Caractéristiques fondamentales du béton

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1 Caractéristiques fondamentales du béton 1- LES BÉTONS Le béton est un matériau composite aggloméré, constitué de granulats durs de diverses dimensions collées entre eux par un liant. Les composants sont très différents: leurs masses volumiques vont, dans les bétons courants de 1 pour l eau eau à plus de 3 pour le ciment (en t/m3). Si le type de liant utilisé n'est pas un ciment, on parle alors, soit de liant composé binaire, ternaire ou quaternaire. En bref le béton est un: Mélange d agrégat (sable plus granulat) et de la pâte composée: de ciment, d eau et d adjuvant pate 30 à 40% Ciment portland 7% to 15% par volume Eau 14% to 21% par volume Agregats 60% à 80% Gros granulats Granulats fins Adjuvants chimiques 1

2 2- RÔLES DES CONSTITUANTS Granulat Fin + gros Sable seul avec Φ <10 mm A-Liant 1-Ciment Les Romains connaissaient déjà le secret de la production d un matériau hydraulique dense et durable en mélangeant de la chaux avec des matériaux d origine volcanique pour former un liant qui a des propriétés, très semblable à celles qu on retrouve dans la pâte du ciment hydratée. Toutefois, les connaissances des Romains furent perdues après les invasions des barbares et ne furent retrouvées qu à la fin de 18 e siècle. L invention du ciment est attribuée à un maçon Anglais du nom de Joseph Aspdin et date de Le nom de portland est dû au fait que la couleur du béton obtenu ressemble à une roche d excellente qualité extraite de la presqu ile de calcaire de Portland, situé à l ouest de l Île of Wight. Son importation au canada remonte à 1889 dans des barils en bois. Le ciment Portland: Est une poudre sèche ayant des particules très fines forme une pate au contact de l eau (liant hydraulique) Réagit pour former des produits d hydratation colle Enrobe tous les granulats ensemble Durci pour former une masse solide 2

3 1a-Production du ciment Pour fabriquer du ciment Portland, on fait cuire à température très élevée (1450 C), dans un four rotatif, un mélange de pierre calcaire broyée et d argile (ou de matériaux similaires). La pierre calcaire fournit la chaux, et l argile fournit principalement la silice et l alumine. Le produit obtenu à la sortie du four s appelle clinker. Le ciment Portland est ensuite fabriqué en ajoutant au clinker pulvérisé (grosseur des particules varie à peu près entre 1 et 80µm) une faible quantité (5%) de gypse. La description sommaire de la fabrication du ciment est illustrée dans la figure. Extrait du : Technolgie du béton : guf\formation\beton\technobeton v05_01-beton Degussa Construction Chemicals France 3

4 CaO SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 Extrait du : Technolgie du béton : guf\formation\beton\technobeton v05_01-beton Degussa Construction Chemicals France 1b-Propriétés physico-chimiques du ciment Les ciments sont caractérisés par leur vitesse de réaction, leur chaleur d hydratation, leur finesse etc Ces caractéristiques sont définies par des essais tels que: -Composition chimique -Consistance normale -Temps de prise -Leur finesse de mouture (broyage) - Leur composition chimique 1c- Composition chimique A l'issue de la cuisson, nous obtenons 4 phases cristallines - 45 à 65 % de silicate tricalcique ( Alite )C3S - 15 à 25 % de silicate bicalcique (Bélite)C2S - 0 à 10 % d'alumino-ferrite tétracalcique C4AF - 0 à 15 % d'aluminate tricalcique C3A Résumé chimique et notation cimentière : Silice...SIO2.....S Chaux CaO.....C Alumine.Al2O3...A Oxyde de Fer Fe2O3...F 4

5 La composition chimique d un ciment GU (General Use) est donnée par le tableau. 5

6 Équations de bogue C est à partir du pourcentage des éléments qui compose le ciment que l on calcule, au moyen d équations déterminées par bogue (1955), les proportions des différents composés (C 3 S,.). Les équations de bogue sont les suivantes : Si Al 2 O 3 /Fe 2 O 3 >0.64 %C 3 S = (4.071x%CaO) (7.600x%SiO 2 ) (6.718x%Al 2 O 3 ) (1.430x%Fe 2 O 3 )-(2.852x%SO 3 ) %C 2 S = (2.876x%SiO 2 ) (0.7544x%C 3 S) %C 3 A = (2.650x%Al 2 O 3 ) (1.692x%Fe 2 O 3 ) %C 4 AF = (3.043x%Fe 2 O 3 ) Si Al 2 O 3 /Fe 2 O 3 <0.64 C 3 S = 4.071CaO 7.600SiO Al 2 O Fe 2 O SO 3 C 2 S = 2.867SiO C 3 S C 3 A = 0 C 4 AF = 2.100Al 2 O Fe 2 O 3 La finesse de mouture est caractérisée par la surface spécifique des grains de ciment, exprimée en (m 2 /kg). Plus la finesse de mouture est grande, plus la vitesse des réactions d'hydratation est élevée et plus ces résistances mécaniques à un âge jeune sont grandes. - La prise du ciment peut être définie comme étant l'état de la pâte de ciment quand elle perd sa plasticité. Le début de prise correspond au moment où l'on observe une augmentation de la viscosité, ou raidissement de la pâte, ce qui, dans la pratique, se mesure au moyen de l appareil de Vicat. 1d- Hydratation du ciment Le ciment portland possède des propriétés hydrauliques. Les réactions d hydratation des 4 phases de ciment Portland se passent en même temps et contribuent avec une intensité différente au dégagement de chaleur du ciment. Hydratation de C 3 S Le C 3 S est la phase la plus importante du ciment. La chaleur dégagée par cette phase est l'une des plus élevée. La majeure partie de son hydratation se passe dans les 28 premiers jours. La réaction complète peut prendre jusqu'à 1 année. La formule complète de C3S est: 3CaO.SiO2 Au contact avec l eau 2C 3 S + 6H C 3 S 2 H 3 + 3CH C-S-H + portlandite 6

