Le ciment et ses applications 1°) Introduction : Dans toute construction, il est indispensable de réunir entre eux les différents éléments (blocs de béton, briques, éléments en béton préfabriqué, etc.) au moyen d’un mortier de ciment ou d’autres liants qui ont pour but de : solidariser les éléments entre eux; assurer la stabilité de l’ouvrage; combler les interstices entre les blocs
de
construction. Le mortier est obtenu par le mélange d’un liant (chaux ou ciment), de sable, d’eau et éventuellement d’additions. Des compositions multiples de mortier peuvent être obtenues en jouant sur les différents paramètres : liant (type et dosage), adjuvants et ajouts, dosage en eau. En ce qui concerne le liant, tous les ciments et les chaux sont utilisables : leurs choix et le dosage sont fonction de l’ouvrage à réaliser et de son environnement. La durée de malaxage doit être optimum, afin d’obtenir un mélange homogène et régulier.
2°) Les différents mortiers : Dans les travaux publics on utilise différents types de mortier: 2.1°) Les mortiers de ciment : Les mortiers de ciments sont très résistants, prennent et durcissent rapidement. Le dosage du rapport entre le ciment et le sable est en général volumétrique de 1:3 et le rapport de l’eau sur ciment est environ 0,35. De plus, un dosage en ciment les rend pratiquement imperméables. 2.2°) Les mortiers de chaux : Les mortiers de chaux sont moins résistants par rapport aux mortiers de ciment (gras et onctueux). La durée du durcissement des mortiers de chaux est plus lente que pour les mortiers de ciments. 2.3°) Les mortiers bâtards : Ce sont les mortiers dont le liant est un mélange de ciment et de chaux. Généralement, on utilise la chaux et le ciment par parties égales, mais des fois on prend une quantité plus ou moins grande de l’un ou de l’autre suivant l’usage et la qualité recherchée.
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2.4°) Les mortiers gras : Le mortier gras (dosage en ciment plus élevé : 1/3 de liant pour 2/3 de sable) possède une structure beaucoup plus dense et laisse à peine passer l’eau. Il est quasiment imperméable. Il est utilisé pour la réalisation de joints, d’enduits, etc. 2.5°) Les mortiers maigres : Le mortier maigre (dosage en ciment peu élevé : ¼ de liant pour ¾ de sable) est plus facile à travailler. Néanmoins il est légèrement perméable. Il est utilisé pour maçonner les agglos, la pierre, etc.
3°) Composition du mortier/béton : Le mortier est un matériau de construction qui contient un liant, de l’eau, du sable, des adjuvants et éventuellement des additions. Ils peuvent être très différents les uns des autres selon la nature et les pourcentages des constituants, le malaxage, la mise en œuvre et la cure. 3.1°) les liants : Généralement, on peut utiliser:
les ciments normalisés : o Le ciment Portland : CEM I o Le ciment Portland composé : CEM II/A ou B o Le ciment de haut fourneau : CEM III o 3.1.4/Le ciment au laitier et aux cendres : CEM V/A ou B
les ciments spéciaux : 3.1.1/ Le ciment FONDU :
Ciment à durcissement rapide qui permet la mise en service rapide des bétons entre 6 et 24h après leur mise en place. Il a une excellente résistance aux attaques acides, pH > 4. Il est très bien adapté aux applications devant résister à de hautes températures. Particulièrement bien adapté aux ouvrages soumis à l'abrasion. Utilisé en mélange avec les mortiers de ciment courant, il permet de régler la prise entre 3 et 30 minutes selon le dosage de Ciment Fondu®. Le ciment FONDU est particulièrement adapté aux domaines suivants : les travaux nécessitant l’obtention, dans un délai très court, de résistances mécaniques élevées (poutres et linteaux pour le bâtiment, sols industriels) ; sols résistants aux chocs, à la corrosion, aux forts trafics ; ouvrages en milieu agricole, canalisations, assainissement ; fours, cheminées (bétons réfractaires) ; scellements (en mélange avec du ciment Portland pour la préparation de mortiers à prise réglable). 3.1.2/ Le ciment PROMPT : Le ciment PROMPT est un produit à prise rapide et à résistances élevées à très court terme. Le début de prise commence à environ 2 min et s’achève pratiquement à 4min. Le ciment PROMPT est résistant aux eaux agressives (eau séléniteuses, eaux pures, eaux acides). Il est normalisé pour travaux à la mer. Séquence/Thème S9/10/11/12 Sq5 ; Th1
