Le grand livre des bétons

Sommaire Partie 1. Enjeux du béton 1. Bétons et développement durable 2. Durabilité, approches prescriptive et performantielle 3. Contexte normatif

Partie 2. Constituants du béton

agglomérés par une matrice cimentaire. Ses caractéristiques de mise en œuvre ou finales peuvent être améliorées et optimisées en utilisant des adjuvants, des additions ou des additifs. Les nombreux bétons disponibles, qu’ils soient fabriqués sur chantier, en centrale BPE (béton prêt à l’emploi) ou en usine de préfabrication, répondent à des cahiers des charges précis et peuvent être inclus dans des gammes spécifiques telles que les bétons hautes performances (BHP), les bétons autoplaçants (BAP), les bétons fibrés à ultra-hautes performances (BFUP), etc.

Le Grand Livre des bétons traite de tous les bétons en détaillant les caractéristiques de leurs constituants, afin d’optimiser leur impact environnemental, leur durabilité, leur formulation, leur fabrication, leur transport et leur mise en œuvre sur le chantier, ainsi que leur contrôle in situ ou en laboratoire.

4. Ciments 5. Granulats 6. Eau de gâchage 7. Adjuvants 8. Additions minérales

Partie 3. Formulation des bétons 9. Propriétés des bétons 10. Méthodes de formulation 11. Gamme des bétons modernes

Partie 4. Fabrication, transport, mise en œuvre et contrôle 12. Fabrication et transport 13. Mise en œuvre 14. Contrôle des bétons

Partie 5. Comportement mécanique 15. Microstructure et déformations du béton au jeune âge 16. Comportement mécanique du béton 17. Déformations différées du béton 18. Maîtrise de la fissuration en béton armé

Il rappelle les spécifications auxquelles ils doivent répondre en tenant compte des exigences environnementales, des contraintes appliquées et des moyens de mise en œuvre.

Il étudie les bétons spéciaux et les nouveaux bétons (bétons à hautes performances, bétons de fibres, etc.).

Cet ouvrage de référence, comportant de nombreuses illustrations, permet d’avoir une vue d’ensemble de tous les paramètres régissant la qualité et la durabilité du béton, qui a permis, ces dernières années, les réalisations architecturales les plus audacieuses et spectaculaires. Rédigé par les meilleurs spécialistes à la pointe de la recherche et de l’application de ces matériaux, il s’adresse aux fabricants de béton, maîtres d’ouvrage, chefs de projet, services techniques, maîtres d’œuvre, ingénieurs, architectes, ainsi qu’aux étudiants.

R É F É R E N C E T E C H N I Q U E

ISSN 1257-9823 ISBN 978-2-281-11689-2

Sous la direction de Laetitia D’AloiaSchwartzentruber et Jean-Michel Torrenti, une trentaine de spécialistes ont participé à la rédaction de l’ouvrage, provenant de l’industrie (Sika, Cemex, Atilh/EFB, Synad, Cerib, Rector Lesage, Vinci, Eiffage, Bouygues, SNBPE, MAPEI), d’organismes institutionnels (Cerema, CNRS, Ifsttar, CETU) et de laboratoires universitaires (universités de Toulouse, de La Rochelle, École Centrale Nantes, École nationale des ponts et chaussées).

Sous la direction de Laetitia D’Aloia-Schwartzentruber et Jean-Michel Torrenti

Le béton est un matériau de construction fabriqué à partir de granulats

Le grand livre des bétons

Le grand livre des bétons

Laetitia D’Aloia-Schwartzentruber, ingénieur divisionnaire des travaux publics de l’État, chargé d’études et de recherches au sein du pôle matériaux structures et vie de l’ouvrage (MSVO) et chargé de mission développement durable au Centre d’études des tunnels (CETU).

Jean-Michel Torrenti, ingénieur des ponts, des eaux et des forêts, responsable recherche et développement du département matériaux et structures de l’Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux (Ifsttar).

Le grand livre des bétons es ncé a v s-A e u atif atiq r m p r o t en r es e c d n a et c issa a n n o ati Con ent m le Rég

iro env

nne

nt me

ales

Sous la direction de Laetitia D’Aloia-Schwartzentruber et Jean-Michel Torrenti

R É F É R E N C E T E C H N I Q U E R É F É R E N C E T E C H N I Q U E

+ de 200 schémas

Sommaire

Sigles et abréviations................................................................................................................................. 7 Préface....................................................................................................................................................... 11 Partie 1

Enjeux du béton.............................................................................................................................. 19

1

Bétons et développement durable........................................................................................................... 21

2

Durabilité, approches prescriptive et performantielle............................................................................ 59

3

Contexte normatif..................................................................................................................................... 115

Partie 2

Constituants du béton................................................................................................................. 121

4

Ciments...................................................................................................................................................... 123

5

Granulats................................................................................................................................................... 159

6

Eau de gâchage.......................................................................................................................................... 177

7

Adjuvants................................................................................................................................................... 185

8

Additions minérales.................................................................................................................................. 203

Partie 3

Formulation des bétons............................................................................................................. 225

9

Propriétés des bétons................................................................................................................................ 227

10 Méthodes de formulation......................................................................................................................... 245 11 Gamme des bétons modernes.................................................................................................................. 271 Partie 4

Fabrication, transport, mise en œuvre et contrôle................................................. 313

12 Fabrication et transport............................................................................................................................ 315 13 Mise en œuvre........................................................................................................................................... 337 14 Contrôle des bétons.................................................................................................................................. 381 5

GLBP_.indb 5

21/10/14 11:50

Le grand livre des bétons

Partie 5

Comportement mécanique....................................................................................................... 389

15 Microstructure et déformations du béton au jeune âge.......................................................................... 391 16 Comportement mécanique du béton....................................................................................................... 405 17 Déformations différées du béton............................................................................................................. 417 18 Maîtrise de la fissuration en béton armé................................................................................................. 431 Index.......................................................................................................................................................... 437 Table des matières..................................................................................................................................... 443

6

GLBP_.indb 6

21/10/14 11:50

Le grand livre des bétons

Fig. 1.24. Évolution des températures de mai à septembre nemental, mais reposant sur une seule catégorie sociale ne répond pas à des critères habituels de développement durable. L’écoconception peut donc s’appliquer à l’échelle d’un quartier, mais elle sera d’autant plus efficace qu’elle s’inscrira dans une démarche collective d’aménagement durable fondée sur la mixité fonctionnelle et sociale.

Dans ce contexte, de nouveaux outils sont accessibles ou sont en cours de développement.

Modèle de simulation

Pour mesurer les effets des différentes options d’aménagement, une ACV « Quartier » peut être développée (cela a été le cas, en particulier, au sein de l’école Mines ParisTech).

Fig. 1.25. ACV d’un projet tertiaire en Normandie 1.4.5.2

Projets d’aménagement Écoquartiers versus aménagement durable

À l’échelle urbaine, une certaine confusion peut s’instaurer. Un « écoquartier » n’est pas le gage d’un fonctionnement parfaitement conforme à un développement durable. Une gated community (communauté fermée) conçue avec le plus grand soin du point de vue environ-

Ce type d’ACV comptabilise, sur un cycle de vie, les impacts générés par : −−les bâtiments neufs ou réhabilités avec la prise en compte des effets de masque induits par leur juxtaposition ; −−les infrastructures comprenant les différents réseaux contributifs et les effets d’une mobilité à l’intérieur du plan-masse.

En l’état actuel des connaissances, les effets de la mobilité sont encore abordés de manière conventionnelle à l’échelle du quartier. Tout l’intérêt est de comparer à programme identique différentes variantes d’agencement du quartier.

42

GLBP_.indb 42

21/10/14 11:51

Bétons et développement durable – Chapitre 1

Fig. 1.26. Impacts du comportement des résidents (source : Vinci Construction France)

Fig. 1.27. Mixité fonctionnelle et sociale

Fig. 1.28. Nouvelles frontières pour l’étude (source : Chaire d’écoconception ParisTech) Poids de la mobilité

Périmètre d’étude

Pour ces nouvelles échelles, le périmètre d’étude est délimité par deux types de frontière : −−une frontière « physique » incluant tous les éléments bâtis du quartier : bâtiments, rues, jardins, parcs, réseaux, etc. ; −−une frontière « flux » prenant en compte les procédés amont et aval considérés dans le système : production d’énergie, d’eau, fabrication et transport des matériaux, traitement des déchets, etc.

Le système et ses frontières peuvent donc être représentés selon la figure 1.28 (modèle issu des travaux de la chaire d’écoconception ParisTech).

Quand on parle d’écoconception de la ville et des quartiers, il est primordial de prendre en compte à la fois l’urbanisme et le transport. La figure 1.29 montre de fortes disparités entre les profils environnementaux des maisons individuelles (les occupants circulent en voiture individuelle) et ceux des logements collectifs desservis par les transports en commun. Les logements collectifs présentent des émissions de CO2 60 % inférieures à celles des maisons individuelles et des consommations d’énergie 35 % moindres.

Ce graphique démontre l’importance de la prise en compte de la mobilité dans les choix de conception. Il montre également que l’enjeu d’une conception intersectorielle (associant bâtiments et transports).

43

GLBP_.indb 43

21/10/14 11:51

Chapitre Propriétés des bétons

9

François Cussigh, Thierry Sedran, Laurent Izoret

9.1

Bétons à l’état frais

La résistance mécanique d’un béton dépend en premier lieu de sa formule et en particulier de son rapport massique eau/liant équivalent. Toutefois, elle diminue rapidement si la teneur en air résiduelle après mise en œuvre augmente.

Ainsi, si les moyens de mise en œuvre ne sont pas adaptés à la consistance d’un béton pour assurer son compactage, cela peut conduire à des chutes de résistance. Par exemple, un béton de consistance ferme nécessitera plus d’énergie pour sa mise en œuvre qu’un béton autoplaçant.

De façon plus générale, le comportement du béton à l’état frais a des conséquences pratiques sur son comportement dans les structures à l’état durci. C’est pourquoi, dans ce chapitre, nous allons succinctement présenter différentes propriétés à l’état frais auxquelles il est nécessaire de prêter attention. Le cas échéant, nous décrirons les essais qui permettent de les caractériser.

9.1.1

Rhéologie des bétons

Pour obtenir une telle relation, il est nécessaire d’utiliser des rhéomètres. Ce sont des appareils relativement sophistiqués pouvant prendre plusieurs vitesses de rotation et pour lesquelles on mesure les couples correspondants nécessaires pour les obtenir (ou le contraire). Les rhéomètres sont conçus pour imposer a priori un champ de contraintes ou de vitesses connu. On peut ainsi remonter par calcul, à partir des vitesses et des couples mesurés, au comportement rhéologique du béton, qui est indépendant de l’appareil de mesure. À noter que de simples malaxeurs instrumentés ne permettent pas de faire cela, même s’ils permettent de comparer des bétons entre eux. Les rhéomètres doivent contenir un échantillon représentatif de béton et limiter l’apparition de certains artefacts pouvant fausser les mesures, comme le glissement aux parois, la ségrégation, les zones mortes, le confinement.

