Avantages et enjeux du béton armé

De nos jours, des fondations aux planchers en passant par la semelle sur le chantier, le béton armé est partout. Du moment qu’il doit résister à la compression et à l’effort de traction, il est au bon emplacement. Ce sont bien ses armatures métalliques qui font toute la différence.

Le béton armé : composition et propriétés

Quelle est la composition du béton armé?

Le béton armé est un matériau qui se compose de : 

• Ciment; 

• Eau; 

• Sable;

• Granulats (taille maximale 20 mm, norme CSA A23.1); 

• Adjuvants (polycarboxylate, sulfonate, sels d’acide organiques, etc.);

• Armatures.

L’ajout d’armatures est ce qui lui donne son appellation de béton « armé ». Elles permettent  non seulement de renforcer le béton, mais aussi de pouvoir choisir entre un renforcement longitudinal ou un renforcement de cisaillement, ce dernier ayant de meilleures performances sous une charge élevée. 

À cette recette classique peuvent s’ajouter d’autres matériaux, dont le but est d’améliorer les performances du béton armé, grâce à une meilleure compréhension des phénomènes physiques.

Tous les éléments constituant le béton armé sont normés pour évaluer : 

• Les propriétés mécaniques du béton (notamment ASTM C 39, C 42, C 293, etc.); 

• La résistance à la pénétration des ions chlorures (ASTM C 1152, C 1218 et C1202); 

• Les vides perméables (ASTM C 642);

• La résistance aux cycles de gel-dégel (ASTM C 457, C 666 et C 672); 

• La réactivité Alcalis-granulats (notamment ASTM C 227, C 1260, C 1293); 

• Le retrait (ASTM C 157 et C 341); 

• La qualité des granulats (notamment ASTM C 295, C 127, C 128, C 403).

Par conséquent, c’est le juste mélange de ces matériaux qui lui confère ses propriétés physiques.  

Les avantages du béton armé 

Résistance

La force de compression est la propriété la plus importante. C’est elle qui va déterminer si le béton armé peut, ou non, être utilisé sur un chantier. Mais, à côté de la résistance à la compression, d’autres points clefs doivent être pris en compte, dont : 

• La résistance en traction (10 fois moins grande que la résistance à la compression); 

• Le module d’élasticité (module de Young);

• La résistance à la fatigue;  

• Le coefficient d’amortissement. 

Le béton armé est produit pour résister à un comportement cyclique de traction et de compression induit par : 

• Les séismes; 

• Le trafic (routier, ferroviaire); 

• Le vent. 

Bien qu’il dispose d’une très grande résistance à la compression (10 à 100 MPa), sa résistance à la traction est faible. Par conséquent, le béton armé est certes très résistant, mais pas pour toutes les situations. 

Résistance au feu 

Le béton a une résistance résiduelle 35% plus élevée que celle des armatures en acier. Par conséquent, le point faible du béton armé, en cas d’incendie, repose sur ses structures en acier. 

À 750°C, l’acier perd toute résistance. Par conséquent, pour le protéger de la chaleur, il faut compter sur l’épaisseur de béton qui va isoler les armatures de la chaleur. De cette manière, il est possible d’atteindre un temps de résistance au feu de 3 à 6 heures en fonction du bâtiment. 

Résistance sismique 

Nous avons évoqué précédemment la notion de coefficient d’amortissement. C’est cette valeur qui permet d’apprécier les qualités d’amortissement d’une structure en béton armé au moment d’un séisme. En outre, il s’agit pour le béton de dissiper l’énergie produite par le tremblement de terre.

Lorsque ces limites sont atteintes, le béton armé peut se fissurer. Toutefois, l’avantage du béton armé est que les armatures qui le composent renforcent sa résistance aux contraintes de traction par rapport à un béton non armé. Il est donc plus résistant aux séismes, car plus élastique, à condition de conserver une très bonne cohésion béton-armatures. 

Le rôle de l’ingénieur en béton armé repose donc sur la maîtrise de la mécanique sismique, en permettant au béton de se fissurer aux bons endroits, c’est-à-dire loin des poteaux et des murs porteurs. Ce mode de sollicitation limite les tensions sur les parties indispensables à la cohérence structurelle du bâtiment, et par la suite évite son effondrement.

