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CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS CHAIRE DE TRAVAUX PUBLICS ET BATIMEN

CONSERVATOIRE NATIONAL DES ARTS ET METIERS CHAIRE DE TRAVAUX PUBLICS ET BATIMENT ___________ " ELEMENTS DE BETON ARME " Chapitre 3 : Les matériaux (Code CCV004) Enseignant: J. PAÏS 2011 - 2012 CNAM CCV004 – Eléments de Béton Armé 2 Indice A 2011-2012 Sommaire 3. LES MATERIAUX ............................................................................................................................ 4 3.1. L'ASSOCIATION ENTRE LE BETON ET L'ACIER ............................................................................... 4 3.2. LE BETON ................................................................................................................................. 4 3.2.1. Constitution du béton ......................................................................................................... 4 3.3. LES GRANULATS ....................................................................................................................... 4 3.4. LES CIMENTS ............................................................................................................................ 5 3.4.1. Définition ............................................................................................................................ 5 3.4.2. Rappel historique ............................................................................................................... 5 3.4.3. Prise du ciment .................................................................................................................. 7 3.4.4. Paramètres de la prise ....................................................................................................... 7 3.4.5. Normalisation des ciments ................................................................................................. 8 3.5. LES ADJUVANTS DU BETON ...................................................................................................... 11 3.5.1. (Super) plastifiant / (Haut) réducteur d’eau ..................................................................... 11 3.5.2. Accélérateurs de prise / durcissement ............................................................................ 11 3.5.3. Retardateur de prise ........................................................................................................ 12 3.5.4. Entraîneur d’air ................................................................................................................ 12 3.5.5. Hydrofuges ....................................................................................................................... 12 3.6. PATHOLOGIES DES BETONS ..................................................................................................... 13 3.6.1. Dessiccation précoce ....................................................................................................... 13 3.6.2. Retrait plastique ............................................................................................................... 13 3.6.3. Ségrégation ...................................................................................................................... 14 3.6.4. Ressuage ......................................................................................................................... 15 3.6.5. Efflorescences ................................................................................................................. 15 3.6.6. Action du gel-dégel .......................................................................................................... 16 3.6.7. Attaque par les sulfates ................................................................................................... 17 3.6.8. Réaction alcali-silice ........................................................................................................ 17 3.7. RESISTANCES CARACTERISTIQUES DU BETON .......................................................................... 18 3.7.1. Notations utilisées ............................................................................................................ 18 3.7.2. Résistance caractéristique à la compression .................................................................. 18 3.7.3. Résistance de calcul en compression ............................................................................. 20 3.7.4. Résistance à la traction ................................................................................................... 21 3.7.5. Classes de résistance des bétons ................................................................................... 22 3.7.6. Lois de comportement du béton ...................................................................................... 23 3.7.7. Prise en compte d’un béton confiné. ............................................................................... 28 3.8. DEFORMATIONS DU BETON ...................................................................................................... 29 3.8.1. Retrait du béton ............................................................................................................... 29 3.8.2. Fluage et déformations longitudinales du béton .............................................................. 32 3.8.3. Déformation différée du béton – Module d’élasticité effectif ............................................ 35 3.8.4. Module de déformation transversale – coefficient de poisson ........................................ 