Il existe un certain nombre de rhéomètres de par le monde dont une revue critique a été faite dans Nist (2001).

Le rhéomètre BTRHEOM développé par le LCPC (de Larrard et al., 1994) permet ce genre de mesures pour des bétons avec un affaissement supérieur à 10 cm (fig. 9.2).

À l’exception des bétons très secs qui sont plutôt compactés, les bétons s’écoulent par cisaillement lors des différentes phases de mise en œuvre. Pour analyser, simuler ces écoulements à l’aide de la mécanique des fluides, on cherche donc à déterminer la relation entre la contrainte de cisaillement τ appliquée à un béton et le gradient de vitesse qui lui est imposé γ̇ , comme défini en figure 9.1. C’est l’objet de la science appelée rhéologie des bétons.

Fig. 9.1. Cisaillement d’un échantillon de section S

Fig. 9.2. Rhéomètre à béton BTRHEOM

F force exercée sur l’échantillon, V vitesse du sommet de l’échantillon, H hauteur de l’échantillon, γ̇ = V H

La grille du fond est fixe, la grille du haut est pilotée en rotation.

L’échantillon de béton de 7 litres est cisaillé entre les deux grilles.

227

GLBP_.indb 227

21/10/14 11:51

Le grand livre des bétons

L’essai consiste à cisailler un anneau de béton entre un plan horizontal fixe et un plan horizontal mobile. L’essai peut se faire avec ou sans vibration et peut être reproduit plusieurs fois sur un même échantillon pour suivre l’évolution du comportement du béton dans le temps.

Le rhéogramme suivant montre un comportement rhéologique typique d’un béton (fig. 9.3).

(à la façon du miel). A contrario, un béton avec une très faible viscosité contient en général beaucoup d’eau et peut présenter des risques de ségrégation et/ou de ressuage.

Pour une formule de béton donnée, l’ajout d’eau permet de diminuer le seuil de cisaillement et la viscosité, alors que l’ajout d’un superplastifiant diminue le seuil de cisaillement et n’a qu’une influence faible sur la viscosité.

Ainsi, lorsque l’on suit l’évolution des propriétés rhéologiques d’un béton au cours du temps pour évaluer, par exemple, la durée pratique d’utilisation, plusieurs cas peuvent se produire : −−le seuil et la viscosité évoluent peu, le béton est donc stable sur la période étudiée ; −−le seuil et la viscosité augmentent, le béton est instable et cela est probablement dû à une absorption de l’eau par les granulats ; −−seul le seuil augmente, le béton est instable. Le raidissement est probablement lié à un démarrage précoce de l’hydratation (lié par exemple à une incompatibilité ciment-superplastifiant).

Fig. 9.3. Rhéogramme illustrant le comportement rhéologique typique d’un béton Si après une certaine période de repos on augmente progressivement le cisaillement sur un béton, celui-ci reste immobile jusqu’à ce que l’on atteigne une valeur τ0r appelée seuil de cisaillement au repos. Si on continue alors à augmenter le cisaillement, on obtient une portion AB de courbe décroissante qui correspond au fait que le cisaillement refluidifie (ou déstructure) le béton. Une fois remalaxé, on constate que la contrainte de cisaillement augmente avec le gradient de vitesse (en courbe montante ou descendante). Le béton a alors un comportement rhéologique qui peut être représenté par une loi de Bingham qui s’écrit sous la forme suivante : τ = τ 0 + µγ̇ avec : τ0 : seuil de cisaillement du béton ; µ : viscosité plastique.

Le seuil de cisaillement τ0 se mesure en pascals (Pa). Plus le béton est ferme, plus le seuil de cisaillement est élevé. Il varie ainsi de quelques dizaines de pascals pour un béton autoplaçant à 1 500-2 000 Pa pour un béton très plastique.

Le seuil de cisaillement τ0 est toujours inférieur au seuil de cisaillement au repos τ0r.

La viscosité plastique µ se mesure en pascals secondes (Pa·s) et varie de quelques dizaines à 300-400 Pa·s. Elle traduit la sensibilité du béton à la vitesse de cisaillement.

Une viscosité élevée est obtenue pour des bétons fortement superplastifiés et contenant peu d’eau. Elle est souvent associée à un béton difficile à manipuler et collant

Dans la majorité des cas, on est amené à manipuler un béton qui a été fortement remanié (soit en sortie de centrale soit en sortie de toupie). Dans ce cas, la connaissance du couple de propriétés rhéologiques (τ0, µ) permet de caractériser complètement un béton frais. Ces valeurs peuvent être utilisées pour simuler des écoulements de bétons dans des logiciels aux éléments finis. De plus, la connaissance de ces deux termes permet de différencier des bétons en fonction des différentes phases de mise en œuvre : ainsi, deux bétons de seuils proches se manipuleront de la même façon dans des écoulements lents (écoulement gravitaire, par exemple), mais si l’un de ces bétons a une viscosité plus élevée, il sera plus difficile à manipuler à haute vitesse (par exemple pour planter une pelle ou une truelle) ou à pomper (voir plus loin).

Toutefois, dès qu’un béton est laissé au repos, il se restructure plus ou moins rapidement (quelques minutes à quelques dizaines de minutes), ce qui a pour conséquence l’augmentation du seuil de cisaillement au repos τ0r. La différence entre le seuil de cisaillement τ0 et le seuil de cisaillement au repos τ0r traduit ce que l’on appelle la thixotropie du béton.

Un béton thixotrope aura tendance à figer rapidement et fortement. Cette restructuration est réversible ; elle disparaît lorsque le béton est remalaxé vigoureusement comme indiqué sur le rhéogramme précédent. Elle ne doit pas être confondue avec le raidissement irréversible du béton lié aux réactions chimiques de prise du ciment qui survient un peu plus tard. Des auteurs [Roussel, 2007a], [Toutou et al., 2005] ont montré que l’on a : τ 0r ( t ) = τ 0 + Athix t avec : t : temps de repos ;

228

GLBP_.indb 228

21/10/14 11:51

Propriétés des bétons – Chapitre 9

Athix : constante caractéristique de la formule de béton considérée (valeurs typiques de l’ordre de 0,1 à 1,7 Pa/s).

La norme NF EN 206 définit les catégories d’affaissement présentées dans le tableau 9.1.

Lors de la mise en œuvre du béton, il y a toujours un certain nombre de pauses. De plus, lors de l’écoulement, il y a des zones où le béton est moins cisaillé. Le béton a donc tendance à se restructurer progressivement et donc son comportement peut évoluer rapidement. Il est donc important de prendre en compte le caractère thixotrope des bétons et tout particulièrement pour les bétons autoplaçants dont la mise en œuvre est uniquement gravitaire. Ce phénomène de raidissement doit être intégré pour affiner la modélisation des écoulements. D’un point de vue plus pratique, une forte thixotropie d’un béton peut être préjudiciable au bon mariage entre coulées successives sur un voile de grande hauteur par exemple, puisque la coulée précédente aura tendance à figer rapidement. A contrario, l’apparition de la thixotropie permet une diminution de la pression sur les coffrages, point délicat en général avec les bétons autoplaçants qui, du fait de leur fluidité, imposent une pression de type hydrostatique plus élevée que les bétons conventionnels.

Tab. 9.1. Classes d’affaissement suivant la norme NF EN 206

Notons enfin que la thixotropie permet de limiter la ségrégation des gravillons, mais qu’elle peut conduire à des parements plus bullés.

9.1.1.1

Essais de consistance

Sur chantier, on utilise des essais beaucoup plus simples et plus robustes que les rhéomètres. La caractérisation ainsi obtenue est moins complète, mais généralement suffisante pour un suivi de chantier. Le plus connu de tous est probablement l’essai d’affaissement au cône d’Abrams (fig. 9.4). Cet essai, plus que centenaire, est décrit par la norme NF EN 12350-2. Il consiste à mouler du béton dans un tronc de cône métallique, puis à le démouler immédiatement pour mesurer son affaissement (on utilise fréquemment le mot anglais slump), comme indiqué sur la figure 9.4. Plus l’affaissement est élevé, plus le béton est fluide.

Classe selon l’EN 206

Affaissement

Appellation courante

S1

De 10 à 40 mm

Béton ferme

S2

De 50 à 90 mm

Béton plastique

S3

De 100 à 150 mm Béton très plastique

S4

De 160 à 210 mm Béton fluide

S5

≥ 220 mm

Béton fluide

L’affaissement est fortement corrélé au seuil de cisaillement du béton (Sedran, 1999 ; de Larrard et Ferraris, 1998 ; Roussel, 2006) : quand le seuil augmente, l’affaissement diminue. Théoriquement, on pourrait également déduire la viscosité des bétons fluides à partir de leur vitesse d’affaissement, mais dans la pratique cette dernière n’est jamais mesurée.

Les bétons autoplaçants, destinés à une mise en œuvre simplement gravitaire, présentent des affaissements supérieurs à 20 cm. Il est alors plus discriminant de mesurer le diamètre de la flaque obtenue lors de l’essai d’affaissement (fig. 9.5 et photo 9.1). On parle alors d’étalement des bétons. Des classes d’étalement sont définies dans les recommandations AFGC (2008) et dans la norme NF EN 206-9.

Le béton est mis en place dans le cône d’Abrams sans piquage. On soulève ensuite le cône. Le béton, très fluide, s’affaisse complètement et s’étale sous la forme d’une galette.

On mesure le diamètre le plus grand ainsi que le diamètre perpendiculaire. Le résultat correspond à la moyenne de ces deux diamètres qui ne doivent pas être différents de plus de 5 cm. Plus l’étalement est important, plus le matériau est fluide. La norme NF EN 206-9 définit trois classes d’étalement SF1 à SF3, l’étalement pouvant s’échelonner de 55 à 85 cm. Au cours de cet essai, on peut également mesurer le t500, c’est-à-dire le temps mis par le béton pour s’étaler jusqu’à un diamètre de 500 mm matérialisé sur la plaque.

Plus le t500 est élevé, plus le béton est visqueux. La norme NF EN 206-9 définit deux classes de viscosité VS1 et VS2.

Le tableau 9.2 donne à titre indicatif les différentes techniques de mise en œuvre à privilégier en fonction de l’affaissement au cône d’Abrams. Bien que cet essai de consistance soit le plus répandu, il n’est pas forcément suffisant ou adapté pour définir précisément les conditions de mise en œuvre.

