Matériaux de béton et conception du mélange

Introduction au chapitre

Ce chapitre couvre l'ensemble des connaissances requises pour l'examen Sceau Rouge concernant les matériaux constitutifs du béton et la conception des mélanges. Vous devez maîtriser non seulement la terminologie, mais aussi les proportions types, les réactions chimiques en jeu, les essais de contrôle qualité et les exigences des normes canadiennes. Le béton est un matériau composite : sa performance dépend de chaque constituant et de leurs interactions. Une erreur de dosage ou une méconnaissance des propriétés des matériaux peut entraîner des défaillances structurelles graves.

1. Constituants du béton

1.1 Le ciment Portland

Le ciment Portland est le liant hydraulique principal du béton. Il est produit par la cuisson à environ 1450 °C d'un mélange de calcaire et d'argile, suivi d'un broyage fin avec du gypse (sulfate de calcium) pour réguler la prise.

Types de ciment selon la norme CSA A3001 (norme canadienne sur les ciments) :

Type	Désignation	Utilisation principale
GU	Usage général	Construction courante
MS	Résistance modérée aux sulfates	Fondations en sols sulfatés
HS	Haute résistance aux sulfates	Ouvrages marins, eaux agressives
HE	Haute résistance initiale	Décoffrage rapide, préfabrication
LH	Faible chaleur d'hydratation	Massifs épais (barrages)
MH	Chaleur d'hydratation modérée	Ouvrages massifs

Composés principaux du ciment (notation abrégée des chimistes cimentiers) :

C₃S (silicate tricalcique) : responsable de la résistance initiale (7 premiers jours)

C₂S (silicate dicalcique) : contribue à la résistance à long terme (28 jours et plus)

C₃A (aluminate tricalcique) : accélère la prise, mais vulnérable aux sulfates

C₄AF (aluminoferrite tétracalcique) : influence la couleur et la résistance aux sulfates

Réaction d'hydratation : Le ciment réagit avec l'eau pour former des hydrates qui durcissent. Cette réaction est exothermique (dégage de la chaleur). La quantité de chaleur dégagée dépend du type de ciment et de la finesse de mouture.

1.2 Les granulats

Les granulats occupent environ 60 à 75 % du volume du béton. Ils doivent être propres, durs, durables et chimiquement inertes.

Classification granulométrique :

Granulats fins (sable) : particules de 0,075 mm à 5 mm

Granulats grossiers (gravier, pierre concassée) : particules de 5 mm à 80 mm (généralement 20 mm pour les ouvrages courants)

Exigences selon la norme CSA A23.1 (Béton : Constituants et exécution des travaux) :

Propriété	Exigence typique
Granulométrie	Dans les limites des fuseaux prescrits
Teneur en particules argileuses	≤ 1 %
Matières organiques (sable)	Couleur ≤ étalon (essai au NaOH)
Abrasion (Los Angeles)	≤ 50 % de perte
Réactivité alcaline	Essai accéléré conforme

Granulats réactifs : Certains granulats contenant de la silice amorphe réagissent avec les alcalis du ciment (Na₂O, K₂O) pour former un gel expansif. Cette réaction alcali-granulat (RAG) provoque des fissurations internes. La norme CSA A23.2-27A décrit l'essai accélérateur sur mortier.

1.3 L'eau de gâchage

L'eau doit être potable et exempte d'impuretés nuisibles (huiles, acides, sucres, algues, matières organiques). La norme CSA A23.1 précise que l'eau non potable peut être utilisée si elle satisfait aux exigences des essais de comparaison (résistance à 7 et 28 jours ≥ 90 % du témoin).

Rapport eau/ciment (E/C) : C'est le paramètre le plus important de la résistance du béton. Il est exprimé en masse (kg d'eau / kg de ciment).

Rapport E/C	Résistance approximative à 28 jours (MPa)
0,40	45 – 55
0,50	35 – 45
0,60	25 – 35
0,70	15 – 25

Règle de base : Plus le rapport E/C est faible, plus la résistance est élevée, mais plus le béton est difficile à mettre en œuvre. Un E/C > 0,55 augmente considérablement la porosité capillaire et réduit la durabilité.

1.4 Les ajouts cimentaires

Les ajouts minéraux remplacent une partie du ciment pour améliorer certaines propriétés ou réduire les coûts.

