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CLASSIFICATIONS DES BETONS
Le béton fait partie de notre cadre de vie. Grace à ses performances et à son aspect, il peut s’adapter aux exigences des réalisations souhaitées. Concernant les bétons utilisés dans le bâtiment, ainsi que dans les travaux publics, ils peuvent être classés en général en quatre groupes selon leurs masses volumiques ρ, on a :
• Béton très lourd : ρ > 3500 Kg/m3 ;
• Béton lourd (béton courant) : ρ ≈ 2600 Kg/m3 ;
• Béton léger : 800 < ρ < 2000 Kg/m3 ;
• Béton très léger : ρ < 800 Kg/m3.
Le béton courant peut être armé ou non. Les bétons dits très lourds, qui peuvent atteindre une masse volumique de 6000 Kg/m3, servent pour la protection contre les rayons radioactifs. On les utilise le plus souvent, dans la construction d’un bâtiment qu’en aménagement de travaux public. Les bétons de granulats légers, se caractérisent essentiellement par leur faible masse volumique, adaptable aux exigences, par leur excellent rapport poids/résistance. Les bétons cellulaires, qui sont des bétons très légers avec une masse volumique inférieure à 500 Kg/m3, se limite au béton de remplissage des murs, plafonds, plancher, et peuvent répondre aux problèmes d’isolation.
Les bétons fibrés, plus récents, correspondent à des usages très variés comme les travaux de dallages, les éléments décoratifs et les mobiliers urbains.
CONSTITUANTS DU BETON
Le plus souvent, le béton est composé de ciment, de sable, de gravier, d’eau et d’adjuvant. Mais leurs compositions varient en fonction de leurs destinations.
Ciment
Le ciment est un produit obtenu à partir de matières premières d’origine naturelle.
Définition
Le ciment est un liant hydraulique qui se présente sous la forme d’une poudre minérale fine s’hydratant en présence d’eau. Il se forme alors une pâte, faisant prise, puis durcit progressivement à l’air ou dans l’eau. On peut affirmer que le ciment est le constituant fondamentale du béton puisqu’il pemet la transformation d’un mélange sans cohésion en un corps solide.
Le ciment est fabriqué à partir d’une composition :
• du clinker qui est obtenu par cuisson, à fusion partielle d’un mélange éssentiellement de chaux, de silice, d’alumine et d’oxyde de fer ;
• du laitier qui est obtenu par refroidissement brusque de la scorie en fusion ;
• de la pouzzolane ou du cendre volante ;
• des fillers qui sont obtenus par broyage de roches de qualités ;
• du gypse ou de l’anhydrite, pour réguler la prise.
Caractéristiques du ciment
Le ciment est constitué par divers constituants chimiques et minéralogiques. Ces constituants de base doivent présenter l’une ou plusieurs des propriétés suivantes :
• des propriétés hydrauliques qui, par réaction avec l’eau forment des composés hydratés stables et très peu solubles ;
• des propriétés poozolaniques qui, à température ordinaire et en présence d’eau en combinant avec la chaux, forment des composés hydratés stables ;
• des propriétés physiques qui, améliorent certains qualités du ciment (accroissement de la maniabilité et de la compacité, diminution du ressuage).
Caractéristiques chimique et minéralogique
Composition chimique élémentaire
Cette composition renseigne sur les différends éléments chimiques présents dans le ciment. Elles se présentent sous forme d’oxyde et quelques fois en éléments cristallisés.
On distingre :
• les éléments principales : CaCO3, SiO2, Al2O3, Fe2O3;
• les éléments secondaires dont : MgO, SO3, Na2O, K2O, Cl-, F-.
Composition minéralogique
Le clinker est le constituant principale du ciment. Il est composé essentiellement de silicates et d’aluminates de calcium. Egalement d’un apport de la combinaison de la chaux avec la silice, l’alumine et de l’oxyde de fer.
On doit cependant mettre les ajouts des éléments secondaires à causes de l’impureté des éléments principaux tels que la chaux libre CaOL, l’oxyde de magnésium MgO et le sulfate de potassium K2SO4.
L’ajout du gypse (3 à 5%) est indispensable pour régulariser la prise du ciment.
Caractéristiques physiques
La couleur
Elle varie en fonction de la composition chimique des matières premières, particulièrement sur la teneur en oxyde de fer et la nature des combustibles utilisés pour la fabrication du clinker. On a des ciments gris ou blanc.
La masse volumique apparente
Elle représente la masse de la poudre par unité de volume et elle permet de vérifier la qualité d’un clinker sortant du four : plus elle est élevée plus le clinker est bien cuit.
