Fiche de révision : Introduction aux Fondations et Béton

📋 Plan du Cours

1. Historique et définition du béton
2. Constituants et caractéristiques du béton
3. Ouvrabilité et résistance du béton
4. Composition et formulation du béton
5. Mise en œuvre du béton
6. Adjuvants du béton
7. Fondations superficielles
8. Fondations semi-profondes
9. Fondations profondes
10. Propriétés physiques des sols
11. Bétons spéciaux

📖 1. Historique et définition du béton

🔑 Notions clés & Définitions

• Béton : Le béton est un matériau de construction obtenu en mélangeant une pâte (ciment, eau, air), des granulats et éventuellement des additions ou adjuvants.
• Pâte pure : La pâte pure du béton est le mélange de ciment, d’eau et d’air qui enrobe les granulats et permet la prise et le durcissement.
• Granulats : Les granulats sont des matériaux inertes, issus de l’érosion ou du broyage de roches, formant l’armature granulaire du béton.

📝 Points essentiels

• Le béton est préparé soit sur le chantier, soit en centrale à béton pour réaliser le mélange des constituants.
• La fabrication du béton s’est développée au milieu du XIXe siècle avec les premières productions de ciment artificiel, puis avec les travaux de COIGNET, LAMBOT, HENRIQUE et CAQUOT.
• Une composition typique en volume absolu de béton se situe environ à 60 à 78 pour les granulats, 7 à 14 pour le ciment, 18 à 28 pour l’eau et 1 à 6 pour l’air.
• Le ciment est une poudre fine obtenue par broyage après calcination d’un calcaire et d’environ 20% d’argile, puis il peut durcir au contact de l’eau et de l’air.
• L’eau du béton sert à hydrater, mélanger les granulats et permettre le malaxage, et elle doit être propre sans matières en suspension ni sels dissous.

💡 Astuce mémo

Béton = Pâte (ciment-eau-air) + Granulats + (éventuelles) Additions/Adjuvants.

📖 2. Constituants et caractéristiques du béton

🔑 Notions clés & Définitions

• Ouvrage monolithique : Un ouvrage monolithique désigne une construction formée d’un ensemble réalisé en une masse de béton, sans assemblage de pièces séparées.

📝 Points essentiels

• Le béton est produit soit sur le chantier soit en centrale à béton, avec pâte pure, granulats et éventuellement addition.
• Pour la pâte pure, le cours donne des pourcentages en volume absolu : eau 18 à 28, air 1 à 6, ciment 7 à 14 et granulats 60 à 78.
• L’eau du béton doit être propre : elle ne doit pas contenir de matières en suspension ni de sels dissous.
• Les avantages cités : matériau moulable, composants faciles à trouver, exécution rapide sans main-d’œuvre qualifiée et caractère incombustible.
• Les inconvénients cités : résistance à la traction faible, risque de malfaçon, béton poreux, retrait et défauts d’aspect.
• La qualité essentielle donnée : la résistance à l’écrasement varie avec le ciment et l’ouvrabilité augmente avec les moyens mécaniques.

📖 3. Ouvrabilité et résistance du béton

🔑 Notions clés & Définitions

• Résistance à la compression : La résistance à la compression est la capacité du béton à supporter des efforts de compression mesurés sur éprouvette à 28 jours.
• Résistance à la traction : La résistance à la traction est la capacité du béton à résister à la traction mesurée par des essais adaptés comme la traction directe, le fendage ou la flexion.
• Compacité du mélange : La compacité est le rapport entre le volume des pleins et le volume apparent du mélange de granulats, qui conditionne la résistance en compression.
• Indice de ségrégation : L’indice de ségrégation quantifie le déséquilibre de composition en mortier d’un prélèvement par rapport à la composition théorique.
• Thixotropie du béton : La thixotropie est la propriété du béton de devenir plus fluide sous action extérieure (chocs, vibrations) puis de retrouver son état initial après.

📝 Points essentiels

• Le béton doit atteindre sa résistance dans une période de 28 jours de durcissement en conditions normales (18 à 20% d’humidité de l’air) pour correspondre à la destination de l’ouvrage.
• Le béton est très résistant à la compression mais résiste très mal à la traction, dont la résistance est de 15 à 20 fois plus faible que celle en compression.
• La résistance en compression dépend notamment de la compacité du mélange de granulats, influencée par la forme et la grosseur des grains ainsi que par les dosages de sable et de gravillon/gravie r.
• Une eau excessive fait baisser la résistance quand $E/C$ augmente (avec $C$ fixé) car la pâte de ciment devient plus diluée.
• La ségrégation correspond au fait que les éléments se séparent selon leur taille ou leur densité à cause d’une manipulation inadaptée (transport, malaxage, serrage, etc.).
• Pour l’indice de ségrégation $I$, on retient absence de ségrégation pour $I=1$ et une valeur admissible comprise entre $0,9$ et $1,10$.