7 Les produits d hydratation sont le silicate de calcium hydraté (C-S-H) et l'hydroxyde de calcium ou portlandite (CH). Hydratation de C 2 S La vitesse d'hydratation de b-c 2 S est beaucoup plus faible que celle du C 3 S. Le b-c 2 S va surtout participer au développement des résistances après 28 jours et dégage une très faible chaleur. La formule complète de C2S est: 2CaOSiO2 Au contact avec l eau: 2C 2 S + 4H C 3 S 2 H 3 + CH C-S-H + portlandite Les produits d'hydratation sont le silicate de calcium hydraté (C-S-H) et l'hydroxyde de calcium ou portlandite (CH). La formule du C-S-H donnée dans l'équation (C 3 S 2 H 3 ) est approximative. La quantité de CH produite dans ce cas est plus faible d'un tiers que dans le cas du C 3 S. La faible quantité de CH va favoriser le développement de meilleures résistances que dans le cas du C 3 S Produits d hydratation vus au MEB C-S-H externe cristallisé par précipitation Cristaux de portlandite Ca(OH) 2 Extrait du cours de Microstructure de Université de Sherbrooke Hydratation de C 3 A et C 4 AF La réaction du C 3 A avec l eau est très violente et exothermique, et si rien ne l empêche, elle causera une prise éclair. C est pour cette raison que du gypse soit additionné au clinker broyé pour retarder cette réaction. Il réagit avec le C 3 A et l eau pour former des sulfoaluminates de calcium hydratés qui sont insolubles. Le C 3 A a une influence sur la prise initiale de la pâte, mais passée cette étape il influence peu le comportement de la pâte sauf en cas d attaque par les sulfates. Il contribue peu à la résistance de la pâte. La formule complète de C3A est: 3CaOAl2O3 7

8 C3A + eau + gypse Ettringite + C3A.3CS.H32) + Al2O3.3H2O Extrait du cours de Microstructure de Université de Sherbrooke 8

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10 1e - Évolution de l hydratation Quand le ciment portland réagit avec l'eau, il y a dégagement de chaleur qui peut être mesurée par le calorimètre à conduction thermique (isotherme) qui permet ainsi de suivre l évolution de l hydratation dans le temps. Pour bien décrire physiquement ce processus,on peut le diviser en quatre étapes comme le font Troxell, Davis et Kelly (1968) : 1ere étape dure quelques minutes seulement après le malaxage. A ce moment il y a une activité chimique intense et un grand dégagement de chaleur (réaction initiale entre l' eau et le ciment. 2 ème étape peut durer d une heure à 4 heures en fonction de la consistance des pâtes (et des bétons). L activité chimique est faible appelée Dormant Period. 3 ème étape dure 8 à 12 heures. L activité chimique reprend et l hydratation s accélère. Les produits de l hydratation se mettent à former des ponts entre particules de ciment. La prise se fait. 4 ème étape c est le durcissement. Elle dure un an et même plus. Les produits de l hydratation remplissent l espace entre les grains de ciment. La pâte devient plus dense et plus résistante. Le rythme des réactions diminue. Extrait du cours de Microstructure de Université de Sherbrooke 10

11 1f- Hydratation du ciment Extrait du cours de Microstructure de Université de Sherbrooke 1g- Types de ciment portland Différents types de ciments sont mis sur le marché. Au canada, on en dénombre 5 types de ciment portland. 2-Ajouts cimentaires peuvent être utilisés dans le béton en remplacement partiel du ciment portland. Les plus connus et les plus utilisés dans le béton sont: - Les cendres volantes générées par la combustion du charbon dans les centrales thermiques, - la fumée de silice émanant de certains procédés métallurgiques - le laitier de haut fourneau. - pouzzolanes naturelles (Métakaolin) D autres ajouts cimentaires alternatifs moins connus peuvent aussi être utilisés: - Des cendres de balles de riz 11

12 - Du verre broyé On distingue deux types d ajouts: Ajout cimentaire hydraulique: peut s hydrater même en absence du ciment. Exemple le laitier, les cendres volantes de classe C etc. Ajout cimentaire pouzzolanique: ne réagit qu avec la présence du ciment portland. Les normes CSA A3000 et ASTM C618, 1240 définissent les critère d utilisation des ajouts. B- Granulats et eau Le rôle des granulats dans un mélange de béton est de permettre de produire un matériau ayant une résistance et une durabilité appropriées avec le moindre coût possible. La maniabilité (l ouvrabilité) des bétons dépend grandement des caractéristiques des granulats dont les principales sont: - la granulométrie, la texture de surface des granulats etla forme des particules - la résistance mécanique (compression, traction et module) - La densité relative, la masse volumique - l absorption, la porosité et la teneur en humidité - la présence de matières nuisibles - la résistance aux cycles de gel et dégel - la résistance à l abrasion et aux chocs 12

