Un peu d’histoire Béton romain Liant à base de chaux vive et de sable volcanique. Panthéon, Colisée… Disparition du béton à la fin de l’Empire romain Du Moyen Âge au 18e siècle Construction en bois et en pierres naturelles (découpées et assemblées) Naissance du ciment 1756 : Smeaton découvre que les chaux les plus hydrauliques (celles de Portland) sont obtenues à partir d’un mélange calcaire + argile en grande proportion (25%) 1818 : Louis Vicat montre qu’il est possible de fabriquer industriellement un liant hydraulique en dosant calcaire et argile, et définit la théorie de l’hydraulicité 1824 : Joseph Aspdin dépose un brevet de Ciment Portland Artificiel 1846 : premiers fours verticaux pour la fabrication du ciment dans la région de Boulogne-sur-Mer 1887 : Henri Le Chatelier découvre les mécanismes de formation, puis de durcissement, du ciment : base de la chimie des ciments 2

Un peu d’histoire Naissance du béton armé 1848 : Joseph-Louis Lambot crée une barque en ciment armé 1849 : Joseph Monier réalise du mobilier de jardin en ciment armé 1855 : François Coignet découvre le béton aggloméré 1892 : François Hennebique est le promoteur du béton armé 1906 : 1er règlement en France sur le calcul des ouvrages en béton armé Naissance du béton précontraint 1929 : Brevet d’Eugène Freyssinet sur le béton précontraint Eugène Freyssinet 3

Qu’est-ce que le ciment ? Ciment = liant hydraulique Un liant hydraulique a la propriété de durcir progressivement au contact de l’eau (par une série de réactions chimiques de ses constituants avec l’eau). Après durcissement, il conserve sa résistance et sa stabilité, même sous l’eau. Constituant principal du ciment = le clinker Obtenu à partir de la cuisson à haute température (1 450°C) d’un mélange de : - Calcaire (CaCO3) : 80 % - Argile (SiO2 , Al2O3 , FeO3) : 20 % Puis refroidissement rapide (la trempe) Le ciment se présente sous forme d’une poudre (minérale) très fine Nota - La prise du ciment n’est pas un séchage de la pâte après ajout d’eau. Il s’agit d’un ensemble de réactions chimiques permettant le passage de la pâte de ciment de l’état liquide à l’état solide 4

La fabrication du ciment 1/2 5

La fabrication du ciment 2/2 6

La fabrication du ciment Les 4 éléments principaux nécessaires pour fabriquer du ciment Mélange porté progressivement à température très élevée (1 450°C) Brusquement refroidi Broyé avec du gypse et des constituants secondaires éventuels : laitier, cendres volantes, filler, calcaire… 7

Recette pour fabriquer 1 kg de ciment INGRÉDIENTS 1 250 g de calcaire 290 g d’argile 70 g de gypse Extraire du sol le calcaire et l’argile Concasser, puis broyer le tout jusqu’à obtention d’une poudre sèche (farine) à bien mélanger Faire cuire cette farine dans le four préalablement chauffé à 1 450°C On obtient 930 g de clinker A refroidir très fortement Broyer ensemble et finement le clinker et le gypse On obtient 1 kg de très bon ciment 8

Etapes de la fabrication du ciment CARRIÈRES Le calcaire est abattu à l’explosif et acheminé par dumper vers le hall de concassage. L’argile est extraite par ripage. CUISSON La cuisson s’effectue dans un four rotatif où la température de la matière avoisine 1 450°C. À sa sortie, la matière, appelée clinker, est trempée à l’air. BROYAGE Le clinker est broyé très finement dans un broyeur à boulets avec du gypse et d’autres constituants comme des cendres de centrale thermique ou du laitier de haut fourneau, dont les pourcentages permettent d’obtenir différents types de ciment. CONCASSAGE Les matériaux sont réduits par le concasseur à une taille maximum de 80 mm et acheminés ensuite par un transporteur à bande vers le hall de préhomogénéisation. STOCKAGE/EXPÉDITIONS Les ciments ainsi obtenus sont stockés dans des silos avant d’être expédiés, en vrac (75 %) et en sac (25 %). PRÉ-HOMOGÉNÉISATION Le mélange calcaire/argile est réalisé dans un hall de pré-homogénéisation où la matière est disposée en couches horizontales superposées puis reprise verticalement. CONTRÔLE À chaque étape de la transformation de la matière, des échantillons sont automatiquement prélevés et analysés de façon très rigoureuse. Les pilotes de la salle de contrôle conduisent l’usine depuis leurs écrans de contrôle où s’affichent toutes les informations relatives à la fabrication. BROYAGE Les matières premières sont séchées et broyées très finement pour obtenir « la farine ». 9