Fig. 9.4. Principe de la mesure de l’affaissement

Pour les bétons fluides mais ayant vocation à être mis en œuvre par vibration, il peut être intéressant de mesurer l’étalement à la table à choc, tel que décrit dans la norme NF EN 12350-5 (essai également connu sous le nom de 229

GLBP_.indb 229

21/10/14 11:51

Le grand livre des bétons

Fig. 9.5. Variante pour les bétons autoplaçants de l’essai d’affaissement au cône d’Abrams : essai d’étalement ou slump flow table DIN). Cet essai consiste à mouler un tronçon de cône de béton (diamètre de base 200 mm, diamètre de sommet 130 mm, hauteur 200 mm) sur une table à choc. On mesure l’étalement du béton après démoulage et 15 chocs. Bien que peu représentatif des conditions réelles de mise en œuvre, cet essai apporte une information complémentaire par rapport à l’essai d’affaissement sur la susceptibilité du béton à des sollicitations dynamiques. Ainsi, de deux bétons présentant le même affaissement, celui qui aura un étalement plus grand se mettra probablement mieux en place. De même, l’observation de la galette permet de vérifier que le matériau ne ségrège pas. La norme NF EN 206 définit des classes d’étalement à la table à choc.

Photo 9.1. Étalement d’un béton autoplaçant

Notons que ces deux essais d’étalement peuvent être critiquables dans le sens où, en fin d’essai, l’épaisseur de la galette de béton peut être de l’ordre, voire inférieure, au diamètre maximal des granulats. Il est probable que ces essais ne décrivent pas parfaitement le comportement du béton dans sa masse.

Tab. 9.2. Mode de mise en œuvre du béton en fonction de la consistance Affaissement

0-20 mm

10-50 mm

50-220 mm

> 220 mm (étalement > 550 mm)

Mode de mise en œuvre

Compactage énergique (+ vibration)

Compactage léger + vibration

Gravité + vibration

Gravité

Outils

Compacteurs (bétons compactés) Machine-outil (préfabrication)

Machines à coffrages glissants (bétons routiers)

Aiguille vibrante ou vibreur de coffrage

Aucun

230

GLBP_.indb 230

21/10/14 11:51

Propriétés des bétons – Chapitre 9

Ainsi, l’étalement au cône d’Abrams n’est que grossièrement corrélé au seuil de cisaillement. Pour pallier cette difficulté, un essai à la boîte LCPC dédié aux bétons autoplaçants et décrit par Roussel (2007b) a été proposé.

Il consiste à verser 6 litres de béton dans un couloir de 20 cm de large. À partir de la longueur de la langue de béton épaisse ainsi obtenue, il est alors possible d’évaluer le seuil de cisaillement d’un béton autoplaçant.

Pour les bétons d’affaissement nul ou fermes destinés en général à être mis en œuvre par compactage, l’essai Vebe décrit dans la norme 12350-3 est plus pertinent. Cet essai consiste à mouler un cône de béton à l’intérieur d’un récipient cylindrique posé sur une table vibrante. On démoule le béton et on lance la vibration. On mesure alors le temps nécessaire pour que le béton se nivelle dans le moule cylindrique. Plus le temps est long, plus le béton est ferme.

La norme NF EN 206 définit des classes Vebe.

9.1.1.2

Résistance au ressuage

Pour obtenir l’ouvrabilité nécessaire, les bétons contiennent de l’eau en excès par rapport aux vides de leur squelette granulaire. Une fois le coulage terminé, ce squelette a tendance à se tasser sous l’effet de la gravité.

L’eau est ainsi chassée du béton et remonte à la surface.

On appelle ce phénomène le ressuage ; il est accompagné du tassement du béton.

L’eau de ressuage est en général claire car les particules fines restent bloquées dans le squelette. Ce ressuage ne présente pas d’inconvénient lorsqu’il reste modéré. Il permet même de contribuer à la cure de la surface du béton en compensant son séchage par évaporation. Par contre, si son amplitude est importante, un certain nombre de désordres peuvent se produire : −−un tassement excessif du squelette peut conduire, comme indiqué sur la figure 9.6, au « déchirement » du béton à l’état frais au droit d’armatures (cassure de béton frais) pouvant par la suite entraîner des problèmes de corrosion ; −−un tassement peut conduire à des modifications de géométrie qui peuvent nécessiter des corrections ultérieures ; −−un ressuage important peut conduire à la formation de « trous de ver » creusés par l’écoulement de l’eau ainsi qu’à l’accumulation d’eau en partie inférieure de l’interface pâte-granulat. Ceci peut conduire à des pertes de résistances mécaniques (de l’ordre de 10 MPa parfois) et limiter la durabilité du béton ; −−un ressuage important s’accompagne également de problèmes esthétiques en peau de coffrage : teintes variables, apparition de fougères, etc.

Le ressuage est contrôlé par la contrainte verticale qui s’applique sur le squelette, la perméabilité à l’eau du sque-

Fig. 9.6. Phénomène de ressuage et risque de cassure de béton frais lette et par l’hydratation du béton. Ainsi, pour un béton donné, le ressuage augmente avec la hauteur de la levée.

Par contre, le ressuage diminue lorsque la quantité de fines augmente et le temps de prise diminue (Josserand, 2002).

Le ressuage peut être spécifié et mesuré en utilisant la norme ASTM C 232.

9.1.1.3

Résistance à la ségrégation

La ségrégation du béton se définit comme une perte d’homogénéité. Elle peut se produire pendant le malaxage, le transport, la mise en œuvre et même après le coulage avant le durcissement du béton.

Elle peut être la cause de blocage de l’écoulement de bétons autoplaçants et, comme nous le verrons plus loin, elle peut favoriser l’apparition de bouchons lors du pompage de béton. Mais au-delà de ce problème particulier de mise en œuvre, la ségrégation peut être la cause de désordres esthétiques : parements de couleurs variables, nids de cailloux… Elle entraîne également une hétérogénéité des performances mécaniques et de durabilité. Ainsi, par exemple, la ségrégation des granulats conduit à avoir plus de déformations de retrait en tête de voile (car moins riche en granulats) qu’en partie basse. Ceci se traduit en général par une fissuration verticale en tête de voile.

Pour éviter la ségrégation, il faut agir à la fois sur la formule des bétons, mais également sur la méthode de mise en œuvre. L’utilisation d’un squelette granulaire continu et riche en fines et d’une faible teneur en eau sont des éléments favorables pour limiter la ségrégation.

L’utilisation d’additions minérales est à ce titre intéressante lorsque les résistances visées ne nécessitent pas de forts volumes de ciment. Enfin, l’utilisation d’un béton thixotrope est également une solution favorable (mais elle peut découler des points précédents).

En ce qui concerne la mise en œuvre, certaines précautions permettent de limiter les risques de ségrégation : −−en cours de transport, il faut maintenir une agitation permanente du béton, comme c’est le cas dans les camions toupies. Pour les bétons très secs plutôt destinés 231

GLBP_.indb 231

21/10/14 11:51

Le grand livre des bétons

−−soit un ciment ayant la caractéristique PM (NF P 15-317), utilisable pour les travaux en mer et dans un environnement moyennement agressif vis-à-vis des sulfates ; −−soit un ciment ayant la caractéristique ES (NF P 15-319), prévu pour les travaux en eau à haute teneur en sulfates ; −−soit d’additions comme les laitiers de haut-fourneau, les cendres volantes ou la fumée de silice pour répondre à des environnements comme les eaux pures ou acides.

Il y a une multitude de critères à prendre en compte pour formuler un béton, mais il faut faire attention que ces derniers ne soient pas antagonistes en raison principalement de contraintes « impossibles » fixées par un cahier des charges. Il est ainsi difficile de concilier maniabilité pendant un temps long (comme plusieurs heures) et résistance à 24 heures élevée ou faible température au cœur d’une structure massive (en raison du risque lié à la RSI) et dosage important en liant, en particulier si ce dernier est un ciment de type CEM I. Le formulateur doit alors discuter avec le client ou son représentant pour déterminer les contraintes les plus importantes et avoir la marge de manœuvre nécessaire pour les satisfaire.

10.3

Le béton, un empilement optimisé de particules

10.3.1

Concepts généraux de compacité

On trouve dans la littérature de nombreux ouvrages traitant des mélanges de sphères monodisperses et de la compacité obtenues pour différents arrangements granulaires ordonnés ou aléatoires (fig. 10.1) (Westman et Hugill, 1930 ; McGeary, 1961 ; Cumberland et Crawford, 1987). De manière générale, on constate que la compacité est indépendante du diamètre des particules. Mais que se passe-t-il quand on mélange deux classes de particules sphériques de dimensions bien distinctes ?

Furnas (1928) a étudié ce problème en mesurant l’indice des vides de mélanges de sphères bimodales en fonction du rapport de leur diamètre (fig. 10.2). Il observe qu’au début, plus il ajoute de petites particules au mélange, plus la porosité diminue : chaque grain inséré réduit cette dernière et augmente alors la compacité de l’ensemble jusqu’à atteindre un optimum. L’ajout supplémentaire de grains fins dans le système a alors l’effet inverse et tend à accroître la porosité. Il remarque que l’optimum de porosité (et donc de compacité) est obtenu pour des proportions volumiques grosses particules/petites particules de 50/50 lorsque le rapport des diamètres tend vers 1 et de 65/35 lorsque ce dernier tend vers 0. En outre, plus le rapport des diamètres est important, plus l’optimum de compacité est serré, donc moins robuste à toute variation de composition du mélange granulaire.

Comme nous l’avons déjà indiqué en introduction de ce chapitre, les méthodes de formulation tendent toutes vers un même objectif : avoir dans le béton frais une fois mis en place le squelette solide, avec ou sans les particules les plus fines, le plus compact possible, ce dernier étant généré de façon sensiblement aléatoire. L’idée sousjacente est qu’en optimisant la compacité on minimise les quantités de liant et d’eau dans la formule, à résistance et consistance donnée… et donc on en minimise le coût.

De plus, à quantité et qualité de pâte donnée, la meilleure compacité conduit théoriquement à la meilleure maniabilité.

On constate ainsi que la proportion optimale conduisant à la compacité maximale est unique mais que la zone de compacité maximale est souvent un plateau permettant de faire varier autour de cet optimum les proportions de certains constituants sans modifier de manière importante la compacité du mélange. De plus, la précision de la mesure de la compacité et la variabilité non négligeable des granulats (fuseau de production large) conduisent plus à une zone de travail qu’à un optimum précis. Ce plateau est d’autant plus important que les différentes coupures sont proches, donc que le squelette est continu ou que les discontinuités ne sont pas trop grandes.

Comme nous allons le voir, les méthodes d’optimisation granulaire sont nombreuses, certaines prenant en compte ou non selon les auteurs les particules les plus fines comme le ciment ou plus généralement le liant. Elles ont par contre toutes la particularité d’être fondées sur des théories conduisant à la compacité maximale dans l’air et non dans un liquide. La prévision de la compacité d’un empilement de grains demeurant difficile d’un point de vue complètement théorique, et cela malgré l’intérêt de l’homme depuis l’Antiquité pour les notions de pavages de l’espace, ces méthodes, comme celle de Baron-Lesage, ont été élaborées à partir du savoir-faire des gens de la profession et par une analyse des bétons considérés comme satisfaisants à leur époque.

