Différents types de béton et leurs applications

Introduction au Béton

Le béton est l'un des matériaux de construction les plus utilisés au monde. On le trouve partout, des fondations de nos maisons aux ponts gigantesques. Mais qu'est-ce que le béton exactement, et pourquoi est-il si important ?

Le béton est un matériau composite, c'est-à-dire qu'il est fait de plusieurs composants différents mélangés ensemble. Quand on mélange ces composants dans les bonnes proportions, ils réagissent et durcissent pour former une masse solide et résistante, capable de supporter de lourdes charges.

Importance du Béton dans la Construction

Le béton est essentiel en génie civil pour plusieurs raisons :

• Résistance : Il peut supporter de très grandes forces de compression (quand on le pousse).
• Durabilité : Il peut durer très longtemps, même dans des conditions difficiles (eau, gel, etc.).
• Malléabilité : Quand il est frais, on peut lui donner presque n'importe quelle forme.
• Économie : Les matériaux de base sont généralement abondants et peu coûteux.

Composants de Base du Béton

Le béton "classique" est principalement composé de quatre éléments :

• Ciment : C'est la "colle" du béton. Le plus courant est le ciment Portland. Quand on le mélange avec de l'eau, il crée une pâte qui enrobe les autres matériaux et durcit avec le temps (c'est l'hydratation).
• Granulats : Ce sont les "remplisseurs". On utilise généralement du sable (petits grains) et des graviers ou cailloux (gros grains). Ils donnent sa masse et sa résistance au béton.
• Eau : Indispensable pour l'hydratation du ciment et pour rendre le mélange maniable (on parle de "maniabilité" ou "ouvrabilité").
• Adjuvants : Ce sont des produits chimiques ajoutés en petites quantités pour modifier certaines propriétés du béton frais ou durci (accélérer ou ralentir la prise, améliorer la maniabilité, augmenter la résistance, etc.).

Propriétés de Base du Béton

Pour qu'un béton soit adapté à un usage spécifique, il doit avoir certaines propriétés, qu'on mesure à l'état frais (avant qu'il ne durcisse) et à l'état durci.

Maniabilité (Ouvrabilité)

C'est la facilité avec laquelle le béton frais peut être mélangé, transporté, mis en place et compacté sans ségrégation (séparation des composants). Un béton trop sec est difficile à travailler, un béton trop liquide risque de voir ses composants se séparer.

L'essai le plus courant pour mesurer la maniabilité est l'essai d'affaissement (Slump Test).

• Essai d'affaissement (Slump Test) : On remplit un cône métallique (cône d'Abrams) avec le béton frais en trois couches, en pilonnant chaque couche. On retire ensuite le cône et on mesure de combien le sommet du béton s'est affaissé. Un affaissement faible indique un béton peu maniable (ferme), un affaissement élevé indique un béton très maniable (fluide).

Résistance

C'est la capacité du béton durci à supporter des charges. La résistance la plus importante est la résistance à la compression.

• Résistance à la compression : Mesurée en écrasant des éprouvettes cylindriques ou cubiques de béton durci (généralement après 28 jours). Elle s'exprime en MégaPascals (\(MPa\)) ou Newtons par millimètre carré (\(N/mm^2\)). Un béton courant a une résistance à la compression entre \(20\) et \(40 \, MPa\). Les bétons à haute résistance peuvent dépasser \(100 \, MPa\).
• Résistance à la traction : Le béton résiste mal à la traction (quand on essaie de l'étirer). C'est pourquoi on utilise souvent des armatures en acier (béton armé) pour reprendre ces efforts.

Durabilité

C'est la capacité du béton à résister aux agressions de son environnement (gel-dégel, attaques chimiques, corrosion des armatures, abrasion) sur le long terme.

Prise et Durcissement

La prise est le passage du béton de l'état frais (liquide/plastique) à l'état solide, mais encore peu résistant. Le durcissement est l'acquisition progressive de sa résistance au fil du temps, grâce à l'hydratation du ciment.

Types de Béton (Basés sur la Composition ou les Propriétés)

Selon les besoins spécifiques d'un projet, on peut modifier la composition du béton ou utiliser des adjuvants pour obtenir des propriétés particulières. Cela donne naissance à de nombreux types de béton.

Béton de Résistance Normale (BRN)

C'est le béton le plus courant, utilisé pour la majorité des structures (dalles, murs, poteaux). Sa résistance à la compression est généralement comprise entre \(20\) et \(40 \, MPa\).

Béton à Haute Résistance (BHR)

Béton dont la résistance à la compression dépasse généralement \(50 \, MPa\). On l'obtient en utilisant des ciments spéciaux, des granulats de haute qualité et des adjuvants spécifiques (comme les superplastifiants ou les fumées de silice).

