Du béton frais au béton durci : Composition et formulation du béton

25 Avril 2019
 

Introduction

Le béton est obtenu en mélangeant les constituants, à savoir du ciment, de l’eau, des granulats grossiers et fins, et, le cas échéant, des adjuvants, des additions et/ou des ajouts. Les possibilités de variation des paramètres au sein de ce mélange de constituants sont pratiquement illimitées, ce qui permet d’influencer de façon ciblée aussi bien les propriétés du béton frais que celles du béton durci.

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Cadre normatif

En plus de la classification du béton, la norme européenne NBN EN 206 définit des exigences minimales pour la composition du béton, ceci afin de garantir que
le béton résiste aux agressions environnementales.

La plupart des pays européens ont complété les prescriptions de la norme européenne par des spécifications nationales.

En Belgique, ces prescriptions sont reprises dans la norme NBN B 15-001, qui complète la NBN EN 206 par des exigences normatives établies en fonction de l’expérience belge et par des commentaires informatifs (voir chapitre 2.1).

Comme expliqué au chapitre 2.1, la norme belge a introduit des classes d’environnement qui remplacent les classes d’exposition de la norme européenne et font le lien entre les classes d’environnement du béton et les exigences au niveau de la composition. Cette composition est entre autre définie par sa quantité minimale de ciment ou de liant équivalent, par la quantité d’eau (efficace) et par la classe de résistance du béton (tab 2.1.3).

Importance du rapport E/C

Le rapport eau/ciment est l’un des facteurs clés qui influencent de manière prépondérante l’ensemble des propriétés du béton (fig 2.3.2).

Il est donc logique que, à travers le choix approprié de la classe d’environnement, le prescripteur limite le rapport E/C.

Dans la pratique, lors de la fabrication du béton, on maîtrise le E/C grâce à la connaissance de la teneur en eau totale du mélange. Celle-ci se fait principalement grâce
au suivi de l’humidité des constituants - via une mesure en continu par une sonde ou via une mesure ponctuelle mais régulière par séchage (poêle, four, micro-ondes) - et à la vérification régulière de la bascule à eau.

On se base également sur la mesure de la consistance. Pour une composition donnée, celle-ci est en étroite relation avec la teneur en eau. Avec l’expérience, cette
méthode donne une approximation suffisante du résultat mais ne remplace pas une mesure réelle de la teneur en eau du béton qui doit se faire régulièrement,
notamment dans le cadre de la certification BENOR des bétons.

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Choix du rapport E/C

Le choix du rapport E/C dépend des 2 éléments principaux suivants :

  • La classe d’environnement : la norme béton NBN B15-001  définit, pour chaque classe d’environnement, un E/C maximum (tab 2.1.3). Le producteur prendra encore une petite marge de l’ordre de 0,01 ou 0,02 afin de tenir compte de la variation de ce paramètre.
  • Les contraintes mécaniques auxquelles sera soumis le béton durci. Comme le montre un exemple en figure 2.3.3, la résistance du béton est fortement influencée par le E/C. En connaissant la résistance moyenne visée du béton, ainsi que la résistance moyenne du ciment, on peut calculer le E/C maximal du béton à l’aide de formules empiriques, la formule de Walz par exemple :

ƒcm, 28 = 0,46 . ƒcm, 28,cem . (C/E - 0,06)
Avec :
ƒcm, 28 résistance moyenne* du béton à 28j
ƒcm, 28,cem résistance moyenne du ciment à 28j
C/E inverse du rapport E/C
*Le producteur de béton visera une moyenne plus élevée que la valeur caractéristique de la classe de résistance, pour tenir compte de la dispersion des résultats.

Le E/C maximal retenu sera la plus petite valeur entre ces deux E/C. Pour le béton prêt à l’emploi, le E/C lié à la classe d’environnement sera déterminant dans la majorité des cas.

Pour des chantiers spécifiques, le rapport E/C peut être prescrit de manière plus exigeante. Sur ces projets faisant état d’exigences particulières de cet ordre il sera
également utile de prendre des précautions supplémentaires lors de la mise en oeuvre.

