1

Chapitre I : Les ciments

→ Ciments courants : norme NF EN 197-1

→ Définition du ciment courant: Ciment = liant hydraulique(⇔ matière inorganique finement moulue qui gâchée avecde l’eau forme une pâte qui fait prise et durcit par suite desréactions et processus d’hydratation).

→ Les ciments courants = clinker Portland + autresconstituants + constituants secondaires (<5%) (dont lesulfate de calcium régulateur de prise).

I. Généralités - Chimie du ciment anhydre

→ Les constituants du ciment anhydre :• Silicate bicalcique (bélite) : β-C2S• Silicate tricalcique (alite) : C3S• Aluminate tricalcique : C3A• Aluminoferrite tétracalcique : C4AF• Sulfate de calcium (anhydrite) : CS

→ Notation de la chimie des ciments :Chimie des ciments ↔ oxydes ⇒ abréviations :

C=CaO F=Fe2O3 S=SiO2 H=H2O A=Al2O3 S=SO3

→ Formules de Bogue modifiées : permettent à partir de lacomposition chimique du ciment de déterminer les teneursen anhydres (C2S, C3S, ….).

1

II. La fabrication du ciment

1) Les matières premières :→ Constituant principal du ciment = clinker obtenu à partirde la cuisson du cru = calcaire (≈80%) et d’argile (≈20%) à1450°C.→ Compositions chimiques usuelles des matièrespremières et du cru :

Tab. I.1 : Compositions chimiques usuelles des matières premières et du cru

Argile Calcaire Cru typeSiO2 60.5 2.2 14.3Al2O3 17.8 1.1 3.0Fe2O3 6.8 1.1 3.0CaO 1.6 52.7 44.4MgO 3.1 0.7 0.6S <0.1SO3 0.2 <0.1 0.1Perte au feu 6.7 42.4 35.9K2O 2.6 0.3 0.5Na2O 0.7 0.1 0.1Total 100 100.6 101.9CaCO3 94.1 79.3

2) Les procédés :→ Extraction et concassage :

• matières premières extraites de carrièresgénéralement à ciel ouvert,• concassées en éléments de dimension maxi 50 mm.

2

→ Préparation du cru :• matières premières intimement mélangées dans desproportions définies,• des corrections peuvent être faites en incorporant defaible quantité d’aluminium, de fer, … selon lesbesoins.

→ Mélange du cru : 4 techniques : voies sèche, semi-sèche, semi-humide et humide.

• Un four horizontal rotatif cylindrique de 60 à 90 m delong et de 4 à 5 de diamètre. La température maximaleatteinte (zone de clinkérisation est de 1450°C). Letemps de parcours est d’environ 1h.

→ Cuisson du cru : Les installations de cuisson comportent2 parties :

• Un échangeur de chaleur dans lequel le cruprogresse jusqu’à l’entrée du four et se réchauffe aucontact des gaz chauds sortant des fours (CaCO3 sedécarbonate en partie).

Attention : 2 facteurs très importants :• la température atteinte : au moins de 1450°C,• le refroidissement brusque à la sortie du four (évite latransformation de C3S en C2S)

3

Fig. I.1 : Evolution des températures à l’intérieur du four et formation des minéraux

4

2

Fig. I.2 : Diagramme de mélange CaO-SiO2

5

→ Broyage du clinker :Refroidissement brusque de la matière ⇒ formation degranules ⇒ broyage fin (on ajoute souvent le sulfate decalcium avant le broyage pour avoir un matériau finihomogène).

→ Ajout d’autres constituants pour fabriquer différentstypes de ciment.

Fig. I.3 : Fabrication du ciment6

Hall de stockage du clinkerLa grave de peille (Vicat) : Usine ancienne (1970)3000 t/j

7

Tour cycloneFour: φ=5m - 90m de long

Tuyère+flamme (20m)

2000°C1450°C 900°C

8

3

Refroidisseur à grilles

1 grain de clinker

9

3) L’énergie et l’impact sur l’environnement→ Cimenteries : 2 caractéristiques importantes :

• 1450°C : besoin important d’énergie ⇒ coût élevé duciment (consommation importante de combustible)• Pollution : émission de CO2

→ Combustibles : importance des combustibles desubstitution (recyclage des déchets combustibles) (environ30% des combustibles utilisés)

→ Emissions des gaz à effet de serre (CO2):• En France : cimenterie responsable d’environ 4%production CO2• Le CO2 émis par un four de cimenterie provient descombustibles (1/3) et de la décarbonatation du calcaire(2/3).:

4) Les sites de fabrication en France

33 cimenteries, 6 centres de broyage.

→ 4 sociétés cimentières : sites industriels• Lafarge

� Lafarge ciments 12� Lafarge aluminates 3

• Calcia 11• Holcim 6• Vicat 7

1/3 marché

1/3 marché

1/3 marché

10

III. La norme NF EN 197-1 : les ciments courants

1) Les constituants

Le clinker Portland (K) :→ Matériau hydraulique.

Le laitier granulé (vitrifié) de haut fourneau (S):→ Sous-produits de la fabrication de l’acier (fusion desstériles présents dans le minerai de fer).→ Matériau hydraulique mais durcissement très lent ⇒utilisations d’activants (bases fortes (chaux) ou de sulfatesde calcium).

Les pouzzolanes naturelles (Z) ou naturelles calcinées(Q) :→ Ce sont des substances d’origine volcanique ou biendes roches sédimentaires ou des argiles et des schistesexpansés thermiquement.→ Pouzzolaniques = durcissent en présence de Ca(OH)2

dissous dans l’eau.

Les cendres volantes de centrales thermiques :→ Obtenues par le dépoussiérage des gaz des chaudièresalimentées au charbon pulvérisé.→2 types :• les cendres volantes siliceuses (V) : pouzzolaniques,

a) Les constituants principaux

• les cendres volantes calciques (W) : hydrauliques et/oupouzzolaniques mais problèmes de gonflement (CaO etsulfate). 11

Les schistes calcinés (T) :

Les fumées de silice (D) :

→ Hydrauliques et pouzzolaniques mais problème degonflement (présence de CaO).

→ Dépoussiérage des fumées de fours élaborant dusilicium ou des alliages tels que le ferro-silicium.→ Pouzzolanique.→ Granularité très fine, comprise entre 0.01 µm etquelques µm (D50≈0.2 µm).

→ Matériaux minéraux naturels,→ Du sulfate de calcium qui doit être ajouté en faiblequantité en vue de réguler la prise du ciment.

→ Constituants ajoutés pour améliorer la fabrication ou lespropriétés du ciment (agents de mouture, pigments, …)→ Teneur < 1% en masse (exception faite des pigments).

2) Les compositions des ciments

b) Les constituants secondaires (<5%)

c) Les additifs

→ 27 types de ciments courants séparés en 5 catégories :• CEM I : Ciment Portland : 1• CEM II : Ciment Portland composé : 19• CEM III : Ciment de haut fourneau : 3• CEM IV : Ciment pouzzolanique : 2• CEM V : Ciment composé : 2

Les calcaires (L, LL) :→ « Inertes » obtenues par broyage de roches calcaires.

12

4

Tab. I.2: Composition des ciments courants

13

3) Les caractéristiques des ciments

a) Classes de résistance et exigences physiques

b) Exigences chimiques

→ 3 classes : 32,5 / 42,5 / 52,5 = résistances minimalescaractéristiques à la compression obtenues mesurées à28j sur mortier normalisé (1/3, E/C=0.5).