La notion de compacité maximale est importante, mais, pour les bétons courants, d’autres aspects sont aussi importants, tel que la robustesse de la formule, l’aspect du béton, sa facilité de mise en œuvre.

L’augmentation de la compacité conduit à une augmentation du nombre de contacts entre particules au repos.

La mise en mouvement d’un tel béton nécessite de lutter contre les frottements. Les adjuvants permettent de limiter ces frottements, mais la création d’un plan de cisaillement engendre une dilatation du squelette afin de créer une couche de pâte entre les grains « lubrifiant » le système. Cet effet de dilatance est d’autant plus marqué que le squelette granulaire est discontinu.

250

GLBP_.indb 250

21/10/14 11:51

Méthodes de formulation – Chapitre 10

Fig. 10.1. Compacités et nombres de coordination d’empilements ordonnés ou aléatoires de sphères monodisperses

251

GLBP_.indb 251

21/10/14 11:51

Le grand livre des bétons

Fig. 10.2. Évolution du volume des vides dans des mélanges bimodaux en fonction du size ratio (rapport entre les diamètres de chaque mode) [Furnas, 1928] Tant que le rapport entre les diamètres des particules est suffisamment grand, on considère qu’il n’y a pas d’interactions entre elles, c’est-à-dire que les grains les plus petits remplissent les vides des grains les plus gros sans en modifier significativement l’empilement. À l’inverse, lorsque les diamètres se rapprochent, des interactions apparaissent (fig. 10.3) : −−l’effet de paroi : la compacité d’un mélange granulaire diminue en présence d’une paroi. Cet effet est d’autant plus marqué que le diamètre de la classe supérieure est nettement plus élevé (courbure de la paroi) et est proportionnel à la surface du plus gros granulat (surface de paroi) ; −−l’effet de desserrement : les petits grains viennent déstructurer l’empilement des plus gros en desserrant l’empilement. Cet effet est d’autant plus marqué que les diamètres des grains sont proches.

La réalité des bétons est bien sûr plus complexe, car il ne s’agit plus d’empiler deux classes de particules mais de nombreuses, allant des éléments les plus fins aux gros granulats. Optimiser au mieux la compacité du squelette granulaire demande alors de connaître l’impact de différents facteurs, dont notamment la forme et la distribution granulométrique des particules le constituant ou l’énergie de compactage.

10.3.2 10.3.2.1

De la théorie à la pratique : méthodes empiriques d’optimisation granulaire Méthode d’Abrams

Abrams a mis au point en 1925 une règle de mélange fondée sur l’obtention d’un module de finesse global d’empilement, égal au 1/100e de la somme des refus

Fig. 10.3. Illustration des effets de paroi et de desserrement (De Larrard, 2000) cumulés (exprimée en pourcentage) des fractions granulaires obtenues sur les tamis de la série 0,16 mm – 0,315 mm – 0,63 mm – 1,25 mm – 2,5 mm – 5 mm – 10 mm – 20 mm – 40 mm et 80 mm, en fonction de ceux des granulats le constituant. Le module de finesse ainsi visé dépend essentiellement de la dimension maximale des granulats ainsi que du dosage en ciment (tab. 10.6).

Tab. 10.6. Valeurs optimales du module de finesse de compositions granulaires pour des granulats alluvionnaires (Abrams, 1925) Dosage en ciment kg/ m3 275 300 350 400

Dimension maximale D des granulats.

10

15

20

25

30

40

60

4.05 4.20 4.30 4.40

4.45 4.60 4.70 4.80

4.85 5.00 5.10 5.20

5.25 5.40 5.50 5.60

5.60 5.65 5.73 5.80

5.80 5.85 5.88 5.90

6.00 6.20 6.30 6.40

Cette méthode est un peu simpliste en résumant une courbe granulaire par son module de finesse puisque des modules de finesse identiques peuvent être obtenus à partir de courbes granulométriques très différentes. Cette règle de mélange reste toutefois utilisée lorsque l’on cherche à mélanger plusieurs sables.

10.3.2.2

Méthode du CERIB

Le CERIB a mis au point cette méthode spécifique à l’industrie du béton en définissant, par chaque type de produit, une fiche qui comprend (fig. 10.4) : −−un fuseau granulaire (uniquement sable et gravillons) ou béton (incluant également tous les éléments solides : ciment, additions, granulats) ;

252

GLBP_.indb 252

21/10/14 11:51

Méthodes de formulation – Chapitre 10

Fig. 10.4. Exemple de spécifications du CERIB pour différents produits en béton Fuseau béton pour dalle de parement, fuseau granulats pour de grands éléments en béton apparent (Bresson, 1992)

253

GLBP_.indb 253

21/10/14 11:51

Le grand livre des bétons

−−les performances demandées ; −−des spécifications matières premières ; −−des plages de dosages ; −−les caractéristiques du béton frais.

Cette méthode est pratique et simple à utiliser, notamment dans le domaine de la préfabrication (blocs de parement, bordures, tuyaux, prédalles). Par contre, chaque fuseau est lié à une taille maximale de granulats et à un processus de fabrication. Si l’un des deux change, le fuseau n’est plus applicable. De plus, comme toutes les méthodes liées à des fuseaux cibles, elle ne prend pas en compte les notions de morphologie et texture des granulats et la compacité n’est prise en compte qu’indirectement via l’étendue granulaire.

10.3.3

Méthodes graphiques théoriques

De nombreuses méthodes théoriques ont été mises au point afin d’obtenir les compositions des constituants d’un béton en fonction d’une courbe considérée comme optimale ou de référence. Ainsi Caquot (1937) a établi la théorie de la granulométrie optimale, permettant de minimiser la quantité de vides dans les bétons, avec l’équation empirique suivante : V = V0 ◊ avec :

( ) d D

1

5

Comme nous venons de le voir, la relation de Caquot met en jeu une constante V0, qui dépend de la forme des grains et de leur nature minéralogique. Cette constante a en général une valeur proche de 0,70. Lorsque l’on n’utilise pas d’ultrafines telles que la fumée de silice, l’ensemble des fines peut être représenté par un spectre allant de 7 à 63 µm. L’application de la formule de Caquot donne alors la compacité suivante : 7 ≈ 0, 55 63 De la même façon, le volume optimal de fines (en m3) à mettre dans un squelette ayant une distribution granulaire entre 63 µm et Dmax peut s’exprimer par la relation suivante : cfines = 1 − 0, 7 × 5

0, 063 0, 22 ≈ Dmax 5 Dmax Si les fines proviennent uniquement du ciment (avec une densité de 3,15), on retrouve une des valeurs de dosage optimal proche de celles préconisées dans la méthode de Dreux-Gorisse détaillée par la suite : opt Vfines = cfines × 0, 7 × 5

700 kg/m 3 Dmax D’autres auteurs, tels que Fuller et Thompson (1907), sont arrivés à partir d’expériences à la conclusion qu’il existe certaines courbes granulométriques idéales, voisines d’une parabole de la forme : opt Mciment =

5

d : dimension du plus petit granulat ; Pt =

D : dimension du plus gros granulat ;

( ) x D

1

2

V : volume des vides ;

avec :

V0 : une constante déterminée expérimentalement.

Pt : fraction de solide de dimensions inférieures à x ;

Ce modèle reste limité dans le sens où il ne tient pas compte des interactions additives comme l’effet de paroi.

Il a néanmoins le mérite de montrer que non seulement les vides, mais aussi le dosage optimal en ciment et fines inertes varient comme (d/D)1/5.

D : dimension du plus gros granulat.

L’équation de Caquot permet d’avoir une idée de l’impact du diamètre maximal des granulats et de justifier ainsi au premier ordre les variations de dosage en liant tels que préconisés par la note d des tableaux de l’annexe NA.F de la norme NF EN 206/CN (tab. 10.7).

x 2 D avec A une constante empirique variant de 8 à 16, sa valeur étant d’autant plus élevée que le dosage en liant est important.

Cette notion de granularité parabolique de Fuller a été reprise par d’autres auteurs comme Popovics ou Andreasen et Andersen (1930). En 1935, Bolomey proposa une version modifiée de l’équation de Fuller : Pt = A + (100 − A) ◊

( )

1

Tab. 10.7. Comparaison entre la variation relative de porosité calculée à partir de la relation de Caquot et les corrections exigée par la norme NF EN 206/CN (Chanvillard, 1999) 12,5

14

16

20

22,4

31,5

Variation relative de la porosité par rapport à un granulat de 20 mm (Caquot)

1,099

1,074

1,046

1,00

0,978

0,913

Corrections exigées par l’annexe NA.F de la norme NF EN 206/CN

1,10

1,075

1,05

1,00

0,975

0,90

D (mm)

254

GLBP_.indb 254

21/10/14 11:51

Méthodes de formulation – Chapitre 10

En 1942, Faury proposa une nouvelle loi de granulation du type continu dite des indices pondéraux. Il s’inspirait pour cela de la théorie de Caquot relative à la compacité d’un granulat de dimension uniforme correspondant à un serrage moyen : la loi de granulation qui en découle est donc une loi fonction de 5 d.

On trace pour l’ensemble du mélange, liant compris, une courbe granulométrique de référence qui est composée de deux droites. L’abscisse du point de rencontre de ces deux droites est fixée à D/2 et son ordonnée Y est donnée par une formule tenant compte de la grosseur maximale du granulat et de certains paramètres à choisir en fonction de la qualité du granulat et de la puissance du serrage.

10.3.4

Méthodes numériques

10.3.4.1

Méthode de Dewar ou théorie des mélanges de particules

Le concept de la théorie des mélanges de particules (TMP), présenté à la figure 10.5, repose sur le fait que, quand deux matériaux de tailles différentes sont mélangés, les plus petits vont essayer de remplir l’espace entre les plus gros. Cependant, étant donné que la structure engendrée par le contact entre les particules est perturbée par leurs interférences (formes et textures), on produit aussi des vides additionnels.

Cette valeur se calcule de la manière suivante : Y ( D 2 ) = A + 17 × 5 D + avec :

B R − 0, 75 D

A : paramètre à choisir dans le tableau 10.8 ; D : dimension du plus gros granulat ; B : paramètre variant de 1 à 2 selon que le béton est ferme ou mou ; R : rayon moyen du moule.

S’inspirant comme Faury des travaux de Caquot, Joisel proposa une méthode graphique de composition du béton en considérant une loi de granulation conduisant à la compacité maximale en fonction de m d , m dépendant du serrage des granulats. Ce choix se traduit par une simple et unique droite sans cassure, mais il faut employer un graphique dont l’échelle des abscisses varie d’une étude à l’autre, d’un type de granulat à un autre, ce qui rend son utilisation plus complexe.

Fig. 10.5. Principe de base de la théorie des mélanges de particules (Dewar, 1999) Afin d’analyser le diagramme de l’indice des vides et de calculer ainsi les proportions optimales de constituants, Dewar a développé un modèle numérique en trois dimensions dans lequel les dimensions moyennes des particules (D) et les vides (X) sont représentés sous la forme de cubes (fig. 10.6).

