La résistance du béton : une propriété essentielle

La résistance du béton

La résistance du béton est une propriété (re)connue depuis longtemps. Si le béton est un élément important du développement de nos sociétés, c’est qu’il possède une résistance mécanique, en particulier à la compression, qui a permis aux architectes et concepteurs de concevoir des structures de plus en plus importantes et durable dans le temps.

Illustration de la résistance du béton

Prenons une voiture familiale. Elle pèse environ 1500 kg, soit 1,5 t. Prenons alors votre tasse à café. Elle mesure environ 8 cm de diamètre par 8 cm de hauteur. Et bien, si cette tasse était remplie de béton, elle pourrait supporter plus de 8 voitures les unes sur les autres sans se casser.

Pourquoi le béton est-il si résistant ?

A nos tabliers de cuisinier, voici la recette du béton.

Le béton est composé de 3 principaux éléments : du ciment, de l’eau et des granulats (sable et graviers), le tout agencé pour avoir le moins de vide ou de trous dans le mélange. Mélanger le tout vigoureusement pendant 1 minute. Et attendre. Après un moment, le béton est dur.

Tout est là. Le béton est un matériau qui tire sa résistance à la compression de la nature de ces composants, de leurs dosages relatifs et des conditions de mise en œuvre et de mûrissement.

En effet, la résistance, la force, ne provient pas que des granulats. Elle provient aussi du mélange de ciment et d’eau qui permet de coller les granulats entre eux.

Cette colle est le fruit d’une réaction chimique entre le ciment et l’eau et qui se déroule majoritairement pendant les 28 premiers jours de vie du béton. Au cours de cette période, au sein du béton, liquide au départ, se construit une structure qui se traduit par un durcissement apparent du béton. Après quelques heures, le béton est suffisamment dur pour pouvoir marcher dessus, mais sa résistance n’a pas fini de s’accroître. Elle est de moins de 1 MPa à ce moment-là, pour atteindre jusqu’à une valeur 30 fois plus importante après 28 jours.

Evolution de la résistance du béton en fonction du nombre de jours de séchage bétonEvolution de la résistance en compression du béton en fonction du nombre de jours de séchage du béton.

(*) valeurs indicatives, pour une formule de béton courante à base de ciment CEM II/A ou B, 32,5 ou 42,5 sans addition ou adjuvant modifiant la vitesse de durcissement, et pour une température moyenne de 20°C.

Comment augmenter la résistance du béton ?

Pour faire un bon plat, il faut de bons ingrédients et des doses adéquates :

  • Le premier levier, c’est évidemment de choisir un ciment de bonne qualité avec une classe de résistance élevée. Là encore, des normes encadrent la classification de la résistance du ciment. Le moins performant étant le 32,5 et le plus performant étant le 52,5.
  • Le second levier, c’est la quantité d’eau.
    La résistance béton est très fortement impactée par la quantité d’eau. L’eau en excès est l’ennemi de la résistance du béton. Plus on ajoute de l’eau et moins résistant sera le béton. Pourquoi ? C’est assez simple. La quantité d’eau ajoutée dans le béton est fonction de la quantité de ciment définie pour attendre une résistance. Si on ajoute de l’eau en surplus, cette eau en surplus en s’évaporant laisse des trous dans le béton, appelé porosité, et le fragilise. Un matériau rempli de trous est moins solide (sa masse volumique étant plus faible).
    On lie la résistance finale d’un béton en évaluant le rapport massique entre la quantité d’eau et la quantité de ciment, soit le rapport E/C. Plus ce ratio est bas et plus haute est la résistance. Pour un béton traditionnel, ce ratio est compris entre 0,45 et 0,65. Aller au-delà de 0,65 engendre des problèmes de mauvaise durabilité du béton.
  • Le troisième, c’est le type et la qualité des granulats (résistance, propreté, granularité, forme). Impossible de faire un bon béton avec de mauvais granulats.
  • Finalement, pour être capable de mettre ce béton en place, il faut qu’il soit suffisamment fluide. Cette ouvrabilité est obtenue en choisissant bien la taille des granulats, le volume de ciment et d’eau. Aujourd’hui, pour optimiser les bétons et leur ouvrabilité, des adjuvants plastifiants sont utilisés. Ils permettent d’avoir le même effet que l’ajout d’eau mais sans y avoir recours.

Les différentes classes de résistance du béton

Avec ces règles, les chercheurs ont développé des gammes de béton dont les résistances sont aujourd’hui très variables.

En France, ces gammes sont données dans la norme NF EN 206/CN selon plus de 16 classes dont la résistance, désignée par exemple C25/30 où la valeur 25 désigne la résistance en MPa d’un béton âgé de 28 jours mesurée sur une éprouvette cylindrique et 30 la même résistance mesurée sur éprouvette cubique.

Les classes de résistance varient conventionnellement entre C8/10 et C100/115. Chaque catégorie correspond à une application spécifique. En effet, construire une dalle en béton ne nécessite pas les mêmes propriétés mécaniques que la fabrication d’une tour de la Défense à Paris. Un C25/30 est la classe la plus courante. C’est ce type de béton qui est classiquement fabriqué par les centrales à béton et est utilisé dans la construction d’élément en béton armé (le C25/30 est utilisé comme resistance dalle beton au m2).

Pour plus d’informations, n’hésitez pas à consulter notre article sur « Les classes de résistance du béton ».

Comment choisir la résistance du béton pour mon ouvrage ?

Le type de béton est choisi en fonction des sollicitations mécaniques, la géométrie de l’élément et des conditions d’exposition (à l’intérieur, à l’extérieur ou soumis à des conditions de gel/dégel par exemple).

Rares sont les ouvrages ou éléments qui ne sont sollicités qu’en compression. En plus de la compression, l’élément peut être soumis à des sollicitations ou efforts complémentaires que l’on nomme traction ou flexion. Prenez un crayon à papier. Serrez le entre vos mains et tirez dessus. Il s’agit d’une sollicitation de traction. Avec le même crayon, tenez le entre vos mains et exercez une force sur le crayon grâce à vos pouces sur le même côté du crayon. Il s’agit ici d’un effort de flexion.

Pourquoi est-ce important de connaître comment est sollicité le béton ?

Pour reprendre l’exemple de la tasse à café et de la voiture : si la voiture n’est non pas posée sur la tasse mais attachée à la tasse à café et en suspension dans le vide, le béton est alors soumis à des contraintes de traction. Dans ce cas il ne peut même pas supporter une seule voiture.

En effet, une règle simple permet de calculer la résistance à la traction à partir de sa résistance à la compression : le béton est 10 fois moins résistant en traction qu’en compression.

Pour des conditions de sécurité des bâtiments, il est considéré globalement que la résistance à la traction est nulle pour le béton. C’est pour cette raison que l’on ajoute des armatures dans le béton. Ces armatures sont en acier, matériau qui a une résistance en traction importante de l’ordre de 250 MPa (85 voitures/tasse à café).

On retrouve ces armatures selon trois grandes familles : des barres d’armature dont le diamètre est supérieur à 8 mm, des treillis et des fibres d’acier. En fonction des éléments à construire et des efforts qui seront appliquées, les concepteurs vont choisir le type de béton et la bonne quantité d’acier à utiliser pour résister. Pour se faire, ils utilisent des règles de calcul appelées Eurocodes 2 (anciennement BAEL).