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3 T 10 mars 1998

LES MATÉRIAUX DE CONSTRUCTION

Recherche documentaire

Constitution et propriétés des matériaux de construction:

la chaux, le plâtre, le ciment et le béton (armé et précontraint).

Lors de la recherche documentaire, les mots suivants seront à consulter avec attention:

calcaire, silice, gypse, argile, granulats, mortier, hydraté, anhydre ...
I- La chaux

La chaux vive CaO est fabriquée industriellement en chauffant du calcaire ou du carbonate de calcium dans des fours à chaux à une température de 900 °C.

Différents types de chaux


II- Le plâtre

Le plâtre est obtenu par chauffage du gypse. Le gypse est un sulfate de calcium hydraté de formule CaSO4,2H2O.
Le plâtre de construction est un mélange de deux variétés de plâtre, le plâtre hydraté et le plâtre anhydre. Il faut mélanger un ou deux volumes de plâtre pour un volume d’eau selon la nature des travaux (scellement ou enduit).
III- Le ciment

Le ciment est un mélange de calcaire et d’argile concassé, broyé et sécher avant cuisson à 1450°C.

Le granulé obtenu (clinker) est rapidement refroidi avant un le broyage final.
Le ciment est un liant hydraulique: il durcit en présence d’eau.
Il existe différents types de ciment obtenu par l’ajout d’adjuvants favorisant certaines propriétés.
IV- Le béton

Le béton est un mélange de ciment, d’eau, de sable et de granulats. C’est le matériaux le plus utilisé au monde pour le bâtiment et les travaux publics.
La pâte ciment-eau est l’élément actif du béton: elle enrobe les granulats et remplit les vides entre les grains.
Les proportions de dosage varient selon l’utilisation.

- pour une dalle: 1 volume de ciment pour 1 volume de sable et 2 volumes de granulats.

- pour les fondations: 1 volume de ciment pour 2 volumes de sable et 2 volumes de granulats.
Le béton armé de tige d’acier est utilisé depuis 1852 à Paris alors que depuis 1930, on construit des ouvrages avec la technique du béton précontraint.

Le béton

Composition

Le dosage des différents constituants du béton dépend du type de matériau recherché, déterminé par ses utilisations. En effet, ses propriétés physiques et mécaniques dépendent de sa composition et de facteurs extérieurs, tels que la température.

Ciment

La teneur en ciment dépend de la résistance souhaitée. Pour les bétons de remplissage, peu sollicités, le dosage est de 150kg/m3. Pour toutes les pièces constituant la structure des bâtiments, en béton armé ou précontraints, le béton contient généralement 350kg/m3 de ciment. Pour les mortiers, mélanges de sable, de ciment et d’eau, la teneur atteint en moyenne 450kg/m3. Enfin, les coulis, utilisés en injection dans des forages, ne comprennent que du ciment et de l’eau. Ils servent à boucher les microfailles et les fractures d’un terrain, par exemple autour d’un barrage avant son édification.

Granulats

Les granulats utilisés sont des graviers issus de carrières, blocs de roche concassés et broyés, ou des granulats roulés, extraits du lit des rivières. La taille des granulats varie en fonction de celle du coffrage, de la densité d’acier pour les éléments en béton armé, et du type de béton recherché. La taille des granulats est indiquée par deux chiffres, la plus grande dimension des éléments les plus petits et celle des éléments les plus grands. Par exemple, un gravier5/15 est composé de particules dont le diamètre varie entre 5 et 15mm. Pour les bétons employés en bâtiment, les granulats les plus courants sont des graviers5/15 et 15/25. Pour des travaux de génie civil, où les pièces sont plus massives, les graviers sont plus gros, jusqu’à 150mm de diamètre dans le cas des barrages. Il s’agit alors de béton cyclopéen.

Sable

Les grains de sable, de même origine que les granulats, ont un diamètre inférieur à 2mm. Cette roche sédimentaire doit être propre et sans poussières argileuses. Il existe un béton, le mortier de ciment, contenant uniquement du sable, du ciment et de l’eau. Il sert principalement en maçonnerie pour lier les briques ou les parpaings, et pour dresser les enduits sur les murs.

