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ciment

Au sens large, le ciment est une matière pulvérulente formant avec l’eau une pâte liante capable d’agglomérer en durcissant des substances variées (Larousse 2002). Dans le présent contexte, le terme de ciment désigne par défaut un liant hydraulique, i.e. qui fait prise au contact de l’eau par hydratation, dont la composition est régie par la norme EN 197.1. Il existe des ciments spéciaux qui possèdent des propriétés spécifiques de prise ou de résistance : ciment alumineux fondu, ciment prompt naturel…régis par des normes spécifiques. Le ciment est gris le plus souvent mais il existe des ciments blancs composés à partir de matières premières sans oxyde de fer.


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chaux

Notée Ca(OH)2, c’est la combinaison de la chaux vive CaO avec l’eau. Dans le langage des chimistes, le terme de portlandite est préféré. La portlandite est un liant qui fait prise, non pas dans l’eau, mais au contact de l’atmosphère, par carbonatation, c’est à dire en réagissant avec le dioxyde de carbone. On parle alors de chaux aérienne. La chaux aérienne est très utilisée en rénovation de monuments historiques ou de bâtiments anciens. L’industrie cimentière propose aussi des chaux hydrauliques, qui sont des mélanges de portlandite et de silicates de calcium. Les chaux hydrauliques s’apparentent plutôt à des ciments de très faible résistance.


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MPa

C’est l’unité de contrainte pour la résistance des solides. 1 MPa équivaut à une force de 1 MN appliquée sur 1 m2, soit 100 tonnes sur 1 m2. (en mécanique des structures on a l’habitude de prendre g=10 m/s2)



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durabilité

Capacité pour une structure à maintenir des fonctionnalités pendant sa durée de vie prévue. La norme EN 1990, ou eurocode 0, propose des durées d’utilisation de projet, c’est à dire des durées probables de vie des constructions, en fonction de leur nature. Ainsi, il est proposé qu’un pont ait une durée d’utilisation de 100 ans et un bâtiment de 50 ans. Ces valeurs sont données à titre d’exemples et peuvent être naturellement modifiées par le maître d’ouvrage, lequel peut décider des durées d’utilisation différentes. Enfin les valeurs proposées intègrent implicitement le fait que les constructions soient entretenues et puissent être réparées pendant leur durée d’utilisation.


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BHP

Les BHP sont des bétons de résistance caractéristique en compression supérieure ou égal à 50 MPa, ou de rapport e/c inférieur ou égal à 0,4. Leur résistance élevée à long terme et leur faible fluage les prédestinent aux structures précontraintes. Les BHP sont réalisés avec des constituants courants. Ils nécessitent néanmoins un ciment de bonne résistance (de préférence de classe 52,5), des granulats de résistance assez élevée (un des buts de l’étude de formulation est de choisir des granulats convenables), et l’usage d’un superplastifiant. Dans la catégorie supérieure de résistance (90 MPa en compression), il est souvent nécessaire de recourir à des fumées de silice. Un atout important des BHP est qu’il permettent d’obtenir des structures très durables. Cela est dû aux qualité de la microstructure (faible perméabilité, faible porosité, fluage faible, etc. ).


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béton blanc


Un béton blanc s’obtient par l’usage d’un ciment blanc et de granulats clairs. Un tel ciment est fabriqué à partir d’argiles sans oxyde de fer. Une autre possibilité pour l’obtention d’un béton blanc est l’utilisation d’un ciment de type CEM III, c’est à dire à base de laitier de haut fourneau. Les bétons de ciment CEM III ont des peraments qui deviennent progressivement très clairs, d’une teinte très proche de celle des bétons de ciment blanc.


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bétons légers

Les bétons légers ont une masse volumique ρ comprise entre 800 et 2 000 kg/m3 ; ils ont un caractère caverneux (bétons cellulaires) ou bien utilisent des granulats légers (argile expansée, vermiculite, polystyrène, particules de bois…). Dans le bâtiment ils sont utilisés pour alléger des structures, pour des chapes légères en rénovation, et l’isolation thermique et phonique.


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eau

L’eau a un double rôle d’hydratation de la poudre de ciment et de facilitation de la mise en œuvre (ouvrabilité). Son dosage est très important. En l’absence d’adjuvant plastifiant, la quantité d’eau est déterminée par la condition de mise en œuvre. En ajoutant un superplastifiant, la quantité d’eau utilisée décroît et les performances mécaniques du matériau sont améliorées (BHP : béton hautes performances).