Ajout	Origine	Effet principal
Fumée de silice	Sous-produit des fours à arc	Très fine, augmente la résistance et l'imperméabilité
Cendres volantes	Combustion du charbon	Améliore l'ouvrabilité, réduit la chaleur d'hydratation
Laitier de haut fourneau	Sous-produit sidérurgique	Améliore la durabilité, résistance aux sulfates
Pouzzolanes naturelles	Roches volcaniques	Réduit la chaleur d'hydratation

Taux de remplacement typiques : Cendres volantes : 15-30 % ; Laitier : 25-50 % ; Fumée de silice : 5-10 %.

1.5 Les adjuvants

Les adjuvants sont des produits chimiques ajoutés en faible quantité (≤ 5 % de la masse de ciment) pour modifier les propriétés du béton frais ou durci.

Adjuvant	Fonction	Dosage typique
Réducteur d'eau (plastifiant)	Réduit l'eau de 5-10 %	200-400 mL/100 kg ciment
Haut réducteur d'eau (superplastifiant)	Réduit l'eau de 15-30 %	500-1500 mL/100 kg ciment
Accélérateur	Accélère la prise et le durcissement	Variable selon produit
Retardateur	Retarde la prise (temps chaud)	Variable
Entraîneur d'air	Crée des bulles d'air microscopiques	30-100 mL/100 kg ciment
Hydrofuge	Réduit l'absorption d'eau	Variable

Entraînement de l'air : Essentiel pour les bétons exposés aux cycles de gel-dégel. Les bulles d'air (20 à 300 μm) agissent comme des soupapes de détente pour la pression hydraulique lors de la formation de glace. Le dosage en air occlus est généralement de 5 à 8 % du volume pour les ouvrages extérieurs au Canada.

2. Conception du mélange (formulation)

2.1 Méthode de formulation

La conception d'un mélange de béton vise à déterminer les proportions de chaque constituant pour obtenir :

La résistance spécifiée (f'c)

L'ouvrabilité requise (affaissement)

La durabilité (exposition)

L'économie

Étapes de la méthode des volumes absolus :

46.Déterminer la résistance requise : f'cr = f'c + 1,34 × s (si écart-type connu) ou f'cr = f'c + 6,9 MPa (si écart-type inconnu, selon CSA A23.1)

47.Choisir le rapport E/C : Selon la résistance visée et les conditions d'exposition

48.Déterminer la teneur en eau : Selon l'affaissement désiré et la dimension maximale des granulats

49.Calculer la masse de ciment : C = Eau / (E/C)

50.Estimer la teneur en air : Selon l'exposition

51.Calculer les volumes absolus de chaque constituant

52.Déterminer la masse de granulats : Par différence de volume

2.2 Exemple de calcul

Données : Béton pour dalle intérieure, f'c = 30 MPa, affaissement de 75 mm, granulat grossier de 20 mm, écart-type inconnu.

Étape 1 : f'cr = 30 + 6,9 = 36,9 MPa

Étape 2 : Pour 36,9 MPa, le rapport E/C ≈ 0,45 (tableau de corrélation)

Étape 3 : Eau ≈ 190 kg/m³ (pour affaissement de 75 mm et granulat de 20 mm)

Étape 4 : Ciment = 190 / 0,45 = 422 kg/m³

Étape 5 : Air occlus = 2 % (intérieur, non exposé au gel)

Étape 6 : Volumes absolus :

Ciment : 422 / 3150 = 0,134 m³

Eau : 190 / 1000 = 0,190 m³

Air : 0,02 × 1 = 0,020 m³

Total partiel : 0,344 m³

Volume de granulats : 1,000 – 0,344 = 0,656 m³

Étape 7 : Masses de granulats (selon la masse volumique) :

Granulat grossier : 0,400 m³ × 2700 kg/m³ = 1080 kg

Sable : 0,256 m³ × 2650 kg/m³ = 678 kg

Mélange final (pour 1 m³) :

Constituant	Masse (kg)
Ciment	422
Eau	190
Granulat grossier	1080
Sable	678
Total	2370 kg

2.3 Ajustements sur chantier

Les granulats sont rarement secs sur le chantier. Il faut corriger la quantité d'eau en fonction de leur teneur en humidité.

Formule de correction :

Masse humide = Masse sèche × (1 + teneur en humidité / 100)

Eau ajoutée = Eau théorique – (masse humide – masse sèche)

Exemple : Si le sable a une teneur en humidité de 5 % :

Masse humide du sable = 678 × 1,05 = 712 kg

Eau contenue dans le sable = 712 – 678 = 34 kg

Eau à ajouter = 190 – 34 = 156 kg

3. Propriétés du béton frais

3.1 L'ouvrabilité

L'ouvrabilité est la facilité avec laquelle le béton peut être mis en place et compacté sans ségrégation. Elle est mesurée principalement par l'essai d'affaissement (slump test) selon la norme CSA A23.2-5C.

