Béton - Définition et Explications

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Introduction

Un mètre cube de béton (représentant la production et la « consommation » mondiale annuelle de béton par habitant)

Le béton est un matériau de construction composite fabriqué à partir de granulats naturels (sable, gravillons) ou artificiels (granulats légers) agglomérés par un liant (Un liant est un produit liquide qui agglomère des particules solides sous forme de poudre....).

Le liant peut être qualifié d'« hydrique », lorsque sa prise se fait par hydratation (L'hydratation désigne plusieurs phénomènes liés à l'eau.).
Ce liant est appelé couramment « ciment » ; on obtient dans ce cas un « béton de ciment » un des plus souvent utilisés.
On peut aussi utiliser un liant hydrocarboné (bitume), ce qui conduit à la fabrication du « béton bitumineux ».
Le « coulis » est un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...) très fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) de ciment (Le ciment (du latin caementum, signifiant moellon, pierre de construction) est une matière...) et d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...).
Enfin, lorsque les granulats utilisés avec le liant hydraulique (L'hydraulique désigne la branche de la physique qui étudie les liquides. En tant que telle, les...) se réduisent à des sables, on parle alors de « mortier ». On peut optimiser la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...) granulaire du sable (Le sable, ou arène, est une roche sédimentaire meuble, constituée de petites...), auquel cas on parlera de « béton de sable ».
Le béton (Le béton est un matériau de construction composite fabriqué à partir de...) frais associé à de l'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction...) permet d'obtenir le « béton armé », un matériau de construction (Les matériaux de construction sont des matériaux utilisés dans les secteurs de la...) courant.
Le béton frais associé à des fibres permet d'obtenir des « bétons fibrés ».

Histoire

Le pont (Un pont est une construction qui permet de franchir une dépression ou un obstacle (cours...) du Jardin des plantes de Grenoble, premier ouvrage au monde (Le mot monde peut désigner :) en béton coulé, construit en 1855 par Joseph et Louis Vicat

Les Romains connaissaient déjà une forme de béton, mais son principe fut perdu jusqu'à sa redécouverte en 1756 par l'ingénieur (« Le métier de base de l'ingénieur consiste à résoudre des problèmes de nature...) britannique John Smeaton.

Popularisé depuis le XIXe siècle, notamment grâce au ciment de Portland et à Louis Vicat en France, le béton de ciment est, à l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur...) actuelle, le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) de construction le plus utilisé.

Le matériau béton

Le béton

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 (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent...) de ciment puis parfois avec un matériau de granulométrie encore plus fin comme une fumée (La fumée, parfois appelée boucane en Amérique du Nord, est un nuage de particules...) de silice (La silice est constituée de dioxyde de silicium, un composé chimique qui entre dans la...) (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). En l'absence d'adjuvant (Un adjuvant est quelque chose ou quelqu'un qui aide à l'accomplissement d'un processus.) plastifiant, la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) 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 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 (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport...) hautes performances, en laboratoire : 120 MPa.
  • BFUHP : béton fibré (En mathématiques, un espace fibré est la donnée d'un espace topologique appelé...) 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 (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des...) couramment utilisée est de 1,75 W·m−1·K−1, à mi-chemin entre les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) métalliques et le bois.

Formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits...) 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.

La formulation d'un béton doit intégrer avant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) les exigences de la norme (Une norme, du latin norma (« équerre, règle ») désigne un...) NF EN 206-1, laquelle, en fonction de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) 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 (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) sur éprouvettes sera exigée aux producteurs, pouvant justifier des dosages de ciments plus ou moins supérieurs à la recommandation (Les industries ne fonctionnent pas correctement sans normes garantissant...) de la norme, et basée sur l'expérience propre à chaque entreprise, laquelle étant dépendante de ses matières premières dont la masse volumique (La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par...) peut varier, notamment celle des granulats.