→ Résistances à court terme : 2 et 7 jours : 2 classes :• Résistance à court terme ORDINAIRE : N• Résistance à court terme ÉLEVÉE : R

Tab. I.3 : Classes de résistance des ciments courants

→ Perte au feu : ≤ 5 % CEM I / CEM III→ Résidu insoluble : ≤ 5 % CEM I / CEM III→ Sulfate : ≤ 3,5 % / 4 % Tous types→ Chlorure : ≤ 0,10 % Tous types

14

4) Caractéristiques complémentaires

• Travaux à la mer (PM): teneur en C3A < 8%,

• Travaux en eaux à hautes teneurs en sulfate (ES) :teneur en C3A < à 5%,

• Faible chaleur d’hydratation et teneur en sulfures limitée(CP) (Ciments demandés en France pour les constructionsen béton précontraint).

5) Désignations des ciments courants

CEM II / A – LL 32,5 R CE PM/ES NF

Famille de ciment courant

Les 2 classes de résistance à court terme (2 ou 7 jours)

R ou N

Caractéristiques complémentaires PM/ES/CP1/CP2

Notation NF précisant que ce ciment est certifié

conforme à la marque NF

Notation CE

Les 3 classes de résistance courante (28 j) 32,5-42,5-52,5

Les classes de composition (les lettres A/B ou C précisent

la teneur en clinker)

Nature des constituants autres que le

clinker

15

IV. Les ciments spéciaux

1) Le ciment prompt naturel (Vicat)→ Obtenu par cuisson à température modérée (1000-1200°C) d’un calcaire argileux ,

→ Début de prise très rapide (<4 minutes sur pâte),

→ Développement rapide des résistances 10MPa à 24hmais résistances à 28j faibles (19MPa),

→ Utilisations : travaux de scellements, de réparation, ….

2) Le ciment alumineux fondu→ Obtenu par cuisson jusqu’à fusion d’un mélangecomposé principalement d’alumine, de chaux, d’oxydes defer et de silice,

→ Principal constituant : aluminate monocalcique (CA),

→ Début de prise normal (1h30) mais développementrapide des résistances (30 MPa à 6h) ⇒ chaleurd’hydratation élevée,

→ Pas de formation de Ca(OH)2 lors de l’hydratation ⇒très bonne résistance aux eaux agressives (acidesnotamment) ,

→ Utilisations :• scellements,• bétonnage par temps froid,• ouvrages en milieux agressifs (agricoles,assainissement),• bétons réfractaires.

16

5

→ Chaleur d’hydratation < 270 J/g : LH

Classe de résistance

Résistance à la compression - MPa Temps de début de prise

min

Stabilité (expansion)

mm

Résistance à court terme

Résistance courante

2 jours 7 jours 28 jours

32,5 L ≥ 12,0 ≥ 32,5 ≤ 52,5 ≥75

≤ 1042,5 L ≥ 16,0 ≥ 42,5 ≤ 62,5 ≥60

52,5 L ≥ 10,0 ≥ 52,5 ≥ 45

→ Classes de résistances particulières notées L :

→ Exemple : Ciment HF à faible résistance à court terme(L) et à faible chaleur d’hydratation (LH)

CEM III/B 32.5 L-LH

4) Le ciment blanc

→ Utilisations : bétons apparents architectoniques etdécoratifs

→ La teinte blanche est obtenue grâce à des matièrespremières très pures (calcaires et kaolin) (pas de traced’oxydes de fer),

3) Le ciment de haut fourneau et à faible résistance àcourt terme→ Idem ciments courants mais processus d’hydratationralenti à court terme et chaleur d’hydratation faible ⇒désignation spécifique dans une norme spéciale : NF EN197-4

Tab. I.4 : Classes de résistance particulières notées L

17 18

19 20

6

Chapitre II : L’eau

I. Le rôle de l’eau dans les bétons

→ Bivalence particulière de l’eau dans le béton =

→ Remarque : Pour hydrater 100 kg de ciment, 25 litresd’eau sont nécessaires (E/C=0.25) or E/C mis en œuvrepour des bétons classiques classiquement >> 0.5 (0.6-0.7)⇒ la quantité d’eau ajoutée est toujours trèssupérieure à la quantité nécessaire à l’hydratation duciment.

� diminution des résistances mécaniques desbétons

• Nécessaire pour l’hydratation du ciment• Donne au béton une consistance suffisamment fluidepour qu’il puisse être utilisé.

+

• Départ de l’eau en excès ⇒ présence de vides dansle béton durci (porosité) ⇒ 2 conséquences majeures :

-� détérioration de leur durabilité car les bétons,plus poreux (donc plus perméables), sont plusaccessibles aux agents extérieurs agressifs.

→ Il faut distinguer :• l’eau ajoutée,• l’eau totale = eau ajoutée + eau des granulats• l’eau efficace = eau totale – eau absorbée par lesgranulats 21

• Eau de mer : peut être utilisée pour la production debéton non armé mais pas pour le BA ou le BP (teneuren chlorures).• Eaux usées : non

• Eau récupérée de la fabrication des bétons• Eaux d’origine souterraine• Eaux naturelles de surface ou de rejetindustrielles

essais

II. Exigences requises pour les eaux de gâchage : N F EN 1008

→→→→ Classification des types d’eau :

• Eau potable : ok : aucun essai

→ La norme préconise 3 types d’exigence :Exigences sensoriels :

• traces visibles d’huile, de mousse, (les organiquesen général réduisent la résistance des bétons)…• matières en suspension importantes,• couleur• odeur.

22

Exigences chimiques : Teneurs limitées pour certainséléments indésirables :

• les chlorures (incompatibles avec la confection deBA car amorce la corrosion des armatures),• les sulfates (risque de formation d’ettringitesecondaire gonflante),• les alcalins (risques d’alcali-réaction)

Exigences mécaniques :• Temps de début de prise : ne doit pas être < de 1het ne doit pas s’écarter de + de 25% par rapport aumême essai avec de l’eau distillée.

Retardateurs de prise et de durcissement

• les sucres,• les sels de plomb et de zinc,• les phosphates et les nitrates.

• Temps de fin de prise : ne doit pas être > de 12h etne doit pas s’écarter de + de 25% par rapport aumême essai avec de l’eau distillée.

• Résistance en compression à 7j (béton ou mortier):doit atteindre au moins 90% des résistancesobtenues avec de l’eau distillée.

23 24

7

→ ≈ 70% du volume du béton

Chapitre III : Les granulats

I. Généralités

→→→→ Nature : origine géologique (roches meubles siliceuses,calcaires massifs, roches métamorphiques ou éruptives(basaltes))…→ La masse volumique réelle de ces granulats estcomprise entre 2,5 et 2,9 g/cm3.

→→→→ Elaboration :

Lavage

Roulés CriblageLavage

Matériaux alluvionnaires

Concassés

Granulats Obtenus par A partir de

Concassage Roches éruptivesCriblage Sédimentaires

Métamorphiques

→→→→ Autres granulats :• légers : Argile expansée, pouzzolane,• lourds : Barytes, hématites, laitiers,• matériaux de recyclage : Granulats à base de matériauxrecyclés (bétons, briques, …),• polystyrène, copeaux de bois ...