Etapes de la fabrication du ciment 4 phases cristallines principales Notation symbolique Nom Formule chimique % en poids moyen C3S C2S C3A C4AF Silicate tricalcique ou alite Silicate bicalcique ou bélite Aluminate tricalcique Alumino-ferrite tétracalcique 3 CaO, SiO2 2 CaO, SiO2 3 CaO, Al2O3 4 CaO, Al2O3, Fe2O3 62 22 8 Etapes de la fabrication du ciment EXTRACTION DES MATIÈRES PREMIÈRES FABRICATION DU CRU par broyage des matières premières < 200 μm CRU Déshydratation : 100 à 500°C Décarbonatation et calcination : 800 à 1 100°C Clinkérisation : 1 450°C Calcaire : 80% Argile : 20% Bauxite/oxyde de fer CUISSON 1 450°C CLINKER BROYAGE DU CLINKER < 100 μm avec gypse (le gypse permet de réguler la prise) CIMENT Composition chimique (poids) Chaux (CaO) Silice (SiO2) Alumine (Al2O3) Oxyde ferrique (Fe2O3) 65 à 70% 18 à 24% 4 à 8% 1 à 6% À chaque étape de la fabrication des échantillons sont prélevés et analysés Clinker + autres constituants éventuels : laitier de haut fourneau, cendres volantes, calcaires, fumées de silice. 10

Etapes de la fabrication du ciment ÉCHANGEUR À CYCLONE Réchauffement du cru Précalcination FOUR HORIZONTAL, ROTATIF CYLINDRIQUE Décarbonatation Clinkérisation Concassage Préhomogénéisation EXTRACTION DES MATIÈRES PREMIÈRES FABRICATION DU CRU par broyage des matières premières < 200 μm CRU STOCKAGE silos ensachage CARRIÈRES Blocs de Dmax 150mm Calcaire 80% Argile 20% CUISSON 1 450°C CLINKER BROYAGE DU CLINKER < 100 μm avec gypse CIMENT Broyage intime du calcaire et de l’argile (et bauxite, oxyde de fer) Homogénéisation du mélange Clinker + autres constituants éventuels : laitier de haut fourneau, cendres volantes, calcaires, fumées de silice. 11

Principales caractéristiques du ciment Caractéristiques de la poudre Surface spécifique / finesse blaine : 2 800 à 5 000 cm2/g Masse volumique apparente : 1 000 kg/m3 Masse volumique absolue : 3 000 à 3 200 kg/m3 Caractéristiques sur pâte ou mortier Début de prise : aiguille de Vicat Expansion : aiguille de Le Chatelier Résistances mécaniques : 2 jours/7 jours/28 jours Chaleur d’hydratation : 250 à 400 J/g Aiguille de Vicat 12

Principales caractéristiques du béton Résistance mécanique : 10 à 100 MPa Porosité : 17,5 - 0,08 x Rc en % Retrait : 150 µm/m à 500 µm/m en fonction des conditions climatiques Dilatation : 10-5 / °C Pour L = 10m, baisse de température de 10°C Raccourcissement de 1 mm Module élastique instantané : 40 GPa Conductivité thermique : 1,5 à 2 W/m2/°C 13

Constituants des ciments Constituants principaux - CLINKER - Laitier granulé de haut fourneau (S) - Pouzzolanes naturelles (Z) ou naturelles calcinées (Q) - Cendres volantes siliceuses (V) ou calciques (W) - Schistes calcinés (T) - Calcaire (L, LL) - Fumées de silice (D) Sulfate de calcium : régulation de la prise Constituants secondaires : moins de 5% Additifs : moins de 0,5% 14

Différents ciments Ciments courants Ciments Portland : CEM I Ciments Portland composés : CEM II / A ou B Ciments de haut fourneau : CEM III / A, B ou C Ciments pouzzolaniques : CEM IV / A ou B Ciments composés : CEM V / A ou B Ciments à usage spécifique Ciment prompt naturel Ciment d’aluminates de calcium Ciment à maçonner Ciments à caractéristiques complémentaires Ciment pour travaux à la mer : PM Ciment pour travaux en eaux à haute teneur en sulfates : ES Ciment à teneur limitée en sulfures : CP 15

Domaines d’emploi des ciments Bâtiments Routes Ouvrages de génie civil Bétons* Mortiers Coulis Ciments (*) BÉTONS : Béton non armé Béton armé Béton précontraint 16