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14 L eau utilisée pour la fabrication des mélanges de béton doit être de l eau potable dépourvue de toutes impuretés et odeurs. Elle doit répondre aux exigences de l article de la norme CSA A23.1 et de la norme ASTM C94. Les limites des teneurs de certains sels et oxydes sont données dans le tableau 9 de la norme CSA A23.1. La présence d éléments nuisibles peut nuire aux propriétés du béton: - Sucre retarde la prise du béton - Acide réduit les résistances et corrode les armatures - Les chlorures et les sulfates font dégrader le béton C- Adjuvants chimiques Pour améliorer certaines propriétés des bétons on a recours à des adjuvants chimiques. Les adjuvants sont des produits organiques et inorganiques qui, quand ils sont ajoutés en petite quantité, modifient certaines propriétés des bétons. Les plus connus sont: Entraineur d air, Réducteur d eau à moyen où à forte action, accélérateur où retardateur de prise etc. L'addition de ces produits dans le béton engendre des phénomènes physico-chimiques très complexes. On utilise les adjuvants surtout pour : 1. Diminuer le coût des constructions en béton 2. Donner au béton certaines caractéristiques plus efficacement que par d autres moyens 3. Assurer la qualité du béton durant le malaxage, le transport, la mise en place et la cure dans des conditions météorologiques défavorables 4. Obéir à certaines urgences durant le bétonnage C.1- Adjuvants entraîneurs d air Ajoutés au béton, ils entraînent une quantité définie d'air, sous forme de bulles calibrées microscopiques (90% < 100 mm de diamètre et 60% < 20 mm) réparties de manière homogène dans le béton et de façon durable. Lors du gel, l'eau se transforme en glace, son volume augmente et la pression ainsi provoquée peut être suffisante pour entraîner la rupture du béton. Les bulles d'air entraîné forment autant de réservoirs qui reprennent l'excès d'eau introduit en force, et contribuent ainsi à diminuer les pressions qui s'exercent et, par suite, à prévenir l'endommagement du béton. L'effet de 4 à 6% d'air sur la résistance du béton au gel-dégel est remarquable. On peut ainsi produire des bétons à air entraîné avec un ciment entraîneur d air, Le ciment entraîneur d air est un ciment portland obtenu en ajoutant un agent entraîneur d air durant le broyage du clinker. Effets sur béton à l état frais les bulles stabilisent les grains (correcteur granulaire) 14

15 amélioration de la cohésion et de l ouvrabilité (effet de réduction d eau) amélioration de l aspect au décoffrage Effet sur le béton à l état durci amélioration de la résistance au gel/dégel et aux sels de déverglaçage amélioration des résistances des bétons faiblement dosés en ciment C.2- Adjuvants réducteurs d eau Les réducteurs d eau sont utilisés pour: réduire la quantité d eau de gâchage d environ 5 à 10 % abaisser le rapport eau/liants, réduire la quantité de ciment et d eau augmenter l affaissement. La perte d affaissement est souvent très importante (fig. 6-4). Les réducteurs d eau peuvent causer un retard de prise si leur dosage est élevé. Ils sont conçus pour des bétons de 100 à 125 mm d affaissement. 15

16 C.3- Adjuvants réducteurs d eau de haute efficacité (Superplastifiant) Ils possèdent les mêmes fonctionnalités que les réducteurs d eau conventionnels, mais ils sont beaucoup plus efficaces et doivent satisfaire aux exigences de la norme ASTM C1017. Ils sont généralement utilisés dans les bétons à haute performance à faible rapport Eau/liant. - réduisent considérablement la demande en eau de 12 % à 30 % et la teneur en liants, - produisent des bétons avec une ouvrabilité normale ou améliorée voir même fluide (affaissement > 190 mm selon ASTM 1017) et cohésif. La diminution du dosage en eau et du rapport eau/liants peuvent permettre : - une résistance à la compression de plus de 70 Mpa - une augmentation des gains de résistance au jeune âge - une plus grande résistance à la pénétration des ions chlore 16

17 3- PROPRIÉTÉS DU BÉTON Le béton possède deux comportements: l état frais et l état durci. Parmi tous les constituants du béton, l eau reste l ingrédient qui peut nuire le plus même si c est à grâce à l eau que le béton peut être manipulé. Réduire son dosage permet: - d augmenter la résistance en compression et en flexion - réduire la perméabilité - Réduire la contraction volumique (retrait de séchage) - Moins de risques d attaques d agents agressifs extérieurs. La réduction d eau rend par contre le béton moins plastique. Avec l incorporation des adjuvants chimiques, cela devient possible 3.1- Caractéristiques du béton frais La caractéristique essentielle du béton frais est l'ouvrabilité (maniabilité), qui conditionne non seulement sa mise en place pour le remplissage parfait du coffrage et du ferraillage, mais également ses performances à l'état durci. Un béton frais doit être facilement maniable et facile à mettre en place. Il doit être aussi homogène et cohésif. Pour remplir toutes ses qualités, les constituants du béton doivent être soigneusement mélangés. Il existe plusieurs facteurs qui affectent la maniabilité d un béton: Méthode et durée de transport Quantité et caractéristiques des composants (liants, granulats) Forme, granulométrie et type de granulats Le volume d air Le dosage en eau Il existe un très grand nombre d'appareils de mesure de l'ouvrabilité du béton reposant sur des principes différents. Certains mesurent une compacité, d'autres un temps d'écoulement etc... 17

