2012/2013

Mastère spécialiséTunnels et ouvrages souterrains

MATERIAU BETON

F. Delhomme

1 2012/2013

Sommaire

I ‐ Le béton (matériau composite)II ‐ La norme NF EN‐260III ‐ La durabilitéIV ‐ Tenu au feuV ‐ Les bétons de fibre

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2012/2013

I – Le béton

3 2012/2013

Objectifs : technique/architecture/coût/sécurité

un matériau résistant et durable, y compris en conditions extrêmes,avec un minimum de matériaux,dont l’élaboration et la mise en place sont aisées et rapides.

Résulte d’un développement des matériaux et des techniques de construction traditionnels

Pourquoi le béton ?

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BETONS/MORTIERS

Squelette granulaire

Pâte liante

Ciment Eau

Granulats

Adjuvants Fibres

Un matériau composite

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1. Les Granulats

• Matériaux inertes (sables, gravillons)• 70% du volume• Ossature (squelette) du matériau béton

A. Origine

• naturelle : roches sédimentaires (silex, calcaires durs, silico‐calcaires)

• artificielle : roches transformées (argiles ou schistes expansés), sous‐produits industriels (démolition)

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2012/2013

B. Propriétés

Rôle majeur dans les caractéristiques du béton :

• au niveau du comportement mécanique et des performances à long terme• résistance mécanique• propreté des sables• gélivité• alcali‐réaction

• au niveau de la mise en œuvre• densité/masse volumique• granulométrie, teneur en fines• forme des grains

7 2012/2013

2. Ciment

A. Le Ciment Portland Artificiel

• composition

• fabrication

B. Additions minérales

C. Principales caractéristiques du ciment

D. Classification

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A. Le Ciment Portland Artificiel (CPA - CEM I)

= le ciment « pur »

Roche calcaire

Argile

Composition chimique (poudre) Oxydes Teneur massique moyenne

CaO 62-67%

SiO2 19-25%

Al2O3 2-9%

Fe2O3 1-5%

SO3 1-3%

MgO 0-3%

K2O 0.6%

Na2O 0.2%H(     = H2O)

FA

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C

Notation cimentaire

Notation française

Notation européenne

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1. Broyage et homogénéisation du « cru » (mélange de 80% de calcaire et de 20% d’argile)

Fabrication

2. Chauffage à 1450°C

Déshydratation (perte H2O)

Décarbonatation (CaCO3 CaO + CO2)

Formations de matières solides par réactions chimiques (« clinkérisation »)

Alite (silicate tricalcique) : C3S

Bélite (silicate tricalcique) : C2S

Célite (aluminate tricalcique) : C3A

Alumino-ferrite tétracalcique : C4AF

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2012/2013

3. Refroidissement rapide (trempe) pour figer les espèces minérales produites

obtention du clinker (nodules de quelques cms)

Phases Proportions

C3S 60-65%

C2S 20-25%

C3A 8-12%

C4AF 8-10%

Composition minéralogique

4. Broyage et ajout de gypse

obtention de la poudre de ciment CPA

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B. Additions minérales

• fines minérales (granulométrie ≤ ciment)

• ajoutées au CPA pour en améliorer les performances

comportement mécanique (propriétés hydrauliques)

durabilité

• issues :

• du concassage de matières premières (fillers calcaires ou siliceuses, pouzzolanes)

• du concassage de sous‐produits industriels (laitiers vitrifiés moulus de haut fourneau)

• de dépoussiéreurs industriels (cendres volantes de centrales thermiques, fumées de silice)

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C. Principales caractéristiques

• composition chimique

résistance et durabilité en environnement extrêmes (marin, sulfaté)

cimen

t anh

ydre (p

oudre)

• densité : CPA‐CEM I : d=3.15 (le + dense)

• finesse ( 1μm < d < 80μm) :

finesse  surface en contact avec eau                 hydratation rapide et complète

mesure de la surface massique (m²/kg) au perméabilimètre de Blaine

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pâte de cimen

t fluide

Ciment + Eau  Hydratation

1/ prise : état fluide  rigide

2/ durcissement : acquisition de résistance

• consistance (ou fluidité)

• temps de prise

enfoncement aiguille de Vicat

cône d’écoulement

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2012/2013

pâte de cimen

t durcissante

• résistance en compression

au jeune âge (2 jours, 7 jours)

normalisée (28 jours)

