CARACTERISTIQUES DES CONSTITUANTS DU BETON A CONCEVOIR 

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Généralités sur le ciment

Le ciment est un liant hydraulique (CIMBETON 2000, Guide de prescriptions de ciment) sous forme des poudres fines obtenues par la cuisson à haute température (vers 1450 °C) et le broyage d’un mélange minéral (calcaire + argile en général).
Ces poudres constituées de sels minéraux anhydres nstablesi (en particulier silicates et aluminates de chaux) forment avec l’eau une pâte ca pable par « hydratation » de faire prise et de durcir progressivement (plus ou moins rapidement d’ailleurs) d’où le nom de liants hydrauliques par opposition avec « liants aériens »(à base de chaux grasse et maigre) qui ne peuvent durcir qu’au contact de l’air.

Types du ciment

Le ciment les plus usuels font l’objet de la norme NF P 15-301 concernant les liants hydrauliques : CIMENTS COURANTS (Ouvrages en béton armé, H.Renaud).
Ils sont subdivisés en cinq types selon la nature et la proportion des constituants (Annexes, tableau 45).
Ciment Portland (noté CEM I);
Ciment Portland composé (noté CEM II) ; Ciments de hauts fourneaux (noté CEM III) ; Ciments pouzzolaniques (noté CEM IV) ;
Ciments au laitier et aux cendres ou ciment composé (noté CEM V).
La résistance de compression minimale à 28 jours des ciments permet de les répartir en trois classes: classe 32,5, classe 42,5, classe 52,5.
Mais suivant la performance au jeune âge, on distin gue dans chaque classe la sous classe N (Normale) et la sous classe R (Rapide) pour laquelle la résistance au jeune âge est élevée.
Le ciment qui réagit chimiquement avec l’eau, se durcit et lie tous les ingrédients du béton.

Fabrication du ciment

Les matériaux naturels de carrière (calcaire, marne, argile…) doivent d’abord être concassés puis broyés pour obtenir un mélange intime, homogène et bien dosé (environ 75% de calcaire pour 25% d’argile).
Ce broyage peut se faire à sec (procédé sec) ou enprésence d’eau (procédé humide). Le mélange homogène ainsi réalisé, passe dans un urfo rotatif où se produit vers 1450°C en général, la « clinkérisation », terme habituellemenutilisé pour caractériser l’évolution à haute température d’un système renfermant simultanément esd phases solides et liquides (en fusion)
; c’est alors qu’ont lieu des réactions entre la chaux CaO et les oxydes acides SiO2, Al2O3 et Fe2O3 et que se forment les silicates, aluminate et alumino-ferrite de calcium.
La cuisson terminée, le clinker qui se présente sou forme de granules plus ou moins arrondis de 0,5 à 3cm de diamètre environ est refroidi rapidement pour éviter des transformations cristallines nuisibles.
Le clinker, additionné d’un peu de gypse (3 à 5%) avec éventuellement certains produits d’addition tels que laitier, cendres volantes, pouzzolanes ou d’autres produits, est ensuite réduit en poudre fine dans un broyeur à boulets. La finesse de mouture est variable suivant les qualités recherchées ; elle peut varierde 2700 à 4500 cm 2 /g en Surface Spécifique Blaine ; sa valeur moyenne normale est de l’ordre de 3200 cm2/g
Le ciment issu du broyage est conservé en silo un certain temps, puis conditionné pour l’expédition en sacs, en containers ou en vrac (wagon, camion, péniche).

Eau

L’eau de ville convient forcément. Si l’eau de gâchage provient d’autres sources, il y a lieu de procéder à une analyse chimique. En effet, ni la couleur ni l’odeur, ni le goût ne peuvent attester de sa convenance (RAKOTOMANANA Dina, M2, 2011).
Lors du dosage de l’eau de gâchage, la totalité de l’eau intervenant dans le mélange doit être considérée, y compris celle introduite rpales granulats, surtout les sables humides.
A consistance (ouvrabilité) égale, la quantité d’eau de gâchage peut être réduite de:
5 à 15 %, par l’utilisation d’un plastifiant/réducteur d’eau;
20 à 30 %, par l’utilisation d’un superplastifiant/hautement réducteur d’eau.
Les superplastifiants/hautement réducteurs d’eau augmentent l’ouvrabilité (la fluidité) du béton dans un laps de temps court et pendant une durée de temps déterminée. Il faut bien tenir compte de ces données lors de la conception du coffrage qui risque d’être sollicité par des forces latérales élevées.
Tout comme les autres composants du mélange, l’eaudoit être propre.