Durabilité 

Le béton armé possède une durée de vie pouvant dépasser 100 ans, mais tout dépend des conditions environnementales dans lesquelles se trouve le bâtiment, ainsi que leur bonne prise en compte au moment de l’optimisation du béton. C’est le maître d’ouvrage qui va exiger une certaine durée de vie de la structure, en fonction : 

• Du type d’ouvrage; 

• Des conditions d’exploitation; 

• De l’environnement. 

En effet, de nombreux problèmes peuvent survenir, une fois le bâtiment érigé, tels que : 

• Des fissurations, gonflements et éclatements du fait du cycle gel-dégel; 

• Une corrosion des armatures du fait du pH trop élevé du béton; 

• De hautes températures (incendie) couplées à une épaisseur trop fine de béton.

Plus précisément, le béton armé est soumis à deux périodes : 

• La période d’incubation : les réactions chimiques de corrosion se forment; 

• La période de propagation : la corrosion s’installe et s’étend dans l’ouvrage.

Voici pourquoi, pour augmenter la durée de vie d’une structure en béton armé, les professionnels du secteur travaillent à augmenter la période d’incubation. Lorsque cette phase arrive à son terme, l’ouvrage n’a toujours rien perdu de sa capacité portante et la période de propagation mettra encore plusieurs années à se réaliser. 

Les moyens mis en œuvre pour étendre cette période reposent par exemple sur le choix de granulats non-réactifs, c’est-à-dire de matériaux incapables de déclencher une réaction alcaline. 

Polyvalence 

Le béton armé s’utilise pour l’ensemble des éléments structuraux de l’ouvrage demandant une grande résistance à la compression, mais aussi une certaine résistance à la traction : 

• Fondations; 

• Dalles;

• Poteaux; 

• Voiles; 

• Poutres.

Le béton armé est donc particulièrement polyvalent.  

Faible entretien

Ce matériau ne s’entretient pas à proprement parler. Une fois que les deux périodes que nous avons évoquées plus haut (incubation et propagation) se réalisent, des phases de réparation peuvent être réalisées. Il en existe trois : 

• La réparation traditionnelle par remplacement du béton dégradé; 

• Les inhibiteurs de corrosion; 

• Les traitements électrochimiques.

La solution prise dépend notamment de l’état de la structure, de sa porosité, de son niveau de carbonatation ou encore de sa teneur en humidité.  

Recyclabilité 

80% du béton provenant de la déconstruction de bâtiments est recyclé. Le reste est stocké dans des ISDI (installation de stockage de déchets inertes). Si tout le béton n’est pas recyclé, c'est uniquement parce que la chaîne de recyclage n’est pas encore suffisamment développée. En effet, le béton non recyclé provient principalement des zones rurales, desquelles les centres de valorisation sont trop éloignés, rendant le recyclage trop onéreux.

Autre cause, celle des démolitions effectuées sans tri des matériaux, puisqu’il est nécessaire de séparer le béton : 

• Des armatures; 

• Des PVC; 

• Du plâtre; 

• Des matériaux isolants; 

• Etc.  

Au Québec, le recyclage du béton trouve même des débouchés dans les champs, sur lesquels sont épandus les sédiments provenant du lavage des bétonnières. Ils y assurent un rééquilibrage du pH des sols.

Des murs de soutènement aux planchers: l'utilisation du béton armé

Les fondations et pieux en béton armé

Les pieux en béton armé sont particulièrement employés dans les sols instables, comme ceux en argile présents le long du Saint-Laurent. Ils permettent d’atteindre une couche suffisamment solide et dure et servent ainsi d’assise à la fondation. 

Ils sont plus avantageux que les pieux en bois, car ils sont non seulement plus résistants, mais leur durée de vie est également plus longue. Seul souci : leur mise en place est bruyante et nécessite un matériel important. 

Les fondations d’un bâtiment sont généralement réalisées en béton armé, pour les raisons que nous avons déjà indiquées. Le but des fondations est simple : supporter la structure et transmettre son poids dans le sol. Leur dimensionnement et le ferraillage à ajouter est généralement réalisé par un bureau d’études, en fonction de la taille de la construction et du type de sol. 

Comment faire un mur ou une dalle en béton armé ?

Un coffrage pour un mur ou une dalle en béton demande cinq étapes. 