7j 28j

tps

Rc

• expansion volumique après la prise

essai Le Chatelier

• chaleur d’hydratation

calorimètre de Langavant

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D. Classification

• Composition

CEM I : ciment Portland artificiel (CPA)

CEM II : ciment Portland composé (CPJ)

CEM III : ciment de haut fourneau (CHF)

CEM IV : ciment pouzzolanique (CPZ)

CEM V : ciment composé ou ciment au laitier et aux cendres (CLC)

• Résistance normalisée : 3 classes (32.5‐42.5‐52.5)

• Résistance au jeune âge (N ou R)

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• Spécifications particulières

PM (Prise Mer)  milieu marin

CP (Circulaire Précontrainte)  béton précontraint

ES (Eaux Sulfatées)  fondations en terrain gypseux

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2012/2013

DÉSIGNATION D’UN CIMENT COURANT CE + NF (marque volontaire)

CEM II / A – LL 32,5 R CE CP2 NF

Famille deciment courant

Nature des constituants autres

que le clinker

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

R ou N

Caractéristiques complémentaires PM/ES/CP1/CP2

Les classes de composition

(les lettres A/B ou C précisent la

teneur en clinker)

Les 3 classes de résistance courante (28 jours)

32,5 / 42,5 / 52,5

Notation CE

Notation NF précisant que ce

ciment est certifié

conforme à la marque NF

L/LL (CALCAIRE) – S (LAITIER DE HAUT FOURNEAU) – D (FUMEES DE SILICE) – V (CENDRES SILICEUSES) – W (CENDRES CALCIQUES) – Z (POUZZOLANES) – T (SCHISTES CALCINES)

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3. Eau de gâchage

• Origines :eau potablenappes phréatiques - cours d’eaumerrejets industriels – recyclage industrie du béton

Compromis à trouver

Impuretés !

• Rôles :

Consistance (ou ouvrabilité) du béton frais (liquide)transportmise en œuvre / remplissage des coffrages

Résistance du béton durciréaction d’hydratationporosité

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4. Adjuvants

• Composés organiques ajoutés en faible quantité (-5% de la masse du ciment)

• Améliorant les propriétés du béton

Plastifiants/superplastifiants

Bétons à Haute Performance (BHP)

Bétons fluides

Bétons Autoplaçants

Fluidification du mélange (lubrification des grains)

Diminution de la quantité d’eau (défloculation)

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Accélérateurs/retardateurs de prise ou durcissement

Transport de béton frais sur de longues distances

Besoin d’une résistance rapide

Entraîneurs d’air

Création d’un réseau de fines bulles d’air occlus conférant une meilleure résistance au gel

Autres

Etanchéité à l’eau du béton durci

Inhibition de la corrosion

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2012/2013

5. Fibres

• Couture des bétons après fracturation

• (résistance en traction)

Fibres métalliques (aciers de différentes teneurs en carbone)

Fibres organiques (polypropylène, carbone)

Fibres minérales (verres)

23 2012/2013

TechnologieFabrication du matériau

1. Choix des constituants• Granulats• Ciment anhydre (CA)• Eau (E)• Adjuvants/Fibres

en centrales à béton

béton frais liquide

2. Dosage

3. Malaxage

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Transport

délai court < durée pratique d’utilisation (DPU)

jusqu’au chantier

* Distribution non uniforme des constituants

avec agitation permanente pour éviter la ségrégation* (camions « toupies »)

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Coulage

bandes transporteuses ou « Camions‐tapis »

dans le coffrage ferraillé

coulage gravitaire : benne surélevée parune grue

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2012/2013

pompage (+ rapide)

dans le coffrage ferraillé

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vibration mécanique (favorise l’imbrication des granulats et enlève bulles d’air)

au sein des coffrages

Compaction

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Finitions

Esthétique (planéité des planchers, décorations,..)

sur béton frais

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Cure (soins après coulage) :• arrosage léger pour éviter le séchage trop rapide en surface,• application de revêtements étanches ou résines,..

sur béton frais

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Décoffrage (au bout de 1‐2 jours en général)

Autres finitions esthétiques (couleur,..)

sur béton durci

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Le béton projeté

Mis en oeuvre à l’aide d’une lance, par projection sur une paroi sous l’impulsion d’un jet d’air comprimé. 

Deux techniques de projection : par voie sèche ou par voie humide.

Eau de gâchage du béton introduite soit lors de la fabrication du béton, soit lors de l’application du béton.

Permet de réaliser des couches de faibles épaisseurs, adhérentes au support, qui épousent parfaitement le profil de l’excavation. 