Le béton armé moderne
fiche histoire n°2
   



1 LE BETON ARME « MODERNE »




Centre National de l’Industrie et des Techniques (CNIT), Paris-La Défense, Nicolas Esquillan, ingénieur ; Camelot, de Mailly et Zehrfuss, architectes ; Boussiron et Coignet, entrepreneurs, 1953-1958.


L’invention du béton armé « moderne » est le fruit d’une recherche collective et internationale, menée tout au long du 19ème siècle par des créateurs dont les travaux s’inspirent des découvertes de leurs prédécesseurs et/ou de leurs contemporains. L’essor du nouveau matériau s’articule en outre avec celui du capitalisme bancaire et de la grande industrie (en particulier la sidérurgie, les cimenteries et les constructeurs) qui ont permis sa diffusion mondiale.

Celle-ci est promue dans les dix dernières années du 19ème siècle par des entrepreneurs qui ont su conjuguer efficacement trois facteurs essentiels : l’invention de nouveaux procédés techniques de mise en œuvre, le progrès de la connaissance scientifique du béton armé (grâce au développement spectaculaire des sciences de l’ingénieur) et l’établissement d’une organisation industrielle et commerciale inédite qui visait tous les acteurs de l’acte de bâtir, notamment les maîtres d’ouvrage et les architectes.



1.1 NAISSANCE D’UN HYBRIDE




Le concept du béton armé comme matériau de construction relève d’un savoir-faire très ancien. Dans l’Antiquité déjà, il était fabriqué empiriquement - notamment par les Romains(1). Plus tard, les maîtres d’œuvres gothiques ont repris le principe en l’adaptant à la maçonnerie en pierre de taille. Le procédé du « chaînage » est employé jusqu’au XVIIIe siècle.


Edifice Place de la Concorde, Paris, 1760 (Gabriel, architecte) Exemple de chaînage de la maçonnerie par des tiges métalliques. photo d.r.


Le mode de mise en œuvre du béton s’inscrit lui aussi dans une tradition ancestrale, la construction en « pisé banché », c’est-à-dire en terre moulée dans des encaissements mobiles en bois : les banches qui remplissent exactement le rôle des coffrages dans la mise en œuvre du béton(2)


 

J-B Rondelet, « Technique de construction en pisé banché », extrait du Traité de l’art de bâtir, 1812, vol. 1, planches V et VI. Vues de la mise en œuvre et de l’édifice achevé. photo d.r.


En fait, ce qui fonde la modernité du matériau ne relève pas tant de son concept mais de son adéquation aux modes de fabrication et d’exécution propres au siècle de la grande industrie. Le béton, appelé « ciment » au 19ème siècle, se révèle « moderne » à partir du moment où, d’une part, il peut être réalisé à l’aide des nouveaux mortiers artificiels et non plus avec de la chaux naturelle et, d’autre part, lorsque ses armatures métalliques vont être rationnellement positionnées. Elles doivent nécessairement occuper les zones de la structure où se déploient les forces de traction car elles seules peuvent les absorber tandis que le béton, en revanche, résiste efficacement aux contraintes de compression.


1.1.1 Les premiers ciments artificiels




L’invention des mortiers artificiels, liée aux progrès de la chimie, est clairement repérée : on la doit à l’ingénieur des Ponts et Chaussées Louis-Joseph Vicat (1786-1861) qui publie en 1817, dans les Annales de chimie, puis en 1818 dans les Annales des ponts et chaussées, ses premières recettes de « chaux artificielle ». Cela étant, l’invention de Vicat avait été précédée par d’importantes recherches empiriques sur les mortiers artificiels(3). Elles connaissent un essor décisif grâce à l’ingénieur anglais John Smeaton (1734-1792), à l’occasion de l’édification du phare d’Eddystone entre 1756 et 1759 et par le Français Antoine Joseph Loriot (1716-1782) qui publie ses découvertes en 1774.


Phare d’Eddystone,, John Smeaton, ingénieur,1759. photo d.r.


Malgré l’importance de ces progrès, l’emploi du béton ne connaît pas une diffusion importante en raison de la difficulté que pose encore sa mise en oeuvre. L’obstacle est franchi en 1824 par le briquetier anglais Joseph Aspdin qui invente un mortier à la fois fluide et à prise rapide. Il s’agit du fameux ciment « Portland » qui obtient un succès commercial international.


1.1.2 La question des armatures




C’est seulement au XIXe siècle qu’émerge la conscience claire de la contribution du métal (le fer puis l’acier) à la résistance globale du matériau. L’historiographie française a longtemps considéré que la réalisation en 1849, par Joseph Lambot (1814-1887), d’une barque en ciment, armé d’un grillage en tiges métalliques, marquait l’invention du béton armé moderne.