18 A- Affaissement au cône d'abrams: béton ordinaire et BHP (CSA A23.2-5c ASTM C143) Cet essai (slump-test) est incontestablement un des plus simples et des plus fréquemment utilisés, car il est très facile à mettre en œuvre. Il ne nécessite qu'un matériel peu coûteux et peut être effectué directement sur chantier par un personnel non hautement qualifié mais ayant reçu simplement les instructions nécessaires au cours de quelques séances de démonstration. L'appareillage est complètement décrit dans la norme CSA A23.2-5C et est schématisé sur la figure. B- Étalement des bétons autoplaçants Les BAP sont des bétons très fluides qui ont l avantage à se mettre en place par euxmêmes dans des coffrages fortement armés. La mise en place ne nécessite aucune vibration et ils remplissent les coffrages de façon homogène avec une faible ségrégation, ce qui rend ce béton très attrayant pour la diminution des coûts de main d oeuvre et la diminution des bruits de chantiers. La mesure de l ouvrabilité se fait par plusieurs essais dont la mesure de l étalement au lieu de l affaissement. 18

19 C- Temps Vébé Béton compacté au Rouleau (BCR) Cet essai est particulièrement utile pour tester les bétons de faible ouvrabilité. La dimension maximale des granulats ne doit pas dépasser 40 mm. Le cône d Abrams est fixé à l intérieur du récipient cylindrique (cf. figure). Le béton est mis en place dans ce cône. Le cône d Abrams est alors soulevé et, à ce stade de l essai, il est donc possible de mesurer l affaissement au cône comme indiqué précédemment. L essai se poursuit ensuite par la mise en vibration de la table durant un temps t tel que la face supérieure du béton soit entièrement aplanie et au contact du disque transparent qui accompagne la descente du béton pendant le compactage. Le temps t exprimé en secondes définit la consistance Vébé. E- Masse Volumique et teneur en air (CSA A23.2-4C ASTM C231) La masse volumique est la masse par unité de volume d un béton. L essai est effectué conformément à la norme CSA A23.2-4C Ou ASTM C231. L appareillage utilisé est un airmètre (figure). Le béton est placé en 3 couches consolidées avec 25 coups de pilon. La surface supérieure du béton est ensuite arasée à l aide du règle. La masse du contenant rempli de béton la tare divisée par le volume du contenant donne la masse volumique du béton. À l aide de l air mètre on mesure le volume d air occlus ou entraîné du béton. 19

20 3.2- Caractéristiques du béton durci Le béton est un matériau travaillant bien en compression, dont la connaissance de ses propriétés mécaniques est indispensable pour le calcul du dimensionnement des ouvrages. Assez souvent, beaucoup de professionnels du béton considèrent que la caractéristique essentielle du béton durci est sa résistance mécanique en compression à un âge donné (28 jours). Sa résistance à la traction ainsi que celle en flexion sont beaucoup plus faibles que sa résistance à la compression. De nos jours, il est aussi important de se soucier des autres caractéristiques telles que la perméabilité, la porosité etc... Pour maximiser les performances du béton, on doit lui assurer un murissement adéquat. A- Cure humide (CSA A23.1-3C) En présence d une humidité relative (HR) 80% et tant qu il y a des grains de ciment non encore hydratés, le béton continuera à durcir dans le temps. Lorsque HR < 80%, l hydratation peut s arrêter (figure). Si par contre, on sature le béton de nouveau, l hydratation reprendra. Il est toutefois conseillé d assurer un bon murissement du béton dès le jeune âge d une manière continue jusqu à atteindre les performances voulues. 20

21 B- Résistance La compression est le mode usuel de chargement du béton de par la bonne résistance de ce matériau à ce type de sollicitation par rapport à sa résistance à la traction. La résistance (contrainte) maximale en compression du béton, fc, donnée en MPa est par conséquent une des propriétés les plus importantes. L évaluation de la résistance à la compression est réalisée sur le béton à 28 jours d âge tel que spécifié par la norme CAN/CSA A23.2-9C afin de vérifier la qualité du béton produit. La résistance du béton en compression est une propriété qui continue d augmenter plusieurs années après la production du béton. Le choix de réaliser le test à 28 jours d âge n est que purement normatif. La contrainte maximale en compression est évaluée par un test de compression uni-axial sur une éprouvette cylindrique de longueur L et de diamètre φ (en général L=200 mm et φ=100 mm) tel que présenté à la figure 1. Des cylindres de 150x300 sont aussi utilisés notamment aux USA. Une force P est alors appliquée par une presse sur l éprouvette jusqu à sa faillite. La figure présente une courbe typique correspondant à la relation contraintedéformation instantanée d un béton non armé durant un essai de compression. 21