Tab. 10.8. Valeurs du coefficient A de la méthode de Faury Sables et graviers roulés Sables roulés et graviers usuels de broyage usuel Consistance très fluide. Mise en œuvre sans serrage

Sables et graviers de broyage usuel

32 et au-dessus

34 et au-dessus

38 et au-dessus

Consistance fluide pour au faible serrage

30-32

32-34

38-36

Consistance molle pour serrage moyen

28-30

30-32

34-36

Consistance ferme pour serrage soigné

26-28

28-30

32-34

Consistance très ferme pour serrage puissant

24-26

26-28

30-32

Consistance de terre humide, serrage très puissant

22-24

24-26

28-30

Serrage exceptionnellement puissant

au-dessous de 22

au-dessous de 24

au-dessous de 28 255

GLBP_.indb 255

21/10/14 11:51

Le grand livre des bétons

Photo 13.8. Arche de la Défense (Bouygues-EFB) Photo 13.7. Exemple de flèche (École française du béton – EFB) La profession du pompage du béton s’est structurée autour du Syndicat national du pompage du béton (SNPB – www.snpb.org) et le parc français est riche d’environ 1 800 pompes.

Même si cette technique s’est développée autour des chantiers d’ouvrages d’art ou de génie civil (environ 90 % de ces bétons y sont pompés), elle présente des atouts pour les chantiers de moindre importance jusqu’au cas de la maison individuelle.

Citons : −−la rapidité de mise en place du béton : le tuyau de flèche reste en place à l’intérieur de coffrages jusqu’à la fin du remplissage contrairement au bétonnage à la grue qui nécessite lui des rotations dues aux opérations de remplissage et vidage de la benne et dont la capacité est liée à la performance de la grue. À titre d’exemple, pour le bétonnage d’un tablier de pont, les performances des pompes permettent d’assurer des cadences moyennes de 60 m3/h, alors qu’avec une grue ces cadences sont d’environ 15 m3/h ; −−l’accessibilité aux coffrages (photo 13.7) : la gamme de flèches existantes (de 20 à 50 m) permet l’accès aux différents points de coulage d’un ouvrage, voire à des zones difficilement accessibles (exemple des chantiers de rénovation en milieu urbain) ; −−la qualité du bétonnage n’est pas affectée par l’opération : les caractéristiques à l’état frais du béton sont peu modifiées lors de son transport dans la tuyauterie et la mise en œuvre permet aussi de limiter les délais des recouvrements entre rouleaux de bétonnage.

La technique de pompage a ainsi permis la réalisation d’ouvrages emblématiques de la construction béton, comme l’Arche de la Défense (photo 13.8) ou la tour Burj à Dubai (photo 13.9).

Photo 13.9. Tour Burj à Dubaï (Putzmeister-EFB) 13.3.2

Prévention des bouchons

Utiliser la technique de pompage requiert l’aptitude au pompage du béton ; ce n’est pas en soi une propriété intrinsèque du matériau. Tous les bétons ne sont pas pompables et cette aptitude résulte d’un équilibre entre la

348

GLBP_.indb 348

21/10/14 11:51

Mise en œuvre – Chapitre 13

composition (choix du fuseau granulaire, rapport G/S) et l’installation (type de pompes et de flèches).

Un béton non pompable conduira à la formation de bouchons par manque d’homogénéité et donc ségrégation.

Il est donc fortement conseillé de s’assurer de la pompabilité par un essai grandeur nature.

Les travaux du projet national Calibe (1996-1999) ont permis d’améliorer significativement l’état des connaissance sur la pompabilité des bétons. On distingue ainsi quatre types de bouchons : • les bouchons au démarrage (ou à l’amorçage) (photo 13.10) : c’est la phase pendant laquelle on passe d’une tuyauterie vide à une tuyauterie remplie. Afin d’éviter ce genre de problème, on pompe une certaine quantité de barbotine avant le béton. La barbotine est un mélange de ciment et d’eau avec un rapport E/C qui varie entre 0,5 et 0,8. Signalons qu’il existe aussi des barbotines de synthèse.

Les règles de l’art permettant d’éviter les bouchons à l’amorçage demandent de respecter quelques règles : −−un béton résistant à la ségrégation (essai de ressuage) via une teneur en sable plus élevée (rapport G/S plus faible), un module de finesse du sable élevé (entre 2,2 et 2,5) et des gravillons roulés, une quantité de fines importante (≈ 380 kg/m3), un Dmax du granulat inférieur au quart du diamètre de la tuyauterie, −−un amorçage du circuit avec un débit faible, −−une barbotine dense permettant de freiner les gravillons, −−éviter le mélange de la barbotine et du béton dans la trémie ; • les bouchons en cours de pompage : une fois le régime permanent établi, le béton se déverse en continu dans la trémie de la pompe pour être ensuite refoulé. Les principales causes proviennent du non-respect du Dmax du granulat, d’une augmentation de la vitesse de pompage et de la présence d’éléments étrangers ;

• les bouchons en phase de redémarrage : il y a redémarrage lorsque l’opération de pompage a été interrompue (détournement de la flèche de répartition, retard du camion toupie). Le béton restant alors immobile pendant une durée importante, il faut éviter sa prise qui rendrait le redémarrage impossible ; • les bouchons en phase de nettoyage : la phase finale du pompage consiste à nettoyer le circuit de préférence avec de l’eau et, pour éviter la formation de bouchons, on introduit un bouchon de séparation derrière le béton dont l’étanchéité est la caractéristique principale afin d’éviter que l’eau se mélange avec le béton et provoque un délavage (photo 13.11).

Photo 13.11. Exemple d’obus de séparation (EFB) 13.3.3

Aspects technologiques du pompage

Il existe principalement deux types de pompes : les pompes automotrices à tuyaux ou flèches de répartition (photo 13.12) et les pompes stationnaires utilisées en poste fixe sur les chantiers de longue durée.

Le choix du matériel de pompage est fonction du type de béton, de la configuration du chantier (accessibilité des points de bétonnage et longueur de flèche, longueur des tuyaux) et des cadences de bétonnage souhaitée (utilisation éventuelle de plusieurs pompes, choix du débit de pompe en cohérence avec les capacités d’approvisionnement du chantier).

Afin que l’opération de pompage se passe dans les meilleures conditions, il est conseillé d’effectuer un essai de convenance afin de valider la pompabilité de la formule de béton dans les conditions de réalisation du chantier, c’est-à-dire avec les installations prévues.

Photo 13.10. Mise en évidence de bouchon au démarrage (gauche) par rapport à un béton s’écoulant normalement (droite) (source : Pompage des bétons, Guide technique LCPC, mars 2002)

13.3.4

Aspects liés à la sécurité

La norme NF EN 12001 (décembre 2003) « Machines pour le transport, la projection et la distribution de béton et 349

GLBP_.indb 349

21/10/14 11:51

Le grand livre des bétons

Fig. 15.8. Ménisques entre grains de ciment provoqués par un séchage de la surface grains qui tendent à compacter le squelette granulaire (Wittmann, 1976 ; Radocea, 1994 ; Slowik et al., 2008).

La figure 15.9 donne l’exemple des déformations – tassement et retrait plastique – mesurées pendant les heures suivant le coulage. Le retrait plastique se développe pendant les phases (1) et (2) et voit sa vitesse s’annuler pendant la prise (3).

15.2.1.2 Conséquence

Fig. 15.7. Évolution de la résistance en compression avec le temps à 20 °C (en haut) et avec le degré d’avancement de l’hydratation (en bas) (source : Byfors, 1980)

15.2 15.2.1

Risque de fissuration au jeune âge Retrait plastique

15.2.1.1 Origine

Le retrait plastique est une contraction du béton à l’état frais conséquence d’une dessiccation avant prise. Lorsque la quantité d’eau qui s’évapore à la surface du béton est supérieure à la quantité d’eau de ressuage (voir fig. 15.2), un système complexe de ménisques se développe entre les grains solides (fig. 15.8). Selon la relation de Laplace, il en résulte une dépression capillaire et des efforts entre

Comme le montrent les données expérimentales de la figure 15.9, le retrait plastique peut avoir une amplitude très élevée. Cette déformation n’a pas nécessairement de conséquence car, à l’état frais, le béton est encore très déformable.

Néanmoins, il y a risque de fissuration lorsque le retrait plastique dépasse la capacité de déformation du matériau. Selon certains auteurs, le risque devient significatif pour un retrait supérieur à 1 000 µm/m (Uno, 1998 ; Dias, 2003 ; Soroushian et Ravanbakhsh, 1998). Dans les règles de l’art, notamment américaines(3), on estime que le risque de fissuration est grand quand le taux d’évaporation, exprimé par unité de surface soumise au séchage, dépasse 1 kg/m² par heure. Il existe d’ailleurs des formules et des abaques (voir chapitre 13) pour estimer le taux d’évaporation en fonction des conditions climatiques et de la température du béton (Uno, 1998).

La fissuration due au retrait plastique est souvent superficielle. On parle d’un faïençage, à l’image de ce que l’on observe dans le cas d’une argile ou d’une pâte de ciment soumise à une forte dessiccation (photo 15.3). Au-delà de l’aspect esthétique, ce faïençage réduit l’enrobage des armatures et la capacité du béton à être recouvert de supports comme les enduits, les carrelages, etc.

(3) ACI 305R-96, 1996, « Hot Weather Concreting ». Manual of Concrete Practice, Part 2. Farmington Hills : American Concrete Institute.

396

GLBP_.indb 396

21/10/14 11:51

Microstructure et déformations du béton au jeune âge – Chapitre 15

Fig. 15.9. Évolution du retrait, du tassement et de l’évaporation d’un BAP soumis à un séchage modéré à 20 °C et 50 % HR (source : Turcry et Loukili, 2006) ont une prise tardive – à cause de l’adjuvantation ou d’une hydratation lente – sont des matériaux qui présentent typiquement un fort retrait plastique. Dans cette catégorie, citons les bétons autoplaçants, les bétons à hautes performances ou encore les bétons formulés avec des laitiers de haut-fourneau.

Le principal moyen d’action contre le retrait plastique et l’éventuelle fissuration est la prévention de la dessiccation précoce, en particulier dans le cas des éléments avec des surfaces à l’air libre très grandes, comme les dalles (voir chapitre 13). Il convient de réaliser une cure en humidifiant les surfaces (photo 15.4), en les protégeant par un film polyane ou en pulvérisant un produit de cure efficace (voir chapitre 7). Le risque de fissuration peut être atténué aussi par l’ajout de microfibres polypropylènes dans la composition du béton (les fibres fibrillées s’avérant plus efficaces que les fibres monofilaments). Cette solution est utilisée notamment pour les pièces fines comme les chapes.

