Fiche de révision : Science des matériaux appliquée au béton

📋 Plan du Cours

1. Béton et impact sociétal
2. Composition et microstructure du béton
3. Fabrication du ciment Portland
4. Hydratation et propriétés du ciment
5. Normes et constituants des ciments
6. Granulats et eau du béton
7. Adjuvants et malaxage
8. Durabilité et classes d’exposition
9. Réduction de l’empreinte carbone
10. Bétons multifonctionnels et impression 3D

📖 1. Béton et impact sociétal

★ À maîtriser

• Le béton est largement utilisé parce qu’il dispose de matières premières disponibles dans le monde entier, coûte peu cher, demande peu d’énergie, est transportable et facile à mettre en œuvre, résiste à l’eau et reste durable pendant plusieurs décennies.

• Le ciment représente 7 % des émissions mondiales de CO2 et le béton 10 % des émissions mondiales de CO2.

📌 Le béton ordinaire est un matériau composite formé de ciment, de granulats, de sable, d’eau, de mortier, de vides et d’air, tandis que le béton armé contient en plus un réseau de barres d’armature en acier.

Compléments

• La prise du béton ordinaire intervient entre 3 et 4 heures après le malaxage.

💡 Astuce mémo

Besoins humains → abri, déplacement et gestion de l’eau

📖 2. Composition et microstructure du béton

🔑 Notions clés & Définitions

• Microstructure du béton : Matériau solide composite multi-échelle contenant une porosité et présentant des propriétés tridimensionnelles qui ne sont pas nécessairement homogènes à toutes les échelles.

★ À maîtriser

• Le développement initial de la microstructure du béton dépend de la formulation, de la rhéologie et de l’hydratation du ciment, qui conditionnent ensuite ses propriétés mécaniques, physiques et chimiques ainsi que sa durabilité.

Compléments

• La microstructure du béton contient du ciment non hydraté, des hydrates solides, une solution interstitielle et une porosité pouvant s’étendre de l’échelle nanométrique à l’échelle métrique selon l’échelle d’observation.

💡 Astuce mémo

Ciment + granulats + eau → pâte → mortier → béton

📖 3. Fabrication du ciment Portland

📝 Points essentiels

• La norme NF EN 197-1, publiée en 2012, et la norme NF EN 197-5, dont la dernière version indiquée est celle de 2021, définissent les spécifications des ciments courants.

📐 Formule — La décarbonatation du calcaire s’écrit $CaCO_3 \rightarrow CaO + CO_2(g)$.

• La fabrication du clinker s’effectue dans un four rotatif dont la température augmente de 800 à 1450 °C entre l’entrée et la sortie.

• Les principales phases du clinker sont le silicate tricalcique $C_3S$, le silicate dicalcique $C_2S$, l’aluminate tricalcique $C_3A$ et l’alumino-ferrite de calcium $C_4AF$.

💡 Astuce mémo

Calcaire → cuisson → clinker → broyage → ciment

📖 4. Hydratation et propriétés du ciment

📝 Points essentiels

📐 Formule — L’hydratation du C3S forme du C-S-H et de la portlandite selon $C_3S + 5.25H \rightarrow C_{1.75}-S-H_4 + 1.25CH$, tandis que l’hydratation du C2S suit $C_2S + 4.25H \rightarrow C_{1.75}-S-H_4 + 0.25CH$.

• À 100 % d’hydratation, la pâte durcie contient 15 à 20 % de portlandite, environ 65 à 70 % de C-S-H et 10 à 20 % d’aluminates de calcium hydratés.

• La solution interstitielle de la pâte de ciment est enrichie en alcalins, notamment NaOH et KOH, et son pH est supérieur à 13.

📌 Une porosité élevée diminue généralement la résistance mécanique et augmente la perméabilité du béton, tandis qu’une porosité réduite améliore ces deux propriétés.

💡 Astuce mémo

Hydratation → C-S-H et portlandite → résistance et durabilité

📖 5. Normes et constituants des ciments

★ À maîtriser

• La norme NF EN 197-1 classe les ciments selon leur résistance à la compression à 28 jours en classes 32,5, 42,5 et 52,5, mesurée avec un mortier normalisé selon NF EN 196-1.

• Les additions minérales normalisées comprennent notamment:

  • le laitier de haut fourneau
  • les pouzzolanes naturelles ou calcinées
  • les cendres volantes
  • les schistes calcinés
  • le calcaire
  • les fumées de silice
  • le métakaolin

📐 Formule — Le liant équivalent avec une addition est calculé par $L_{eq}=C+k \times A$, où C est la quantité de ciment, k le coefficient d’équivalence et A la quantité d’addition.

Compléments

• La fumée de silice utilisée comme addition présente une structure amorphe et contient plus de 85 % de dioxyde de silicium.

💡 Astuce mémo

CEM I riche en clinker, ciments composés riches en additions

📖 6. Granulats et eau du béton

🔑 Notions clés & Définitions

• Granulats : Matériaux d’origine minérale définis par la norme XP P 18-545 et utilisés dans la composition du béton.

