Bétons de génie civil

You are here:

avril30

Bétons de génie civil

La recherche sur les bétons de génie civil

 

Ces matériaux représentent plus de 80% des applications du ciment Portland (le ciment traditionnel), de ce fait chaque producteur de ciment comprend une ou plusieurs filiales produisant du béton. Le granulat étant le deuxième « ingrédient », chacune d’entre elle a, aussi, la main mise sur des carrières, des gravières, des sablières.

 

Le ciment Portland – soit le nom du ciment courant par opposition à d’autres types de ciment comme les ciments alumineux dédiés aux matériaux au contact du feu – est un matériau récent, sa production industrielle date de la deuxième moitié du dix-neuvième siècle (travaux de recherche et première production industrielle par Louis Vicat en 1820). Sa particularité est de faire prise sous l’eau, d’où son appellation de liant hydraulique. Cette propriété s’oppose aux « ciment » faisant prise sous l’influence de l’air, comme la chaux aérienne qui fut le principal liant des mortiers durant des siècles. Sans entrer dans les détails, puisqu’aujourd’hui ce matériau est quasiment abandonné dans cette application, la chaux éteinte soit Ca (OH) 2, forme du carbonate (CaCO3) sous l’action du gaz carbonique de l’air. Cette réaction amène un développement de fins cristaux qui conduisent à une faible  performance. Ces liants avaient deux grands défauts : une (très) faible résistance mécanique et une grande porosité. La tenue à la lixiviation et au gel en interdisait l’usage pour produire du béton, ainsi il n’était pas possible d’envisager la production de ce produit au sens moderne du terme : un matériau qui peut remplacer la pierre dans un usage extérieur soumis à toutes les contraintes climatiques.

 

Nous passerons sous silence l’usage de chaux hydraulique, liant qui approchait la performance du béton ordinaire actuel. De même nous rappellerons l’utilisation historique du ciment romain, véritable liant hydraulique venant d’une réaction particulière entre de la chaux et des composés silicatés à sites réactifs dit « pouzzolaniques », par exemple certaines pouzzolanes d’origine volcanique. Ce ciment conduisait  à des caractéristiques  voisines de nos bétons actuels en terme de durabilité, c’est grâce à lui que l’on doit, par exemple la bonne conservation de nombreux  monuments, comme ceux présents sur le Forum romain à Rome et de la plus part de nos châteaux forts où de la brique concassée servait de réactif pouzzolanique. La disponibilité et le coût de ses composants ont fait qu’il fut en partie abandonné durant des siècles. Signalons au passage que la coupole du panthéon de Rome – construit sous Hadrien au II siècle – est connue comme la première grande réalisation en béton du monde (à l’aide du dit ciment romain). On sait maintenant grâce à des fouilles archéologiques que ce liant particulier n’est pas l’invention des Romains, il était connu de civilisations bien plus anciennes comme celles en cours de découverte en Anatolie et dans des régions voisines. On a pu dater, dans la région de Jéricho des sols de grandes dimensions, produits entre  -7000 et -10000 ans.

 

Le ciment Portland ou ciment universel est fabriqué à partir d’un mélange de calcaire et d’argile, dans une proportion d’en moyenne de 80%/20% ( la chimie moyenne d’un ciment est d’environ 62/87 % de CaO, 19/25 % de SiO2, 1/5 % de Fe2O3, 2/9 % d’Al2O3…). Ces deux matières premières sont mélangées très intimement dans un complexe processus de tas, puis cuites dans un four rotatif ou successivement le CaCO3 sera décarbonaté (perte d’environ 50% de son poids sous forme de CO2) puis fritté et partiellement fondu à très haute température, vers 1450 °C. Durant ce procédé il y aura réaction entre CaO et les alumino – silicate (principalement l’argile) pour produire deux silicates de calcium (C3S ou Alite et C2S ou bélite – C=CaO, S=SiO2). Ce produit est nommé clinker. Dépendant de la pureté des constituants, on retrouvera des phases minéralogiques mineures liées principalement à Al2O3, Fe2O3 et quelques % d’alcalins, c’est principalement ces dernières qui donneront au ciment sa spécificité : rapidité de prise, comportement rhéologique, vitesse de montée en résistance… C’est dans cette spécificité que l’on trouvera la réponse à la performance des adjuvants lors de la réalisation du béton, on a l’habitude de décrire cette relation comme « la compatibilité ciment adjuvant » qui a créé, durant de nombreuses années, l’incompréhension entre cimentier et producteurs d’adjuvants face aux bétonniers.