Barque de Lambot exposée à L’Exposition Universelle de Paris, 1855. photo d.r.


Certes Lambot ne précise pas rigoureusement en quoi les armatures renforcent la rigidité de l’enveloppe de béton dans le brevet qu’il dépose en 1855 et son invention n’a connu aucune diffusion. Elle marque toutefois un tournant important dans la genèse historique du matériau car elle succède à une longue série d’inventions et de réalisations où l’on employait des poutrelles de métal et non de fins treillis de fer comme armatures. Après ces tâtonnements, l’idée de placer les armatures dans les zones soumises aux contraintes de traction est clairement formulé en 1854, par l’Anglais William Boutland Wilkinson. En 1865, il édifie une résidence en exploitant le principe qui, cependant, demeure appliqué de manière empirique. De même, l’horticulteur français Joseph Monier (1823-1906) dépose à partir de 1867 une série de brevets fondateurs.


Brevet déposé par Lambot en 1855 décrivant un procédé de construction en ciment armé. photo d.r.
 

Brevet d’invention pour « un système de caissons-bassins en fer et ciment applicable à l’horticulture », 1867, Monier, inventeur. photo d.r.




Brevet d’invention pour « un système de traverses et supports en ciment et fer applicables aux voies, chemins ferrés et non ferrés », 1877, Monier, inventeur. photo d.r.
 

Additif au brevet précédent. : Applications à la construction de poutres, poutrelles pour ponts, passerelles. 1978, Monier, inventeur. photo d.r.




L’inventeur y décrit diverses réalisations où le rôle structurel des armatures et leur emplacement s’avèrent parfaitement compris mais encore, à l’instar de Wilkinson, sur le mode empirique. Il faut attendre 1877 et les travaux de l’Anglais Thaddeus Hyatt (1816-1901) pour que le dépassement de l’intuition des pionniers par des arguments fondés sur le calcul soit enfin opéré(4).


Brevet déposé par Thaddeus Hyatt décrivant un procédé de construction en ciment armé, 1877. photo d.r.


La contribution historique de Hyatt s’avère indéniable puisque ce n’est qu’à partir des années 1880, à la suite de ses recherches, que sont déposés un nombre croissant de brevets décrivant de nouveaux systèmes d’armatures conçus scientifiquement.


1.2 DE L’INVENTION A L’INNOVATION





Le béton armé « moderne » advient la décennie suivante : des procédés empiriques et artisanaux inventés par des créateurs isolés, la dynamique novatrice passe au stade supérieur de l’innovation, celui de l’appropriation collective de la technologie via son exploitation industrielle qui génère marchés porteurs et débouchés commerciaux à l’échelle mondiale. Précédant le triomphe de l’architecture du Mouvement Moderne, le matériau connaît alors une diffusion universelle.


1.2.1 François Coignet : précurseur de l’industrialisation




L’essor du béton armé moderne est annoncé par l’activité pionnière de François Coignet (1814-1888)(5). Toutefois, l’historiographie n’attribue pas à l’entrepreneur français la paternité du nouveau matériau car il met au point un type spécifique de béton, le béton aggloméré, sans prévoir systématiquement ni rigoureusement l’emploi d’armatures métalliques. Sa contribution décisive concerne en fait la mise au point de nouveaux processus industriels de production et de commercialisation.

La majorité de ses brevets décrit des modes de mise en œuvre et leurs outillages adaptés. Ses travaux relèvent ainsi de la culture manufacturière qu’il a héritée de son père, un entrepreneur lyonnais œuvrant dans le secteur de l’industrie chimique. A partir de 1854, Coignet dépose une série de brevets relatifs à la production du « béton aggloméré », synthèse entre la fabrication de nouveaux bétons artificiels et les méthodes traditionnelles de mise en œuvre par « pisé banché ». Dès lors, il diversifie les débouchés de l’entreprise familiale pour investir le secteur du BTP. Pour assurer la diffusion commerciale de ses inventions, Coignet publie en 1861 un volumineux ouvrage, Bétons agglomérés appliqués à l’art de construire, dans lequel il décrit ses procédés innovants, leurs avantages techniques et économiques ainsi que leurs applications possibles (types de programmes).

La même année, il crée à Saint-Denis, près de Paris, la Société centrale des bétons agglomérés, une filiale consacrée à l’exploitation de ses brevets. L’industriel y avait bâti en 1852 sa maison pour laquelle il exploite ses procédés utilisant des poutrelles de fer noyées dans du béton aggloméré.


