Résumé

Quand on sait que – du fait notamment de la transformation du calcaire en chaux – la production de ciment Portland est responsable de 7 % des émissions de gaz à effet de serre, on comprend pourquoi il importe désormais de trouver comment minimiser l’empreinte carbone des constructions en béton.

On verra comment on peut aujourd’hui réduire de manière significative l’impact environnemental de ces édifices et respecter les impératifs du développement durable sans pour autant – et bien au contraire – mettre en péril l’économie du projet de construction.

Il s’agit d’une mutation qui passera toutefois par un changement d’attitude des partenaires : le ciment Portland sera de plus en plus souvent remplacé par des liants binaires, ternaires ou même quaternaires contenant d’autres matériaux cimentaires ; un rapport eau/liant plus faible améliorera la résistance mécanique des bétons en même temps qu’il augmentera leur durée de vie et diminuera leur empreinte carbone. Enfin, l’usage renforcé du mûrissement interne (cure) favorisera l’hydratation des matériaux cimentaires, en particulier dans les bétons à haute performance.

On trouvera également dans ce livre une présentation des dernières avancées de la science du béton : comment sait-on maintenant améliorer et la rentabilité et la durée de vie de ce matériau en même temps qu’on réduit son impact environnemental.

Fruit d’une technologie simple mais aussi d’une science complexe, le béton entre ainsi dans une ère nouvelle.

1. Soutenabilité – 2. Terminologie et définitions – 3. Rapports eau/ciment et eau/liant – 4. Durabilité, soutenabilité et profitabilité – 5. Les liants modernes – 6. L’eau – 7. Les superplastifiants – 8. Les granulats naturels – 9. Les granulats recyclés – 10. L’air entraîné – 11. Les réactions d’hydratation – 12. Retrait – 13. Le mûrissement – 14. La spécification d’un béton durable et soutenable – 15. La spécification de performance – 16. L’évaluation statistique de la qualité du béton – 17. La production d’un béton soutenable ayant un minimum d’impact environnemental – Bibliographie – Index.

Biographie auteur

Professeur émérite au département de génie civil de l’université de Sherbrooke (Québec), Pierre-Claude Aïtcin est notamment connu comme l’auteur de Bétons haute performance (paru en français, anglais, espagnol, brésilien et tchèque) et de Binders for Durable and Sustainable Concrete récemment publié par Taylor & Francis.

Professeur émérite au département de génie civil de l’université de Colombie Britannique (Canada), Sidney Mindess est, entre autres livres, le co-auteur de Concrete (Prentice Hall) ainsi que d’Aggregates in Concrete and Fibre Reinforced Cementitious Composites (Spon Press).

L’édition française du présent ouvrage a bénéficié de la contribution de deux spécialistes français du béton, Jean-Louis Granju et Gilles Escadeillas, tous deux enseignants et chercheurs à l’université de Toulouse.

www.editions-eyrolles.com

Pierre-Claude Aïtcin & Sidney Mindess

Écostructures en béton

Comment diminuer l’empreinte carbone des structures en béton

Version française établie par P.-C. Aïtcin

avec le concours de

Jean-Louis Granju et Gilles Escadeillas

ÉDITIONS EYROLLES
61, bd Saint-Germain
75240 Paris Cedex 05
www.editions-eyrolles.com

Des mêmes auteurs :

Pierre-Claude Aïtcin, Bétons haute performance, Eyrolles, 2001 (épuisé)
Binders for Durable and Sustainable Concrete, Taylor & Francis, 2009
High Performance Concrete, Taylor & Francis, 2007

avec Sidney Mindess, Sustainability of Concrete, Taylor & Francis, 2011

Sidney Mindess, J. Francis Young et David Darwin, Concrete, 2e éd., Prentice Hall, 2002

avec Mark Gavin Alexander, Aggregates in Concrete, Taylor & Francis, 2005

avec Arnon Bentur, Fibre Reinforced Cementitious Composites, Taylor & Francis, 2006

Jean-Louis Granju, Béton armé : théories et applications selon l’Eurocode 2, Eyrolles, 2011
Introduction au béton armé, collection « Eurocodes », coédition
Eyrolles/Afnor, 2012

Gilles Escadeillas, « Les Ciments aux fillers calcaires : contribution à leur optimisation par l'étude des propriétés mécaniques et physiques des bétons fillérisés », thèse, 1988

Sauf mention contraire, les photographies sont des auteurs

Adaptation française de l’ouvrage publié en 2011 par Spon Press (Taylor & Francis) sous le titre Sustainability of Concrete

Mise en pages : GraphieProd/Jean-Louis Liennard
Schémas : Lionel Auvergne

En application de la loi du 11 mars 1957, il est interdit de reproduire intégralement ou partiellement le présent ouvrage, sur quelque support que ce soit, sans l’autorisation de l’Éditeur ou du Centre Français d’exploitation du...