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Le ciment PROMPT s’utilise en mortier et éventuellement en béton. Dans le cas d’urgence nécessitant une prise immédiate (aveuglements de voies d’eau), il est possible de l’employer en pâte pure. Parmi de nombreux emplois, on peut citer : scellements ; enduits de façade (en mélange aux chaux naturelles) ; revêtements et enduits résistant aux eaux agressives et à bon nombre d’attaques chimiques, en particulier à l’acide lactique et aux déjections (bâtiments pour l’élevage, silos) ; colmatage et travaux à la mer. 3.1.3/ les ciments à maçonner : Ces ciments, dont les résistances sont volontairement limitées par rapport aux ciments classiques, conviennent bien pour la confection des mortiers utilisés dans les travaux de bâtiment (maçonnerie, enduits, crépis...). Ils peuvent être également utilisés pour la fabrication ou la reconstitution de pierres artificielles. Ces ciments ne conviennent pas pour les bétons à contraintes élevées ou les bétons armés. 3.1.4/ Les ciments blancs : La teinte blanche est obtenue grâce à des matières premières très pures (calcaire et kaolin) débarrassées de toutes traces d’oxyde de fer. Les caractéristiques sont analogues à celles des ciments Portland gris (norme NF EN 1971). Grâce à sa blancheur, le ciment blanc permet la mise en valeur des teintes des granulats dans les bétons apparents. La pâte peut être elle-même colorée à l’aide de pigments minéraux, ce qui fournit des bétons avec une grande variété de teintes tant pour les bétons de structure que pour les bétons architectoniques et les enduits décoratifs. La composition du béton doit être bien étudiée en fonction des granulats et des effets recherchés. 3.1.5/ les chaux hydrauliques naturelles; 3.1.6/ les chaux éteintes. 3.2°) Les sables : Normalement, les sables utilisés sont des sables appelés « sable normalisé ». Les sables de bonne granulométrie doivent contenir des grains fins, moyens et gros. Les grains fins se disposent dans les intervalles entre les gros grains pour combler les vides. Ils jouent un rôle important : ils réduisent les variations volumiques, les chaleurs dégagées et même le prix. Les dosages se feront en poids plutôt qu’en volume comme c’est souvent le cas, afin d’éviter les erreurs de dosage, par suite de l’augmentation de volume de sable humide.
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Ils peuvent être : naturels et roulés (de rivières, de sablières, ..), naturels concassés (roches de carrières), ils sont anguleux et durs. spéciaux (lourds, réfractaires, légers).
Certains sables sont à éviter, notamment les « sables à lapin », généralement très fins, les sables crus qui manquent de fines et les sables de dunes ou de mer qui contiennent des sels néfastes pour les constituant des ciments. 3.3°) Les granulats (uniquement pour les bétons) : Selon un concept traditionnel, les granulats constituent le squelette du béton. Les granulats, qui sont généralement moins déformables que la matrice de ciment, s’opposent à la propagation des microfissures. Ils améliorent ainsi la résistance du béton. Le choix d’un granulat est donc un facteur important de la composition du béton, qui doit toujours être étudiée en fonction des performances attendues, spécialement sur le plan de la durabilité. 3.3.1/Les granulats roulés : Les granulats alluvionnaires, dits roulés, ont une forme arrondie due à l’érosion. Ces granulats sont lavés pour éliminer les particules argileuses, nuisibles à la résistance du béton et criblés pour obtenir différentes classes de dimension.
3.3.2/Les granulats de carrières :
Les granulats de carrière sont obtenus par abattage et concassage, ce qui leur donne des formes angulaires. Les granulats concassés présentent des caractéristiques qui dépendent de l’origine de la roche, de la régularité du banc, du degré de concassage...
