BÉTON

Le béton durcissant

La réaction d'hydratation du ciment conduit à la formation de plusieurs produits :

– les silicates de calcium hydraté (C-S-H), dont la taille des pores est de l'ordre de quelques nanomètres ;

– la portlandite Ca(OH)₂, l'hydrate le moins stable, qui assure le pH alcalin du béton (pH ≈ 13) et pourra être en partie consommée par les réactions pouzzolaniques ;

– les mono- et trisulfoaluminates (ettringite).

De plus, il restera dans la pâte de ciment durcie des pores capillaires, vestiges de l'eau initialement présente dans le matériau, et dont la taille est de l'ordre du dixième de millimètre.

La réaction d'hydratation a plusieurs conséquences :

– Une évolution progressive de la microstructure. La taille des pores et leur volume total diminuent au fur et à mesure de l'hydratation du ciment et des éventuelles réactions pouzzolaniques. La réaction d'hydratation peut prendre plusieurs mois, voire plusieurs années, la vitesse de réaction diminuant très rapidement : entre 28 jours et un an, le gain de résistance peut atteindre 10 à 20 p. 100, le gain étant d'autant plus grand que le béton contient des liants à hydratation lente comme le laitier ou les cendres volantes. Lorsque la réaction s'arrête, on constate que la porosité dépend du rapport massique eau/ciment (E/C) : plus il y a d'eau au départ et plus la porosité finale et la taille des pores sont importantes.

– Un dégagement de chaleur important. La réaction d'hydratation est fortement exothermique. S'il n'y avait pas d'échange avec l'extérieur (conditions adiabatiques), la chaleur dégagée conduirait à une augmentation de température voisine de 70 ⁰C. Heureusement, il y a toujours des échanges avec le milieu extérieur, ce qui limite l'élévation de température. Toutefois, dans le cas de pièces très massives, la température atteinte peut être très élevée (jusqu'à 80 ⁰C), ce qui risque d'induire une fissuration du béton (à cause des gradients de température qui créent des tractions en surface du béton ou parce que les déformations du béton sont gênées, ce qui entraîne aussi des contraintes), voire des problèmes de durabilité à long terme. Enfin, la réaction d'hydratation est thermoactivée : sa vitesse est plus rapide lorsque la température s'élève. La montée en résistance du béton sera donc plus rapide en été qu'en hiver. Cela explique aussi pourquoi on ne peut pas bétonner lorsque la température extérieure est trop basse (sauf précautions particulières comme des coffrages chauffants) : la réaction d'hydratation s'arrête.

– Un retrait d'autodessiccation. La consommation d'eau par la réaction d'hydratation du ciment entraîne un séchage interne (autodessiccation) qui génère des tensions capillaires dans l'eau contenue dans la porosité du béton. Ces tensions conduisent elles-mêmes à un retrait du béton. Ce retrait dépend de la quantité d'eau initiale dans le béton : plus E/C est faible, plus ce retrait sera intense.

Comportement mécanique

Le béton a un comportement mécanique instantané dissymétrique : il résiste bien en compression et mal en traction, le rapport entre les deux étant voisin de 10 (ce qui expliquera les principes constructifs développés au chapitre 7). Sa résistance en compression dépend de sa formulation, notamment du rapport E/C (cf. chap. 6, Formulation des bétons). Elle peut varier entre 20 et 100 MPa (un MPa correspond à une force de 10⁶ N s'exerçant sur 1 m²). Elle est mesurée selon la norme NF EN 12390-3, l'éprouvette d'essai pouvant être cubique ou cylindrique. Pour les besoins du calcul des structures en béton, on définit une résistance caractéristique : compte tenu du mode de fabrication du béton, de son caractère hétérogène,[...]