Eau efficace :

Dans le rapport E/C on tient compte de l’eau efficace.
Le concept d’eau efficace est défini comme suit :

  • eau efficace = eau totale – eau absorbée par les granulats
  • eau totale = eau de gâchage + eau contenue dans (eau absorbée) et à la surface (humidité de surface) des granulats + eau des adjuvants et des ajouts liquides.

Dosage en eau et en ciment

Un dosage en ciment suffisant protège efficacement les armatures contre la corrosion. Cette protection est assurée par la forte alcalinité de l’hydroxyde de calcium
qui se forme pendant la prise et par une faible porosité du béton.

Pour que ces deux conditions soient toujours remplies, la norme NBN B15-001 prescrit des teneurs en ciment minimales en fonction de l’environnement spécifie. Par
exemple, le béton armé mis en place dans un environnement de type EE3 (environnement extérieur, exposé à la pluie et au gel), doit contenir minimum 320 kg de
ciment par m3 de béton fini.

Le producteur de béton choisira souvent une quantité  de ciment ou liant équivalent (voir ci-après) plus importante. Ceci peut être le cas quand le producteur de béton veut augmenter la teneur en fines du béton. Généralement, cela est fait dans les situations où la combinaison du Cmin et E/Cmax mènerait à une teneur en eau inférieure à la quantité nécessaire pour assurer le "mouillage" du béton et éviter une viscosité trop importante de celui-ci. Cette quantité peut être calculée à base du "besoin en eau" des différents composants du béton ou bien estimée sur base d’expérience (dans le secteur du béton prêt à l’emploi des valeurs de 170 à 175 litres/m3 sont souvent appliquées).

Liant équivalent
Si en plus du ciment, une addition de type II est ajoutée au béton (voir chapitre 1.5), le concept du coefficient k peut être utilisé pour le calcul de la quantité de liant équivalent.

Liant équivalent = Ciment + k . Addition

Les normes NBN EN 206 et NBN B15-001 donnent les valeurs de coefficient k (tab 1.5.1).

Le liant équivalent peut entrer en ligne de compte pour
l’évaluation de la quantité de ciment minimale et le
rapport eau/ciment maximal.

Composition granulométrique

La composition du "squelette granulaire", à partir des caractéristiques des matières premières (granulométrie et forme) disponibles, visera à minimiser le volume
des vides dans le béton, afin de garantir une faible porosité, ce qui lui conférera une durabilité élevée (fig 2.3.4 et 2.3.5).

En règle générale, une courbe granulométrique continue donnera un béton présentant une meilleure compacité, une meilleure ouvrabilité, une cohésion élevée et une
tendance réduite à la ségrégation.

La pratique montre que pour les bétons courants, les courbes discontinues peuvent être plus économiques, permettre de meilleurs parements et donner des résistances à la compression plus élevées. Cependant, eu égard à la plus grande sensibilité de ces formules à la variation de granulométrie des granulats et au risque
de ségrégation et de ressuage, elles sont de moins en moins utilisées.

Exemple pratique de formulation d’un béton

En pratique la mise au point de la formulation du béton en masse de constituants se fera de la façon suivante :

A. Détermination des quantités d’eau et de ciment
Comme on l’a vu au paragraphe "Choix du rapport E/C", la classe d’environnement, les résistances à atteindre et/ou le cahier de charges spécifique au chantier permettent de déterminer le facteur E/C.

Comme abordé également dans le paragraphe précédent, le dosage en ciment minimal fixé par la norme peut être adapté afin d’obtenir une quantité d’eau supérieure tout en respectant le E/C choisi. L’exemple ci-dessous illustre la logique :

Données d’entrée :
Un béton armé (BA) en application extérieure, en présence d’eau et de gel -> classe d’environnement EE3.

La norme NBN B15-001 impose pour une classe EE3 un béton de type T(0,50) et par conséquent :

  • dosage C mini de 320 kg/m3
  • E/C maxi de 0,50
  • classe de résistance mini C30/37.

On veut viser une résistance moyenne de 45 N/mm2 (37 N/mm2 plus une marge typique de 8 N/mm2) et utiliser un ciment dont la résistance moyenne à 28 jours est
de 56 N/mm2.

