Propriétés du béton : Généralités

Les bétons sont des matériaux composites minéral obtenu grâce au mélange d’un liant (ciment, argile, chaux…), d’eau et de granulats (graviers, sables, fillers…). Ce mélange va se transformer et évoluer au fil du temps. En 1er lieu il est plus ou moins fluide et malléable selon sa composition ; Puis, progressivement, il va durcir et devenir de plus en plus résistant. Les propriétés du béton vont suivre cette évolution et vont être différentes suivant son état.

Outre la texture et la fluidité, les propriétés mécaniques du béton vont elles aussi évoluer lors du passage d’un état physique à l’autre. Cette évolution ne va cesser de continuer sur plusieurs mois, bien après le durcissement apparent du béton.

On parle du béton de manière générale, mais il existe des sous-famille de bétons (bétons : autoplaçant, léger, fibré, bitumineux, décoratifs, …). Tous aux compositions particulières et aux propriétés bien spécifiques.

Le béton : un matériau complexe et évolutif

Propriétés du béton à l’état frais.

On parle de béton frais lorsque le matériau n’a pas entamé son processus d’hydratation, de prise et de durcissement. À ce stade, le béton possède la capacité de s’écouler et de se déformer. Il est donc possible de le transporter (de l’usine jusqu’au chantier), de le pomper, ou de remplir des coffrages d’une plus ou moins grande complexité.

Les bétons frais possèdent deux propriétés fondamentales :

1) L’aptitude au moulage.

Il s’agit d’une propriété spécifique au béton. Elle lui permet de prendre n’importe quelle forme possible et de garantir un parfait remplissage et enrobage des armatures.

2) L’ouvrabilité (ou maniabilité).

L’ouvrabilité des bétons frais regroupe un ensemble de qualités et de propriétés qui rendent compte de sa capacité à être mis en œuvre sur un chantier. Parmi ces qualités, et leur évolution dans le temps, on retrouve :

• La consistance : Qui permet de distinguer 4 classes de béton (ferme, plastique, très plastique et fluide) et détermine son ouvrabilité. Sa valeur se détermine par l’affaissement du cône d’Abrams (voir ci-dessous).
• La viscosité : cette qualité s’oppose à l’écoulement du béton sous l’effet de la gravité. On considère que plus la viscosité est faible, plus l’ouvrabilité du béton est bonne.
• La cohésion : cette propriété témoigne du comportement du béton à l’écoulement et de son aptitude au lissage.
• La tendance à la ségrégation : il s’agit d’un phénomène de séparation entre la pâte à ciment et les granulats, ou entre les granulats de différentes classes granulaires. La tendance à la ségrégation va fortement influer sur la résistance et la durabilité du béton.
• La pompabilité : cette qualité va dépendre de la granulométrie, du choix des fines et du dosage du ciment.
• La thixotropie : Sous l’effet d’une contrainte constante ou d’une agitation mécanique, la viscosité apparente du béton tend à décroitre au fils du temps et celui-ci devient plus fluide. Le système récupère son état initial à la suite d’un temps de récupération plus ou moins long.

De nombreux facteurs vont influer sur l’ouvrabilité du béton ; Entre autres :

• Le dosage et la nature du ciment utilisé.
• La section et la forme des granulats.
• L’ajout d’adjuvants et leur nature.
• Le dosage en eau.

Sa composition se détermine généralement par les caractéristiques de l’ouvrage final, les performances attendues et les moyens de mise en œuvre du béton lors du chantier. En fonction de ces différents critères, la consistance du béton s’ajuste ensuite par l’essai au cône d’Abrams.

Le cône d’Abrams

On appelle essai d’affaissement au cône d’Abrams, une méthode de calcul de l’ouvrabilité du béton. Ce test consiste à couler du béton frais peu fluide dans un moule tronconique en acier pour déterminer sa consistance. Plus celui-ci s’affaisse et plus il est fluide. Afin de tester cette consistance, l’essai se réalise grâce à un cône ouvert en partie haute et basse de dimensions :

• 30cm de h, 20cm de diamètre en base et 10cm de diamètre en partie haute.
• d’une tige métallique de 1,6cm de diamètre.

La test se déroule de la manière suivante :

• Le cône est d’abord fixé sur une plaque lisse qui ne doit pas être penchée.
• Ensuite on verse dans ce cône du béton frai en 3 fois. Chaque couche est piquée de 25 coups à l’aide de la tige métallique.
• L’excédent de béton qui pourrait dépassé du cône est enlevé.
• Pour finir, une fois le moule rempli, on soulève délicatement le cône en le tournant si nécessaire. Le béton s’étale alors plus ou moins fortement sur la plaque. Affaissement du béton est aussitôt mesuré.