Avant-propos

Encore un livre sur le béton comme s’il n’y en avait pas déjà assez.

Cependant, ce livre est particulier. Il ne propose pas de révolutionner la conception et la construction des ouvrages en béton ni ne se veut une encyclopédie sur le béton. Il est centré sur les points qui nécessiteront des changements significatifs si l’on veut construire des édifices plus durables, soutenables et économiques avec des ciments contenant de moins en moins de clinker de ciment Portland.

Des changements majeurs devront avoir lieu dans l’industrie du béton si l’on veut diminuer l’empreinte carbone du béton. Tout d’abord l’utilisation du ciment Portland pur ne sera plus la règle générale mais plutôt l’exception. Par conséquent, il sera nécessaire d’apprendre comment utiliser de façon appropriée les liants binaires, ternaires et même quaternaires qui contiennent un certain nombre d’autres matériaux cimentaires. Le deuxième changement concernera une plus grande utilisation de béton ayant un rapport eau-liant (E/L) plus faible, non seulement pour obtenir des résistances et des modules élastiques plus élevés mais aussi pour leur plus grande durabilité et leur plus faible empreinte carbone. On démontre au § 3.7 que l’utilisation d’un béton de faible rapport E/L, du fait de la plus grande résistance qu’il peut atteindre, permet une réduction significative de la section des éléments de structure, donc une réduction significative de la quantité nécessaire de béton et, par conséquence, de la consommation de granulats et de ciment, des coûts de transport, de la main-d’œuvre nécessaire pour placer le béton dans les coffrages et une économie sur les coffrages eux-mêmes. Un troisième changement concernera l’usage plus fréquent du mûrissement interne pour favoriser une meilleure hydratation des matériaux cimentaires contenus dans les ciments composés et pour réduire et même éliminer les effets d’un retrait endogène initial important dans les bétons à haute performance.

Un autre objectif de ce livre est de présenter quelques-unes des dernières avancées dans la science du béton. En fait, en utilisant les plus récentes découvertes technologiques, en observant, en analysant et en modélisant les propriétés des matériaux concernés, une nouvelle science du béton est née. Celle-ci nous permet de mieux comprendre ce matériau et de le rendre ainsi plus durable, plus soutenable et plus économique. Évidemment, le béton continue toujours d’obéir aux lois de la physique, de la chimie et de la thermodynamique sans oublier les lois du marché. Mais, maintenant, nous sommes arrivés à comprendre réellement comment. Chaque jour, il devient de plus en plus évident que le béton est non seulement le fruit d’une technologie simple mais aussi d’une science complexe.

Actuellement, grâce à ces nouvelles connaissances, il est plus facile de comprendre le comportement du béton depuis sa fabrication dans le malaxeur jusqu’à ses performances en service dans des structures en béton complexes exposées à différents types de charge et d’environnement. Ce n’est que le début d’une nouvelle ère pour le béton.

Tout au long de ce livre, nous mettrons l’accent sur la signification du rapport E/L (Eau-Liant) qui, pour nous, est de loin le paramètre le plus important du béton. Ce rapport gouverne la plupart des propriétés pratiques du béton, particulièrement sa résistance en compression, même s’il n’est pas toujours facile de transformer le rapport E/L en MPa. Bentz et Aïtcin (2008) ont récemment démontré que ce concept de base développé d’abord par Féret et plus tard par Abrams, il y a cent ans, est bien plus qu’un mystérieux nombre abstrait. En fait, c’est une façon indirecte d’exprimer la proximité des particules de liants dans la pâte de ciment quand le béton commence ses mutations qui le transformeront d’un mélange plus ou moins fluide en une roche artificielle. Plus le rapport E/L est faible, plus les particules de liants sont initialement rapprochées les unes des autres dans la pâte de ciment et plus résistant et durable sera le béton. Ce livre n’a pas pour but de présenter la formulation et les caractéristiques des bétons modernes tels que les bétons à hautes performances (BHP), les bétons autoplaçants (BAP), les bétons compactés au rouleau (BCR) ou les bétons à très hautes ou ultra hautes performance (BTHP ou BUHP) dont la voie a été ouverte par les bétons de poudre réactive (BPR). Nous avons préféré laisser traiter ces sujets par d’autres auteurs plus qualifiés.