Eau

L’eau doit être propre; c’est généralement de l’eau potable. Si elle contient des chlorures, une réaction chimique a lieu et modifie la prise du ciment. Le béton perd alors ses qualités de résistance. La consistance du béton, et donc sa facilité de mise en œuvre dans les coffrages, dépend de la quantité d’eau. Plus un béton est liquide, plus il est facile à travailler. Mais un tel matériau présente une plus faible résistance une fois sec. Il est donc nécessaire de définir la teneur en eau selon l’usage du béton, et d’obtenir le juste équilibre pour que le matériau soit résistant et néanmoins maniable. En général, le béton mis en œuvre est plutôt sec, mais il est vibré au coulage pour lui permettre de remplir correctement le coffrage, et pour expulser l’air emprisonné lors du malaxage.

Adjuvants

Lors du malaxage, on ajoute parfois des adjuvants au béton qui permettent de modifier les propriétés du matériau. Il est ainsi possible de rendre des bétons étanches, pour construire des ouvrages souterrains ou des piscines; on peut retarder ou accélérer le temps de prise du ciment dans le béton. Des adjuvants sont également utilisés à des fins architecturales. Par exemple, au cours du malaxage, on peut ajouter des pigments aux bétons ou aux mortiers. Des durcisseurs de surfaces, des particules de quartz sont incorporés pour obtenir des dalles en béton supportant des charges roulantes importantes, en usine par exemple. Le béton peut être rendu poreux et fortement perméable, pour des applications en lit filtrant, ou sous les chaussées de route, pour empêcher l’eau de pluie de stagner sur les voies de circulation. Pour obtenir des massifs de béton lourd, utilisés comme lest, on peut incorporer des particules d’acier. Le béton obtenu peut avoir une densité allant jusqu’à 4t/m3, alors que la masse volumique d’un béton courant non armé est de 2,4t/m3, selon la nature des composants. Le béton comprenant des particules de plomb contribue à stopper les rayonnements; on l’emploie en milieu nucléaire. Le béton lourd possède également de très bonnes propriétés d’isolation phonique.

Préparation

Malaxage

On mélange les composants à la main, à la pelle, ou au moyen d’engins mécaniques, tels qu’une bétonnière. Pour des grands travaux, le béton est fabriqué dans une centrale qui mélange automatiquement les constituants selon une composition programmée à l’avance. La production peut atteindre plus de 300m3/h. L’objectif est de mélanger suffisamment les composants pour obtenir une pâte homogène, au sein de laquelle les éléments les plus fins, sable et ciment, comblent les vides laissés par l’agglomération des granulats; on doit également envelopper complètement les graviers pour obtenir, une fois sec, un matériau reconstitutif d’une roche.

Coulage

Le béton peut être transporté jusqu’au chantier par des toupies, bétonnières montées sur camion. Une pompe à béton achemine le matériau en hauteur ou sur des sites difficilement accessibles aux camions. Sur les gros chantiers, le pompage du béton permet des cadences beaucoup plus importantes que si l’on emploie des bennes amenées par grue sur le lieu du coulage. Le béton peut également être projeté au moyen de compresseurs pneumatiques. Ce matériau, qui ne nécessite pas de coffrage, est utilisé lors de la construction de piscines, ou pour conforter des talus de terre instables risquant de s’écrouler.

Vibration

Une fois coulé dans un coffrage, le béton est vibré à l’aide d’aiguilles ou par des vibreurs électriques montés directement sur le coffrage. L’air expulsé durant cette phase provient des cavités entre les graviers, qui se remplissent de la pâte fine de ciment et de sable. La vibration permet un mélange efficace et améliore le durcissement.

Durcissement

La température ambiante a une grande influence sur le durcissement, ou prise, du béton. Par temps de gel, il peut être nécessaire de chauffer l’eau, parfois même les agrégats, avant de malaxer et de couvrir le matériau pour retenir la chaleur dégagée par les réactions exothermiques lors de la prise du ciment. Par temps très chaud, au contraire, on doit arroser le béton et le garder à l’ombre, afin que l’eau nécessaire à la prise ne s’évapore pas et provoque un retrait, c’est-à-dire une diminution de volume de la pièce. Ce phénomène engendre des fissures dans le béton. Plus le béton est maintenu humide sur une longue période, plus sa résistance sera importante. La prise a lieu en quelques heures.