Détermination du E/C :
L’application de la formule de Walz (en utilisant une marge de 0,01 sur le E/C donc 0,49) permet de vérifier que la résistance attendue du béton sera de 51 N/mm2.
Le E/Cmax de 0,49 résultant de l’environnement est donc déterminant car plus contraignant.

Détermination de la teneur en ciment :
L’application du Cmin (320 kg/m3) avec un E/C de 0,49 mènerait à une quantité d’eau efficace de 159 litres/m3.
Or, de par son expérience, le formulateur sait qu’avec les matériaux utilisés, il aura besoin de minimum 170 litres d’eau pour assurer une viscosité et une ouvrabilité
correcte du béton. Il faudra dès lors augmenter le dosage ciment à 170/0,49 ≈ 345 kg/m3.

B. Prise en compte de la quantité d’air
Une teneur moyenne en air de 1,5 à 2,5% peut être prise en compte pour les bétons sans air entraîné.

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C. Détermination du volume des granulats
Le volume (rendement volumique) que doit occuper 1 m3 de béton frais est de 1000 litres. Le volume de granulats se détermine donc à partir des volumes de ciment,
eau et air (tab 2.3.1).

Le volume du ciment peut être calculé à partir de la masse du ciment en utilisant la masse volumique absolue (ρa) du ciment (voir fiche technique du producteur).
Le volume restant (699 litres dans notre exemple) devra être rempli par l’ensemble des granulats.

D. Détermination de la proportion volumique de chaque fraction granulaire
La composition granulométrique du béton (proportion de chaque fraction) peut s’établir selon 3 approches :

  • Approche graphique à partir de méthodes telles que celles de Füller, de Bolomey, de Faury ou de Dreux. Ces différentes méthodes sont basées sur la recherche d’une compacité maximale.
  • Méthode des moindres carrés qui cherche à minimiser l’écart entre la courbe à définir et une courbe idéale connue.
  • Méthode empirique basée sur l’expérience du producteur et utilisant en général des rapports G/S (granulats/sable) ainsi que des rapports entre types de sable (exemple 50% de sable rond et 50% de sable de concassage) et entre calibres de gravillons (exemple 15% concassé 2/6 et 85% concassé 6/20) ayant fait leurs preuves.

Ces approches donnent généralement des proportions volumétriques. La masse volumique réelle (ρrd), déterminée par séchage à l'étuve, de chaque granulat (voir
fiche technique du producteur) permet de transformer les proportions volumiques de chaque fraction granulaire en masse (kg/m3).

E. Détermination de la quantité d’adjuvant
En se basant soit sur des calculs de type "besoin en eau" soit sur base d’expérience, soit sur une étude en laboratoire, le producteur détermine la quantité du ou des
adjuvants à utiliser afin d’obtenir la consistance visée.

F. Contrôles et ajustements éventuels
La formulation théorique étant établie, on vérifiera les points suivants :

  • La teneur en fines est-elle suffisante (voir cadre ci-dessous et tab 1.3.4)? Si tel n’est pas le cas, envisager l’utilisation d’un sable correcteur ou d’un ajout minéral.
  • La courbe granulométrique est-elle continue? Si tel n’est pas le cas, envisager l’utilisation d’un calibre intermédiaire, type 2/6 ou 4/8.
  • Les bilans des chlorures et des alcalins sont-ils conformes?

Une teneur optimale en fines

  • accroît la quantité de film lubrifiant sans augmentation notable de la quantité d’eau de gâchage
  • garantit une meilleure ouvrabilité du béton et facilite le compactage du béton
  • améliore la capacité de rétention d’eau du mélange et prévient le ressuage pendant et après la mise en place
  • empêche la ségrégation lors de la mise en place
  • améliore la compacité de la pâte de ciment et, par conséquent, l’étanchéité du béton.

Cette formulation sera ensuite ajustée en fonction des résultats obtenus par des essais initiaux (ITT) effectués en laboratoire et/ou en centrale.

Les vérifications principales concerneront l'ouvrabilité (consistance, résistance à la ségrégation et au ressuage), la résistance à la compression et le rendement volumique.

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