💡 Astuce mémo

Compression = béton “pierreux” (fort) ; Traction = “faible corde” (15–20× plus faible).

📖 4. Composition et formulation du béton

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet de paroi : Mécanisme décrivant l’entrave à la pénétration du béton due à la proximité des armatures, lié au rapport $D/r$ (ou $Cg/r$).
• Rayon moyen du moule : Paramètre géométrique défini par $R=V/S$, où $V$ est le volume à remplir et $S$ la surface totale mouillée par le béton.
• Courbe optimale : Représentation graphique granulométrique formée de deux droites, utilisée pour fixer la proportion de tamisats selon des constantes liées à la maniabilité et au serrage.
• Rapport $C/E$ : Ratio entre le dosage en ciment $C$ et le dosage en eau $E$, qui pilote le niveau de résistance et conditionne aussi l’ouvrabilité.

📝 Points essentiels

• Le critère d’entrave à la pénétration impose $D/r<2$ pour que le béton passe correctement dans les armatures.
• Pour Faury : avec granulats roulés, $D/r<1{,}4$ et $D<0{,}7e$, tandis qu’avec granulats concassés, $D/r<1{,}2$ et $D<0{,}6e$.
• Dans le modèle de courbe optimale, le point de brisure a pour abscisse $X=D/2$ et une ordonnée $Y$ calculée avec des formules différentes selon tamis carrés (origine 0,005 mm) ou passoire (origine 0,0065 mm).
• La valeur $A$ dépend de la consistance et de la nature des granulats (ex. sable roulé : environ $A 24$ à $25$ pour un béton armé courant plastique).
• Le diamètre du plus gros grain se détermine à partir de $x$ et $y$ via D=d_n-1ig(1+y/xig)^{2} (avec $x$ le refus sur l’avant-dernier tamis et $y$ le pourcentage correspondant).
• La correction d’adaptation au mètre cube s’écrit avec $X=1000(\rho-\rho_0)$ en kg, où $\rho_0$ est la densité théorique et $\rho$ la densité réelle du béton frais.

💡 Astuce mémo

Règle anti-bouchage : si $D/r$ dépasse 2, le béton « n’entre pas » entre les barres. (Faury : $<1{,}4$ roulés ; $<1{,}2$ concassés).

📖 5. Mise en œuvre du béton

🔑 Notions clés & Définitions

• Coffrage : Un coffrage est un assemblage de bois ou de métal qui reçoit le béton pour lui donner sa forme définitive après décoffrage.
• Ferraillage : Le ferraillage regroupe la coupe, le façonnage et la pose des armatures avant ou après la mise en place du coffrage.
• Fabrication du béton : La fabrication du béton consiste à malaxer les composants pour obtenir un mélange suffisamment plastique selon la formulation retenue.
• Vibration du béton : La vibration du béton est une mise en place qui tasse les granulats pour remplir les vides et améliorer la compacité du béton.
• Fausse prise : La fausse prise est une impression de prise due à l’échauffement du clinker formant du plâtre en surface, sans vraie prise du ciment.

📝 Points essentiels

• Pendant le transport, il faut éviter les vibrations et secousses qui peuvent provoquer le démélange ou la ségrégation avant la mise en place.
• Pour un bétonnage de coffrage réussi, il faut contrôler la propreté des coffres et arroser les coffrages pour limiter l’adhérence et préserver l’eau de gâchage.
• En fabrication manuelle, on commence par mélanger à sec sable et ciment, puis on ajoute le gravier avant d’incorporer l’eau en petites quantités pour obtenir un mélange homogène.
• Avec la vibration, un sur-tassement peut faire apparaître de la laitance, entraînant des risques de craquelures et de faïençages.
• Par temps chaud, les difficultés viennent de l’accélération de prise/durcissement et de la dessiccation avec retrait hydraulique, donc on rejette les granulats poreux et on limite l’excès d’eau.
• Par temps froid, si la température est inférieure à 5°C, la mise en œuvre doit être très rapide et le béton doit être protégé par des bâches et paillassons.

💡 Astuce mémo

Fausse prise : clinker trop chaud → plâtre en surface, mais la vraie prise n’a pas lieu.

