Le Béton Armé

Département d’Architecture -Annaba- Mr. LAKHAL Ridha Master : Restauration des Patrimoines (Cours : Pathologie des Bétons Armés - Corrosion)

(Chapitre 01 : Béton Armé- Rappel) Page 1 sur 10

I-

Chapitre I : Le béton armé - Rappel

Béton :

Le béton est un matériau obtenu après malaxage de ciment, d'eau, de granulats (sable, gravier, caillou...) et éventuellement d'adjuvants (des plastifiants, des fluidifiants,..) ou des additions minérales (cendres volantes, fumées de silice, laitiers, fillers,..) dans des proportions bien déterminées et en fonction des caractéristiques voulues. L'ensemble doit être homogène et la pâte résultant des réactions entre le ciment et l'eau est l'élément actif du béton.

1-

C’est Louis Vicat (1786 -1862) qui a donné pour la première fois en 1817, dans son mémoire à l’Académie des Sciences, des indications précises sur les proportions de calcaire et d’argile permettant de fabriquer par cuisson du «ciment hydraulique»

Ciment

Les ciments sont obtenus par calcination de pierres calcaires plus ou moins argileuses.

Le clinker broyé en poudre avec quelques % de gypse, pour modérer la prise, conduit au ciment (CPA

= Ciment Portland Artificiel)

• 45 à 65 % de silicate tricalcique ( Alite ) C3S

A l'issue de la cuisson, nous obtenons 4 phases cristallines

• 15 à 25 % de silicatebicalcique (Bélite) C2S • 0 à 10 % d'alumino-ferrite tétracalcique C4AF • 0 à 15 % d'aluminate tricalcique C3A

• Silice ………….....SIO2………………………..…..S

Résumé chimique et notation cimentière :

• Chaux……………CaO………………………….....C • Alumine………….Al2O3…………………………..A • Oxyde de Fer……Fe2O3………………………..….F



1-1.

Schéma d’Hydratation initiale d’un grain de ciment

Les principaux produits de l’hydratation du ciment sont :

• CSH : Silicates de chaux hydratés -50 à 70 % • Portlandite : Cristaux de chaux précipités -25 à 27 %

La majorité des propriétés du béton sont liées à la nature du ciment et à sa composition : rhéologie,

résistance mécanique, résistance aux agressions chimiques, durabilité, aspect …d’où l’intérêt de connaître les caractéristiques de ses composants.

1-2.

1-2.1. Caractéristiques du ciment

• Le C3S agit principalement sur les résistances aux jeunes âges: plus le taux est élevé, plus les résistances aux jeunes âges sont importantes.

Les résistances :

• Le C2S agit principalement sur les résistances à long terme.

Courbes de résistance à la compression en fonction du temps de conservation pour les phases C3S, C2S,

C3A et C4AF pures.



1-2.2.

L'hydratation du ciment Portland est un processus exothermique (dégage de la chaleur). L'évolution de la chaleur d'hydratation ainsi que le développement total de cette chaleur peuvent être des facteurs importants spécialement dans la construction de barrage ou dans tout autre béton de masse.

Le C3A et le C3S contribuent très largement au développement de cette chaleur. Si l'on désire obtenir une faible chaleur d'hydratation, on pourra diminuer le C3A ou diminuer le C3S. En diminuant le C3S, on diminuera dans le même temps les résistances initiales.

La Chaleur d’Hydratation

1-2.3.

Les sulfates peuvent réagir avec le ciment en provoquant une expansion et une destruction. Certaines eaux de source ou de mer contiennent suffisamment de sulfates pour attaquer le béton. Le composant le plus vulnérable est le C3A. Un ciment résistant aux sulfates aura un faible taux de C3A.

Résistance au Sulfate

1-2.4. Résistance aux milieux agressifs

La résistance chimique d'un ciment est d'autant meilleure que son indice est plus élevé.

Indice d’Hydraulicité

Cet indice, appelé également "Indice de Vicat" est le rapport de la fraction acide du ciment à la fraction basique.