Au contraire, ce livre présente une vision plus générale ; il a été conçu comme un complément aux excellents livres de référence qui traitent des principes de la fabrication, de la conception et de l’entretien des structures en béton quand l’empreinte carbone et la durabilité deviennent des priorités. Nous citerons simplement ces livres de références lorsque nécessaire de façon à éviter toute répétition.

Les défis et les limites de ce livre sont ceux énoncés par Adam Neville (2006) : une meilleure compréhension des pratiques du béton dans le but d’obtenir un meilleur béton pratique.

Pierre-Claude AÏTCIN et Sidney MINDESS

Sherbrooke et Vancouver, 2012

CHAPITRE 1

Soutenabilité

1.1     Introduction

Nous vivons dans un monde ayant des ressources naturelles et énergétiques limitées et malheureusement, à l’heure actuelle, nous utilisons ces ressources à un rythme qui ne pourra pas être soutenu indéfiniment. En outre, l’énergie dépensée dans l’exploitation de ces ressources et la façon dont nous la consommons engendrent beaucoup de pollution et une dégradation de l’environnement. En particulier, ce que l’on appelle les émissions de gaz à effet de serre résultant de cette utilisation des ressources (essentiellement du gaz carbonique, du méthane et des oxydes d’azote) contribue de façon significative au changement global du climat. Ainsi, si nous voulons maintenir notre niveau de vie actuel et permettre aux pays en voie de développement d’atteindre ce même niveau de vie, nous devons porter beaucoup plus d’attention à la façon dont nous gérons notre environnement. Ceci conduit inévitablement au concept de développement durable plus communément défini comme : « Un développement qui satisfait les besoins présents sans compromettre ceux des générations futures » (Brundtland, 1987).

Cette définition sous-entend la nécessité de prendre une approche holistique de la soutenabilité, en considérant non seulement les conséquences environnementales mais aussi sociétales et économiques de notre comportement, comme on peut le voir schématiquement dans la Figure 1.1.

Il convient donc de reconsidérer l’utilisation du ciment Portland et du béton à la lumière de ce concept de développement durable. Comme on le verra plus en détail dans le reste de ce livre, les industries du ciment et du béton ont un effet non négligeable sur l’environnement : elles utilisent de très grandes quantités de matériaux bruts extraits dans des carrières, leur production requiert une grande quantité d’énergie de telle sorte que la fabrication du ciment Portland émet de grandes quantités de CO₂.

Figure 1.1 Approche holistique de la soutenabilité (adaptée de Concrete Center 2007).

Le béton est l’un des matériaux de construction le plus utilisé dans le monde en raison de son faible coût, de la disponibilité quasi universelle de ses constituants, de son adaptabilité et de sa durabilité (Tableau 1.1). Il constitue la base de nos sociétés modernes ; il suffit de penser aux structures en béton dans lesquels nous vivons et travaillons, aux routes et aux ponts en béton que nous utilisons, aux barrages d’irrigation et hydroélectriques en béton qui retiennent de...

CHAPITRE 2

Terminologie et définitions

2.1     Introduction

Ceux qui ont déjà lu High performance Concrete (Aïtcin, 1998) vont penser que c’est une manie de commencer le présent livre par un chapitre consacré à la terminologie et aux définitions. En 1998, Aïtcin écrivait :

« Les discussions sur la terminologie sont toujours très délicates et peuvent même être sans fin mais il faut admettre que bien souvent, dans un livre technique, la qualité de l’information est réduite par un manque de consensus sur la signification exacte des termes utilisés. L’auteur ne prétend pas que la terminologie utilisée est forcément la meilleure ; il désire seulement établir de façon claire la signification exacte des termes employés. Le lecteur est libre de ne pas être d’accord avec la pertinence et la validité de la terminologie proposée mais en l’acceptant momentanément, il comprendra mieux les concepts et les valeurs exprimés dans ce livre. L’acceptation de ces définitions est essentielle pour tirer le maximum de la lecture de ce livre. Tel que mentionné par A.M. Neville, le choix d’un terme plutôt qu’un autre correspond à un choix purement personnel et n’implique pas une plus grande précision de la définition (Neville, 1996). »

Pratiquement quinze ans plus tard, en 2012, nous demeurons...

CHAPITRE 3

Les rapports eau-ciment et eau-liant

3.1     Introduction

Ce chapitre est l’un des plus courts de ce livre mais, selon nous, c’est le plus important. Lorsqu’on prend en compte la soutenabilité comme facteur clé de la conception, la caractéristique la plus importante du béton n’est plus sa résistance en compression à 28 jours mais plutôt son rapport E/C ou E/L. En effet, tout au long de ce livre, on montrera que ce nombre détermine les conditions d’hydratation dont dépendent les propriétés du béton frais et durci.