📖 6. Adjuvants du béton

🔑 Notions clés & Définitions

• Adjuvant du béton : Produit ajouté en faible quantité au béton pour améliorer certaines propriétés du béton frais ou durci, avec une action principale qui le classe.
• Plastifiants : Additions pulvérulentes très fines qui augmentent la plasticité, améliorant la maniabilité et l’ouvrabilité du béton.
• Fluidifiants : Produits agissant par adsorption sur les grains pour lubrifier le mélange et réduire l’eau de gâchage d’environ 10% sans perte de maniabilité.
• Accélérateurs : Produits solubles dans l’eau qui accélèrent l’hydratation du ciment, ce qui déclenche plus vite la prise et s’accompagne d’un dégagement de chaleur.
• Hydrofuges : Produits qui améliorent l’étanchéité en stoppant l’absorption capillaire, avec des versions de masse et de surface.

📝 Points essentiels

• Un adjuvant n’est pas un “correcteur” : il ne compense pas un mauvais dosage ni une mise en œuvre défectueuse et ne remplace pas les règles de bonne technique.
• Les accélérateurs de prise sont liés à des composés comme le carbonate de soude ou de potasse, tandis que les accélérateurs de durcissement comprennent le chlorure et le carbonate.
• Les retardateurs ralentissent la vitesse de prise du ciment, par exemple avec des sucres et des gluconates.
• Les entraîneurs d’air (souvent résineux ou d’origine végétale) améliorent généralement la plasticité et l’ouvrabilité, et sont présentés comme les meilleurs adjuvants antigélifs.
• Les hydrofuges existent en hydrofuges de masse et en hydrofuges de surface, choisis selon l’objectif d’étanchéité recherché.
• Les antigels servent contre le gel du béton frais, tandis que les antigélifs limitent la désagrégation progressive du béton durci due à des gels successifs.

💡 Astuce mémo

Plastifiants = maniabilité, Fluidifiants = -eau, Air/Antigélifs = résistance au froid, Accélérateurs = prise rapide + chaleur, Retardateurs = prise lente, Hydrofuges = capillarité stop.

📖 7. Fondations superficielles

🔑 Notions clés & Définitions

• Fondations superficielles par rigoles : Fondations à faible profondeur réalisés dans des rigoles pour transmettre au sol de faibles charges, généralement avec peu ou pas d’armatures.
• Béton cyclopéen : Béton constitué de gros béton dans lequel sont incorporés des moellons, utilisé pour remplir la rigole sans coffrage.
• Semelles isolées : Fondations superficielles en béton armé qui reçoivent un poteau isolé et répartissent sa charge sur le sol par une surface élargie.
• Radier : Semelle générale en béton armé couvrant toute la surface au sol du bâtiment, parfois avec des consoles débordantes.

📝 Points essentiels

• Les fondations par rigoles sont réalisées à faible profondeur en fouilles peu larges et peu profondes, avec une limite d’environ 1 m.
• Elles ont une section rectangulaire de dimensions constantes et sont constituées par du béton cyclopéen rempli directement dans la rigole, sans coffrage.
• Ces fondations servent à supporter des murs continus (porteurs ou non) et des ouvrages de petite importance comme garage, villa ou construction légère.
• On les emploie aussi quand de l’eau est présente à faible profondeur, avec un taux de travail du sol entre 1 et 1,5 bar.
• Une semelle isolée reçoit un poteau isolé (angle, rive ou intérieur) et peut avoir une forme carrée, rectangulaire ou tronconique.
• En terrain en pente, on réalise une fouille en escalier sous les murs et, sous les poteaux, on relie les semelles voisines avec une pente maximale de 3 (base) sur 2 (hauteur).

💡 Astuce mémo

Rigole ≤ 1 m : charge faible, peu d’armatures ; semelle isolée = sous poteau ; radier = sous tout le bâtiment.

📖 8. Fondations semi-profondes

🔑 Notions clés & Définitions

• Puits de fondations : Un puits est une fondation de type gros pilier, armé ou non, qui s’appuie sur un sol résistant à plus de 2 m de profondeur.
• Plots de fondations : Les plots désignent des fondations semi-profondes de forme généralement carrée ou rectangulaire, prises pour recevoir de fortes charges.

