BÉTON

OPTION CONSTRUCTION – 3ÈME ANNÉE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC.

Préliminaire

Objectifs du cours

Ce cours a pour ambition de fournir au futur technicien une maîtrise intime du béton, matériau roi de la construction moderne. L’objectif est double : d’une part, comprendre le béton en tant que matériau, de ses composants élémentaires à ses propriétés mécaniques et à sa mise en œuvre ; d’autre part, s’initier aux principes fondamentaux du calcul du béton armé pour les sollicitations simples. La finalité est de former un professionnel capable de contrôler la qualité d’un béton sur chantier et de comprendre la logique de dimensionnement des éléments de base d’une structure. 🏛️

Approche Pédagogique

Privilégiant une approche qui allie la science des matériaux et l’initiation au calcul de structures, l’enseignement s’appuiera sur des supports polycopiés pour maximiser le temps consacré aux explications et aux exercices. Chaque concept théorique, de la courbe granulométrique au calcul d’un tirant en béton armé, sera illustré par des exemples concrets et des applications numériques. Un lien constant sera fait avec la réalité des chantiers en RDC, en abordant les spécificités des granulats locaux, les défis de la mise en œuvre sous le climat de l’Équateur, ou la nécessité d’un contrôle qualité rigoureux pour les grands projets de Lubumbashi.

Compétences Visées

Au terme de cette année, l’élève détiendra les compétences suivantes :

• Analyser : Décrire les caractéristiques de chaque composant du béton et expliquer leur influence sur les propriétés du matériau final.
• Formuler : Comprendre les principes de la composition d’un béton et interpréter les résultats des essais de contrôle sur le béton frais et durci.
• Appliquer : Maîtriser les règles de bonne pratique pour la fabrication, le transport, la mise en place et la cure du béton sur un chantier.
• Dimensionner : Calculer la section d’armatures nécessaire pour des éléments simples en béton armé soumis à la traction ou à la compression centrée.

Modalités d’Évaluation

L’évaluation portera de manière équilibrée sur la technologie du matériau et sur les bases du calcul. Elle comprendra des interrogations écrites sur la connaissance des composants et des propriétés du béton, des exercices de calcul de formulation, ainsi que des problèmes de dimensionnement d’éléments en béton armé. Un examen final de synthèse validera la capacité de l’élève à articuler ces deux facettes du cours pour résoudre un problème de construction simple et complet. 📝

Partie I : La Science du Béton – Du Composant au Matériau

Cette partie fondamentale se consacre à la dissection du béton en tant que matériau composite. Elle explore en détail chacun de ses constituants, explique comment les assembler pour obtenir les propriétés désirées, analyse son comportement une fois durci et détaille les règles de l’art pour sa fabrication et sa mise en œuvre sur le chantier.

Chapitre 1 : Les Constituants Fondamentaux du Béton

La qualité d’un béton dépend entièrement de la qualité de ses ingrédients. Ce chapitre analyse en profondeur chaque composant, dont le choix et les caractéristiques sont déterminants pour le résultat final.

1.1. Les Granulats : Le Squelette du Béton

Essentiels à la structure interne du matériau, les granulats (sables et graviers) sont étudiés sous l’angle de leur calibre, de leur forme et de leur propreté. La maîtrise de la courbe granulométrique est une compétence clé pour optimiser la compacité.

1.2. Le Ciment : Le Liant Hydraulique par Excellence

Le ciment est le composant actif du béton, celui qui assure la cohésion et la résistance. Son histoire, ses différentes classes de qualité et les essais de réception qui garantissent sa conformité sont ici présentés.

1.3. L’Eau de Gâchage : Plus qu’un Simple Mouillant

L’eau remplit une double fonction : hydrater le ciment pour déclencher sa prise et donner au béton frais sa maniabilité. La question de sa qualité et de son dosage optimal (le rapport E/C) est un point crucial.

1.4. Les Adjuvants : Les Modificateurs de Propriétés

Pour adapter le béton à des exigences spécifiques, des adjuvants peuvent être incorporés. L’étude des plastifiants, des entraîneurs d’air ou des accélérateurs de prise ouvre la voie à la formulation de bétons sur mesure.

Chapitre 2 : La Formulation et la Composition du Béton

La formulation d’un béton est l’art de doser ses composants pour atteindre un cahier des charges précis en termes de maniabilité, de résistance et de durabilité.