25

II. Critères de qualité pour les granulats à béton (NF EN 12620)

→→→→ Granularité : 4 familles de granulats sont définies. Parordre croissant de taille on trouve : les fillers, les sables,les gravillons et les graves.Objectif béton : squelette granulaire le plus compactpossible.

1) Caractéristiques géométriques

→→→→ Forme : coefficient d’aplatissement : quantitéd’éléments plats et allongés.Objectif béton : mauvaise forme nuit à la maniabilité dubéton.

→→→→ Teneur en fines (< 63 µm) :Objectif béton :

• état frais : augmente la demande en eau (-) maisaméliore la cohésion du mélange (+ (BAP)).• état durci : comblent la porosité (++) ⇒ porosité ↓,résistance ↑ et perméabilité ↓ (→ durabilité ↑).

2) Caractéristiques physico-chimiques

→→→→ Masses volumiques : apparente (ou en vrac), réelle etabsolue.Objectif béton : ⇒ porosité des granulats : des granulatsporeux augmentent la demande en eau des bétons enabsorbant une partie de l’eau de gâchage. 26

→→→→ Propreté : assure l’absence de 2 éléments indésirablesdans le béton : les matières organiques et les argiles.Objectif béton : éviter :

• les matières organiques : risque de perturbation de laprise, de chute des résistances et de tâches sur lesparements• les argiles : absorbent une partie de l’eau de gâchagece qui entraîne des problèmes de consistance.

→→→→ Sensibilité au gel : Le critère de non-gélivité desgranulats dépend principalement :

• du coefficient d’absorption d’eau des granulats• ainsi que de leur résistance mécanique LA.

Objectif béton : gélivité des granulats :• peu d’influence sur la stabilité au gel des bétons• par contre, influence importante sur la résistance àl’écaillage des bétons soumis au gel en présence desels fondants.

→→→→ Éléments chimiques nocifs : limites sur la teneur decertains éléments. Les principaux : chlorures et sulfates (etsulfures).Objectif béton : éviter la présence de :

• sulfates : risque de gonflement (ettringite secondaire),• chlorures : corrosion du béton armé,• silice réactive : risque de gonflement (alcali-réaction).

27

→→→→ Résistances à la fragmentation (Los Angeles) : nedoit pas être trop faible pour éviter des risques d’évolutionde granularité durant les phases de transport et demalaxage.Objectif béton : la résistance des granulats intervient peusur les caractéristiques des bétons (sauf pour les BHP).

→→→→ Résistance à l’usure : s’exprime par la mesure ducoefficient Micro-Deval (dureté).

→→→→ Résistance au polissage et à l’abrasion :Objectif béton : requise pour les gravillons utilisés pourles couches de roulement.

3) Caractéristiques mécaniques

28

8

Chapitre IV : Les adjuvants

I. Les plastifiants/réducteurs d’eau

Remarque: même activité pour les plastifiants et lessuperplastifiants mais plus intense (d’où le terme« super »).

→ Norme sur les adjuvants pour béton, mortier et coulis :NF EN 934-2.

→ On peut classer les adjuvants en 3 grandes catégories :• modificateurs de maniabilité (plastifiant/réducteurd’eau, superplastifiant/haut réducteur d’eau),• modificateurs de prise ou de durcissement(accélérateur de prise ou de durcissement, retardateurde prise),• modificateurs de certaines propriétés du béton(entraîneur d’air, hydrofuge de masse, rétenteur d’eau).

→ Adjuvant = produit dont l’incorporation à faible dosedans le béton lors du malaxage modifie certainespropriétés du béton, à l’état frais ou à l’état durci → « faibledose » = dosages inférieurs à 5% (par rapport à la massede ciment).

29

Définition et utilisation :Réducteur d’eau : à même ouvrabilité, il conduit à uneaugmentation des résistances mécaniques par uneréduction de la teneur en eau.Plastifiant : introduit dans un béton, un mortier ou uncoulis, il a pour fonction principale de provoquer un fortaccroissement de l’ouvrabilité du mélange.

Nature et mécanismes d’action :

Ciment

+

Eau

=

Flocs

Surface

Hydratée

Meilleure

hydratation

Grain de

ciment

Etat dispersé

du ciment

Ajout de

superplastifiant

⇒

→ Les plus récents :• polycarboxylate (PC),• polyacrylate (PA),• polyoxyéthylène (POE).

30

(-)(-)

(-)(-)

(-)

(-)(-)

(-)

Répulsion électrostatique

Encombrement stérique

Mode d’action

Suspension d’eau et de grains de ciment

Même suspension après ajout de 0,5 % d’adjuvant

31

Effets secondaires possibles :Il peut arriver qu’il y ait selon le ciment utilisé uneincompatibilité ciment/plastifiant qui accroît les effetssecondaires. Les effets secondaires que l’on rencontre leplus souvent sont :

• perturbations de la prise liée ou non à la perted’efficacité rapide du plastifiant,• entraînement d’air au moment du malaxage.

II. Les accélérateurs de prise

→ Définition et utilisation :Accélérateurs de prise : accélèrent la prise du ciment(réduction des temps de début et de fin de prise). Enparticulier, ils permettent de maintenir un temps de priseraisonnable par temps froid.

→ Nature des adjuvants et mécanismes d’action :Ce sont des sels de calcium qui vont accélérer lesprocessus d’hydratation du ciment.Remarque: en France, seul les accélérateurs de prise sanschlore sont normalisés (BA et BP).

Accélérateurs de durcissement : accélèrent ledéveloppement de la résistance du béton à court terme(utilisé par exemple pour le béton préfabriqué ou le bétonprécontraint (mise en tension dans le cas de BP par post-tension).)

32

9

Accélérateurs de prise / de durcissement

Temps0 4h1h 3h 6h

Bétontémoin

2h

Début de prise

5h

Début de prise

1h30 3h30

Fin de prise

Fin de prise

Rés

ista

nce

s

Accélérateurde prise

Accélérateurde durcissement

→ Effets secondaires possibles : les accélérateurs de priseet de durcissement augmentent les résistances aux jeunesâges mais on observe le plus souvent une légèrediminution des résistances à 28j.

33

III. Les retardateurs de prise→ Définition et utilisation :Ils retardent la prise du ciment (augmentation des tempsde début et de fin de prise). Ils servent à augmenter laDPU du béton (Durée Pratique d’Utilisation = temps detransport et de mise en œuvre du béton frais).

→ Nature des adjuvants et mécanismes d’action :Ce sont généralement des molécules organiques commeles sucres ou des électrolytes faibles (acideshydroxycarboxyliques (RCOOH), fluorures (NaF) et lesphosphates (Na3PO4, Na4P2O7)).

IV. Les entraineurs d’air→ Définition et utilisation :Ils permettent la formation, au cours du malaxage, d’unréseau uniforme de petites bulles d’air qui subsiste dans lebéton durci. Ce réseau de bulle permet au béton derésister au cycles de gel/dégel.

Ils réagissent chimiquement avec les grains de ciment :→ dans certains cas, formation de complexes peu solublesautour des grains anhydres qui gênent ou stoppent leurhydratation (cœur anhydre inaccessible).→ dans d’autres cas, c’est la précipitation des hydrates quiest gênée.