 

Avant de quitter ce chapitre, il faut préciser que depuis de nombreuses années, les producteurs de ciment procède à des mélanges de clinker (après broyage , dans une fraction comprise entre 100 et 1 microns) avec des matières tel que des laitiers de haut fourneaux –qui ont un caractère hydraulique, des cendres volantes (issues de la combustion du charbons dans les centrales thermiques) et parfois d’autres matières finement moulues. Les quantités  de ces ajouts peuvent aller à plus de 50%. La maîtrise de cette formulation est très pointue, aussi bien sur le comportement du ciment que sur le développement de contre-performances voire de pathologies. Le grand soucis des producteurs de ciments et de bétons réside dans un mot qui leur fait peur : « la durabilité », autrement dit que peut devenir un de ces produits dans les années de vieillissement ? D’assez nombreux exemples de « catastrophes » ont émaillé les décennies passées, avant que l’on comprenne, par la recherche, d’où venaient ces problèmes. C’est dans cette forme d’angoisse que réside la sorte de schizophrénie de ce monde industriel : « je veux faire évoluer les produits –et notamment pour ce qui concerne les coûts- mais j’en crains des conséquences ».

 

Ces rappels faits, revenons au béton moderne. La découverte et la mise en production industrielle du ciment  a ouvert les portes d’un monde nouveau, celui de l’ère du béton qui a envahi nos villes et nos vies. On dit que c’est le produit le plus consommé après l’eau potable, on peut aussi qualifier le degré de développement d’un Etat en connaissant sa consommation par tête d’habitant ! Cette dernière croit jusqu’à un optimum puis décroit lentement au fur et à mesure de la croissance du développement technologique.

 

Des premiers bétons à aujourd’hui, de nombreuses découvertes vont booster ce qui aurait pu rester un matériau parmi d’autres. Nous citerons quelques-unes de ces dernières. Le béton armé- inventé par deux français – J.L.Lambot 1845, j. Monier –  innovation majeure car elle permit le développement d’ouvrage complexe en résolvant le problème de la tenue en traction, point faible du béton. En gros, le fait de noyer des barres métalliques dans une matrice de béton permet de le faire travailler sous haute contrainte en flexion : couler des dalles horizontales, rendre non fragile des structures hautement porteuses, de grandes hauteurs, construire des ponts, des voûtes… Avec la meilleure compréhension de la mécanique des solides, on a par la suite inventé la précontrainte – invention d’un autre Français, Eugène  Freycinet en 1926 – et la post contrainte. Soit la mise en compression du matériau coulé entre des barres métalliques maintenues en traction-ou mise en contrainte après coulage par des câbles coulissant dans des gaines. Les structures ainsi produites peuvent supporter des contraintes bien plus importantes –par exemple des charges plus grandes, d’autre part cet artifice diminue la déformation par flexion entre portées.

 

Peu à peu le béton s’est diversifié, du simple matériau de construction  à des bétons de haute performance, en particulier en ce qui concerne la résistance à la compression. Elle peut varier dans une échelle de 1 à 10 – soit de 15 à plus de 150 Megapascal. Divers types de ciments permettent de résister à des contraintes chimiques diverses comme aux eaux sulfatées, à l’eau de mer. Sans parler du rôle de la qualité du granulat en fonction de l’application.

 

Dès les premières productions de béton, on s’est rendu compte du rôle important de la quantité d’eau mise en œuvre pour ses performances. Des tentatives d’ajouts permettant de réduire cette dernière aux véritables résultats fut le résultat d’un demi-siècle de recherche, dans les années 1960 l’utilisation d’adjuvants tels que les lignosulfonates permirent  des progrès substantiels, une règlementation suivit ce développement rapide d’ajouts. Les études scientifiques mirent rapidement le cap sur la compréhension des phénomènes conduisant à d’énormes pas en avant : les mécanismes de défloculation. Sans entrer dans le détail de ce dernier, disons que les grains de ciment anhydres sont groupés en amas, liés par des forces électrostatiques, ces « flocs » ne sont donc pas arrangés en amas compacts, ni à l’intérieur, ni entre eux, il en résulte un comportement « d’éponge » au contact de l’eau : une quantité importante est ainsi inutilement consommée au mouillage.