Décoffrage

Pour les pièces préfabriquées et les éléments non porteurs, il est possible de décoffrer quelques heures seulement après le coulage. En général, par temps doux, on coule le béton le soir pour le décoffrer le lendemain matin. Les éléments porteurs, comme les poutres ou les planchers, doivent rester plusieurs jours dans leur coffrage: le béton doit durcir suffisamment pour supporter leur propre poids, ainsi que les charges qui y seront appliquées.

1m3 de béton ordinaire contient 350kg de ciment, 420l, ou 590kg, de sable0/5, 820l, ou 1180kg, de gravier5/15 et 15/25, et de 210l d’eau, y compris celle contenue dans les granulats s’ils sont humides.

Béton armé et précontraint

Le béton présente une excellente résistance à la compression, environ 450 DaN/cm2, mais dix fois moindre en traction ou en cisaillement. Dans une pièce en béton supportant une charge, une poutre par exemple, la partie haute travaille en compression et la partie basse exerce des efforts de traction. Des études sur la résistance des matériaux permettent de déterminer dans chaque cas les parties d’une pièce en béton travaillant en compression ou en traction. Pour reprendre les efforts de traction du béton, des barres d’acier sont noyées dans le béton. L’acier, qui possède une résistance égale en traction et en compression, est placé aux endroits où le béton est le plus fragile.

Jadis, les aciers employés étaient des barres rondes de surface lisse, mais ce type d’acier n’offre pas une adhérence suffisante sur le béton. En cas d’effort important, il glisse dans le matériau et les contraintes ne se transmettent plus correctement. Aujourd’hui, ces aciers lisses sont surtout utilisés pour des attentes d’armatures, c’est-à-dire des aciers qui font la liaison entre deux éléments d’une même pièce, mais coulée en deux fois. Par exemple, un mur très long ne peut pas se couler en une seule fois. Des aciers lisses sont coulés dans la première partie, puis ressortis partiellement pour être noyés également dans la deuxième partie à couler. Ainsi, on évite les fissures qui apparaissent à la liaison des deux pièces en béton.

En structure, les barres d’acier mises en œuvre le plus souvent sont torsadées. Elles sont dites à haute adhérence, car leur surface rugueuse permet un lien intime avec le béton, et les contraintes peuvent se transmettre entre les deux composants. Les armatures du béton permettent une grande économie de béton mais nécessitent des précautions particulières de mise en œuvre. Il est ainsi indispensable que l’acier soit correctement enrobé de béton et ne soit pas au contact avec le milieu extérieur. Si l’acier vient à rouiller, au contact de l’air humide ou de l’eau, sa section utile (la section d’acier non rouillé) diminue et la résistance de la structure est réduite. Au contraire, la rouille, en gonflant, peut faire éclater le béton et conduire à la ruine de la pièce.

L’idée d’associer le fer et le béton a trouvé sa première application en 1848, lorsque Lambot construit une barque en béton armé à Marseille. Puis, à partir de 1852, les premiers immeubles en béton armé sont construits à Paris. Monnier élabore des bacs à fleurs à Versailles, puis fabrique des escaliers, des réservoirs et des poteaux. Coignet produit des poutres préfabriquées. En 1930, un ingénieur français, Freyssinet, met au point la précontrainte des armatures.

La précontrainte permet d’augmenter encore la résistance des pièces en béton, et d’allonger la portée des éléments porteurs. Deux principes de précontrainte cohabitent. La précontrainte par armature adhérente, pour laquelle les barres d’acier sont mises en tension dans le coffrage avant de couler. Lorsque le béton est suffisamment sec, les efforts sur les barres sont relâchés. Une grande tension intérieure règne dans la pièce. La deuxième méthode, appelée précontrainte par post-tension, consiste à passer les barres d’acier dans des gaines qui traversent la pièce en béton, et à les mettre en tension après le séchage du béton, au moyen d’ancrages posés à leurs extrémités. Cette méthode est réservée aux pièces fabriquées sur le chantier. La précontrainte par armature adhérente nécessite un matériel lourd et sert principalement aux éléments préfabriqués en usine, comme les poutrelles de plancher par exemple.