• I < 0,5 : le ciment est dit "Basique" • I ≥ 0,5 : le ciment est dit "neutre" (riche en laitier).

1-2.4.1. Résistances aux eaux à haute teneur en (E.S.) XP-P 15-319

Il faut utiliser de préférence des ciments riches en laitiers : CHF -CEM III / B, CLK -CEM III / C

Il est possible d'utiliser également des CPA / CEM I et CPJ CEM II, à condition que :

C3A ≤ 5 % 2 C3A + C4AF ≤ 20 % SO3< 2,3 % Mg0 < 4,0 %

Ces ciments sont dénommés ES.

1-2.4.2. Résistance à l’eau de mer / prise mer / NF-P 15-317

En règle générale, les ciments CPA / CEM I et CPJ / CEM II doivent répondre simultanément aux deux conditions suivantes:

C3A ≤ 10 % (C3A + 0,27 C3S) ≤ 23,5 (formule de Sadran)

Limitation également du SO3, MgO.

Ces ciments sont dénommés PM.



1-2.5.

La taille des grains, leur répartition voire leur forme ont une influence significative sur les paramètres rhéologiques, performantiels et esthétiques du béton ; On distingue plusieurs valeurs caractéristiques et représentatives :

Granulométrie

Surface Spécifique (Finesse Blaine) d50 ou Φ50 : diamètre médian % éléments > 40 µm % éléments > 80 µm Ces valeurs sont fournies par l’analyse granulométrique (laser) du ciment

Surface Spécifique (Finesse Blaine) = 3500 cm²/g

Pour un bon ciment

d50 ou Φ50 : diamètre médian = 10 µm % éléments > 40 µm < 10 % % éléments > 80 µm # 0

1-3. La normalisation des

ciments



2-

Granulats

• Carbonatée : calcaires, dolomies, alluvions calcaires

Roche sédimentaire:

• Silicatées : grés, grés quartzites, moraines, alluvions siliceuses

• Grenues : granites, diorites

Roches magmatiques:

• Microgrenues : microgranites, basaltes, andésites

• Grenues : gneiss, calcaire cristallin, migmatites

Roches métamorphiques:

• Microgrenues : schistes, quartzites



Les normes relatives aux granulats ont beaucoup changées dans les dix dernières années et ont conduit à une norme française -XP P 18-540-applicable jusqu’au 1 Décembre 2003 et à une norme européenne, prEN12 -620, applicable après cette date

analyse granulométrique

Sélection des paramètres principaux :

coefficient d’aplatissement : A Module de finesse : MF Propreté : P -PS + Valeur au Bleu : VB / VBF Absorption : Ab Los Angeles : LA Micro Deval : MDE Sensibilité au gel : G

2-1.

2-1.1.

Caractéristiques granulaires

Série de tamis française principale (P 18 -560) :

Analyse granulométrique :

0.08 -0.16 -0.315 -0.63 -1.25 -2 -5 -10 -20…

Série principale européenne (NF EN 933-2)

0.063 -0.125 -0.25 -0.5 -1 -2 -4 -8 16 -31.5 ...

3-

(Selon la norme NF P18-303)

L’eau est nécessaire à l’hydratation du ciment, elle facilite aussi la mise en œuvre du béton (Effet lubrifiant). Le rapport E/C est un critère important des études de béton ; c’est un paramètre essentiel de l’ouvrabilité du béton et de sa qualité : résistance mécanique à la compression, durabilité.

Seule l’eau potable peut être reconnue pour la fabrication du béton. L’eau de mer est interdite pour les bétons armés et précontraints. Toutes les eaux usées, de rejets industriels, de ruissellements doivent faire l’objet d’un contrôle selon la norme NF.

La teneur en chlorure dans l’eau ne doit jamais excéder 500 mg/litre.

Eau

3-1.