 

En réalité, le tout est la mise en jeux d’une somme de phénomènes complexes qui vont tous dans le même sens. A titre d’exemple, la réactivité des sites actifs du clinker piège l’eau sous forme d’eau liée, cette dernière n’a plus aucune mobilité, c’est donc de l’eau devenue inutile pour la mobilité. On peut résumer cet obstacle comme un ensemble de charges électriques que l’on doit neutraliser pour que la quantité d’eau mise en œuvre soit intégralement utilisée pour fluidifier la suspension : l’eau est alors contingentée, dans un premier temps, comme un lubrifiant.

 

Les ajouts modernes portent les noms génériques de plastifiants, super plastifiants, ce sont des molécules de synthèses telles que des polyacrylates, polynaphtalènes, polyphosphates…Les quantités  mises en œuvre sont toujours inférieures à 5%, la plupart du temps de moins de 3% et, dans certains cas de l’ordre de 0,5%. Cependant, rapport au coût total des matières premières, ce poste est important.

 

Nous avons détaillé le cas de ces adjuvants, les plus déterminants en regard de la qualité du béton, mais il existe une foultitude d’autres adjuvants : retardateur de prise, accélérateurs ; entraineur d’air, rétenteurs d’eau, ajouts d’adhérence, agents hydrofuges, produits de cure qui permettent de mieux gérer la surface du béton durant la prise. Des colorants…

 

D’autres artifices sont nés de recherches en vue d’applications particulières, de résolutions de problèmes inhérents aux réactions qui conduisent à la prise du béton : les fibres organiques qui permettent une meilleure distribution de l’eau et des phénomènes de retrait ; les fibres métalliques qui jouent, à courte distance, un rôle similaire à celui des barres de renfort ; des petits objets, minéraux, de forme aciculaire, qui égalisent la tenue à la flexion… En moyenne de 0.5 à 2% en volume de fibres sont mis en œuvre.

 

Enfin, mais nous n’entrerons pas dans la liste de ces applications, un certain nombre d’artifices permettent au béton de devenir à la fois plus sexy et plus « pratique ». C’est par exemple le cas de coffrages sculptés, de voiles intercalés entre le coffrage et le béton frais : il permet d’évacuer les bulles de surface qui donnent un aspect si « sauvage » ; parfois aussi de donner des dessins qui enlèvent la monotonie de ces brillances. La surface du béton, qu’elle soit ou non la réplique du coffrage, est faite d’une surface assez uniforme ou l’on ne peut guère – ou pas du tout – deviner les grains. Cet état provient du fait que la laitance eau/ciment s’interpose entre tout le granulat. On peut alors neutraliser la prise du ciment sur une dizaine de millimètres en passant, sur la surface libre par pulvérisation,  un produit organique (éther, alcool, acides…) qui arrête la prise. Après quelques heures, dépendant principalement de la température, on passe un jet de karcher qui en lève le ciment sans arracher les grains du fait qu’en dessous la prise à déjà donné de la résistance. Le résultat se nomme « béton désactivé », l’aspect est alors nettement plus naturel et, de surcroît, antidérapant. D’autres techniques sont aussi utilisées, comme le béton imprimé, le béton autonettoyant…

 