Affaissement (mm)	Ouvrabilité	Application typique
10 – 30	Faible	Dalles de roulement, massifs
30 – 80	Moyenne	Dalles, murs, colonnes
80 – 150	Élevée	Sections fortement armées
> 150	Fluide	Béton autoplaçant

Procédure de l'essai d'affaissement :

86.Remplir le cône tronqué (300 mm de haut) en 3 couches égales

87.Piquer chaque couche 25 fois avec la tige de 16 mm

88.Soulever le cône verticalement en 5 ± 2 secondes

89.Mesurer l'affaissement : différence entre la hauteur du moule et la hauteur du béton affaissé

Interprétation :

Affaissement vrai : le béton s'affaisse uniformément

Affaissement par cisaillement : une partie glisse latéralement → rejet de l'essai

Effondrement : le béton s'écroule complètement → béton trop humide

3.2 La ségrégation et la ressuée

Ségrégation : Séparation des granulats grossiers du mortier. Causes : excès d'eau, granulométrie déficiente, chute trop élevée lors de la mise en place.

Ressuée : Remontée d'eau en surface après la mise en place. Causes : excès d'eau, granulats trop secs, finition trop précoce. La ressuée crée une pellicule fragile en surface et augmente le rapport E/C en surface.

3.3 La température du béton

La température du béton frais influence directement la vitesse de prise et le développement de la résistance.

Température	Effet
< 10 °C	Prise retardée, résistance initiale réduite
10 – 25 °C	Plage optimale
> 30 °C	Prise accélérée, perte d'affaissement, risque de fissuration thermique

Règle empirique : Pour chaque augmentation de 10 °C, la vitesse de prise est approximativement doublée. La température maximale du béton à la mise en place est généralement limitée à 30 °C selon CSA A23.1.

4. Propriétés du béton durci

4.1 La résistance à la compression

La résistance à la compression (f'c) est la propriété la plus couramment spécifiée. Elle est mesurée sur des cylindres de 150 mm × 300 mm après 28 jours de cure (norme CSA A23.2-9C).

Facteurs influençant la résistance :

Rapport E/C (facteur dominant)

Type et quantité de ciment

Qualité des granulats

Température et humidité de cure

Âge du béton

Développement de la résistance dans le temps :

Âge	Résistance relative (%)
3 jours	40 – 60
7 jours	65 – 80
28 jours	100
90 jours	115 – 130
1 an	130 – 150

4.2 Le retrait et le fluage

Retrait : Diminution de volume du béton due au séchage. Il provoque des fissures si le béton est retenu (frottement, armature). Le retrait est d'autant plus important que la teneur en eau est élevée.

Fluage : Déformation progressive sous charge constante. Il est influencé par le rapport E/C, l'humidité ambiante et l'âge du béton lors de la mise en charge.

4.3 La durabilité

La durabilité est la capacité du béton à résister aux agressions environnementales. Les principales menaces au Canada :

Agression	Mécanisme	Protection
Gel-dégel	Expansion de l'eau gelée dans les pores	Air entraîné, faible E/C
Sels de déglaçage	Écaillage de surface, corrosion des armatures	Air entraîné, enrobage suffisant
Sulfates	Attaque chimique du C₃A	Ciment HS, faible E/C
Carbonatation	Baisse du pH, corrosion des armatures	Enrobage, béton dense
Réaction alcali-granulat	Gel expansif interne	Granulats non réactifs, ajouts cimentaires

Classes d'exposition selon CSA A23.1 :

Classe	Exposition	Exigences
C-XL	Très sévère (sels, cycles fréquents)	E/C ≤ 0,40, air 6-9 %
C-1	Sévère (gel-dégel, sels)	E/C ≤ 0,45, air 5-8 %
C-2	Modérée (gel-dégel sans sels)	E/C ≤ 0,50, air 5-8 %
C-3	Bénigne (intérieur)	E/C ≤ 0,55, air 1-3 %
C-4	Chimique (sulfates, acides)	Ciment HS, E/C ≤ 0,45

