La densité du béton et de ses constituants

Quelques rappels sur les notions de densité et de masse volumique

La densité

La densité (d) d’un corps est le rapport de sa masse volumique (ρ corps) à la masse volumique d’un corps de référence (ρ réf).

d = ρ corps / ρ réf

Pour les solides et les liquides, le corps de référence est l’eau. La densité d’un matériau solide ou liquide est donc le rapport de la masse volumique de ce matériau à la masse volumique de l’eau. Par exemple, si un matériau a une densité de 3, cela veut dire qu’un volume de ce matériau pèsera trois fois plus lourd que le même volume d’eau. Si un matériau à une densité inférieure à 1, cela signifie qu’il peut flotter sur l’eau.
Dans le cas de gaz, le corps de référence est l’air. Leur densité est donc calculée en rapport avec la masse volumique de l’air.

La densité étant un rapport entre deux mesures de même unité, elle s’exprime par un ratio et n’a donc pas d’unité.

La masse volumique

La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse d’un corps par unité de volume.
La masse volumique d’un corps (ρ) est calculée en divisant la masse de ce corps (m) par son volume (V).

ρ = m/V

La masse volumique s’exprime dans le Système International en kilogramme par mètre cube (kg/m³), cependant on peut aussi l’exprimer en tonne par mètre cube (t/m³).

Différence entre densité et masse volumique

La densité d’un matériau solide ou liquide est le rapport de la masse volumique de ce matériau à celle de l’eau. La densité est forcément un nombre sans dimension.

La masse volumique de l’eau valant 1 000 kg/m³ (un litre d’eau pèse 1 kg), la densité d’un liquide ou d’un solide s’exprime donc par la même valeur numérique que sa masse volumique. Par exemple, il est équivalent de dire que la densité du ciment est de 3,1 ou que la masse volumique du ciment est de 3,1 t/m³.

Voici pourquoi il y a régulièrement des confusions entre les concepts de densité et de masse volumique.

Les différents types de densité pour les matériaux granulaires

Les matériaux granulaires, tels que les constituants du béton (ciment, granulats – sable et gravillons -, additions, colorants), contiennent des pores (porosité inter et intra-granulaire).
Pour ces matériaux, le terme densité doit être défini avec précision car il y a plusieurs types de densité. Par exemple pour les granulats, il faut préciser si la densité dont on parle est celle du granulat (ensemble de grains y compris les vides entre eux), ou du grain constituant ce granulat (y compris leurs pores si celui-ci est plus ou moins poreux), ou de la matière pleine (sans aucun pores). On distinguera donc la densité apparente, la densité réelle et la densité absolue.

• La densité apparente est le rapport de la masse volumique apparente du matériau à la masse du même volume d’eau. La masse volumique apparente (encore appelée masse volumique en vrac) étant le rapport entre la masse de matériau et le volume apparent de l’ensemble des grains (volume qui comprend la porosité inter et intra-granulaire). La densité apparente est la plus fréquemment utilisée pour qualifier la densité du béton et de ses constituants.
• La densité réelle, c’est le rapport de la masse volumique réelle du matériau à la masse du même volume d’eau. La masse volumique réelle étant le rapport entre la masse du matériau et le volume réel des grains (somme des volumes de chaque grain y compris leur pores internes).
• La densité absolue, c’est le rapport de la masse volumique absolue (encore appelée masse spécifique) du matériau à la masse du même volume d’eau. La masse volumique absolue étant le rapport entre la masse du matériau et le volume de matière pleine sans aucun vide entre et dans les grains (volume absolu de la matière).Il est utile de la connaître pour les matériaux poreux.

La densité du béton

La densité apparente du béton traditionnel est de l’ordre de 2,2 à 2,4 (ie la masse volumique du béton est donc comprise entre 2,2 et 2,4 t/ m³ de béton).
Sa densité varie en fonction de la densité des constituants (principalement les granulats – sable gravier -), leurs dosages (formulation de béton), mais également de la quantité d’air qu’il renferme (air occlus lors de la fabrication, du transport par camion toupie et à la mise en œuvre ). Par exemple, un béton qui aura été bien vibré contiendra peu d’air. Il sera donc très compact et plus lourd qu’un béton qui n’aura pas été vibré et qui sera poreux.

La densité des constituants du béton

La densité du béton est directement liée à la densité des matériaux qui le compose : ciment, sable, gravillon, eau, et autres ajouts (adjuvants, colorants, fibres, …).
Pour connaître précisément la densité d’un constituant, reportez-vous à sa fiche technique disponible auprès du fournisseur.

Voici les plages de variation des densités des constituants du béton :
– Le ciment :
Densité apparente : varie de 0,9 à 1,2.
Densité absolue : varie de 2,8 à 3,2 en fonction du type de ciment (CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV, CEM V).

