Essais sur les Bétons Frais

I.	GENERALITES

1 – Définitions :

§  Le Béton : est un matériau de construction composite fabriqué à partir de granulats (sable, gravillons) agglomérés par un liant.
Le liant peut être « hydraulique » (car il fait prise par hydratation ; ce liant est couramment appelé ciment) ; on obtient dans ce cas un béton de ciment couramment utilisé. On peut aussi utiliser un liant hydrocarboné (bitume), ce qui conduit à la fabrication du béton bitumineux. Le coulis est un mélange très fluide de ciment et d'eau. Enfin, lorsque les agrégats utilisés avec le liant hydraulique se réduisent à des sables, on parle alors de mortier (sauf si l'on optimise la courbe granulaire du sable et dans ce cas on parle de béton de sable). Le béton frais associé à l'acier permet d'obtenir le béton armé qui est un matériau qui résiste bien aux efforts de compression et aux efforts de traction.
L'eau a un double rôle d'hydratation de la poudre de ciment et de facilitation de la mise en œuvre (ouvrabilité). En l'absence d'adjuvant plastifiant, la quantité d'eau est déterminée par la condition de mise en œuvre.
     Remarque
Les résistances mécaniques en compression obtenues classiquement sur éprouvettes cylindrique 16×32 cm, sont de l'ordre de :

• BFC  : bétonnage fabriqué sur chantier : 25 à 35 MPa, peut parfois atteindre 50 MPa ;

• BPE  : béton prêt à l'emploi, bétonnage soigné en usine (préfabrication) : 40 à 60 MPa ;

• BHP  : béton hautes performances : jusqu'à 200 MPa ;

• BUHP : béton ultra hautes performances, en laboratoire : 500 MPa.

• BFUHP : béton fibré à ultra hautes performances

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.

2 – Formulation d'un béton

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.

3 – Classification des bétons

Le béton utilisé dans le bâtiment, ainsi que dans les travaux publics comprend plusieurs catégories.
En général le béton peut être classé en quatre groupes, selon sa masse volumique ρ :

• béton très lourd : ρ > 2 500 kg/m³ ;

• béton lourd (béton courant) : ρ entre 1 800 et 2 500 kg/m³ ;

• béton léger : ρ = 500 à 1 800 kg/m³ ;

• béton très léger : ρ < 500 kg/m³.

Le béton courant peut aussi être classé en fonction de la nature des liants :

• béton de ciment ;

• béton silicate (Chaux)

• béton de gypse (gypse) ;

• 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 macro-fibres (diamètre ~1 mm) dans proportion volumique allant de 0 5% à 2% ;

• les bétons fibrés à ultra haute performance (BFUHP) qui sont des bétons (BUHP) qui contiennent des micro-fibres (diamètre > 50 μm ou un mélange de macro-fibres et de micro-fibres.

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, précontraints.

• Les bétons lourds, dont les masses volumiques peuvent atteindre 6 000 kg/m³ servent, entre autres, pour la protection contre les rayons radioactifs.

• Les bétons de granulats légers, dont la résistance peut être élevée, sont employés dans le bâtiment, pour les plates-formes offshore ou les ponts. 

II.	LES COMPOSANTS DU BETON

1 – Les granulats

Définition

On appelle granulats un ensemble de grains destinés à être agglomérés par un liant et à former un agrégat.

1.1. Types des granulats

Les granulats utilisés pour le béton sont soit d'origine naturelle, soit artificiels.

o        Les granulats naturels

Origine minéralogique
Parmi les granulats naturels, les plus utilisés pour le béton proviennent de roches sédimentaires siliceuses ou calcaires, de roches métamorphiques telles que les quartz et quartzites, ou de roches éruptives telles que les basaltes, les granites, les porphyres.
Granulats roulés et granulats de carrières
Indépendamment de leur origine minéralogique, on classe les granulats en deux catégories:
1. Les granulats alluvionnaires, dits roulés, dont la forme a été acquise par l'érosion.
2. Les granulats de carrière sont obtenus par abattage et concassage, ce qui leur donne des formes angulaires. Les granulats concassés présentent des caractéristiques qui dépendent d'un grand nombre de paramètres: origine de la roche, régularité du banc, degré de concassage … .