D'autres exigences de la norme NF EN 206-1 imposent l'emploi de ciment particuliers en raison de milieux plus ou moins agressifs, ainsi que l'addition (L'addition est une opération élémentaire, permettant notamment de décrire la...) d'adjuvants conférant des propriétés différentes à la pâte de ciment que ce soit le délai (Un délai est d'après le Wiktionnaire, « un temps accordé pour faire une...) de mise en œuvre, la plasticité, la quantité d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) occlus, etc.

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 trois groupes (norme NF EN 206-1 articles 3.1.7 à 3.1.9), selon sa masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) volumique ρ :

  • béton normal : ρ entre 2 000 et 2 600 kg/m3 ;
  • béton lourd : ρ > 2600 kg/m3.
  • béton léger : ρ entre 800 et 2 000 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 (Le gypse est une espèce minérale composée de sulfate hydraté de calcium de...) (gypse) ;
  • béton asphalte ( Asphalte : matériau de construction Asphalte : film réalisé par Joe May en 1929 ...).

Lorsque des fibres (métalliques, synthétiques ou minérales) sont ajoutées, on distingue :

  • les bétons renforcés de fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se...) (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 hautes performances (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 (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) 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 (Servent est la contraction du mot serveur et client.), 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.

Différents types de granulats

Les granulats utilisés pour le béton sont soit d'origine naturelle, soit artificiels. Leur taille variable (En mathématiques et en logique, une variable est représentée par un symbole. Elle...) déterminera l'utilisation du béton (les gros granulats pour le gros œuvre, les très fin pour le béton sophistiqué). La résistance du béton augmente avec la variété des calibres mélangés.

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 qui doivent être conformes à la norme NF EN 12620 et la XP P 18-545 (granulats pour bétons) :

  1. 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 (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une...). 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 ;
  2. les granulats de carrière sont obtenus par abattage et concassage, ce qui leur donnent des formes angulaires Une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) 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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de paramètres : origine de la roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce...), régularité du banc, degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines...) de concassage… La sélection de ce type de granulats devra donc être faite avec soin et après accord sur un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...).
Les granulats artificiels
Sous-produits industriels, concassés ou non

Les plus employés sont le laitier cristallisé concassé et le laitier granulé de haut fourneau (Un haut fourneau est un four à combustion interne, destiné à la fabrication de la...) 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 (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) des normes NF P 18-302 et 18-306.

Granulats à hautes caractéristiques élaborés industriellement

Il s'agit de granulats élaborés spécialement pour répondre à certains emplois, notamment granulats très durs pour renforcer la résistance à l'usure de dallages industriels (granulats ferreux, carborundum…) ou granulats réfractaires.

Granulats allégés par expansion ou frittage 

Ces granulats, très utilisés dans de nombreux pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue...) comme l'URSS 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 (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la...) très intéressantes. Les plus usuels sont l'argile (L'argile (nom féminin) est une roche sédimentaire, composée pour une large part de...) ou le schiste (Un schiste est une roche qui a pour particularité d'avoir un aspect feuilleté, et de se...) 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 (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...). Les gains de poids intéressants puisque les bétons réalisés ont une masse volumique comprise entre 1 200 et 2 000 kg/m3.

Les granulats très légers

Ils sont d'origine végétale et organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande...) que minérale (bois, polystyrène (Le polystyrène (PS en abrégé) est le polymère -(CH2-CH(Ph))n-, obtenu par la...) 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.

d) Les bétons cellulaires (bétons très légers) dont les masses volumiques sont inférieures de 500 kg/m3. Ils sont utilisés dans le bâtiment, pour répondre aux problèmes d'isolation. Lors de sa réalisation on lui incorpore des produits moussants créant des porosités dans le béton.

e) Les bétons de fibres, plus récents, correspondent à des usages très variés : dallages, éléments décoratifs, mobilier urbain (Le mobilier urbain est, selon une expression contemporaine, une notion englobant tous les objets...).

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