34

→ Nature des adjuvants et mécanismes d’action :Ce sont des tensio-actifs tels que les acides gras ou lesalkyls sulfonates. Ces adjuvants ont pour rôle de stabiliserles bulles d’air formées au cous du malaxage (ils ne lescréent pas).

Résultats observés

Avec Entraîneur d’air

EauGelée

Bulles d’air entraîné jouant le rôle

de vase d’expansion

EauGelée

Sans Entraîneur d’air

EauGelée

L'eau en gelant voit son volume

augmenter de 9% créant des

désordres dans le béton.

35

V. Les hydrofuges de masse

→ Définition et utilisation :Adjuvants qui permettent de limiter la pénétration de l’eaudans les pores et les capillaires du béton.

Avec HydrofugeSans Hydrofuge

VI. Les rétenteurs d’eau

→ Définition et utilisation :Réduisent le départ de l’eau par ressuage. De plus, ilaugmente l’homogénéité et la stabilité du mélange

36

10

Chapitre V : Les additions minérales

→ L’incorporation des additions minérales dans le bétonpeut se faire à 3 niveaux :

I Modes d’introduction et type d’addition

• en cimenterie : mélangées au clinker pour obtenir desciments composés,

• en cimenterie : introduction dans le cru du cimentpour corriger la composition du cru (ex. : utilisation descendres volantes comme source d’alumine),

• dans la bétonnière en remplacement d’une partie duciment.

→ Les additions normalisées admises dans le béton ensubstitution du ciment CEMI (95% de clinker) sont :

• les laitiers vitrifiés moulus de haut-fourneau,• les cendres volantes de houille (V),• les additions calcaires,• les fumées de silice,• les fillers siliceux.

→ La norme NF EN 206-1 sur les bétons définit 2 typesd’additions minérales :

• les additions quasiment inertes (de Type I)• les additions à caractère pouzzolanique ouhydraulique latent (de Type II).

37

→ L’indice d’activité i 28 = Rc28j (mortier contenant 75%ciment + 25% d’addition) / Rc28j (mortier contenant 100%ciment).On montre (formule de Bolomey) que k=3i-2 .

Valeurs de k (selon la norme NF EN 206-1) :laitiers vitrifiés de hauts fourneaux (classe B) : k =0.9

cendres volantes de houille : 0.4<k<0.6additions calcaires : k=0.25

fumées de silice : k=1 ou 2 selon l’environnementadditions siliceuses (classe A) : k=0.25.

→ Le liant équivalent est constitué de ciment CEM I etd’additions normalisées.La quantité de liant équivalent est définie par : L = C + kAavec C : quantité de ciment CEM I (kg/m3 de béton)

A : quantité d’addition (kg/m3 de béton)k : coefficient de prise en compte

II. La notion de liant équivalent

III. Propriétés des additions (origines de leur act ivité)

→ Effet « filler »: cet effet n’est pas propre aux additionsminérales normalisées mais il existe avec tous lesmatériaux fins.

Il provient de l’augmentation de compacité du squelettegranulaire par remplissage des vides entre les granulats.38

→ Pouzzolanicité: la réaction pouzzolanique est uneréaction chimique entre la silice provenant de l’additionminérale et l’hydroxyde de calcium (Ca(OH)2) produit parl’hydratation du ciment.

→ Effets physiques: effets encore mal connus. Théoriesles plus avancées:

Cette réaction est lente (peut être mise en évidence parune augmentation de l’indice d’activité de l’addition entre28 et 90 jours).

• les additions minérales accéléreraient l’hydratation duciment en offrant de sites de germination et decroissance pour les hydrates formés.• la présence des additions inertes chimiquementpourrait servir de « ponts » aux hydrates formés etainsi accroître les résistances mécaniques du bétondurci.

39 40

11

Chapitre VI : Evolutions de la pâte de ciment

→ Rappels : les constituants du ciment anhydreI L’hydratation du ciment Portland

→ Produits d’hydratation :

• Silicate bicalcique (bélite) : β-C2S• Silicate tricalcique (alite) : C3S• Aluminate tricalcique : C3A• Aluminoferrite tétracalcique : C4AF• Sulfate de calcium (anhydrite) : CS

→ Notation des principaux hydrates formés lors del’hydratation du ciment :

• Hydroxyde de calcium (Portlandite) : CH• Silicates de calcium hydratés : C-S-H.• Aluminate monocalcique hydraté : CAH10• Aluminate tricalcique hydraté : C3AH6

• Ettringite : C6AS3H32

1) Hydratation du C3S (hydratation des silicates)

• Portlandite :

→ Remarque : les formules de Bogue : voir poly

• densité ≈ 2.25, faible surface spécifique (compacte),

• cristallisée en formes de plaquettes (systèmehexagonal),

• solubilité dans l’eau = 1.2 g/l à 20°C,

• 20 à 25% de la pâte de ciment hydratée.

41

2 points importants :- solubilité importante- pH élevé (en solution saturée, pH=12.45).

• C-S-H :• gel très peu cristallisé,• composition très variable (1.5<C/S<2),• grande surface spécifique (200 à 300 m2/g),microporeux (qqs Å à qqs dizaines Å),• très faible solubilité,• 60 à 70% du volume de la pâte de ciment hydratée.

42

→ Cinétique d’hydratation (voir poly)

• Période initiale (ou de gâchage) :

• Période dormante :Pendant quelques heures les réactions vont se poursuivrelentement : la consommation d’eau et la quantité deshydrates formés sont très faibles, le béton reste maniable.

• Période de prise :Les cristaux de portlandite et les fibres des CSH vonts’enchevêtrer et remplirent peu à peu les pores ⇒ lematériau devient plus dense et plus solide. La vitesse desréactions diminue à cause de la barrière d’hydrates quientourent les grains anhydres.

• dissolution superficielle du C3S ⇒ ions silicatesH2SiO4

2-, OH-, Ca2+,• au bout de quelques secondes, la solution devientsursaturée par rapport aux CSH (C/S≈1) qui précipitentrapidement.

La solution devient de plus en plus sursaturée par rapportà la portlandite :

⇒ « gâchette chimique » = précipitation de la portlandite⇒ effet de pompe à calcium à la surface des grains qui vaaccélérer leur dissolution⇒ modifications dans la pâte de ciment :

• formation rapide de CSH (C/S≈2),• augmentation du flux thermique,• formation de cristaux qui va générer des liaisons ⇒perte de maniabilité.

43

• Période de durcissement :Au bout d’une dizaine d’heures, la couche d’hydratesautour des grains anhydres est suffisante pour diminuer ladiffusion des ions et de l’eau mais l’hydratation se poursuitlentement pendant des années. Parallèlement, lesrésistances mécaniques augmentent de façon progressivemais de plus en plus lentement.

→ Hydratation du ββββ-C2S :Les mécanismes d’hydratation du β-C2S sont analogues àceux du C3S. Les principales différences sont :

• les réactions sont beaucoup plus lentes,• l’exothermicité est plus faible,• la quantité de CH formée par mole d’anhydre est 3fois plus faible.

44

12

→ Produits d’hydratation :

2) Hydratation du C3A (hydratation des aluminates)

• Trisulfoaluminate (ettringite) : C3A, 3CaSO4, 32H2O

• Monosulfoaluminate : C3A, CaSO4, 12H2O

→ Cinétique d’hydratation (voir poly)

• Période initiale (ou de gâchage) :Dissolution : C3A + 2H2O → 3Ca2+ + 2AlO2- + 4OH-

CaSO4,2H2O → Ca2+ + SO42- + 2H2O

• Période de ralentissement :

L’ettringite est stable si la concentration en sulfates estsuffisamment élevée, dans le cas contraire, elle sedécompose en monosulfoaluminate.

