédiaires comme les thiosulfates (S2O32–), ou les tétrathionates (S4O62–), toutes deux des espèces fortement corrosives (corrosion par piqûres), comme toutes les espèces réduites ou intermédiaires du soufre25,28,29. Par conséquent, les problèmes de corrosion à long terme des aciers et d'autres métaux (aluminium, cuivre...) doivent être anticipés et correctement pris en compte avant de sélectionner un béton de soufre pour une application donnée.
La formation d'acide sulfurique est également susceptible d'attaquer et de dissoudre le calcaire (CaCO3), de même que le béton classique des composants et des structures de génie civil. Il s'ensuit alors la formation d'efflorescences de gypse, un sulfate de calcium dihydraté (CaSO4·2H2O), pouvant aussi aggraver la détérioration de ces matériaux.
Si les conditions physico-chimiques locales sont propices (suffisamment d'espace et d'eau disponibles pour permettre leur croissance), les bactéries oxydantes du soufre et des sulfures (biochimiquement très actives dans le cycle du soufre) peuvent également se développer au détriment du soufre de ce type de béton, affaiblir sa résistance mécanique, et contribuer à aggraver les problèmes potentiels de corrosion16.
La vitesse de dégradation du soufre élémentaire dépend de sa surface spécifique et donc du rapport surface/volume, de la porosité et de la microfissuration du matériau. Les réactions de dégradation seront plus rapides avec de la poussière de soufre à l'état finement divisé, tandis que de gros blocs monolithiques compacts, et encore intacts, de béton de soufre comme des traverses de chemin de fer devraient réagir plus lentement. La durée de vie des composants en béton de soufre dépend donc de la cinétique de dégradation du soufre élémentaire exposé à l'oxygène atmosphérique, à l'humidité, et aux micro-organismes. Elle sera aussi fonction de la concentration de contraintes et de la densité des microfissures dans le matériau concerné, de son usure (p. ex., suite à des sollicitations par des vibrations...), et de l'accessibilité des surfaces d'éléments en acier au carbone aux produits de dégradation corrosifs présents en solution aqueuse, en cas de présence de vides techniques, ou d'apparition de macrofissures facilement perméables à l'eau. Tous ces éléments doivent être pris en compte dès la conception des structures, systèmes et composants (SSC) à base de béton de soufre, certainement s'ils sont renforcés (armatures d'acier) ou précontraints (avec des câbles d'acier à haute résistance noyés dans le matériau).
L'oxydation du soufre élémentaire en conditions humides acidifiera aussi le milieu aqueux (abaissement de la valeur du pH de l'eau), aggravant encore la corrosion de l'acier au carbone. Contrairement au ciment Portland ordinaire et au béton classique, le béton de soufre ne contient pas d'hydroxydes alcalins (KOH, NaOH), ni d'hydroxyde de calcium (Ca(OH)2). Il n'apporte donc aucun pouvoir tampon capable de maintenir un pH élevé passivant la surface de l'acier durant longtemps (par la formation d'un fin film d'oxydes de fer denses, peu perméables, et très peu solubles). En d'autres termes, le béton de soufre ne protège pas chimiquement les armatures d'acier contre la corrosion. L'évolution de la corrosion des armatures d'acier incorporées au béton de soufre dépendra donc surtout des infiltrations d'eau par les macrofissures éventuellement présentes et de l'exposition directe de la surface des aciers aux espèces chimiques agressives dissoutes. La présence de micro-organismes capables de tirer leur énergie du cycle du soufre (via des réactions d'oxydation ou de réduction) pourrait également accélérer la vitesse de corrosion des éléments métalliques.
Notes et références
Notes
- Dans le procédé de vulcanisation du caoutchouc naturel mis au point par Charles Goodyear, du soufre élémentaire est ajouté au matériau (extrait du latex de l'hévéa) chauffé à température élevée pour le réticuler (cross-linking avec formation de liaisons disulfures). Dans le béton de soufre, c'est l'inverse : c'est un liquide organique très peu volatil (dicyclopentadiène (DCPD), styrène, térébenthine, ou furfural...) qui est ajouté au soufre en fusion pour inhiber sa cristallisation et maintenir une certaine plasticité lors de son refroidissement / durcissement. Dans les deux cas, des réactions de réticulation interviennent entre le soufre et les molécules organiques.
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- Liane Smith et Bruce D. Craig (2005-04-03). « Practical corrosion control measures for elemental sulfur containing environments [archive] » dans Corrosion 2005 , OnePetro. Consulté le 2022-09-19.
- Haitao Fang, David Young et Srdjan Nesic (2008). « Corrosion of mild steel in the presence of elemental sulfur [archive] » dans Corrosion 2008 , OnePetro.
