🏗️ Formulation de béton

Les superplastifiants (réducteurs d'eau à haute performance) sont des adjuvants polymères qui s'adsorbent sur les grains de ciment et créent une répulsion électrostatique ou stérique entre les particules. Cela disperse la pâte de ciment et réduit considérablement la demande en eau — de 20 à 40 % — pour un affaissement donné, permettant ainsi un e/c plus faible sans sacrifier la maniabilité. Les superplastifiants modernes à base d'éther polycarboxylate (PCE) peuvent produire un béton autoplaçant avec un étalement supérieur à 650 mm tout en maintenant un e/c < 0,35.

La fumée de silice (microsilice) est un sous-produit de la production de silicium et de ferrosilicium, constitué de sphères amorphes de SiO₂ environ 100 fois plus fines que les particules de ciment. Elle réagit avec l'hydroxyde de calcium libéré pendant l'hydratation du ciment (réaction pouzzolanique) pour produire du silicate de calcium hydraté (C-S-H) supplémentaire, la colle qui donne au béton sa résistance. L'ajout de 8 à 10 % de fumée de silice en masse de ciment augmente généralement la résistance à la compression de 15 à 25 MPa et réduit considérablement la perméabilité.

L'affaissement est mesuré en remplissant un cône tronqué standard de 300 mm de haut (cône d'Abrams) avec du béton frais, en soulevant le cône, et en mesurant de combien le béton s'affaisse. Un affaissement de 25–75 mm indique un béton ferme adapté aux chaussées ; 75–125 mm correspond à une maniabilité moyenne pour la construction générale ; 125–175 mm est une maniabilité élevée pour un ferraillage dense. Le béton autoplaçant a un étalement (et non un affaissement) supérieur à 650 mm.

Les gros granulats (graviers, 10–20 mm) fournissent le squelette structurel et réduisent le retrait ; les granulats fins (sable, 0–5 mm) remplissent les vides et contribuent à la maniabilité. La taille maximale des granulats est limitée par la plus petite dimension du coulage (généralement ≤ 1/4 de l'épaisseur de la dalle) et l'espacement des barres. Des granulats bien gradués qui remplissent efficacement les vides réduisent la demande en ciment et en eau pour une résistance donnée, diminuant à la fois le coût et le risque de fissuration par retrait.

Le type I (CPO) est polyvalent ; le type II offre une résistance modérée aux sulfates pour les sols à teneur modérée en sulfates ; le type III génère de la chaleur plus rapidement et atteint une résistance précoce élevée (utile pour le bétonnage par temps froid) ; le type IV est un ciment à faible chaleur pour les barrages en béton de masse où la fissuration thermique est un risque. Le béton de type III peut atteindre sa résistance à 28 jours en 7 jours, réduisant le temps de décoffrage. Ce simulateur modélise un bonus de résistance de 8 % pour le type III et une pénalité de 3 % pour le type IV.

La fissuration provient de quatre causes principales : le retrait plastique (surface séchant trop vite avant la prise), le retrait de séchage (perte d'humidité à long terme réduisant le volume de 0,04–0,08 %), les gradients thermiques dans le béton de masse (une chaleur d'hydratation > 70 °C peut causer une différence surface-cœur de 20 °C), et la surcharge. La prévention comprend un rapport e/c faible, une cure adéquate, des joints de dilatation tous les 4–6 m dans les dalles, des fibres (acier ou polypropylène), et l'utilisation de ciment à faible chaleur dans les grands coulages.

La densité normale du béton est de 2300–2500 kg/m³, dominée par les granulats (qui représentent 60–75 % du volume du mélange). Le simulateur calcule la densité comme la somme de toutes les masses constitutives par mètre cube : ciment + eau + gros granulats + granulats fins. Le béton léger utilisant des granulats d'argile expansée peut atteindre 1400–1800 kg/m³, utile pour réduire la charge morte structurelle. Le béton lourd (granulats de barytine) atteint 3500 kg/m³ pour le blindage contre les rayonnements.

Le béton est résistant en compression — le béton C30 résiste à 30 MPa — mais faible en traction, avec une résistance à la traction d'environ seulement 10 % de la résistance à la compression (environ 3 MPa pour C30). C'est pourquoi des barres d'armature en acier sont noyées dans les zones de traction des poutres et des dalles ; l'acier a une résistance à la traction de 400–600 MPa. Le béton renforcé de fibres (BRF) avec des fibres d'acier ou de basalte améliore considérablement le comportement post-fissuration en traction, permettant des sections plus minces.