Béton
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Béton est un terme générique qui désigne 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. 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 agregats utilisés avec le liant hydraulique se réduisent à des sables, on parle alors de mortier.
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[modifier] Histoire
Sa recette est un secret militaire gardé confidentiel (en raison de son importance stratégique) par les cimmériens, les phéniciens et les égyptiens. Permettant la construction de ports artificiels, de forteresses, de temples et de monuments commémoratifs, il se répand dans les colonies grecques grâce aux conquêtes d'Alexandre le grand, puis dans l'empire romain, après son alliance avec Neapolis avant de tombé en désuétude à la chute de celui ci.
Redécouvert par l'occident seulement depuis le XIXe siècle, le béton de ciment est, à l'heure actuelle, le matériau de construction le plus utilisé.
La réaction chimique qui permet au béton de ciment de faire prise est assez lente : à peine 50% de la résistance mécanique finale au bout de 7 jours. La vitesse de durcissement du béton peut cependant être affectée par la nature du ciment utilisé et par la température du matériaux lors de son durcissement. La valeur prise comme référence dans les calculs de résistance est celle obtenue à 28 jours (80% de la résistance finale). Il est possible de modifier (accélérer ou, au contraire, retarder) la vitesse de prise en incorporant au béton frais des adjuvants (additifs) ou en utilisant un ciment prompt (ciment Vicat). Il existe d'autres types d'adjuvants qui permettent de modifier certaines propriétés physico-chimiques des bétons. On peut, par exemple, augmenter la fluidité du béton pour faciliter sa mise en œuvre en utilisant des plastifiants, le rendre hydrofuge (adjonction d'un liquide hydrofuge ou d'une résine polymère) ou maîtriser la quantité d'air incluse (entraineur d'air).
[modifier] Le matériau béton
Si un béton classique est constitué d'éléments de granulométrie décroissante, en commençant par les agregats, le spectre granulométrique se poursuit avec la poudre de ciment puis parfois avec un matériau de granulométrie encore plus fine comme une fumée de silice (récupérée au niveau des filtres electrostatiques 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 facilitateur 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. 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 compressions obtenues classiquement sont de l'ordre de:
- bétonnage sur chantier : 25 à 35 MPa
- bétonnage soigné en usine (préfabrication): 40 à 60 MPa
- béton Hautes Performances : jusqu'à 200 MPa
- en laboratoire : 500 MPa
[modifier] 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
[modifier] Types particuliers de bétons
[modifier] Béton aggloméré
L'église Sainte Marguerite au Vésinet réalisée en 1855 par l'architecte L.A. Boileau suivant le procédé Coignet de construction de béton aggloméré imitant la pierre, fut le premier bâtiment 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).
[modifier] Béton armé
Le béton armé a été inventé par Joseph Monier qui en a déposé les brevets dès 1870. On se reportera pour plus de précision au livre "Joseph Monier et la naissance du ciment armé" paru aux éditions du Linteau (Paris, 2001).
De façon intrinsèque, le béton de ciment présente une excellente résistance à la compression. En revanche, il a une faible résistance à la traction donc à la flexion. Aussi est-il nécessaire, lorsqu'un ouvrage en béton est prévu pour subir des sollicitations en traction ou en flexion (comme par exemple un plancher, un pont, une poutre...), d'y incorporer des armatures en acier destinées à s'opposer et à reprendre les contraintes de traction qui pourraient mettre en péril la pérennité de l'ouvrage. Les armatures mises en œuvre peuvent être soit en acier doux soit en acier haute-adhérence (aciers HA anciennement dénomés TOR). On parle alors de béton armé, matériau composite mis au point par François Hennebique en 1886.
[modifier] Béton précontraint
Parfois, les sollicitations prévisibles sont telles que l'élasticité propre de l'acier ne suffit pas à assurer la sécurité de l'ouvrage. Aussi, a-t-on recours à des techniques spécifiques d'armature conduisant au béton précontraint.
En effet, le béton possède des propriétés mécaniques intéressantes en compression alors que la résistance en traction est limitée et provoque rapidement sa fissuration et sa rupture.