Il y a près d’un siècle, Féret (1892), puis Abrams (1918), établirent que, toutes choses étant égales par ailleurs, la résistance en compression fc d’une pâte (Féret) ou d’un béton (Abrams) est fonction du rapport E/C (Aïtcin et Neville, 2003). Par la suite, on a reconnu l’importance du rapport eau-liant sur beaucoup d’autres propriétés du béton durci, particulièrement quand il s’agissait de la durabilité. Malheureusement, la valeur du rapport E/C n’a jamais reçu autant d’attention que la valeur fc qui, pour les ingénieurs de structure, demeure le facteur clé de la conception de structures en béton.

Dans la plupart des codes de construction, on considère le rapport E/C lorsque le béton doit faire face à des conditions environnementales rigoureuses spécifiques mais, à notre avis, les valeurs critiques trouvées dans les codes étaient (et sont encore) insuffisamment strictes parce que, en l’absence d’agents dispersants efficaces (réducteurs d’eau, superplastifiants), il était impossible d’abaisser le rapport E/C en-dessous de 0,45 lors de la fabrication d’un béton de 100 mm d’affaissement. Cette limitation technique et le laxisme régnant dans l’industrie de la construction ont eu de sérieuses conséquences sur la durabilité des bétons exposés à des environnements sévères. C’est maintenant que nous en supportons les conséquences, chaque fois qu’il est nécessaire de démolir une structure en béton après un cycle aussi court que...

CHAPITRE 4

Durabilité, soutenabilité et profitabilité

4.1     Introduction

Une croyance largement répandue voudrait que l’industrie du ciment n’évolue que très lentement. De fait, elle est passée du niveau d’une industrie modeste produisant annuellement seulement 10 millions de tonnes de ciment Portland au début du xxe siècle, à une industrie globale de 2,5 milliards de tonnes de production annuelle à la fin de ce siècle. Historiquement, la consommation de ciment a commencé à croître de façon significative après la fin de la seconde guerre mondiale (Aïtcin, 2007).

D’un point de vue théorique, la fabrication du clinker de ciment Portland a toujours été très simple. Il suffit de chauffer un mélange bien proportionné de calcaire (environ 80 %), d’argile (presque 20 %) et d’oxyde de fer à 1 450 °C et, par la suite, de broyer finement le clinker obtenu en y additionnant 5 % de gypse. Par contre, il n’est pas si simple de produire économiquement des millions de tonnes de ciment dans une usine dont la construction peut coûter de 200 à 300 millions d’euros pour une usine qui ne peut produire rien d’autre que du ciment Portland (Dumez et Jeunemaître, 2000). Les deux chocs pétroliers qui ont augmenté de façon astronomique le coût des combustibles, représentant 30 % du coût de production du clinker de ciment Portland, ont conduit les cimentiers à modifier complètement leurs procédés de fabrication. En l’espace de 15 à 25 ans, le procédé humide a pratiquement disparu. La décarbonatation se fait maintenant dans des tours à l’extérieur du four de façon à minimiser la perte de chaleur durant le procédé. La longueur des fours a diminué considérablement, leur diamètre a beaucoup augmenté ainsi que leur production. Dans les années 1970, un four moderne ne pouvait produire que 2 000 tonnes de clinker par jour contrairement à 10 000 tonnes par jour à l’heure actuelle.

Les pressions des écologistes et des gouvernements ont entraîné la réduction des émissions solides et des émissions de SO₃ et NOx dans les cimenteries. Techniquement, cette réduction n’a pas été compliquée ni onéreuse. Cependant, quelques cimenteries ont fait face à un nouveau problème : que faire avec les très grandes quantités de poussières de four qui ne pouvaient plus être introduites dans le ciment comme filler calcaire ? Ces poussières de four ne pouvaient non plus être entreposées dans des carrières en raison de la possible contamination des eaux de surface et de la nappe phréatique. La Figure 4.1 représente schématiquement les préoccupations essentielles de l’industrie cimentière jusqu’à tout récemment. Dans le passé, l’industrie cimentière connaissait une situation confortable s’accommodant facilement de lents changements face à des contraintes peu sévères et à une augmentation des profits.

Figure 4.1 Représentation schématique de l’équation de l’industrie cimentière au cours du XXe siècle.