Types de Béton légers

Il y a trois types de béton légers http://www(.gramme.be):
Béton à base de granulats légers .
Béton cellulaire .
Béton caverneux.

Béton à base de granulats légers

Les bétons de granulats légers sont généralementasséscl suivant l’origine du granulat utilisé, ainsi on distingue 04 types (TAMBA Seni, Bétons légers):
– Les granulats légers naturels: la ponce ou la pouzzolane, matériaux volcaniques naturels de structures très poreuse.
– Les granulats légers ayant subi un traitement thermique : granulats d’argile, de schiste, d’ardoise ou de perlite expansée.
– Les granulats légers de matériaux artificiels: le mâchefer, sous-produit de la combustion de charbon ou des ordures ménagères.
– Les granulats légers de matériaux artificiels ayantsubi des traitements spéciaux: granulats de nombreux déchets industriels, comme lelaitier de haut fourneau que l’on peut expansé.
Béton dont la masse spécifique des granulats est inférieur à celle des granulats couramment utilisés (soit entre 0,4 et 1,2 kg/m). Parmi les plus utilisés : polystyrène, mousse,
bois, vermiculite, …
Il est particulièrement utilisé à des fins d’isolation ou d’allègement des structures lors de rénovations.

Bétons caverneux

On appelle béton caverneux tout béton à base de granulats normaux ou légers dans lequel on a supprimé, en totalité ou en partie, lesable et une partie du liant qui aurait été nécessaire à l’enrobage de ce sable(www.pointp.fr/béton léger argile schiste).
Un béton caverneux est constitué du ciment, de grosgranulats et de l’eau. Il existe donc des gros vides au sein du béton. C’est la pâte du ciment qui assure l’assemblage des granulats.
La résistance à la compression du béton caverneux est comprise entre 1,5 et14 MPa. Quant à la résistance en flexion, elle est pratiquement égale à 30% de celle en compression.
On emploie principalement les bétons caverneux dans la confection des murs porteurs des bâtiments domestiques et dans les panneaux de rempl issage des cadres de structure. Cependant, leur forte absorption d’eau les rend inutilisables dans les fondations.

Avantages du Béton léger

Le béton léger, par sa légèreté, réduit le poids rtmodes bâtiments. Les pièces de bétons légers sont donc plus légères, ce qui réduitconsidérablement la dimension, donc le poids, des fondations (www.gramme.be). De plus, on note une augmentation de la productivité sur le chantier en raison du faible poids du matériau .Étant donné le plus faible volume de béton utilisé, il est aussi possible d’économiser urs les quantités de ciment par rapport au béton ordinaire.
On note les excellentes qualités de finition d’une pièce en béton léger, en raison, surtout de sa fabrication en usine. Les pièces de béton léger sont aussi plus faciles à manipuler et à déplacer, en raison de leur relative légèreté.
Le béton léger cellulaire, par la présence d’un réseau de bulles d’air dans sa formulation, a des propriétés d’isolation thermiqueet acoustique. Comme dans le cas des autres bétons légers, la conductivité thermique varie en fonction de la masse volumique. Il faut rappeler que la conductivité thermique augmente de façon linéaire avec la teneur en humidité.

Les inconvénients majeurs des bétons légers par rapport au béton ordinaire

Le béton léger a des résistances mécaniques inférieures à celles d’un béton ordinaire. Le module  élastique est aussi plus faible, donc la résistance à la déformation, la flèche et le point de rupture du matériau sont plus faibles. Ilest à noter que pour l’utilisation d’un béton à granulats légers (granulats légers avec traitementspéciaux) le prix des granulats est plus élevé, donc le prix par mètre cube de béton légerst eplus élevé que celui des bétons ordinaires. Le béton léger est un matériau fragile.

