LE PROBLEME: METTRE AU POINT UN BETON DE QUALITE

Cette étude porte sur les bétons courants. Il s'agit des bétons hydrauliques exclusivement réalisés avec les matériaux de bases: le gravier, le sable, le ciment et l’eau et dont la résistance à 28 jours est comprise entre 20 et 40Mpa.
Cela exclus donc les bétons à haute performance utilisés dans quelques ouvrages et les bétons bitumineux utilisés pour le revêtement des routes.

D'une très façon générales, la réalisation d'un ouvrage recoure à l'utilisation de nombreux matériaux. Ces matériaux sont façonnés, travaillés pour aboutir à l'ouvrage. La plus part de ces matériaux s'achètent directement dans le commerce avec leurs caractéristiques propres.
Le béton est un cas particulier dans le sens où c'est un matériau que l'entreprise peut être amenée à élaborer ou concevoir selon les performances qu'elle en attend.

Cette étude de laboratoire vise à cette conception, à la mise au point des bétons courants et au contrôle de leur qualité.

Cette élaboration nécessite de connaître les caractéristiques physiques, mécaniques et comportementales des matériaux utilisés dans le béton et d'utiliser des méthodes de dosage de chaque constituant pour atteindre les performances attendues.

Quelles sont les performances d'un béton?

COMPRENDRE LE BETON POUR L'ELABORER

Le béton est un bon matériau de construction, mais ce n'est pas un matériau idéal: il comporte de nombreux avantages et des points faibles qu'il faut compenser.

Le béton est un matériau élaboré à partir de matériaux naturels. A l'exception du ciment ces matériaux peuvent être utilisés quasiment directement. Leur coût à l'exception du ciment est donc réduit un coût de béton autour de (0,10€/l).

Le béton est un matériau plastique durant quelques heures, puis qui se solidifie progressivement ensuite. Cette cinématique permet aisément de transporter, de travailler et de mettre en oeuvre un matériau à l'échelle industrielle et au grès des besoins ou des goûts architecturaux. Durant la prise de la chaleur est dégagée. La température atteinte peut être très élevée durant de grosses opérations de bétonnage. De même une contraction trop importante du béton durant cette phase peut entrainer des fissures de retrait. Ces phénomènes doivent être maîtrisés pour éviter d'engendrer des effets nuisibles.

Si l'état solide d'un béton est atteint en quelques heures, sa résistance mécanique augmente rapidement les premier jours pour atteindre ensuite de façon plus progressive 80% de sa valeur maximale au bout de 28 jours. Un béton est considérer comme résistant pour la structure d'un ouvrage à partir de 28 jours.
Le béton résiste différemment à la compression qu'à la traction. Il faut différencier la résistance à la compression d'un béton à 28 jours, Fc28, de la résistance à la traction d'un béton à 28 jours, Ft28.
La résistance à la compression est très adaptée aux besoins des ouvrages actuels. La résistance à la traction est en comparaison très faible. L'acier est utilisé pour compenser cette faiblesse. Le béton est alors armé d'acier pour devenir un matériau composite le béton armé. D'autres techniques comme le béton précontraint permettent d'aller plus loin dans ce concept.

Le béton est un matériau fragile: il n'accepte pas de grandes déformations avant de se rompre. Ce défaut est également compensé par l'utilisation de l'acier. Ce critère ne rentre pas actuellement en compte dans son élaboration, bien que des laboratoires y travaillent.

Enfin, le béton vieilli. Son environnement peut l'agresser chimiquement ou mécaniquement. La question de sa durabilité se pose donc.

Résistance, plasticité, cinématique de plasticité, et de résistance sont les principaux facteurs sur lesquelles une entreprise peut être amenée de jouer pour des raisons économiques, mécaniques ou organisationnelles de chantier.

La gestion de la température durant la prise et la durabilité du béton sont des facteurs qui doivent être pleinement garantis.

La vérification de ces facteurs dépend des caractéristiques physiques des constituants, de leur association et de leur quantité.

La vérification de ces critères dépend donc du choix des propriétés des constituants et de leur dosage.

Parfois l'obtention de plusieurs facteurs est contradictoire. Le choix des constituants idéaux ou le dosage du béton idéal n'existe donc pas. Ces choix et dosages doivent alors être adaptés à l'utilisation du béton ou selon l'agressivité de son environnement.

CRITERES DE QUALITE D'UN BETON

LE DOSAGE

Du point de vue de son élaboration, le béton doit avant tout garantir une résistance mécanique, un niveau de plasticité et une durabilité.