• hexagonal en aiguille (« oursins »),• instable à température moyenne (commence à sedéshydrater vers 50-60°C),• expansif (problème de gonflement lors de laformation d’ettringite secondaire).

• hexagonal sous forme de plaquettes (roses dessables ≠ portlandite),• ne se forme que si la concentration en sulfates estfaible.

→ Formation d’ettringite : C3A + 3 CaSO4,2H2O + 26H2O → C3A, 3CaSO4, 32H2O + Q

• L’ettringite continue de se former, les réactions étant plus lentes → raidissement de la pâte,• à partir de ce moment, le gypse est inutile car la pâte est durcie.

45

→ Remarque : hydratation en l’absence de sulfate :En l’absence de sulfate : C3A + 6H2O → C3AH6 + Q avec Qtrès élevé (865 J/g).Réaction très rapide : « prise éclair »

→ Hydratation du C 4AF :Réactions comparables avec celles qui se produisent avecle C3A MAIS

⇒ ajout des sulfates de calcium qui vont réagir avec le C3Apour former de l’ettringite mais de façon moins brusque.

⇒ d’où l’expression utilisée de «régulateurs de prise ».

• vitesses de réaction beaucoup plus lentes• produits d’hydratation qui contiennent du Fe2O3.

46

II Les changements externes de la pâte de ciment

1) Variation dimensionnelle

→ L’hydratation du ciment s’accompagne d’une diminutionde volume absolu total appelée «contraction de LeChatelier».

2) Variation de consistance

→ Cette variation de volume d’environ 9 à 10% s’expliquepar le fait que le volume des hydrates est inférieur auvolume des constituants (anhydre + eau).

→ La formation des hydrates au cours du temps rigidifie lapâte de ciment.

→ La mesure des temps de début et de fin de prise estnormalisée et se fait avec l’appareil de Vicat.Principe : mesure de l’enfoncement d’une aiguille dediamètre donné dans la pâte de ciment.

→ Raidissements anormaux :• Incompatibilité adjuvant/ciment = perte rapide del’efficacité de l’adjuvant,• Fausse prise : formation de gypse si le sulfate estsous forme d’hémihydrate (CaSO4,1/2H2O).

• Prise éclair : si la quantité de sulfate est insuffisante,le C3A s’hydrate rapidement.

47

→ Les réactions d’hydratation sont exothermiques. Leschaleurs d’hydratation sont propres à chaque constituant.

3) Échauffement

Ordres de grandeur : Chaleur d’hydratation au bout de 6mois : C2S ≈ 250 J/g

C3S ≈ 500 J/gC3A ≈ 850 J/gC4AF ≈ 300 J/g

→ Conséquence : échauffement global du béton (nonnégligeable : + 50°C dans des pièces massives pour desciments très exothermiques !)

→ Une des conséquences de cet échauffement est unretrait des bétons aux jeunes âges (« retrait thermique »)

→ Paramètres principaux influençant les cinétiques deprise :

• Surface spécifique du ciment ↑ ⇒ ↑ vitesse de prise• Température ↑ ⇒ ↑ vitesse de prise

• Teneur en C3A et en sulfate et type de sulfate.• Quantité d’eau de gâchage ↑ ⇒ ↓ vitesse de prise

48

13

II La pâte de ciment durcie

1) Porosité de la pâte de ciment durcie

→ Le modèle le plus utilisé pour étudier la structuration despâtes de ciment vieillissantes est le modèle de Powers(1958).

→ L’analyse porosimétrique d’une pâte de ciment (rapportE/C>0.42) fait apparaître 2 familles de pores :

• les pores capillaires de plus grande taille,• les pores du gel hydraté (CSH).

Fig. VI.4 : Composition volumique d’une pâte de ciment hydraté avec apport d’eau extérieure pour un temps de durcissement très

long (Powers)

49

→ La porosité capillaire correspond aux vestiges des videsintergranulaires (espaces entre les grains de ciment noncomblés par les hydrates).

→ Les pores du gel hydraté (CSH) représentent environ26% du volume du gel.

Fig. VI.5 : Mise en évidence par porosimétrie mercure de la porosité capillaire et de celle des hydrates

La dimension de ces pores est de l’ordre du µm.

Ces pores ont une dimension inférieure à qqs dizaines denm (ordre de grandeur = qqs molécules d’eau).

50

→→→→ Evolution de la porosité capillaire et des pores deshydrates en fonction du rapport E/C :

→→→→ Evolution de la porosité capillaire au cours dutemps:

Fig. VI.6 : Développement progressif des hydrates dans une pâte de ciment

⇒ Au cours de l’hydratation, les espaces intergranulairessont progressivement comblés par les hydrates.

E/C

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

Fig. VI.7 : Influence du rapport E/C sur l’évolution porosimétrique de ciment Portland âgé de 28 jours

51

⇒ Plus E/C est élevé, plus :• le volume cumulé des pores est important (porositéimportante),

⇒ Diminution des résistances mécaniques etaugmentation de la perméabilité des bétons (diminution deleur durabilité).

2) Influence des conditions d’hydratation

→→→→ Conservation avec ou sans apport d’eau externe:

Sans apport d’eau externe Hydratée sous eau

Fig. VI.8 : Composition volumique de pâtes de ciment hydraté pour un temps de durcissement très long (Powers)

⇒ La conservation sous eau permet une hydratation pluscomplète et conduit ainsi à une densité volumiquesupérieure.

• le taille maximale des pores est importante.

52

14

→→→→ Influence d’une cure humide et de sa durée:

⇒ L’augmentation de la durée de la cure humide conduit àune diminution de la perméabilité.

⇒ L’influence de la durée de cure est beaucoup plusimportante pour des bétons à forts E/C.

0.700.62

0.55

0.470.40

Fig. VI.9 : Influence de la durée de cure humide initiale sur la perméabilité à l’air de bétons gâchés à différente teneur en eau

53

3) Influence spécifique des granulats : l’auréole detransition

→ Au voisinage de l’interface pâte-granulat: effet de paroi⇒ excès d’eau ⇒ augmentation de la porosité.

→ La structuration de la pâte de ciment est donc modifiéesur qqs dizaines de µm = « auréole de transition »= zone plus fragile et plus perméable dans les bétonsintervenant dans la résistance mécanique et la durabilité.

3

2 0

Fig. 6.9 : Modification de la structure porosimétrique par addition de sable à la pâte de ciment

54

55 56

15

Chapitre VII : La formulation des bétons

→ La confection d’un béton passe au minium par lesétapes suivantes :

I Formulation expérimentale (voir poly)

• formuler le béton (choisir les matériaux constitutifs etles proportionner) en effectuant un calcul approché

→ La formulation expérimentale la plus simple nécessiteun récipient de volume connu et une balance . Cetteméthode permet en outre de bien apprécier l’essencemême du béton : Qu’est ce qu’un béton ?

• réaliser une première gâchée d’essai en laboratoire,

• ajuster cette première gâchée et étudier sa sensibilitéen laboratoire (épreuve d’étude),• vérifier sa faisabilité sur chantier (épreuve deconvenance).