La masse spécifique
Elle représente la masse de la poudre par unité de volume, les vides entre les grains sont exclus, en générale, elle prend les valeurs entre 2900 à 3150 Kg/m3.
La surface spécifique
Elle permet d’évaluer la finesse de mouture d’un ciment, elle est caractérisée par la surface développée totale de tous les grains contenus dans 1g de ciment. Suivant le type de ciment, sa valeur varie entre 2800 à 5000 cm2/g.
La prise
Dès que le ciment anhydre a été mélangé avec l’eau, l’hydratation commence et les propriétés de la pâte sont évolutives dans le temps. Le début de prise correspond au moment ou l’on constate une augmentation relativement brusque de la viscosité de la pâte avec échauffement. Il dure entre 45mn et 1h suivant le type de ciment. La fin de la prise correspond au moment ou la pâte est devenu un bloc rigide.
L’expansion
L’expansion est un phénomène d’augmentation de volume qui intervient durant la prise et le durcissement du ciment, il est du principalement à l’hydratation de la chaux libre et de la magnésie contenue dans le ciment et à l’éxistance de sels expansifs (sulfoaluminate de calcium).
Le retrait
Le retrait est le phénomène inverse de l’expansion, c’est-à-dire la dimunition de volume durant la prise et le dursissement du ciment.
Caractéristiques diverses du ciment
Le ciment doit parfois répondre à certaines spécifications imposées par les utilisateurs.
Les plus courantes sont :
• une fluidité minimale pour faciliter la manutention pneumatique,
• une température maximale pour éviter le phénomène de fausse prise,
• une teneur limitée en alcalis pour utiliser sans restriction des granulats siliceux réactifs,
• une teneur limitée en sulfate pour éviter la formation différée d’ettringite dans les installations d’étuvage à haute température en préfabrication.
Les ciments et la normalisation
La « Norme » est l’ensemble des règles conventionnelles utilisées pour spécifier et caractériser la qualité et la régularité d’un produit.
Cette norme peut être propre à un pays ou adoptée par un ensemble de pays. A l’exemple des pays membres de l’Union Européenne, ils utilisent la norme EN 197-1 et EN 197-2 dans le domaine des ciments, et les normes ASTM C 150 et ASTM C 595 pour les Américains.
Norme européenne EN-197
La norme de référence des ciments courants et la norme européenne EN 197-1 publiée par AFNOR sous la référence NF EN 197-1 « ciment- Partie 1 : compositions, spécialisations et critères de conformité des ciments courants ». La norme NF EN 197-1 est subdivisée en trois rubriques :
• La première partie descriptive qui définit les constituants du ciment et délimite les différents types de ciments ;
• La deuxième partie qui fixe les classes de résistance, les spécifications mécaniques et physico-chimique ;
• La troisième partie consacrée aux critères de conformités, les procédures de leur
vérifications et les seuils de garantis.
Pour le cas de Madagascar, la direction du bureau des normes a élaboré, inspirée de la norme NF EN 197-1, des normes qui régissent le ciment et qui ont été parues en juillet 2005 et révisées en 2009, dont :
• NM 031-1 : ciment à usage courant ;
• NM 031-2 : évaluation de la conformité ;
• NM 032-1 : liants à maçonner ;
• NM 032-2 : ciment pour travaux près de bord de mer ;
• NM 032-3 : ciment à usage tropicale.
Les classifications de ciment selon les normes NF EN 197-1
Les ciments de la norme NF EN 197-1 sont définits comme « ciment courant » par rapport aux autres ciments plus spécifiques de part la composition, la fabrication et l’utilisation. Cette norme retient cinq catégories de ciment courant selon la proportion du clinker et les constituants utilisés. Ce sont :
– Le ciment Portland (CEM I);
– Le ciment portland composé ( CEM II/A ou B) ;
– Le ciment de haut fourneau (CEM III/A, B ou C) ;
– Les ciments pouzzolaniques (CEM IV/A ou B) ;
– Le ciment de laitier au cendres (CEMV/A ou B).
Granulats
Définitions
Les granulats sont des petits morceaux de roches, c’est-à-dire un mélange de sables et graviers de grosseurs différentes comprises entre 0 et 125 mm. D’après leurs dimensions, ils se situent dans la famille des fillers, des sablons, des sables, des graves ou des gravillons, des ballasts et des enrochements. Ils constituent le squelette du béton en apportant une amélioration sur sa résistance. Selon les formulations retenues, ils constituent 70 à 90 % en masse d’un mètre cube de béton.