Adaptée à la réalisation d’ouvrages de sections variables ou d’intersections d’ouvrages et des chantiers sur lesquels il est difficile d’amener un outil coffrant.

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Projection par voie sèche

Le mélange sec (granulats, ciment et éventuellement  des accélérateurs de prise et adjuvants) est fabriqué dans un malaxeur. Il est propulsé par de l’air comprimé le long d’une tuyauterie vers la lance de projection. L’eau arrive, séparément à la lance, en quantité nécessaire et réglable pour assurer l’humidification du mélange, juste au moment de la projection sur la paroi. Cette technique est utilisée, en particulier, pour des chantiers de faible importance ou nécessitant des arrêts fréquents, ou lorsque la distance de transport entre la machine confectionnant le mélange et la lance de projection est importante.

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Projection par voie humide

Le mélange granulats‐cimente eau est malaxé dans une centrale puis stocké dans une trémie.Il est ensuite pompé le long d’une tuyauterie jusqu’à la lance de projection. La projection est assurée par de l’air comprimé, éventuellement associé à des adjuvants liquides.Cette technique est utilisée, en général, pour des chantiers nécessitant des rendements importants. Ce type de béton doit présenter une grande cohésion.

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2012/2013

Les applications du béton projeté

La technique du béton projeté est utilisée en travaux souterrains comme :• soutènement de parois de galeries ou de puits: ce soutènement est mis en oeuvreimmédiatement après excavation du front de taille ou ultérieurement si le terrain est stable;• soutènement provisoire du front de taille de tunnels en cours de creusement: le béton projeté est, en général, utilisé en association avec des boulons, des cintres ou des treillis. Le béton peut, dans certains cas, être fibré. Le béton projeté est utilisé en travaux neufs ou en réparation d’ouvrages anciens (réparations locales, confortements d’ouvrages, renforcement de structures).

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Les constituants du béton projeté

• ciment: le ciment conforme à la norme NF EN 197‐1 est choisi en fonction de l’agressivité de l’environnement dans lequel est situé l’ouvrage. Les dosages courants sont compris entre 350 et 450 kg/m3.• granulats: le sable doit contenir le moins possible de grains plats. Le diamètre des plus gros granulats est limité à 15 mm.• eau: le rapport E/C est, en général, compris entre 0,40 et 0,45.• adjuvants: on utilise des adjuvants pour béton (superplastifiants) et des accélérateurs de prise ou des « raidisseurs» (silicate de soude) qui permettent d’assurer l’adhérence du béton sur le support, dès sa projection, et d’obtenir des résistances initiales élevées.• fibres: les fibres utilisées sont essentiellement métalliques (parfois synthétiques). Elles permettent, en particulier, d’améliorer la cohésion, la ductilité, la résistance et latenue du béton projeté sur son support. Le dosage est de l’ordre de 35 à 50 kg/m3.• additions: des fumées de silice sont parfois utilisées pour améliorer les performances du béton et faciliter la projection en rendant le béton plus collant.

La formulation du béton doit prendre en compte les pertes de matériau par « rebond » lors de la projection et être optimisée pour offrir une bonne aptitude à la projection. 

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Hydratation

Ciment = liant hydraulique : sa réaction avec l’eau crée des liens solides (hydrates) entre les grains

2. Introduction de l’eau et malaxage – Formation immédiate de cristaux d’hydrates à la périphérie des grains.

1. Grains de ciment anhydre

3. Période dormante ‐L’hydratation se poursuit lentement. (Le coulage du béton doit se faire durant cette période).

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4. Début de prise –L’hydratation s’accélère, des ponts d’hydrates commencent à relier les grains de ciment 

entre eux.

5. Fin de prise – Les grains de ciment sont tous solidarisés. La poursuite de l’hydratation se traduit par le durcissement.