o        Les granulats artificiels

Sous-produits industriels, concassés ou non
Les plus employés sont le laitier cristallisé concassé et le laitier granulé de haut fourneau obtenus par refroidissement à l'eau.
La masse volumique apparente est supérieure à 1 250 kg/m3 pour le laitier cristallisé concassé, 800 kg/m3 pour le granulé.
Ces granulats sont utilisés notamment dans les bétons routiers. Les différentes caractéristiques des granulats de laitier et leurs spécifications font l'objet des normes NF P 18-302 et 18-306.
Granulats allégés par expansion ou frittage
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 grains de poids intéressants puisque les bétons réalisés ont une masse volumique comprise entre 1200 et 2000 kg/m3.
Les granulats très légers
Ils sont d'origine aussi bien végétale et organique 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 coffrant, blocs de remplissage, dalles, ou rechargements sur planchers peu résistants.

2 – Les Ciments

 2.1. Les caractéristiques du ciment portland

2.1.1 La prise
La prise minimum dépend de leur classe de résistance, suivant les normes, à la température de 20 ºC, la prise peut atteindre:1 h 30 pour les ciments de classes 35 et45.et 1 h pour les ciments des classes 55 et HP. Pratiquement tous les ciments ont des temps de prise largement supérieurs à ces valeurs minimales, l'ordre de grandeur étant de 2 h 30 à 3 h pour la majorité des ciments.

2.1.2 Le durcissement

C’est la période qui suit la prise et pendant laquelle se poursuit l’hydratation du ciment. Sa durée se prolonge pendant des mois au cours desquels les résistances mécaniques continuent à augmenter.
Comme le phénomène de prise, le durcissement est sensible à la température, ce qui conduit notamment en préfabrication, à chauffer les pièces pour lesquelles on désire avoir des résistances élevées au bout de quelques heures.
Le graphique ci-dessous montre le développement des résistances dans le temps des constituants purs du ciment portland.

2.1.3 Le retrait

La pâte de ciment se rétracte dans l'air sec (alors qu'au contraire elle gonfle dans l'eau), ce phénomène se poursuivant dans le temps et ceci pendant des durées d'autant plus longues que les pièces sont massives. C'est le retrait qui est cause des fissures que l'on observe dans des pièces en béton.
En fait il existe plusieurs types de retrait:
·        Le retrait avant prise dû essentiellement à la perte prématurée d'une partie de l'eau de gâchage par évaporation et dont l'amplitude est de 2 à 4 mm/m pour les bétons.
·        le retrait hydraulique, est de l'ordre de 0,2 à 0,4 mm/m pour les bétons. Dans le cas de béton à faible rapport E/C, es fait par (consommation de l'eau de gâchage pour hydratation).
·        le retrait thermique, qui est dû à la contraction du béton lors de son refroidissement.
L'importance du retrait hydraulique, est fonction de nombreux paramètres parmi lesquels:
·        la nature du ciment
·        le dosage en eau (fig 2.12)
·        la propreté des sables
·        la forme et la dimension des granulats

2.1.4 Résistance à la compression

Les résistances mécaniques des ciments sont déterminées par les essais sur mortier dit "normal", à 28 jours d'âges en traction et en compression des éprouvettes 4 x 4 x 16 cm. La résistance du mortier est alors considérée comme significative de la résistance du ciment. Elle dépend de la classe de ciment et est exprimée en Mpa.

2.1.5 Dosage du ciment et taille des granulats.

Le dosage minimum du ciment selon le diamètre maximal des granulats (D). La formule est donnée par les règles BAEL, DTU 21 est :   où : k = 550 dans les cas usuels et  k = 700 pour les ouvrages exposés à des conditions agressives et sévères ou pour le béton précontraint.