22 Différentes résistances en compression (CSA A23.2-9C) allant de MPa, pour les bétons de pavage, à 70 MPa pour les BHP à 140 MPa pour les BPR. Dans les bétons faits avec du ciment portland, 75% de la résistance est atteinte à 7 jours, 10 et 15% à 56 et 90 jours. La résistance en compression spécifiée est désignée par f c et doit être normalement dépassée par la résistance obtenue fc. Cette dernière dépend surtout du rapport eau/liant, du degré d hydratation, des conditions de cure, de la qualité du liant, teneur en air, type de granulats etc Les ajouts cimentaires peuvent améliorer les résistances des bétons à moyen et à long terme 22

23 On s intéresse aussi beaucoup à la résistance en flexion (CSA A23.2-8C) lors de la conception des chaussées et autres dalles ou béton de pavages. On établit souvent approximativement la résistance en flexion ou module de rupture d un béton de masse volumique normale entre 0,7 et 0,8 fc. La résistance en traction du béton (CSA A C) est comprise entre 8 et 12% fois la résistance en compression. Elle est estimée à environ 0.4 fc à 0,7 fc. La résistance en cisaillement du béton est d environ 5% fois celle de compression. Le module d élasticité (E c ) est défini par le rapport de la contrainte normale (σ c ) et la déformation générée ε c ) dans le domaine linéaire élastique (E c = σ c / ε c ). Il varie de à Mpa ou à 5000 fc. Toutefois, toutes ces corrélations entre les résistances peuvent varier dépendamment de la composition du béton. C- Masse volumique du béton durci La masse volumique d un béton ordinaire utilisé dans les chaussées, les bâtiments et autres structures usuelles est comprise entre 2240 à 2400 kg/m 3. Elle dépend de la quantité et de la densité des matériaux, des quantités d air emprisonné et entraîné. Le béton combiné avec des armatures donne naissance à un béton armé de masse volumique généralement accepté dans les calculs de 2400 kg/m 3. La masse d un béton sec est égale à la masse du béton frais la masse d eau évaporable. Une partie de l eau de gâchage se combine chimiquement avec le liant pour former des hydrates et une autre partie est emprisonnée dans les pores et capillaires qui s évaporent lentement dépendamment des conditions environnantes du béton. À une HR = 50%, l eau qui s évapore est estimé à environ 0,5 à 3% de la masse du béton. On rencontre aussi des bétons de masse volumique différente: - Béton lourd - Béton léger - Béton isolant 23

24 3.3- Durabilité A- Résistance au gel et dégel ASTM C666) et écaillage (ASTM C672) Les bétons exposés aux conditions atmosphériques sévères subissent assez souvent des cycles de gel et dégel pendant leur durée de vie. C est l une des causes de leur détérioration. L eau qui y pénètre à l intérieur des pores en plus des sels de déverglaçage versés en surface se gèle est donc augmente de volume générant ainsi des tensions à l intérieur du béton qui provoquent des fissurations et écaillements du béton. Le volume d air occlus est d environ 1 à 2 %, teneur non suffisante pour faire face au volume d eau qui gèle. Pour résister à ce phénomène, il faut augmenter le volume d air en entrainant une certaine quantité à l aide d un adjuvant chimique (agent entraîneur d air). La norme BNQ recommande une teneur en air variant de 4 à 8% dépendamment des conditions d exposition du béton, de la grosseur des granulats etc La résistance aux cycles de gel-dégel est évaluée selon la norme ASTM C666, procédure A, sur deux éprouvettes de mm munies de plots sur leurs deux faces latérales. Les échantillons subissent 6 cycles par jour à température variable de -18 C à +4 C. Le temps de passage d une onde ultrasonore (en μsec) d une fréquence longitudinale, communément appelé pundit, perte de masse et les déformations longitudinales ont été mesurés chaque semaine et permettent de déterminer le facteur de durabilité. La résistance à l écaillage des bétons exposés aux sels de déverglaçage (solution aqueuse de 3% massique de NaCl) est évaluée sur des plaques d au moins 500 cm2 de surface utile et d épaisseur 75 mm L essai peut être réalisé suivant la norme BNQ ou ASTM C672 sur des plaques d au moins 500 cm2 de surface utile et d épaisseur 75 mm. la solution saline est appliquée sur la surface de la plaque laquelle est soumise aux cycles de gel-dégel. Un cadrage réalisé sur tout le portour de la palque permet de retenir la solution. Un cycle de gel-dégel a une durée de 24 heures consistant en une période de gel de 16h ± 1h à une température de -18 C suivie d une période de dégel de 8h ± 1h à une température de + 23 C. Ce cycle se répète 56 fois sans interruption. La mesure de l écaillage est effectuée à 7, 21, 35 et 56 cycles. À chaque mesure, on rince la surface de l éprouvette avec une eau pure pour enlever tous les débris, qui sont ensuite lavés, filtrés sur un tamis de 80 μm, séchés à l étuve puis pesés. Les résultats sont exprimés en g/m2. 24

25 Tombeaux de gel et dégel Plusieurs facteurs influent sur la résistance aux gel-dégel des bétons: - Volume d air entraîné - Rapport eau/liant - Période de séchage avant l exposition au gel-dégel B- Résistance écaillage (ASTM C672) 25

