thumb|upright=1.0|Un mètre cube de béton (représentant la production mondiale annuelle de béton par habitant).
Le béton de ciment, couramment appelé béton, est un matériau de construction composite fait de granulats minéraux ou végétaux, de sables et d'eau agglomérés par un liant hydraulique (par exemple le ciment) qui se durcit avec le temps.
Le béton de ciment est le matériau le plus fabriqué par l'Homme, principalement pour être utilisé dans la construction, où son utilisation au niveau mondial est le double de celle de l'acier, du bois, du plastique et de l'aluminium combinés.
D'autres types de béton existent, qui utilisent d'autres liants que le ciment (bitume, argile, …). Dans ces cas, on parle de pisé, de torchis, d'enrobé
Histoire du béton de ciment La fabrication et l'utilisation de béton trouve ses origines dans l'Antiquité, et se perfectionne avec les Romains qui font grand usage de leur opus caementicium (agrégats de déchets de pierres et argile, liés à la chaux), grâce à la présence de pouzzolane, une roche volcanique de la région de Naples permettant de rendre hydraulique la chaux grasse. À partir du , grâce aux progrès de la chimie, les recherches sur les chaux permettent de comprendre le rôle de l'argile dans l'hydraulicité. L'ingénieur Louis Vicat découvre les principes de l'hydraulicité de la chaux en 1818. Les chauffourniers fabriquent donc des chaux hydrauliques artificielles et des chaux éminemment hydrauliques, ocres et à prise rapide, qu'ils appellent ciment naturel ou ciment romain pour des raisons commerciales et que Joseph Aspdin appelle ciment Portland en 1824 en référence à la célèbre pierre grise de Portland car sa chaux à prise rapide était grise.
Le voit alors le développement du béton de ciment. Les maçons appellent béton, de bestun terme médiéval utilisé pour le béton pisé, ce que les scientifiques appellent ciment, de caementicium, qu'ils trouvent chez Vitruve.
Il se développe sous forme de pierre factice ou pierre artificielle, puis de mortier armé et de béton armé vers 1850 avec les travaux de Joseph Monier et avec le ciment moderne, artificiel à prise lente, gris, qui sera aussi appelé ciment Portland pour des raisons commerciales, du à la seconde découverte de Vicat qui est le clinker.
Au , les découvertes d'Eugène Freyssinet sur le béton pré-contraint, la standardisation et la préfabrication, notamment après la Seconde Guerre mondiale, ont largement favorisé l'essor industriel et architectural du béton jusqu’à aujourd’hui.
Composition
Ciment
Le ciment est un liant composé essentiellement de chaux, de silice, d'alumine et d'oxyde de fer combinés au silicate et aluminate de calcium. Il est préparé en chauffant de l'argile et du calcaire, ce qui produit du clinker qui est ensuite broyé et auquel on ajoute du gypse, du laitier, des cendres volantes ou autres pouzzolanes, selon les recettes.
Le ciment durcit rapidement sous l'action de l'eau en un maillage très solide de nanocristaux de silicates de calcium hydratés et donne au béton son aspect compact.
Granulats
Un granulat est composé d’un ensemble de grains minéraux qui, selon sa dimension, se situe dans une famille particulière. Les granulats sont donc triés selon leur granulométrie, c’est-à-dire selon leur diamètre, et peuvent donc appartenir, selon la norme NFP 18-101, à l’une des cinq familles suivantes : les fines avec un diamètre compris entre 0 et ; les sables avec un diamètre compris entre 0 et ; les gravillons avec un diamètre compris entre 2 et ; les cailloux avec un diamètre compris en 20 et ; les graves avec un diamètre compris en 6,3 et .
Les granulats sont les principaux composants du béton (70 % en poids). Les performances mécaniques des granulats vont donc conditionner la résistance mécanique du béton et leurs caractéristiques géométriques et esthétiques, en particulier, l’aspect des parements des ouvrages. Le choix des caractéristiques des granulats (roulés ou concassés, teintes, dimensions) est déterminé par les contraintes mécaniques, physico-chimiques et esthétiques du projet à réaliser et de mise en œuvre du béton (critère de maniabilité, enrobage)..