Béton à Hautes Performances (BHP)

Ce n'est pas seulement un béton très résistant, mais il possède aussi d'autres propriétés améliorées, comme une meilleure durabilité, une plus faible perméabilité ou une meilleure résistance aux agressions chimiques. Il est conçu pour des ouvrages exigeants.

Béton Auto-Plaçant ou Auto-Compactant (BAP ou SCC)

Ce béton très fluide se met en place et se compacte sous son propre poids, sans nécessiter de vibration. Il est idéal pour les éléments très ferraillés ou difficiles d'accès. On y ajoute des superplastifiants et des agents de viscosité.

Béton Léger

Béton dont la masse volumique est significativement plus faible que celle du béton normal (inférieure à \(2000 \, kg/m^3\)). On remplace tout ou partie des granulats courants par des granulats légers (argile expansée, polystyrène, etc.). Il est utilisé pour réduire le poids propre des structures ou pour l'isolation thermique.

Béton Lourd

Béton dont la masse volumique est supérieure à celle du béton normal (souvent supérieure à \(2800 \, kg/m^3\)). On utilise des granulats très denses comme la barytine ou la magnétite. Il est utilisé pour les protections contre les radiations (centrales nucléaires, hôpitaux).

Béton Massif

Béton utilisé en grande quantité dans des éléments massifs (comme les barrages). Le principal enjeu est de contrôler la chaleur dégagée par l'hydratation du ciment pour éviter les fissurations. On utilise des ciments à faible chaleur d'hydratation ou on ajoute de la glace dans l'eau de gâchage.

Béton Compacté au Rouleau (BCR)

Béton très sec, mis en place comme un remblai et compacté à l'aide de rouleaux vibrants. Il est principalement utilisé pour la construction rapide et économique de barrages ou de couches de base de chaussées.

Béton Fibré (Béton de Fibres, BFUP)

Béton auquel on ajoute des fibres (acier, polymère, verre, carbone) pour améliorer sa résistance à la traction, sa ductilité (sa capacité à se déformer sans casser brutalement) et sa résistance à la fissuration. Les Bétons Fibrés à Ultra-hautes Performances (BFUP) sont une catégorie spéciale très résistante et durable.

Béton Polymère

Béton où le liant (ciment) est remplacé par un polymère (résine). Il a une prise très rapide, une excellente résistance chimique et une grande durabilité, mais il est plus coûteux.

Béton Géopolymère

Une alternative au béton de ciment Portland, utilisant des liants inorganiques issus de sous-produits industriels (cendres volantes, laitiers). Il a un impact environnemental potentiellement plus faible et de bonnes propriétés mécaniques et de durabilité.

Types de Béton (Basés sur les Applications Structurelles)

La manière dont le béton est utilisé dans une structure donne aussi lieu à différentes classifications.

Béton Non Armé (Béton Brut)

Béton utilisé sans aucune armature en acier. Il ne peut reprendre que des efforts de compression. On le trouve dans des éléments peu sollicités en traction, comme les fondations superficielles simples, les murs de masse ou les bétons de propreté.

Béton Armé

C'est l'association du béton (qui résiste bien à la compression) et d'armatures en acier (qui résistent bien à la traction). L'acier est placé dans les zones de la structure qui seront soumises à des efforts de traction. C'est le type de béton le plus répandu dans les bâtiments et ouvrages d'art.

Béton Précontraint

Technique qui consiste à créer artificiellement des contraintes de compression dans le béton avant qu'il ne soit soumis aux charges d'exploitation. On utilise des câbles ou barres d'acier (tendons) que l'on tend fortement (pré-tension ou post-tension). Cette compression initiale permet de compenser les efforts de traction qui apparaîtront sous charge, augmentant ainsi la portée et la résistance des éléments (poutres de pont, dalles de grande portée).

Béton Projeté (Shotcrete)

Béton ou mortier projeté à grande vitesse sur une surface à l'aide d'un pistolet. Il est utilisé pour stabiliser des parois rocheuses ou des tunnels, réparer des structures, ou créer des formes architecturales complexes.

Béton Décoratif

Béton dont l'apparence est modifiée pour des raisons esthétiques (couleur, texture, motifs). On peut utiliser des pigments, des désactivants de surface, des matrices pour imprimer des motifs, ou polir la surface.

Formulation du Béton (Mix Design)

La formulation du béton, ou "mix design", est le processus qui consiste à déterminer les proportions optimales des différents composants (ciment, granulats, eau, adjuvants) pour obtenir un béton qui a les propriétés souhaitées (maniabilité, résistance, durabilité) de la manière la plus économique possible.

Objectifs de la Formulation

• Atteindre la résistance et la durabilité requises par le projet.
• Assurer une maniabilité suffisante pour la mise en place.
• Minimiser les coûts.

Facteurs Influant sur la Formulation

• Les exigences du projet (résistance, durabilité, maniabilité, etc.).
• La qualité et les propriétés des matériaux disponibles (type de ciment, granulométrie et forme des granulats, qualité de l'eau).
• Les conditions de mise en œuvre (température, humidité, moyens de transport et de mise en place).

Méthodes de Formulation

Il existe différentes méthodes pour déterminer les proportions du mélange, souvent basées sur des abaques et des essais en laboratoire. Les méthodes les plus connues sont la méthode de l'ACI (American Concrete Institute) ou les méthodes basées sur les normes européennes ou nationales.

Production et Mise en Œuvre du Béton

Une fois la formulation définie, le béton doit être produit, transporté et mis en place correctement pour garantir ses performances.

Malaxage (Mixing)

Les composants sont mélangés dans une centrale à béton ou sur le chantier (bétonnière) jusqu'à obtenir un mélange homogène.

Transport

Le béton est transporté du lieu de malaxage au chantier, généralement par camion-toupie pour éviter la ségrégation et maintenir la maniabilité.

Mise en Place (Placing)

Le béton est déversé dans les coffrages (moules) qui donnent sa forme à la structure.

Compactage

Le béton frais doit être compacté pour éliminer l'air emprisonné pendant le mélange et la mise en place. Un bon compactage est essentiel pour la résistance et la durabilité. On utilise généralement des aiguilles vibrantes.

Finitions

Après la mise en place et le compactage, la surface du béton peut être lissée ou texturée selon les besoins.

Cure du Béton

La cure est l'une des étapes les plus importantes et souvent négligées. Elle consiste à maintenir l'humidité et une température favorable dans le béton frais pendant une période donnée après la mise en place. C'est crucial pour permettre au ciment de continuer son hydratation et au béton d'atteindre sa résistance et sa durabilité potentielles.

Pourquoi la Cure est Importante ?

• Permet une hydratation complète du ciment.
• Développe la résistance du béton.
• Améliore la durabilité et la résistance à l'abrasion de la surface.
• Réduit le retrait et la fissuration.

Méthodes de Cure

Il existe plusieurs méthodes :

• Maintien de l'eau (arrosage, bâches humides, immersion).
• Protection contre la perte d'eau (films plastiques, produits de cure).
• Cure thermique (vapeur, chaleur) pour accélérer le durcissement dans certains cas.

Essais sur le Béton

Des essais sont réalisés pour vérifier que le béton produit a bien les propriétés requises.

Essais sur Béton Frais

• Essai d'affaissement (Slump Test) : Déjà vu, mesure la maniabilité.
• Teneur en air : Mesure la quantité d'air occlus (intentionnellement ajouté pour la résistance au gel-dégel) ou emprisonné.
• Température : Contrôle de la température du béton frais, important par temps chaud ou froid.

Essais sur Béton Durci

• Essai de compression : Mesure la résistance à la compression (le plus courant).
• Essai de flexion : Mesure la résistance à la rupture sous flexion (pour les poutres, dalles).
• Essais de durabilité : Mesures de la perméabilité, de la résistance au gel-dégel, à l'abrasion, etc.

Applications des Différents Types de Béton

Le choix du type de béton dépend de l'application spécifique et des contraintes du projet.

Correspondance entre Type de Béton et Projet

• Béton Normal : Bâtiments résidentiels et commerciaux standards, trottoirs, fondations courantes.
• Béton à Haute Résistance/Performances : Gratte-ciels (poteaux très chargés), ponts de grande portée, structures en zones agressives (bord de mer, environnement industriel).
• Béton Auto-Plaçant : Éléments architecturaux complexes, murs très minces et très ferraillés, éléments préfabriqués.
• Béton Léger : Dalles de plancher pour réduire le poids sur les fondations, éléments préfabriqués légers, blocs de maçonnerie.
• Béton Lourd : Murs de protection contre les radiations.
• Béton Massif : Grands barrages, fondations massives.
• Béton Compacté au Rouleau : Barrages, couches de base de chaussées, aires de stockage.
• Béton Fibré : Dalles industrielles (pour réduire le ferraillage), éléments préfabriqués minces, réparations.
• Béton Polymère : Réparations rapides, revêtements résistants aux produits chimiques, éléments préfabriqués spéciaux.
• Béton Géopolymère : Alternative "verte" pour diverses applications si les performances sont adéquates.

Conclusion

Le béton est un matériau aux multiples facettes, dont les propriétés peuvent être ajustées en modifiant sa composition. Le choix du bon type de béton et une mise en œuvre rigoureuse sont essentiels pour garantir la sécurité, la durabilité et la performance des structures en génie civil. De la maniabilité du béton frais à la résistance du béton durci, chaque étape compte. La recherche continue permet de développer de nouveaux types de béton, plus performants, plus durables et plus respectueux de l'environnement.