36 3.8.5. Déformations thermiques d’origine climatique. ................................................................ 36 3.8.6. Joints de dilatation ........................................................................................................... 36 3.9. MISE EN ŒUVRE DU BETON ..................................................................................................... 37 3.9.1. Les coffrages ................................................................................................................... 37 3.9.2. Serrage du béton ............................................................................................................. 39 3.9.3. Règles de l’art .................................................................................................................. 40 3.9.4. Revibration ....................................................................................................................... 43 3.9.5. Pompage .......................................................................................................................... 43 3.9.6. 25 °C < Bétonnage par temps chaud < 50°C .................................................................. 44 3.9.7. 0°C < Bétonnage par temps froid < 5°C .......................................................................... 45 3.9.8. Influence du coffrage ....................................................................................................... 45 3.10. LES NOUVEAUX BETONS .......................................................................................................... 48 3.10.1. Chronologie des innovations Lafarge .......................................................................... 48 3.10.2. Les bétons hautes performances (BHP) ..................................................................... 48 3.10.3. Béton auto plaçant (BAP) et Béton auto nivelant (BAN) ............................................. 51 3.10.4. Gamme de bétons spécifiques Lafarge....................................................................... 53 3.10.5. Béton à effet photocatalytique ..................................................................................... 56 3.11. L’ACIER .................................................................................................................................. 57 3.11.1. Essai de traction .......................................................................................................... 57 CNAM CCV004 – Eléments de Béton Armé 3 Indice A 2011-2012 3.11.2. Acier profilé à chaud .................................................................................................... 59 3.11.3. Acier laminé à froid ...................................................................................................... 59 3.11.4. Diagramme de calcul EC2 ........................................................................................... 60 3.11.5. Classe de ductilité ....................................................................................................... 61 3.11.6. Caractéristiques des armatures utilisées dans le BTP ................................................ 62 3.12. DISPOSITIONS DES ARMATURES............................................................................................... 66 3.12.1. Terminologie ................................................................................................................ 66 3.12.2. Dispositions géométriques .......................................................................................... 67 3.12.3. Espacement des barres – bétonnage correct ............................................................. 68 3.12.4. Enrobage des armatures ............................................................................................. 68 3.13. LES BONS PRINCIPES DE FERRAILLAGE .................................................................................... 76 3.13.1. Problématique du coût global ...................................................................................... 76 3.13.2. Ratios courants pour le bâtiment ................................................................................. 78 3.14. EXERCICE 1 : CARACTERISTIQUES D’UN BETON ........................................................................ 78 3.14.1. Résistance caractéristique et classe du béton ............................................................ 78 3.14.2. Module sécant ............................................................................................................. 79 3.14.3. Résistance de calcul.................................................................................................... 79 3.14.4. Courbe « parabole rectangle ». ................................................................................... 79 3.14.5. Courbe contrainte-déformation réelle .......................................................................... 80 3.14.6. Temps de décoffrage .................................................................................................. 80 3.15. EXERCICE 2 : ESTIMATION DU RETRAIT TOTAL .......................................................................... 82 3.15.1. Calcul du retrait de dessiccation ................................................................................. 82 3.15.2. Calcul du retrait endogène .......................................................................................... 