Revenant aux principales applications, voici, dans les grandes lignes les progrès fait dans les deux dernières décennies : les bétons à retrait limité qui permettent de faire des grandes dalles sans –ou avec peu – de joints ; les bétons à temps de prise maîtrisé, disons plutôt à montée en résistance programmée, qui permet une meilleure gestion de la remise en service ou du raccourcissement du temps de décoffrage. Les bétons à  haute performance, voire à ultra haute performance atteignant,  dépassant 100 mégapascal. Nous citerons là le cas quasi unique du Ductal – qui est d’ailleurs plus un mortier fin – mettant en œuvre des particules ultra fines, très réactives, et de fines fibres métalliques (ou organiques ) de très haute résistance, ce matériau permet de réduire l’épaisseur de béton par un facteur de deux à quatre. Il permet ainsi de faire des applications dites « de bétons architectoniques, une des belles illustrations est donnée par la dentelle de béton du Mucem à Marseille. La mise au point de bétons auto-plaçant ou auto-nivelant a permis d’une part d’éviter la fastidieuse mise ne place par vibration, et une régularité de structure inégalée. Il reste cependant un écueil important à leur réalisation qui demande un soin particulier de qualité des matières premières, il n’est pas donné à tout le monde de livrer ces derniers matériaux exempt  de défaut de consistance.

 

Pour terminer nous donnerons une approche plus pratique de tous ces matériaux. On parle de classes de performance mécaniques : BPE ou béton prêt à l’emploi, soigneusement réalisé en centrale avec des performances s’échelonnant entre 16 et 60 MPa, il s’oppose au BFC ou béton fabriqué sur chantier. Les BHP ou bétons à haute performance couvrant 60 à 80 MPa, les BUHP à ultra haute performance de 80 à 120MPa, enfin les BFUHP ou béton fibré à ultra haute performance.

 

Les bétons peuvent être mis en œuvre par vibration, par compaction, par projection, par injection ou par simple coulage.

 

Un béton classique peut avoir la formule suivante : 350 Kg de ciment, 675 Kg de sable 1-5mm, 1200Kg de gravillon 6-10cm, 190 Kg d’eau ; la résistance finale sera de l’ordre de 25 MPa. La teneur en eau moyenne est régit par un ratio magique  le E/C – soit eau sur ciment qui, en moyenne, est de 0,55. Par usage d’adjuvant réducteur d’eau, on peut descendre jusqu’à 0.20, les performances mécaniques et la tenue au gel sont alors considérablement améliorées. Tous types de granulats sont utilisables et utilisés : calcaires, silico alumineux, siliceux…avec de nombreuses conséquences sur la performance et la durabilité. La masse volumique peut aller de 2.0 t/m3 à 2.3 t/m3. Quelques jours après la prise (entre 3 et 7 jours suivant la qualité du ciment, la teneur en eau et la température) le béton acquiert 60 à 70 % de sa résistance finale, ensuite cette dernière continuera de croître pour atteindre 80% à trente jours.

 

Enfin, et pour terminer, le béton est un matériau sujet à de nombreuses pathologies. Une des plus connues et le phénomène de la carbonatation. A partir de la surface libre il se développe une réaction avec le CO2 de l’air, il vient réagir avec les silicates de chaux hydratés et la chaux libre –dite Portlandite ou Ca(OH) 2 – pour reformer un carbonate de chaux, le PH du milieu chute – passant d’environ 12 à 9 -, l’acier de renforcement est alors corrodé avec gonflement et éclatement du béton. D’autres sont plus liées et activées au contact permanent avec l’eau, comme l’alcali réaction qui est initiée par la présence de silice libre et réactive dans le granulat, la réaction au sel de déglaçage, la tenue au gel…

 

En résumé nous dirons que le béton dans tous ses aspects et un matériau issue de la recherche et la technologie française, toutes les grandes innovations – ou presque – ont été réalisées en France (rendons grâce aussi à Henry Le Chatelier qui jeta les bases modernes de la connaissance des phénomènes d’hydratation du ciment). Comme une poursuite de cette spécificité, dans les deux dernières décennies, la réalisation de bétons autoplaçants a été le fruit de la recherche de Lafarge Réfractaires Monolithiques et Lafarge Bétons, la conception de plus performants des BFUP par Bouygues, Rhône Poulenc et Lafarge avec le Ductal. L’histoire continue !

 

Par soucis de reconnaissance, nous signalerons les travaux de recherche et de vulgarisation de deux grands spécialistes français  du béton : Gilles Chanvillard (Le matériau béton : connaissances générales, ISBN 2-84301-012-8, 1999) et François de Larrard (Concrete mixture proportioning , 1999…), ils sont reconnus et suivis partout où, dans le monde, on parle de la technologie du béton bétons.