Différents types de granulats Les granulats utilisés pour le béton sont d'origine naturelle ou bien artificiels. Leur taille variable déterminera l'utilisation du béton (par exemple : les gros granulats pour le gros œuvre). La résistance du béton augmente avec la variété des calibres mélangés.
Dans des régions de certains pays d'Asie du Sud-Est (Inde, Bangladesh…) particulièrement pauvres en roches, il est courant d'utiliser comme granulats des briques cuites, concassées et calibrées. Le concassage et le calibrage sont généralement effectués sur place.
Parmi les granulats naturels, les plus utilisés pour le béton proviennent de roches sédimentaires siliceuses ou calcaires, de roches métamorphiques telles que les quartzites, ou de roches éruptives telles que les basaltes, les granites, les porphyres.
Indépendamment de leur origine minéralogique, on classe les granulats en deux catégories qui doivent être conformes à la norme NF EN 12620 et la NF P 18-545 (Granulats - Éléments de définition, conformité et codification) : Les granulats alluvionnaires, dits roulés, dont la forme a été acquise par l'érosion. Ces granulats sont lavés pour éliminer les particules argileuses, nuisibles à la résistance du béton et criblés pour obtenir différentes classes de dimension. Bien qu'on puisse trouver différentes roches selon la région d'origine, les granulats utilisés pour le béton sont le plus souvent siliceux, calcaires ou silico-calcaires ; Les granulats de carrière sont obtenus par abattage et concassage, ce qui leur donne des formes angulaires. Une phase de pré-criblage est indispensable à l'obtention de granulats propres. Différentes phases de concassage aboutissent à l'obtention des classes granulaires souhaitées. Les granulats concassés présentent des caractéristiques qui dépendent d'un grand nombre de paramètres : origine de la roche, régularité du banc, degré de concassage… La sélection de ce type de granulats devra donc être faite avec soin et après accord sur un échantillon.
Les granulats allégés par expansion ou frittage, très utilisés dans de nombreux pays comme la Russie ou les États-Unis, n'ont pas eu en France le même développement, bien qu'ils aient des caractéristiques de résistance, d'isolation et de poids très intéressantes. Les plus usuels sont l'argile ou le schiste expansé (norme NF P 18-309) et le laitier expansé (NF P 18-307). D'une masse volumique variable entre selon le type et la granularité, ils permettent de réaliser aussi bien des bétons de structure que des bétons présentant une bonne isolation thermique. Les gains de poids sont intéressants puisque les bétons réalisés ont une masse volumique comprise entre .
Les granulats très légers sont d'origine végétale et organique plutôt que minérale (bois, polystyrène expansé). Très légers — — ils permettent de réaliser des bétons de masse volumique comprise entre . On voit donc leur intérêt pour les bétons d'isolation, mais également pour la réalisation d'éléments légers : blocs coffrants, blocs de remplissage, dalles ou rechargements sur planchers peu résistants. Les bétons cellulaires (bétons très légers) dont les masses volumiques sont inférieures à . Ils sont utilisés dans le bâtiment, pour répondre aux exigences d'isolation. Lors de sa réalisation, des produits moussants lui sont incorporées créant des porosités dans le béton. Les bétons de fibres, plus récents, correspondent à des usages très variés : dallages, éléments décoratifs, mobilier urbain.
Béton et recyclage Le béton est un matériau qui permet le réemploi de certains déchets industriels ou domestiques : fumée de silice : résidus de filtration des fumées de fours à arc ; laitier de haut-fourneau : résidus de fabrication de la fonte et de l'acier servant à la fabrication de certains ciments ; sulfonates : composés chimiques issus de l'industrie papetière utilisés sous forme de plastifiant ; polyphénols : composés chimiques issus de l'industrie pétrolière utilisés sous forme de plastifiants ; farines animales : produit issus du traitement des carcasses animales utilisés par brûlage pour la fabrication du ciment ; cendres : utilisation des résidus de brûlage des centrales à charbons sous forme de filer.