Historiques sur les Polystyrènes

La découverte du polystyrène remonte à 1839, mais son exploitation industrielle date de 1933, en Allemagne et aux USA. Le premier procédé utilisé (suspension aqueuse) fonctionnait en discontinu (fr.wikipedia.org/wiki/Polystyrène).
Dès les années 1940, apparaissent des procédés deolymérisationp dite « en masse » continu et en discontinu. Le procédé « masse en continu » triomphe dans les années 1960, grâce aux progrès technologiques permettant d’évacuer la chaleur produite par la polymérisation (∼ 710 kJ/kg).
Le polystyrène expansé a été inventé en 1944 par yRaMc Intire (1919-1996) alors qu’il travaillait pour la Dow Chemical. Découvert par hasard, ce polystyrène fut commercialisé sous le nom de « Styrofoam ». Matériau rigide, de faible densité, il a d’abord été utilisé comme isolant thermique dans le bâtimen.

Définition

Le polystyrène de formule chimique (CH2=CH- Φ)n est le polymère obtenu par polymérisation des monomères de styrène qui est un polymère aromatique.
C’est un matériau alvéolaire rigide, peu dense, solide à 20°C et pâteux à 120°C, qui fond entre 150°C et 170°C, dont les principales utilisations s ont l’isolation thermique des bâtiments et l’emballage des produits industriels ou alimentaires.
Il est inflammable et combustible, avec une température d’auto-inflammation d’environ 490°C (MILED Karim, Effet de taille dans le béton léger de polystyrène expansé). Il est également soluble dans les hydrocarbures chlorés et aromatiques.

Fabrication

Le polystyrène expansé (PSE) est obtenu par mélanged’un gaz ou un agent d’expansion (le pentane : C5H12).et de PS cristal. Avant les préoccupations pour la couche d’ozone, on utilisait le fréon, un gaz CFC (chlorofluorocarboné), remplacé depuis les années 1990 par du butane ou du pentane. Des transformateurs introduisent les perles de PS cristal dans des pré-expanseurs. Sous l’action de la température et de la pression de vapeur d’eau, le gaz d’expansion les fait gonfler jusqu’à 50 fois leur volume initial. Les perles sont composées de monomère styrène Les perles, expansées et stabisées,l sont ensuite introduites dans des moules en forme de blocs pour une découpe ultérieur en panneaux ou directement à la forme de la pièce finie. Là, à nouveau sous l’effet de la température et de la pression de vapeur d’eau, les perles expansées s’agglomèrent en une pièce moulée (www.ecopse.fr).
Le procédé de polymérisation en suspension dans l’eau est employé pour la polymérisation du PSE. Le styrène monomère (CH ) est dispersé en fines gouttelettes dans l’eau.
Les initiateurs radicalaires de polymérisation sont essentiellement des peroxydes organiques (peroxyde de benzoyle) qui doivent êtresolubles dans le styrène monomère et insolubles dans l’eau. La taille des gouttelettes peut être ajustée par de nombreux paramètres comme l’addition d’un agent protecteur qui permet de stabiliser la suspension, comme les conditions de mélange, la forme du réacteur, etc. On peut éventuellement incorporer un système ignifugeant.
La réaction s’opère selon un procédé discontinu dans un réacteur muni d’un agitateur et équipé d’une double enveloppe permettant par chauffage ou par refroidissement, de réguler la température interne du réacteur.

Types de Polystyrènes

Il existe trois types de polystyrènes :
· le polystyrène « cristal », ainsi appelé en raison deson aspect transparent ;
· le polystyrène « choc » caractérisé par l’ajout de astifiantspl ou de Caoutchouc (butadiène) ;
· le polystyrène expansé ou PSE.
Il existe deux types de polystyrène expansé :
· le polystyrène expansé moulé (PSE-M) ;
· le polystyrène expansé extrudé (PSE-E) ou XPS (Extruded polystyrene foam).

Caractéristiques des polystyrènes expansés

Les propriétés les plus remarquables du polystyrèneexpansé (Jean-Pierre MAGNAN, Propriétés mécaniques du PSE) sont :
· sa faible masse volumique ;
· son pouvoir isolant thermique ;
· ses excellentes propriétés mécaniques (résistance n e compression, capacité d’amortissement des chocs) ;
· son insensibilité à l’eau ;
· sa facilité de mise en forme (moulage, découpage) ;
· sa recyclabilité.