 

Qu’ai-je fait dans ce métier ?

 

Suite aux vingt années passées dans la recherche et développement de matériaux réfractaires, fort de l’expérience des bétons réfractaires à faible (et très faible) teneur en ciment et à très  hautes performances, on m’a demandé de créer ex nihilo une équipe de recherche sur les bétons de génie civil.  Si Lafarge avait une puissante équipe de recherche dans le ciment (leader mondial à l’époque), la société avait échoué après des tentatives, assez timides il faut le dire, à se faire un nom dans la recherche sur les bétons. L’ambition était grande : 1-lancer une équipe qui devait devenir la toute première en Europe, en tant que recherche privée, 2- se positionner dans les cinq ans comme leader sur un thème de recherche ayant à voir avec l’objectif de nouveaux bétons.

 

La première action a  été de visiter les principaux laboratoires et écoles françaises exerçants dans ce domaine : Ponts et Chaussées, ENTPE, Ecole Normale Supérieure… différents organismes…. Dans le même laps de temps nous avons intensivement discuté  avec les professionnels du métier de la société, principalement aux USA et en France. Ce périple de 6 mois s’est terminé avec la visite d’autres laboratoires spécialisés, et aussi de longues discussions avec les deux grandes équipes canadiennes, actives et reconnues comme  actives dans l’appui aux producteurs : l’équipe de l’université Laval et celle de Sherbrook au Québec.

 

Après et durant cette première étape, nous avons recruté des chercheurs,  jeunes diplômés ou avec quelques années d’expérience. Recherche de candidats faite dans plusieurs pays et dans plusieurs domaines de compétence. En effet, fort de mon expérience de responsable de laboratoire de recherche, je proposais que la future équipe effectue un travail sous forme de structure projet avec approche séquentielle sur le développement soit les postes de travail suivants : la formulation, l’appui des spécialistes du ciment, des adjuvants ; l’analyse du comportement rhéologique ; la caractérisation des performances mécaniques, le développement industriel des mix ; l’archivage de toutes le savoir-faire du terrain et l’accompagnement de celui-ci. 7 compétences, qui seront couvertes par une dizaine de spécialists, ingénieurs, docteurs et ingénieurs docteurs. Au plus fort de l’équipe, soit deux ans après le lancement de ce projet, 8 spécialistes seront opérationnels. Dans le même espace de temps nous avons mis en œuvre un laboratoire spécialisé de 400 m2, équipé des moyens les plus modernes ; deux thèses seront lancées,  les ingénieurs recrutés pour cela seront basés, en permanence, dans nos locaux. Les dix ingénieurs seront accompagnés de 12 techniciens.

 

 

Cinq années après le top de départ, nous serons parvenus à être une des équipes les plus avancés dans la connaissance des phénomènes d’évolution dimensionnelle lors de la prise des bétons, nous partagerons cette avance avec un laboratoire norvégien. Lafarge venait d’acquérir un nom dans l’espace de recherche internationale sur le béton

 

Accompagnant cette avancée l’équipe de recherche chargée des nouveaux produits aura fait d’énormes pas en avant dans le domaine des bétons auto plaçants, nous serons les premiers à faire des réalisations industrielles couronnées de succès. Les bases scientifiques pour des bétons à retrait maîtrisé seront jetées, un grand travail de connaissance et d’optimisation des BFUHP sera marqué par la production et la généralisation du Ductal. Enfin une dizaine d’autres sujets auront été traités avec succès, rendant ainsi la recherche béton crédible auprès des opérationnels. Les objectifs initiaux auront été atteints.

 

Fort de cette expérience réussie, la direction de la recherche décidera que tout le centre (plus de 200 personnes) travaillera en structure projet. Il n’y aura donc plus d’équipe de recherche dédiée en propre au béton, tout le centre sera mobilisé sur des thèmes qui seront partagés entre tous les chercheurs. Une usine à gaz  difficile à gérer mais très performante par ses échanges et partages de disciplines. Il me sera confié un nouvel objectif : lancer une équipe de recherche sur l’impact du process sur les produits, soit l’interface produits-procédé.


 

 

  • Posted by Bernard
  • 1 Tags
  • 0 Comments
COMMENTS

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *