Histoire, Constituants, Fabrication, Mise en Oeuvre et Performances
Malgré l’usage de bétons antiques constitués de chaux et de cendre à l’époque romaine, son utilisation se perd au profit du bois et de la pierre, jusqu’aux travaux de recherche des scientifiques et ingénieurs du 19ème siècle.
Cette époque voit le développement des premiers ciments industriels avec la découverte notamment en 1817 de la théorie de l’hydraulicité et l’invention du ciment artificiel par l’Ingénieur Louis VICAT, puis l’apparition en 1824, du ciment Portland.
Dans la seconde moitié du 19ème siècle, on observe les premières utilisation de l’acier dans le béton pour l’ossature d’ouvrages par Joseph Monier (1849), jardinier de l’Orangerie de Versailles, c’est la naissance du béton armé, qui va continuer de se développer dans la construction du 20ème siècle grâce notamment aux travaux sur les systèmes constructifs en béton armé de François Hennebique. La combinaison entre le béton et l’acier permet d’optimiser les forces de ses 2 composants : la résistance du béton en compression et la résistance de l’acier en traction.
En 1928, Eugène Freyssinet optimise les performances de ce mariage en inventant le principe du béton précontraint. Grâce à un câble d’acier introduit dans le béton et tendu au maximum par des vérins, il est possible de comprimer le béton et ainsi lui permettre de résister aux tractions auxquelles il sera soumis par la suite, supporter des charges importantes et même, revenir à sa forme initiale…
Il faut attendre l’entre-deux guerres pour voir les architectes s’emparer du béton et exploiter son potentiel plastique et artistique, avec des grands noms comme Frank Lloyd Wright, Auguste Perret ou Le Corbusier.
Au sortir de la Seconde Guerre mondiale, la rapidité de construction offerte par le béton permet de répondre à la crise du logement par la création des grands ensembles.
Le développement des adjuvants plastifiants dans les années 1990 qui sont des produits organiques permettant de fluidifier le béton tout en réduisant la quantité d’eau nécessaire, a permis le développement des bétons auto-plaçants, bétons très fluides, capable de se mettre en place sans vibration tout en optimisant l’enrobage des armatures les plus complexes.
Pour aller toujours plus loin dans les performances, une optimisation du squelette via l’ajout d’ultrafines combiné à une réduction d’eau ont permis de développer les bétons hautes performances et très hautes performances. Ces bétons ont permis une grande avancée technologique dans la construction béton. Dans les années 2000, une nouvelle génération de bétons, le BFUP, Béton Fibré à Ultra hautes Performances est développé, rendant possible de nouvelles prouesses architecturales toujours plus élancées.
Devenu le matériau le plus utilisé dans la construction actuelle, il n’a cessé de se renouveler pour répondre aux enjeux sociétaux.
La confusion entre le ciment et le béton est courante parce que ces deux termes sont étroitement liés dans la construction et sont souvent utilisés de manière interchangeable à tort. Cependant, ils désignent des matériaux différents et ont des fonctions distinctes.
Il est important de comprendre la différence entre le ciment et le béton pour des raisons de sécurité et d’efficacité dans la construction. Le ciment est un des composant du béton, mais c’est bien le béton lui-même, qui est le matériau utilisé pour la construction de structures.
Retrouve Elise qui t’explique en vidéo la différence entre ciment et béton !
Le ciment Portland se présente sous forme de poudre minérale fine fabriquée dans les cimenteries. Il est issu du mélange de clinker, le principe actif avec différents ajouts minéraux.
C’est un liant hydraulique, qui a la propriété de durcir progressivement au contact de l’eau via des réactions d’hydratation (dissolution et précipitation d’hydrates). Une fois durci, il conserve sa résistance et sa stabilité même sous l’eau.
Il assure la cohésion du mélange à l’état frais (colle), et son hydratation est à l’origine de la prise et de la montée en résistance du béton.
Il existe plusieurs types de ciment (CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV, CEM V, CEM VI) adaptés aux différents usages du béton et permettant d’assurer sa durabilité en fonction de son environnement.
Les ciments sont conformes aux normes NF EN 197-1 et NF EN 197-5 et sont pour la plupart, en France, certifiés NF002 (NF Liants Hydrauliques).
Le ciment représente entre 8 et 18 % (en poids) du béton.
Les granulats sont classés suivant leur coupe granulaire. Ils proviennent de carrières et sont issus du concassage de roches massives, du criblage de matériaux alluvionnaires et du recyclage du béton durci. On distingue :
Ils se présentent sous différentes formes (roulés ou concassés) et avec différentes natures minéralogiques ( calcaire, silico-calcaire, grès, shiste…).
Les granulats représentent entre 65 et 85 % (en poids) du béton.
Matériaux inertes qui remplissent 2/3 du volume du béton, les granulats constituent le squelette granulaire du béton, et vont apporter une ossature résistante au béton durci.
Leur répartition granulaire est importante car elle va impacter la compacité du béton, mais également sa maniabilié.
L’eau est un constituant essentiel du béton à travers 2 fonctions
Un excès d’eau va entrainer une augmentation de la porosité du béton et une chute importante de sa résistance ainsi, il est nécessaire de garder sa quantité limitée.
Elle représente entre 7 à 10% (en poids) du béton.
L’eau utilisée dans le béton doit être exempt de matières organiques, de sels ou d’acides ( conformité norme NF EN 1008 «Eaux de gâchage».)
Les adjuvants sont des produits organiques ou minéraux qui sont introduits à faible dose ( < 5% de la masse du ciment) aux bétons lors du malaxage et qui permettent une modification des propriétés du béton à l’état frais ou durci.
Il existe 12 familles d’adjuvants qui ont chacune des propriétés spécifiques. On distingue entre autres :
– les plastifiants et superplastifiants qui permettent d’augmenter la fluidité du béton tout en réduisant le besoin en eau
– les accélérateurs et les retardateurs de prise utilisés respectivement par temps froid (<5°C) et par temps chaud ( > 30°C)
– les entraineurs d’air utilisés pour les bétons soumis aux cycles de gel/dégel et les rétenteurs d’eau utilisés dans les bétons très fluides
Les adjuvants sont utilisés aujourd’hui dans plus de 95% des bétons.
Les additions sont des matériaux minéraux finement divisé utilisé dans le béton afin d’améliorer certaines propriétés ou lui conférer des propriétés particulières. On distingue :
Elles peuvent être utilisés en complément du ciment, ou en substitution partielle du ciment via le concept de liant équivalent.
Elles permettent par des effets filler d’augmenter la compacité du béton et par leur pouzzolanicité d’améliorer les résistances, la durabilité et la tenue aux environnements agressifs…
Le béton peut être fabriqué de 3 façons :
1 – Dans une Unité de Production de Béton Prêt à l’Emploi, pour être livré à l’état frais sur un chantier et coulé dans des coffrages avec armatures, Le béton prêt à l’emploi (communément appelé BPE) : les constituants du béton sont dosés selon les normes en vigueur ( NF EN 206/CN) et mélangés à la centrale puis le béton est transporté à l’état frais, dans un camion malaxeur appelé aussi « camion toupie », jusqu’au chantier.
En France chacune des 1 900 unités de production de BPE, se situe à une distance moyenne de 18,5km des chantiers qu’elle va livrer.
2- Dans une usine de produits préfabriqués en béton où les éléments en béton armé durcis sont fabriqués dans un atelier industriel, ce qui permet leur production répétée, rapide et en série. Ces éléments fabriqués à l’avance, prêt à poser sont assemblés sur le chantier.
La fabrication de ces produits en béton est obtenue par divers procédés : la fabrication sur presse, la fabrication via un moule et la fabrication via un filetage.