83 3.15.3. Retrait total .................................................................................................................. 83 3.15.4. Estimation du coefficient de fluage .............................................................................. 83 CNAM CCV004 – Eléments de Béton Armé 4 Indice A 2011-2012 3. Les matériaux 3.1. L'association entre le béton et l'acier En béton armé, comme son nom l'indique, on fait appel à deux matériaux dont les caractéristiques sont très différentes et complémentaires :  Le béton est utilisé pour sa très bonne résistance à la compression.  L'acier est utilisé pour compenser la mauvaise résistance du béton à la traction. Dans certains cas (notamment celui des poteaux fortement comprimés), l’acier peut également aider le béton à reprendre des efforts de compression. 3.2. Le béton 3.2.1. Constitution du béton L’objectif de ce document n’est pas de faire un cours sur les matériaux de construction, on s’intéressera donc essentiellement, dans ce chapitre, aux caractéristiques de résistance du béton. Un béton est constitué par :  Des liants normalisés : ciments artificiels,  Des granulats naturels : sables, gravillons (taille usuelle variant de 10 mm à 25 mm).  D’adjuvants éventuels  D’eau de mouillage Il est caractérisé par :  Sa résistance élevée en compression simple, jusqu’à 40 à 50 MPa  Sa faible résistance à la traction, 12 à 15 fois moins qu’en compression,  Son poids volumique : béton non armé 22 kN/m3, béton armé = 25kN/m3  Son coefficient de dilatation thermique : 10-5 3.3. Les granulats Comme nous venons de le voir, les granulats peuvent être d’origines diverses : granites, quartzites, basaltes, grès, calcaire. etc… Les caractéristiques de ces granulats sont définies par deux normes :  NF EN 12620 – Granulats pour bétons.  NF EN 13139 – Granulats pour mortiers. Les origines des granulats sont fonction de l’utilisation finale du béton correspondant :  Béton classique  granulats siliceux / calcaires  Béton architectonique  aux choix de l’architecte (aspect, couleur)  Béton léger de structure  argile/schiste/laitier expansé  Béton léger isolant  polystyrène/verre expansés ou liège/bois  Béton lourd (centrale nucléaire)  corindon/barytine/magnétite  Béton réfractaire (four)  corindon/déchet réfractaire  Béton pour dallage industriel  corindon/carborundum/métallique CNAM CCV004 – Eléments de Béton Armé 5 Indice A 2011-2012 Quelques illustrations des principaux granulats : 3.4. Les ciments 3.4.1. Définition Le mot Ciment vient du latin «Caementum» : pierre naturelle. C’est un liant hydraulique dont les deux principales caractéristiques sont :  Il forme avec l’eau une pâte qui fait prise et durcit  Il conserve sa résistance et sa stabilité après durcissement 3.4.2. Rappel historique Connu depuis la plus haute antiquité, le ciment a été redécouvert au 19e siècle par Louis VICAT. Depuis cette époque son utilisation, comme ses propriétés, n’ont cessé de se développer pour en faire le matériau de la construction moderne. Les Chinois et les Mayas élevaient des constructions avec des mortiers à base d’une chaux obtenue par cuisson de roches calcaires, suivie d’une extinction à l’eau et d’un broyage. Les Egyptiens utilisaient, en 2600 avant JC, un mélange de chaux, d’argile, de sable et d’eau pour sceller les pierres. CNAM CCV004 – Eléments de Béton Armé 6 Indice A 2011-2012 Les Romains fabriquaient des liants capables de durcir avec l’eau. Ils mélangeaient de la chaux à des cendres volcaniques de la région de Pouzzoles qui, en présence d’eau, fixaient la chaux pour constituer un liant formant un mortier avec du sable. Quelques dates clés dans l’histoire du ciment :  1737 BELIDOR introduit le mot béton dans son sens actuel.  1817 VICAT invente le ciment (l’or gris est né)  1824 ASPDIN fabrique le ciment Portland  1830 LAFARGE installe son usine de ciment au Teil (en Ardèche) et lance la fabrication du ciment Portland. CNAM CCV004 – Eléments de Béton Armé 7 Indice A 2011-2012 3.4.3. Prise du ciment La prise du ciment se fait en plusieurs étapes : On peut distinguer 4 périodes :  Période 1 : réactions initiales  Période 2 : réaction dormante (2H30)  Période 3 : période d’accélération (1h) : appelée « prise du ciment » => cette activité dégage beaucoup de chaleur et les hydrates commencent à s’enchevêtrer et créer un solide.  Période 4 : période de ralentissement (infinie) : appelée « durcissement ». Le phénomène d'hydratation (durcissement) du béton est une réaction chimique qui dégage par elle-même de la chaleur. 3.4.4. Paramètres de la prise Plusieurs éléments peuvent influencer la durée et la qualité de la prise, en bien ou en mal :  La nature et la finesse de mouture du ciment (directement liée au procès de fabrication)  La température a une influence importante sur la durée de prise : o – de 2°C => Prise stoppée. o 2°C => 18h00 o 10°C  5h00 o 20°C  2h30 o 30°C  1h30  L’excès d’eau de gâchage aura un effet retardateur sur la prise, ainsi que la présence de matières organiques dans cette eau. Il est donc impératif de s’assurer de la bonne qualité d’eau de gâchage. En fonction des cas de figures, on utilisera donc des d’accélérateurs ou des retardateur de prise (voir plus loin). CNAM CCV004 – Eléments de Béton Armé 8 Indice A 2011-2012 3.4.5. Normalisation des ciments La norme NF EN 197-1 définit les principaux constituants et les principales caractéristiques des ciments. 3.4.5.1. Constituants principaux (> 5% de la masse) Les constituants principaux des ciments sont :  Clinker Portland (K) est obtenu par cuisson d’un mélange de calcaire uploads/Ingenierie_Lourd/ chapitre-3-les-materiaux.pdf