2.1. Les Caractéristiques du Béton Frais

Avant sa prise, le béton est un fluide dont le comportement est essentiel pour une bonne mise en œuvre. Les notions d’ouvrabilité, de fluidité et de consistance, mesurées notamment par le cône d’Abrams, sont ici définies.

2.2. Le Principe des Méthodes de Composition Scientifique

Pour garantir les performances du béton, des méthodes de formulation rigoureuses existent. Le principe de la méthode de Dreux-Gorisse, une référence en la matière, est présenté pour illustrer cette démarche scientifique.

2.3. Les Compositions Traditionnelles et les Classes de Béton

En pratique, des compositions traditionnelles sont souvent utilisées pour des applications courantes. Les différentes catégories de bétons (maigres, de masse, pour routes) sont décrites avec leurs dosages usuels.

2.4. Le Rendement et le Calcul des Quantités

Le calcul du rendement, c’est-à-dire le volume de béton produit à partir d’un volume donné de constituants, est une étape indispensable à la gestion des commandes et des stocks sur un chantier.

Chapitre 3 : Le Comportement du Béton Durci

Une fois sa prise et son durcissement achevés, le béton devient un solide artificiel aux propriétés remarquables. Ce chapitre analyse son comportement mécanique et ses déformations dans le temps.

3.1. La Résistance à la Compression : Essai et Évolution

La résistance à la compression est la caractéristique mécanique la plus importante du béton. L’essai d’écrasement sur éprouvettes et l’évolution de cette résistance dans le temps sont étudiés en détail.

3.2. La Résistance à la Traction et à la Flexion

La faible résistance du béton à la traction est son principal défaut, qui justifie l’invention du béton armé. Les méthodes d’évaluation de cette propriété sont présentées.

3.3. Le Retrait : Déformations et Risque de Fissuration

Le béton subit un retrait dimensionnel lors de son séchage, ce qui peut engendrer des contraintes internes et des fissurations. Comprendre et maîtriser ce phénomène est essentiel pour la durabilité.

3.4. Le Fluage : Déformations Différées sous Charge

Sous l’effet d’une charge permanente, le béton continue de se déformer au cours du temps. Ce phénomène, appelé fluage, doit être pris en compte dans le calcul des structures à long terme.

Chapitre 4 : La Fabrication et la Mise en Œuvre

La meilleure formulation du monde ne vaut rien si le béton est mal fabriqué ou mal mis en œuvre. Ce chapitre est consacré aux règles de l’art sur le chantier.

4.1. L’Approvisionnement et le Stockage des Constituants

La qualité du béton commence par la protection de ses ingrédients. Les bonnes pratiques de stockage des granulats (propreté, non-mélange) et du ciment (à l’abri de l’humidité) sont fondamentales.

4.2. La Fabrication du Béton

Qu’elle soit manuelle pour de petits volumes ou réalisée dans une bétonnière sur chantier ou en centrale, la fabrication du béton doit respecter un ordre d’introduction et un temps de malaxage précis pour garantir son homogénéité.

4.3. Le Transport et la Mise en Place

Le transport du béton frais doit être rapide pour éviter un début de prise. Sa mise en place dans les coffrages doit se faire de manière à éviter la ségrégation de ses composants, suivie d’une vibration efficace.

4.4. La Cure du Béton et les Reprises de Bétonnage

Après sa mise en place, le béton doit être protégé de la dessiccation rapide : c’est la cure, une étape souvent négligée mais cruciale. La gestion des joints de reprise de bétonnage est également un point technologique important.

Partie II : L’Art du Béton Armé – L’Alliance de l’Acier et du Béton

Cette partie introduit le matériau composite qui a révolutionné la construction. Elle explique le rôle des armatures, pose les bases théoriques du calcul et applique ces principes au dimensionnement des éléments soumis aux sollicitations les plus simples : la traction et la compression.

Chapitre 5 : Les Armatures pour Béton Armé

Ce chapitre se concentre sur le second acteur du duo : l’acier, qui vient pallier la faiblesse du béton en traction.

5.1. Le Rôle Fondamental et la Nature des Armatures

Le principe de l’association acier-béton est expliqué, en insistant sur la complémentarité mécanique et la compatibilité chimique des deux matériaux. Les différentes nuances d’aciers sont présentées.

5.2. Les Essais de Réception et les Caractéristiques Garanties

À l’instar du ciment, les aciers de construction doivent faire l’objet d’essais de réception pour vérifier leurs caractéristiques mécaniques garanties par le producteur (limite élastique, allongement à la rupture).

