LE BETON Petit précis à usage multiple Document provisoire
Voile de béton : Façade gare T.G.V. Meuse – 2006
maison bulle années 1980
Le béton est un mélange de constituants minéraux actifs (comme le ciment portland) ou non actif (les granulats), d’eau et d’air, dont les proportions varient selon de nombreux paramètres que nous découvrirons au fil des chapitres. La matière de béton est aujourd’hui composée avec des adjuvants qui en modifient les caractéristiques à l’état frais ou durci. CLASSIFICATION DES BETONS Il existe une multitude de formules et l’on désigne communément un type de béton par sa résistance nominale à la compression. Ainsi, les normes ont adopté une classification qui est la suivante : B16
B20
B25
B30
B35
B40
B50
B60
B120
B200
A ces classes correspondent des types d’ouvrage (fondations, structures..) ou des types de béton (béton de propreté, gros béton, béton auto plaçant, béton hautes performances et très hautes performances…) « B » pour Béton, « 16 » pour 16 MPa, résistance statistique moyenne à la compression effectué sur un échantillonnage représentatif DESIGNATION DES BETONS On définit un type de bétons par sa classe de consistance généralement mesurée au cône d’ABRAMS, par le choix du type de ciment 3 (selon classification normalisée), du dosage minimal en ciment (kg/m ), relatif aux contraintes environnementales et par la dimension des granulats ( d/D Ø en mm), qui conditionne la résistance du béton. Ainsi, la désignation d’un béton est-elle aussi normalisée. Une commande de béton se définit par : la dimension maximale des granulats (D) la classe de consistance la résistance à la compression du béton à 28 jours (f c 28) l’aspect esthétique du parement dans le cas de béton brut-fini La classe de consistance : On mesure l’affaissement « A » au cône d’Abrams en cm
F: ferme P : plastique TP : très plastique FL : fluide
0à4 5à9 10 à 15 > 16
Essai à l’étalement sur chantier : consistance FL (auto-plaçant) Ø 75cm Béton clair pompé sous pression La classe de consistance définit « l’ouvrabilité » (ou maniabilité) du béton c'est-à-dire la capacité de la matière à se mettre en place dans un moule. En fonction de la classe de consistance, nous avons différents types de béton comme par exemple les bétons de masse (F), de structure (P ou TP), les auto-plaçant ou autonivelant (FL) etc.…
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En fonction du type de béton et de sa classe de consistance, il existe plusieurs méthodes dont nous rappellons les principales : Cône d’Abrams Etalement à la table à secousses Maniabilimètre L.C.P.C. Test C.E.S. Le dosage minimal en ciment : Comme dit plus haut, celui-ci est relatif aux contraintes environnementales qui imposent de classer l’ouvrage à construire selon les critères suivants : -
Données géographiques (plaine, montagne, bord de mer, continent)
-
Exposition aux intempéries d’après valeurs météorologiques Avec gel modéré ou sévère Avec sels de déverglaçage ou non Avec eaux agressives ou non (chlorures, sulfates, acides..)
