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BÉTON

Le béton est aujourd’hui le matériau de construction par excellence. Environ 4 milliards de mètres cubes de béton sont utilisés tous les ans de par le monde pour la construction d’ouvrages de toutes natures, notamment de bâtiments, d’immeubles d’habitation, de ponts, de routes, de tunnels, d’aéroports, de barrages, de ports, de centrales thermiques et nucléaires et de plates-formes offshore.

Ce choix universel est fondé sur des critères techniques et économiques. La résistance mécanique et la durabilité, c’est-à-dire le bon comportement dans le temps face aux actions des charges et aux agressions physico-chimiques de l’environnement, constituent les principaux critères techniques. Les critères économiques sont évalués à partir de la disponibilité et du coût des matières premières, de la facilité d’emploi et du prix de revient du matériau en œuvre. Le béton répond parfaitement à ces conditions de choix:

– il est constitué de matériaux naturels primaires largement distribués à la surface de la terre;

– sa mise en œuvre est aisée et ne nécessite que l’utilisation d’une main-d’œuvre rapidement formée;

– il permet une adaptation facile aux formes les plus variées puisque, mis en place dans des moules ou coffrages, il en épouse les volumes, aussi complexes soient-ils, permettant ainsi les plus grandes audaces architecturales;

– ses capacités de résistance dépassent celles des meilleures roches naturelles;

– sa durabilité est plus que séculaire lorsqu’il est correctement formulé et mis en œuvre; il résiste bien aux effets d’environnements corrosifs et, en particulier, à l’action de l’eau de mer; il offre une bonne tenue au feu, garantie de sécurité vis-à-vis des incendies;

– son prix de revient, enfin, fait du béton le matériau irremplaçable dans le domaine de la construction

Le béton est un composite hétérogène qui résulte du mélange intime de ciment, de granulats, d’eau et de faibles quantités d’adjuvants. Ces constituants sont dosés de manière à obtenir, après durcissement, un produit solide dont les propriétés mécaniques peuvent être très supérieures à celles des roches naturelles. Dans la mesure où le ciment est un liant hydraulique fabriqué essentiellement à partir de minéraux naturels, le béton peut être considéré comme une roche artificielle.

1. Historique

Comme les roches naturelles, le béton possède une grande résistance à la compression et une faible résistance à la traction. C’est pourquoi son utilisation comme matériau de construction, qui remonte aux Romains, ne s’est véritablement développée qu’avec l’invention du béton armé. Dans ce dernier, des armatures, c’est-à-dire des barres en acier (initialement en fer), pallient son insuffisante résistance à la traction.

L’invention du béton armé est généralement attribuée à Joseph Lambot, qui, en 1848, fit flotter une barque en ciment armé, et à Joseph Monier, qui construisit indépendamment, grâce à ce matériau, des bacs à fleurs en 1849. L’emploi du béton armé dans les structures s’étend dès lors rapidement en France sous l’impulsion de Joseph Monier, mais aussi de Coignet, de François Hennebique et de Armand Gabriel Considère. Dès 1906, une circulaire ministérielle fixe des «Instructions relatives à l’emploi du béton armé», codifiant ainsi pour la première fois la conception et le calcul des ponts et des bâtiments avec ce matériau.

Un nouvel essor est apporté par l’invention, vers 1930, du béton précontraint par Eugène Freyssinet. Un pas conceptuel important est alors franchi, qui constitue «une véritable révolution dans l’art de construire», tant par la mise en pratique de la notion de précontrainte que par l’approfondissement de la compréhension du comportement mécanique et rhéologique du béton. L’utilisation de la précontrainte autorise, en effet, la maîtrise de la distribution des contraintes dans la matière. Elle permet, en particulier, de tirer profit de la grande résistance à la compression du béton tout en évitant les inconvénients dus à sa faible résistance à la traction.

La reconstruction qui suit la Seconde Guerre mondiale voit la généralisation de l’emploi du béton précontraint pour la réalisation des ouvrages d’art français. Yves Guyon et Pierre Lebelle précisent alors les principes de calcul des structures précontraintes et mettent à la disposition des ingénieurs les méthodes nécessaires à leur conception. La Société technique pour l’utilisation de la précontrainte (S.T.U.P.) met en œuvre les idées novatrices et les brevets d’Eugène Freyssinet et donne une forte impulsion au développement de l’emploi du béton précontraint dans le monde.