Voir aussi
Bibliographie
- Husam A. Omar et Mohsen Issa (1994) « Production of lunar concrete using molten sulfur [archive] » 2: 952–959 p., New York: American Society of Civil Engineers.
- I. Casanova (1997) « Feasibility and applications of sulfur concrete for lunar base development: A preliminary study [archive] » : 209 p..
- T. D. Lin, Steven B. Skaar et Joseph J. O'Gallagher, « Proposed remote control solar powered concrete production experiment on the Moon », Aerospace Engineering, vol. 10, no 2, , p. 104–109 (DOI 10.1061/(ASCE)0893-1321(1997)10:2(104))
- Houssam Toutanji, Becca Glenn-Loper et Beth Schrayshuen (2005) « 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit » , American Institute of Aeronautics and Astronautics (DOI 10.2514/6.2005-1436).
- R.N. Grugel et Houssam Toutanji (2006) « Viability of sulfur "concrete" on the Moon: Environmental consideration » . — voir aussi la publication correspondante ci-dessous :
- R.N. Grugel et Houssam Toutanji, « Viability of sulfur concrete on the Moon: Environmental considerations », Journal of Advances in Space Research,
- Richard N. Grugela et Houssam Toutanji, « Sulfur "concrete" for lunar applications — Sublimation concerns », Advances in Space Research, vol. 41, no 1, , p. 103–112 (DOI 10.1016/j.asr.2007.08.018, Bibcode 2008AdSpR..41..103G, lire en ligne [archive])
- Margareth Dugarte, Gilberto Martinez-Arguelles et Jaime Torres, « Experimental evaluation of modified sulfur concrete for achieving sustainability in industry applications », Sustainability, vol. 11, no 1, , p. 70 (ISSN 2071-1050, DOI 10.3390/su11010070 , lire en ligne [archive], consulté le )
Articles connexes
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Liens externes
Béton projeté
Béton projeté par voie humide
Le béton projeté, ou gunite, est un béton propulsé, après malaxage, sur un support sous forme de jet. Il permet de réaliser les formes les plus complexes (dômes, coques, etc.) ou difficiles d'accès (tunnels, travaux acrobatiques, etc.). Il est également souvent utilisé dans les travaux souterrains ou en technique de réparation ou de soutènement.
Il existe deux techniques de projection, la projection par voie mouillée et la projection par voie sèche, chacune ayant des avantages et des inconvénients.
Histoire
L’idée de projeter du mortier revient au naturaliste et taxidermiste américain Carl Akeley qui en 1907 construisit avec un « fusil à béton » (cement gun) des faux rochers dans un zoo de Pennsylvanie. Il breveta la technique en 1909 et dès 1911, le béton projeté était employé pour des applications aussi diverses que la stabilisation des berges de la tranchée « Culebra cut » du canal de Panama et la protection contre les incendies (charpentes métalliques de la gare centrale et du pont sur l’Hudson à New York)1.
Cette technique se développe rapidement aux États-Unis : En 1913 le « Catskill canal » d’amenée d’eau à New York est ainsi étanché sur 1200 ml, en 1914 des parois rocheuses sont consolidées à Brucetown en Pennsylvanie, en 1917 des galeries de mines sont revêtues, en 1918 des barges pour la navigation sont construites en béton sur le Potomac et en 1922 des maisons sont même entièrement réalisées en béton projeté1.
Le principe consiste à faire passer un mélange de matériaux (ciment, sable et gravillons) successivement dans deux chambres pressurisées formant sas avant de l’introduire dans la lance où de l’eau y est ajoutée, puis de le projeter contre une surface2. Malgré l’inconvénient de la présence d’un chargement discontinu des matériaux et de la nécessité d’un machiniste en permanence pour manœuvrer le sas, le procédé s’internationalise.
Dans les années 1940, un nouveau procédé voit le jour s’appuyant sur le principe de la vis d’Archimède et autorisant un chargement en continu des matériaux et permettant un débit de projection plus élevé2.
C’est finalement avec l’apparition en 1947 de la machine à rotor en remplacement de la vis que naît vraiment le béton projeté moderne. Tout en gardant l’intérêt du chargement continu et des débits élevés, cette nouvelle technique autorise des distances machine-projection plus longues2.
Une dernière évolution apparaît dans les années 1990 avec le pompage péristaltique2, technique où le mélange liquide, contenu dans un tube flexible, est entraîné par un système pressant le tube à l'intérieur de la pompe.
Principe de fonctionnement
Techniques de projection
Il existe deux techniques de projection : la projection par voie mouillée et la projection par voie sèche.