Elle provoque des déformations : Retrait, gonflement, création de réseaux capillaires

Actions et conséquences

Elle diminue les performances mécaniques : Cela se produit lorsqu'il y a excès d'eau Elle rend le béton sensible au gel : expansion lorsque transformation en glace Elle favorise les réactions électrochimiques : carbonatation, corrosion, alcali réaction Elle favorise les moisissures et le développement de matières organiques Elle dissout : gypse, plâtre, chlorure Elle transporte : chlorure, sulfates, gaz carbonique Elle chemine : par gravité, par capillarité, en vapeur

Une augmentation du dosage en eau aura une incidence directe sur les performances mécaniques

• baisse de la résistance à la compression / flexion • baisse de la compacité • augmentation de la porosité • augmentation de la perméabilité.



Et sur la qualité générale du béton • ségrégation • plus grande pénétration des agents extérieurs • défauts de parements • sensibilité à l’évaporation ...

4- Adjuvants

L’adjuvant est un produit incorporé au moment du malaxage du béton à une dose inférieure ou égale à 5 % en

masse de la teneur en ciment du béton, pour modifier les propriétés du mélange à l’état frais et /ou à l’état durci.

(Norme NF EN 934-2)

• Chaque adjuvant est défini par une fonction principale et une seule.

• Un adjuvant peut présenter une ou plusieurs fonctions secondaires.

Adjuvants modificateurs de la rhéologie du béton

• Plastifiants réducteurs d’eau • Superplastifiants haut réducteurs d’eau

Adjuvants modificateurs de prise du béton • Accélérateurs de prise • Retardateurs de prise

Autres catégories normalisées d’adjuvants • Hydrofuges • Entraîneurs d’air

Autres adjuvants non définis par la norme • Agents moussants • Agents de viscosité



5- La pâte de ciment hydraté est le résultat de la réaction chimique entre l'eau et le ciment (la réaction

d'hydratation). C'est un processus chimique complexe où les principaux composés du ciment réagissent pour former de nouveaux composés insolubles qui durcissent avec le temps.

C'est surtout l'hydratation du C3S et du C2S qui participe le plus au développement de la résistance en produisant des C-S-H. Très sommairement la réaction d'hydratation du C3S et du C2S est la suivante:

C3S Ou + H2O → C-S-H + Ca(OH)2 + T° (1)

C2S

L’hydratation du ciment

• Les hydrates les plus importants sont les C-S-H, un composé non stoechiométrique. Il s'agit d'un gel qui influence la plupart des propriétés de la pâte.

• La réaction du C3A avec l'eau dégage beaucoup de chaleur et elle doit être contrôlée par les sulfates, • la réaction du C3A forme des sulfoaluminates dont la forme la plus connue est l'ettringite

(3CaO.Al2O3.CaSO4.31H2O). • La réaction du C4AF dégage peu de chaleur et participe peu au développement de la résistance.

La pâte de ciment hydraté est formée par :

Les hydrates (C-S-H, Ca(OH)2, sulfoaluminates,..). Des grains de ciment anhydres. Des espaces capillaires. Des bulles d'air.

Les grains de ciment forment des hydrates qui précipitent et s’organisent en structures mécaniquement résistantes en suivant 3 grandes étapes :

Adsorption de l’eau à la surface du grain Dissolution Cristallisation

L’hydratation a lieu à l’interface ciment-eau, après quelques dizaines d’heures, elle se ralentit mais peut se poursuivre lentement pendant des années si la quantité d’eau est suffisante.

25 à 30 litres d’eau suffisent théoriquement à hydrater 100 kg de ciment lorsqu’on mélange l’eau et le ciment, on observe un phénomène défloculation floculation (grumeau et raidissement), qui a pour conséquence un faible rendement cristallin – cimentaire.

.



II-

a.

Acier d’armature:

On distingue quatre types d’acier pour armature (voir Figure suivante), du moins au plus écroui :

Introduction

1. Les aciers doux, sans traitement thermique ayant une valeur caractéristique de la limite élastique garantie de 125 ou 235MPa. Ce sont les ronds lisses (noté Á), qui ne sont plus utilisés que pour faire des crochets de levage en raison de leur très grande déformation à la rupture (allongement de 22%).