3.3.3/Les granulats artificiels : Par exemple, il peut être intéressant d’utiliser des granulats très légers (bois, polystyrène expansé). Très légers – 20 à 100 kg/m3 – ils permettent de réaliser des bétons de masse volumique comprise entre 300 et 600 kg/m3 (la masse volumique d’un béton est d’environ 2500 kg/m3). On voit donc leur intérêt pour les bétons d’isolation, mais également pour la réalisation d’éléments légers : blocs coffrants, blocs de remplissage, dalles, ou rechargements sur planchers peu résistants. Séquence/Thème S9/10/11/12 Sq5 ; Th1
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3.4°) Les adjuvants : Les adjuvants sont des produits chimiques que l’on utilise dans le cas des mortiers et bétons. Ils modifient les propriétés des bétons et des mortiers auxquels ils sont ajoutés en faible proportion (environ 5% du poids de ciment). Les mortiers peuvent comporter différents types d’adjuvants. 3.4.1/ Plastifiants réducteurs d’eau : Adjuvants qui, sans modifier la consistance, permettent de réduire la teneur en eau du béton donné, ou qui, sans modifier la teneur en eau, en augmentent l’affaissement/ l’étalement, ou qui produisent les deux effets à la fois. Ces adjuvants ont pour fonction principale, soit d’améliorer l’ouvrabilité du béton, soit d’améliorer les résistances mécaniques. Leur dosage est compris entre 0,5 et 3% du poids de ciment. 3.4.2/ Superplastifiants haut réducteurs d’eau : Adjuvants qui, sans modifier la consistance, permettent de réduire fortement la teneur en eau du béton donné, ou qui, sans modifier la teneur en eau, en augmentent considérablement l’affaissement / l’étalement, ou qui produisent les deux effets à la fois. Ces adjuvants ont pour fonction principale, soit d’améliorer l’ouvrabilité du béton, soit d’améliorer les résistances mécaniques. Leur dosage est compris entre 0,5 et 3% du poids de ciment. 3.4.3/ Les accélérateurs de prise : L’accélérateur de prise a pour fonction principale de diminuer le temps de prise du ciment dans les bétons. Ils sont à recommander pour les bétonnages par temps froid, les décoffrages rapides, les scellements, les travaux en galerie, les travaux sous l’eau, etc.
3.4.3/ Retardateurs de prise : Introduits dans l’eau de gâchage, ils ont pour fonction principale d’augmenter le temps de début de prise du ciment dans le béton ou le mortier. Par rapport au témoin, l’augmentation du temps de début de prise est comprise entre une heure et deux heures. Séquence/Thème S9/10/11/12 Sq5 ; Th1
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Les retardateurs de prise sont particulièrement recommandés pour les bétonnages par temps chaud, pour le béton prêt à l’emploi, les bétonnages en grande masse et la technique des coffrages glissants. 3.4.4/ Accélérateurs de durcissement :
Adjuvants qui augmentent la vitesse de développement des résistances initiales du béton, avec ou sans modification du temps de prise.
3.4.5/ Hydrofuges de masse : Adjuvants qui permettent de limiter la pénétration de l’eau dans les pores et les capillaires du béton, sans altérer ses qualités plastiques et esthétiques.
3.4.6/ Les entraîneurs d’air : Ils ont pour fonction d’entraîner la formation dans le béton, de microbulles d’air uniformément réparties dans la masse. La résistance au gel du béton durci, ainsi que sa résistance aux sels de déverglaçage et aux eaux agressives, sont considérablement améliorées.
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3.5°) Les ajouts : Les ajouts que l’on utilise dans les mortiers et les bétons sont : poudres fines (cendres, fumée de silice..); fibres de différentes natures; colorants (naturels ou synthétiques); polymères.
4°) Utilisation du mortier : 4.1°) Les joints de maçonnerie : La construction réalisée en éléments maçonnés (blocs de béton, pierres de taille, briques), nécessite leur assemblage avec un mortier qui doit présenter des caractéristiques mécaniques suffisantes pour assurer la transmission des charges et répondre aux exigences d’étanchéité. On a généralement intérêt à utiliser des mortiers « pas trop rigide », de façon à pouvoir s’adapter aux variations dimensionnelles des éléments qu’il liaisonne sans fissurer.
4.2°) Les enduits : Les enduits traditionnels sont réalisés en trois couches. Afin d’augmenter le rendement, il se développe aujourd’hui les enduits monocouches épais, ainsi que des enduits isolants. Les enduits aux mortiers de liants hydrauliques sont utilisés aussi bien pour les travaux neufs que pour la réfection de façades. Les enduits remplissent plusieurs rôles : un rôle de protection du gros œuvre contre les intempéries ; un rôle d’imperméabilisation, tout en laissant «respirer» le support ; un rôle esthétique (aspect et couleur). Les enduits habillent le gros œuvre en le protégeant. Ils constituent la finition extérieure visible de la construction. 4.3°) Les chapes : Les chapes ont pour fonction d’assurer la mise à niveau du dallage et la régularité de sa surface. Les chapes peuvent constituer la finition : on y incorpore alors souvent des produits spécifiques. Elles peuvent aussi constituer le support d’un revêtement de sol. Les chapes doivent présenter une résistance suffisante pour assurer la transmission des charges au support, et parfois résister à l’abrasion ou au poinçonnement (sols industriels). Adhérente ou flottante, la chape peut également avoir une fonction thermique ou acoustique. Séquence/Thème S9/10/11/12 Sq5 ; Th1
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4.4°) Les scellements et les calages : Des produits spécifiques à base de mortiers sont disponibles dans le commerce afin de répondre aux problèmes de scellement et de calage, par exemple : scellements d’éléments de couverture, scellements d’éléments de second œuvre, scellements de mobiliers urbains, scellements de regards de visite, assemblage d’éléments préfabriqués... Afin de réaliser un bon scellement, le mortier doit être expansif pour provoquer un gonflement.