Une fois mis en place, un étuvage et une cure sont réalisés afin que le produit durci ait de bonnes qualités esthétiques et mécaniques. Aujourd’hui, plus de 700 sites industriels du béton sont présents sur tout le territoire français.
3- Dans une bétonnière sur chantier, où l’ensemble des constituants sont introduits et dosés selon le DTU 20.1.
Des bétons secs prêt à l’emploi auxquels la bonne teneur en eau est ajoutée peuvent être également employés.
Le béton de chantier est essentiellement utilisé pour les quantités modérées liées aux travaux de maçonnerie et de gros oeuvre.
La mise en œuvre du béton est une opération très importante et technique, dont dépendent en grande partie la réussite d’un ouvrage ou d’un élément, sa pérennité dans le temps et ses qualités esthétiques.
1 – Coffrages : Ils peuvent être réalisés en bois, en métal ou en élastomères. Ils doivent être propres, traités avec une huile de décoffrage, étanches et stables.
2- Ferraillage : Les armatures sont en acier carbone ou inox. Leur positionnement conformément au plan de ferraillage et le respect des valeurs d’enrobage nominal des armatures est essentiel. Elles doivent être exempts d’huile et de rouille en surface et maintenues en place pendant le coulage et la vibration (cales, ligatures)
3- Mise en place du béton : Le déversement du béton dans les coffrages est effectué par pompage ou à l’aide d’ une benne. La hauteur de chute du béton doit être limitée à 1 m. Dans le cas de bétonnage vertical et de fortes densité d’armatures, le passage d’un tube plongeur est à prévoir. Les épaisseurs de couches de béton doivent être de l‘ordre de 50 à 70 cm. Les conditions climatiques (temps chaud, temps froid) doivent être prises en compte notamment leur impact sur le temps de prise du béton. L’ajout d’eau au béton pour le fluidifier est interdit.
Dans le cas des bétons projetés, le béton est projeté à haute vitesse sur des surfaces inclinées ou verticales, ce qui le rend idéal pour la réparation de tunnels, de barrages et de parois de soutènement.
4 -Vibration : La vibration du béton est une étape obligatoire (exceptée pour les bétons autoplaçants), qui doit intervenir avant le durcissement du béton. Elle va permettre d’optimiser la compacité du béton (minimum d’air et de vide, homogénéité) et assurer la bonne mise en place du béton dans le moule. Elle est réalisée soit de manière interne au moyen d’aiguilles vibrantes introduites dans le béton coulé, soit de manière externe via la vibration du coffrage ou du moule. Dans le cas de surfaces horizontales, le béton est vibré en surface au moyen de règles vibrantes. La vibration ne doit pas être plus longue que nécessaire.
5 – Cure : La cure du béton est une étape obligatoire pour tous les bétons. Elle consiste à humidifier la surface du béton ou projeter un produit de cure (NF P 18-370) ou recouvrir le béton d’une feuille de polyane dès la mise en place du béton pour les bétons non coffrés ou dès leur décoffrage, pendant une durée qui varie de 14h à plusieurs jours. La cure est essentielle car elle permet de protéger le béton proche de la surface afin que son évolution soit similaire à celle du béton à cœur. On évite ainsi un ralentissement de l’hydratation du ciment et on limite le retrait plastique lié à l’évaporation de l’eau.
6 – Décoffrage : Le décoffrage doit être réalisé avec soin et ne peut avoir lieu que lorsque le béton a une valeur de résistance suffisante (5 à 10 MPa). Le maintien du coffrage peut faire office de cure pour les surfaces verticales. La teinte du béton dépend du temps de coffrage et du degré d’hydratation du béton.
L’une des premières performances du béton est sa résistance en compression qui permet de créer des structures hautes et complexes. La plupart des édifices les plus importants et les plus élevés sont construits autour d’un noyau de béton essentiel à leur stabilité.