Ciment/béton frais : fluide plastique  fin prise

Ciment/béton durcissant : solide de + en + résistant

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2012/2013

Comportement du béton

I. Béton fraismise en place

II. Béton au jeune âgedécoffrage (optimisation cycles de construction)mise en précontrainte

III. Béton durcistructure fonctionnellecomportement à long terme

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Consistance (ouvrabilité)

= aptitude à être transporté, mis en œuvre tout en restant homogène

viscosité fluide/très plastique/plastique/ferme

Affaissement au cône d’Abrams

La consistance dépend notamment :

du dosage en eau

de l’étendue granulaire (taille du plus gros granulat ⇒ porosité)

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Résistance en compression

en lien avec les mécanismes d’hydratation jeune âge

• influence du rapport E/C

• influence du type et de la classe du ciment

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Résistance en compression

• température : une T° élevée durant la mise en place et la prise :

• augmente la résistance au très jeune âge (mise en place rapide de la structure hydratée)

• peut avoir un effet néfaste après 7 jours (structure induite très poreuse) 

jeune âge

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2012/2013

Cpt en compression

σa PC(confinement)

• éprouvettes cylindriques normalisées

• comportement à 28 jours

Essai de compression simple (Tognazzi,98) 43 2012/2013

Cpt en compression

IV. fortement non linéaire jusqu’à rupture : développement instable de macrofissures

I. serrage des microfissures existantes

III. non linéaire irréversible : développement stable et orienté de la microfissuration

endommagement anisotrope (dégradation des propriétés élastiques : E )

II. élastique linéaire(25 000<E<50000 MPa,

0.15<ν<0.2)

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• influence du rapport E/C

• influence de l’âge

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Cpt en traction simple

σa

Essai de traction simple (Terrien, 80)

• difficile à réaliser (instable)

I. élastique linéaireFaible résistance !

durci

II. non linéaire près et au-delà du pic : développement orienté de la microfissuration

endommagement anisotrope

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2012/2013

Cpt sous fluage

σa

εa

inst• déformation différée due à une charge permanente (σcste)

diff

durci

Le fluage dépend notamment :

intensité des charges appliquées : si Q petit, F=kQ

âge du béton : + béton vieux, + F (amplitude, cinétique)

conditions ambiantes (humidité) : + séchage, +F

• εdiff >> εinst Ediff ≅ Einst/3

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Avantages

Comportement mécaniquerésistance en compressionpeu sujet aux instabilités

Résistances aux agressionsfeuchimiques (pluies acides, milieux marins)intempéries, conditions climatiques (gel)

Faible coûtdisponibilité des matières premièresfabrication, mise en œuvre facilesentretien

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Inconvénients

Comportement mécanique

résistance en traction+ aciers = béton armé (et béton précontraint)

Qualités fortement conditionnées par les matériaux de base et la fabrication/mise en oeuvre

Faible isolation thermique

Recyclage difficile et coûteux

Poidsmise en oeuvre essentiellement sur chantier

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II ‐ La norme NF EN 206‐1

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2012/2013

NORMES DE DIMENSIONNEMENT

EUROCODE 0

EUROCODE 1

EUROCODE 2

STRUCTURES EN BÉTON

Normes Produits

préfabriqués structuraux en

béton

dont Norme NF EN 13369

NORMES D’ESSAIS

- Sur béton frais

NF EN 12350

- Sur béton durci

NF EN 12390

NORMES ET DOCUMENTS D’EXÉCUTION

- Fascicule 65

-Autres fascicules du CCTG puis EN 13670-1 (exécution des structures en béton)

- NF P 18-201 (DTU 21)

- Autres DTU

NORME BÉTON

NF EN 206-1

NORMES SUR LES CONSTITUANTS

CIMENTS / GRANULATS / ADJUVANTS…

FASCICULES DE RECOMMANDATIONS

-Alcali-réaction

- Gel / dégel

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Application de la norme NF EN 206‐1

La norme définit les tâches du prescripteur, du producteur et de l’utilisateur.

le prescripteur est responsable de la spécification du béton,

le producteur est responsable de la conformité et du contrôle de production,

l’utilisateur est responsable de la mise en place du béton.

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2012/2013

Domaine d’application

La norme s’applique au béton destiné aux structures coulées en place, aux structures préfabriquées, aux éléments de structure préfabriqués pour bâtiments et structures de génie civil.

Le béton peut être du béton fabriqué sur chantier, du béton prêt à l’emploi ou du béton fabriqué dans une usine de production de produits préfabriqués.

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Formulation des bétons application de la norme NF EN 206‐1

La norme spécifie les exigences applicables :‐ aux constituants du béton,‐ aux propriétés du béton frais et durci,‐ aux limitations imposées à la composition du béton,‐ à la spécification du béton.

Des exigences complémentaires peuvent être demandées.

La norme s’applique aux bétons de masse volumique normale, aux bétons lourds et aux bétons légers de masse volumique supérieure à 800 kg/m3.

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LES DEUX FAMILLES DE BÉTON DE LA NF EN 206-1

• BPS (Béton à Propriétés Spécifiées)Remplacent les BCN (bétons à la résistance)

• BCP (Béton à Composition Prescrite)Remplacent les BCS (bétons au dosage)BCP « Etude »

Ou (BCP « Etude »)

BCPN « Béton à Composition Prescrite dans une norme »

BPE

Béton dechantier

Un BCP ne doit être spécifié que par un prescripteur expérimenté disposant d’une réelle compétence dans la formulation du béton [Introduction à l’Annexe Nationale]

57 2012/2013

LES BPS

Béton à Propriétés Spécifiées

NF EN 206-1

Classe de résistance en compression

Classe d’exposition

Classe de consistance

Dimension maximale des granulats

Dosage en ciment découlant de la classe d’exposition

Classe de teneur en chlorures

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Classe de résistanceClasse de résistance

30 MPa30 MPa 37 MPa37 MPa

C30/37C30/37

(béton normal ou béton lourd)(béton normal ou béton lourd)

CubeValeur prise en compte dans

les calculs de dimensionnement

Cylindre

LES BPS

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LES BPS

Classes d’exposition

• La norme définit SIX CLASSES D’EXPOSITION, en fonction des ACTIONSdues à l’ENVIRONNEMENT :

XO : AUCUN RISQUE de CORROSION NI D’ATTAQUEXC : CORROSION INDUITE PAR CARBONATATIONXD : CORROSION INDUITE PAR LES CHLORURES, AYANT UNE ORIGINE

AUTRE QUE MARINEXS : CORROSION INDUITE PAR LES CHLORURES PRESENTS DANS

L’EAU DE MERXF : ATTAQUE GEL/DEGEL AVEC ou SANS AGENT DE DEVERGLAÇAGEXA : ATTAQUES CHIMIQUES

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LES BPS

Classes de consistance

Les classes d’affaissement au cône d’Abrams sont les suivantes :

S1S1

BPSNF EN 206-1

S2S2S3S3S4S4S5 (nouvelle classe)S5 (nouvelle classe)

S1 S2 S3 S4 S5Affaissement en mm 10-40 50-90 100-150 160-210 >220

61 2012/2013

LES BPS

Classe de teneur en chlorures

CL 0,20 Béton précontraintCL 0,40 Béton arméCL 0,65 Béton armé CEM IIICL 1,00 Béton non armé

BPSNF EN 206-1

Cl 0,40 BA 0,40 %> 90%

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2012/2013

DÉSIGNATION DU BPS

NF EN 206-1

XC1/XC2 (F)BPS NF EN 206–1

C25/30 Dmax 22,4 CL 0,40S3

Conformité à la norme

européenne

Classe de résistance à la compression :fckcyl 25 / fckcub 30

Classed’exposition

Granularité

Classe de consistance

Classe de teneur en chlorures

Les BPS sont les produits principalementcommercialisés par le BPE

Les BPS sont les produits principalementcommercialisés par le BPE

63 2012/2013

LES BCP

BCPBétons à Composition Prescrite

Deux types de BCP

BCP résultant d’une « étude »Composition détaillée établie par le

client-prescripteur

BCP défini dans une « norme »Dosage en ciment prédéfini

art. 4.5.3 du DTU 21

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III - La durabilité des bétons

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Un béton durable est un béton compact :• constituants de qualité choisis conformément • correctement formulé et fabriqué• mis en œuvre en respectant les règles strictes de bonne pratique

Ces principes généraux sont valables dans tous les cas

Ils doivent être complétés pour répondre à des actions particulières (risques éventuels de réactions entre les constituants, alternances de cycles de gel et de dégel)

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1 ‐ Structure et propriétés du béton

2012/2013 71

2 ‐ Corrosion des armatures

Origines de la corrosion :

‐ pénétration des ions chlorure dans l'enrobage‐ carbonatation du béton d'enrobage

Phénomène ± rapide selon propriétés de transfert du béton d'enrobage :‐ porosité de la matrice cimentaire‐ compacité globale‐ fissuration‐ qualité du parement

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Carbonatation du béton

Pénétration du CO2 dans le béton :

transformation de la portlandite en carbonates de calciumCa(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O

baisse du pH (< 9)dépassivation des armaturescorrosion

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Pénétration des ions Cl‐

Mécanisme de pénétration :‐ entrainement mécanique par l'eau‐ gradient de concentration si béton constamment humide

Loi de diffusion :