Maison de François Coignet à Saint-Denis réalisée en béton aggloméré renforcé de barres métalliques, 1852. photo d.r.


L’entreprise développe en outre une politique de démarchage auprès des prescripteurs : en particulier les administrations et les architectes. François Coignet a ainsi réalisé la majorité de ses ouvrages dans le domaine des Travaux Publics (canalisations, aqueducs, fondations…). Il est toutefois intervenu également dans le secteur du bâtiment et a pu appliquer à l’architecture la construction en béton aggloméré(6). Outre la réalisation d’éléments décoratifs préfabriqués, destinés à l’ornementation des édifices, Coignet a en effet collaboré avec plusieurs architectes, en particulier Louis-Auguste Boileau avec qui il exécute en 1864 son œuvre la plus connue : l’église Sainte-Marguerite, au Vésinet, en banlieue parisienne.


Eglise Sainte-Marguerite du Vésinet bâtie en béton aggloméré enrobant une ossature métallique, 1864 , L.-A. Boileau, architecte ; F. Coignet, entrepreneur. photo d.r.
 

 



En 1867, il édifie un immeuble de rapport, rue de Miromesnil, à Paris et, en 1869, le phare de Port-Saïd, haut de 55 mètres. Entre 1868 et 1874, avec l’architecte Belgrand, il construit en béton aggloméré l’immense aqueduc de la Vanne (1600 m de long) à Moret-sur-Loing dans la forêt de Fontainebleau.


Aqueduc de la Vanne, Belgrand, architecte ; Coignet, entrepreneur. photo d.r.


Malgré l’activité importante qu’il génère, Coignet n’a pas pu maintenir la rentabilité de son entreprise : elle fait faillite en 1875. Quelque vingt ans s’écoulent ensuite avant que n’apparaisse une nouvelle génération d’entrepreneurs. Ils vont exploiter le béton armé selon des modalités cette fois-ci rentables.

La mutation s’opère en 1892, année charnière où sont déposés les brevets fondateurs de l’invention du béton armé moderne. Ils sont conçus par les ingénieurs et entrepreneurs appelés à devenir les leaders mondiaux du nouveau matériau, en premier lieu le Français François Hennebique (1842-1921) et l’Allemand Gustav-Adolf Wayss (1851-1917) mais aussi les ingénieurs centraliens Edmond Coignet (1856-1915) et Paul Cottancin (1865-1928). Leurs entreprises réalisent la majeure partie des projets appliquant la technologie en compétition avec quelques sociétés anglo-saxonnes (anglaises et américaines).


1.2.2 Un matériau d’architecture





Paul Christophe, comparaison de divers système brevetés de béton armé, Le Béton armé et ses applications, Paris-Liège, 1902, pl. 36. ©doc IFA


Les pères de la construction en béton armé reproduisent dans leurs entreprises la synthèse des opérations développées par François Coignet : invention (d’un système d’armatures, d’un procédé de mise en œuvre ou encore d’une application à un artefact spécifique), dépôt de brevets, mise au point d’un mode de production industrielle directement lié à une stratégie commerciale internationale et - étape inaugurant la modernité du matériau - validation des projets par le calcul mathématique.

Les ingénieurs allemands ont sans doute fourni les plus importantes contributions théoriques de la fin du XIXe siècle, en particulier Mathias Koenen (1849-1924), qui est devenu le directeur technique de l’entreprise Wayss. A partir de 1886, il publie les premières formules qui apportent une connaissance rigoureuse du comportement structural des ouvrages.

En France, les avancées scientifiques les plus significatives sont établies par Edmond Coignet et Napoléon de Tedesco (1848-1922). Auteurs des recherches françaises les plus influentes du moment, les deux ingénieurs communiquent leurs travaux en 1894, à l’Académie des Sciences de Paris. Edmond Coignet a également ouvert la voie dans le domaine des voiles minces et celui de la préfabrication, on le verra.

Les brevets déposés par les inventeurs du nouveau matériau s’attachent à décrire l’emplacement et le type des armatures métalliques noyées dans le béton. Ils prescrivent un procédé ou « système » qui assure à la fois la rigidité de la structure et sa modélisation mathématique tout en déterminant les conditions de sa mise en oeuvre. Ainsi, à la fin du 19ème siècle, l’exploitation d’un système breveté de construction en béton armé s’articule-t-il avec une méthode spécifique de calcul. A ce titre, le succès commercial de François Hennebique s’explique non seulement par l’intelligence de l’organisation générale de son bureau d’études mais aussi par la simplicité des calculs et des modes d’exécution que ses brevets impliquent.


