LE MATERIAU BETONNATURE PHYSICO CHIMIQUE ETCOMPORTEMENT MECANIQUE

A. ALLICHE

Sommaire• Introduction• Le comportement mécanique • La compréhension de quelques phénomènes décrits• Conclusion

Le béton est aujourd'hui le matériau de construction par excellence (environ 5 milliards de tonnes par an utilisées dans le monde). Matériau adopté universellement pour ses différentes qualité : - il est formé de matériaux naturels primaires largement distribués à la surface de la Terre ;- ses capacités de résistances dépassent celles des meilleures roches naturelles - sa durabilité peut être séculaire, et il résiste à des environnements corrosifs (comme l'eau de mer), au feu, …- sa mise en œuvre est assez simple - il est moulableC 'est donc pour des raisons économiques et techniques que le béton est devenu irremplaçable dans le domaine de la construction. Il est composé de ciment, de granulats, d'eau et de faibles quantités d'adjuvants. Dans la mesure où le ciment est un liant hydraulique fabriqué essentiellement à partir de minéraux naturels, le béton peut être considéré comme une roche artificielle.

700>5000Monde

637625094800USA

672220170France

PlastiqueCartonBoisAcierBéton

Production matériaux (en millionsde tonnes)

Les constituants du béton

le cimentLe ciment est un liant hydraulique à base de calcaire et d'argile qui se présente sous la forme d'une poudre minérale fine, le clinker s'hydratant en présence d'eau. Il forme une pâte qui fait prise et qui durcit progressivement. C'est le constituant de base du béton puisqu'il permet la transformation d'un mélange sans cohésion en un corps solide.

les granulatsIls constituent le squelette du béton et sont classés en trois catégories : - les sables : grains de dimensions comprises entre 0.08 mm et 5 mm- les gravillons : grains de dimensions comprises entre 5 mm et 25 mm

l'eau L'eau sert à l'hydratation du ciment et à assurer une ouvrabilité suffisante du béton. On peut utiliser de l'eau potable, mais pas d'eau de mer.

les adjuvantsLes adjuvants produits chimiques rajoutés au mélange pour modifier certaines propriétés : - les retardateurs et les accélérateurs jouent sur la vitesse de prise et de durcissement du béton - les plastifiants et superplastifiants améliorent l'ouvrabilité sans augmenter la quantité d'eau

L’invention du ciment1817- Une année historiqueCette date constitue le point de départ de ce qui peut être considéré comme le renouveau de l’industrie de la construction. Louis Vicat (1876 –1861), jeune ingénieur des ponts et chaussées de 22 ans mène des travaux autour des phénomènes d’hydraulicité du mélange « chaux-cendres volcaniques ». Ce liant, déjà connu des Romains, restait jusqu’alors le seul matériau connu capable de faire prise au contact de l’eau.Louis Vicat fut le premier à déterminer de manière précise les proportions de calcaire et de silice nécessaires à l’obtention du mélange, qui après cuisson à une température donnée et broyage, donne naissance à un liant hydraulique industrialisable : le ciment artificiel. Louis Vicat publia le résultat de ses recherches sans prendre de brevet.Les débuts d’une industrieEn affinant la composition du ciment mis au point par Louis Vicat, l’Ecossais Joseph Asdin (1778-1855) réussit à breveter en 1824 un ciment à prise plus lente. Il lui donna le nom de Portland, du fait de sa similitude d’aspect et de dureté avec la roche du jurassique supérieur que l’on trouve dans la région de Portland dans le sud de l’Angleterre.

Le Clinkler - Portland :

- Notations :CaO = C (constituant basique)SiO2 = S (constituant acide)Al2O3 = A (constituant acide)Fe2O3 = F (constituant acide)

- Composition :La composition chimique moyenne du ciment Portland est la suivante :

- silicate tricalcique (CaO)3SiO2 ou C3S (60%) ;- silicate bicalcique (CaO)2SiO2 ou C2S (20%) ;- aluminate tricalcique (CaO)3Al2O3 (10%) ;- alumino ferrite tetracalcique (CaO)4Al2O3Fe2O3 (8%) ;- gypse (2%).

Hydratation:L’hydratation conduit à la formation de silicates de calcium hydratés ou CSH et de cristaux de portlantide Ca(OH)2. L’appellation CSH fait référence à une famille de phases solides de composition chimique variée :

223

2 )( OHCaCSHOHSCSC

+→+

Origine de la cohésion de la pâte de ciment au niveau moléculaire

Verre Argile Liant cimentaire

Liaison de type intercristalline

Liaison de type intracristalline

Les propriétés mécaniques du béton

Le béton peut être défini par les caractéristiques suivantes :

- sa masse volumique est comprise entre 2 et 2.5.103 Kg par mètre cube.

- la résistance à la compression du béton est définie par sa résistance caractéristique à 28 jours. Pour un béton courant, elle est de 20 à 30 MPa. Pour les bétons de qualité supérieure, elle est de 40 à 50 MPa. Les bétons de hautes performances vont jusqu'à 100 Mpa. Enfin, les bétons à très hautes performances peuvent avoir une résistance à la compression supérieure à 100 MPa.

- la résistance à la traction du béton est plus faible : elle est 10 à 12 fois inférieure à la résistance à la compression.