Dans tous les cas, l’effet de la précontrainte agit un peu comme la pression exercée par les mains aux extrémités d’une rangée de livres que l’on soulève ensemble. Bien que les livres du centre ne soient pas supportés directement, l’ensemble de la rangée reste solidaire.

La précontrainte, dont la technique reste délicate et coûteuse, est utilisée principalement pour des pièces préfabriquées et sur chantier pour des travaux importants, comme les tabliers de pont, ou les planchers de très grande portée.1

Ciment, matériau se présentant sous forme de poudre très fine, qui durcit au contact de l’eau et est ainsi utilisé comme liant. Le ciment est également appelé liant hydraulique. Cette capacité de prise est recherchée en construction, par exemple pour préparer les bétons.

Historique

Pendant la préhistoire et au début de l’Antiquité, on utilisait l’argile comme liant pour maçonner les pierres. Lors de la construction des pyramides, les Égyptiens utilisèrent un plâtre obtenu par cuisson d’un gypse. Plus tard, les Grecs, puis les Romains, se servirent de la chaux produite par la cuisson du calcaire, dans leurs constructions. À partir du Iersiècle av.J.-C., ils améliorèrent le liant en y ajoutant des pouzzolanes, particules très fines d’origine naturelle, comme les cendres volcaniques, ou artificielles, comme la poussière de briques broyées. Ils obtinrent ainsi le ciment romain. Ce liant fut utilisé sans grandes modifications jusqu’en 1756, date à laquelle l’Anglais Smeaton, lors de la construction du phare d’Eddystone, mélangea des chaux hydrauliques et des pouzzolanes. Il obtint ainsi le premier liant artificiel, avec lequel il prépara un mortier aussi dur que la pierre de Portland.

En 1817, l’ingénieur français Louis Vicat, suivi, au début des années 1820, par Treussart, ainsi que par Pavin de Lafarge, découvrit et définit les formules des ciments actuels, préparés alors dans des fours verticaux. Les fours rotatifs firent leur apparition vers 1880 et sont toujours utilisés. À l’heure actuelle, les cimentiers, qui sont généralement équipés de laboratoires de recherche, cherchent à mettre au point des ciments de plus en plus performants. Le dernier-né a été inventé en 1908: il s’agit du ciment alumineux.

Ciments artificiels Portland

Préparation

Les ciments artificiels Portland sont actuellement les ciments les plus utilisés dans le monde. Ils sont produits à partir de matériaux calcaires et argileux, et de laitier de hauts-fourneaux, résidu de la fabrication de l’acier et de la fonte. Ces matières premières sont mélangées et broyées, puis cuites dans un four rotatif, long tube de 150m et de 3,50m de diamètre, légèrement incliné par rapport à l’horizontale. Le mélange broyé est introduit dans la partie supérieure et est chauffé lors de sa descente dans le four par gravité. Cette opération dure environ six heures.

La température des matériaux atteint environ 1450°C dans la partie inférieure, équipée de brûleurs à mazout ou à gaz. Le mélange entre alors en fusion et forme un granulé appelé clinker, qui est la base constitutive du ciment. Le clinker, terme anglais signifiant «scorie», se forme à la suite d’une réaction chimique: l’argile, qui est un silicate d’alumine, se désagrège sous l’effet de la chaleur et s’associe avec la chaux contenue dans le calcaire pour former des silicates et des aluminates de chaux, qui constituent le clinker. À la sortie du four, le clinker est rapidement refroidi puis broyé très finement dans des tambours rotatifs contenant des boulets. Le produit est ensuite mélangé avec les adjuvants éventuels, puis soufflé jusqu’aux silos de stockage ou jusqu’au poste d’ensachage. Le ciment est généralement conditionné en sacs de 50kg.