Photo 15.3. Fissuration due à un séchage précoce d’une pâte de ciment de E/C = 0,3 15.2.1.3

Facteurs et prévention

Le retrait plastique dépend de la vitesse d’évaporation à la surface du béton. La vitesse du vent, la température et l’humidité relative ambiante, le rayonnement solaire sont autant de facteurs qui contrôlent l’évaporation. La composition du béton a également une influence non négligeable. Ainsi, les bétons qui ressuent peu – par exemple à cause d’un faible rapport eau sur fines – ou qui

Photo 15.4. Exemple de cure par aspersion d’eau en surface d’une dalle coulée en été 397

GLBP_.indb 397

21/10/14 11:51

Table des matières

Sommaire................................................................................................................................................... 5 Sigles et abréviations................................................................................................................................. 7 Préface....................................................................................................................................................... 11 Partie 1 1

Enjeux du béton.............................................................................................................................. 19 Bétons et développement durable............................................................................................ 21

1.1 Introduction............................................................................................................................................... 21 1.2 1.2.1 1.2.2

Production et données économiques..................................................................................................... 22 Le béton, un matériau minéral de construction au succès universel.................................................... 22 Industrie du béton : situation en France................................................................................................. 22

1.3 1.3.1 1.3.2

Aspects environnementaux..................................................................................................................... 24 Impacts sur l’environnement..................................................................................................................... 24 Outils d’évaluation des impacts sur l’environnement............................................................................ 25

1.4 1.4.1 1.4.2 1.4.3 1.4.4 1.4.5

Écoconception : du matériau aux ouvrages......................................................................................... 27 Principes de l’analyse de cycle de vie.................................................................................................... 29 Contexte réglementaire et normatif......................................................................................................... 30 Bases de données environnementales..................................................................................................... 31 Écoconception à l’échelle du matériau : le béton et ses constituants................................................... 33 Écoconception à l’échelle des ouvrages : exemples d’outils et/ou d’études....................................... 36

1.5. Conclusions................................................................................................................................................ 57 1.6 Références................................................................................................................................................. 58 2

Durabilité, approches prescriptive et performantielle..................................................... 59

2.1

Enjeux de la durabilité des bétons et des problématiques du développement durable................ 59

2.2

Classes d’exposition et approche prescriptive..................................................................................... 60

2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4

Risques à prendre en compte et pathologies associées...................................................................... 60 Corrosion des armatures passives et actives.......................................................................................... 60 Dégradations internes du béton sous l’effet du gel et du sel................................................................ 67 Dégradations internes du béton sous l’effet des réactions de gonflement interne................................... 71 Attaques chimiques................................................................................................................................... 75 443

GLBP_.indb 443

21/10/14 11:52

Le grand livre des bétons

2.4 Modélisation.............................................................................................................................................. 79 2.4.1

Modèles physico-chimiques explicatifs du chercheur............................................................................ 79

2.4.2

Modèles « ingénieurs »............................................................................................................................ 81

2.4.3

Modèles probabilistes............................................................................................................................... 82

2.4.4

Recours à la modélisation dans le cadre d’une approche performantielle de la durabilité............. 82

2.5

Outils de l’approche performantielle..................................................................................................... 83

2.5.1

Indicateurs de durabilité........................................................................................................................... 83

2.5.2

Essais de performance et de caractérisation.......................................................................................... 84

2.6

Contexte normatif et réglementaire de l’introduction de l’approche performantielle.................... 84

2.6.1

Normes NF EN 206/CN et NF EN 13369........................................................................................... 85

2.6.2

Fascicule 65 du CCTG.............................................................................................................................. 85

2.7

Différentes méthodologies d’application de l’approche performantielle......................................... 89

2.7.1

Application du concept de performance équivalente du béton........................................................... 89

2.7.2

Méthode de conception performantielle applicable à la formulation des bétons d’ouvrages d’art fondée sur la mesure des indicateurs de durabilité............................................................................... 94

2.8

Exemples d’application............................................................................................................................ 101

2.8.1

Application du concept de performance équivalente du béton........................................................... 101

2.8.2

Méthode de conception performantielle – Exemple du chantier de Volesvres................................... 104

2.9 Bibliographie............................................................................................................................................. 107 2.9.1

Règlements, normes et méthode d’essai................................................................................................. 107

2.9.2

Guides techniques et recommandations................................................................................................. 108

2.9.3

Autres références bibliographiques......................................................................................................... 109

2.10

Annexe au § 2.7.1.4............................................................................................................................... 111

2.10.1

Application de l’approche comparative : Positionnement du béton de référence............................. 111

2.10.2

Méthodologie d’application de l’approche probabiliste à l’approche performantielle – choix du béton de référence.................................................................................................................................... 112

3

Contexte normatif.............................................................................................................................. 115

3.1

Eurocodes : conception et dimensionnement........................................................................................ 115

3.2

Normes relatives au béton et à ses constituants................................................................................. 116

3.2.1

Produits préfabriqués en béton................................................................................................................ 117

3.2.2

Normes d’essais........................................................................................................................................ 117

3.3

Normes d’exécution................................................................................................................................. 118

3.3.1

Classes d’exécution................................................................................................................................... 119

3.3.2

Spécifications d’exécution........................................................................................................................ 120

3.3.3

DTU 21 et fascicule 65............................................................................................................................. 120

3.3.4

Autres textes applicables en France........................................................................................................ 120

444

GLBP_.indb 444

21/10/14 11:52

Table des matières

Partie 2 4

Constituants du béton................................................................................................................. 121 Ciments................................................................................................................................................... 123

4.1 Introduction............................................................................................................................................... 123 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3

Ciments courants...................................................................................................................................... 124 Éléments de fabrication............................................................................................................................ 124 Composition des ciments courants.......................................................................................................... 127 Propriétés des ciments courants............................................................................................................... 133

4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3

Ciments de spécialité............................................................................................................................... 141 Ciment d’aluminates de calcium (CAC).................................................................................................. 141 Ciment naturel prompt.............................................................................................................................. 144 Ciment sursulfaté (CSS)............................................................................................................................ 147

4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5 4.4.6

Normalisation et classification des ciments.......................................................................................... 148 Qu’est-ce qu’une norme ?........................................................................................................................ 148 Origine et historique de la normalisation............................................................................................... 148 Aperçu historique des différentes instances de normalisation.............................................................. 148 Normalisation européenne des ciments.................................................................................................. 149 Normalisation française des ciments...................................................................................................... 150 Présentation des principaux ciments distribués en France.................................................................... 152

4.5 Bibliographie............................................................................................................................................. 157 5

Granulats............................................................................................................................................... 159

5.1 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4

Granulats en France................................................................................................................................. 159 Grands types de granulats....................................................................................................................... 159 Production de granulats et structure de la profession........................................................................... 159 Consommation de granulats.................................................................................................................... 159 Granulats en Europe................................................................................................................................. 162

5.2 5.2.1 5.2.2

Caractéristiques des granulats............................................................................................................... 162 Caractéristiques intrinsèques.................................................................................................................... 162 Caractéristiques de fabrication................................................................................................................ 165

5.3 5.3.1 5.3.2

Spécifications des granulats.................................................................................................................... 167 Normes NF EN 12620, NF EN 13139, NF EN 13055-1................................................................... 167 Norme NF P 18-545................................................................................................................................ 169

5.4 5.4.1 5.4.2

Qualité et contrôle des granulats........................................................................................................... 172 Marquage CE............................................................................................................................................ 172 Marque NF-Granulats.............................................................................................................................. 173

5.5 Incidence des caractéristiques des granulats sur la formulation des bétons................................... 174 5.5.1 Absorption d’eau et eau efficace............................................................................................................ 174 5.5.2 Argiles et rhéologie................................................................................................................................... 174 5.5.3 Module de finesse..................................................................................................................................... 174 5.5.4 Alcali-réaction........................................................................................................................................... 174 445

GLBP_.indb 445

21/10/14 11:52

Le grand livre des bétons

5.5.5 5.5.6 5.5.7

Bétons d’alluvionnaires et bétons de roches massives........................................................................... 175 Introduction de granulats recyclés dans le béton................................................................................... 175 Utilisation de matériaux d’excavation dans les bétons......................................................................... 175

5.6

Inventaire du cycle de vie des granulats.............................................................................................. 176

6

Eau de gâchage.................................................................................................................................. 177

6.1

Rôle de l’eau dans le béton.................................................................................................................... 177

6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.2.6

Différentes origines de l’eau................................................................................................................... 177 Eau du réseau (eau potable).................................................................................................................... 177 Eau de la nappe ou de captage fluvial.................................................................................................. 177 Eau récupérée de la fabrication de bétons............................................................................................ 177 Eaux industrielles non potables............................................................................................................... 178 Eau de mer ou eaux saumâtres............................................................................................................... 178 Eaux usées................................................................................................................................................. 178

6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 6.3.6

Différents types d’eau.............................................................................................................................. 178 Eau des adjuvants et des additions en suspension................................................................................ 178 Eau d’humidité des granulats.................................................................................................................. 178 Eau absorbable......................................................................................................................................... 178 Eau d’apport.............................................................................................................................................. 178 Eau efficace............................................................................................................................................... 178 Eau totale................................................................................................................................................... 178

6.4 6.4.1 6.4.2 6.4.3

Conséquences d’un excès d’eau dans le béton................................................................................... 179 Diminution des résistances mécaniques.................................................................................................. 179 Augmentation de la consistance.............................................................................................................. 179 Augmentation de la porosité et des propriétés de transfert................................................................. 180

6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3

Critères d’évaluation de la norme NF EN 1008.................................................................................. 180 Critères sensoriels..................................................................................................................................... 180 Critères chimiques..................................................................................................................................... 181 Critères mécaniques.................................................................................................................................. 181

6.6 6.6.1 6.6.2 6.6.3

Gestion de l’eau en centrale BPE........................................................................................................... 181 Impacts limités........................................................................................................................................... 181 Gestion des eaux de procédé.................................................................................................................. 181 Gestion des eaux pluviales...................................................................................................................... 182

6.7 Références................................................................................................................................................. 184 7

Adjuvants............................................................................................................................................... 185

7.1 Introduction............................................................................................................................................... 185 7.2 7.2.1 7.2.2

Historique de la réglementation............................................................................................................. 185 De la méfiance à la nécessité.................................................................................................................. 185 Prémices de la normalisation française.................................................................................................. 186

446

GLBP_.indb 446

21/10/14 11:52

Table des matières

7.3 7.3.1 7.3.2

Réglementation Reach et implications................................................................................................... 186 Réglementation Reach.............................................................................................................................. 186 Implications de la réglementation Reach................................................................................................ 187

7.4 Principaux adjuvants............................................................................................................................... 187 7.4.1 Introduction................................................................................................................................................ 187 7.4.2 Définitions.................................................................................................................................................. 187 7.5 7.5.1 7.5.2 7.5.3

Méthode MBE de sélection des adjuvants............................................................................................. 197 Rappel des hypothèses de base de la méthode MBE............................................................................ 198 Utilisation de la méthode MBE pour sélectionner les adjuvants........................................................... 198 Limites de l’utilisation de la méthode MBE pour sélectionner les adjuvants........................................ 200

