introduction sur le matériau béton

Généralités sur le matériau

Le mot béton veut dire durcir. Il est introduit en  1753 dans la langue française et désigne un matériau composite utilisé largement dans le monde de la construction.

Il est constitué par de matériaux granulaires (sables, graviers) enrobés par un liant hydraulique comme par exemple le ciment ou le bitume. Nous traitons ici uniquement des bétons de ciment portland à base de calcaire. Le matériau béton se fabrique donc à partir d’éléments chimiquement actifs (ciments, additifs, adjuvants, eau) et d’éléments mécaniques (sables, gravillons, air).

Le béton typique standard a une masse volumique variant de 2000 kg / m3 a 2600 kg /m3 pour une résistance variant de 15 à 80 MPA.

Exigences des concepteurs

Le béton est utilisé comme matériaux de structure (béton armé ou précontraint) ou de remplissage (génie civil) et même comme élément décoratif (parements, mobilier). A ce titre les normes établissent les différents critères de qualités minimums requis. Les exigences sont :

  • De structure (Résistance a 28 jours et a cours terme)
  • De durabilité (Retrait / Fissuration / Respect de l’environnement
  • D’esthétique (Teinte / Bullage )

Les constituants du béton

résumé des constituants du béton

 Les différentes classes de béton

Bétons ordinaires : (BO) Entre 20 et 50 MPAB
Bétons Haute performance : (BHP) Entre 50 et 100 MPA
Bétons à ultra haute performance (BFUHP) 150 MPA
Bétons expérimentaux 600 Mpa

Les différents type de béton

Béton a prise lente (avec retardateur de prise)
Béton a prise rapide (avec accélérateurs de prise)
Béton auto plaçant (avec fluidifiant)
Bétons avec entraineurs d’air

 Composition d’un mélange typique

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Généralité sur les ciments

La fabrication du ciment est complexe et coûteuse elle consiste à broyer et chauffer des matériaux pour fabriquer une poudre réactive qui fera une prise hydraulique lorsque mise en contact de l’eau lors du mélange du béton.

Les matériaux de bases pour la fabrication du ciment portland sont des:

  • Source de calcium ( pierre calcaire)
  • Source de silice (argile, marne , sable)
  • Source de fer (minerai de fer , pyrite
  • Source de sulfate ( gypse)

La première étape de fabrication consiste à extraire, mélanger et broyer 80 % de calcaire (CaCO3) et 20 % d’Argile. On obtient ainsi ce qu’on appelle le CRU. La seconde étape consiste à chauffer à 1450 degrés le mélange et refroidir jusqu’à température ambiante. On obtient alors le CLINKER. La troisième étape consiste ajouter des additifs (laitiers, cendres volantes, pouzzolanes et fillers calcaire). Enfin pour réguler la prise on dose en ajoutant du gypse (Ca S04) et on réduit en une poutre fine (100 microns environ).

La chimie du ciment

Le ciment est composé de 4 principaux produits chimiques (non hydraté) : ce sont des silicates et aluminates. Pour simplification adopte les notations suivantes dans la chimie du ciment :

  • Cao         C
  • Sio2        S
  • AL2O3    A
  • H20         H
  • Fe2O3    F

Tableau des composés présents dans le ciment :

  • 3 CaO , SiO2     ( Silicate tricalcite) (C3S)
  • 2 CaO , SiO2      (Silicate bicalcite ou belite )(C2S)
  • 3 CaO , Al2O3  (Aluminate tricalcite) (C3A)
  • 4 CaO , Al2O3, Fe2O3  (Alumino-ferrite tétracalcique) (C4AF)

Les réactions chimiques d’hydratation dans le béton sont multiples, simultanées et compétitives. Elles conduisent à la formation de cristaux et à un dégagement de chaleur. Certaines réactions se poursuivent souvent sur plusieurs semaines et même plusieurs mois après le gâchage.Le béton voit sa résistance croître au fur et à mesure de ces réactions. Il est possible d’améliorer les rendements de ces réactions ou d’en favoriser la cinétique par différents ajouts, additifs et adjuvants ou en modifiant les conditions du mélange.

Les additifs dans le ciment

Certains produits ajoutés au mélange ciment permettent d’améliorer les caractéristiques mécaniques du béton à court et à long terme. Ces additifs sont inertes chimiquement ou actifs. Dans la première catégorie on trouve des additions calcaires (éléments fins). Dans la seconde on trouve des produits comme les cendres volantes ou les fumées de silice. Ces seconds types de produits permettent la formation d’hydrates supplémentaires dans le béton et augmentent donc la résistance du mélange. Ces réactions sont dites pouzzolaniques.

Les adjuvants dans le béton

Les adjuvants sont des produits ajoutés en faible dose lors du malaxage ou avant la mise en œuvre dans les coffrages du béton. On en dénombre beaucoup. Chaque produit provoque un effet spécifique recherché sur le béton : comme l’accélération de la prise, ou son retard; l’amélioration de son écoulement. Il y a également certains produits permettent d’apporter de l’air dans le béton ou de même de le colorer.

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