Les constituants du béton

Quelle est la composition du béton ?

Le béton est composé de ciment, de granulats (sable et gravillons), d ’eau, avec, éventuellement, une addition minérale, un ou plusieurs adjuvants, des colorants, des fibres. Dans tous les cas, une certaine quantité d’air est présente dans le béton. Sa composition variant en fonction des différents constituants utilisés ainsi que leur proportion dans le mélange.

Voici les plages de dosage des différents constituants du béton :

Le mélange ciment/eau forme une pâte ou colle qui durcit. Cette pâte est l’élément actif du béton puisqu’elle va enrober chaque granulat, jouant le rôle de lubrifiant et de colle qui assure le durcissement du béton.
Les granulats (le gravier et le sable) constituent le squelette, l’ossature du béton. C’est grâce à eux que le béton est un matériau économique car on en met un maximum.
L’assemblage des granulats et de la pâte cela forme le béton : un empilement de grains de différentes dimensions et de granularité étendue, qui passe d’un état frais, pâteux, à un état solide.

Le ciment

Le ciment est un liant hydraulique : gâché avec de l’eau il forme une pâte qui fait prise et durci. Après durcissement il conserve sa résistance et sa stabilité même sous l’eau (tout comme la chaux hydraulique).

La fabrication du ciment

Le constituant principal des ciments est le clinker, qui est obtenu à partir d’un mélange d’environ 80% de calcaire et 20% d’argile. Le calcaire et l’argile sont tout d’abord extraits de carrières, puis concassés et mélangés. Ce mélange, appelé « cru », est ensuite cuit dans un four rotatif cylindrique de 60 à 90m de long, de 4 à 5m de diamètre, légèrement incliné et tournant de 1 à 3 tours/minute. La matière pénètre en amont du four où s’achève la décarbonatation, et progresse jusqu’à la zone de clinkerisation (1450°C). Le temps de parcours est d’environ 1 heure. A la sortie du four la matière est brusquement refroidie. Au cours de ces opérations, et sous l’effet de la chaleur, s’enchaînent plusieurs réactions chimiques (les constituants de l’argile vont notamment se combiner à la chaux provenant du calcaire pour donner des silicates et des aluminates de calcium). Il en résulte le clinker qui se présente sous forme de granules. In fine le ciment Portland (ciment classique) est ensuite obtenu par broyage très fin (dans un broyeur à boulets) du clinker additionné d’un peu de gypse (< 5%) nécessaire pour réguler le temps de prise. Les autres catégories de ciment sont obtenues en ajoutant d’autres constituants tels que le laitier granulé de haut fourneau, les cendres volantes de centrales thermiques, le filler calcaire (addition calcaire finement broyée), les fumées de silice.

La composition chimique du ciment

Le ciment Portland contient quatre constituants.

La composition ciment est :

• Le silicate tricalcique C3S (55 à 65% du clinker) : constituant principal, qui apporte la résistance du ciment hydraté au jeune âge et lors des 4 premières semaines.
• Le silicate bicalcique C2S (10 à 20% du clinker) : contribue au développement des résistances à long terme (influe à partir de 4 semaines).
• L’aluminate tricalcique C3A (8 à 10% du clinker) : contribue au gain de résistance à court terme (1 à 3 jours). Sa teneur est limitée pour les ciments résistants aux sulfates (ciments « ES »).
• L’alumino-ferrite tétracalcique C4AF (6 à 9% du clinker) : faible impact sur la résistance. Impact surtout la teinte du ciment (si < à 1% alors le ciment est blanc).

Prise et durcissement du ciment

Les réactions physico chimiques qui se produisent entre l’eau et le ciment dès le début du gâchage sont très complexes et se poursuivent pendant plusieurs mois. Ces réactions sont appelées réactions d’hydratation car en présence d’eau, les constituants du ciment donnent naissance à de nouveaux constituants hydratés qui apparaissent sous forme de micro-cristaux ayant l’aspect d’aiguilles dont le développement et l’enchevêtrement provoquent la prise du ciment et son durcissement progressif. Le ciment durci est une véritable « roche artificielle » qui évolue dans le temps. Le dosage du béton en kg de ciment influe directement sur la résistance de l’ouvrage.

Les différents types de ciments courants

• Le ciment Portland : CEM I
  Il contient au moins 95% de clinker et au plus 5% de constituants secondaires.
• Le ciment Portland composé : CEM II/A ou B
  Il contient au moins 65% de clinker et au plus 35% d’autres constituants : laitier de haut fourneau, fumée de silice, pouzzolane, cendres volantes, calcaires, constituants secondaires.
• Le ciment de haut fourneau :
  CEM III/A ou B : contient entre 36 et 80% de laitier et 20 à 64% de clinker.
  CEM III/C : contient au moins 81% de laitier et 5 à 19% de clinker.
• Le ciment pouzzolanique : CEM IV/A ou B
  Il contient 45 à 89% de clinker et 11 à 55% de pouzzolanes. Ce ciment n’est pas présent en France.
• Le ciment composé : CEM V/A ou B
  Il contient 20 à 64% de clinker, 18 à 49% de laitier et 18 à 49% de cendres volantes ou de pouzzolanes.