Projection par voie mouillée
Le béton est généralement préparé en centrale (sable + ciment + eau) et est amené sur le chantier par camion toupie. Le camion verse ensuite son contenu dans une machine connectée à un compresseur. Le béton est acheminé à travers les convoyeurs pour atteindre son lieu d'application.
Projection par voie sèche
Le béton est généralement préparé en centrale mais n'est pas hydraté (sable + ciment).Le mélange contient entre zéro et trois pour cent d’humidité. Le mélange est versé dans une machine à air comprimé qui l'envoie dans un tuyau jusqu'à la lance de pré-mouillage grâce à un barillet. À l'arrivée en bout de lance, le mélange est humidifié et devient alors du béton. Le béton par voie sèche est propulsé à plus de 140 mètres par seconde (soit environ 500 km/h).
Dans le cas de chantier difficilement accessible, la projection par voie sèche peut aussi permettre de faire des approvisionnements ponctuels, notamment en sable (toit d'immeuble, voie d'accès étroite, travaux confinés...).
Approvisionnement
L'approvisionnement de la projeteuse peut se faire de différente façons :
- Approvisionnement "manuel" : à la pelle ou avec un véhicule de type Bobcat, les ouvriers effectuent le remplissage du cône de la projeteuse. Cette technique demande cependant de la précision et de la vitesse car le barillet doit toujours être approvisionné, sous peine de ressentir des à-coups dans la lance.
- Approvisionnement par camions toupie pour la voie mouillée et sèche.
- Approvisionnement par silo(pour la voie sèche) : pour des chantiers de longue durée, il est possible d'installer un silo au-dessus du rotor.
- Approvisionnement par big-bags (pour la voie sèche) : les big-bags sont remplis de mélange en centrale. Ils sont approvisionnés par camion sur chantier. Les big-bags sont placés au-dessus du cône de la machine à projeter à l’aide d’un engin de levage et vidées dans le cône grâce à système d’ouverture par le dessous.
Domaines d’application
Les domaines d’application sont nombreux3 :
- en travaux souterrains, en réparation provisoire en tant que membrane de protection ou de soutènement ou en revêtement définitif dans un rôle structurel ;
- en protections de talus et blindages de fouilles (parois clouées, parois parisiennes, puits marocains) ;
- en techniques de réparation de parois de béton ordinaires présentant des désordres de surface
- en réfection de parois de béton endommagées par des incendies ;
- en techniques de renforcement ou de reprise de structures neuves présentant des défauts de conception;
- pour la construction d’ouvrages en béton de forme libre.
- pour la construction de piscines en béton armé.
Matériels
La technique du béton projeté implique des moyens importants contrairement aux techniques traditionnelles. Le béton projeté nécessite des camions-ateliers sur lesquels sont montés des compresseurs de grande taille.
Avantages et inconvénients
La technique du béton projeté a un certain nombre d'inconvénients :
- Investissement important : contrairement au béton traditionnel mis en place dans des banches, le béton projeté nécessite du matériel lourd : un compresseur avec machine a rotor et une équipe d'au moins quatre personnes. En ce sens, le béton projeté n'est pas compétitif pour des petits volumes, si ceux-ci sont réalisables à la bétonnière. Ce frein limite aussi le développement de la technique, étant donné que seules les entreprises avec des infrastructures conséquentes et des moyens financiers peuvent offrir ce type de service.
- Savoir-faire :
La technique du béton projeté a aussi de nombreux avantages :
- Vitesse d’exécution : une équipe correctement formée peut projeter jusqu'à 10 m3 par heure (soit 100 m2 sur 10 centimètres d'épaisseur).
- Coffrage limité : la technique du béton projeté ne nécessite pas de coffrage autre que celui sur lequel elle projeté, là où le béton coulé l'est forcément dans un coffrage fond + murs.
- Chantier à accès difficiles : bien que le convoi 'compresseur + camion toupie' nécessite environ 40 mètres, la technique du béton projeté permet à un opérateur seul d'appliquer le béton dans un endroit étroit grâce au tuyau flexible.
La technique du béton projeté a fait ses preuves, notamment sur les chantiers suivants :
- Jonctions intertunnels du tunnel sous la manche, qui permettent aux trains de passer d'un tunnel à un autre si l'exploitation le nécessite.
Notes et références
Pour approfondir
Articles connexes
Bibliographie
- Claude Resse, Béton projeté, Syndicat national des entrepreneurs spécialistes de travaux de réparation et renforcement de structures (STRESS), (lire en ligne [archive])
- Comité technique d’ASQUAPRO, Présentation des fascicules de technique du Béton projeté, http://www.asquapro.com/ [archive] Association pour la qualité des mortiers et bétons, (lire en ligne [archive])
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