Actuellement, l’industrie cimentière doit faire un nouvel effort d’amélioration du procédé alors que la soutenabilité est devenue le leitmotiv du développement de nos sociétés (Figure 4.2). Mais, cette fois-ci, une action limitée aux cimenteries par une nouvelle réduction des émissions de CO₂ lors de la production du clinker de ciment Portland ne suffit plus. Il devient en plus indispensable d’améliorer la durabilité et la soutenabilité des structures en béton de façon à préserver nos ressources naturelles. L’effort doit donc être fourni conjointement par l’industrie du ciment et celle du béton, deux industries qui, de façon surprenante, n’ont pas beaucoup collaboré par le passé. Dans ce chapitre, nous verrons qu’il n’est ni trop difficile ni trop coûteux de faire face à ces nouveaux défis. Il suffira de mettre en pratique des technologies déjà bien connues. Le véritable défi sera de changer de vieilles habitudes de ces industries.

Figure 4.2 Le triangle des Bermudes du XXIe siècle.

4.2     Durabilité : le leitmotiv de l’industrie de la construction au XXIe siècle

Nous ne pouvons pas continuer à reconstruire tous les 30 ans toutes...

CHAPITRE 5

Les liants modernes

5.1     Introduction

Avec l’eau, le liant est un des deux plus importants composants du béton. À travers le rapport E/L, il influence toutes les propriétés mécaniques du béton frais et du béton durci ainsi que sa durabilité. Étant donné qu’il faut améliorer la soutenabilité du béton, il n’est plus possible de continuer à produire du béton comme on le faisait durant le xxe siècle lorsque seul le profit à court terme était le principal souci. Il est essentiel de mettre en pratique toutes les connaissances disponibles pour minimiser le gaspillage des matériaux et les émissions de gaz à effet de serre, essentiellement le CO₂ associé à la production et à l’utilisation du béton.

En 1900, la production mondiale de ciment était d’environ un million de tonnes. À cette époque, la production de chaque tonne de ciment était accompagnée de l’émission de très nombreuses tonnes de CO₂ à cause de la faible efficacité du processus de production. Malgré cela, globalement, les industries du ciment et du béton n’émettaient finalement que de faibles quantités de CO₂ en raison de la quantité relativement faible de ciment Portland produit. Actuellement, grâce aux progrès technologiques accomplis dans le domaine de la production du clinker de ciment Portland, cette production génère approximativement une tonne de CO₂ (0,80 tonne dans les usines les plus modernes et les plus efficaces) pour chaque tonne de ciment produite. Cependant, comme on peut le voir dans la Figure 5.1 et le Tableau 5.1, la consommation mondiale de ciment continue de progresser sans cesse et est maintenant supérieure à 2,5 milliards de tonnes, ce qui entraîne l’émission de plus de 2,5 milliards de tonnes de CO₂ (Aïtcin, 2008).

Figure 5.1 Augmentation de la production mondiale de ciment Portland durant le XXe siècle.

Tableau 5.1 Augmentation de la production mondiale de ciment Portland durant le XXe siècle.

Année | Millions de tonnes | Source
1900 | 10 | Estimation
1906 | 13 | Candlot (1906)
1913 | 39 | Davis (1924)
1924 | 54 | Davis (1924)
1938 | 86 | Bogue (1952)
1948 | 102 | Gourdin (1984)
1955 | 215 | ATILH
1965 | 430 | ATILH
1973 | 717 | Gourdin (1984)
1980 | 850 | Gourdin (1984)
1990 | 1 140 | CEMBUREAU
1995 | 1 440 | CEMBUREAU
1998 | 1 520 | CEMBUREAU

Actuellement, l’émission de CO₂ de l’industrie du ciment représente de 6 à 8 % des émissions mondiales de CO₂. Ce n’est pas une grande quantité comparée à celle dégagée par les industries de l’énergie et du transport mais c’est quand même beaucoup pour une seule industrie.

Dans les pays industrialisés, comme on le verra tout au long de ce livre, il est possible de diminuer de façon significative le gaspillage des matériaux et la production de CO₂ liée à la production de liants modernes et du béton. Plusieurs solutions techniques sont déjà disponibles et, dans certains cas, en sont rendues au stage de l’application industrielle. Il ne devrait pas être difficile de diminuer ces émissions de CO₂ dans les pays industrialisés, puisque la consommation de béton y stagne et même décroît légèrement comme on peut le voir dans le Tableau 5.2. Au contraire, ce n’est pas le cas des pays en voie de développement où, pour satisfaire leurs besoins socio-économiques, la production de béton a, comme en Chine, déjà augmenté considérablement ou, comme en Inde, amorcé son augmentation. Le développement de ces pays est accompagné d’une urbanisation massive et d’un développement urbain considérable qui implique une grande consommation de béton. En règle générale, comme on peut le voir sur la Figure 5.2, la consommation de ciment augmente avec le produit intérieur brut par tête jusqu’à ce qu’il atteigne environ 10 000 $ US (7 500 €) ; par la suite, la consommation individuelle de ciment commence à diminuer pour se stabiliser aux alentours de 300 kilogrammes de ciment par individu et par an dans la plupart des pays industrialisés (Scheubel et Nachtwey, 1997). Il est par conséquent impératif d’encourager les pays en voie de développement à ne pas répéter les erreurs passés des pays industrialisés, à les aider à produire plus de béton avec moins d’émissions de CO₂ (Malhotra, 2006) et moins de perte de matériaux. Si les technologies déjà disponibles pour diminuer les émissions de CO₂ étaient appliquées dans les pays en voie de développement pour la production du béton, il serait possible de doubler la quantité de béton produite sans émettre une tonne supplémentaire de CO₂. Le défi actuel des industries du ciment et du béton est de trouver une façon rapide de mettre en œuvre ces technologies dans les pays en voie de développement.