D = coefficient de diffusion des ions Cl‐

Sources de Cl‐ :‐ constituants du béton (sables, gravillons, adjuvant)‐ sels de déverglaçage

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Pénétration des ions Cl‐ lorsque qu’à la profondeur des armatures :

‐ si [Cl‐] > [Cl‐]critique  initiation de la corrosion

‐ si [Cl‐] / [OH‐] > 0,6 l'acier n'est plus protégé

[Cl‐]critique ≈ 0,4% (% vs masse de ciment)

Exemple : béton dosé à 350 kg/m3 avec r = 2 500 kg/m3

[Cl‐]critique = 0,056% (% vs masse de béton)

2012/2013

Prévention Optimisation de l’enrobage des armatures

Eurocode 2 :

La détermination de la valeur de l’enrobage doit prendre en compte:

-La classe d’exposition dans laquelle se trouve l’ouvrage

-La durée de service attendue

-La classe de résistance du béton

-Le type de systèmes de contrôle qualité mise en œuvre pour assurer la

régularité des performances du béton et de la maîtrise du

positionnement des armatures.

-Le type d’armatures (précontrainte ou non), et leur nature (acier au

carbone, acier inoxydable) et leur éventuelle protection contre la

corrosion.

78

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3 ‐ Attaques sulfatiques

2ème risque majeur d'agression chimique pour les bétonsOrigine des sulfates :‐ externes au béton : sols, eaux, atmosphère‐ internes au béton : constituants

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Attaque sulfatique externe

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‐ l'expansion est provoquée par la croissance des aiguilles d'ettringite‐ l'expansion se traduit par une fissuration et un éclatement superficiel du béton‐ les fissures facilitent la pénétration des agents agressifs et accélèrent leprocessus de dégradation

2012/2013 83 2012/2013 84

Réaction sulfatique interne (DEF)

DEF = formation différée d'ettringiteL'origine des sulfates est interne au béton (ciment, granulats...)3 conditions doivent être remplies pour déclencher la pathologie

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Symptômes :‐ gonflement du béton à cœur‐ fissuration / faïençage du parement

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4 ‐ Alcali‐réaction

RAG = réaction alcali‐granulat‐ réaction entre les alcalins (ciment) et la silice des granulats‐ production d'un gel « silico‐calco‐alcalin » expansif‐ fissuration / faïençage du parement

3 conditions doivent être remplies pour déclencher la pathologie :

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Symptômes :‐ apparition des désordres : 2 à 5 ans après la construction (parfois 20 ou 30 ans)

‐ fissuration en réseau et faïençage‐ fissuration orientée‐mouvements, déformations‐ ruptures d'armatures‐ coloration des parements

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5 ‐ Gel – Sel de déverglaçage

Gel Interne

Nécessité de réduire la distance de déplacementde l'eau non gelée pour limiter les pressionsdans le béton

incorporation d'un adjuvant entraîneurd'air dans le béton frais

réseau de bulles d'air

- Pourcentage d’air de l’ordre de 3 à 8 % - Fractionner les bulles en de nombreuses petites bulles- Le facteur d’espacement des bulles d’air L(barre).

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Écaillage

Action du sel en surface :

‐ diffusion des chloruresgradient de concentration?attaques chimiques ?

‐ contact fondants/glacechocs thermiques ?

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‐ fissuration interne‐ gonflement

éclatement superficielle de la surfaceexposée aux sels de déverglaçage,sous forme d'écailles

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6 ‐ LixiviationBétons exposés à des eaux faiblement minéralisées ou acides

Dissolution des produits d'hydratation de la matrice cimentaire,principalement la portlandite

augmentation de la porosité du béton

2012/2013 96

Principes de prévention:

- Un béton compact et peu perméable (dosage en ciment, faible teneur en eau, granulométrie étudiée, soin au niveau de la mise en place

- Conception des ouvrages

- Des ciments avec des teneur réduites en C3A et C3S

- Ciment avec des laitiers ou des cendres volantes

- Des dosages en ciment augmentés

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IV – Tenue au feu

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- Une approche multi-échelle - Un phénomène thermo- hydro-chimico-mécanique

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Two examples of fire spalling of concrete: (left) the Mont Blanc tunnel and (right) the Channel Tunnel after the fire.

The damage to the concrete is clearly visible.