Classifications
On distingue plusieurs types de granulats, en fonction de leurs :
Origines :
– Granulats naturels, issus des roches meubles ou massives, et qui ne subissent que des traitements mécaniques ;
– Granulats artificiels, provenant de la transformation thermique et mécanique de roches ou de minérales ;
– Granulats recyclés, obtenus à partir des démolitions d’ouvrage, ou des granulats réutilisés.
Masses Volumiques réelles :
– Granulats courants, dont la masse volumique réelle est comprise entre 2 et 3t/m3;
– Granulats légers, dont la masse volumique réelle est inférieure à 2t/m3 ;
– Granulats lourds, dont la masse volumique réelle est supérieur à 3t/m3.
Coupures granulométriques :
– Filler, 0/D avec D < 1mm et 70% passant pour D = 0,063mm ;
– Sablons, 0/D avec D ≤ 2mn et 70% passant pour D = 0,063mm ;
– Sables, 0/D avec 1 < D < 6,3mm ;
– Gravillons, d/D avec d ≥ 1mm et D ≤ 125mm.
Caractéristiques des granulats
Les granulats sont un des principaux composants du béton. Les performances mécaniques des granulats vont donc conditionner la résistance mécanique du béton et leurs caractéristiques géométriques et esthétiques, en particulier, l’aspect des parements des ouvrages.
Caractéristiques géométriques
Granulométrie
La granulométrie ou l’échelonnement des dimensions des grains contenus dans un granulat est déterminée par le tamisage sur une série de tamis dont les résultats permettent le traçage de la courbe granulométrique.
L’analyse granulométrique détermine la granularité des matériaux dont les dimensions des grains sont comprises entre 0,08 à 0,125mm.
L’essai est déterminé par tamisage d’un matériau avec une série de tamis, à mailles carrés, de dimensions d’ouverture décroissante.
Classe granulaire
Un granulat est caractérisé par sa classe d/D avec d et D étant respectivement la plus petite et la plus grande dimension des grains. Ici, la proportion de particules retenues par un tamis s’appelle le refus, son complément le passant.
La norme NFP18 101 indique la terminologie des granulats selon leurs dimensions:
* Fines (fillers): ≤ 0.08 mm
* Sables: d < 1mm et 0.08 < D < 6.3 mm
* Gravillons: d ≥ 1mm et D < 31.5 mm
* Cailloux: d ≥20 mm et D < 80 mm
* Graves: 6.3 mm < D < 80 mm
* Ballast : 25 mm ≤ D ≤ 50 mm
Module de finesse
Le module de finesse est un coefficient permettant de caractériser l’importance des éléments fins dans un granulat.
C’est une caractéristique intéressante, surtout en ce qui concerne les sables. Il permet de caractériser leur granularité par une seule valeur. Celle-ci dépend surtout de la teneur en grains fins. Plus le module de finesse est faible, plus le sable est fin. Lorsqu’il élevée, il caractérise un sable grossier.
L’eau (eau de gâchage)
L’eau est nécessaire à l’hydratation du ciment, c’est un facteur très important pour la qualité et les caractéristiques du béton. Elle facilite sa mise en œuvre, par son effet lubrifiant. Il est donc nécessaire de déterminer sa quantité de manière optimale et de la jauger avec précision afin que les résistances et la durabilité soient augmentées.
L’eau qui convient le plus est l’eau potable, mais on peut aussi utiliser les eaux de pluies, par contre le gâchage à l’eau de mer est à éviter, surtout pour le béton armé.
Il est mieux que l’eau de gâchage ne doit contenir ni de matières en suspension, ni de sels dissous. Les impuretés admissibles sont : 30g/L pour les sels dissouts et 5g/L pour les matières en suspension, ceux-ci pour le béton courant.
La quantité d’eau varie avec un très grand nombre de facteurs : le dosage en ciment, les granulats, la consistance recherchée du béton frais; elle est en général comprise entre 140 et 200 L/m3.
Les adjuvants
Les adjuvants ont pour rôle principale, d’améliorer soit l’ouvrabilité du béton, soit ses résistances mécaniques.
Définition
Les adjuvants sont des substances qui peuvent par leur action physico-chimique, changer les caractéristiques du béton. Ils sont incorporés en faibles quantités au béton frais lors du malaxage et représentent entre 1 et 3% du poids du ciment.
Selon le type d’adjuvant utilisé, il permet de modifier les caractéristiques du béton frais (par exemples : le temps de prise, le processus de durcissement et l’ouvrabilité) et les caractéristiques du béton durcis (par exemples : la résistance et la durabilité).