Tableau 5.2 Consommation de ciment, en kg par habitant (Source : CEMBUREAU).

Figure 5.2 Corrélation entre la consommation de ciment par habitant et le produit intérieur brut (PIB) par habitant en 1997 (Scheubel et Nachtwey, 1997).

Pour l’industrie du ciment, ce n’est pas une tâche difficile. Ce changement est en cours du fait de la globalisation du marché du ciment et de la consolidation de l’industrie du ciment. Dans les pays en voie de développement, la production du ciment passe de plus en plus sous le contrôle de sociétés de ciment multinationales qui y construisent des usines modernes pour satisfaire ces marchés émergents. En conséquence, les cimenteries les plus modernes et les plus efficaces se retrouvent actuellement dans les pays en voie de développement et les plus vieilles et les moins efficaces dans les pays industrialisés ! La présence de trois grands groupes cimentiers (Cemex, Holcim et Lafarge cités par ordre alphabétique) dans plus de 100 pays aidera certainement l’industrie du ciment à améliorer sa performance en termes d’émission de CO₂ par tonne de clinker de ciment Portland ou de liant produit.

Du côté du béton, la situation n’est pas aussi encourageante. Cela prendra beaucoup plus de temps pour atteindre ces objectifs car, à l’échelle mondiale, l’industrie du béton est très fragmentée. Elle opère localement et possède un très faible niveau technique. Il y a bien quelques sociétés de béton globales qui sont maintenant dans les mains des grands groupes cimentiers. Nous espérons que cette implication des grands groupes cimentiers favorisera le développement d’une nouvelle industrie du béton.

De façon à mieux saisir les transformations qui se produisent maintenant dans les industries du ciment et du béton, il est utile de commencer par un bref rappel historique.

5.2     Production des ciments Portland et des liants

Dans cette analyse, nous nous limiterons à la production de ciment Portland et de liants en Amérique du Nord et en Europe, deux régions que nous connaissons bien et pour lesquelles il nous est possible de donner des statistiques précises.

En Amérique du Nord, le ciment Portland a eu peu de concurrent durant le xxe siècle et c’étaient alors essentiellement des compagnies de ciment européennes qui contrôlaient la majeure partie de la production de ciment Portland aux États-Unis et au Canada. Au contraire, en Europe, l’utilisation de ciments composés s’est développée beaucoup plus tôt et est actuellement rentrée dans les mœurs. Par exemple, l’usage des ciments au laitier fut normalisé dès 1903 en Allemagne. La production de ciments composés augmenta de façon drastique après la seconde guerre mondiale pour faire face aux énormes besoins de reconstruction. Il fut plus rapide, plus facile et plus économique d’augmenter la production de liants en favorisant le mélange du clinker de ciment Portland avec différents ajouts cimentaires (essentiellement des cendres volantes, du laitier et des pouzzolanes naturelles) plutôt qu’en investissant dans la construction de nouvelles cimenteries. La motivation, essentiellement économique, n’avait rien à voir avec la soutenabilité.

5.2.1    Amérique du Nord

En 2000, la situation de marché du ciment était très simple : l’industrie produisait et les ingénieurs spécifiaient essentiellement un ciment Portland connu sous le nom de ciment Portland de Type I/II, bien qu’en réalité cinq différents types de ciment Portland étaient normalisés depuis longtemps (Tennis, 1999). Au Canada, la situation était semblable bien que depuis 1980 les cimentiers avaient le droit d’incorporer 5 % de filler calcaire dans le ciment Portland « pur ». C’était là la seule différence entre le ciment canadien de type 10 et sa contrepartie américaine de type I. Le clinker utilisé dans les deux ciments était le même. Le Canada se différenciait aussi des USA par l’introduction, au début des années 1980, d’un ciment composé à la fumée de silice contenant 7 à 8 % de fumée de silice. En raison de son faible taux de production, ce ciment très efficace fut utilisé exclusivement dans l’Est du Canada. Il a servi à la construction de très grandes structures en béton telles que la plate-forme pétrolière Hibernia et le Pont de la Confédération entre le Nouveau-Brunswick et l’Île du Prince-Édouard.