Dans le secteur du bâtiment et des travaux publics (BTP), les gravats de béton provenant des chantiers de démolition/déconstruction sont théoriquement eux-mêmes recyclables. Les armatures envoyées à la ferraille sont refondues en four électrique, tandis que les granulats recyclés peuvent remplacer en partie les granulats naturels. En France (pour 2015), la production annuelle de déchets du BTP était d'environ 260 millions de t/an dont 20 millions de t/an de déchets de béton (dont 80 % finissent en fond de couche routière). Le projet Recybéton. lancé en 2012 avec un soutien financier (5 millions d'euros pour 2012-2016) de l'Ademe, du ministère de l'Écologie et de l'ANR, parallèlement à Ecoreb (Eco-construction par le recyclage du béton) regroupe 47 partenaires souhaitant promouvoir le recyclage du béton () en granulats, via des études de caractérisations, l'amélioration des procédés de séparation mécaniques et optiques, la construction de plateformes de tri , une adaptation de la législation qui en 2014 via la norme NF EN 206-1/CN (publiée en ) impose un maximum de 20 % de substitution de gravillons naturels par des gravillons recyclés dans du béton.. Le projet Recybéton s’appuyait sur trois chantiers expérimentaux (un parking fait avec 100 % de béton recyclé, une passerelle ferroviaire faite avec 20 % de granulats recyclés et un bâtiment d'archive dont le béton contient 30 % de sable recyclé et de 50 % de gravillon recyclé). Une des conditions à respecter est de bien éliminer les restes de plâtre ou d'autres substances susceptibles d'affecter la qualité du futur béton. Les ouvrages en béton peuvent aussi être « écoconçus » de manière à faciliter le recyclage futur du béton et diminuer sa forte empreinte carbone. Selon le groupe Lafarge, la fabrication de ciment Groupe Lafarge (2001) , voir (encart : les réductions des émissions de ).
Granulométrie thumb|Béton.
Si un béton classique est constitué d'éléments de granulométrie décroissante, en commençant par les granulats (NF EN 12620 - spécification pour les granulats destinés à être incorporés dans les bétons), le spectre granulométrique se poursuit avec la poudre de ciment puis parfois avec un matériau de granulométrie encore plus fin comme une fumée de silice (récupérée au niveau des filtres électrostatiques dans l'industrie de l'acier). L'obtention d'un spectre granulométrique continu et étendu vers les faibles granulométries permet d'améliorer la compacité, donc les performances mécaniques. L'eau a un double rôle d'hydratation de la poudre de ciment et de facilitation de la mise en œuvre (ouvrabilité). Un béton contient donc une part importante d'eau libre, ce qui conduit à une utilisation non optimale de la poudre de ciment. En ajoutant un plastifiant (appelé aussi réducteur d'eau), la quantité d'eau utilisée décroît et les performances mécaniques du matériau sont améliorées (BHP : béton hautes performances).
Les résistances mécaniques en compression obtenues classiquement sur éprouvettes cylindriques normalisées, sont de l'ordre de : BFC : bétonnage fabriqué sur chantier : 25 à 35 MPa (méga Pascal), peut parfois atteindre ; BPE : béton prêt à l'emploi, bétonnage soigné en usine (préfabrication) : ; BHP : béton hautes performances : jusqu'à ; BUHP : béton ultra hautes performances, en laboratoire : . BFUHP : béton fibré à ultra hautes performances : supérieur à .
La résistance en traction est moindre avec des valeurs de l'ordre 2,1 à pour un béton de type BFC. La conductivité thermique couramment utilisée est de ·m·K, à mi-chemin entre les matériaux métalliques et le bois.
Adjuvants