Leur rôle et leur efficacité dépendent de la nature du produit chimique et de l’homogénéité de leur répartition dans la masse du béton frais.
La classe des adjuvants
Les principaux adjuvants sont :
Les plastifiants réducteurs d’eau
Les plastifiants réducteurs d’eau jouent un double rôle. D’une part, ils permettent d’obtenir des bétons frais à consistance parfaitement liquide (très maniables) par défloculation des grains de ciment. Et d’autre part, ils offrent, la possibilité de réduire la quantité d’eau nécessaire à la fabrication et à la mise en place du béton, entraînant ainsi une augmentation de la compacité et par conséquent de la durabilité.
Ils sont surtout à base de lignosulfonates, de sels d’acides organiques, de mélamines sulfonates, de naphtalènes sulfonates et de dérivés de mélamines ou naphtalènes. La durée d’action de ces adjuvants est de 1 à 3 heures.
Les superplastifiants
Les superplastifiants ont pour fonction de provoquer un fort accroissement de l’ouvrabilité du mélange. De plus ils permettent une réduction significative de la quantité d’eau de gâchage. On les appelle aussi fluidifiants haut-réducteurs d’eau. Ils sont introduit dans le béton peu avant sa mise en œuvre. Ce sont, en général, des produits de synthèse organique. Les plus utilisés sont les dérivés de mélamines ou de naphtalène, ainsi que des polyacrylates et des polycarboxylates.
Les rétenteurs d’eau
Ils sont employés pour réduire la tendance au ressuage des bétons. Ils sont utiles pour la cohésion des fluides en cas où il y a un manque d’éléments fins dans les sables, ou un dosage faible en ciment. On a comme rétenteur d’eau, à titre d’exemple, le méthyle de cellulose qui est un bon agent de cohésion.
Les retardateurs de prise du ciment
Ils prolongent la durée pratique d’utilisation du béton frais. Ils sont utiles pour le transport du béton sur de grandes distances ou pour sa mise en place par pompage, particulièrement par temps chaud. Ils sont aussi employés pour éviter toute discontinuité lors de reprises de bétonnage. Ce sont généralement des sucres ou des lignosulfonates.
Les accélérateurs de prise et de durcissement
Les accélérateurs de prise permettent la réalisation de scellements ou d’étanchements. On utilise les plus souvent les alcalis, les carbonates, les sulfates de soudes et les potasses.
Et les accélérateurs de durcissement sont utilisés pour avoir une acquisition plus rapide de résistance du béton durci. Ce sont les chlorures et les carbonates.
Les entraîneurs d’air
Les entraîneurs d’air ont pour fonction d’entraîner la formation dans le béton, de microbulles d’air uniformément réparties dans la masse de façon homogène. Les microbulles qui coupent les réseaux des capillaires limitent le développement des contraintes dues au gel de l’eau interstitielle. Les entraîneurs d’air sont des corps tensio-actifs : lignosulfonates, abiétates de résines, sels d’éthanolamine, que l’on mélange en fonction des propriétés à obtenir. Le volume d’air occlus doit être de l’ordre de 6 % de celui du béton durci.
Les hydrofuges
On l’emploi surtout pour diminuer l’absorption capillaire du béton. Ils renforcent alors les réseaux capillaires, et l’imperméabilisation du béton.
CARACTERISTIQUES DU BETON
Pour utiliser au mieux le béton, il faut bien connaître ses propriétés : d’une part à l’état frais, lorsqu’il est plastique et qu’on peut le travailler ; d’autre part, à l’état durci, lorsque sa forme ne peut plus être modifiée mais que ses caractéristiques continuent à évoluer.
Caractéristiques principales du béton à l’état frais
La caractéristique principale du béton frais est l’ouvrabilité, qui conditionne non seulement sa mise en place pour le remplissage parfait du coffrage et du ferraillage, mais également ses performances à l’état durci.
Ouvrabilité du béton frais
C’est une propriété essentielle du béton frais, car il le rend apte à remplir n’importe quel volume, à condition que sa composition ait été étudiée en conséquence et que les moyens de mise en œuvre soient appropriés. L’ouvrabilité caractérise l’aptitude d’un béton à remplir les coffrages et à enrober convenablement les armatures.
De nombreux facteurs influent sur l’ouvrabilité : type et dosage en ciment, forme des granulats, granulométrie, emploi d’adjuvants et, bien entendu, le dosage en eau.