Les armatures servent à reprendre les efforts de traction auxquels le béton résiste assez peu. Les barres d'acier disposées dans le béton peuvent reprendre les efforts de traction grâce au phénomène d'adhérence. Il est dû aux frottements entre le béton et l'acier et est amélioré par des nervures sur la surface de la barre. Enfin, le béton et l'acier font bon ménage car ils ont à peu près le même coefficient de dilatation thermique et aussi parce que le béton protège l'acier de la corrosion. Il faut aussi noter l'importance de la fissuration du béton armé. En effet, acier et béton ayant des caractéristiques mécaniques très différentes ( le module de Young du béton est de l'ordre de 200000 MPa alors que celui de l'acier est d'environ 30000 MPa ), une fissuration du béton est indispensable si l'on veut solliciter correctement l'acier. Toutefois, la taille de ces fissures est réglementée et est limitée à environ 0.10 mm pour les ouvrages exposés, et à 0.30 mm pour les ouvrages protégés.

Béton armé

Caractéristiques physique et géométrique du béton

Croissance d’hydrates de CSH (a) et porositécapillaire (b)

(a) (b)

Configuration des fissures autour de grains de sable

1 nm 10 nm 104 nm 102 nm 103 nm 105 nm 106 nm 107 nm

Espace interfeuillets de CSH

Pores capillaires

Cristaux de Ca(OH)2

Bulles d’air entraînées

Sables et granulats

Amas de particules de CSH

Distribution de la taille des pores dans la pâte de ciment

Pores capillairesPores d’hydrates

Possibilité de fabrication de bétons adaptés

• Béton Haute, Très haute et Ultra haute performance (BHP, BTHP, UHP)• Béton auto plaçant• Béton fibrés (métal, polymère, oragnique…)

Comportement mécanique

Le problème du retraitQuantité d’eau excédentaire par rapport à ce qui est nécessaire à l’hydratation.→ Départ de l’eau vres l’extérieur en général moins saturé.⇒ gradient hydrique ⇒ contrainte de traction en peau. ⇒ fissure (faiençage). Si les fissures restent < 2 à 3/10 de mm pas de problème.⇒ Sinon possibilité de migration de fluide et de composants agressifs ⇒corrosion des armatures et destruction du béton

Phénomène physique à l’origine du retrait

gyρ Pa

Pa

Porosité du béton 15 à 20%Porosité de la pâte de ciment 40 à 50 %

La pression change de signe pour un rayon de courbure de 2 à 3 micron

Pa ghPa ρ+

h

Béton à haute et ultra haute performance

Développement à partir de la théorie des empilements granulaires

gravier sable poudreCompacité naturelle monomodale ≅ 0.48

totalvolsolvolC ..=

mélange 1 = sable + gravier → Cm1 ≥≥≥≥ 0.48mélange 2 = mélange 1 + poudre → Cm2 ≥≥≥≥ Cm1

BHP et BUHP à partir de l’ajout de poudre de fumée de silice de dimension < aux grains de ciments ⇒ multiplier la résistance par 2 ou 3Continuer les empilements granulaires jusqu’à la molécule d’eau → B U H P (DUCTAL)

1.2 x 10E12 m2/s Abrasion (I=V/VO) 30 J/m2Tenacity to Rupture 60 x 106 MPaModulus of Elasticity

(Youngs)

45 MPa Flexural Strength 200 MPa Compressive Strength

propriétés mécaniques d’un BUHP Source société Lafarge

Essai de torsion sur un tube de composite mortier-polymère (Thèse S. Pascal)

Fissure

Torsion-compression

I – LES DOMAINES DE RECHERCHE

2 – Comportements et techniques expérimentales

Flexion trois points : plaque (5 mm épaisseur, résistance maximale en flexion = 10 N)

Compression (extensomètre et dispositif de mesure de la déformation transversale - Thèse S. Pascal)

Résistance du béton sous chargement bi-xial (a ) et effet d’une contrainte de confinement (b) (a) (b)

KACHANOV a introduit une variable D pour décrire la densité des défauts dans un milieu endommagé.. Dans cette approche l’amorçage et le développement d’une microfissure a pour conséquence une réduction de la surface portante dans le plan de la microdiscontinuité. Ceci se traduit par une augmentation de la contrainte effective :

nneffn SD

FSF

)1( ~−==σ

Endommagement dans les matériaux

nn

Sn n

effnn

n SSSD −

=

)(exp(()1(1

0,

,,0, KKB

AKAKD

ct

ctctct −−−−=

Modèle d’endommagement de Mazars

Mécanique de la rupture appliquée au béton

...)(2 += θπσ ijm

ij frK

Critère de propagation : Km = Kmc; Kmc ne dépendant que du matériau

Microfissure Agrégat

Défaut initial Zone microfissurée

Mécanique non linéaire de la rupture en mode I

Le principe de base de la mécanique non linéaire de la rupture consiste à représenter la zone microfissuréepar une fissure fictive (voir figure) qui prolonge la fissure réelle initiale, sur les bords de laquelle agit une pression de fermeture σ(w) (w est l’ouverture de fissure). Pour w = 0, la pression σ(w) = σm (σm résistance du matériau à la traction). Lorsqu’il y a propagation de la fissure, une partie de l’énergie est consommée dans la création de surfaces de discontinuités, tandis que l’autre partie est consommée dans les phénomènes de dégradation du milieu qui ont lieu en avant de la tête de fissure. Si l’on raisonne en terme de taux de restitution d’énergie, on écrit :GI = GIc + GσCe modèle permet entre autre de déterminer la longueur caractéristique propre à chaque matériau analogue au diamètre de la zone plastifiée en fond de fissure pour les métaux :

2/. tccrit RGEl =

Les recherches futurs:

• Aller plus loin dans la mise au point de nouveau matériau → améliorer les propriétés mécaniques, la durabilité (esthétique) ..• Lutte contre la dégradation par la pollution (carbonatation, chloruration) → surface auto-nettoyante• Améliorer l’aspect recyclage des bétons après destruction