Propriétés physiques

Les polystyrènes se présentent généralement en granulés transparents (http://www.ecopse.fr).
Ils sont très rigides mais peu résistant au choc.
A la température ambiante, le polystyrène est normalement un thermoplastique, mais peut-être fondu à température élevée.
La température d’ébullition (ou température de ramollissement) est de 80 à170°C.
Un matériau léger : Il est composé de 98% d’air
La fraction volumique de solide dans la matière expansée dé pend de la masse volumique apparente. A 30 kg/m3, elle est proche de 3 %, à 20 kg/m 3 de 2 % et à 10 kg/m 3 de 1 %. D’où la valeur généralement retenue : le PSE ste composé à 98 % d’air (en volume, à 20 kg/m3)
La masse volumique apparente du PSE moulé se situe généralement, suivant les applications, entre 8 et 30 kg/m3 (des masses volumiques plus élevées sont parfois tiliséesu pour quelques applications spécifiques).

FORMULATION DU BETON

Afin d’avoir déterminé les bonnes caractéristiquesdes constituants de notre béton, l’étude est basée sur les deux paramètres suivants:
– Variation de la consistance pour trouver la bonne ouvrabilité ;
– Variation des pourcentages des granulats.
Pour la formulation de notre béton, on a adopté celle de DREUX-GORISSE.

Variation de la consistance pour trouver la bonne ouvrabilité

Description de la méthode de DREUX-GORISSE

La méthode de DREUX-GORISSE permet de déterminer esl quantités optimales des matériaux (eau E, ciment C, sable S, gravillon g etgravier G) nécessaires à la confection d’un mètre cube de béton conformément au cahier des charges.
Plusieurs étapes de calcul successives sont nécessaires à ‘obtention de la formulation théorique de béton :
– Détermination du rapport C/E ;
– Détermination de C et E ;
– Détermination du mélange optimale à minimum de vide;
– Détermination de la compacité du béton ;
– Détermination des masses de granulats.
Les données nécessaires pour cette formulation sont:
– Le diamètre maximal Dmax du granulat : Dmax= 5 mm ;
– La résistance à la compression prescrite à 28j : R b28= 25 MPa ;
– La résistance visée est la résistance prescrite majorée de 15% : Rb= Rb28 x1.15=28.75MPa.
– La classe vraie du ciment : FCE = 55 MPa ;
– Les masses volumique du : ciment et des granulats ;
– La consistance, caractérisée par l’affaissement A ua cône d’Abrams.