→ C’est d’abord un arrangement granulaire le pluscompact possible (pour simplifier, nous considérerons unmélange binaire gravillons + sable) collés entre eux par unliant.Le béton sera d’autant plus performant (mécaniquementet chimiquement) qu’il sera compact.

57

→ Pour formuler notre béton expérimental, nous allonsprocéder de la manière suivante :

• Trouver les proportions optimales sable/gravillonspour avoir une porosité apparente mini,• Remplir le maximum de cette porosité avec duciment,• Boucher les vides restants avec de l’eau.

→ Aspects pratiques :1- Mesurer :

• la masse volumique apparente des granulats : onremplit le récipient de volume connu et on mesure lamasse,

2- Faire des mélanges de différentes proportions degranulats et mesurer leur porosité intergranulaire.

3- Combler la porosité intergranulaire du mélangeoptimum avec du ciment : volume de ciment =p*Vapparent.

4- Mélanger les granulats et le ciment, recalculer laporosité intergranulaire du mélange et la combler avec del’eau.

• la masse volumique réelle des granulats : on mesurel’augmentation du volume d’eau contenue dansrécipient gradué (volume réel des granulats) lorsqueque l’on ajoute une masse connue de granulats,• la porosité intergranulaire : p=1-ρv/ρr.

58

On constate que les proportions de chaque constituantsont proches de ce que l’on aurait pu trouver avec desméthodes de formulation basées sur le calcul et qu’il estpossible de mettre en œuvre ce béton (même s’il est trèssec).

II Méthode de formulation : une approche synthétique

→ L’approche synthétique repose sur 3 hypothèses :

• béton = arrangement granulaire le + compact possible,• après addition d’eau, maniabilité suffisante pour assurerle remplissage correct des coffrages et des ferraillages,• après durcissement, il doit acquérir une résistance(mécanique et/ou chimique) voulue.

D. le dosage des différents granulats utilisés,E. le volume de fines (et vérifier qu’il soit suffisant).

→ Les objectifs d’une méthode de formulation reviennentà déterminer :

A. la dimension du plus gros granulat (choix desclasses de granulats),

B. le dosage en eau à ajouter au mélange pour avoirune consistance donnée,

C. le dosage en liant pour atteindre une résistancevisée (mécanique et/ou chimique) : Attention : il fautvérifier les critères de la norme NF EN 206-1,

→ Avec cette méthode, on obtient le mélangegranulats/liant/eau le plus compact possible.

59

A. La détermination de D dépend du coffrage et duferraillage. La valeur de D peut être définie à partir desdispositions constructives données dans la section 8 del’Eurocode 2.

B. Le dosage en eau efficace dépend de la consistancevisée ainsi que de la forme et de la taille des granulats.

Des corrections sont apportées en fonction de la taille et dela forme des granulats (+10% si l’on emploie des granulatsconcassés).

D’autres corrections peuvent être apportées (températureambiante, utilisation d’adjuvants, durée pratiqued’utilisation (DPU)).

60

16

C. Dosage en liant équivalent : le liant équivalent estdéterminé en fonction de la résistance visée fcj (avecfcj=fck+ε MPa (avec ε compris entre 3 et 6 MPa)) à partir dela formule de Bolomey :

avec fmj : résistance du ciment au jour j (tableau G)Kb : facteur granulaire (tableau H)E et v : volume d’eau et d’air respectivement

)5.0( −+

+⋅⋅=vE

kACKff bmjcj

ATTENTION :La norme NF EN 206-1 donne des valeurs limites àrespecter en fonction de la classe d’environnement(résistance chimique) pour :

• le rapport Eau efficace/Liant équivalent maxi,• le dosage minimal en ciment à respecter.

Il convient donc de vérifier que la quantité de liantdéterminée pour atteindre une résistance mécanique(Bolomey) soit supérieure à celle donnée par la norme.

61

D. Dosage des granulats :Le dosage des granulats se fait en deux étapes :

• détermination du volume global de granulat :Vbéton = Vgranulats + Vliant + Veau + Vair.

Tracé de la courbe granulaire optimale

A : x=D/2 et y=50-√D

O : x=63µm et y=0%

B : x=D et y=100%.

• détermination de la proportion de chaque granulat :cette méthode graphique est tirée de la méthode deformulation de Dreux.

62

Exemple de détermination graphique des proportions pour un mélange binaire (sable+gravillon)

→ Ms = point de la courbe granulométrique du sable pourun tamisat de 95%.

mg = point de la courbe granulométrique du gravillon pourun tamisat de 5%.

La proportion de sable et de gravillon correspond àl’ordonnée du point C, intersection de Msmg et de lacourbe granulaire optimale.

E. Volume de fines : la teneur en fines optimale estdonnée par la relation :

5

3 220)/(

DmlV fines =

→ Selon les propriétés recherchées, cette teneur peutlégèrement évoluer (cf tableau ci-après).

63

→ Remarque: fines = ciment + fines contenues dans lesable (environ 2%) + éventuellement additions minérales.

Volume de fines dans les bétons (en l/m3) pour différentes valeurs de D

64

17

Chapitre VIII : Le durcissement du béton

→ Le béton est un matériau vieillissant et visqueux. Soncomportement mécanique dépendra donc du temps sousdeux aspects :

→ L’étude du comportement mécanique des bétons durcis peut être scinder en 3 parties :

→ Le durcissement du béton est fonction de plusieursparamètres : le temps, la température, l’hygrométrie et laformulation.

• Durcissement et vieillissement du béton,

• Comportement mécanique à un âgedonné sous chargement quasi instantané,

• Comportement mécanique sous chargemaintenue et de niveau constant (fluageet retrait).

Mécanique des bétons (E. Ringot*)

• la durée d’application de la charge (caractèrevisqueux).

• l’âge du béton au moment de la mise en charge(caractère vieillissant),

*https://sites.google.com/site/sciencespourlingenieur/65

696967

63

54

36

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 28 56 84 112 140 168 196 224 252 280 308 336 364

Age (jours)

Rc

(MP

a)

Fig 8.1 : Résistance à la compression d’un mortier normalisé (CEM I 52.5R)

→ La vitesse de durcissement dépend de nombreuxparamètres (type de ciment, adjuvants, cure, …) mais elleest toujours décélérée avec le temps.

→ En effet :les réactions d’hydratation ralentissent au cours du tempscar les enveloppes d’hydrates qui se forment autour desgrains anhydres sont de + en + épaisses

I Influence du temps

→ Influence de la température sur le comportement dubéton :

II Influence couplée température/temps

⇒ gênent la progression de l’eau vers le cœur anhydre.

• béton frais : le délai de maniabilité ↓ quand la T° ↑.⇒ retardateur de prise pour bétonnage par temps chaud,⇒ étuvage béton : permet la réduction des délais dedécoffrage.

66

→ L’élévation de température lors de la prise et dudurcissement conduit à un accroissement de la vitessedes réactions (maturométrie).

• béton durci : les résistances atteintes à long terme sontdiminuées lorsque le béton à subi des températuresélevées aux jeunes âges.

III Degré hygrométrique et cureA retenir :→ Un béton durcira d’autant moins vite que le milieuambiant est sec

⇒ Les réactions chimiques d’hydratation et lastructuration conséquente de la pâte sont pratiquementstoppées lorsque HR<75%.