26 C- Perméabilité des bétons La perméabilité est la mesure de la migration d eau à travers le béton. Un béton perméable ouvre la porte aux différents agents agressifs extérieurs qui sont la principale cause de la corrosion des armatures et de la dégradation du béton. À l inverse, un béton étanche ou très peu perméable est un béton durable. Selon les résultats trouvés par certains, la perméabilité d une pâte de ciment tenue continuellement humide de rapport E/L de 0,3 à 0,7, varie de 0,1 x à 120 x cm/s alors que celle des granulats varie de 1,7 x 10-9 à 3,5 x cm/s. La perméabilité du béton de bonne qualité est d environ 1 x cm/s. Plusieurs essais sont exécutés pour mesurer la perméabilité des bétons. Un seul est toutefois normalisé. L essai ASTM C1202 consiste à mesurer la perméabilité aux ions chlores d un béton. La diffusion des ions chlorures permet d évaluer l interconnectivité des pores dans le béton. C est un essai rapide servant à mesurer la capacité du béton à résister à la pénétration des chlorures par détermination de la conductance électrique, exprimé par la charge électrique totale. Cet essai est effectué sur des éprouvettes de 95 mm de diamètre et 50 mm d épaisseur. Ces éprouvettes sont extraites à partir d un cylindre de 100 mm de diamètre sur 200 mm de hauteur. L éprouvette est placée dans une cellule de perméabilité de telle façon que l une des faces circulaires baigne dans une solution de 3% de chlorure de sodium (NaCl) dans laquelle se trouve une électrode (cathode) émettrice d électrons. L autre face circulaire baigne dans une solution de soude (0,3N de NaOH) où se trouve une autre électrode (anode) qui boucle le circuit. Une différence de potentielle (ddp) de 60 volts est maintenue entre les deux extrémités de l éprouvette. L essai consiste à mesurer la charge électrique totale, exprimée en coulombs qui passe à travers l éprouvette pendant 6 heures. La charge mesurée exprime la diffusion des ions chlore à travers l échantillon. Les résultats sont interprétés par référence aux valeurs du tableau qui exprime le niveau de diffusion des ions chlorures dans l échantillon en fonction de la charge. 26

27 D autres essais tels que la mesure la perméabilité d un béton soumis à une pression d eau. La figure donne la relation entre la perméabilité, le rapport eau/ciment et la cure initiale des éprouvettes cylindriques de 100x200 mm après 90 jours de séchage à l air. 27

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29 D- Résistance à l abrasion ASTM C779 Les surfaces de béton sont souvent soumises à certains types de chargement (freinage des véhicules, le lavage à forte pression) qui affecte la qualité et la résistance de celui-ci. Ce cas de chargement est décrit par l essai d abrasion. L essai permet de déterminer la résistance à l abrasion d une surface horizontale d un béton. Il est clair donc que le but est de vérifier surtout la résistance de la pâte du liant utilisé pour la fabrication du béton. Cette résistance dépend, toutefois, de la zone de transition et de l adhérence pâte-granulat. L essai est réalisé sur des surfaces de blocs de béton suivant la procédure C décrite dans la norme ASTM C779. Les facteurs importants qui peuvent affecter la résistance du béton à l abrasion sont la résistance en compression (> 35 MPa à 28 j), le rapport eau/liant (max 0.50), le processus de murissement et le type de finition exercée sur la surface du béton (norme CSA A23.1 article 22.5). 29

30 La résistance en compression et le type de granulat influencent la résistance à l abrasion La finition et le traitement des surfaces du béton affectent l abrasion des bétons E- Stabilité volumétrique Dès la fin de sa mise en œuvre, le béton est soumis à des déformations, même en absence de charges. Les variations de longueur se situent entre 0.01 et 0.08%. Cette diminution de longueur d un élément de béton est due essentiellement au mouvement d eau dans la matrice cimentaire. On distingue 4 types de retrait: retrait plastique dû à la dessication de la pâte de ciment en début de prise. retrait par auto-dessiccation (endogène) au cours de l hydratation retrait thermique causé par les différences de température au cours de l hydratation retrait à long terme causé (séchage)par l évaporation de l eau contenue dans le béton. La mesure du retrait se fait de différentes façons. Toutefois seul le retrait de séchage est normalisé (ASTM C157). Il est réalisé sur des prismes de 75x75x300 mm munies de plots aux extrémités (figure 1). Les mesures sont prises au moyen d un comparateur et le retrait est calculé en pourcentage de la longueur initiale de l échantillon par la formule : l = (l-l1)/l0 Où l : Retrait (%); l : Lecture du comparateur à l échéancier X (mm); l1 : Lecture du comparateur juste après le démoulage (mm) l0 : Longueur entre les faces intérieures des plots dans l échantillon (mm). Le retrait développé par le même béton dans le temps est donnée par la figure 30

31 E2- Dilatation Une fluctuations de température peut provoquer des contraintes dans le béton qui finiront par fissurer le béton. Puisque le coefficient de dilatation thermique du béton est 31