Vers 1940, 5 types de ciment Portland furent normalisés aux USA :

•  Type I : ciment Portland ordinaire ;

•  Type II : ciment Portland avec une chaleur d’hydratation modérée et une résistance modérée aux sulfates ;

•  Type III : ciment avec une haute résistance initiale ;

•  Type IV : ciment avec une faible chaleur d’hydratation ;

•  Type V : ciment Portland résistant aux sulfates.

Cela ne signifie pas que tous ces ciments étaient disponibles sur le marché. Par exemple, pendant de très nombreuses années, le ciment de Type IV n’a pas été produit.

En 1998, aux USA, il ne se fabriquait qu’un seul type de ciment Portland désigné Type I/II : un ciment qui satisfaisait les exigences de la norme ASTM C 9 pour les deux types de ciment dont les spécifications étaient communes. Comme on peut le voir dans le Tableau 5.3, il représentait 90 % de la production totale de ciment. Les 10 % restant étaient partagés entre le ciment de Type III, le ciment de Type V et le ciment à maçonner. Le ciment de Type III était surtout utilisé dans les usines de préfabrication et dans les centrales à béton, en hiver, dans le Nord-Est des USA et au Canada. Le ciment de Type V était employé dans les régions susceptibles de présenter des attaques de sulfates comme en Californie. Les ciments à maçonner étaient et sont toujours composés d’un mélange très finement broyé de 50 % de clinker de ciment Portland de Type I/II et de 50 % de filler calcaire auquel on ajoute différents adjuvants tels qu’un agent entraîneur d’air et un modificateur de viscosité. Cependant, on peut noter aujourd’hui un retour vers un mélange de 50 % de clinker de ciment Portland et 50 % de chaux...

CHAPITRE 6

L’eau

6.1     Introduction

L’eau est aussi importante que le liant dans un béton, elle influence à la fois les propriétés du béton frais et du béton durci. Comme nous l’avons déjà vu au Chapitre 3, c’est le rapport E/L entre la masse de l’eau de gâchage et celle du liant qui détermine, avec l’aide des adjuvants, les propriétés essentielles du béton frais et du béton durci. L’intérêt de la notion du rapport E/L est d’abord qu’elle place au même niveau les deux composantes essentielles du béton quant à leur importance et qu’elle met l’accent sur le fait que leur action est liée l’une à l’autre.

À l’aide d’un compteur, il est très facile d’introduire de l’eau dans un malaxeur mais il est plus difficile d’évaluer précisément toutes les formes cachées de l’eau contenue dans les divers composants du béton. Dans le Chapitre 7, nous verrons comment calculer la quantité d’eau amenée dans le malaxeur par l’introduction d’un adjuvant, tel un superplastifiant, et, dans le Chapitre 8, les différentes formes d’eau contenue dans les granulats.

Quand on malaxe du béton, la véritable difficulté vient du fait qu’il faut prendre en compte la vraie quantité d’eau se trouvant dans les granulats, particulièrement dans le sable, par essence éminemment variable. Lorsqu’on introduit 800 kg de sable mouillé dans un béton, une variation de 2 % de sa teneur en eau totale correspond à une variation de 16 litres d’« eau cachée », ce qui représente environ 10 % de la quantité d’eau effective de malaxage et une variation de 10 % du rapport E/L. Une telle variation du rapport E/L ne manquera pas d’influencer significativement la résistance, la durabilité et la soutenabilité du béton.

C’est pourquoi, quand on malaxe du béton, il est essentiel de connaître précisément la quantité d’eau contenue dans le granulat fin. C’est la seule difficulté car la mesure des autres quantités...

CHAPITRE 7

Les superplastifiants

7.1     Introduction

Nous n’avons pas jugé nécessaire dans cet ouvrage de consacrer un chapitre à l’utilisation des adjuvants en général. L’interaction entre le ciment Portland et la plupart des adjuvants a été suffisamment bien traitée que ce soit d’un point de vue théorique ou d’un point de vue pratique dans divers livres spécialisés tels que ceux de Dodson (1990), Rixom et Mailvaganam (1999) et bien d’autres. Les adjuvants tels que les entraîneurs d’air, les réducteurs d’eau, les accélérateurs et les retardateurs vont, pour les bétons ordinaires, continuer à être employés comme ils l’ont été pendant de très nombreuses années sans changement majeur (voir norme européenne EN 934-2 par exemple). Ce n’est pas le cas des superplastifiants auxquels ce chapitre est consacré exclusivement.