De l’hydratation au durcissement 3 PHASES SUCCESSIVES Phase dormante Début de prise* Augmentation de la viscosité de la pâte de ciment Dégagement de chaleur Durcissement Accroissement progressif des résistances mécaniques ETAT INITIAL GRAIN DE CIMENT + EAU HYDRATATION DE CHAQUE GRAIN L’enfance du béton est un moment critique PRISE ÉVOLUTION PHYSIQUE DES GRAINS LA VIE DU BÉTON ne commence pas à son arrivée dans le coffrage à 28 jours ETAT FINAL SOLIDE HYDRATÉ POREUX RÉACTION EXOTHERMIQUE FORMATION DE SILICATES ET ALUMINATES DE CALCIUM HYDRATÉS (*) le début de prise s’apprécie à l’aide de l’aiguille de Vicat 17

Qu’est-ce que le béton ? Le béton est un matériau composite. Mélange de : - Ciment - Eau - Granulats, (concassés, roulés…) : 4 classes granulaires (fillers, sables, graves, gravillons) - Adjuvants - Additions minérales - Air Nota - Coulis = Ciment + eau + adjuvant Mortier = Ciment + eau + sable + adjuvant 3 origines de production du béton Béton Prêt à l’Emploi = BPE : capacité de production 40 à 150 m3/heure Produits préfabriqués en béton Béton réalisé sur chantier Rôle de l’eau Hydratation du ciment Optimisation de la consistance de la pate 18

Exemple de formulation FORMULATION POUR 1 m3 DE BÉTON Ciment : 350 kg Granulats : 1 800 kg - Gravillons : 1 200 kg - Sable : 600 kg Eau (E/C = 0.5) : 175 litres Adjuvants Nota Eau = Eau pour hydratation du ciment + Eau pour maniabilité du béton frais Eau = Eau Efficace (eau disponible pour l’hydratation du ciment) + Eau absorbée par les granulats 19

Composition d’un béton 20

Calcul du volume d’un béton à partir d’une formule Volume de pâte : ciment + eau + adjuvant : 271 litres Volume béton : 999.6 litres 21

ROCHES MEUBLES alluvions, fleuves, rivières ROCHES MASSIVES carrières Granulats pour béton FILLERS SABLES GRAVILLONS GRAVES ROULÉ CONCASSÉ ROCHES MEUBLES alluvions, fleuves, rivières ROCHES MASSIVES carrières CLASSE GRANULAIRE d/D GRANULARITÉ CARACTÉRISTIQUES : Physico-chimiques Physiques Mécaniques Chimiques Esthétiques CALCAIRE GRANITE BASALTES GRÈS DIORITES SILEX… NATUREL ARTIFICIEL RECYCLÉ 22

Principes de formulation Classes d’exposition Caractéristiques des constituants Moyens de transport et de mise en œuvre Contraintes du chantier MÉLANGE OPTIMAL Résistance mécanique Conditions climatiques Exigences de durabilité Propriétés du béton à l’état frais et à l’état durci 23

Principes de formulation Mélange optimal : granulats/eau/ciment/adjuvants Minimum de vide, minimum d’eau, optimisation de la quantité de pâte, optimisation du squelette granulaire Nombreuses méthodes de formulation : - A granularité continue - A granularité discontinue - Expérimentale - Empirique Principaux critères de formulation - Caractéristiques géométriques de l’ouvrage - Classes d’exposition - Ouvrabilité : facilité de remplissage du coffrage - Priorités et performances du béton frais et durci - Durabilité - Dimension maximale D des granulats : enrobage, espacement entre armatures - Condition de fabrication et de mise en œuvre 24

Principales caractéristiques du béton Béton frais Consistance : affaissement au cône d’Abrams Stabilité : absence de ségrégation Pompabilité Béton durci Résistance mécanique à la compression à 28 jours - Sur cube - Sur cylindre Résistance à la traction par fendage Résistance à la flexion Nota - Les performances mécaniques du ciment sont fonction de la composition minéralogique et des caractéristiques chimiques du clinker et de ses autres composants et de ses caractéristiques physiques (finesse…) 25

Résistance du béton Rc si C Rc si E La résistance du béton augmente avec le temps Rc = résistance mécanique en compression Avec : C = dosage en ciment E = volume d’eau V = volume de vide Rc = K Rc si C Porosité Résistance Durabilité Rc si E Compacité maximum Pourcentage minimum de vides entre les grains Optimisation de l’empilement granulaire Mélange optimal de granulats Nota - Pour garder la même résistance, il faut augmenter la quantité de ciment de 20 kg/m3, si on ajoute 10 l/m3 26

Principales déformations du béton Flèche : déformation sous chargement uniforme ou concentré Élasticité : module E = σ/ε Retrait - Chimique : hydratation - Plastique : évaporation de l’eau de gâchage - Dessication : évaporation de l’eau des pores - Autodessication endogène : contraction des pores - Thermique : fonction de la température Fluage : déformation sous chargement constant Mouvement thermique Le béton se dilate quand la température augmente Δl = 1 mm/10 m/10°C 27