Le béton possède une résistance en compression importante qui est proportionnellement liée à sa compacité. En revanche, il résiste mal aux efforts en traction, c’est pourquoi il est utilisé dans les ouvrages structurels sous forme de béton armé où l’acier va être capable de reprendre les efforts en traction.
Les performances mécaniques des bétons vont varier selon le type de béton utilisé à savoir un béton courant, un béton hautes performances (BHP) ou un Bétons Fibré à Ultra Hautes Performances ( BFUHP). Seuls les BFHUP développent une résistance à la traction telle qu’elle permet d’optimiser le dimensionnement des armatures.
Une autre de ses caractéristiques est sa durabilité dans le temps et sa résistance aux agressions environnantes et son étanchéité à l’eau, qui fait de lui un matériau irremplaçable pour la construction des fondations des immeubles, ainsi que pour la construction d’infrastructures enfouies pour le très long terme telles les ponts, les tunnels, les barrages, les centrales nucléaire.
En effet, l’ensemble des travaux de R&D réalisés sur le béton permet aujourd’hui de formuler des bétons qui prennent en compte l’environnement de l’ouvrage et ainsi permettent de maitriser la durabilité d’un ouvrage ie sa pérennité dans le temps en fonction des conditions et agressions qu’il subit.
On estime aujourd’hui que la durée de vie d’un ouvrage en béton construit dans les règles de l’art et entretenu est de 100 ans.
Le béton est un matériau incombustible qui de par sa conductivité thermique relativement faible permet d’offrir une bonne résistance au feu aux structures en béton armé, c’est à dire une stabilité structurelle pendant une durée suffisamment longue. Il n’alimente pas un feu par sa propre décomposition (classe A1) et a un bon caractère coupe-feu.
Soumis à une source de chaleur, le béton va subir des transformations qui vont faire progressivement chuter ses résistances. La dilatation thermique et la migration de l’eau vont causer des écaillages qui ne présentent pas de risque pour la stabilité de l’ouvrage car pris en compte dans les calculs de structure. Dans les environnements les plus exigeants, des fibres de propylène sont ajoutés pour palier à ce phénomène.
La masse volumique élevée du béton ( environ 2350 kg/m3) est un atout naturel pour limiter la transmission des bruits, en particulier les bruits aériens et les bruits routiers. Pour exemple, une paroi en béton plein de 18 cm d’épaisseur a un indice d’affaiblissement de 59 DB, conforme aux exigences règlementaires minimales d’acoustique entre logements.
La combinaison du béton avec des granulats de bois ou de caoutchouc qui offrent une absorption des bruits importantes du fait de leur porosité naturelle, permet d’améliorer l’efficacité acoustique et est mis en oeuvre notamment pour réaliser les murs anti-bruit autoroutiers.
Bien que les performances comme isolant thermique du béton ordinaire soient limitées (conductivité thermique de 2 W/(m.K)), le béton possède une forte inertie thermique. Cette propriété lui permet de capturer la chaleur de la journée pour la diffuser tout au long de la nuit en hiver, et d’accumuler la fraicheur de la nuit en été.
Aujourd’hui, il est possible via des formulations spécifiques d’améliorer la conductivité thermique des bétons en augmentant leur compacité pour les planchers chauffants ou par exemple, ou au contraire de les rendre bien plus isolants en recourant à des granulats légers très poreux comme la pierre ponce, le shiste expansé , le bois et le chanvre.
Le béton durci est un matériau minéral inerte. Il est recyclable à 100% en fin de vie de l’ouvrage lors de sa déconstruction.
Après récupération, les bétons déconstruits sont traités dans des installations de recyclage dédiées ( tri, concassage, criblage).
Aujourd’hui 80 % des déchets des bétons sont déjà valorisés. Ils sont utilisés principalement sous forme de granulats de bétons recyclés en remblai ou en application routière dans les travaux routiers.
Leur utilisation pour fabriquer de nouveaux bétons ou de nouveaux ciments est en plein développement.
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