32 évalué à 1 x 10-5, pour une variation de ± 20 C on obtient: Δl = ± 2 x longueur. Pour un chaînage en B.A. de 20 m de longueur et un écart de température de 20 C, on a une dilatation de : 2 x 2000 cm = 0,4 cm ( l = α T. t.l) E3- Fluage Lorsqu il est soumis à l action d une charge de longue durée, le béton se comporte comme un matériau visco-elastique. La déformation instantanée qu il subit au moment de l application de la charge est suivie d une déformation lente ou différée qui se stabilise après quelques années. C est ce que l on appelle le fluage. Le fluage est pratiquement complet au bout de 3 ans. Au bout d un mois, les 40 % de la déformation de fluage sont effectués et au bout de six mois, les 80%. Estimation de la déformation de fluage: Δl = 4 à 5 longueur. Cette déformation varie surtout avec la contrainte moyenne permanente imposée au matériau. F- Réaction alcalis-granulats La réaction alcalis-granulats est initié par la présence des alcalis provenant du liant et la silice réactive des granulats. Cette réaction appelée aussi le cancer du béton peut être à l origine de plusieurs désordres dans les structures en béton. Elle se manifeste par des fissures en forme de faïençage à la surface du béton causé par une expansion interne du béton. Il est généralement recommandé de prêter une attention particulière à la teneur en alcalis du liant et la réactivité des granulats. Une manière de réduire les risques de fissures dus à la RAG est l incorporation des ajouts cimentaires à des dosages adéquats. G- Carbonatation La réaction du gaz carbonique avec les produits d hydratation du liant spécialement l hydroxyde de calcium (portlandite) génère des carbonates ou de la calcite. Ca(OH) 2 + CO 2 dans la solution interstitielle du béton à bases alcalins CaCO 3 + H 2 O La carbonatation augmente le retrait de séchage (donc risque de fissuration) et réduit l alcalinité du béton (donc risque de corrosion des armatures). L essai le plus simple qui 32

33 peut détecter la profondeur de carbonatation d un béton correspond au test à la phénolphtaléine réalisé sur des fractures fraiches de béton. La phénolphtaléine est un indicateur de ph coloré dont le virage se situe aux alentours de 9. Cela permet de différencier la zone carbonatée (ph < 9) qui reste incolore, de la zone non carbonatée (ph > 9 et allant jusqu' à 13) colorée en violet. H- Résistance au sulfate Des bétons en contact avec des sols ou de l eau ayant une teneur élevée en sulfate peuvent subir des dégradations majeures. Les sulfates attaquent le béton en réagissant avec les produits d hydratations du liant spécialement avec les hydrates de calcium aluminate pour former de l ettringite (sulfonate de calcium) expansif qui peut provoquer suffisamment de pression pour causer des fissures. L essai est réalisé sur des éprouvettes prismatiques de mortier de 25x25x300 mm conformément à la norme ASTM C1012. L essai consiste à mesurer les variations de longueur de barres de mortiers immergées dans une solution sulfatée. 4- AUTRES TYPES DE BÉTONS 4.1- Béton à haute performance Les bétons à haute performance sont des bétons plus écologiques que les bétons conventionnels. Dans les bétons à haute performance les matériaux travaillent au maximum de leurs possibilités. Ils sont les bétons plus durables que ceux produits usuellement. C'est essentiellement des à faible rapport E/C (E/L) compris 0,30 < E/C ou E/L < 0,40. 33

34 4.2- Béton autoplaçant Les bétons autoplacants s écoulent sous l effet de la gravité Béton à poudre réactive Les BPR sont constitués de poudre dont la grosseur des particules varie de 0.02 à 300 µm: De poudres cimentaires (ciment portland, fumée de silice et autres ajouts) Du quartz broyé Un faible dosage en eau Des superplastifiants Des fibres 34

35 5-MISE EN PLACE DU BÉTON 5.1 Bétonnage par temps chaud Un temps chaud peut créer certaines difficultés au niveau du béton frais comme : une demande en eau additionnelle des pertes d affaissement rapides une prise rapide causant des problèmes lors de la mise en place et de la finition une augmentation de la tendance à la fissuration plastique de la difficulté à contrôler la teneur en air entraîné un besoin urgent de débuter la cure une température du béton plus élevée qui engendre une perte de la résistance à long terme un plus grand risque de fissuration thermique En aucun cas l addition de l eau au béton n est tolérée à cause de la chaleur A- L élévation de la température du béton peut diminuer de l affaissement du béton (figure 13.2) donc augmente la demande en eau 35

36 1 B-L élévation de la température peut accélérer le temps de prise (figure 13.3) 2222 C- L élévation de la température peut affecter les résistances en compression (figure 13.4) 36

37 D- précautions à prendre Par temps chaud, les granulats et l eau doivent être maintenus aussi froids que possible. La température initiale d un mélange de béton dépend de la température, de la chaleur spécifique et de la quantité de chaque matériau. De nombreux producteurs de béton considèrent qu il est essentiel d utiliser des ajouts cimentaires lors du bétonnage par temps chaud. Les ajouts cimentaires les plus utilisés sont les cendres volantes, laitiers. Ces ajouts permettent généralement de ralentir la prise et les pertes d affaissement. D autres mesures préventives peuvent diminuer les risques de fissuration plastique. Humidifier les granulats secs et absorbants. Diminuer la température du béton en refroidissant les granulats et l eau de gâchage. Mouiller l infrastructure et utiliser un fin brouillard avant la mise en place. Ériger des abris pour diminuer la vitesse du vent au dessus de la surface de béton. Ériger des pare-soleil pour diminuer la température du béton. Recouvrir la surface du béton d une pellicule de polyéthylène durant les temps d attente entre la mise en place et la finition. Vaporiser de l eau immédiatement après la mise en place et avant que la finition ne commence, en prenant soin d éviter l accumulation d eau qui peut réduire la qualité de la pâte de ciment Ajouter des fibres synthétiques dans le béton pour diminuer le risque de fissuration plastique. La norme CSA A23.1 exige que: - lorsque la température ambiante atteint ou dépasse 27 C, le mûrissement durant la période de cure de base doit être effectué à l aide de gicleurs ou à l aide de toiles absorbantes saturées pour pouvoir refroidir le béton sous l effet de l évaporation. 37