📝 Points essentiels

• Les fondations par puits sont choisies quand la couche superficielle est trop faible, que les charges sont importantes et concentrées, et quand elles sont moins coûteuses qu’un radier ou des semelles massives.
• Les puits sont placés aux endroits les plus chargés : angles extérieurs ou intérieurs, intersections de murs intérieurs, et sous poteaux en BA (d’angle, de rive, ou intérieur).
• Les puits ont une section carrée ou rectangulaire (plots) ou circulaire (puits), avec des dimensions comprises entre 1 et 1,50 m, et une profondeur qui ne dépasse guère 8 m.
• La distance entre axes des puits varie de 4 à 8 m selon les efforts, la section des puits, et la largeur/rigidité des longrines qui filent sur la tête.
• La base des puits est encastrée de 20 à 50 cm dans le sol résistant, avec une augmentation d’aire de portance obtenue par la forme en patte d’éléphant.

💡 Astuce mémo

Puits = Profond >2m, fortes Charges, aux Points clés (Angles et Intersections), base en Patte d’éléphant (20–50 cm).

📖 9. Fondations profondes

🔑 Notions clés & Définitions

• Fondations profondes : Ce sont des fondations mises en place à grande profondeur pour transférer les charges quand le bon sol est loin ou insuffisant en surface.
• Pieux en béton armé : Ce sont des éléments en béton armé destinés à reporter des charges à de grandes profondeurs, en mobilisant soit le frottement latéral, soit l’effet de pointe, soit les deux.
• Murs sur pieux : Ce sont des solutions où un mur prend appui sur une ou deux files de pieux disposées selon l’axe du mur.
• Pieux inclinés : Ce sont des pieux utilisés pour reprendre des poussées obliques, en complément de pieux verticaux et de pieux armés.
• Ciment de clinker CLK : C’est un type de ciment recommandé quand les fondations peuvent être en contact avec des eaux agressives, en remplacement des ciments CPA et CPJ.

📝 Points essentiels

• Les fondations profondes par puits ou par pieux sont employées quand le bon sol se trouve à grande profondeur pour reprendre la sous-pression et assurer l’étanchéité du radier.
• Les pieux en béton armé reportent les charges à des profondeurs typiques de 20 m, 40 m et plus, puis sont groupés (au moins 2) et reliés en tête par une semelle très épaisse.
• Les pieux agissent sur le sol par frottement latéral, par effet de pointe, ou par les deux mécanismes combinés.
• Les pieux doivent en général résister aux charges verticales ainsi qu’aux poussées horizontales ou obliques.
• Si les fondations sont en contact avec des eaux agressives, elles peuvent être séléniteuses (présence de gypse) ou polluées, et on recommande d’exécuter l’ouvrage avec du ciment de clinker CLK au lieu de CPA ou CPJ.
• Dans le cas de poussées obliques, ces charges peuvent inclure l’action du vent et des remblais, et la solution consiste à combiner pieux verticaux, pieux inclinés et pieux armés.

💡 Astuce mémo

Pieux = Profond, Polyvalent : vertical (charge) + oblique (vent/ remblais) ; ils travaillent par frottement, pointe, ou les deux.

📖 10. Propriétés physiques des sols

🔑 Notions clés & Définitions

• Indice des vides e : L’indice des vides est le rapport entre le volume des vides et le volume des grains, qui traduit la compacité du sol.
• Porosité n : La porosité est le rapport entre le volume des vides et le volume total du sol.
• Teneur en eau W : La teneur en eau est le pourcentage du poids de l’eau rapporté au poids de la matière sèche de l’échantillon.
• Degré de saturation sr : Le degré de saturation est le rapport entre le volume occupé par l’eau et le volume des vides du sol.
• Poids spécifique sec γd : Le poids spécifique sec est le rapport du poids de l’échantillon étuvé (matières sèches) au volume total.

📝 Points essentiels

• Un sol est constitué de trois phases : solide, liquide et gazeuse.
• Pour les grains siliceux, la cohésion est nulle et l’angle de frottement est important (sol pulvérulent).
• Pour les grains argileux, la cohésion est très importante et l’angle de frottement est nul.
• Le poids spécifique des grains est donné par une valeur moyenne d’environ Ȗ=27 g/cm3.
• L’indice des vides vérifie typiquement 0,7<e<2, et pour un sol saturé on a sr=1.
• La teneur en eau naturelle suit W(%)= (Wt−WS)/WS ×100 avec WT masse avant dessiccation et WS masse après dessiccation.