★ À maîtriser

• Les granulats de béton recyclé sont constitués de granulats initiaux et de pâte de ciment durcie, et leur absorption d’eau et leur porosité sont supérieures à celles des granulats naturels.

• L’utilisation de granulats recyclés permet de réduire d’environ 30 % l’impact environnemental des granulats.

Compléments

• Le plascrete, fabriqué avec des granulats issus du recyclage du plastique, a une densité de 0,9 à 1,9 tonnes par m3 et une résistance à la compression de 25 MPa, comparable à celle d’un béton standard.

💡 Astuce mémo

Granulats naturels versus recyclés : absorption et porosité supérieures

📖 7. Adjuvants et malaxage

🔑 Notions clés & Définitions

• Adjuvant : Composé chimique ajouté au malaxage en quantité inférieure à 5 % de la masse de ciment pour modifier les propriétés du béton frais ou durci.

★ À maîtriser

• Les trois grandes catégories d’adjuvants sont:

  • les adjuvants d’amélioration de l’ouvrabilité
  • les adjuvants de contrôle de la prise et du durcissement
  • les adjuvants d’amélioration de la durabilité

• Les superplastifiants permettent soit de réduire la teneur en eau à consistance constante, soit d’augmenter l’affaissement à teneur en eau constante, soit d’obtenir une pâte de ciment de meilleure qualité avec un rapport eau/ciment plus faible.

Compléments

• Le malaxage dépend de:
  • l’ordre d’introduction des constituants
  • la durée de malaxage
  • l’énergie associée
  • le type de malaxeur

💡 Astuce mémo

Dosage → malaxage → ouvrabilité → prise et durcissement

📖 8. Durabilité et classes d’exposition

🔑 Notions clés & Définitions

• Durabilité des ouvrages : ACI, 2018 — Capacité du béton à résister aux intempéries, aux attaques chimiques, à l’abrasion et aux autres processus de détérioration tout en conservant sa forme, sa qualité et sa facilité d’entretien.

📝 Points essentiels

📌 La formulation du béton doit respecter toutes les valeurs limites applicables à chaque classe d’exposition, en retenant les exigences et spécifications les plus sévères.

• La norme NF EN 206+A2/CN, combinant EN 206 (2013), son amendement A2 (2021) et les dispositions françaises, a une version actualisée du complément national prévue fin 2025.

• La version 2025 crée des classes de réduction de l’impact carbone, étend les possibilités de liant équivalent et autorise de nouvelles formulations selon une approche performantielle.

💡 Astuce mémo

Environnement d’exposition → formulation normative → durabilité

📖 9. Réduction de l’empreinte carbone

📝 Points essentiels

• Les leviers de réduction de l’impact du ciment sont: l’amélioration de l’efficacité énergétique, la substitution des combustibles fossiles, la mise sur le marché de ciments à basse empreinte carbone, le développement de nouveaux clinkers cuits à plus basse température, le captage, transport, stockage ou réutilisation du CO2

• À l’échelle du béton, la réduction de l’impact carbone repose notamment sur l’emploi d’un liant moins carboné, l’optimisation de la quantité de ciment, la compacité du squelette granulaire et le compactage.

• Les classes de réduction carbone GWR0 à GWR7 correspondent respectivement à une réduction inférieure ou égale à 9 %, puis à des tranches de 10 à 19 %, 20 à 29 %, 30 à 39 %, 40 à 49 %, 50 à 59 %, 60 à 69 % et supérieure ou égale à 70 %.

• L’analyse du cycle de vie du béton évalue l’impact environnemental en kg de CO2 équivalent par unité fonctionnelle et suit une méthode normalisée par les normes ISO 14040 et ISO 14044.

💡 Astuce mémo

Clinker → ciment → béton → ouvrage : agir à chaque échelle

📖 10. Bétons multifonctionnels et impression 3D

★ À maîtriser

• Les constituants du BEFUP sont:

  • le ciment
  • le sable
  • l’eau
  • les superplastifiants
  • les fumées de silice
  • la farine de quartz
  • les fibres métalliques ou polymères

• La stratégie de formulation du BEFUP améliore la compacité par la réduction de la taille maximale des granulats et l’emploi de grains plus fins, tandis que les superplastifiants permettent un rapport eau/ciment de 0,17 à 0,25.

• La faible macroporosité du BEFUP lui confère une très bonne durabilité, notamment dans des environnements sévères, et une durabilité estimée à plus de 100 ans est indiquée pour un ouvrage étudié.

• Les nouvelles fonctionnalités du béton comprennent:

  • l’autonettoyage
  • la dépollution
  • l’action antibactérienne
  • la translucidité
  • la faible conductivité thermique

📌 Le béton destiné à l’impression 3D doit présenter un seuil de cisaillement élevé, une viscosité modérée, une taille maximale de granulats limitée et des adjuvants adaptés à l’extrusion.

Compléments

• Le béton translucide à base de résine présente un taux de translucidité de 10 à 20 % selon la formulation.

💡 Astuce mémo

Un béton qui résiste, dépollue, laisse passer la lumière et s’extrude

📊 Tableaux de synthèse

Échelles de réduction de l’impact carbone