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Damage of tunnel lining showing severe spalling: a Channel Tunnel (1996) [1] and b Mont‐Blanc Tunnel (1999) [2]

1. Brux G (1997) Brand im Eurotunnel, Ursachen, Scha¨den und Sanierung [Fire in the channeltunnel, causes, damage, and repair measures] (in German). Tunnel 16(6):312. Haack A (2002) Generelle U¨ berlegungen zur Sicherheit in Verkehrstunneln[General considerations concerning safety in tunnels] (in German). Tech. rep., Studiengesellschaft fu¨r unterirdische Verkehrsanlagen e.V. (STUVA), Ko¨ln

101 2012/2013

La partie feu de l’Eurocode 2 traite du calcul des structures en béton en situation accidentelle d’exposition au feu en identifiant les différences et les éléments supplémentaires, par rapport au calcul à froid.

Elle donne les exigences requises pour les structures en béton pour remplir certaines fonctions lorsqu’elles sont exposées au feu, à savoir:

- R fonction porteuse : éviter une ruine prématurée de la structure (fonction résistance mécanique)

- E limiter l’extension du feu, c’est-à-dire les flammes, gaz chauds et chaleur excessive (fonction étanchéité)

- I fonction séparative, empêcher la propagation du feu en dehors des zones concernées (fonction isolation)

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2012/2013

Courbe de feu

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200

400

600

800

1000

1200

1400

0 30 60 90 120 150 180 210temps (min)

tem

péra

ture

(°C

)

courbe normalisée "feu ISO"courbe hydrocarburecourbe hydrocarbure majoréeexemple de feu "naturel"

103 2012/2013

Phénomènes à l’origine des dégradations du béton

Réactions chimiques durant le chauffage:

Évolution de la porosité

Variations dimensionnelles au sein d’un matériau hétérogène

Migrations d’eau, liées à la montée en température

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Dégradations associées à l’action du feu

• Evolution des caractéristiques thermo‐mécaniques (résistance, rigidité)…et physiques (dilatation, conductivité)

• Apparition possible d’éclatements localisés ou encore d’écaillage, (perte de matière)

• Changements de couleur, fissuration…

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0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 200 400 600 800 1000 1200Température (°C)

Rés

ista

nce

rela

tive

1 2 3

5 4 2

Résistance en en Compression

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Détachement de matière – Écaillage :-Perte de section

-Moins bonne protection des aciers (T1 < T2)

Armature

Recouvrement

Température dans le béton

Température dans le béton

T1

T2

Perte de matière

Bét

on a

rmé

Cas 1 Cas 2

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pression contrainte

température

Champ d’humidité : (1) Zone sèche (2) Zone de vaporisation (3) Zone qui s’humidifie (4) Zone sans variation hydrique

-σ

-σ

σ Px

b)

T

x

T

x

x

a)

4 3

- densification de la matrice cimentaire- faible perméabilité- contraintes thermiques- chauffage asymétrique- montée rapide en température- présence d’eau libre- déformations thermiques empêchées

109 2012/2013

• Observation en laboratoire d’éclatement

• Efficacité des fibres de polypropylène dans la prévention de l’écaillage

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2012/2013

V ‐ Les bétons fibrés

111 2012/2013

Un béton fibré est un béton dans lequel sont incorporées des fibres.

Fibres réparties dans la masse du béton  matériau présentant un comportement plushomogène.

Les fibres, selon leur nature ont un comportement contrainte‐déformation très différent. Elles peuvent, sous certaines conditions et pour certaines applications ou procédés, remplacer les armatures traditionnelles passives.

Les fibres présentent des caractéristiques, tant géométriques que mécaniques, différentes selon leur nature.

Chacune a une influence particulière sur les lois de comportement mécanique du béton, ce qui se traduit par des applications adaptées et spécifiques.

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Trois grandes familles de fibres :

• Les fibres métalliques :– acier ;– inox ;– fonte (amorphe).

• Les fibres organiques :– polypropylène ;– polyamide ;– acrylique.– mélange polypropylène/polyéthylène ;– kevlar ;– aramide ;– carbone.

• Les fibres minérales :– verre;– wollastonite ;– basalte ;– mica.

113 2012/2013

Les caractéristiques et les propriétés des fibres

Pour faciliter leur utilisation, les fibres doivent :– être faciles à incorporer dans le béton et ne pas perturber le malaxage (leur dispersion dans le béton doit être rapide) ;– se répartir de manière homogène lors du malaxage au sein du béton (pas d’agglomération de fibres) et lors du bétonnage.