Le dosage d'un béton revient alors à définir les proportions des principaux constituants pour mettre au point 1m3 de béton en place et vérifiant les critères de qualité:

- de résistance minimale à la compression à 28 jours : Fc28
- de consistance de la patte adaptée à la mise en œuvre sur le chantier.
- de durabilité.

Ces critères de qualité doivent être vérifiés au moment de l'élaboration du béton puis de sa mise en oeuvre.

CHOIX DES CIMENTS

Les autres facteurs, s'ils doivent être connus, sont souvent ajustés pour des situations particulières. Ces facteurs sont essentiellement gérés par les constituants du ciment. Cela engendrent essentiellement des questions de choix de ciment.

Cela nécessite de connaître la nature des ciments et d'observer les cinématiques de plasticité de la pâte de ciment et de résistance du béton.

STRATEGIE D'ELABORATION

Comment parvenir à la résistance et à l'ouvrabilité souhaitée d'un béton? et comment garantir sa durabilité?

LA RESISTANCE

De nombreux facteurs rentrent en compte dans la résistance. Certains dépendent des caractéristiques des matériaux et d'autres de leur assemblage. Enfin des impuretés peuvent venir perturber le collage des grains par le ciment.

La stratégie consiste à utiliser les granulats les plus résistants possibles puis à les assembler pour obtenir la meilleure compacité possible. Le ciment vient alors compléter la compacité et coller l'ensemble plus ou moins fortement en fonction du besoin de résistance. Cette stratégie permet d'élaborer le béton le plus économique possible.

La résistance des granulats provient de leur forme, de leur nature et de leur diamètre de grains. Une forme ramassée permet au contraire des formes allongées de bien supporter les forces et de les transmettre de façon bien répartie.

Les granulats proviennent de l'érosion des roches. Leur nature est variée tout autant que leur résistance. Ce facteur est difficilement gérable dans le sens où la nature d'un granulat est souvent propre à un lieu géographique. Ce facteur apparaît alors comme une contrainte plutôt qu'un choix.
La résistance est directement liée à la taille des grains. L'idée consiste alors de choisir le plus gros diamètre de grain possible.
Le diamètre maximum peut être limité par la distance d'enrobage des armatures. Si un grain est trop gros, il risque de se bloquer dans les armatures et empêcher la mise en place homogène du béton.

Cette limite étant fixée il est alors important d'optimiser la compacité des granulats. Il faut donc des grains d'un diamètre légèrement inférieur pour boucher les vides entre les plus gros, puis un diamètre plus petit encore pour boucher les vides du diamètre supérieur précédent et ainsi de suite jusqu'au placer des fines (<0,063mm). Cela implique une continuité granulaire ce qui est improbable à l'état naturel. Il sera plutôt possible de trouver des granulats qui couvrent une tranche granulaire. Cela implique une analyse granulométrique des granulats, une classification et l'élaboration de mélanges par les méthodes de composition.

Les fines argileuses souvent présentent dans les sables peuvent venir adhérer sur la surface de tous les grains et empêcher ainsi l'adhérence du ciment. La proportion de fines argileuses doit être contenue pour ne pas provoquer ce phénomène.

L'OUVRABILITE

Deux facteurs jouent essentiellement sur l'ouvrabilité. La présence de fines et la fluidité apportée par l'eau. Il est donc important de vérifier la présence d'un minimum de fines dans les sables. Comme l'eau inter agit avec le ciment, l'ouvrabilité nécessite d'établir un lien entre les deux par les méthodes de composition

LA DURABILITE

Les agents agressifs des bétons agissent par les pores de celui-ci. Les choix de granulats et leur mélange étant déjà optimisé, il est possible de réduire la porosité en garantissant selon la gravité du risque agressif un minimum de concentration en ciment et en utilisant des ciments contenant des éléments plus fins que les grains de ciments comme la fumée de silice par exemple.

La composition méthodique d'un béton nécessite de connaître les caractéristiques physiques des granulats qui le constituent.

Ainsi, Il faut au connaître les caractéristiques physiques des granulats et vérifier qu'ils possèdent bien des caractéristiques compatibles avec la qualité des bétons et la stratégie des méthodes de composition. Par défaut de qualité granulaire et dans la mesure du possible, il est possible d'améliorer cette caractéristique.

Mais, ces caractéristiques ne sont pas observables directement à l’œil nu. Le laboratoire met en œuvre des essais normalisés qui vont les rendre observables et quantifiables. Si la propreté d’un sable n’est pas perceptible à l’œil nu, l’essai de l’équivalent de sable le rend en trouvant un moyen de séparer les fines des autres éléments. De même ces essais normalisés fixent les exigences de qualité et donc des tolérances.