Ce dosage est adapté au type d’ouvrage à construire ainsi-qu’à sa méthode de fabrication : on distingue les ouvrages d’infrastructures, ancrés dans le sol ou contre terre, des ouvrages en élévation. On distingue également les béton coulés in-situ des bétons coulés en usine (bétons préfabriqués). On distinguera enfin les bétons fabriqués sur chantier des bétons fabriqués en centrale. Le dosage minimal en ciment est par ailleurs lié au dosage en granulat, à la dimension de « D » et à leur nature minéralogique ; des additions minérales potentiellement actifs peuvent être ajoutées au ciment (cendres volantes, laitiers, calcaires..) ou comme complément d’éléments fins au béton (fumées de silice). Le choix et le dosage en ciment peuvent être guidé également par des considérations esthétiques ou plastiques. La dimension des granulats : Le choix se fait d’après les granulats disponibles dans la région de construction. On retiendra trois types de granulats : les sables, les gravillons et les graviers. Nous donnons des ordres de grandeurs de dimension (d/D Ø mm) généralement admis :
Granulométrie des sables comprise dans une fourchette de0/6 mm, Granulométrie des gravillons comprise dans une fourchette de 6/25 mm, Granulométrie des graviers comprise dans une fourchette de 25/80 mm
On désigne par « d » la dimension du plus petit granulat 3
On désigne par « D » la dimension du plus gros granulat. « D » nous servira au calcul du volume de ciment (kg/m ) On désigne par « G » le gravier et « S » le sable. On définit le fuseau granulaire grâce au rapport G/S. Le cas des fillers sera traité dans un autre chapitre sur les granulats. Calcul de la dimension maximale des granulats : D ≤min (αe ; βc ; γr ; δR ; ηHm ) Granulats Roulés Concassés
α 0,72 0,64
β 0,64 0,56
γ 1,44 1,28
δ 0,96 0,8
e : espacement entre armatures horizontales c : enrobage des armatures r : rayon moyen du ferraillage R : rayon moyen du moule Hm : épaisseur minimum à bétonner COMPOSITION DES BETONS L’étude d’une composition de béton consiste à définir un mélange optimisé pour le type de construction projeté. Mais si l’on tient compte de prime abord de la résistance du béton et de son ouvrabilité, on doit également tenir compte de l’environnement dans lequel il se situe et de la durabilité souhaitée: Il est utile de consulter la norme EN 206-1 afin de retenir dans quelle classe d’exposition le bâtiment se situe. Il existe 2 grandes catégories de fabrication du béton :
Le béton à caractère normalisé (BCN),
Le béton à caractères spécifiés (BCS).
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η 0,2 0,2
La norme EN206-1 expose les conditions règlementaires exigibles sur certains ouvrages et l’emploi de l’une ou l’autre catégorie. Les Méthodes de calcul d’une formule : Il existe de nombreuses méthodes dont on retiendra 2 archétypes :
Celle qui consiste à obtenir une granularité « continue », Celle qui consiste à obtenir une granularité « discontinue ».
On citera les méthodes de calcul qui font référence en France : -
ABRAMS BARON - LESAGE BOLOMEY DREUX-GORISSE FAURY JOISEL VALETTE
Le Centre d’Etudes des Structures (CES) propose une méthode qui en est la synthèse et dont nous nous inspirerons ici car largement employée par les industriels. Critères de base pour obtenir une composition optimale :
Les résistances mécaniques, L’ouvrabilité, Les résistances à l’environnement, (gel-dégel ; Chlorures, Sulfates…) L’alcali-réaction, La corrosion des armatures La porosité, L’air occlus, L’esthétique du parement brut-fini Données de base pour obtenir une composition optimale :
Dimension du plus gros granulat « D », Classe de résistance du béton, Consistance du béton frais voulue pour les besoins du chantier, Nature du ciment (Classe) Dosage en ciment (C/E) Dosage en eau (E/C) Dosage en granulats (G/S)
C/E : rapport Ciment / Eau (1,2<>2,6) E/C : rapport Eau/Ciment (0,45<>0,55) G/S : rapport Gravier/Sable (1,2<>1,7) Composition optimale d’un béton courant : o
On définit les objectifs de l’ouvrage Données projet : Caractéristiques mécaniques Caractéristiques esthétiques Dimensions de l’ouvrage Densité des armatures Données chantier : Matériel de mise en œuvre Méthodes de mise en œuvre Conditions climatiques Données du béton : Ouvrabilité Compacité Durabilité Aspect du parement Classification des chantiers : d’après normes AFNOR Catégorie A : chantier de petite importance (au plus 2 étages, portées limitées) Catégorie B : chantier de petite importance (au plus 5 étages, portées limitées) Catégorie C : chantier de moyenne importance ( au plus 16 niveaux, dimensions courantes) Catégorie D : chantier de grande importance (IGH, entrepôts à fortes charges, complexe sportif, gares) Catégorie E :chantier comportant des éléments particuliers (planchers grandes portées, porte à faux, poteaux très élancés…), Elle est associée aux autres catégories et les chantiers sont désignables par les lettres AE ; BE ; CE ; DE.