5.3. Le Façonnage et les Règles de Positionnement

Les barres d’armature doivent être coupées et cintrées selon les plans. Les règles concernant les rayons de cintrage, les longueurs d’ancrage et le respect de l’enrobage sont introduites.

5.4. L’Adhérence Acier-Béton

La transmission des efforts entre le béton et l’acier n’est possible que grâce à l’adhérence. Le rôle des nervures des aciers à haute adhérence dans l’amélioration de ce phénomène est souligné.

Chapitre 6 : Les Principes Fondamentaux du Calcul en Béton Armé

Le dimensionnement des ouvrages en béton armé repose sur une méthode de calcul semi-probabiliste, la méthode des états limites, dont les grands principes sont introduits dans ce chapitre.

6.1. Les Hypothèses du Calcul

Les hypothèses de base du calcul en béton armé sont énoncées, notamment celle de la conservation des sections planes (hypothèse de Navier-Bernoulli) et de l’adhérence parfaite entre l’acier et le béton.

6.2. Les Diagrammes Contrainte-Déformation de Calcul

Pour les calculs, les diagrammes réels des matériaux sont simplifiés en diagrammes de calcul réglementaires (parabole-rectangle pour le béton, bilinéaire pour l’acier).

6.3. La Notion d’États Limites (ELU et ELS)

La sécurité d’une structure est vérifiée vis-à-vis de deux types d’états limites : l’État Limite Ultime (ELU), qui concerne la ruine de l’ouvrage, et l’État Limite de Service (ELS), qui concerne son bon fonctionnement (fissuration, déformations).

6.4. Les Coefficients de Sécurité et les Actions Réglementaires

La méthode applique des coefficients de sécurité sur les matériaux (minoration des résistances) et sur les actions (majoration des charges) pour garantir la robustesse de la structure face aux aléas.

Chapitre 7 : Le Calcul des Éléments en Traction Simple

Le cas d’un élément soumis à une traction pure (un tirant) est le plus simple à analyser en béton armé, car seul l’acier est supposé travailler.

7.1. Le Dimensionnement de la Section d’Acier à l’ELU

À l’État Limite Ultime, le calcul de la section d’acier nécessaire se fait par une simple division de l’effort de traction de calcul par la limite élastique de calcul de l’acier.

7.2. La Vérification de l’État Limite de Fissuration (ELS)

Pour éviter une ouverture excessive des fissures, préjudiciable à la durabilité, une vérification à l’État Limite de Service est menée pour limiter la contrainte dans les aciers sous les charges de service.

7.3. Le Calcul des Déformations et de l’Allongement

Le calcul de l’allongement d’un tirant sous l’effet des charges permet de vérifier qu’il reste compatible avec les déformations admissibles de la structure globale.

7.4. Application au Dimensionnement d’un Tirant d’Arc

Un exemple concret, comme le calcul du tirant d’une structure en arc pour un hangar à l’aéroport de N’djili, permet de mettre en pratique l’ensemble de la démarche.

Chapitre 8 : Le Calcul des Éléments en Compression Simple

Ce chapitre aborde le dimensionnement des éléments soumis à une compression centrée, comme les poteaux courts, où le béton et l’acier travaillent en commun.

8.1. Le Dimensionnement des Poteaux Courts Centrés

À l’ELU, la résistance d’un poteau est la somme de la résistance du béton et de celle des aciers longitudinaux. La formule de calcul de la section d’acier minimale est établie.

8.2. L’Effet de l’Élancement et le Flambement

Lorsque le poteau devient élancé, le risque d’instabilité par flambement doit être pris en compte, ce qui conduit à majorer les efforts de calcul.

8.3. Le Rôle et le Calcul des Armatures Transversales

Les armatures transversales (cadres, étriers, frettes) sont indispensables : elles empêchent le flambement des aciers longitudinaux et confinent le béton, augmentant sa résistance et sa ductilité.

8.4. La Vérification des Pressions Localisées

Sous une charge concentrée (appui de poutre, appareil d’appui de pont), la pression de contact sur le béton doit être vérifiée pour éviter l’écrasement local du matériau.

Partie III : Applications et Bonnes Pratiques

Cette dernière partie élargit le champ de vision en présentant des bétons aux propriétés améliorées, en abordant la question cruciale de la durabilité et de la pathologie des ouvrages, et en insistant sur l’importance du contrôle qualité sur le chantier.