– Les granulats :
Densité apparente : en première approche on peut considérer que la densité apparente du sable sec non compacté est de l’ordre de 1,6 (la masse volumique du sable sec étant de 1600 kg/m3) et la densité apparente d’un gravillon sec non compacté est de 1,5.

Pour aller plus loin, il faut savoir que la densité apparente d’un granulat dépend de plusieurs facteurs :

• De sa nature : selon la nature de la roche et la densité des minéraux, la masse des grains est variable.
• De sa forme : un granulat de forme sphérique ou cubique aura une densité apparente plus élevée qu’un granulat de forme plate, allongée ou en aiguille (toutes choses étant égales par ailleurs).
• De sa granularité : un granulat fin présente très peu de vide entre ses grains. Sa densité apparente sera alors plus élevée qu’un gros granulat présentant beaucoup de vide entre les grains. Par exemple un sable aura une densité apparente plus élevée qu’un gravillon de même nature.
• De son taux d’humidité : la densité apparente d’un sable sec est plus faible que la densité apparente d’un sable humide.
  Par exemple un sable sec aura une densité apparente de 1,6 alors que ce même sable humide aura une densité de 1,9 à 2,0 (selon le taux d’humidité).
• De son taux de compactage : un sable tassé dans un sac ou un big bag a une densité apparente plus élevée qu’un sable non tassé. Par exemple un sable sec non compacté aura une densité apparente de 1,4 alors que ce même sable compacté dans un sac aura une densité apparente de 1,7.

Densité absolue : la densité absolue d’un granulat dépend de la nature de la roche et donc de la densité des minéraux qui le compose. Elle varie entre 1,5 (pour un calcaire très tendre) et 3,0 (pour une diorite très compacte).

– L’eau possède une densité est 1,0 (matériau de référence pour le calcul de la densité).
– Les adjuvants : densité de 0,9 à 1,3
– Les colorants (généralement élaborés à base d’oxyde de fer) :
Densité absolue allant de de 4 à 5.
Densité apparente de 0,3 à 1,2.

– Les fibres métalliques (en acier) : densité de 7,8

La densité du béton léger

Les bétons légers sont, par définition (cf. norme NF EN 206/CN), des bétons dont la masse volumique sèche à l’état durci ne dépasse pas 2000 kg/m3 (densité ≤ 2,0).
En pratique, la densité des bétons légers est comprise entre 0,2 et 1,8 alors que celle des bétons traditionnels se situe entre 2,2 et 2,4.
Le béton léger est obtenu en substituant tout ou une partie des granulats traditionnels par des granulats légers.

Il existe deux catégories de bétons légers :

• Les bétons légers structurels, auxquels on attribue une résistance mécanique. Ces bétons entrent dans le champ d’application de la norme NF EN 206/CN. Leur densité est égale ou supérieur à 0,8 et inférieure ou égale à 2,0. Ces bétons sont réalisés généralement à base de granulats d’argile expansé ou de schiste expansé. Ils présentent une densité faible cependant ils conservent les résistances d’un béton classique. Ils sont utilisés pour alléger le poids des structures (exemple : création de plancher dans un immeuble existant).
• Les bétons légers non structurels, qui sont hors du champ d’application de la norme NF EN 206/CN. Leur densité sèche à l’état durci varie entre 0,2 et 1,2. Ces produits sont généralement des mortiers, réalisés à base de billes de polystyrène expansé. Ils sont utilisables pour les applications non structurelles, où l’on recherche un produit léger, facile à mettre en œuvre et possédant des qualités d’isolation thermique et phonique : rénovation de plancher bois, ravoirage de sols, compensation de plancher, sous-couche de système de plancher chauffant…

La densité du béton lourd

Les bétons lourds sont par définition, des bétons dont la masse volumique sèche à l’état durci est supérieure à 2600 kg/m3 (densité > 2,6). Ils entrent dans le champ d’application de la norme NF EN 206/CN.
En pratique, la densité des bétons lourds est comprise entre 3,0 et 5,0.
Le béton lourd est obtenu en substituant tout ou une partie des granulats traditionnels par des granulats lourds.

Les granulats employés pour la fabrication du béton lourd peuvent être :

• Des granulats lourds que l’on trouve à l’état naturel : la barytine, la magnétite, l’hématite.
• Des déchets ferreux de l’industrie sidérurgique (coupures d’acier, riblons, grenaille de fonte).
  Les bétons lourds sont utilisés pour la stabilisation (radiers lourds, lests, contrepoids) et pour réaliser des écrans de protection contre les rayons ionisants (réacteurs de centrales nucléaires, salles de radiothérapie, accélérateurs de particules, etc). La densité du béton permettant de stopper les rayons gamma.