Les essais les plus utilisés pour évaluer la consistance sont l’affaissement aux cônes d’Abrams et l’étalement à la table de secousse.
Affaissement au cône d’Abrams
Cette essaie consiste à mesurer la hauteur d’affaissement d’un volume tronconique de béton frais. Il s’agit de mouler manuellement un tronc de cône de dimensions normalisées et de mesurer, après démoulage, son affaissement sous l’effet de son propre poids. Plus cet affaissement est grand, plus le béton est fluide. Il est composé de 4 éléments :
– Un moule tronconique avec 20 cm de diamètre à la base, 10 cm de diamètre en partie haute et 30 cm de hauteur,
– Une plaque d’embase utilisée comme support,
– Une tige de 16 mm de diamètre et de 60 cm de longueur,
– Un portique de mesure.
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Table des matières
INTRODUCTION
Partie 1 : ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
Chapitre I : GENERALITES SUR LES BETONS
I.1 DEFINITIONS
I.2 CLASSIFICATIONS DES BETONS
I.3 CONSTITUANTS DU BETON
I.3.1 Ciment
I.3.2 Granulats
I.3.3 L’eau (eau de gâchage)
I.3.4 Les adjuvants
I.4 CARACTERISTIQUES DU BETON
I.4.1 Caractéristiques principales du béton à l’état frais
I.4.2 Caractéristique principales du béton à l’état durcit
I.4.3 Les déformations du béton
Chapitre II- LES METHODES DE COMPOSITION DU BETON
II-1 GENERALITES
II.1.1 Approche de la composition
II.1.2 Différentes méthodes de composition du béton
Chapitre III : APERÇU SUR LE BETON DRAINANT
III.1 DEFINITION
III.2 COMPOSITION DE BETON DRAINANT
III.2.1 Granulats
III.2.2 Ciment
III.2.3 Eau
III.3 PROPRIETES DU BETON DRAINANT
III.3.1 Conductivité hydraulique
III.3.2 Résistance à la compression
III.3.3 Durabilité face aux cycles de gel dégel
III.4 CONCEPTION D’UN BETON DRAINANT
III.5 APPLICATIONS ET AVANTAGES
III.5.1 Avantages environnementaux
III.5.2 Avantages économiques
Partie 2 : ETUDE EXPERIMENTALE
Chapitre IV : CARACTERISATION DES MATERIAUX
IV.1 CARACTERISATION CHIMIQUE ET MINERALOGIQUE
IV.1.1 Analyse chimique élémentaire
IV.1.2 Détermination de la composition minéralogique
IV.2 DETERMINATION DES CARACTERISTIQUES PHYSIQUES
IV.2.1 Masses volumiques
IV.2.2 Finesse de mouture
IV.2.3 Porosité
IV.2.4 Perméabilité
IV.3 ANALYSE GRANULOMETRIQUE
IV.4 DETERMINATION DE LA RESISTANCE A LA COMPRESSION
Chapitre V : CARACTERISTIQUES DES MATIERES PREMIERES
V.1 CARACTERISTIQUES DU CIMENT
V.1.1 Caractéristiques chimiques et minéralogiques
V.1.2 Caractéristiques physiques
V.1.3 Caractéristiques mécaniques
V.2 CARACTERISTIQUES DES GRANULATS
V.2.1 Caractéristiques du sable 0/5
V.2.2 Caractéristiques des graviers
V.3 L’EAU DE GACHAGE
V.4 LES ADJUVANTS
V.4.1 Agent de viscosité
V.4.2 Superplastifiant
Chapitre VI : ESSAI DE FORMULATION DU BETON DRAINANT
VI.1 PRESENTATION DE L’ETUDE
VI.2 DESCRIPTION DE LA METHODE DE FORMULATION
VI.2.1 Bases
VI.2.2 Principe
VI.2.3 Description
VI.3 RAPPORT EAU/CIMENT ET GRANULARITE
VI.3.1 Composition
VI.3.2 Résultats
VI.3.3 Choix du meilleur rapport E/C
VI.3.4 Choix de la meilleure granularité
VI.4 RAPPORT VOLUME DE PATE/VIDES DES GRANULATS (Vp/Vvg)
VI.4.1 Composition
VI.4.2 Résultats
VI.4.3 Choix du meilleur rapport Vp/Vvg
VI.5 INFLUENCE DE L’UTILISATION DE SABLE.
VI.5.1 Composition
VI.5.2 Résultats
VI.5.3 Choix du meilleur taux de sable
VI.6 LA MEILLEURE COMPOSITION
CONCLUSION
Références Bibliographique
Webographie
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