67

→ Un béton acquiert une grande partie de sa résistancelorsqu’il est en condition humide (conservation dans l’eauou cure) ⇒ nécessité d’une cure .

Fig 8.3 : Influence de l’humidité relative sur l’évolution des résistances d’un béton ordinaire (Price, 1951)

68

18

→ Une prolongation de cure permet une économie deciment.

Fig 8.4 : Résistance en compression à un an d’un béton de CEM II 32.5 en fonction du dosage en ciment pour différentes durées

de cure (DIAFAT, 1996)

⇒⇒⇒⇒ On constate à peu près que 28j de cure ≡ 50 kg de ciment

→ Absence de cure aux jeunes âges ⇒• ralentissement des réactions d’hydratation,• un retrait de dessiccation important du béton quipeut aller jusqu’à sa fissuration.

69

IV Influence de la formulation→ La teneur en ciment et en eau :Les résistances peuvent être déterminées par desformules empiriques :

fc: résistance du béton à l’échéance considérée,kb : coefficient (dépend principalement des granulats),fm: résistance normale du ciment à la même échéance,C, E, A : masses de ciment, d’eau et d’addition minérale(kg/m3),k : coefficient de prise en compte de l’addition minérale,v : volume d’air exprimé en masse du volume d’eauéquivalent (kg/m3).

−+

+⋅⋅= 5.0vE

kACfkf mbcBolomey :

Feret : ( )2

++⋅⋅=

vec

cfkf mfc

fc: résistance du béton à l’échéance considérée,k f : coefficient (dépend principalement des granulats),fm: résistance normale du ciment à la même échéance,c, e, v : volumes de ciment, d’eau et d’air (occlus etentraîné) (l/m3)

70

→ Rôle des adjuvants :Problème des effets secondaires :Exemple : certains fluidifiants s’ils sont surdosés peuventretarder le durcissement à 1 jour.

→ Rôle des additions minérales :• les cendres volantes ralentissent le durcissementinitial mais accroissent les résistances finales(pouzzolanicité),

• le laitier ralentit également le durcissement,• la fumée de silice ne retarde pas le durcissement.

71 72

19

Chapitre IX : La durabilité du béton

→ Réduire la perméabilité ⇔⇔⇔⇔ améliore la durabilité :

I Prescriptions générales pour accroître la durabilitédes bétons

• Résistance mécanique : Rm élevée ⇔ faibleporosité ⇒ faible perméabilité d’où exigences sur lesdosages mini en liant et sur les rapports E/C enfonction de la classe d’environnement.

• Conditions technologiques : bonne mise en place(respect des profondeurs d’enrobage, …), cure, …

• Non fissuration : éviter la fissuration accidentelle.

→ De plus, on peut jouer sur d’autres paramètres :• Chimiques : nature des ciments selon les risquesliés à l’environnement (ciments PM, ES ou cimentsalumineux, …). Tenir compte aussi des possibilités deréaction avec les granulats (RAG).

• Physiques : cas particulier des cycles de gel-dégel :durabilité améliorée par la création d’un réseau debulles d’air entraîné.

73

→ En général, les bétons sont peu sensibles auxattaques par les eaux pures.

1) Durabilité du béton dans les eaux naturelles

⇒ Erosion progressive de la surface.

2) Durabilité du béton au contact des milieux acides

→ L’agressivité des acides minéraux et organiquesdépend essentiellement de leur concentration et de lasolubilité des sels formés.→ Exemple concret : dallage dans les élevages (attaquepar des acides faibles organiques) ⇒ une érosion de lasurface mettant à nu les granulats.

→ L’attaque du béton par les eaux pures et doucesdébute par une dissolution de la portlandite, puis dessilicates et des aluminates de calcium hydratés.

→ Prévention: utiliser un ciment formant peu de Ca(OH)2

• Ciments aux laitiers de Hauts fourneaux• Ciments alumineux fondu

→ La durabilité du béton dans l’eau de mer est complexecar les réactions chimiques sont nombreuses et encompétition (dissolution/précipitation).

→ On peut retenir :• action des sulfates : expansion (ettringite)• action des chlorures : corrosion des armatures

3) Durabilité des bétons en milieu marin

II Durabilité du béton vis-à-vis des eaux agressives

74

→ Prévention:

→ Sources de sulfate:• Externes : sols, eaux souterraines, environnementsindustrielles, eaux usées, eau de mer.• Internes : granulats (pyrite FeS2), sulfate dans lesgrains de clinker, étuvage (>70°C)…

• Choisir un ciment à faible teneur en C3A: ES ou PM.• Utiliser des additions minérales pouzzolaniques.

IV Durabilité du béton face à l’alcali-réaction→ Alcali-réaction = réaction entre de la silice réactivecontenue dans certains granulats (dits réactifs) et lesalcalins présents dans la solution interstitielle de la pâtede ciment.⇒ formation d’un gel silico-alcalin qui s’accompagne d’ungonflement ⇒ expansion et fissuration du béton.

→ L’importance du problème varie d’un pays à un autre(les + exposés : Japon, Afrique du sud, Canada et USA).

→ La réaction sulfatique est due à l’action des sulfates surles aluminates contenus dans la pâte de ciment.Cette réaction se traduit par la formation d’ettringite ⇒gonflements ⇒ fissuration du matériau.

III Durabilité du béton en présence de sulfates

→ La France est pour le moment relativement épargnée(bien que 500 ponts, soit environ 1/1000, soient atteints).

→ Délais de manifestation des désordres : plusieursannées voire plusieurs dizaines d’années.

75

→ Prévention : empêcher une des 3 conditionsnécessaires :

• la présence d’un granulat potentiellement réactif (=contenant de la silice réactive),• une concentration en alcalins élevée dans la solutioninterstitielle (favorise un pH élevé),• des conditions d’humidité suffisantes.

V Durabilité du béton en atmosphère hivernalerigoureuse2 types d’agressions liées aux périodes hivernalerigoureuse existent :

• les cycles thermiques de gel-dégel ⇒ fissuration dubéton,• l’attaque des sels de déverglaçage ⇒ écaillage(détérioration de la surface).

1) Les cycles de gel-dégel et leurs conséquences

→ Les cycles de gel-dégel provoquent :• des gonflements faibles par cristallisation de laglace,• des pressions liées aux mouvements de l’eau deszones non encore gelées vers les zones gelées.

→ Prévention : air entraîné : la présence d’un réseau debulles d’air entraîné va permettre à l’eau de se déplacersans créer de pressions importantes.

76

20

2) Les sels de déverglaçage et leur conséquence

→ Sels de déverglaçage utilisés comme fondant : chlorurede sodium ou chlorure de calcium.→ Dégradation sous forme d’écaillage avec la disparitionde la peau du béton et le déchaussement des granulats.

→ 2 types de mécanismes peuvent expliquer cephénomène:

• Le choc thermique produit par la fusion brutale dela glace. L’énergie nécessaire est empruntée à lacouche sous-jacente de béton ⇒ refroidissementbrutal.• La diffusion et l’action des sels sur le béton :réactions chimiques, pressions osmotiques (dues àune différence de concentration), …

77

VI La carbonatation du béton→ Le CO2 contenu dans l’air réagit sur tous les hydratesmais la réaction avec la portlandite est la plus rapide :

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

→ L’épaisseur de la couche carbonatée augmenteproportionnellement à la racine carrée du temps :

tAx ⋅=

Les mécanismes réactionnels sont complexes. Sansentrer dans les détails, la carbonatation s’effectue à partirdu CO2 dissous dans l’eau qui réagit sur la chaux passéeen solution.