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2012/2013

Le rôle des fibres

Les fibres ont généralement pour rôle de renforcer ou remplacer l’action des armatures traditionnelles en s’opposant à la propagation des microfissures.Elles peuvent également dans certaines applications remplacer les armatures passives.Selon les fibres utilisées (forme et nature) et les ouvrages auxquels elles sont incorporées, ce rôle se traduit par des améliorations relatives à :– la cohésion du béton frais ;– la déformabilité avant rupture;– la résistance à la traction par flexion ;– la ductilité et la résistance post fissuration ;– la résistance aux chocs ;– la résistance à la fatigue ;– la résistance à l’usure;– la résistance mécanique du béton aux jeunes âges ;– la réduction des conséquences du retrait par effet de couture des microfissures ;– la tenue au feu ;– la résistance à l’abrasion.

115 2012/2013

Les domaines d’application des bétons fibrés

Les bétons fibrés peuvent être utilisés pour une grande variété d’applications en bâtiment et en génie civil :– béton coulé en place (dalles, planchers, fondations, voiles, pieux, etc.) ;– béton préfabriqué (poutres, voussoirs, tuyaux d’assainissement, etc.) ;– béton projeté (voie mouillée/voie sèche, construction et réparation de tunnels, confortement de parois, etc.) ;– mortiers (prêts à l’emploi) de réparation et de scellement.

Le choix du type de fibres est fonction du domaine d’application et des performances souhaitées

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Les fibres polypropylène

Permettent en particulier de mieux contrôler le retrait plastique du béton frais mais n’améliorent pas son comportement postfissuration (contrairement aux fibres métalliques).Améliorent la maniabilité et la cohésion du béton (en particulier dans le cas de béton projeté). Elles sont particulièrement souples et insensibles chimiquement mais peu résistantes au feu (température de fusion comprise entre 140 à 170 °C).

Atouts des fibres polypropylène pour la tenue au feu des bétons

117 2012/2013

Les fibres métalliques

Bonne compatibilité avec le béton.Grande variété de fibres capables, par leur forme ou leur état de surface, de mieux s’ancrer dans le béton :– fibres ondulées ‐ crantées ‐ torsadées‐droites ;– fils, rubans ;– fibres à extrémités aplaties, à crochets, à têtes coniques, etc.

Bonne résistance à la traction et à la flexion.

Utilisés dans les dallages et les sols industriels (sur sol ou sur pieux), pour la fabrication de voussoirs de tunnels, de coques ou la confection de pieux ou pour réaliser des bétons projetés (pour la construction ou la réparation de revêtements de tunnels et de galeries et le confortement de parois de soutènement en béton), pour la réalisation de nombreux produits préfabriqués ainsi que pour la confection de mortier de réparation ou de scellement.

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2012/2013

Atouts des fibres métalliques dans les bétons structurels

Améliorent le comportement mécanique d’un béton de structure.Contribuent à la réduction de la largeur des fissures dans la matrice béton (limitation de l’ouverture des fissures et répartition de la microfissuration).Elles se substituent partiellement aux armatures traditionnelles.Pour des bétons subissant de faibles sollicitations, elles peuvent même remplacer complètement les armatures.Utilisées pour réduire les risques de fissuration, espacer les joints de retrait, améliorer la résistance en traction et au choc. Confèrent au béton une certaine ductilité et une plus grande résistance à la rupture.

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Les fibres de verre

Qualités mécaniques et rigidité  renforts très efficacesElles sont sensibles aux alcalis libérés par l’hydratation du ciment (protection ou imprégnation nécessaire).

Atouts des fibres de verre comme armatures de parois minces

En préfabrication, les domaines d’application sont très vastes.Réalisation d’éléments de faible épaisseur (éléments architectoniques, éléments de bardage, panneaux de façade, etc.), de mobilier urbain et de produits d’assainissement.• Panneaux de façade minces de 10 à 15 mm d’épaisseur ou panneaux sandwich à isolantincorporé.• Éléments de bardage et éléments décoratifs.• Éléments divers : coffret, coffrages, habillages.• Produits d’assainissements : tuyaux, caniveaux.Excellente résistance au feu (jusqu’à 800 °C). Bonne résistance à des températures élevées.Sur chantier, les mortiers de fibres de verre s’utilisent pour les enduits extérieurs monocouches, ainsi que pour certains procédés d’isolation thermique.

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Les techniques de mise en œuvre

• Béton coulé en place :– à la pompe ;– à l’aide d’une benne munie d’un manchon.• Béton préfabriqué.• Béton projeté.

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