Chapitre 9 : Le Contrôle Qualité sur Chantier

La conformité de l’ouvrage final dépend d’un contrôle rigoureux à chaque étape de sa réalisation. Ce chapitre présente les essais et les procédures de contrôle sur le terrain.

9.1. Le Contrôle des Constituants à la Réception

Avant leur utilisation, les granulats, le ciment et les aciers doivent faire l’objet d’un contrôle de réception pour s’assurer de leur conformité aux spécifications.

9.2. L’Essai d’Affaissement au Cône d’Abrams

Essai incontournable sur chantier, le « slump test » permet de mesurer la consistance du béton frais et de vérifier qu’elle correspond à l’ouvrabilité attendue pour la mise en œuvre.

9.3. La Confection et l’Écrasement des Éprouvettes

Pour contrôler la résistance du béton mis en œuvre, des éprouvettes cylindriques ou cubiques sont confectionnées, conservées dans des conditions normalisées, puis écrasées en laboratoire à différents âges.

9.t. La Notion de Planche de Convenance

Pour les grands projets, comme la construction d’un barrage hydroélectrique dans le Bas-Congo, la réalisation d’une « planche de convenance » permet de valider la formulation du béton et les méthodes de mise en œuvre avant le démarrage effectif des travaux.

Chapitre 10 : La Durabilité et la Pathologie du Béton

Un ouvrage en béton doit être conçu pour durer. Ce chapitre aborde les mécanismes de dégradation du béton et les moyens de les prévenir.

10.1. Les Principaux Défauts du Béton Frais

Les erreurs de formulation ou de mise en œuvre peuvent conduire à des défauts comme la ségrégation (séparation des constituants) ou le ressuage (remontée d’eau en surface).

10.2. La Carbonatation et la Corrosion des Armatures

La carbonatation est un processus naturel qui détruit la protection chimique du béton vis-à-vis de l’acier. Une fois cette protection disparue, les armatures peuvent se corroder en présence d’humidité, provoquant le gonflement et l’éclatement du béton d’enrobage.

10.3. Les Attaques Chimiques Externes

Le béton peut être dégradé par des agents chimiques agressifs présents dans l’environnement, comme les sulfates dans certains sols ou les chlorures en milieu marin.

10.4. Les Principes de la Réparation des Ouvrages en Béton

Lorsqu’un ouvrage est dégradé, des techniques de réparation existent. Les principes de base (piquage du béton endommagé, traitement des aciers, reconstitution avec un mortier spécial) sont présentés.

Chapitre 11 : Synthèse et Vision d’Avenir

Ce chapitre final prend de la hauteur pour replacer le béton dans le contexte plus large de la construction en RDC et des enjeux futurs du matériau.

11.1. Le Béton comme Matériau Central de la Construction en RDC

Une synthèse est faite sur l’omniprésence du béton dans les projets de construction du pays, des infrastructures de transport aux logements, et sur les raisons de ce succès.

11.2. Les Enjeux du Développement de la Préfabrication

La préfabrication d’éléments en béton en usine offre des garanties de qualité et de rapidité d’exécution. Son potentiel de développement pour la construction de logements ou d’écoles est discuté.

11.3. L’Impact Environnemental du Ciment

La production de ciment est une source importante d’émissions de CO2. Les pistes d’avenir pour réduire cet impact, comme les ciments « verts » ou l’optimisation des dosages, sont évoquées.

11.4. Le Rôle du Technicien dans la Qualité des Ouvrages

Le cours se conclut en rappelant que, quelles que soient les évolutions technologiques, la qualité finale d’un ouvrage en béton repose avant tout sur la compétence et la conscience professionnelle du technicien qui en supervise la réalisation sur le terrain.

Annexes

Formulaire de Calcul en Béton Armé

Un recueil des formules de dimensionnement à l’ELU et à l’ELS pour la traction et la compression simple sera fourni, incluant les valeurs des coefficients de sécurité réglementaires. 📊

Guide de Formulation du Béton

Une fiche méthodologique guidera l’élève pas à pas dans l’application de la méthode de Dreux-Gorisse pour la formulation d’un béton courant.

Tableau des Pathologies du Béton

Un tableau synthétique présentera les principaux défauts et dégradations du béton, avec leurs causes probables, leurs conséquences et les moyens de prévention.

Lexique Illustré du Béton

Un glossaire visuel définira les termes techniques spécifiques au béton et au béton armé (granulométrie, fluage, armature, enrobage, etc.), pour une parfaite maîtrise du vocabulaire professionnel.