Les ciments pour travaux spécifiques

Pour certains types d’ouvrages, l’emploi de ciments spécifiques est requis afin qu’ils soient durables dans le temps. Citons parmi ceux-ci les ciments pour travaux à la mer (PM), les ciments pour travaux en eau à haute teneur en sulfates (ES ou SR).
Il existe également d’autres types de ciments spéciaux : le ciment prompt naturel, le ciment alumineux fondu.

Les granulats

Définition

On appelle « granulats » (ou « agrégats ») les matériaux granulaires inertes qui sont utilisés dans la construction et qui entrent notamment dans la composition des bétons. Ces grains minéraux sont appelés filler, sablon, sable, gravillon (appelé aussi gravier ou cailloux), grave ou ballast suivant leur dimension. Dans les bétons courants ces dimensions se situent entre 0,063 et 25mm.

Rôle dans le béton

Les granulats constituent la phase dominante du béton (occupent 60 à 70% du volume). Ils forment l’ossature, le squelette du béton. Ils rendent le béton économique car on en met un maximum.

Leur sélection, leurs caractéristiques et le dosage des différentes fractions granulaires ont une influence prépondérante sur les performances et la qualité du béton, aussi bien à l’état frais qu’à l’état durci. En effet il est impossible de faire un béton résistant et durable avec des granulats médiocres.

Origine des granulats

Leur origine peut être naturelle, artificielle ou provenir du recyclage.

Les granulats courants peuvent être :

• Des granulats de roches meubles (alluvionnaires) : gravillon et sable de rivière (siliceux et silico-calcaires), sables de dunes et granulats de mer (siliceux). Ils peuvent être roulés, semi concassés ou concassés.
• Des granulats de roches dures (issus de roches massives) : granulats calcaires, éruptifs/magmatiques (tels que les rhyolite, granite, basalte, gabbro, etc) ou métamorphiques (amphibolique, marbre, quartzite, etc). Ces roches sont extraites dans les carrières à l’aide d’explosifs. Elles sont ensuite concassées et criblées.

Les granulats légers :
Ils sont définis par une masse volumique < 2 t/m³ et sont utilisés pour réaliser des bétons légers. Ces granulats peuvent être d’origine naturelle (pouzzolanes, pierre ponce, bois, liège.…) ou artificielle (argile expansée, schiste expansé, laitier expansé, vermiculite, perlite, polystyrène expansé…).

Les granulats lourds :
Ils sont définis par une masse volumique > 3 t/m³ et sont employés pour la confection de bétons lourds utilisés pour la construction d’ouvrages nécessitants une protection contre les rayonnements ionisants (salle de radiothérapie, réacteurs de centrale nucléaire, accélérateurs de particules, etc…).
Ils peuvent être d’origine naturelle (barytine, magnétite, hématite) ou issus de sous produits industriels (riblons, grenaille de fonte, …).

Les granulats recyclés :
Ils sont obtenus par traitement (concassage et criblage) de matériaux minéraux auparavant utilisés en construction (issus de la démolition). Ils sont traditionnellement utilisés pour réaliser les couches de forme des chaussées, les remblais, mais peuvent également être utilisés pour confectionner du béton.

Désignation des granulats

Les granulats sont désignés suivant leur classe granulaire, en termes de dimension inférieure (d) et supérieure (D) de tamis, exprimée par d/D.

Critères essentiels requis pour une utilisation dans le béton :

• La granularité
• La propreté
• La teneur en eau des granulats

L’eau

Le rôle de l’eau dans le béton

L’eau joue 2 rôles essentiels :

• Elle participe activement à l’ouvrabilité du béton frais en lui donnant une fluidité satisfaisante pour la mise en place, grâce à son action lubrifiante sur les différents grains, et grâce à la cohésion de la pâte résultant de l’association des grains fins avec l’eau. Il ne faut cependant pas abuser de cette influence par un excès d’eau qui diminue les résistances et la durabilité du béton.
• Elle permet l’hydratation du ciment et donc le développement des résistances mécaniques du béton. C’est en effet au contact de l’eau que le ciment fait sa prise et durcit.

Les types d’eau utilisables pour gâcher le béton

L’eau de gâchage doit être conforme aux dispositions générales de la norme européenne NF EN 1008. Elle doit être propre et ne pas contenir d’impuretés nuisibles (matières organiques, alcalis).

• L’eau potable (eau du réseau) convient toujours.
• L’eau naturelle (ex : puits, rivière, étang) ainsi que l’eau récupérée du process de fabrication du béton peuvent être utilisées sous réserve contrôler leur conformité selon la norme NF EN 1008.
• L’eau de mer est à éviter, surtout pour le béton armé ou précontraint. Les eaux usées ne conviennent pas.

Les adjuvants

Les adjuvants sont de plus en plus utilisés. Ils ont permis des progrès considérables en matière de bétons spéciaux (ex : bétons à hautes performances, bétons autoplaçants). Ce sont des produits dont l’incorporation à faible dose (inférieure à 5% de la masse de ciment) aux bétons, mortiers ou coulis lors du gâchage, modifie leurs propriétés à l’état frais et/ou à l’état durci.

Voici les principaux adjuvants utilisés dans les bétons :

• Les plastifiants/réducteurs d’eau
• Les superplastifiants/hauts réducteurs d’eau
• Les accélérateurs de prise et de durcissement
• Les retardateurs de prise
• Les hydrofuges de masse.