3. Propriétés du béton

3.1 Propriétés du béton

Le béton est une pierre de conglomérat artificiel composée essentiellement de ciment Portland, d’eau et de granulats. Lors du premier mélange, l’eau et le ciment constituent une pâte qui entoure tous les morceaux d’agrégat individuels pour former un mélange plastique. Une réaction chimique appelée hydratation a lieu entre l’eau et le ciment, et le béton passe normalement d’un plastique à un état solide en environ 2 heures. Par la suite, le bétoncontinue à gagner en force au fur et à mesure qu’il guérit. Une courbe de force-gain typique est illustrée à la Figure1. L’industrie a adopté la résistance à 28 jours comme point de référence, et les spécifications se réfèrent souvent aux tests de compression des cylindres de béton qui sont broyés 28 jours après leur fabrication. La force résultante reçoit la désignation f’c

Au cours de la première semaine à 10 jours de durcissement, il est important que le béton ne soit pas autorisé à geler ou à sécher, car l’un ou l’autre de ces événements serait très préjudiciable au développement de la résistance du béton. Théoriquement, s’il est maintenu dans un environnement humidel’environnement, le béton gagnera en résistance pour toujours, cependant, en termes pratiques, environ 90% de sa résistance est acquise au cours des 28 premiers jours.

Le béton n’a presque aucune résistance à la traction (généralement mesurée à environ 10 à 15% de sa résistance à la compression), et pour cette raison, il n’est presque jamais utilisé sans une forme de renforcement. Sa résistance à la compression dépend de nombreux facteurs, y compris la qualité et les proportions des ingrédients et l’environnement de durcissement. Le plus importantl’indicateur de résistance est le rapport de l’eau utilisée par rapport à la quantité de ciment.Fondamentalement, plus ce rapport est bas, plus la résistance finale du béton sera élevée. (Ce concept a été développé par Duff Abrams de la Portland Cement Association au début des années 1920 et est aujourd’hui utilisé dans le monde entier.) Un rapport minimum w/c (rapport eau/ciment) d’environ 0,3 en poids est nécessaire pour que l’eau entre en contact avec toutes les particules de ciment (assurant ainsi une hydratation complète). En termes pratiques, les valeurs typiques sont dansle 0,4 à 0.6 gamme afin d’obtenir une consistance réalisable afin que le béton frais puisse être placé dans les formes et autour de barres d’armature étroitement espacées.

Les courbes de contrainte-déformation typiques pour diverses résistances du béton sont illustrées à la figure 2. La plupart des bétons structuraux ont des valeurs de f’c comprises entre 3000 et 5000 psi. Cependant, les colonnes d’étages inférieurs des immeubles de grande hauteur utiliseront parfois des bétons de 12 000 ou 15 000 psi pour réduire les dimensions de la colonne qui seraient autrement excessivement grandes. Même si la figure 2 indique que la tension maximale que le béton peut supporter avant qu’il ne s’écrase varie inversement avec la résistance, une valeur de 0,003 est généralement prise (à titre de mesure simplificatrice) pour être utilisée dans le développement d’équations de conception.

Comme le béton n’a pas de portion linéaire à sa courbe contrainte-déformation, il est difficile de mesurer une valeur de module d’élasticité appropriée. Pour les bétons jusqu’à environ 6000 psi, il peut être approximatif comme

(1)

où w est le poids unitaire (pcf), f’c est la résistance du cylindre (psi).(Il est important que les unités de f’c soient exprimées en psi et non en ksi chaque fois que le pied carré est pris). La densité pondérale du béton armé utilisant du sable et de la pierre normaux est d’environ 150 pcf. Si 5 pcf de ceci sont autorisés pour l’acier et que w est pris comme 145 dans l’équation (1), alors

(2)