5. Contrôle de la qualité

5.1 Essais sur béton frais

Essai	Norme CSA	Fréquence minimale
Affaissement	A23.2-5C	Chaque chargement
Teneur en air	A23.2-4C	Chaque chargement
Température	A23.2-4C	Chaque chargement
Masse volumique	A23.2-6C	Quotidienne
Prélèvement d'échantillons	A23.2-1C	Selon spécifications

5.2 Essais sur béton durci

Compression : Cylindres de 150 × 300 mm, cure normalisée (23 ± 2 °C, humidité ≥ 95 %)

Flexion : Poutres de 150 × 150 × 500 mm (pour dalles et chaussées)

Module d'élasticité : Relation contrainte-déformation

5.3 Critères d'acceptation

Selon CSA A23.1, les résultats de compression sont acceptés si :

La moyenne de 3 essais consécutifs ≥ f'c

Aucun essai individuel < f'c – 3,5 MPa

Écart-type : Pour un bon contrôle qualité, l'écart-type (s) doit être ≤ 3,5 MPa. Un écart-type élevé indique une variabilité excessive dans les matériaux, le dosage ou les essais.

6. Exigences normatives canadiennes

6.1 Normes principales

Norme	Titre	Application
CSA A23.1	Béton : Constituants et exécution des travaux	Exigences générales
CSA A23.2	Béton : Méthodes d'essai	Procédures d'essai
CSA A3001	Ciment	Types et exigences
CSA A23.3	Calcul des ouvrages en béton	Conception structurale
CSA A23.4	Béton préfabriqué	Préfabrication

6.2 Code national du bâtiment du Canada (CNBC)

Le CNBC renvoie aux normes CSA pour les exigences sur le béton. Les sections pertinentes concernent :

La résistance minimale f'c selon l'usage (généralement 20 MPa minimum pour les fondations, 30 MPa pour les structures)

L'enrobage minimal des armatures selon l'exposition (40 mm pour les fondations exposées, 75 mm pour le béton coulé contre le sol)

Les exigences de cure (humidité maintenue pendant au moins 7 jours pour les bétons à base de ciment GU)

6.3 Exigences de cure

La cure est essentielle pour le développement de la résistance et la durabilité. Méthodes acceptées :

Méthode	Durée minimale	Application
Eau (immersion, aspersion)	7 jours	Toutes surfaces
Membranes de cure	7 jours	Dalles horizontales
Sacs humides, toile	7 jours	Petites surfaces
Produits de cure chimiques	Selon fabricant	Surfaces verticales

Température de cure : Le béton doit être maintenu au-dessus de 10 °C pendant la cure pour permettre l'hydratation. En dessous de 5 °C, l'hydratation s'arrête pratiquement.

7. Calculs pratiques pour le finisseur

7.1 Calcul des quantités

Volume de béton pour une dalle :

V = Longueur × Largeur × Épaisseur

Exemple : Dalle de 6 m × 4 m × 0,15 m

V = 6 × 4 × 0,15 = 3,6 m³

Perte : Ajouter 5 à 10 % pour les pertes et les irrégularités.

7.2 Conversion de dosage

Si un mélange est donné pour 1 m³, les quantités pour un volume V sont obtenues par proportionnalité directe.

Exemple : Pour 3,6 m³ avec le mélange précédent :

Ciment : 422 × 3,6 = 1519 kg

Eau : 190 × 3,6 = 684 kg

Granulat grossier : 1080 × 3,6 = 3888 kg

Sable : 678 × 3,6 = 2441 kg

7.3 Calcul du rendement

Le rendement est le volume réel de béton produit par une gâchée. Il se calcule :

Rendement (m³) = Masse totale des matériaux (kg) / Masse volumique du béton (kg/m³)

La masse volumique du béton frais est généralement de 2300 à 2400 kg/m³ (béton normal).

8. Problèmes courants et solutions

8.1 Perte d'affaissement

Causes : Température élevée, délai de transport trop long, absorption par les granulats secs, ajout d'eau excessif au départ.

Solutions :

Utiliser des retardateurs

Refroidir les granulats ou l'eau

Réduire le temps de transport

Ne jamais ajouter d'eau sur le chantier sans recalculer le rapport E/C

8.2 Prise accélérée

Causes : Ciment trop frais, température élevée, dosage excessif d'accélérateur.

Conséquences : Difficulté de mise en place, joints froids, perte de résistance.

8.3 Fissuration plastique

Causes : Évaporation rapide de l'eau de surface (vent, soleil, faible humidité), finition trop précoce ou trop tardive.

Prévention :

Protéger la surface avec des écrans ou des produits de cure

Travailler tôt le matin ou en fin de journée

Utiliser des fibres de polypropylène

Pièges à éviter

186.Confondre rapport E/C et teneur en eau : Le rapport E/C est un ratio massique ; la teneur en eau est une quantité absolue. Un béton peut avoir une teneur en eau élevée mais un E/C acceptable si la teneur en ciment est également élevée.

187.Oublier la correction d'humidité des granulats : Sur le chantier, les granulats humides apportent de l'eau au mélange. Ne pas corriger augmente le E/C réel et réduit la résistance.

188.Négliger l'air entraîné : Pour les ouvrages extérieurs au Canada, l'air entraîné est obligatoire (5-8 %). Un béton sans air entraîné se dégradera rapidement sous l'effet des cycles de gel-dégel.

189.Ajouter de l'eau sur le chantier : C'est la cause la plus fréquente de non-conformité. Chaque litre d'eau ajouté augmente le E/C et réduit la résistance. Si l'affaissement est insuffisant, utiliser un superplastifiant.

190.Confondre les types de ciment : GU n'est pas HS. Utiliser le mauvais type de ciment pour une exposition aux sulfates peut entraîner une défaillance prématurée.

191.Ignorer la température du béton : Un béton livré à 35 °C peut prendre en 30 minutes. Vérifier la température à la livraison et ajuster les délais de mise en place.

192.Mal interpréter l'essai d'affaissement : Un affaissement par cisaillement n'est pas un affaissement valide. Recommencer l'essai avec un nouvel échantillon.

193.Oublier la cure : La cure est souvent négligée sur les chantiers. Un béton non curé peut perdre 30 à 50 % de sa résistance potentielle.

194.Confondre retrait plastique et retrait de séchage : Le retrait plastique survient dans les premières heures (évaporation) ; le retrait de séchage survient sur des semaines ou des mois. Les mesures préventives diffèrent.

195.Ne pas connaître les classes d'exposition : Chaque classe C-XL, C-1, C-2, C-3, C-4 impose des exigences précises de E/C, d'air et de cure. Les ignorer entraîne des non-conformités.

Résumé

Le béton est composé de ciment, granulats, eau, et éventuellement ajouts et adjuvants.

Le rapport E/C est le facteur le plus déterminant de la résistance et de la durabilité.

Les types de ciment selon CSA A3001 (GU, MS, HS, HE, LH, MH) répondent à des besoins spécifiques.

Les granulats doivent satisfaire aux exigences de granulométrie, de propreté et de réactivité de la norme CSA A23.1.

L'air entraîné est essentiel pour la résistance au gel-dégel (5-8 % pour les expositions sévères).

La formulation suit la méthode des volumes absolus : déterminer f'cr, choisir E/C, calculer les masses.

Les essais de contrôle (affaissement, air, température, compression) sont obligatoires selon les fréquences prescrites.

La cure de 7 jours minimum est indispensable pour développer la résistance et la durabilité.

Les classes d'exposition C-XL à C-4 définissent les exigences minimales selon l'environnement.

Les ajouts cimentaires (fumée de silice, cendres volantes, laitier) améliorent la durabilité mais modifient les temps de prise.

La température du béton influence directement la vitesse de prise et le développement de la résistance.

Questions d'auto-évaluation

211.Quel est l'effet d'une augmentation du rapport E/C de 0,45 à 0,60 sur la résistance à 28 jours ?

212.Pourquoi l'air entraîné est-il obligatoire pour les bétons exposés au gel ?

213.Quelle est la différence entre un plastifiant et un superplastifiant ?

214.Comment corriger la quantité d'eau lorsque le sable contient 6 % d'humidité ?

215.Quelles sont les exigences de cure pour un béton de classe C-1 ?

216.Quel type de ciment choisir pour une fondation exposée aux sulfates ?

217.Que signifie un affaissement par cisaillement lors de l'essai ?

218.Quelle est la résistance minimale à 7 jours pour un béton de 30 MPa (en pourcentage approximatif) ?

219.Quels sont les dangers de la réaction alcali-granulat et comment la prévenir ?

220.Quelle est la température maximale recommandée du béton à la mise en place selon CSA A23.1 ?

Ce chapitre couvre les connaissances essentielles du module « Matériaux de béton et conception du mélange » pour l'examen Sceau Rouge. Assurez-vous de maîtriser les calculs de formulation, les normes CSA et les essais de contrôle qualité avant de passer au chapitre suivant.

Matériaux de béton et conception du mélange