7.6 Conclusion................................................................................................................................................. 201 7.7 Bibliographie............................................................................................................................................. 202 8

Additions minérales.......................................................................................................................... 203

8.1

Modes d’utilisation des additions minérales........................................................................................ 203

8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3

Avantages des additions dans le béton................................................................................................ 204 Intérêt économique.................................................................................................................................... 204 Intérêt technologique................................................................................................................................. 204 Intérêt environnemental............................................................................................................................ 204

8.3 8.3.1 8.3.2 8.3.3

Modes d’actions des additions minérales............................................................................................. 205 Effet de dilution......................................................................................................................................... 205 Effets physiques......................................................................................................................................... 205 Effets chimiques......................................................................................................................................... 206

8.4 Fumée de silice......................................................................................................................................... 206 8.4.1 Fabrication................................................................................................................................................. 207 8.4.2 Propriétés physico-chimiques et microstructurales................................................................................. 207 8.4.3 Réactivité et produits d’hydratation......................................................................................................... 208 8.4.4 Effets sur les matériaux cimentaires : rhéologie, résistance et durabilité............................................ 208 8.5 Cendres volantes...................................................................................................................................... 209 8.5.1 Fabrication................................................................................................................................................. 209 8.5.2 Propriétés physico-chimiques et microstructurales................................................................................. 209 8.5.3 Réactivité et produits d’hydratation......................................................................................................... 210 8.5.4 Effets sur les matériaux cimentaires : rhéologie, résistance et durabilité............................................ 211 8.6 Laitier granulé de haut-fourneau moulu............................................................................................... 211 8.6.1 Fabrication................................................................................................................................................. 211 8.6.2 Propriétés physico-chimiques................................................................................................................... 212 8.6.3 Réactivité et produits d’hydratation......................................................................................................... 212 8.6.4 Effets sur les matériaux cimentaires : rhéologie, résistance et durabilité............................................ 213 8.7 Métakaolin................................................................................................................................................ 213 8.7.1 Fabrication................................................................................................................................................. 214 447

GLBP_.indb 447

21/10/14 11:52

Le grand livre des bétons

8.7.2 8.7.3 8.7.4

Propriétés physico-chimiques et microstructurales................................................................................. 214 Réactivité et produits d’hydratation......................................................................................................... 215 Effets sur les matériaux cimentaires : rhéologie, résistance et durabilité............................................ 216

8.8 Additions calcaires................................................................................................................................... 216 8.8.1 Fabrication................................................................................................................................................. 216 8.8.2 Propriétés physico-chimiques................................................................................................................... 216 8.8.3 Activité........................................................................................................................................................ 217 8.8.4 Effets sur les matériaux cimentaires : rhéologie, résistance et durabilité............................................ 217 8.9 Additions siliceuses.................................................................................................................................. 217 8.9.1 Fabrication................................................................................................................................................. 217 8.9.2 Propriétés physico-chimiques................................................................................................................... 218 8.9.3 Activité........................................................................................................................................................ 218 8.9.4 Effets sur les matériaux cimentaires : rhéologie, résistance et durabilité............................................ 218 8.10

Autres additions possibles et perspectives............................................................................................ 218

8.11 Références................................................................................................................................................. 222 Partie 3

Formulation des bétons............................................................................................................. 225

9

Propriétés des bétons...................................................................................................................... 227

9.1 9.1.1

Bétons à l’état frais.................................................................................................................................. 227 Rhéologie des bétons................................................................................................................................ 227

9.2 Bétons au jeune âge................................................................................................................................ 235 9.2.1 Retrait au jeune âge................................................................................................................................. 235 9.2.2 Sensibilité à la dessiccation..................................................................................................................... 236 9.2.3 Résistance mécanique au jeune âge....................................................................................................... 236 9.2.4 Exothermie................................................................................................................................................. 237 9.3 Propriétés à l’état durci........................................................................................................................... 239 9.3.1 Aspect de parement.................................................................................................................................. 239 9.3.2 Masse volumique....................................................................................................................................... 239 9.3.3 Perméabilité – cas d’un béton drainant.................................................................................................. 239 9.3.4 Tenue au feu.............................................................................................................................................. 240 9.3.5 Conductivité thermique............................................................................................................................. 240 9.3.6 Résistance en compression....................................................................................................................... 241 9.3.7 Résistance en traction............................................................................................................................... 241 9.3.8 Module d’élasticité.................................................................................................................................... 241 9.3.9 Retrait......................................................................................................................................................... 241 9.3.10 Fluage......................................................................................................................................................... 242 9.3.11 Étanchéité................................................................................................................................................... 243 9.3.12 Durabilité................................................................................................................................................... 243 9.4 Bibliographie............................................................................................................................................. 244 448

GLBP_.indb 448

21/10/14 11:52

Table des matières

10

Méthodes de formulation............................................................................................................... 245

10.1 Introduction............................................................................................................................................... 245 10.2 10.2.1 10.2.2

Principes généraux de formulation........................................................................................................ 245 Contextes contractuel, normatif et constructif......................................................................................... 245 Critères de formulations des bétons........................................................................................................ 247

10.3 10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.3.4 10.3.5

Le béton, un empilement optimisé de particules.................................................................................. 250 Concepts généraux de compacité........................................................................................................... 250 De la théorie à la pratique : méthodes empiriques d’optimisation granulaire................................... 252 Méthodes graphiques théoriques............................................................................................................ 254 Méthodes numériques............................................................................................................................... 255 Comparaison des différentes méthodes d’optimisation granulaire...................................................... 257

10.4 10.4.1 10.4.2 10.4.3 10.4.4 10.4.5

Méthodes classiques de formulation des bétons courants................................................................. 258 Méthode de Valette................................................................................................................................... 258 Méthode de Baron-Lesage....................................................................................................................... 258 Méthode de Dreux-Gorisse (Dreux et al., 1983)................................................................................... 258 Exemples d’application de la méthode de Dreux-Gorisse.................................................................... 264 Un autre regard : la méthodologie nord-américaine............................................................................ 266

10.5 Conclusion................................................................................................................................................. 269 10.6 Bibliographie............................................................................................................................................. 269 11

Gamme des bétons modernes..................................................................................................... 271

11.1 Bétons à hautes et très hautes performances – BHP et BTHP............................................................ 271 11.1.1 Principes de formulation........................................................................................................................... 271 11.1.2 Quelques points clés pour la mise en œuvre......................................................................................... 273 11.1.3 Microstructure............................................................................................................................................ 273 11.1.4 Propriétés mécaniques.............................................................................................................................. 274 11.1.5 Durabilité................................................................................................................................................... 275 11.1.6 Applications............................................................................................................................................... 277 11.1.7 Conclusions et perspectives...................................................................................................................... 281 11.2 11.2.1 11.2.2 11.2.3 11.2.4 11.2.5

Bétons autoplaçants................................................................................................................................. 281 Points forts du BAP.................................................................................................................................... 281 Formulation et caractérisation des BAP.................................................................................................. 282 Différentes catégories de BAP.................................................................................................................. 284 Précautions particulières à la fabrication, à la réception et lors de la mise en œuvre..................... 285 Propriétés du béton durci......................................................................................................................... 287

11.3 Bétons de fibres........................................................................................................................................ 288 11.3.1 Mode d’action des fibres.......................................................................................................................... 288 11.3.2 Types de fibres........................................................................................................................................... 288 11.3.3 Formulation................................................................................................................................................ 289 11.3.4 Comportement mécanique....................................................................................................................... 289 11.3.5 Applications des bétons de fibres........................................................................................................... 290 449

GLBP_.indb 449

21/10/14 11:52

Le grand livre des bétons

11.4 Bétons fibrés à ultra-hautes performances........................................................................................... 294 11.4.1 Historique et définition.............................................................................................................................. 294 11.4.2 Composition d’un BFUP – principes de formulation.............................................................................. 294 11.4.3 Performances mécaniques des BFUP....................................................................................................... 296 11.4.4 Durabilité et développement durable...................................................................................................... 296 11.4.5 Exemples d’applications........................................................................................................................... 297 11.4.6 Conclusions................................................................................................................................................ 302 11.5 11.5.1 11.5.2 11.5.3

Tendances récentes, vers des bétons sur mesure................................................................................. 302 Bétons isolants structurels (BIS)................................................................................................................ 302 Bétons à durcissement rapide et résistance garantie............................................................................ 306 Bétons drainants à haute efficacité......................................................................................................... 307

11.6 Références................................................................................................................................................. 308 Partie 4

Fabrication, transport, mise en œuvre et contrôle................................................. 313

12

Fabrication et transport.................................................................................................................. 315

12.1 12.1.1 12.1.2 12.1.3

Types de centrales à béton..................................................................................................................... 315 Centrales BPE, d’usine et de chantier..................................................................................................... 315 Différences d’architecture des centrales.................................................................................................. 315 Rendement des centrales.......................................................................................................................... 316

12.2 12.2.1 12.2.2

Performances des centrales à béton...................................................................................................... 316 Contexte réglementaire de la production............................................................................................... 316 Impacts de la fabrication sur la qualité du béton.................................................................................. 317

12.3 Malaxage.................................................................................................................................................. 319 12.3.1 Types de malaxeurs.................................................................................................................................. 319 12.3.2 Principes de malaxage............................................................................................................................. 322 12.3.3 Méthode de malaxage............................................................................................................................. 324 12.3.4 Temps de malaxage.................................................................................................................................. 326 12.3.5 Mécanismes de malaxage........................................................................................................................ 326 12.4 Pilotage/acquisition................................................................................................................................. 327 12.4.1 Mesures sur constituants........................................................................................................................... 327 12.4.2 Mesures dans le malaxeur....................................................................................................................... 329 12.5

Transport de la centrale au site de l’ouvrage...................................................................................... 331

12.6 Références................................................................................................................................................. 333 13

Mise en œuvre.................................................................................................................................... 337

13.1 Coffrages................................................................................................................................................... 337 13.1.1 Généralités................................................................................................................................................. 337 13.1.2 Technologie des coffrages........................................................................................................................ 337 13.1.3 Stabilité des coffrages verticaux.............................................................................................................. 342 13.1.4 Stabilité des coffrages horizontaux......................................................................................................... 343 13.1.5 Choix du type de coffrage....................................................................................................................... 344 450

GLBP_.indb 450

21/10/14 11:52

Table des matières

13.2 Mise en œuvre par projection................................................................................................................ 344 13.2.1 Généralités................................................................................................................................................. 345 13.2.2 Projection par voie sèche......................................................................................................................... 345 13.2.3 Projection par voie mouillée.................................................................................................................... 346 13.2.4 Choix des techniques................................................................................................................................ 346 13.2.5 Maîtrise de la projection.......................................................................................................................... 347 13.2.6 Qualité de la finition................................................................................................................................. 347 13.3 Mise en œuvre par pompage................................................................................................................. 347 13.3.1 Généralités................................................................................................................................................. 347 13.3.2 Prévention des bouchons.......................................................................................................................... 348 13.3.3 Aspects technologiques du pompage..................................................................................................... 349 13.3.4 Aspects liés à la sécurité.......................................................................................................................... 349 13.4 13.4.1 13.4.2