Les valeurs ainsi calculées se sont révélées acceptables pour les calculs de déflexion.
Au fur et à mesure que le béton durcit, il rétrécit car l’eau non utilisée pour l’hydratation s’évapore progressivement du mélange durci. Pour les grands éléments continus, un tel retrait peut entraîner le développement d’une contrainte de traction excessive, en particulier si une teneur élevée en eau entraîne un retrait alarmant. Le béton, comme tous les matériaux, subit également des changements de volume dus aux effets thermiques, et par temps chaud, la chaleur du processus d’hydratation exothermique ajoute à ce problème. Puisque le béton est faible en tension, il développera souvent des fissures en raison de tellesécrochage et changements de température. Par exemple, lorsqu’un béton fraîchement placé se dilate en raison d’un changement de température, il développe des contraintes de compression internes, car il surmonte le frottement entre celui-ci et la surface du sol. Plus tard, lorsque le béton se rétrécit à mesure qu’il durcit) et tente de se contracter, l’intension n’est pas assez forte pour résister aux mêmes forces de frottement. Pour cette raison, les joints de contraction sont souventutilisés pour contrôler l’emplacement des fissures qui se produisent inévitablement et le renforcement dit de la température et du frottement est placé dans des directions où le renforcement n’a pas déjà été spécifié pour d’autres raisons. Le but de ce renforcement est de s’adapter aux contraintes de traction et de minimiser la largeur des fissures qui se développent.

En plus des contraintes causées par le retrait et les effets thermiques, le béton se déforme également en raison du fluage. Le fluage augmente la déformation qui se produit lorsqu’un matériau subit un niveau de contrainte élevé sur une longue période. Chaque fois que des charges constamment appliquées (telles que des charges mortes) provoquent des contraintes de compression importantes, un fluage en résultera. Dans une poutre, par exemple, la déflexion supplémentaire à long terme due au fluage peut être jusqu’à deux fois la déflexion élastique initiale.Pour éviter cette déformation accrue, il faut maintenir les contraintes dues aux charges soutenues à un niveau bas. Cela se fait généralement en ajoutant de la compressionacier.

3.2 Proportions du mélange

Les ingrédients du béton peuvent être proportionnés en poids ou en volume. L’objectif est de fournir la résistance et la maniabilité souhaitées à un coût minimal. Parfois, il existe des exigences spéciales telles que la résistance à l’abrasion, la durabilité dans les climats difficiles ou la perméabilité à l’eau, mais ces propriétés sont généralement liées à la résistance. Parfois, des bétons de plus grande résistance sont spécifiés même si une valeur f’c inférieure aurait satisfait à toutes les exigences structurelles.

Comme mentionné précédemment, un faible rapport eau / ciment est nécessaire pour obtenir un béton solide. Il semblerait donc qu’en maintenant simplement la teneur en ciment élevée, on puisse utiliser suffisamment d’eau pour une bonne ouvrabilité et avoir toujours un faible rapport w / c. Le problème est quele ciment est le plus coûteux des ingrédients de base. Le dilemme est facilement visible dans les graphiques thématiques de la figure 3.

Étant donné que les granulats de plus grande taille ont des surfaces relativement plus petites (pour que la pâte de ciment enduise) et que moins d’eau signifie moins de ciment, on dit souvent qu’il faut utiliser la plus grande taille d’agrégat pratique et le mélange pratique le plus rigide. (La plupart des éléments de construction sont construits avec une taille d’agrégat maximale de 3/4 à 1 po, des tailles plus grandes étant interdites par la proximité des barres d’armature.)

Une bonne indication de la teneur en eau d’une terre de mélange et donc de l’aptitude au travail) peut être obtenue à partir d’un test d’affaissement standard. Dans ce test, un cône métallique de 12 de hauteur est rempli de béton frais de manière spécifiée. Lorsque le cône est soulevé, la masse de béton “s’affaisse” vers le bas (figure 4) et la chute verticale est appelée affaissement.La plupart des mélanges de béton ont des affaissements de l’ordre de 2 à 5 po.