2. Les aciers laminés à chaud, naturellement durs, dit aciers à haute adhérence de type I. Ce type d’acier a une limite d’élasticité garantie de 400MPa et un allongement à la rupture de 14%.

3. Les aciers laminés à chaud et écrouis avec faible réduction de section (par traction-torsion), dits aciers à haute adhérence de type II. Ce type d’acier a une limite d’élasticité garantie de 500MPa et un allongement à la rupture de 12%.

4. Les aciers laminés à chaud par tréfilage (forte réduction de section), fortement écrouis, utilisés pour fabriquer les treillis soudés et fils sur bobines. Ce type d’acier a une limite d’élasticité garantie de 500MPa et un allongement à la rupture de 8%.

Les quatre types d’acier ont le même comportement élastique, donc un même module de Young de Es = 210 000MPa. La déformation à la limite élastique est voisine de 0,2%, en fonction de la valeur de la limite d’élasticité.

Diagrammes contrainte-déformation d’essais de traction sur les

différents types d’acier d’armature.

b. 1. Les barres : On trouve des barres de longueur variant de 6:00m à 12:00m, lisses ou à haute adhérence, pour les

diamètres normalisés suivants (en mm) :

Formes

5 - 6 - 8 - 10 - 12 - 14 - 16 - 20 - 25 - 32 - 40

2. Les fils : Les armatures sous forme de fils sont stockées sur des bobines. Les fils servent principalement à la réalisation de treillis soudés, de cadres, d’épingles et d’étriers en usine de façonnage d’armatures, ou pour le ferraillage d’éléments préfabriqués tels que les prédalles BA ou BP. On trouve des diamètres de 5 à 12mm et se sont généralement des aciers à haute adhérence.

3. Les treillis soudés : Les TS sont utilisés pour ferrailler rapidement des éléments plans, tels que les voiles, dalles et dallages. Ils sont disponibles en rouleaux ou en panneaux et sont composés d’aciers à haute adhérence. L’association technique pour le développement et l’emploi du TS.



III-

Le béton armé est l'intime assemblage d'armatures et de béton afin de compenser la mauvaise tenue de ce dernier à la traction. Cet assemblage est rendu possible grâce à la dilatation comparable des deux matériaux.

Le béton résiste bien à la compression mais possède une faible résistance à la traction. C'est pourquoi, pour lui conférer une bonne résistance à la traction, on dispose dans la partie tendue des armatures. Les armatures pour béton armé sont généralement des assemblages de barres en acier à caractéristiques de forme, de résistance et de section bien déterminées.

Le comportement de l’acier est très bien connu et celui du béton est bien connu. Le béton armé étant une structure composite - béton et acier - il est nécessaire de bien connaitre aussi le comportement de l’interface entre les deux matériaux.

Béton Armé

A. Protection des armatures

Afin d’éviter les problèmes de corrosion des aciers, il convient de les enrober par une épaisseur de béton suffisante. Cette épaisseur, l’enrobage, dépend des conditions d’exposition de l’ouvrage. On adopte les valeurs suivantes:

- 5 cm : pour les ouvrages exposés à la mer, aux embruns ou aux atmosphères très agressives (industries chimiques),

- 3 cm : pour les parois soumises à des actions agressives ou à des intempéries ou des condensations,

- 1 cm : pour des parois situées dans un local couvert et clos et qui ne seraient pas exposées aux condensations.

B. Adhérence acier-béton

L’efficacité du béton armé est grandement influencée par la liaison entre le béton et les barres d’armature. La charge externe est très rarement appliquée directement à l'acier d’armature, cette charge qui est habituellement transmise par le béton vers l’acier est assurée par le frottement entre l’acier et le béton. La capacité de l’ancrage peut être influencée par différents paramètres comme l’épaisseur de recouvrement, la surface de l’armature, la température, la corrosion, etc.

La figure ci-contre présente un schéma explicatif du mécanisme d’adhérence acier-béton.

Le Béton Armé

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