Mise en place des armatures.................................................................................................................. 350 Enrobage des armatures.......................................................................................................................... 353 Spécificités lors d’une mise en œuvre par projection........................................................................... 354

13.5 13.5.1 13.5.2 13.5.3 13.5.4

Opérations préliminaires au bétonnage............................................................................................... 355 Épreuve d’étude......................................................................................................................................... 355 Épreuve de convenance............................................................................................................................ 356 Livraison et contrôle à réception du béton............................................................................................. 356 Critères de conformité.............................................................................................................................. 359

13.6

Mise en œuvre et serrage du béton...................................................................................................... 360

13.7

Reprises de bétonnage............................................................................................................................ 364

13.8 13.8.1 13.8.2

Effet des conditions ambiantes............................................................................................................... 365 Cure du béton........................................................................................................................................... 365 Conditions climatiques.............................................................................................................................. 370

13.9 Maîtrise de la qualité des ouvrages finis.............................................................................................. 371 13.9.1 Tolérances géométriques.......................................................................................................................... 372 13.9.2 Qualité des parements.............................................................................................................................. 373 13.9.3 Hydrofuges de surface.............................................................................................................................. 378 13.9.4 Fissuration.................................................................................................................................................. 378 13.10 Bibliographie............................................................................................................................................. 379 14

Contrôle des bétons.......................................................................................................................... 381

14.1 14.1.1 14.1.2 14.1.3 14.1.4

Contrôles de conformité et de production............................................................................................. 381 Contrôles de conformité........................................................................................................................... 381 Contrôles de production........................................................................................................................... 383 Organisation qualité de la production................................................................................................... 383 Apports de la marque de qualité (NF BPE)............................................................................................ 383

14.2 14.2.1 14.2.2

Épreuves d’études et de convenances dans le cas des ouvrages d’art............................................ 385 Épreuve d’études....................................................................................................................................... 385 Épreuve de convenance............................................................................................................................ 385 451

GLBP_.indb 451

21/10/14 11:52

Le grand livre des bétons

14.3 14.3.1 14.3.2

Contrôles de réception............................................................................................................................. 385 Organisation qualité de l’exécution........................................................................................................ 385 Apports du référentiel technique (DTU 21, fascicule 65, IN00034)................................................... 386

14.4 14.4.1 14.4.2 14.4.3 14.4.4 14.4.5 14.4.6

Contrôle des produits préfabriqués....................................................................................................... 386 Normes produits........................................................................................................................................ 386 Plans de contrôles et essais sur produits finis......................................................................................... 387 Contrôle de production en usine............................................................................................................. 387 Marquage CE dans l’industrie du béton................................................................................................. 387 Apports de la certification de produits dans l’industrie du béton........................................................ 388 Avantages pour le maître d’ouvrage, l’architecte, l’entrepreneur, le négociant................................. 388

14.5 Références................................................................................................................................................. 388 Partie 5

Comportement mécanique....................................................................................................... 389

15

Microstructure et déformations du béton au jeune âge................................................. 391

15.1 15.1.1 15.1.2

Structuration du béton au jeune âge..................................................................................................... 391 Consolidation d’un béton à l’état frais................................................................................................... 391 Hydratation du ciment, prise et durcissement.................................................................................................... 392

15.2 15.2.1 15.2.2 15.2.3

Risque de fissuration au jeune âge....................................................................................................... 396 Retrait plastique......................................................................................................................................... 396 Retrait thermique....................................................................................................................................... 398 Retrait endogène ou d’autodessiccation................................................................................................. 399

15.3

Jeune âge et durabilité............................................................................................................................ 401

15.4 Conclusion................................................................................................................................................. 402 15.5 Références................................................................................................................................................. 402 16

Comportement mécanique du béton........................................................................................ 405

16.1 16.1.1 16.1.2 16.1.3

Compression simple................................................................................................................................. 405 Essai de compression................................................................................................................................ 405 Comportement en compression............................................................................................................... 407 Lien avec le règlement.............................................................................................................................. 407

16.2 16.2.1 16.2.2

Traction simple.......................................................................................................................................... 410 Différents essais, liens entre eux.............................................................................................................. 410 Comportement en traction........................................................................................................................ 411

16.3 16.3.1 16.3.2 16.3.2.1 16.3.2.2

Comportement sous sollicitations multiaxiales..................................................................................... 411 Comportement biaxial.............................................................................................................................. 411 Comportement triaxial.............................................................................................................................. 413 Chargement hydrostatique ...................................................................................................................... 413 Triaxial de révolution................................................................................................................................ 413

16.4

Comportement en fatigue....................................................................................................................... 414

452

GLBP_.indb 452

21/10/14 11:52

Table des matières

16.5

Comportement sous sollicitation dynamique........................................................................................ 414

16.6 Références................................................................................................................................................. 415 17

Déformations différées du béton............................................................................................... 417

17.1 17.1.1 17.1.2 17.1.3 17.1.4

Retrait de dessiccation du béton............................................................................................................ 417 Séchage naturel......................................................................................................................................... 417 Retrait de dessiccation, conséquence du séchage................................................................................. 418 Conséquences mécaniques du retrait de dessiccation.......................................................................... 419 Retrait de dessiccation réglementaire..................................................................................................... 421

17.2 Fluage........................................................................................................................................................ 422 17.2.1 Constatations expérimentales................................................................................................................... 422 17.2.2 Phénomènes physiques............................................................................................................................. 422 17.2.3 Fluage et formulation du béton............................................................................................................... 424 17.2.4 Prévision du fluage dans les structures................................................................................................... 426 17.2.5 Prévision du fluage dans l’Eurocode 2................................................................................................... 427 17.2.6 Retour de fluage (recouvrance)................................................................................................................ 427 17.2.7 Exemples de déformations différées sur structures................................................................................ 428 17.3 Références................................................................................................................................................. 429 18

Maîtrise de la fissuration en béton armé.............................................................................. 431

18.1 18.1.1 18.1.2

Cas simple : le tirant en béton armé..................................................................................................... 431 Modélisation simplifiée............................................................................................................................. 431 Approche réglementaire........................................................................................................................... 433

18.2 Effets du retrait......................................................................................................................................... 435 18.2.1 Dalles et radiers........................................................................................................................................ 435 18.2.2 Réservoirs................................................................................................................................................... 436 18.3 Références................................................................................................................................................. 436 Index.......................................................................................................................................................... 437

453

GLBP_.indb 453

21/10/14 11:52

Sommaire Partie 1. Enjeux du béton 1. Bétons et développement durable 2. Durabilité, approches prescriptive et performantielle 3. Contexte normatif

Partie 2. Constituants du béton

agglomérés par une matrice cimentaire. Ses caractéristiques de mise en œuvre ou finales peuvent être améliorées et optimisées en utilisant des adjuvants, des additions ou des additifs. Les nombreux bétons disponibles, qu’ils soient fabriqués sur chantier, en centrale BPE (béton prêt à l’emploi) ou en usine de préfabrication, répondent à des cahiers des charges précis et peuvent être inclus dans des gammes spécifiques telles que les bétons hautes performances (BHP), les bétons autoplaçants (BAP), les bétons fibrés à ultra-hautes performances (BFUP), etc.

Le Grand Livre des bétons traite de tous les bétons en détaillant les caractéristiques de leurs constituants, afin d’optimiser leur impact environnemental, leur durabilité, leur formulation, leur fabrication, leur transport et leur mise en œuvre sur le chantier, ainsi que leur contrôle in situ ou en laboratoire.

4. Ciments 5. Granulats 6. Eau de gâchage 7. Adjuvants 8. Additions minérales

Partie 3. Formulation des bétons 9. Propriétés des bétons 10. Méthodes de formulation 11. Gamme des bétons modernes

Partie 4. Fabrication, transport, mise en œuvre et contrôle 12. Fabrication et transport 13. Mise en œuvre 14. Contrôle des bétons

Partie 5. Comportement mécanique 15. Microstructure et déformations du béton au jeune âge 16. Comportement mécanique du béton 17. Déformations différées du béton 18. Maîtrise de la fissuration en béton armé

Il rappelle les spécifications auxquelles ils doivent répondre en tenant compte des exigences environnementales, des contraintes appliquées et des moyens de mise en œuvre.

Il étudie les bétons spéciaux et les nouveaux bétons (bétons à hautes performances, bétons de fibres, etc.).

Cet ouvrage de référence, comportant de nombreuses illustrations, permet d’avoir une vue d’ensemble de tous les paramètres régissant la qualité et la durabilité du béton, qui a permis, ces dernières années, les réalisations architecturales les plus audacieuses et spectaculaires. Rédigé par les meilleurs spécialistes à la pointe de la recherche et de l’application de ces matériaux, il s’adresse aux fabricants de béton, maîtres d’ouvrage, chefs de projet, services techniques, maîtres d’œuvre, ingénieurs, architectes, ainsi qu’aux étudiants.

R É F É R E N C E T E C H N I Q U E

ISSN 1257-9823 ISBN 978-2-281-11689-2

Sous la direction de Laetitia D’AloiaSchwartzentruber et Jean-Michel Torrenti, une trentaine de spécialistes ont participé à la rédaction de l’ouvrage, provenant de l’industrie (Sika, Cemex, Atilh/EFB, Synad, Cerib, Rector Lesage, Vinci, Eiffage, Bouygues, SNBPE, MAPEI), d’organismes institutionnels (Cerema, CNRS, Ifsttar, CETU) et de laboratoires universitaires (universités de Toulouse, de La Rochelle, École Centrale Nantes, École nationale des ponts et chaussées).

Sous la direction de Laetitia D’Aloia-Schwartzentruber et Jean-Michel Torrenti

Le béton est un matériau de construction fabriqué à partir de granulats

Le grand livre des bétons

Le grand livre des bétons

Laetitia D’Aloia-Schwartzentruber, ingénieur divisionnaire des travaux publics de l’État, chargé d’études et de recherches au sein du pôle matériaux structures et vie de l’ouvrage (MSVO) et chargé de mission développement durable au Centre d’études des tunnels (CETU).

Jean-Michel Torrenti, ingénieur des ponts, des eaux et des forêts, responsable recherche et développement du département matériaux et structures de l’Institut français des sciences et technologies des transports, de l’aménagement et des réseaux (Ifsttar).

Le grand livre des bétons es ncé a v s-A e u atif atiq r m p r o t en r es e c d n a et c issa a n n o ati Con ent m le Rég

iro env

nne

nt me

ales

Sous la direction de Laetitia D’Aloia-Schwartzentruber et Jean-Michel Torrenti

R É F É R E N C E T E C H N I Q U E R É F É R E N C E T E C H N I Q U E

+ de 200 schémas