Villa Figari, Gênes, 1903-1904. Vue des armatures de la dalle de la terrasse conçue selon le système Hennebique (L Rovelli, architecte). ©doc IFA
 

Villa du docteur Arragon, Bizerte, 1902-1903. Vue du chantier appliquant le procédé Hennebique. ©doc IFA


Le développement extrêmement rapide de la nouvelle technologie s’explique notamment par ses propriétés constructives remarquables. Les brochures commerciales présentent le béton armé comme un matériau ignifuge, étanche, particulièrement solide puisqu’il résiste à la fois aux efforts de compression, de traction et de flexion et qu’il permet la constitution d’ossatures monolithes. Selon ses promoteurs, il peut réaliser n’importe quel programme – notamment les ouvrages industriels et utilitaires – dans des conditions de performances économiques, fonctionnelles et techniques qui surpassent celles des autres matériaux.

En outre, en tant que matériau moulé constitué de composants peu coûteux, le béton armé permet de réaliser à moindre frais toutes les formes voulues. L’architecte Thomas Audrey le prouve en édifiant pour le baron Empain une villa près du Caire, à Héliopolis, en 1907-1910.


Villa Empain, Héliopolis près du Caire, 1910. Vue générale (Hennebique, bet). ©doc IFA
 



Le projet se distingue par la richesse de son ornementation imitant le style Hindou. Il est réalisé entièrement en béton armé, selon le procédé Hennebique qui permet la préfabrication des motifs décoratifs aux configurations particulièrement complexes.


Villa Empain, vue rapprochée d’une façade, 1910. ©doc IFA
 

Empain, vue du chantier avec les éléments décoratifs préfabriqués à pied d’œuvre. ©doc IFA


Le tournant du siècle correspond également à une inflexion majeure dans l’histoire du procédé de construction. Les ressorts de la concurrence, inaugurés vers 1890, reposaient sur l’importance de l’articulation instaurée par l’inventeur entre, d’une part, la modélisation mathématique spécifique de son procédé et, d’autre part, la nature du dispositif structurel breveté. Après 1900, ce lien va rapidement devenir obsolète. En effet, de nouvelles méthodes de calculs fiables et générales, c’est-à-dire applicables à n’importe quel « système » employé se multiplient. En outre, on l’a vu, la technologie novatrice rencontre un franc succès commercial dans de nombreux pays étrangers. Dès lors, les acteurs locaux de l’édification des projets vont pouvoir s’approprier ses recettes générales d’exploitation sans avoir recours à ses promoteurs historiques.

Avant même la Première Guerre mondiale, on comprend que n’importe quelle entreprise de construction peut mettre au point son propre système d’armature et le valider par le calcul. Comme le souligne G. Delhumeau, le béton armé ne s’identifie plus à un « système » constructif pour atteindre le statut de matériau d’architecture, au même titre que le métal, le bois ou la brique(7).



2 LA FORMULATION DU MATERIAU : DES INNOVATIONS TARDIVES






2.1 Les bétons de ciment




De l’ère des inventeurs à la Seconde Guerre mondiale, les bétons ont augmenté leur qualité de façon continue. Mais les progrès accomplis sont restés modestes si bien que le matériau mis en œuvre en 1945 conserve des caractéristiques proches de celui qu’employait déjà un Joseph Monier ou un Edmond Coignet. L’utilisation d’additifs ne s’étant pas encore développé, les ciments de la seconde reconstruction du 20ème siècle offrent des performances certes satisfaisantes mais encore faibles et relativement aléatoires. Ainsi leur résistance de rupture à la compression atteint 20 à 30 Mpa.

Entre 1950 et 1970, une première période homogène où des progrès significatifs sont accomplis peut être repérée. Progressivement, ses formulations sont optimisées alors que les cimentiers s’efforcent d’améliorer la qualité de ses composants. Cette évolution du matériau s’articule avec les progrès accomplis dans les domaines des outillages de fabrication et de mise en ouvre permettant une amélioration de l’homogénéité des mélanges. Les innovations constantes réalisées dans le domaine de la chimie des additifs polymères permet au matériau d’accroître ses propriétés de durabilité, de qualité d’aspect, de résistance aux fissurations et de réduction du temps de séchage. Dans les années 1970, le béton présente désormais des formulations complexes et une résistance de 30 à 40 Mpa.