38 - Pour le béton de masse, lorsque la température atteint ou dépasse 20 C, le mûrissement de la période de cure de base doit être effectué avec de l eau pour minimiser l élévation de température du béton. Selon la norme CSA A23.1, la période de cure de base est soit trois jours à une température minimale de 10 C ou le temps nécessaire pour atteindre 40 % de la résistance spécifiée à 28 jours. - lorsque la température ambiante atteint ou dépasse 27 C, le mûrissement durant la période de cure de base doit être effectué à l aide de gicleurs ou à l aide de toiles absorbantes saturées pour pouvoir refroidir le béton sous l effet de l évaporation. - Pour le béton de masse, lorsque la température atteint ou dépasse 20 C, le mûrissement de la période de cure de base doit être effectué avec de l eau pour minimiser l élévation de température du béton bétonnage par temps froids En dessous de -10 C l hydratation du ciment cesse et le béton n augmente plus de résistance. L effet des basses températures sur le durcissement du béton ont fait l objet de plusieurs études dont quelques unes sont présentées ci-après: 38

39 Selon la norme CSA A23.1 article , lorsque la température ambiante est de 5 C ou moins, ou qu il y a possibilité qu elle chute sous 5 C dans les 24 heures de la mise en place, tout le matériel et les matériaux nécessaires pour assurer la protection du béton et sa cure doivent être disponibles et prêts à être utilisés avant le début du bétonnage. 39

40 Figure 5.1 : Abris de chauffage Durée du chauffage Les durées de protection minimums recommandées sont indiquées au tableau 5-A : 5-A : Durée recommandée du maintient de la température du béton pour des bétons en températures froides et à air entraîné* Fin de la période de chauffage Il faut éviter à tout prix que le béton ne se refroidisse trop brutalement à la fin de la période de chauffage. Le tableau 5-B précise les différentiels de température permis entre la surface du béton et la température ambiante sous des vents de 25 km/h. 5-B : Écart maximum de température permis entre la surface du béton et l'air ambiant sous des vents ne dépassant pas 25 km/h 40

41 Si la température moyenne pondérée des granulats et du ciment est supérieure à 0 ºC, on peut choisir, à l aide de la figure 5-1, la température convenable pour l eau de malaxage correspondant à la température requise du béton. 5-1 : Température de l'eau de gâchage pour produire un béton ayant une température donnée. Bien que ce graphique corresponde au mélange indiqué, il n'en demeure pas moins valable pour des mélanges typiques. 6- PRINCIPAUX AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS DU BÉTON 6.1- Avantages du béton: Il est peu coûteux, facile à fabriquer et nécessite peu d'entretien. Il épouse toutes les formes qui lui sont données. Des modifications et adaptations du projet sur le chantier sont faciles à effectuer. Il devient solide comme de la pierre. Correctement utilisé, il dure des millénaires. Il résiste bien au feu et aux actions mécaniques usuelles. Associé à des armatures en acier, il acquiert des propriétés nouvelles qui en font un matériau de construction aux possibilités immenses (béton armé, béton précontraint). Il convient aux constructions monolithiques. Les assemblages sont faciles à réaliser dans le cas de béton coulé sur place. Dans la plupart des cas, les dimensions des ouvrages et éléments d'ouvrage en béton sont suffisants pour ne pas poser de problème délicat de stabilité. Les ressources nécessaires pour sa fabrication existent dans de nombreux pays en quantités presque illimitées. Il exige peu énergie pour sa fabrication Inconvénients du béton Les principaux inconvénients du béton ont pu être éliminés grâce à son association à des armatures en acier ou à l'utilisation de la précontrainte. De toutes façons, il reste les quelques inconvénients suivants: 41

42 son poids propre élevé (densité de 2,4 environ qui peut être réduite à 1,8 dans le cas de bétons légers de structure et à moins de 1,0 dans le cas de béton légers d'isolation) sa faible isolation thermique (elle peut être facilement améliorée en ajoutant une couche de produit isolant ou en utilisant des bétons légers spéciaux) le coût élevé entraîné par la destruction du béton en cas de modification d'un ouvrage. Références : Steven H. Kosmatka... et al. : «Dosage et contrôle des mélanges de béton». 8e éd. Association canadienne du ciment Portland, ISBN : A.Tagnit-Hamou : «Cours de microstructure», Université de Sherbrooke. Automne 2019 Technolgie du béton : guf\formation\beton\technobeton v05_01-beton Degussa Construction Chemicals France 42

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