Fig 9.1 : Loi de croissance linéaire de l’épaisseur carbonatée en fonction de √t

78

Fig 9.2 : Variation de la profondeur de carbonatation sous différentes actions climatiques

→ Paramètres importants:• Porosité : la carbonatation des BHP est quasimentinexistante.• HR : béton saturé ou béton sec: pas decarbonatation. La profondeur de carbonatation estmaxi pour 60<HR<70%.

→ Principale conséquence de la carbonatation =corrosion des armatures de BA.

79 80

21

Chapitre X : La norme NF EN 206-1

→ La norme NF EN 206-1 s’applique aux bétons :

→ Elle couvre aussi bien le BPE que le béton pouréléments préfa.

→ Le prescripteur : personne physique ou morale quiétablit la spécification du béton frais et durci.Responsabilité: il est responsable de la spécification dubéton et du choix de la classe d’exposition.

• de masse volumique normale, légers ou lourds,• destinés aux structures ou éléments de structure,• pour le bâtiment et le génie civil.

I Définition des 3 acteurs clés et de leursresponsabilités

→ Le producteur : personne physique ou morale quiproduit le béton frais.Responsabilité: il est responsable de la conformité et ducontrôle de production.

→ L’utilisateur : personne physique ou morale qui utilisele béton frais pour l’exécution d’un ouvrage ou d’unélément préfabriqué en béton.Responsabilité: il est responsable de la mise en œuvredu béton dans l’ouvrage ou dans l’élément structurel.

81

II Les classes d’exposition→ La prise en compte de l’environnement dans lequel vase situer l’ouvrage (ou la partie d’ouvrage) et des risquesd’attaques auxquels il va être exposé pendant sa durée devie va permettre d’optimiser les performances du béton etsa durabilité.

→ A chacune des classes correspondant desspécifications sur la composition de béton et la classe derésistance (valeurs limites).

→ Objectif: garantir une durée de vie des structures:• au moins 50 ans pour les bâtiments,• 100 ans pour les ouvrages d’art.

→ Six classes d’exposition divisées en sous classes:• X0 : aucun risque de corrosion ni d’attaque• XC : corrosion induite par carbonatation (4 sous-classes)• XD : corrosion induite par les chlorures ayant une origineautre que marine (3 sous-classes)• XS : corrosion induite par les chlorures présents dansl’eau de mer (3 sous-classes)• XF : attaque gel/dégel avec ou sans agent dedeverglaçage (4 sous-classes)• XA : attaque chimique (3 sous-classes)

82

83 84

22

85

1) Les classes de consistance

III Classification des bétons

→ La norme NF EN 206-1 définit les spécifications desbétons :

• à l’état frais (classe de consistance),• à l’état durci (Rc28).

CLASSE AFFAISSEMENT en mm

S1 10 à 40

S2 50 à 90

S3 100 à 150

S4 160 à 210

S5 ≥ 220

→ Essai au cône d’abrams ⇒ 5 classes.

2) Type de béton en fonction de la masse volumique

→ Béton léger : 800-2000 kg/m3

Béton de masse volumique normale : 2000-2600 kg/m3

Béton lourd : > 2600 kg/m3.

Classe de masse Volumique

D 1,0 D 1,2 D 1,4 D 1,6 D 1,8 D 2,0

Plages de masse Volumique en kg/m3

≥ 800 et

≤ 1 000

> 1 000 et

≤ 1 200

> 1 200 et

≤ 1 400

> 1 400 et

≤ 1 600

> 1 600 et

≤ 1 800

> 1 800 et

≤ 2 000

→ 6 classes de masse volumique pour les bétons légers.

→ La norme propose 2 familles de classes de résistanceen fonction de la masse volumique du béton.

86

3) Classes de résistance à la compression

Classe de résistance

à la compression

Résistance caractéristique minimale sur

cylindres fck-cyl N/mm²

Résistance caractéristique

Minimale sur cubes fck-cube N/mm²

Classe de résistance

à la compression

Résistance caractéristique minimale sur

cylindres fck-cyl N/mm²

Résistance caractéristique Minimale sur

cubes fck-cube N/mm²

C8/10 8 10 C45/55 45 55

C12/15 12 15 C50/60 50 60

C16/20 16 20 C55/67 55 67

C20/25 20 25 C60/75 60 75

C25/30 25 30 C70/85 70 85

C30/37 30 37 C80/95 80 95

C35/45 35 45 C90/105 90 105

C40/50 40 50 C100/115 100 115

Béton de masse volumique normale et béton lourd : 1 6 classes

Classe de résistance

à la compression

Résistance caractéristique minimale sur

cylindres fck-cyl N/mm²

Résistance caractéristique

Minimale sur cubes fck-cube N/mm²

Classe de résistance

à la compression

Résistance caractéristique minimale sur

cylindres fck-cyl N/mm²

Résistance caractéristique Minimale sur

cubes fck-cube N/mm²

LC8/9 8 9 LC40/44 40 44

LC12/13 12 13 LC45/50 45 50

LC16/18 16 18 LC50/55 50 55

LC20/22 20 22 LC55/60 55 60

LC25/28 25 28 LC60/66 60 66

LC30/33 30 33 LC70/77 70 77

LC35/38 35 38 LC80/88 80 88

Béton léger : 14 classes

4) Dimension maximale des granulats

→ Classification des bétons en fonction du Dmax.

87

5) Classes de chlorures

→ La norme NF EN 206-1 définit les teneurs maximales en ions chlorures rapportées à la masse du ciment du béton à respecter en fonction de son type d’utilisation.

Utilisation du béton Classe de chlorures Teneur maximale en ions chlorure (Cllll)

Contenant des armatures de précontrainte en acier

CI 0,20

0,20 %

Contenant des armatures en acier ou des pièces métalliques noyées

CI 0,40

0,40 %

Contenant des armatures en acier ou des pièces métalliques noyées et formulées avec des ciments de type CEM III

CI 0,65

0,65 %

Ne contenant ni armatures en acier, ni pièces métalliques noyées

CI 1,0

1,0 %

→ Elle définit quatre classes de chlorures :

IV Spécification du béton

→→→→ 3 types de béton:

• Béton à Propriétés Spécifiées (BPS):Béton pour lequel les propriétés requises et lescaractéristiques supplémentaires sont spécifiées auproducteur par le prescripteur.Le producteur est responsable de fournir un bétonsatisfaisant à ces exigences.

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23

• Béton à Composition Prescrite (BCP):Béton pour lequel la composition et les constituants àutiliser sont spécifiés au producteur.Le producteur est responsable de fournir un béton quirespecte cette composition.

• Béton à Composition Prescrite dans une norme:Béton à composition prescrite dont la composition estdéfinie dans une norme applicable là où le béton estutilisé.

→→→→ Exemple de commande d’un BPS = spécificationsminimales requises:

BPS NF EN 206-1 C 30/37 XC1 (F) Dmax 22,4 S2 Cl 0,65

Conformité à la norme

Classe de résistance à la compression

(cyl/cube)

Classe d’exposition

Granularité

Classe de consistance

Classe de teneur en chlorure

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