Il s'agit de techniques inventées par Eugène Freyssinet en 1928, qui consistent à tendre (comme des ressorts) les aciers constituant les armatures du béton, et donc à comprimer, au repos, ce dernier. Ainsi, lorsque la structure est sollicitée, ces armatures s'allongent et le béton a tendance à se décompresser sans toutefois parvenir à se mettre en traction, puisqu'il était déjà en partie comprimé.
Selon que cette tension appliquée aux armatures (appelé câble de pré-contrainte ou toron de pré-contrainte) 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 bâtiment), les armatures sont mises en tension avant la prise du béton. Elles sont ensuite relâchées, mettant ainsi le béton en compression par simple effet d'adhérence. Cette technique ne permet pas d'atteindre des valeurs de précontrainte aussi élevées qu'en post-tension.
- La post-tension consiste à disposer 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).
Dès lors la section de béton est uniformément comprimée (selon la position des câbles il apparaît même une contre-flêche à vide). Une fois soumis à la 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.
[modifier] Autres techniques de renforcement
On peut améliorer la résistance mécanique (post-fissuration) du béton en y incorporant des fibres métalliques (dosages traditionnels de l'ordre de 20 à 60 kg/m³). L'incorporation de celles-ci dans le béton rend ce dernier davantage ductile (moins fragile). Différents types de fibre métallique 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. Les fibres synthétiques ne garantissent quant à elles qu'une amélioration des performances au jeune âge du béton (limitation du retrait plastique). On obtient ainsi un « béton fibré », souvent mis en œuvre par projection (tunnels) ou couramment utilisé pour les dallages industriels par exemple. Une autre option est dite de « poudre réactive » à structure fractale : les grains qui le composent ont tous la même taille, et accessoirement la propriété de présenter la même forme à différentes échelles (fractale). L'organisation optimale des granulats au sein du béton lui octroie de meilleures propriétés mécaniques. Il s'agit toutefois d'une technique toujours au stade expérimental.
[modifier] Béton bitumineux
Le béton bitumineux (aussi appelé enrobé bitumineux) est composé de différentes fractions de gravillons, de sable, de filler et utilise le bitume comme liant. Il constitue généralement la couche supérieure des chaussées (couche de roulement). L'enrobé est fabriqué dans des usines appelées "centrales d'enrobage", fixes ou mobiles, utilisant un procédé de fabrication continu ou par gachées. 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).
[modifier] L’acheminement du béton
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 « toupies » (capacité 7 ou 15 m³).
Une fois sur le chantier, il est transvasé soit dans des bennes à béton (750 litres à 1.5 m³) qui sont levées à la grue (engin) pour être ensuite vidées dans le coffrage, soit dans une pompe à béton qui est accouplée à un mât de distribution du béton. Il peut aussi être projeté à l'aide d'un compresseur pneumatique. Cette technique est très utile afin d'exécuter plusieurs réparations sur des ouvrages en béton.
Certaines toupies sont aussi équipées d’un tapis roulant (d’une dizaine de mètres) permettant dans certains cas de se passer du moyen de levage.
Le démarrage du temps de prise du béton se fait à partir de son malaxage. 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.
La température lors du transport est aussi importante. La rapidité de prise du béton est fortement influencée par la température ambiante. Par très grosses chaleurs, l’utilisation d’eau froide peut être faite lors du malaxage et d’eau chaude par temps froid.
[modifier] La mise en œuvre du béton
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 pointes 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 30cm pour la simple raison qu’un vibreur courant fait 30cm 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’auto-cuire ». 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 48h 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.
[modifier] Aspect et usages
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). Son parement pouvant être lissé ou travaillé, le béton de ciment est parfois laissé apparent (brut de décoffrage) pour son esprit 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.
En technique routière, le béton extrudé, mis en œuvre à l'aide de coffrages glissants, permet de réaliser des murets de sécurité, des bordurages et des dispositifs de retenue sur des linéaires importants.
[modifier] Energie grise
- parpaing : 700 kWh/m³
- béton armé : 1850 kWh/m³
[modifier] Voir aussi
- Histoire du béton
- Matériau composite
- Faire du béton
- Auguste Perret, architecte précurseur dans l'utilisation du béton armé
- Bloc de béton
[modifier] Lien externe
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