Pendant les années 1980, le matériau connaît une révolution technologique en raison de l’accélération sensible des innovations. L’étude de sa microstructure devient possible ; la maîtrise des interrelations qu’entretiennent sa formulation, ses caractéristiques et sa structure à l’échelle microscopique atteint dès lors un niveau particulièrement élevé. Les conditions technologiques sont réunies pour que les cimentiers puissent mettre au point les premiers « bétons à hautes performances » (BHP), atteignant une résistance de l’ordre de 80 Mpa. Ce record est obtenu en réduisant la porosité du matériau par l’emploi de charges qui optimisent la configuration de ses empilements granulaires.

Les années 1990 s’illustrent par la mise au point des « bétons à très hautes performances » (BTHP) dont la résistance peut s’élever jusqu’à 120 Mpa. Leur invention s’inscrit dans la lignée des découvertes de la décennie précédente, liées au contrôle de la porosité du matériau. Ce contrôle est accru par des méthodes chimiques qui complètent l’action physique des charges. Outre leur résistance supérieure, les BHP et BTHP présentent un autre avantage majeur, celui d’une exécution aisée et accélérée. Leur fluidité autorise l’emploi à pied d’œuvre de systèmes de pompage, même à des hauteurs d’exécution importantes sans que leurs propriétés ne soient altérées.

Aujourd’hui, une autre étape est franchie avec l’invention par Bouygues du « béton de poudre réactive » (BPR), également nommé « béton ultra haute performance » (BUHP) dont la résistance peut atteindre 800 Mpa.

En cinquante ans, les bétons ont connu une révolution technologique si radicale que sa constitution contemporaine n’a plus grand chose à voir avec celle de l’après-guerre. Une telle mutation a logiquement entraîné l’évolution de certaines autres de ses propriétés initiales, en particulier la réduction sensible de sa « marge de tolérance ». Cela signifie qu’on est passé d’un matériau rustique mais peu exigeant en terme de formulation et de mise en œuvre à un béton d’une solidité exceptionnelle mais à faible tolérance. Sa formulation et sa mise en oeuvre nécessite ainsi l’emploi d’une main d’œuvre qualifiée capable de fournir des prestations de très grande qualité.


Les bétons spéciaux




Après la Seconde Guerre mondiale, l’évolution du matériau est marquée par la mise au point de nouveaux bétons dits « spéciaux », légers et composites.

Les bétons composites

Apparus au milieu des années 1980, les composites sont obtenus par l’introduction de fibres dans le béton voire dans un mélange à base de ciment uniquement, ce qui accroît sensiblement les propriétés mécaniques du matériau. Trois types de fibres sont exploitées : métalliques, minérales (verre) ou organiques (polyester, polypropylène…). La substitution des traditionnelles armatures maillées en acier par des composites procure un gain de poids important pour une résistance satisfaisante.

Les bétons composites permettent ainsi la réalisation de plaques de taille modeste mais d’une minceur extrême, comme l’illustre le projet d’immeuble de logements que Renzo Piano a construit, rue de Meaux, à Paris (1987-1991).


Logements rue de Meaux, Paris, Renzo Piano architecte, 1991. photo d.r.
 

Détail de la double peau des façades en béton composite. photo d.r.



L’architecte exploite à cette occasion son concept de « double peau », inventé en 1986 pour la « Cité internationale » de Lyon. Le dispositif améliore le confort thermique et acoustique des logements. Il est mis en œuvre à l’aide de cadres standards, en béton blanc de fibre de verre, réalisés par l’entreprise Dumez. Délimitant un carré de 90 cm de côté, ils sont fixés à 30 cm des murs de façade et se composent de deux « feuilles » extrêmement fines entre lesquelles est placée une couche isolante. Ces cadres présentent plusieurs configurations en fonction de leur emplacement. Mais leur caractère commun consiste à se superposer à une fenêtre tout en accueillant, en marge de la baie, un remplissage de briques en terre cuite ou une série de brise-soleil obliques qui sont eux-mêmes réalisés avec le même composite que les modules carrés.

Les bétons légers

Les bétons légers sont produits en France à partir des années 1950 pour réaliser, le plus souvent, des éléments préfabriqués. Porté par l’industrialisation de la construction, leur emploi croît jusqu’au milieu des années 1970 pour régresser ensuite en raison de deux facteurs déterminants : premièrement, l’arrêt de la politique publique des «grands ensembles» de logements collectifs et, deuxièmement, l’évolution de la règlementation thermique. Elle devient plus exigeante suite à l’augmentation des prix du pétrole.