Durcissement

La qualité du ciment est constamment contrôlée en laboratoire. Des essais de résistance sont effectués sur des éprouvettes en mortier fabriquées avec le ciment. On immerge ces éprouvettes dans l’eau durant 28jours, puis on mesure leur résistance à la compression et à la traction.

Les composés actifs du ciment sont des silicates tricalciques (3CaO,SiO2), dicalciques (2CaO,SiO2), et des aluminates tricalciques (3CaO,Al2O3). Instables, ces éléments changent de structure en présence d’eau. Le durcissement initial, la prise, est dû à l’hydratation du silicate tricalcique, qui produit un gel de silice hydratée et d’hydroxyde de calcium. Ces substances cristallisent en un enchevêtrement de paillettes qui emprisonnent les particules de sable et de gravier présentes dans le béton ou le mortier. Cette réaction est exothermique: elle libère de la chaleur. Les autres éléments du ciment s’hydratent de façon semblable, mais cristallisent beaucoup plus lentement et contribuent au durcissement lent et progressif de la pâte pendant des années.

La température ambiante joue un rôle important dans la prise du ciment. Par temps de gel, la chaleur dégagée lors du début de prise du ciment peut ne pas suffire pour empêcher l’eau incorporée dans le béton ou le mortier de geler. On parle alors de fausse prise. Le béton donne l’apparence d’une prise correcte, car la surface est dure. Mais l’hydratation des éléments du ciment n’a pas eu lieu, et le béton ne possède alors aucune résistance.

Ciments spéciaux

Il existe d’autres importantes variétés de ciments aux caractéristiques spécifiques, en dehors des ciments Portland. On obtient ces ciments spéciaux en modifiant la proportion des matières premières, ou en ajoutant d’autres matériaux. Ainsi, on emploie des ciments réfractaires pour lier des pièces soumises à des températures élevées, comme les briques réfractaires de cheminées. Le ciment hydraulique, parfois mélangé à de la fumée de silice, est utilisé en travaux maritimes, car il permet une bonne prise sous l’eau, même saturée de sel. Certains ciments résistent bien aux agressions chimiques acides et ont des applications en milieu industriel. Le ciment prompt fait prise très rapidement, en quelques minutes. Il a été utilisé à la fin du XIXesiècle en construction de bâtiment, mais sert aujourd’hui principalement pour des scellements ou des réparations.

Classification des ciments

En France, les principaux ciments sont classés par l’organisme de normalisation AFNOR, en fonction de leur composition et de leur résistance. On distingue principalement: les ciments CPA, ciments Portland purs; les ciments CPJ, ciments Portland composés, qui contiennent au moins 65p.100 de clinker. Ce sont les plus utilisés; les ciments CHF, ciments de haut-fourneaux, qui contiennent entre 60 et 75p.100 de laitier de hauts-fourneaux; les ciments CLK, ciments de laitier au clinker, qui contiennent 80p.100 de laitier de hauts-fourneaux; les ciments CLX, ciments de laitier à la chaux; les ciments prompts.

Les ciments sont également classés en fonction de leur résistance à la compression, calculée lors de la destruction, sous presses, d’éprouvettes de mortier de ciment âgées de 28jours. Il existe quatre classes majeures: 35, 45, 55, ainsi qu’une classe HP, pour les ciments à hautes performances. Le ciment de classe 35 est utilisé en maçonnerie légère, ou pour des bétons ne supportant pas de trop fortes contraintes. Le ciment de classe 45 est le plus utilisé dans les constructions en béton armé, pour réaliser des structures de bâtiment. Les ciments de classe55 et HP servent principalement pour les gros travaux de génie civil, pour des pièces en béton devant supporter de très fortes contraintes.

Les recherches actuelles, menées par les cimentiers et les entreprises de travaux, permettent la mise au point de ciments dits à très haute performance, utilisés lorsque des résistances très importantes sont requises quelques heures seulement après le coulage du béton. Ces ciments à hautes et très hautes performances sont par exemple utilisés lors de la reprise en sous-œuvre, pour modifier les fondations d’un ouvrage existant.


1"Béton", Encyclopédie® Microsoft® Encarta 98. © 1993-1997 Microsoft Corporation.



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