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n
O
d é f On définit les principaux dosages
o
Voile de béton : Soubassements de façades – essais de coulage – 2006 Béton clair parement lisse, fin, soigné
Dosage en ciment: Fonction du plus gros granulat (D) en kg/m3 . Il est à noter que plus D est fin, plus la quantité de ciment est importante Fonction de la résistance du béton. Plus les résistances sont élevées, plus la quantité de ciment est majorée. Fonction de l’environnement. Impose le choix d’une catégorie de ciment. Dosage en granulats: On choisit le diamètre maximal « D » en fonction du type d’ouvrage à construire et des moyens de mise en œuvre, Les dosages sont exprimés en volume (t) et sont choisis en rapport à leur classe granulaire (d/D) On mesure la teneur en eau afin de déterminer la correction du dosage en eau du béton (%), On définit un G/S qui est lié à la compacité voulue et à l’ouvrabilité souhaitée (1,2< α> 1,7). Dosage en eau: C’est la valeur la plus difficile à évaluer et il faut être très prudent quant à son calcul : on calcule C/E selon la relation de Bolomey fcm = G x σ’ c x (C/E – 0,5) D’où C/E = (fcm / G x σ’ c ) + 0,5 Et E= C/(C/E) dosage en eau efficace. fcm : Résistance visée à 28j (MPa) avec f cm = 1,15 x fc 28 σ’ c : Classe de résistance du ciment (MPa) – 32,5 ; 42,5 ; 52,5 MPa C : dosage en ciment E : dosage en eau G : Coefficient granulaire (G ≥0,5) Le dosage en eau a une incidence directe sur la résistance du béton, sa porosité et sur sa résistance à l’environnement. On a donc tout intérêt à procéder aux essais de plasticité afin de rechercher la meilleure ouvrabilité. Le dosage est pondéré par l’humidité relative des granulats. On distingue 4 degrés d’humidité : Sec : cas rare Sable (S) 0 à 3% Gravier (G) 1% Humide : cas courant 4 à 7% 3% Mouillé : suite à pluie importante 8 à 11% 5% Trempé : cas rare saturé en eau 12 à 15% 6% Dosage en adjuvants Le dosage en adjuvant est calculé à partir du poids de ciment Classification européenne : Plastifiants réducteurs d’eau : Superplastifiants hautement réducteur d’eau : Rétendeurs d’eau : notices fabricants Entraineurs d’air (fonction% air occlus voulu) : Accélérateurs : Retardateurs : Hydrofuges de masse : Antigels : fabricants Antigélifs : fabricants Dosage en éléments fins (fillers) o
On définit les méthodes de construction des parties d’ouvrages Outils de coffrage : Matériel de préparation : Matériel de coulage : Rotations Cure du béton
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0,3 à 0,5% ≈1% ≈0,5% se reporter aux 0,01 à 0,1% 1à3% 0,1 à 0,5 % 1 à 3% voir données voir données
Mise en protection Equipe de compagnons
Modèle de composition d’un béton courant : (d’après AFNOR) Données de base : Fc28 = a MPa soit F cm = 1,15 x a Classe de consistance : TP A= Classe de ciment CEM I 42,5 Granulats : coefficient granulaire G = D= Ø mm Mf = Mvs = S : 2,54 G : 2,6 (kg/dm 3) Dosage en ciment : C/E = (fcm / G x σ’c ) + 0,5 D’où C = 425 kg/m3 Dosage en eau: 3
E= C/(C/E) l/m , la valeur est à corriger par rapport au % en eau absorbée par le granulat soit 4 % Dosage des granulats : Coordonnées de X = D / 2 3 Coefficient granulaire K (granulat roulé, vibration normale, C _ kg/m ) Coordonnées de Y - K’ Coefficient de compacité γselon tableau normalisé (considérant TP, vibration normale, D) correction par rapport au ciment y: C – 360/5000 (par exemple) γ ’ = γ+ y 3
Volume de ciment : Vc = C * kg/m / 3,1 en litre Volume des granulats V en litre Volume absolu de sable : Vs en litre de gravier : Vg en litre 3
Dosages en matériaux secs (kg/m ) Sable : l x 2,54 Gravier : l x 2,6 Ciment : kg/m3 Eau : C/C/E densité théorique du béton : S+G+C+E
Les normes : Celles-ci sont nombreuses. C’est pourquoi nous vous proposons de vous reporter au chapitres des normes où vous trouverez la liste de celles-ci avec un commentaire sur les plus importantes.
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