En effet :

•  ce sont des composants essentiels des bétons durables et soutenables ;

•  leur comportement dans les ciments composés n’a pas été étudié en profondeur (Saric-Coric, 2001 ; Roberts et Taylor, 2007 ; Bédard, 2005) ;

•  enfin, la nouvelle famille de superplastifiants à base de polycarboxylates est toujours en développement en 2012.

L’utilisation de superplastifiants n’est pas nouvelle. Elle a progressé depuis les années 1970, mais pas assez à notre opinion. Dans l’introduction de ce livre, nous avons montré que des bétons ayant un très faible rapport E/L sont plus soutenables que les bétons courants de 25 et 30 MPa. L’utilisation de tels bétons pour construire des structures entraîne des économies très importantes de matériaux et réduit significativement les émissions de gaz à effet de serre associées à l’usage du béton. Par contre, un béton de faible rapport E/L ne peut être fabriqué sans un superplastifiant.

D’un point de vue pratique, l’emploi de susperplastifiants a été de beaucoup retardé par les problèmes d’incompatibilité et de robustesse de beaucoup trop de combinaisons ciment/superplastifiant, facteurs clés de leur succès dans les bétons à haute performance. L’expérience démontre que ce ne sont pas tous les ciments qui sont compatibles avec tous les superplastifiants trouvés sur le marché et que tous les superplastifiants ne sont pas nécessairement compatibles avec un ciment particulier. Dans le Chapitre 5, nous avons présenté au moins une raison, à tout le moins partielle, expliquant cette situation. Les problèmes de compatibilité et de robustesse sont dus au fait qu’à l’heure actuelle, quand ils optimisent les caractéristiques du clinker de ciment Portland ou des ciments composés, trop de producteurs de ciment sont obsédés par la résistance des cubes plutôt que par la rhéologie de la pâte de ciment normalisée. Quand le rapport E/L décroît, l’optimisation de la rhéologie du ciment exige des caractéristiques de plus en plus en contradiction avec celles de l’optimisation de la résistance. C’est là la principale source des problèmes de chantier rencontrés lors de l’emploi de superplastifiants.

Les superplastifiants sont d’abord des produits chimiques dispersant les particules de ciment. Dans la suite, ils seront souvent désignés « dispersants » dans le but d’insister sur leur action physique sur les particules de ciment plutôt que sur leur effet sur la rhéologie du béton.

Pendant de nombreuses années, les premiers superplastifiants disponibles sur le marché étaient essentiellement des polysulfonates : des lignosulfonates purifiés (LS), des polynaphtalènes sulfonates (PNS) et des polymélamines sulfonates (PMS) qui tous fonctionnaient essentiellement par répulsion électrostatique. L’interaction de ces polysulfonates avec le ciment Portland a été étudiée en profondeur, de telle sorte qu’à l’heure actuelle il est possible de prévoir, avec un bon degré de confiance, la compatibilité et la robustesse d’une combinaison de ciment/polysulfonate. Récemment, une nouvelle famille de superplastifiants est apparue sur le marché sous le nom de polycarboxylate ou de polyacrylate. La dispersion des particules de ciment par les polycarboxylates ne résulte plus de forces de répulsion électrostatique mais plutôt de forces de répulsion stérique de telle sorte que les connaissances acquises sur les polysulfonates ne sont plus applicables quand on utilise des polycarboxylates. Cette nouvelle famille de superplastifiants est encore en développement et la configuration moléculaire optimale de ces polymères n’a pas encore été fixée définitivement. Elle continue de s’améliorer sans cesse.

D’un point de vue pratique, les superplastifiants peuvent être employés pour augmenter l’affaissement d’un béton de rapport E/L donné (repère « 1 » dans la Figure 7.1), pour diminuer le rapport E/L pour un affaissement donné (repère « 2 ») ou pour augmenter l’affaissement et décroître le rapport E/L en même temps (repère « 3 »).

Figure 7.1 Les différentes utilisations d’un dispersant.

7.2     Définition

7.2.1    Compatibilité

Une combinaison ciment/superplastifiant est dite « compatible » quand elle permet l’obtention d’une bonne maniabilité initiale qui, ensuite, se conserve avec peu de perte jusqu’à la fin de la mise en place du béton, soit durant au moins 1 h 30.

Dans le cas...