De la centrale au coffrage Traditionnel Industriel Perdus Glissants Prédalles Prémurs MALAXAGE Centrale à béton TRANSPORT* jusqu’au chantier Camion toupie TRANSPORT SUR CHANTIER Benne - Tapis - Pompe Aiguille vibrante Poutre vibrante MISE EN PLACE DANS LE COFFRAGE * Temps de transport inferieur à 1h30 PEAU DE COFFRAGE Bois Acier Moule caoutchouc VIBRATION PROTECTION CURE 28 28

OBLIGATOIRES Mise en œuvre du béton Tout ajout d’eau est interdit Mise en place dans les coffrages - Déversement direct - Bennes à manches - Pompage Vibration et Cure Protection par temps chaud (> 30° C) Pas de bétonnage par temps froid (< 5° C) OBLIGATOIRES 29

Agressions du béton durci Carbonatation : Piégage du CO2 par le béton corrosion des armatures Gel-dégel : Ecaillage du béton Sels de déverglaçage : Ecaillage du béton Chlorures : Corrosion des armatures Sulfates : Gonflement du béton Attaques chimiques Chocs Feu 30

Performances du béton durci Durabilité Résistance mécanique Inertie thermique Isolation acoustique Résistance au feu Esthétique 31

Aspects et traitements de surface FORME TEINTE Brut de décoffrage Lavé Sablé Désactivé Bouchardé Poli Grésé… TEXTURE 32

Répartition de l’emploi des ciments 55 % 26 % 16,5 % 2,5 % Béton prêt à l’emploi Béton et mortier produits sur chantier Produits préfabriqués en béton Mortiers industriels et divers 33

USINE DE PRÉFABRICATION NÉGOCE EN MATÉRIAUX / GSB Flux du ciment CENTRALE BPE BPE V USINE DE PRÉFABRICATION PB V S NÉGOCE EN MATÉRIAUX / GSB S CIMENTERIE CHANTIERS V MS V V MORTIÉRISTE S S ENTREPRISES DE BTP V = Ciment vrac S = Ciment sac MS = Mortier en sac PB = Produit préfabriqué en béton BPE = Béton Prêt à l’Emploi 34

Cimenteries 35

Chiffres clefs 36

Chiffres clefs Nord-ouest : Basse-Normandie, Bretagne, Centre, Haute-Normandie, Ile-de-France, Nord-Pas-de-Calais, Pays de la Loire, Picardie, Poitou Charente. Nord-est : Alsace, Bourgogne, Champagne-Ardenne, Franche-Comté, Lorraine. Sud-ouest : Aquitaine, Auvergne, Languedoc-Roussillon, Limousin, Midi-Pyrénées. Sud-est : Corse, PACA, Rhône-Alpes Y compris clinker exporté et liants géotechniques 37

Chiffres clefs 38

Chiffres clefs 39

Évolutions de ces dernières années Amélioration des connaissances Sur les mécanismes physico-chimiques liés à l’hydratation des ciments Sur le comportement des bétons face aux agressions et attaques chimiques Sur la rhéologie des bétons frais Sur les pathologies des bétons : origine, évolutions Sur la maîtrise de la durabilité Sur les phénomènes de corrosion des armatures Perfectionnement Des process de fabrication des ciments et des bétons : - cimenterie (optimisation du pilotage de la cuisson du clinker) - centrale BPE - usine de préfabrication Des moyens de contrôle et d’analyse en laboratoire Adaptation de la normalisation A la diversité des usages Aux exigences des concepteurs et des architectes Aux contraintes environnementales 40

Évolutions de ces dernières années Développement d’une large gamme de ciments optimisés pour satisfaire à de nouvelles exigences Ciments courants, PM / ES / CP / faible chaleur d’hydratation Évolution des performances des adjuvants Maîtrise de l’ouvrabilité Réduction du rapport E/L Adaptation aux conditions climatiques Augmentation de la durabilité des bétons Prise en compte de l’environnement de l’ouvrage pour définir les spécifications des bétons Classe d’exposition traduisant les risques d’agressions ou d’attaques que va subir le béton de chaque partie de l’ouvrage au cours de sa durée de vie Maîtrise de la durabilité des bétons Meilleure connaissance des phénomènes et paramètres conditionnant la durabilité des matériaux cimentaires Evolution des exigences en matière de durabilité, relayées par des normes et des recommandations et spécifications plus précises et mieux adaptées SOMMAIRE SESSION 2 SOMMAIRE GÉNÉRAL 41