Étape 1 : établissement des plans

Avant de coffrer, il est nécessaire de tracer clairement la zone sur laquelle va s’étendre le mur ou la dalle en béton armé. Vous devez fixer : 

• La hauteur sous plafond; 

• La hauteur finale du mur; 

• La hauteur du sol. 

Surtout, n’oubliez pas que votre mur ou votre dalle va devoir contenir les aménagements nécessaires au passage des tuyaux de votre habitation. 

Étape 2 : préparation du matériel et mise en place des barres d’acier

C’est le moment d’armer le béton. Pour y parvenir, vous aurez besoin d’une cintreuse à barre à béton, mais aussi des armatures elles-mêmes. En termes d’acier, il n’existe que deux choix : 

• L’acier inoxydable; 

• L’acier en carbone. 

Certaines d’entre elles sont droites et lisses, d’autres sont droites et adhérentes, et enfin, certaines sont en couronne. Épaisses de 5mm à 50 mm, leur longueur peut atteindre les 12 mètres.

Utilisez la cintreuse pour plier ou couper les armatures à la bonne longueur, puis placez-les au centre du mur, à une distance de 12 po (30 cm) chacune.

Étape 3 : Le drainage

Il se fait au bas de votre mur de soutènement. Placez des tuyaux de 3 po (7cm) de diamètre perpendiculairement au mur avec un écartement de 8 pi (2.4 m) entre chaque tuyau. Leur présence permettra d’éviter que l’eau de pluie ne stagne au niveau des fondations.

Étape 4 : Les planches de coffrage

Maintenant que vos armatures sont en place et que les drains sont installés, il est temps de positionner les planches de coffrage. Elles se positionnent sur des cales et des talonnettes, puis se montent en vis-à-vis avant d’être reliées ensemble par des liens d’ancrage. 

Pour que la structure du coffrage résiste à la pression du béton, ajoutez des tiges de serrage, puis des contreventements des deux côtés du coffrage. 

Étape 5 : Ajouter le béton

Coulez le béton que vous avez réalisé directement sur votre chantier ou fait livrer par camion toupie. Vibrez-le au fur et à mesure que vous l’ajoutez, puis terminez en lissant sa surface à l’aide d’une taloche. 

Béton fibré vs béton armé

Le béton armé et l'environnement forestier

Conséquences environnementales

L’analyse comparative des cycles de vie entre une poutre en béton et une poutre en bois lamellé-collé permet de déterminer que le béton émet moins de gaz à effet de serre que le bois. C’est notamment dû au transport du bois par route sur de grandes distances.

Toutefois, l’extraction des matières premières entrant dans la composition du béton, et notamment le ciment, fait tout de même monter la part des émissions de CO2 de cette industrie à 8% du total mondial. Un taux qui se traduit par le chiffre faramineux de 4 milliards de tonnes.     

Pour y remédier, l’industrie du béton tente notamment de développer de nouvelles recettes de béton, qui font l’économie de son composant le plus polluant : le ciment. C’est notamment le cas avec les cendres volantes, un déchet rejeté par les centrales électriques à charbon et utilisé pour la première fois dans le béton du barrage Hoover, en 1929. S’il ne remplace pas totalement le ciment, il permet du moins de le limiter.

Intégration paysagère

Cette notion repose sur un nouveau concept, connu sous le nom de design biophilique. Il s’agit de marier les bâtiments en béton, ou tout autre matériau, avec la nature qui les environne. 

Pour y parvenir, les architectes proposent désormais d’intégrer la nature sur le bâtiment ou à l’intérieur même de celui-ci. C’est notamment le cas avec les murs végétalisés qui s’imposent tout autant à l’intérieur qu’à l’extérieur du bâtiment. 

Conservation de la biodiversité 

Vingt-quatre producteurs de ciment, qui représentent 30% du marché, ont décidé de créer la CSI (Cement Sustainability Initiative). Cette organisation agit dans plus de 100 pays pour garantir la survie de la biodiversité durant tout le cycle de vie du ciment. 

Pour y parvenir, la CSI a notamment mis en place des indicateurs de performance qui servent de guide à ses membres. L’un des arguments environnementaux de ces firmes est de souligner que l’exploitation de carrières mène certes à l'extinction de certaines espèces, mais aussi à la création de nouveaux cours d’eau, de lacs ou de gravières artificiels propices au développement de nouveaux écosystèmes.