La méthode du cône d’Abrams permet de déterminer 5 niveaux de consistance :

• Ferme (entre 10 et 40 mm d’affaissement). Peu maniable, on utilise ce béton principalement pour la fabrication des fondations à armature légère et les routes
• Plastique (entre 50 et 90 mm d’affaissement). Maniabilité moyenne, on utilise ce béton principalement pour les bétons armés et courants.
• Très Plastique (entre 100 et 150 mm d’affaissement). Maniabilité élevée, il caractérise les bétons qui on des adjuvants ou dont le mélange est trop surchargé en eau.
• Fluide (entre 160 et 210 mm d’affaissement). Maniabilité élevée, il caractérise les bétons qui on des adjuvants ou dont le mélange est trop surchargé en eau.
• Très fluide (à partir de 220 mm d’affaissement). Maniabilité très élevé, cette mesure caractérise les bétons autoplaçant.

La prise du ciment

En début de prise, le mélange eau/ciment commence à “cristalliser”.  Cette réaction chimique qui va permettre de coller les granulats entre eux se déroule sur les 28 premiers jours de vie du béton et provoque une perte de fluidité progressive du matériau jusqu’à son durcissement complet et progressif sur le long terme (au-delà des 28 jours).

La prise et le durcissement du béton se déroulent en 4 étapes :

• Tout d’abord la phase dormante : l’hydratation est lente et le béton conserve sa maniabilité.
• Ensuite, Le phénomène de prise : les réactions chimiques résultant de l’hydratation s’accélèrent et on observe une augmentation de la viscosité du béton.
• La fin de prise : les grains de ciment sont reliés entre eux par des ponts d’hydrates (des microcristaux en formes de plaquettes ou de fibres) et le béton devient rigide.
• Pour finir Le durcissement : La formation, l’enchevêtrement et la croissance des microcristaux assurent la cohésion du béton et sa résistance mécanique s’accroît.

Pour retarder le durcissement et faciliter le transport et la mise en place du béton, une quantité plus importante d’eau (ou l’utilisation de certains adjuvants) peut être employée.

Entre le début de la prise, et une durée de séchage admise de 28 jours, la résistance du béton va continuer d’augmenter. Quelques heures après le début de la prise, la résistance est de moins de 1 MPa, tandis que 28 jours plus tard, elle augmente jusqu’à atteindre 30 MPa (ou plus selon le type de béton).

Propriétés du béton à l’état solide

Les bétons solides possèdent plusieurs propriétés fondamentales.

La résistance mécanique à la compression

Par définition, la résistance à la compression d’un matériau est l’effort de compression uniaxial atteint à la rupture complète du matériau

Le béton tient sa résistance de ses différents constituants. Le choix du type de ciment, la qualité et la granulométrie de ses granulats, et la quantité d’eau ou l’ajout d’adjuvants plastifiants sont des leviers susceptibles d’influer sur la résistance du matériau.

Cette propriété permet déjà de différencier et de classer les bétons en différentes sous-familles. Les bétons les plus communs présentent généralement des résistances comprises entre 25 et 40 MPa (en d’autres termes, une force de 40 tonnes qui s’exerce sur un carré de 10 cm de côté de béton). Dès que cette résistance s’élève au-delà de 50 MPa, on considère le bétons comme à hautes performances (bétons fibrés ou à ultra hautes performances (PFUHP)).

16 classes de résistance à la compression sont définies et font l’objet d’une norme NF EN206/CN. Ainsi la classe de résistance à la compression des bétons à 28 jours se désigne par la lettre C de « Concrete » suivi de deux nombres correspondant aux résistances mesurées respectivement sur éprouvettes cylindriques et cubiques (exemple C25/30). A ces différentes classes on peut associer ce tableau d’usages :

La durabilité

Lorsqu’il est à l’état solide, le béton est un matériau remarquablement pérenne et résistant face aux agressions environnantes (chaleur, pollution, pluie et neige, gel et dégel…). Il s’agit donc du matériau de prédilection lorsqu’il est question de construire des structures qui doivent résister à des conditions difficiles.

La compacité et la porosité

La compacité et la porosité ont un impact et conditionnent la durabilité et les performances du béton. Moins le béton sera poreux (et donc plus il sera compact), plus sa durabilité sera importante, et ses performances élevées.

La tenue au feu

Le béton à l’état solide fait partie des matériaux incombustibles au pouvoir calorifique très faible (<600 Kcal/Kg). Cela signifie que la quantité de chaleur que le béton peut produire et qui est susceptible d’alimenter le développement du feu est quasi nulle.

À titre d’exemple, à température élevée égale, le béton est +/- 35% plus résistant que l’acier et ne dégage ni gaz, ni fumées toxiques. Il s’agit donc d’un remarquable pare-feu.

La capacité d’isolation thermique et acoustique

Grâce à sa densité et à sa masse, le béton solide est un excellent isolant acoustique (il possède une bonne capacité à intercepter les ondes sonores). L’utilisation de granulats fins ou l’ajout de certains adjuvants permettant d’obtenir un béton plus poreux vont également influer sur les qualités isolantes du matériau.

La résistance au choc et la ductilité

Le béton est connu pour : Ses performances mécaniques en cas de chocs ou de sollicitations dynamiques, sa ductilité, mai aussi pour sa résistance à la pression et sa bonne tenue en flexion.

Ces caractéristiques font du béton un matériau idéal pour concevoir des structures importantes, complexes et pérennes dans le temps.