Or les propriétés d’isolation thermique de la plupart des bétons légers s’avèrent relativement réduites. Elles sont alors améliorées par la mise au point des bétons cellulaires autoclavés. Ils ont permis de poursuivre le développement des applications des bétons légers jusqu’au milieu des années 1990. En effet, après l’âge d’or du logement collectif, les panneaux préfabriqués en béton cellulaire autoclavé ont trouvé de nouveaux débouchés dans le secteur de la maison individuelle (pavillons) et dans les programmes tertiaires, notamment les grandes surfaces commerciales.



2.2 LE BETON EN CHANTIER






2.2.1 Les fondations





Etude des sols et terrassements

Avant de construire, il est nécessaire de s’assurer que le sol où le projet est appelé à être exécuté soit de bonne qualité afin d’éviter toute pathologie grave et coûteuse affectant le bâtiment. Les études de la qualité du terrain à bâtir concernent avant tout la mécanique des sols. L’information primordiale à obtenir réside dans la capacité du terrain à soutenir l’édifice à réaliser.

Outre la mécanique des sols qui fournit des données quantitatives (caractéristiques de raideur du terrain à différentes profondeur, granulométrie, teneur en eau, densité, caractéristiques de déformation…), la technique de la pétrographie (analyse des roches) apporte de précieux renseignements de nature qualitative.

Les autres études portent sur les paramètres de forage qui permettent de prévoir la vitesse d’avancement des fondations. Depuis 1975, ces paramètres sont détectés par un outillage informatique qui se banalise dans les années 1990. D’autres techniques, issues de la recherche pétrolière complètent ces dispositifs.

Une fois les sols étudiés, il peut s’avérer nécessaire de les consolider. Une des techniques de renforcement de leur résistance les plus employées en France (et en Italie) est , à partir de 1945, le recours à des injections de ciments spéciaux voire d’autres matériaux. Cette technique s’avère également particulièrement utile pour les chantiers de réhabilitation.

[Logements à Paris, Catherine Furet, architecte, 2002. Doc. C. Furet]


 

 



Les techniques de fondations

La nature des sols et celle des bâtiments à exécuter déterminent les techniques de terrassements et de fondations mises en œuvre. Les fondations profondes transmettent les efforts par pointe de pieu si celui-ci parvient à la roche dure tandis que les fondations superficielles ne reposent que sur la résistance du sol sous la surface d’appui.

L’essor de ces techniques s’est vraiment accéléré dans les années 1960 avec la construction d’immeubles à grande hauteur qui nécessitèrent la prise en compte des efforts du vent sur le bâtiment pour établir le calcul des fondations. Les risques sismiques et les parkings souterrains profonds sans superstructure ont posé d’autres difficultés qui ont été résolues. Depuis les années 1970, le développement de l’informatique a permis de procéder à des modélisations à la fois plus rigoureuses, plus fiables et plus rapides.

Les fondations superficielles sont assurées par l’exécution de semelles et de radiers. Les fondations profondes, une technique issue des Travaux Publics, consistaient dans un premier temps à creuser un puits pour y enfoncer ensuite un pieux. Une innovation sensible intervient dans les années 1960 avec la réalisation de fondations en parois moulées en béton précontraint.

La technique s’industrialise dans les années 1970 par l’emploi de panneaux préfabriqués, le plus souvent réalisés sur le chantier. Dans les années 1990, l’effort d’innovation a alors porté sur la réduction des nuisances provoquées par la mise en œuvre des fondations (bruit, encombrement des chantiers par les postes de préfabrication).


 

 



 

 



 





2.2.2 La mise en œuvre




Principes généraux

La mise en œuvre du béton armé utilise une technique de moulage ancestrale par « banches », des moules en planches de bois ou coffrages. Elles servaient à la réalisation de structures en « pisé », c’est-à-dire en terre meuble. Au XIXe siècle, le pisé traditionnel est remplacé par le béton de ciment moderne. Au début du XXe siècle apparaissent les coffrages métalliques dont les dimensions ont progressivement augmenté pour atteindre celles des ouvrages à réaliser (hauteur d’étage, grande longueur). La mise en œuvre par éléments préfabriqués apparaît dès cette époque. Le premier chantier français du genre est celui mené par Edmond Coignet pour la construction du Casino de Biarritz en 1892.


Chantier du casino de Biarritz avec ses éléments préfabriqués en attente, Edmond Coignet, entrepreneur, 1892. photo d.r.


Durant les Trente Glorieuses, la production en série de logements à conduit à industrialiser la méthode traditionnelle de la banche grâce à la mise au point de coffrages-outils. Selon que le bâtiment était constitué d’éléments préfabriqués ou entièrement mis en œuvre in situ, les éléments constructifs sont réalisés en usine, hors du chantier (ou sur le chantier dans le cas des usines foraines). Ils y sont ensuite transportés, levés à la grue et enfin assemblés.