3.3 Ciment Portland

Les matières premières du ciment Portland sont le minerai de fer, la chaux, l’alumine et la silice, qui sont utilisés dans diverses proportions en fonction du type de ciment fabriqué. Ceux-ci sont broyés et cuits dans un four pour produire un clinker. Après refroidissement, le clinker est trèsfinerie broyée (à peu près la texture de la poudre de talc) et une petite quantité de gypse est ajoutée pour retarder le temps de prise initial. Il existe cinq types de base de ciment Portland dansutiliser aujourd’hui:

• Type I – Usage général

• Type II – Béton résistant aux sulfates, en contact avec des sols riches en sulfates

• Type III – Résistance précoce élevée, qui gagne en résistance plus rapidement que le type I, ce qui permet d’éliminer les formes plus tôt

• Type IV – Faible chaleur d’hydratation, pour une utilisation dans la construction massive

• Type V – Résistance sévère au sulfate

Le type I est le moins cher et est utilisé pour la majorité des structures en béton. Le TypeIII est également fréquemment utilisé car il permet de réutiliser rapidement les formulaires, ce qui permet de réduire le temps de construction. Il est important de noter que même si le type III gagne en robustesse plus rapidement que le type I, il ne prend pas son ensemble initial plus tôt).

3,4 Agrégats

L’agrégat fin (sable) est constitué de particules qui peuvent passer à travers un tamis de 3/8 po; les agrégats grossiers ont une taille supérieure à 3/8 po. Les agrégats doivent être propres, durs etbien calibrés, sans plans de clivage naturels tels que ceux qui se produisent dans l’ardoise ou le schiste.La qualité des granulats est très importante puisqu’ils représentent environ 60 à 75% du volume du béton; il est impossible de faire du bon béton avec des granulats pauvres. Le classement des granulats fins et grossiers est très important car le fait d’avoir une gamme complète de tailles réduit la quantité de pâte de ciment nécessaire. Les agrégats bien classés ont tendance à rendre le mélange plus réalisable également.

Le béton normal est fabriqué avec du sable et des pierres, mais le béton léger peut être fabriqué en utilisant des sous-produits industriels tels que les scories expansées ou l’argile sous forme d’agrégats légers. Ce béton ne pèse que 90 à 125 pcf et des résistances élevées sont plus difficiles à atteindre en raison des agrégats plus faibles. Cependant, des économies considérables peuvent être réalisées en termes de poids propre du bâtiment, ce qui peut être très important lors de la construction sur certains types de sol. Le béton isolant est fabriqué à partir de perlite et de vermiculite, il ne pèse qu’environ 15 à 40 pcf et n’a aucune valeur structurelle.

3.5 Adjuvants

Les adjuvants sont des produits chimiques qui sont ajoutés au mélange pour atteindre des objectifs spéciaux ou pour respecter certaines conditions de construction. Il existe essentiellement quatre types: agents d’entraînement de l’air, agents d’ouvrabilité, agents retardateurs et agents accélérateurs.

Dans les climats où le béton sera exposé à des cycles de gel-dégel, l’air est délicatement mélangé au béton sous la forme de milliards de minuscules bulles d’air d’environ 0,004 po de diamètre. Les bulles fournissent des voies interconnectées afin que l’eau près de la surface puisse s’échapper lorsqu’elle se dilate en raison des températures glaciales. Sans entraînement de l’air, la surface du béton s’écaillera presque toujours lorsqu’elle sera soumise à un gel et à un sciage répétés. (L’entraînement à l’air a également l’effet secondaire très bénéfique d’augmenterla maniabilité sans augmentation de la teneur en eau.) L’air entraîné ne doit pas être confondu avec l’air emprisonné, ce qui crée des vides beaucoup plus importants et est causé par un mauvais placement et une consolidation du béton. L’air emprisonné, contrairement à l’air entraîné, n’est jamaisbénéficiel.