Table des matières

CHAPITRE I- GENERALITES SUR LES BETONS
I-1- Définitions
I-2- Types du béton
I-3- Les composants du Béton
I-3-1 Le ciment
I-3-2 Eau
I-3-3 Sable
I-3-4 Gravier
I-3-5 Adjuvants
CHAPITRE II- GENERALITES SUR LES BETONS LEGERS
II-1- Définitions
II-2- Types de Béton légers
II-2-1 Béton à base de granulats légers
II-2-2 Béton cellulaire :
II-2-3 Bétons caverneux
II-3- Avantages du Béton léger
II-3-1 Les inconvénients majeurs des bétons légers par rapport au béton ordinaire
CHAPITRE III-
III-1- Historiques sur les Polystyrènes
III-2- Définition
III-3- Fabrication
III-4- Types de Polystyrènes
III-5- Caractéristiques des polystyrènes expansés
III-5-1 Propriétés physiques
III-5-2 Propriétés chimiques
III-5-3 Propriété thermique
III-5-4 Autres propriétés
III-5-5 Utilisations du PSE:
CHAPITRE IV- METHODOLOGIE DES DIFFERENTS ESSAIS DE CARACTERISATIONS
IV-1- Masse volumique
IV-1-1 Masse volumique apparente
IV-1-2 Masse volumique absolue F
IV-1-3 Masse volumique humide ρhum
IV-2- Vides
IV-2-1 Vide sec v
IV-2-2 vide mouillé vm
IV-2-1 Porosité p
IV-2-2 Perméabilité k
IV-3- Granulométrie
IV-3-1 Définition
IV-3-2 But
IV-3-3 Méthode
IV-3-4 Expression de résultats
IV-4- Module de finesse MF
IV-4-1 But
IV-4-2 Méthode
IV-5- Surface spécifique SSB
IV-5-1 But
IV-5-2 Méthode
IV-5-3 Equivalent de sable ES
IV-6- Caractérisation a l’état frais du béton
IV-6-1 Essai sur la Consistance
IV-6-1 L’essai Vébé
IV-6-2 L’essai de degré de compactibilité
IV-7- Caractérisation a l’état durci
IV-7-1 Propriétés mécaniques
IV-7-2 La Propriété thermique
IV-7-3 Propriété phonique
IV-7-4 Tenue au feu
CHAPITRE V- CARACTERISTIQUES DES CONSTITUANTS DU BETON A CONCEVOIR 
V-1- Ciment CEM IV 42,5N
V-1-1 Caractéristiques physiques du ciment
V-1-2 Composition chimique
V-1-3 Composition minéralogique
V-2- EAU DE GACHAGE
V-3- Granulats
V-3-1 Propriété physiques du PSE
V-3-2 Autres propriétés du PSE
V-3-3 Propriétés physiques du sable
V-3-4 Granulométrie
V-3-5 Analyse granulométrique du polystyrène
V-3-6 Courbe granulométrique des granulats
CHAPITRE VI- FORMULATION DU BETON
VI-1- Variation de la consistance pour trouver la bonne ouvrabilité
VI-1-1 Description de la méthode de DREUX-GORISSE
VI-1-2 Détermination du rapport C/E
VI-1-3 Détermination de C
VI-1-4 Détermination de E
VI-1-5 Corrections sur le dosage en ciment et le dosage en eau
VI-1-6 Détermination du mélange optimal à minimum des vides
VI-1-7 Tracé de la droite brisée de référence
VI-1-8 Détermination des pourcentages en volume absolus des granulats
VI-1-9 Détermination de la compacité du béton
VI-1-10 Détermination du Vc et V
VI-1-11 Détermination des dosages en granulats
VI-1-12 Obtention de la formulation théorique de béton
VI-2- Variation du deuxième paramètre (pourcentage de polystyrène)
VI-2-1 Pour une consistance molle de A = 12 cm :
VI-2-2 Pour une consistance molle de A = 8 cm
VI-2-3 Pour une consistance molle de A = 3 cm :
CHAPITRE VII- CARACTERISATION DU BETON CONCU
VII-1- Caractérisation du béton frais
VII-1-1 Absence de ségrégation
VII-1-2 Adhérence
VII-1-3 Maniabilité
VII-1-4 Masse volumique du béton à l’état frais
VII-2- Caractéristiques du béton à l’état durci
VII-2-1 Propriétés physiques et mécaniques
VII-2-2 Masse volumique du béton durci FH (kg/m3)
VII-2-3 Résistance mécanique
VII-3- Propriété thermique
VII-3-1 Conductivité thermique du béton S3
VII-3-2 Conductivité thermique du béton S2 (A = 8 cm)
VII-3-3 Conductivité thermique du béton S1 (A = 3 cm)
VII-3-4 Propriété acoustique
VII-3-5 Autres propriétés
CHAPITRE VIII- UTILISATION DU BETON LEGER A BASE DE POLYSTYRENE
VIII-1- Avantage
VIII-1-1 Ouvrable
VIII-1-2 Légère
VIII-1-3 Un isolant thermique
VIII-1-4 Un isolant phonique
VIII-1-5 Incombustible
VIII-1-6 Faible prix
VIII-2- Les inconvénients majeurs de bétons léger de PSE par rapport au béton ordinaire
VIII-3- Utilisations
VIII-3-1 Travaux de bétonnage pour l’allègement de construction
VIII-3-2 Isolation thermique et acoustique
VIII-3-3 Isolation thermique et acoustique
VIII-4- Comparaison des caractéristiques du briques léger de polystyrène avec des autres briques légers
CHAPITRE IX- ETUDE ENVIRONNEMENTALE ET ECONOMIQUE
IX-1- Aspect environnemental
IX-1-1 But de l’étude
IX-1-2 L’écotoxicité du polystyrène
IX-1-3 Les risques liés à l’ingestion de polystyrène
IX-1-4 La toxicité du styrène
IX-2- Volet économiques

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