📖 11. Bétons spéciaux

🔑 Notions clés & Définitions

• Béton caverneux : Béton léger sans sable, fait avec des gravillons calibrés enrobés de pâte de ciment et fortement perméable aux vides.
• Béton à granulats légers : Béton léger utilisant des granulats légers, avec une densité inférieure à 1,8 et de meilleures performances mécaniques que le béton caverneux.
• Béton cellulaire : Béton léger aéré dont le durcissement emprisonne de nombreuses petites alvéoles obtenues par dégagement gazeux ou produit moussant.
• Béton lourd : Béton classique dont la masse volumique augmente grâce à des granulats lourds (barytine, magnétite, déchets ferreux) utilisés en génie civil.

📝 Points essentiels

• Les bétons légers comprennent trois types : bétons caverneux, bétons à granulats légers et bétons cellulaires.
• Les bétons légers ne sont généralement pas armables car la forte proportion de vides réduit l’adhérence et la résistance mécanique.
• Le béton caverneux (sans sable) a une densité comprise entre 1,6 et 1,9 et une résistance à la compression égale à la moitié du béton plein.
• Le béton cellulaire a une densité comprise entre 0,4 et 1,2 et une résistance après 28 jours égale à 100 kg/cm2.
• Les bétons lourds utilisent notamment barytine ou sulfate de baryum (densité ~4,5 pour le granulat donnant un béton ~3,6), magnétite (granulat ~4 à 5 donnant béton ~3,4 à 3,6) et déchets ferreux (granulat ~7,4 à 7,7 donnant béton ~4,6 à 5).
• La mise en œuvre des bétons lourds exige notamment une vibration efficace mais limitée et des couches horizontales d’épaisseur inférieure à 30 cm, sans pompage.

📊 Tableaux de synthèse

Faury vs Dreux (formulation)

Essais d’ouvrabilité (plasticité)

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre la résistance à la traction et la résistance à la compression : la traction est 15 à 20 fois plus faible.
2. Penser qu’une eau excessive n’a aucun effet : si E/C augmente (C fixé), la résistance chute car la pâte devient plus diluée.
3. Croire que la ségrégation améliore le béton : elle crée nids de gravier, mauvais enrobage et porosité, donc résistance/durabilité diminuent.
4. Mélanger “ouvrabilité” et “affaissement” sans lien : l’ouvrabilité dépend de la plasticité et se lit via les essais (Abrams/table/L.C.P.C./C.E.S.).
5. Inverser l’“effet de paroi” : c’est l’entrave à la pénétration liée à D/r (ou Cg/r), et il faut respecter D/r < 2.
6. Confondre fausse prise et prise réelle : échauffement du clinker donnant du plâtre en surface, impression de prise sans vraie prise.
7. Se tromper sur l’action des adjuvants : un adjuvant n’est pas palliatif d’un mauvais dosage ou d’une mise en œuvre défectueuse.

✅ Checklist Examen

1. Définir le béton comme mélange de pâte pure (ciment+eau+air) + granulats + produit d’addition éventuel.
2. Donner les pourcentages en volume absolu (eau 18 à 28, air 1 à 6, ciment 7 à 14, granulats 60 à 78) issus du cours.
3. Expliquer le rôle de l’eau de gâchage et les exigences (propre : sans matières en suspension ni sels dissous).
4. Définir l’ouvrabilité (maniabilité + conservation de l’homogénéité) et citer ses conséquences pratiques (coffrages, enrobage, parement).
5. Réaliser mentalement l’interprétation du cône d’Abrams (4 couches, 25 coups/couche) et associer affaissement et consistance (très ferme → très mou).
6. Définir la résistance du béton et préciser la période de 28 jours dans conditions normales (18 à 20% d’humidité de l’air) ainsi que traction ≈ 15 à 20 fois plus faible que compression.
7. Expliquer au moins 3 facteurs de variation de la résistance (compacité des granulats, eau/ E/C, qualité des matières, durée, serrage/vibration).
8. Définir la ségrégation et donner l’interprétation de l’indice I (I=1 absence; 0,9 à 1,10 admissible) et ses défauts.
9. Présenter les critères de “l’effet de paroi” (D/r < 2) et les limites de Faury selon granulats roulés/concassés.
10. Définir et distinguer plastifiants/fluidifiants/entraîneurs d’air/accélérateurs/retardateurs/hydrofuges/antigels-antigélifs selon l’action indiquée dans le cours.
11. Classer les fondations superficielles (par rigoles, semelles isolées, radier) et donner leurs domaines d’emploi majeurs (faible profondeur/charges faibles vs semelles isolées sous poteaux vs radier général).
12. Définir puits de fondations et plots (semi-profondes) puis fondations profondes (pieux/ murs sur pieux/ pieux inclinés) et rappeler les mécanismes (frottement latéral/pointe) cités.