Le laboratoire permet de vérifier les critères de qualité des granulats et de déterminer leurs caractéristiques physiques pour élaborer un béton de qualité :

=>Définir ses masses volumiques apparente et absolue.
=>Qualité granulaire.

Caractéristiques:
=>Définir ses masses volumiques apparente et absolue.
=>Définir les variations de masse volumique apparente produites par le phénomène de foisonnement.
=> Classification, Désignation des sables
Qualité:
=>Vérifier la qualité granulaire, Module de finesse
=>Vérifier la propreté du sable par rapport aux fines argileuses.
Amélioration:
=>Améliorer les sables de mauvaise qualité granulaire.

Une fois ces critères vérifiés, les granulats doivent être mélangés pour obtenir la meilleure compacité possible, c’est à dire pour obtenir le mélange qui contient le plus de matière ou le moins de vide possible.
Le laboratoire permet de mesurer la compacité pour déterminer les proportions de granulats correspondant et d’observer la granularité du mélange.

=> Rechercher les proportions donnant la meilleure compacité de mélange.
=> Vérifier la qualité granulaire des mélanges.

Le ciment est le liant, c'est la colle, du béton. C'est une colle hydraulique. Sa résistance de collage intervient directement dans la résistance du béton. Le ciment réagit chimiquement avec l'eau pour se cristalliser. Cette réaction chimique est exothermique. La température produite est suffisamment importante pour devoir être maîtrisée lors des grosses opérations de bétonnage.

Le ciment produit une pâte de plasticité variable qui reste en l'état de façon inerte, avant de se solidifier progressivement. La maîtrise de cette cinématique est importante dans l'organisation des chantiers.

De même une fois solidifié, le ciment monte en résistance de compression assez rapidement les premiers jours, puis plus progressivement pour se stabiliser autour de 80% de sa résistance définitive à 28 jours. Cela donne la résistance à la compression du béton à 28 jours, Fc28.

En intervenant sur la nature du ciment, il est possible de faire varier chacun de ses paramètres, parfois de façon contradictoire. Ces contradictions indiquent que le ciment idéal n'existe pas. Il y a plusieurs classes de ciments adaptées chacune à l'utilisation que l'on souhaite en faire, c'est à dire selon les facteurs sur lesquels on désire intervenir principalement.

=>Déterminer ses masses volumiques.
=>Déterminer sa résistance à la compression, la classe vraie :
- En réalisant un lot d’éprouvette dont le seul paramètre variable est la nature du ciment.
- En détruisant les éprouvettes par compression.
- En analysant la série de résultats.
=>Définir la cinématique de la plasticité de la pâte. En déterminant la durée inerte de plasticité, puis le moment du début du passage de l’état plastique à l’état solide, puis de la fin du passage de l’état plastique à l’état solide.

La méthode C.E.S permet de prévoir les dosages de chacun des constituants du béton pour obtenir un béton conforme aux critères définis précédents. Mais, il s’agit d’un modèle. Cela signifie que cette méthode approche de façon significative les paramètres influents sur la résistance, l’ouvrabilité, et le volume. Mais cela reste une approche, une approximation de la réalité. La réalité est bien plus complexe et pour la reproduire intégralement il faudrait intégrer bien plus de facteurs et de paramètres. Les dosages fournis par cette méthode sont significatifs. Ils permettent donc d’approcher les critères de qualité d’un béton mais s’en décalent toutefois légèrement. Il est donc nécessaire d’ajuster le dosage par l’expérimentation pour combler les limites de la méthode C.E.S en répondant plus précisément aux critères de qualité du béton. Le laboratoire permet de mesurer le décalage entre la théorie et la réalité, puis permet d’ajuster les dosages de proche en proche par expérimentation pour obtenir les critères de qualité du béton.
Le dosage est également à ajuster en fonction de l’humidité des granulats utilisés.

Elaborer et vérifier qu’un béton est conforme au cahier des charges et garantissant sa durabilité.
=> Elaborer le dosage d’1m3 de béton en place par la méthode CES DREUX.
=> Ajuster le dosage en fonction de l’humidité des granulats.
=> Confectionner une éprouvette.
=> Vérifier la conformité du béton selon trois critères : la résistance, l’ouvrabilité, et l’adéquation entre le dosage des granulats et la quantité de béton obtenue, en :
- Vérifiant l’ouvrabilité par une mesure d’affaissement sur un béton frais.
- Vérifiant la résistance par des essais destructifs et non destructifs (scléromètre)
- Vérifiant l’adéquation entre le dosage des granulats et la quantité de béton obtenu en mesurant la compacité du béton à partir d’une éprouvette de béton frais.
=> Ajuster les dosages afin de vérifier ses trois critères de qualité.