Les recherches menées depuis 1970 sur le béton, et particulièrement sur ses constituants actifs, conduisent à un nouveau bond qualitatif et quantitatif de ses propriétés. Aux États-Unis et au Japon, on fabrique et on met en œuvre, dans les années 1980, des bétons à hautes performances dont la résistance à la compression atteint 100 mégapascals (MPa) (environ 1 000 kg/cm²), et même 140 MPa (1 400 kg/cm²) dans un immeuble à Seattle aux États-Unis. En laboratoire, on obtient, d’ores et déjà, des résistances supérieures à 600 MPa (6 000 kg/cm²).

Bien que toujours composés de ciment, de granulats et d’eau, les bétons à hautes performances sont des matériaux nouveaux qui possèdent des propriétés mécaniques élevées, associées à une grande durabilité. Les améliorations apportées par l’industrie des liants hydrauliques à la qualité des ciments, la mise au point d’adjuvants spécifiques de synthèse ainsi que l’emploi d’ultrafines ont permis ce progrès spectaculaire.

2. Constituants du béton

Ciment

Le ciment est un liant hydraulique qui se présente sous la forme d’une poudre minérale fine s’hydratant en présence d’eau. Il forme une pâte faisant prise qui durcit progressivement à l’air ou dans l’eau. C’est le constituant fondamental du béton puisqu’il permet la transformation d’un mélange sans cohésion en un corps solide ^{[cf. CIMENT]}.

Granulats

Les granulats (sables, gravillons et cailloux) constituent le squelette du béton. Ils doivent être chimiquement inertes vis-à-vis du ciment, de l’eau et de l’air. Les formations géologiques à partir desquelles il est possible de produire des granulats à béton peuvent être d’origine détritique (essentiellement alluvionnaire), sédimentaire, métamorphique ou éruptive. Selon leur origine, on distingue les granulats roulés, extraits de ballastières naturelles ou dragués en rivière ou en mer, et concassés, obtenus à partir de roches exploitées en carrière.

Les granulats sont classés selon les dimensions des grains qui les constituent. La courbe granulométrique représente la distribution, en pourcentage, des poids des matériaux passant dans des tamis et passoires de dimensions normalisées.

Par convention, on nomme sables les grains de dimensions comprises entre 0,08 mm et 5 mm, gravillons ceux dont les dimensions sont comprises entre 5 mm et 25 mm et cailloux ceux de dimensions supérieures à 25 mm. Le poids volumique de ces granulats est de l’ordre de 25 à 35 kilonewtons par mètre cube (kN/m³, soit environ 2 500 à 3 500 kg/m³) et leur poids volumique apparent d’environ 14 à 16 kN/m³. On utilise en général, pour les ouvrages courants, des granulats constitués uniquement par du sable et des gravillons.

On emploie également des granulats légers qui sont le plus souvent artificiels et fabriqués à partir de matières minérales, comme les argiles, les schistes (argiles expansées) et les silicates (vermiculite et perlite). Les premiers permettent la fabrication de bétons de structure légers, dont la résistance peut atteindre de 40 à 50 MPa. Les seconds servent à la fabrication de parois en béton très léger, à fort pouvoir d’isolation thermique. Le poids volumique apparent de ces granulats varie d’environ 0,6 à 8 kN/m³. Malgré leur intérêt technique, leur coût énergétique de fabrication en réduit l’emploi à des applications particulières.

Les granulats lourds sont soit des riblons ou de la grenaille de fer, soit des minéraux naturels comme la magnétite, la limonite ou la barytine. Ils sont utilisés dans les bétons destinés à assurer une protection contre les rayonnements atomiques. Leur poids volumique apparent varie de 30 à 50 kN/m³.

Fillers

Les fillers sont des matériaux obtenus par broyage ou pulvérisation de certaines roches: calcaires, kieselguhrs, bentonites. Ils ont une finesse comparable à celle du ciment.

Ultrafines

Les ultrafines sont des particules de très faibles dimensions qui, ajoutées en quantités de l’ordre de 10 p. 100 du poids de ciment, améliorent notablement les performances du béton grâce à leurs propriétés physiques et chimiques. Les fumées de silice, ou microsilices, sont les plus utilisées; ce sont des oxydes de silicium à structure amorphe en forme de microsphères de diamètre de l’ordre de 10 nm (1 nm = 10^-9 m).

Eau

De façon générale, l’eau de gâchage doit avoir les propriétés de l’eau potable. Il est exclu d’employer de l’eau de mer, qui contient environ 30 g/l de chlorure de sodium, pour la fabrication de bétons armés ou précontraints.

