La composition du béton : cours de Bac pro

Le béton est le matériau de construction le plus utilisé au monde : on estime la consommation à environ une tonne par an et par habitant de la planète.² En gros œuvre, tu le rencontres partout : semelles, dalles, poteaux, poutres, voiles. Avant de penser au coffrage, aux armatures ou à la mise en œuvre, il faut savoir de quoi il est fait et dans quelles proportions.

Un béton mal composé se remarque vite sur le chantier. Trop sec, il ne remplit pas le coffrage. Trop liquide, il perd en résistance. Mal dosé, il se fissure en séchant. Comprendre sa composition, c'est comprendre pourquoi il se comporte bien ou mal.

Dans ce cours, tu vas :

• identifier les constituants du béton et le rôle de chacun ;
• distinguer les différents types de granulats ;
• exprimer et calculer un dosage ;
• comprendre les exigences auxquelles un béton doit répondre, et pourquoi sa composition est toujours un compromis ;
• repérer les pièges les plus fréquents.

Fabriquer du béton demande deux ingrédients de base. Le premier, ce sont les granulats, qui forment le squelette granulaire et occupent environ les deux tiers du volume. Le second, c'est la pâte de ciment, qui sert à coller les granulats entre eux.⁴ L'objectif est d'obtenir un matériau que l'on peut mouler à l'état frais et qui, une fois durci, ressemble à une roche naturelle.⁴

Cette organisation se comprend avec une image de maçon : les granulats sont les briques d'un mur, la pâte de ciment est le mortier qui les lie. Plus le squelette est bien rempli et bien réparti, moins il faut de pâte pour assurer le collage.

Les granulats sont les composants principaux du béton : ils représentent environ 70 % de sa masse.⁵ En volume, on parle d'environ deux tiers.⁴ Les deux chiffres ne se contredisent pas : on ne mesure pas la même grandeur. Le pourcentage en masse et la proportion en volume diffèrent, parce que les constituants n'ont pas la même densité.

Sur le plan des quantités, un mètre cube de béton ordinaire contient environ 1850 kg de granulats (sable et gravillons).²

Roulés ou concassés ?

La forme des granulats dépend de leur origine.⁴

• Issus de carrières, ils sont concassés : leurs grains présentent des arêtes.
• Issus de ballastières, ou de dragages en rivière ou en mer, ils sont roulés : leurs grains sont arrondis.⁴

Le choix entre roulés et concassés, comme celui des teintes et des dimensions, répond aux contraintes mécaniques, physico-chimiques et esthétiques du projet, ainsi qu'à la facilité de mise en œuvre du béton.⁵

Pourquoi des granulats locaux ?

Les granulats sont lourds et peu chers au kilo. Le transport pèse donc très vite dans le prix : un trajet de 100 kilomètres, parfois moins, suffit à doubler le coût de ces matériaux. C'est pourquoi on fabrique le béton avec des granulats locaux, qui varient d'une région à l'autre.⁴

Les granulats artificiels

On emploie aussi des granulats fabriqués. Avec de l'argile ou du polystyrène expansé, on obtient des bétons légers. Avec du caoutchouc issu du recyclage de pneus, on obtient des bétons capables d'accepter de plus grandes déformations avant de se fissurer.⁴

La pâte de ciment contient au minimum du ciment et de l'eau. Elle peut aussi comporter des adjuvants et des additions.⁴ Chacun de ces deux ingrédients joue un rôle différent.

Quelle eau utiliser ?

L'eau de gâchage est définie par la norme NF EN 1008. L'eau potable convient évidemment. Des eaux naturelles ou récupérées peuvent également être adaptées.⁴

Le durcissement

Le béton ne sèche pas comme une peinture : il durcit avec le temps, grâce à la réaction du liant hydraulique.⁵ C'est pourquoi on le laisse mûrir avant de le charger. Dans l'étude de la poutre en béton armé, la résistance est contrôlée sur des éprouvettes après 28 jours.³

Au-delà des ingrédients de base, le béton peut recevoir des adjuvants, éventuellement des additions minérales et des fibres. Ils servent à obtenir telle ou telle caractéristique.⁴ Ce choix permet d'adapter le béton à chaque réalisation, par ses performances et par son aspect : nature des granulats, adjuvants, colorants, traitements de surface.⁵

Doser un béton, c'est indiquer la quantité de chaque constituant pour un volume donné, en général 1 m³ de béton. On exprime ces quantités en kilogrammes (ciment, granulats) ou en litres (eau).

La formule « 1, 2, 3 » avec un paveur

Sur chantier, on mesure parfois les quantités à la pelle. Quand on utilise un paveur, un mélange déjà prêt de sable et de gravier, la formule 1-2-3 devient une pelle de ciment pour 5 pelles de paveur.⁵ Ce chiffre 5 vient simplement de l'addition des parts de sable et de gravier : $2 + 3 = 5$.

Il n'existe aucune méthode de composition reconnue comme la meilleure pour tous les cas. La composition d'un béton résulte toujours d'un compromis entre des exigences souvent contradictoires.⁵ Alors, comment juger qu'une composition est satisfaisante ?

Pourquoi ces exigences s'opposent

Prends un exemple. Pour faciliter la mise en œuvre, tu es tenté d'ajouter de l'eau : le béton coule mieux. Mais tu risques d'abaisser la résistance. À l'inverse, augmenter la quantité de ciment aide à la résistance, mais fait monter le coût. Le bon béton est celui qui équilibre ces critères pour l'ouvrage visé.

Pense aussi au contexte : un béton pour une dalle de garage, un voile apparent ou une poutre armée n'ont pas les mêmes priorités. L'emploi prévu influence fortement la composition et le dosage.⁵

Contrôler par l'expérience

Une étude de composition doit toujours être contrôlée expérimentalement. Une étude menée en laboratoire doit en général être ajustée ensuite aux conditions réelles du chantier.⁵

Pour cela, on confectionne des éprouvettes. On mesure leur masse afin de déterminer la masse volumique réelle du béton. Elles caractérisent le même béton que celui de l'élément construit.³ Dans la ressource sur la poutre en béton armé, des essais destructifs sur éprouvettes sont réalisés après 28 jours.³

La durabilité dépend de la composition

Selon sa composition, ses additifs, les conditions de préparation (la température notamment) et de coulage, et selon les contraintes subies (attaques chimiques, séismes, vibrations, chocs thermiques), le béton vieillit plus ou moins bien.⁵ La fissuration favorise les entrées d'eau, ce qui entretient la réaction alcali-silice, néfaste pour la résistance mécanique de l'ouvrage.⁵

La porosité compte aussi. Le réseau de pores représente plus de 10 % du volume du béton. Plus les pores sont grands, plus l'eau circule, et plus les déformations différées sont marquées.⁶ Le fluage est sensible aux conditions d'ambiance (température, humidité) et à la composition du béton.⁶