Les agents d’ouvrabilité, qui comprennent des agents réducteurs d’eau et des plastifiants, servent à réduire la tendance des particules de ciment à se lier en flocs et à échapper ainsi à une déshydratation complète. Les cendres volantes, un sous-produit de la combustion du charbon qui a quelques propriétés cimentièrespropriétés, sont souvent utilisées pour accomplir un but similaire. Les superplastifiants sont des adjuvants relativement nouveaux qui, lorsqu’ils sont ajoutés à un mélange, servent à augmenter considérablement l’affaissement, rendant le mélange très soupir pendant une courte période et permettant de placer facilement un béton à faible teneur en eau ou par ailleurs très rigide. Les superplastifiants sont responsables du développement récent de bétons à très haute résistance, certains dépassant 15 000 psic, car ils réduisent considérablement le besoin d’eau en excès pour la maniabilité.

Les retardateurs sont utilisés pour ralentir l’ensemble de béton lorsque de grandes masses doivent être placées et que le béton doit rester plastique pendant une longue période de temps pour éviter la formation de “joints froids” entre un lot de béton et le lot suivant. Accélérateursservir pour augmenter le taux de gain de force et pour diminuer le temps de prise initial. Cela peut être bénéfique lorsque le béton doit être placé sur une pente raide avec une seule forme ou lorsqu’il est souhaitable de réduire la période de temps pendant laquelle le béton doit être protégé contre le gel. L’accélérateur le plus connu est le chlorure de calcium, qui agit pour augmenter la chaleur d’hydratation, ce qui accélère la mise en place du béton.

D’autres types d’additifs chimiques sont disponibles à des fins très diverses. Certains d’entre eux peuvent avoir des effets secondaires délétères sur le gain de résistance, le retrait et d’autres caractéristiques du béton, et des lots d’essai sont recommandés en cas de doute concernant l’utilisation d’un mélange particulier.

3.6 Le code ACI

L’American Concrete Institute (ACI), basé à Detroit, Michigan, est une organisation de professionnels de la conception, de chercheurs, de producteurs et de constructeurs. L’une de ses fonctions est de promouvoir la conception et la construction sûres et efficaces de structures en béton. L’ACIHA a de nombreuses publications pour aider les concepteurs et les constructeurs; la plus importante parmi les structures de construction est intitulée Exigences du Code du bâtiment pour le béton armé et commentaires. Il est produit par le Comité 318 de l’American ConcreteInstitute et contient les directives de base pour les responsables du code du bâtiment, les architectes, les ingénieurs et les constructeurs concernant l’utilisation du béton armé pour les structures de construction.Des informations sont présentées concernant les matériaux et les pratiques de construction, les tests standard, l’analyse et la conception, ainsi que les systèmes structurels. Ce document a été adopté par la plupart des autorités du code du bâtiment aux États-Unis comme référence standard. Il fournit toutes les règles concernant les tailles de renforcement, la fabrication et le placement et constitue une ressource inestimable pour le concepteur et le détaillant.

Des mises à jour périodiques se produisent (1956, 1963, 1971, 1977, 1983, et 1989), et ce texte fait une référence constante à l’édition de 1989, l’appelant le Code ACI ou simplement le Code.Les documents et les fonctionnaires s’y réfèrent également par sa désignation numérique, ACI 318-89.

3.7 Références

Boethius, A. et Ward1-Perkins, J. B. (1970). Architecture étrusque et romaine, Penguin Books, Middlesex, Angleterre.
Cassie, W. F. (1965). “Le Premier béton armé structural”, Béton Structural, 2 (10).
Collins, P. (1959). Le béton, La Vision d’une Nouvelle Architecture, Faber et Faber, Londres.
Condit, C. W. (1968). Construction américaine, Matériaux et Techniquesdes Premières colonies coloniales à nos jours, Presses de l’Université de Chicago.
Drexler, A. (1960). Ludwig Miles van der Rohe, George Braziller, New York.
Farebrother, J. E. C. (1962). “Béton – Passé, Présent et Futur”, L’ingénieur en structure, octobre.
Mainstone, R, J. (1975). Développements sous forme structurelle, Le MITPress, Cambridge.