Adjuvants

Les adjuvants sont des produits chimiques incorporés au béton frais en faibles quantités (en général moins de 3 p. 100 du poids de ciment, donc moins de 0,4 p. 100 du poids du béton) afin d’en améliorer certaines propriétés. Leur efficacité est liée à l’homogénéité de leur répartition dans la masse du béton. Les principaux adjuvants sont:

– Les plastifiants et les fluidifiants réducteurs d’eau, qui jouent un double rôle. Ils permettent, d’une part, d’obtenir des bétons frais à consistance parfaitement liquide, donc très maniables, par défloculation des grains de ciment. À maniabilité donnée, ils offrent, d’autre part, la possibilité de réduire la quantité d’eau nécessaire à la fabrication et à la mise en place du béton. La résistance du béton durci peut ainsi être notablement augmentée. La durée d’action de ces adjuvants est de 1 à 3 heures.

– Les retardateurs de prise du ciment, qui prolongent la durée de vie du béton frais. Ils trouvent leur utilisation dans le transport du béton sur de grandes distances ou la mise en place par pompage, en particulier par temps chaud. Ils sont aussi employés pour éviter toute discontinuité lors de reprises de bétonnage.

– Les accélérateurs de prise et de durcissement, qui permettent, pour les premiers, la réalisation de scellements ou d’étanchements et, pour les seconds, une acquisition plus rapide de résistance au béton durci.

– Les entraîneurs d’air, qui confèrent au béton durci la capacité de résister aux effets de gels et de dégels successifs en favorisant la formation de microbulles d’air réparties de façon homogène. Le volume d’air occlus doit être de l’ordre de 6 p. 100 de celui du béton durci.

3. Béton frais, béton durci

Le béton doit être considéré sous deux aspects: le béton frais , mélange de matériaux solides en suspension dans l’eau, se trouve en état foisonné à la sortie des appareils de malaxage et en état compacté après sa mise en œuvre dans son coffrage; le béton durci , solide dont les propriétés de résistance mécanique et de durabilité s’acquièrent au cours du déroulement de réactions physico-chimiques entre ses constituants, d’une durée de quelques jours à quelques semaines.

4. Composition du béton

Un béton est défini par trois critères principaux: la résistance à la compression et la durabilité du béton durci qui garantissent la sécurité et la pérennité des ouvrages et la consistance ou la maniabilité du béton frais qui mesure sa facilité de mise en œuvre. Ces propriétés dépendent, outre de la qualité des constituants, de la composition du béton, c’est-à-dire des quantités des divers éléments contenus dans un mètre cube de béton en place.

René Féret a, dès 1898, établi les principes de composition optimale conduisant à l’obtention de bétons de résistance spécifiée. Il a énoncé la relation fondamentale qui lie la résistance à la compression f ^c d’un béton aux volumes de ciment c , d’eau e et de vides v contenus dans un mètre cube de béton durci:

Cette expression montre que la résistance f ^c croît avec le dosage en ciment, c’est-à-dire avec le poids de ciment contenu dans 1 m³ de béton durci, le coefficient k dépendant de la nature du ciment.

Dans cette relation, e est la quantité totale d’eau. Si e ^hydr est la quantité nécessaire à l’hydratation du ciment, il subsiste une quantité excédentaire d’eau e ^exc telle que e ^exc = e 漣 e ^hydr. Cette dernière est à l’origine de vides qui s’ajoutent aux vides physiques de volume v . L’ensemble de ces vides constitue la porosité du béton. La formule de Féret met donc en évidence le fait que, pour un dosage donné de ciment, la résistance est d’autant plus grande que la porosité du béton est plus faible. Depuis Féret, de nombreuses méthodes ayant pour objectif la minimisation de la porosité, c’est-à-dire du volume (e + v ), ont été proposées, et notamment en France, où les plus récentes sont celles de Georges Dreux, en 1970, et de Jacques Baron et René Lesage en 1976.

Si E et C sont les poids d’eau et de ciment, la quantité minimale théorique d’eau nécessaire à l’hydratation du ciment correspond à une valeur du rapport E/C d’environ 0,20. En général, il est difficile de respecter ces conditions car il importe de conserver au béton frais une maniabilité suffisante permettant de le mettre en place correctement dans les coffrages. Les bétons à haute résistance atteignent des rapports E/C de 0,25 par l’emploi d’adjuvants réducteurs d’eau. Les bétons courants ont des rapports E/C de l’ordre de 0,50 à 0,60.

La porosité est réduite par l’emploi d’une quantité minimale d’eau mais aussi par l’optimisation de la granulométrie des granulats, par l’ajout de fillers et d’ultrafines comblant les vides entre les granulats et entre les grains de ciment, ainsi que par une action mécanique de serrage et de compactage du béton frais en œuvre.

Les dosages courants en ciment varient de 150 à 300 kg/m³ pour le béton non armé et de 250 à 400 kg/m³ pour le béton armé. Ils sont compris entre 350 et 400 kg/m³ pour le béton précontraint. À titre d’exemple, la composition type d’un mètre cube de béton courant est la suivante: sable 600 kg, gravillons 1 200 kg, ciment 350 kg, eau 180 kg.

5. Le béton frais

Fabrication

Une installation de fabrication constitue une centrale à béton. Celle-ci comprend un ou plusieurs silos à ciment de capacité adaptée à l’importance du chantier et des aires de stockage en vrac des granulats, affectées chacune à des classes granulaires différentes: sables, gravillons et cailloux. Ces composants sont transportés vers des trémies permettant leur dosage pondéral en fonction de la composition retenue et introduits avec l’eau dans des malaxeurs ou des bétonnières dans lesquels s’effectue le mélange des différents constituants.

Les malaxeurs sont des cuves cylindriques fixes, en général à axe vertical, munies de systèmes de palettes qui, par rotation autour d’un axe vertical excentré ou non, brassent énergiquement le mélange pendant environ 60 secondes. Ces appareils sont utilisés pour la fabrication industrielle des bétons prêts à l’emploi (B.P.E.) ainsi que sur les grands chantiers, car ils permettent des productions horaires importantes de béton (plus de 100 m³/h).

Les bétonnières sont des cuves cylindro-coniques, comportant des palettes fixées sur leur paroi, qui tournent autour d’un axe horizontal ou légèrement incliné. Des orifices situés aux extrémités de la cuve permettent l’introduction des constituants et la vidange du béton frais. Le brassage des constituants du béton s’y effectue essentiellement par gravité pendant environ 2 à 3 minutes.

L’emploi de malaxeurs à axe horizontal ou faiblement incliné, portés sur châssis automobile, commence à se développer. Ces derniers permettent le mélange du béton pendant le transport.

Transport

Les bétonnières portées sur châssis de camion, d’une capacité utile de 4 à 10 m³, permettent le transport du béton préalablement fabriqué en malaxeur ou en bétonnière. Leur cuve est animée d’une rotation à faible vitesse afin de maintenir l’homogénéité du béton. Le béton peut aussi être transporté par bennes ou par tapis convoyeurs. Il est repris par des bennes de faible capacité et amené au droit des coffrages au moyen de grues. Il est parfois acheminé à pied d’œuvre par des pompes à béton qui permettent son transport dans des canalisations sur environ 300 m horizontalement et 150 m verticalement.

Mise en œuvre

Certains adjuvants confèrent au béton frais une totale liquidité pendant quelques heures. Généralement on fabrique des bétons dont la plasticité, mesurée par l’affaissement du béton dans le cône d’Abrams, appareil de mesure normalisé, est plus limitée.

Il est alors nécessaire de procéder à une compaction du béton frais foisonné, mis en place dans les coffrages. La mise en vibration du béton permet d’obtenir ce serrage par liquéfaction mécanique locale du mélange à consistance plastique. Le volume des vides est réduit et le bon remplissage du coffrage ainsi que l’enrobage des armatures sont assurés. Trois moyens sont couramment utilisés pour vibrer le béton: la pervibration qui consiste à introduire dans le béton frais des aiguilles vibrantes, cylindres de 25 à 50 mm de diamètre et de 30 à 50 cm de longueur, à l’intérieur desquels tourne un balourd excentré à une vitesse de l’ordre de 10 000 tours par minute; la vibration extérieure du coffrage lui-même par des vibrateurs fixés sur ce coffrage; la vibration superficielle par règles vibrantes utilisée uniquement pour des éléments de faible épaisseur tels que les routes ou les dallages.

Il est impératif d’empêcher toute dessiccation superficielle du béton lors du début de son durcissement. C’est l’objet de la cure, opération qui a pour but de prévenir l’évaporation de l’eau causée par l’ensoleillement ou le vent à l’interface béton-atmosphère. La technique employée consiste soit à arroser pendant quelques jours d’une pluie fine d’eau la surface exposée du béton, soit à la recouvrir de toiles maintenues humides, soit encore à la revêtir, par peinture ou par pulvérisation, d’un mince film imperméable d’un produit de cure.

6. Le béton durci

Le béton frais compacté dans son coffrage est constitué par un mortier de ciment de consistance plastique enrobant les granulats. Après une période dormante d’une à deux heures, le ciment fait prise. C’est au cours de cette période que débute le processus exothermique d’hydratation et de durcissement de la pâte qui aboutit à la formation d’une matrice solide de ciment hydraté. Parallèlement, des réactions chimiques se développent entre l’eau, le ciment et les granulats à l’interface matrice-granulats, qui donnent naissance à une auréole de transition assurant une liaison entre les deux éléments. Cette période de durcissement se poursuit pendant plusieurs mois durant lesquels se complète, à vitesse décroissante, l’hydratation du ciment. Avec les ciments courants, la résistance atteinte à 28 jours représente de 85 à 90 p. 100 de la résistance maximale.

Constituants du béton durci

L’analyse microstructurelle d’une matrice de ciment Portland durci, à peu près totalement hydratée, fait apparaître la composition typique suivante: 55 p. 100 de silicates de calcium hydratés complexes (CSH, ou tobermorite), 20 p. 100 d’hydroxyde de calcium Ca(OH)², 10 p. 100 de mono- et de trisulfoaluminates (ettringite), 7 p. 100 d’eau et 8 p. 100 de vides.

Les CSH se présentent à l’examen microscopique en feuillets très minces enroulés sur eux-mêmes en formant des fibres tubulaires enchevêtrées, d’un diamètre de quelques fractions de micromètre. Ces cristaux recouvrent les grains anhydres de ciment, leur donnant un aspect de hérissons. Les propriétés mécaniques de résistance de la matrice sont dues principalement aux CSH. La chaux, Ca(OH)², cristallise sous la forme de portlandite en plaquettes hexagonales empilées entre les grains de ciment partiellement hydratés. L’ettringite cristallise en aiguilles à base hexagonale parsemées dans les fibres de CSH.

Les vides subsistant dans la matrice résultent de l’existence de pores et de capillaires, emplis ou non d’eau excédentaire. Les diamètres de ces pores s’étagent de quelques nanomètres à 20 nm (1 nm = 10^-9 m), celui des capillaires est de l’ordre de 0,1 猪m (1 猪m = 10^-6 m). C’est leur volume cumulé qui mesure la porosité de la pâte durcie. On vérifie expérimentalement, comme l’avait montré Féret, que les propriétés mécaniques de cette pâte, telles que la résistance à la compression ou le module de déformation, sont des fonctions exponentielles de la valeur de la porosité. Elles sont d’autant plus grandes que la porosité est plus faible. Il en est de même de la durabilité qui peut donc être indirectement évaluée par la valeur de la résistance.

Le béton est donc un matériau composite complexe, fortement hétérogène puisqu’il est constitué de granulats dont les dimensions varient de 0,1 à 25 mm ou plus, de ciment dont la dimension caractéristique des grains est de l’ordre de 30 à 100 猪m, de cristaux d’hydrates de l’ordre de 0,1 猪m, éventuellement d’ultrafines de 0,1 nm à 0,5 猪m et de vides de quelques nanomètres.

Le béton, matériau hétérogène fractal

Les ingénieurs de génie civil ont mis au point depuis longtemps des théories de calcul garantissant la sécurité et la pérennité des structures en béton. Leur comportement effectif comme de multiples essais en laboratoire confirment la validité de ces modes de dimensionnement. Ces modèles ne constituent cependant que des instruments de compréhension globale qui considèrent le béton comme une «boîte noire» dont il est possible d’évaluer les réponses aux effets d’actions extérieures.

Les physiciens du solide et les spécialistes de la mécanique des matériaux tentent d’affiner cette approche pragmatique. Ils cherchent à construire des modèles décrivant les processus mécaniques et physiques qui se produisent au sein du béton, en particulier lors de l’application de charges menant à la rupture. Les théoriciens sont notamment attirés par des modèles de comportement fractal reposant sur les caractères d’autosimilarité que présente le béton, milieu hétérogène dans une large gamme d’échelle. Deux approches sont explorées, qui considèrent le béton soit comme un milieu aléatoire macroscopique, objet de processus déterministes de rupture, soit comme un milieu homogène dans lequel se développent des processus stochastiques de fissuration.

Propriétés mécaniques

Seules les propriétés prises en compte par l’ingénieur de génie civil sont ici considérées. De ce point de vue, un béton est défini par les caractères suivants:

– masse volumique : elle varie entre 23 et 24 kN/m³. La présence d’armatures dans le béton armé ou le béton précontraint conduit à prendre en compte une masse volumique de 25 kN/m³ (2 500 kg/m³) dans les calculs;

– résistance à la compression: un béton est défini par la valeur de sa résistance caractéristiques à la compression à 28 jours, f ^c28. En France, par convention, la résistance à la compression du béton est mesurée par la charge conduisant à l’écrasement par compression axiale d’une éprouvette cylindrique de 16 cm de diamètre et de 32 cm de hauteur. Les bétons courants ont une résistance de 20 à 30 MPa, ceux de qualité supérieure de 40 à 50 MPa, et les bétons à haute performance peuvent dépasser 100 MPa.

Le diagramme représentatif de la loi de comportement du béton montre que la contrainte maximale de compression f ^c est atteinte pour une déformation de l’ordre de 2 憐 10^-3. La ruine de l’éprouvette se produit par une déformation 﨎^r de l’ordre de 3,5 憐 10^-3. La pente de la partie linéaire du diagramme définit le module d’élasticité instantané Eⁱ (module de Young). Sa valeur peut être évaluée par des relations empiriques telle que celle qui est définie par les règles françaises: Eⁱ = 11 000 f ^c1/3 (MPa). Un béton de 40 MPa de résistance a donc un module de déformation longitudinale instantané de l’ordre de 38 000 MPa (fig. 1):

– résistance à la traction : elle est environ égale au dixième de la résistance à la compression;

– coefficient de dilatation linéaire : sa valeur linéaire est généralement égale à 1 憐 10^-5. En fait, cette valeur s’étend de 0,8 憐 10^-5 (béton à granulats calcaires) à 1,2 憐 10^-5 (béton à granulats siliceux).

Propriétés rhéologiques

Tous les matériaux, et entre autres le béton, sont, à des degrés divers, visco-élastiques. Le facteur temps intervient donc dans leur comportement et dans la formulation de leurs déformations. Il faut donc distinguer les déformations instantanées des déformations différées qui se produisent au cours du temps. Cela est d’autant plus vrai pour le béton dont la résistance s’accroît asymptotiquement avec le temps à mesure que se complète l’hydratation du ciment.

Retrait : le béton est l’objet de retrait, c’est-à-dire d’une réduction dimensionnelle, en l’absence de chargement, due essentiellement à l’évaporation de l’eau excédentaire interne. On distingue: le retrait plastique créé par la dessiccation de la pâte de ciment au début du phénomène d’hydratation; la cure du béton a pour but de prévenir les effets de ce retrait qui, non contrôlé, peut être à l’origine de fissurations importantes; le retrait par autodessiccation de la pâte de ciment au cours de l’hydratation; le retrait thermique dû aux effets des gradients de température qui se manifestent dans le béton lors de la dissipation de la chaleur d’hydratation; le retrait à long terme du béton durci, ou retrait proprement dit, dû à l’évaporation de l’eau contenue dans le béton et, à une moindre échelle, à la poursuite de l’hydratation du liant, toutes causes qui ont pour effet de réduire l’hygrométrie des pores du béton.

Pour l’ingénieur, le retrait est une déformation différée se produisant en l’absence de charge. Il croît avec le temps pour tendre, après quelques années, vers une limite qui dépend notamment de la composition du béton, des dosages en ciment et en eau, de l’épaisseur des pièces et de l’humidité relative de l’atmosphère environnante. Dans les conditions climatiques françaises, le retrait unitaire total est de l’ordre de 2 à 3 憐 10^-4. C’est, entre autres, l’existence du retrait qui justifie la création de joints dans les structures.

Fluage : la déformation d’un élément en béton soumis à un chargement de longue durée est la somme de la déformation dite instantanée et de la déformation différée due au fluage.

Déformation instantanée: c’est la déformation qui se produit sous l’effet d’un chargement de courte durée (jusqu’à quelques jours). Elle peut être évaluée à partir de la valeur du module instantané Eⁱ.

Déformation différée: le chargement étant maintenu constant, la déformation croît lentement, à vitesse décroissante, jusqu’à atteindre, après plusieurs années, sa valeur maximale qui est, en ordre de grandeur, le double de celle de la déformation instantanée. Dans ce cas, le module vrai de béton E^v est égal à Eⁱ/3 (fig. 2).

Le fluage du béton est ce processus continu de déformation d’un élément sur lequel s’exerce une charge constante ou variable. Il est fonction notamment des caractéristiques du béton, de son âge lors du chargement, de l’épaisseur de l’élément, de l’hygrométrie de l’environnement et du temps. Le fluage est un phénomène complexe, constaté mais encore mal compris. Il serait lié à des effets de migration d’eau dans les pores et les capillaires de la matrice ainsi qu’à un processus de réaménagement de la structure des cristaux hydratés du liant.

C’est Eugène Freyssinet qui, le premier, dès 1912, a mis en évidence ce phénomène et en a mesuré les conséquences sur le comportement des structures en béton armé et en béton précontraint (réduction de la résistance sous charges soutenues, pertes de précontrainte, redistribution de moments).

7. Utilisation du béton

Le béton seul n’est pratiquement utilisé que pour la construction de chaussées routières et autoroutières et de barrages-poids. En règle générale, les ouvrages, de quelque nature qu’ils soient, sont réalisés en béton armé ou en béton précontraint.

Béton armé

Une pièce, telle qu’une poutre, reposant sur des appuis à ses extrémités est l’objet de sollicitations de flexion et d’effort tranchant quand elle est soumise à l’action de charges. Les moments de flexion sont équilibrés dans une section donnée de la pièce par des contraintes normales 靖 dont la valeur varie linéairement sur la hauteur de la section. Elles sont maximales sur les fibres extrêmes; ce sont des contraintes de compression 靖^c dans la partie supérieure de la section, des contraintes de traction 靖^t dans la partie inférieure. Si la contrainte de traction atteint la résistance à la traction du béton, celui-ci se rompt. Cette rupture est évitée en disposant des barres d’acier ou armatures dans la zone où les contraintes de traction sont maximales. Le moment est alors équilibré, d’une part, par les contraintes de compression qui se développent dans la partie supérieure de la section et, d’autre part, par l’effort de traction qui s’exerce alors dans les armatures longitudinales. De même, les efforts tranchants sont à l’origine de contraintes de cisaillement réparties sur la hauteur de la section. Celles-ci sont reprises par des armatures transversales, cadres et étriers, en général perpendiculaires aux armatures longitudinales (fig. 3).

La transmission des efforts du béton aux armatures, ou inversement, est rendue possible par le phénomène dit d’adhérence qui se manifeste entre ces matériaux. L’adhérence résulte en fait d’un processus de frottement entre l’acier et le béton. Elle est améliorée lorsque les barres d’acier constituant les armatures comportent des saillies ou des nervurations sur leur surface, telles les barres H.A. (à haute adhérence) qui sont couramment utilisées, les barres lisses n’étant employées que lorsqu’il est nécessaire de procéder à des pliages et des dépliages successifs. La limite élastique de l’acier constituant ces barres varie de 400 à 500 MPa. Leur diamètre est normalisé dans une gamme qui s’étend de 5 à 40 mm.

Le béton armé est constitué par du béton et des armatures en acier judicieusement disposées. Son fonctionnement normal suppose une fine fissuration des zones tendues, qui ne porte pas préjudice à sa durabilité si l’ouverture des fissures demeure inférieure à 0,1 mm en environnement agressif et à 0,3 mm en milieu non agressif. De telles ouvertures évitent toute corrosion des armatures en acier, le béton empêchant la pénétration d’eau vers les aciers et constituant un milieu basique qui protège les aciers par passivation. Il est à noter que le composite béton-acier ne présente un comportement satisfaisant que parce qu’il se trouve que béton et acier ont environ le même coefficient de dilatation thermique.

Le béton armé est utilisé pour la construction de bâtiments, d’usines, de couvertures en coques minces, de réservoirs et de silos de petite capacité, de ponts de petite portée, de routes, d’ouvrages de fondation, d’ouvrages portuaires.

Béton précontraint

Bien que constitué aussi par du béton et des armatures, le béton précontraint se différencie fondamentalement du béton armé. «Précontraindre une construction, c’est la soumettre avant application des charges à des forces additionnelles déterminant des contraintes telles que leur composition avec celles qui proviennent des charges donne en tout point des résultantes inférieures aux contraintes limites que la matière peut supporter indéfiniment sans altération.» Cette définition est celle d’Eugène Freyssinet, l’ingénieur qui a construit, vers 1935, les premières structures en béton précontraint et qui, plus généralement, a créé de nouvelles techniques de construction constituant un saut historique dans la conception et la réalisation d’ouvrages de toutes natures.

L’application du concept de précontrainte au béton conduit à modifier artificiellement les contraintes que subit une section d’une poutre, afin qu’il n’y subsiste plus de contraintes de traction. Précontraindre une section en béton consiste donc à la soumettre, préalablement à sa mise en charge, à des contraintes de compression permanentes distribuées de manière à s’opposer aux contraintes de traction provoquées par les charges.

Cela est obtenu, en général, par l’action d’armatures de précontrainte tendues à leurs extrémités par des vérins, reportant l’effort de traction créé dans ces armatures sur les abouts de l’élément en béton durci. Des organes d’ancrage assurent la permanence de l’effort de compression ainsi introduit dans le béton. Les armatures de précontrainte sont constituées par des torons, des fils ou des barres en acier à haute limite élastique disposés à l’intérieur de gaines ou de tubes métalliques ou plastiques, les conduits. Ces aciers ont des résistances à la rupture de l’ordre de 1 800 à 2 000 MPa. Ils sont principalement employés sous forme de torons de 13 et 15 mm de diamètre et de fils lisses ou crantés de 5 à 12 mm de diamètre.

L’analyse du mode d’action physique d’une armature de précontrainte courbe, disposée dans une poutre d’inertie constante, montre que s’exercent sur le béton de la poutre des charges réparties dirigées vers la concavité du tracé de l’armature. Si F est la force de traction de l’armature et r (x ) son rayon de courbure dans une section de la poutre d’abscisse x , cette section est soumise à une charge 神(x )=F/r (x ) et à un effort de compression F. Un tracé correct d’armature de précontrainte est tel que la charge 神(x ) égale en valeur et s’oppose en direction à la charge p (x ) que subit la poutre (fig. 4). Dans la pratique, l’action d’une armature de précontrainte est prise en compte en considérant ses éléments de réduction au centre de gravité de la section, soit un effort normal F, un moment de flexion F . e (x ) et un effort tranchant F . sin 見, l’excentricité e(x ) étant la distance de l’axe de l’armature au centre de gravité de la section et 見 l’angle que fait l’armature avec la ligne moyenne de la poutre.

En fait, la précontrainte d’un élément en béton peut s’effectuer par post-tension, par pré-tension ou par compression directe. Dans les procédés par post-tension , la précontrainte est obtenue par l’action d’armatures, disposées dans des conduits vides, mises en tension postérieurement au coulage du béton et après que celui-ci a acquis une résistance suffisante lui permettant d’être mis en compression. Après mise en tension, les conduits sont injectés sous pression avec du mortier de ciment afin de protéger les torons, fils ou barres en acier contre toute corrosion. Ce mode de précontrainte est utilisé dans tous les grands ouvrages et, de façon générale, lorsque les forces à mettre en jeu sont importantes. Dans les procédés par pré-tension , les torons ou les fils d’acier de précontrainte sont mis en tension préalablement au coulage du béton dans les coffrages. Les armatures sont tendues en prenant appui sur des culées fixes spécialement construites à cet effet. Après coulage et durcissement du béton, les armatures sont libérées des culées. Elles tendent à se raccourcir et mettent donc en compression l’élément en béton, l’effort de traction des armatures étant transmis au béton par adhérence. Ce procédé est employé essentiellement pour la construction industrielle en grande série d’éléments préfabriqués standardisés, tels que les poutrelles, les prédalles de bâtiment ou les traverses de chemin de fer. La précontrainte par torons ou fils adhérents consomme, en France, plus des trois quarts des aciers à haute limite élastique utilisés en construction. La mise en précontrainte d’une structure en béton peut enfin être réalisée en la mettant directement en compression au moyen de vérins prenant appui sur des culées fixes. C’est encore Eugène Freyssinet qui, le premier, a mis en œuvre ce mode de précontrainte. Il a créé, pour cela, les vérins plats, outils extrêmement puissants d’un faible coût. Ce mode de précontrainte, par la nécessité de culées qu’il impose, n’a que des applications limitées. Il a été utilisé pour la construction de pistes d’aviation et de routes.

Le béton précontraint est utilisé dans les structures fortement sollicitées telles que les ponts à moyenne et à grande portée, les réservoirs de plus de 1 500 m³, les réservoirs à hydrocarbures et à gaz liquéfiés, dont certains ont des capacités unitaires de 80 000 m³, les enceintes de réacteurs nucléaires ou les plates-formes offshore.

Autres utilisations

– Le béton léger , par l’emploi de granulats artificiels de faible masse volumique, autorise la construction de structures de poids réduit ou d’éléments à fort pouvoir d’isolation.

– Le béton de fibres constitue un matériau composite obtenu par l’adjonction au béton, au cours du malaxage, de fibres d’acier ou de fonte ductile, de fibres de verre, de fibres de matières plastiques ou de carbone. Selon les fibres, ces bétons acquièrent des propriétés différentes toujours associées à une grande ductilité. Cette qualité leur confère une bonne résistance aux effets des chocs durs. Le domaine principal d’emploi des bétons de fibres métalliques réside dans la réalisation de dallages industriels. Les bétons de fibres de verre et plastiques sont utilisés pour la fabrication d’éléments de mobilier urbain de faible épaisseur tels que les revêtements de façade de bâtiments ou les corniches de ponts.

– Le béton compacté au rouleau (B.C.R.) constitué par un remblai en gravier et cailloux, contenant du ciment, est apparu en 1970. Mis en place selon des procédés qui s’apparentent à ceux qui sont employés dans les techniques de grands terrassements, il permet la construction économique de barrages, se substituant aux barrages en terre ou en enrochements.

• betun « mortier » v. 1165; lat. bitumen « bitume »