5°) Le béton : C’est en fait le mariage du béton et de l’acier : le béton armé, qui va donner au béton son plein essor. Le béton tient une place essentielle dans les Bâtiments et Travaux Publics. Les ouvrages en béton sont réalisés selon 2 filières :
le béton coulé en place (70% du béton consommé) : Les ouvrages de volume important (fondations, massifs, poutres de forte section,…), Les ouvrages courants dont la réalisation sur chantier est d’un moindre coût (murs banchés, dalles pleines, poteaux) ou peu répétitifs.
le béton manufacturé : Composants standardisés ne nécessitant pas de moyens de manutention trop lourds : blocs, poutrelles, pré-dalles, poteaux, poutres, ossatures, escaliers, mobiliers urbains, tuyaux d’assainissement, éléments pour réseaux, éléments de soutènement…
5.1°) Le béton armé : Les armatures métalliques sont placées dans les zones du béton où le risque de fissuration est important (zones tendues ou cisaillées). Les armatures doivent être adhérentes avec le béton : c’est pourquoi les armatures ne sont pas lisses.
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5.1.1/ Les poutres en B.A : Les figures suivantes montrent le principe de ferraillage d’une poutre en béton armé reposant sur deux appuis.
Sous l’action des charges, la poutre fléchie, les armatures sont disposées de façon à empêcher l’apparition des fissures, c’est à dire dans la partie tendue de la poutre (partie inférieure)
5.2°) Les coffrages : 5.2.1/ Le coffrage : Le béton frais est coulé dans des moules ou dans des coffrages dont il garde la forme en durcissant. On veillera à ne pas déverser le béton depuis une hauteur supérieure à 1 mètre pour éviter les risques de ségrégation. Il faut réaliser des coffrages en matériaux solides et indéformables, sans laisser d’interstices par où pourrait s’écouler la pâte de mortier. Les matériaux utilisés pour la réalisation des coffrages dépendent de l’ouvrage à réaliser (si après décoffrage nous devons enduire l’ouvrage, dans ce cas on utilisera un coffrage en planche brut, par exemple). Les coffrages doivent être soigneusement nettoyés avant chaque réemploi. On privilégiera des coffrages en dépouille afin de faciliter le décoffrage. (Par exemple pour le coffrage d’un regard, le coffrage est plus large en haut qu’en bas) 5.2.2/ Le ferraillage : Le plan de ferraillage d’un ouvrage en béton (poteau, linteau, dalle, etc.) doit faire l’objet d’une étude spécifique précise (bureau d’études, ingénieurs conseil). À la mise en œuvre, on veillera au bon positionnement des armatures, notamment pour assurer leur enrobage correct par le béton : 3 cm minimum, 4 cm pour des ouvrages exposés (milieu marin, gel...) afin de les protéger de l’humidité et éviter un gonflement dû à la rouille.
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Toutes les barres d’acier doivent être parfaitement enrobées. Pour cela, il est nécessaire de les maintenir à une distance du coffrage suffisante pour que les plus gros granulats du béton puissent glisser entre le coffrage et l’armature. 4 5.2.3/ Le serrage du béton : 4.2.3 LE
Le serrage du béton doit être assez énergique pour qu’il n’y ait pas de vides dans la masse de l’ouvrage. Cette opération de serrage se fait par vibration à l’aiguille ou plus rarement par damage ou compactage. Pour vibrer des volumes de béton de quelques mètres cubes, on utilise des aiguilles de 25 à 40 mm de diamètre qu’on immerge verticalement dans le béton. L’aiguille est remontée lentement après 15 à 20 secondes et déplacée à chaque fois de 40 à 50 cm. Pour obtenir une surface bien fermée et lisse, on effectue un surfaçage à la règle, à la taloche ou avec des lisseuses rotatives. Ce surfaçage ne doit pas être excessif pour ne pas entraîner des remontées de laitance préjudiciables à la tenue du béton dans le temps.
6°) Annexe : 6.1°) Le cône d’Abrams:
Cet essai à pour but de contrôler la plasticité du béton. L’essai consiste à mouler des troncs de cône en béton (base de diamètre 20 cm, partie haute de diamètre 10 cm). On remplit le cône en 3 couches piquées chacune 25 coups avec une tige métallique de 16 mm de diamètre. Le moule est ensuite soulevé avec délicatesse et l’on mesure, aussitôt après, l‘affaissement (ou SLUMP).
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