Dossier 1 : l’opération éclair des Etablissements Coignet (exécution par panneaux préfabriqués en usine de logements collectifs vers 1958)

Dans le cas du coffrage à pied d’ œuvre, les panneaux et autres éléments sont moulés au fur et à mesure de l’avancement de la mise en œuvre, à leur emplacement définitif. Cette solution permet l’obtention, comme au XIXe siècle, d’ossatures monolithes alors que l’emploi de la préfabrication induit la réalisation d’une structure par assemblage de panneaux et autres éléments constructifs.

Cela étant, l’emploi du béton banché est resté prédominant en France. Il nécessite notamment de mettre en place les ferraillages lors des opérations de coffrages. Jusqu’à la fin des années 70, ce sont les outillages utilisés qui ont sensiblement conditionné l’évolution des structures produites. En revanche, depuis les années 1980, l’importance croissante de l’aspect esthétique du matériaux et le moulage de formes plus complexes a donné la primauté à la façon dont l’outillage est employé.

L’évolution des coffrages

Les premiers coffrages sont fabriqués à l’aide de planches de sapin. Dans les années 1920, Freyssinet innove en les plaçant sur des cintres roulants, facilitant leur réemploi. Ses coffreurs les exécutent économiquement par simple cloutage. En 1917, l’ingénieur introduit une autre innovation majeure : la vibration des banches. Le procédé permet de réduire la durée de durcissement du béton par évacuation du surplus d’eau tout en obtenant un matériau plus compact et plus homogène, donc plus résistant.

Nécessitant une main d’œuvre qualifiée, les coffrages en bois vont être progressivement abandonnés au profit de moules métalliques. Ils sont toutefois encore employés par de petites entreprises, pour la mise en œuvre de formes complexes ou, aujourd’hui, à l’occasion de chantiers d’exception.

A partir des années 1950, le développement de la préfabrication des bâtiments par panneaux plans et rectangulaires a imposé l’emploi de coffrages métalliques, d’abord à parement de bois ou de contre-plaqué puis de tôles afin d’obtenir une meilleure finition des surfaces. Les dispositifs entièrement métalliques présentent de nombreux avantages : un taux de réutilisation beaucoup plus important (300 fois contre 30 fois pour le bois) ; une adaptation aisée aux différentes dimensions des panneaux à mouler d’un chantier à l’autre tout en atteignant des dimensions bien supérieures à celles des outils antérieurs.

En 1957, une innovation importante est réalisée par l’entreprise Outinord. Afin d’augmenter la productivité du chantier, elle met au point des coffrages de grande longueur, pour la mise en œuvre des murs, en les associant à des « tables » horizontales pour l’exécution des planchers. On parle alors de « coffrages-outils » qui sont en outre munis d’échelles, de plate-formes de travail ainsi que d’accessoires de réglage et d’assemblage rapides.

Dès 1958, Outinord développe son invention. A l’heure où s’ouvre l’ère des « grands ensembles », elle fabrique les premiers « coffrages-tunnels » qui moulent en une seule opération murs et dalles de planchers. Parmi les différents types de coffrages-tunnels mis au point, ce sont les dispositifs légers qui ont connu la plus large diffusion dans la mesure où ils sont plus facilement transportables et moins encombrants que les outils lourds tout en mobilisant un outillage de chantier (pour le levage et l’avancement des travaux) moins onéreux. Ils ont également été préférés en raison du jeu des acteurs qu’ils configurent. Les dispositifs lourds sont, le plus souvent, des procédés brevetés par les grands bureaux d’études ; ils contrôlent de ce fait leur fabrication qui est effectuée par les entrepreneurs, en fonction des plans des projets à construire.

En revanche, ce sont des industriels qui usinent les coffrages-outils légers qui sont vendus aux constructeurs qui échappent ainsi à toute dépendance, technique et financière, envers les bureaux d’études. Parallèlement, l’exécution d’un nombre croissant d’ouvrages de grande hauteur, en particulier les tours de bureaux, a conduit à la mise au point des coffrages-glissants. Leur fonctionnement est adapté à la configuration structurelle-type à noyau central de contreventement qu’adoptent la plupart des gratte-ciel des Trente-Glorieuses. Employés pour la réalisation de ces noyaux en voile de béton armé, ils se déplacent verticalement au fur et à mesure de la prise du béton. Leur utilisation s’est principalement développée entre 1955 et 1965.





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5 Le béton armé, principes mécaniques
7 Le béton précontraint


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5 Formulation des bétons


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