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Table des matières Introduction Générale : ...................................................................................... 3 Classification des matériaux ............................................................................ 3 Les trois grandes familles des matériaux ......................................................... 4 Les polymères : ............................................................................................ 4 Les métaux : ................................................................................................. 5 Les céramiques :........................................................................................... 5 Les types de comportements des matériaux : ................................................. 8 Bétons et ciments .............................................................................................. 9 Définition : ...................................................................................................... 9 Fabrication d’un béton .................................................................................. 10 Les matériaux composites : ........................................................................... 15 Béton fibré ultra haute performances .............................................................. 16 Introduction : ................................................................................................ 16 La résistance mécanique : ............................................................................. 16 La durabilité de mon béton : ......................................................................... 19 Les essais mécaniques : ................................................................................. 22 La formulation du béton ultra haute performance:....................................... 23
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Introduction Générale :
De nos jours, le plus important dans l’utilisation d’un matériau de construction dans un ouvrage, c’est de savoir sa fonctionnalité, son environnement, selon laquelle on choisit le matériau qui a des propriétés bien définis et qui vont répondre aux besoins recherchées. Classification des matériaux On peut classer ces matériaux selon : Leur composition chimique : La quantité ou la proportion de chacun des corps purs qui le composent Leurs structures atomiques : Le réarrangement des atomes ; c’est-à-dire cristallin ou bien amorphe Leurs propriétés On peut les classer on 3 grandes familles de propriétés : - Physiques - Chimique - Mécanique En ce qui concerne les propriétés physiques, on parle du comportement du matériau Exemple : la conductivité. A propos de la propriété chimique, on parle de la réaction du matériau avec son environnement Exemple : la corrosion Pour les propriétés mécaniques, comme propriété fondamentale dans le domaine de la construction, on parle du comportement du matériau vis-à-vis une sollicitation extérieure
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Exemple : La résistance mécanique et la rigidité. Les types des liaisons : Ces propriétés sont gouvernées par le type de liaison : Liaison Forte : - métallique non orientée, et existe entre des ions de signes opposés - ion covalente orientée, et qui est entre des ions identique qui partage un électron Liaison Faible : - Wanderwals ou liaison hydrogéné explique sa faible intensité
existe entre les atomes ce qui
Les trois grandes familles des matériaux Il existe trois grandes familles des matériaux : Les polymères : Sont des matériaux semi cristallines composées de plusieurs chaines mono moléculaires, liés par des liaisons de Wanderwals, sont des composés organiques basés sur le carbone, hydrogènes, autre élément non métallique Ce sont des mariaux produites par des réactions polymériques, Type des polymères : . - Les thermoplastiques - Réticulés 3D On utilise le plus fréquemment les polymères dans la partie second œuvre notamment ‘le renfort ’ Procès d’élaboration :
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Le seul problème c’est parce que ils sont de base des matériaux purifié qui font appel au chimistes pour l’élaborer en liant les radicaux et chaines moléculaires pour avoir une macromolécule , ainsi un polymères
Les métaux : Sont des matériaux cristallins qu’on utilise plus souvent dans les gros œuvre grâce à leurs propriétés les plus intéressantes , leurs ductilité gouverné par le type de liaison (métallique) qui se déplace en gardant son équilibre , ténacité, leurs opacités et leurs éclatait leurs bonne conductivité ,grâce aux déplacement des nuages électronique dans sa matière Procès d’élaboration : Ce sont des matériaux qui changent de structures cristallines en fonction de la température qu’on nomme par les ‘variables allotropiques’ Ainsi on suit souvient un procès par fusion pour les élaborer
Les céramiques : Sont des cristallins sauf le verre qui est amorphe, elles sont composés essentiellement d’oxydes métalliques, Sont très stable grâce à leurs liaison ion covalente, mais ils ont un comportement instantané a la rupture vue que leur liaisons déstabilise en l’écartant de sa position initiale.
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Procès d’élaboration : On peut suivre deux procès d’élaboration pour les céramiques : Procès par fusion : On se procède ici de la manière suivante :
matiere premiere exemple: silicium
augmenter la température jusqu'a le température de fusion
La trempe : refroidissement rapide
Céramique amorphe le verre
Ce procès on l’utilise souvent quand la qualité du produit ne nous intéresse pas, parce que l’inconvénient de ce proses c’est que vue qu’on ne peut pas stabiliser une température de fusion de 1800 °c, pc ca nécessite une grande énergie focale ou électrique, on ajoute des modificateur de réseaux (KOH, NAOH, CAOH) qui vont affaiblir la liaison forte, et par la suite diminuer la température de fusion pour assurer la rentabilité de mon produit final.
Procès par cuisson :
matiere premiere
exemple:Argile
ajouter de l'eau pour avoir une pate ceramique liquide
séchage pour avoir une pate ceramique seche
Céramique poreux
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Contre le procès par fusion, ce procès cache plusieurs difficultés, c’est-à-dire qu’il y’a plusieurs étapes à ne Pa rater notamment, le séchage et la cuisson
Pour le séchage : On peut le réaliser automatisé au four ou bien à l’aire libre La difficulté de ce dernier c’est qu’on aura des problèmes de fissures qui apparaissent au niveau de notre céramique qui est due à la pression capillaires exercé sur notre phase solide :
C’est-à-dire que par évaporation de l’eau qui est à la surface de notre pate, on a de l’eau qui monte par capillarité ; après son évaporation, il nous laisse des vides, qui exerces des contraintes de compression sur la phase solide, ainsi l’eau qui existe dans l’autre pore l’exerce de même façon ou bien d’une façon différente ça dépend la différence entre les pores qu’on a, c’est différence de pression nous faire apparaitre ces fissures,
Alors d’après ca on constate bien que la contraintes capillaires est liés au taille des pores ; ainsi la distribution des tailles des pores, de coup on peut l’annuler en se basant sur deux façons :
On jouant sur la distribution des pores ; c’est adire l’uniformité des taille des pores, pour cela on a besoin d’ajouter des adjuvants entraineur d’air, mais l’inconvénient s’agit ici en deux chose : la première c’est le cout et la deuxième c’est les effets secondaires cachés derrières La seconde solution et le meilleur, c’est en jouant sur la rigidité qui va m’aider à annuler cette pression capillaire et la contrarier Pour la cuisson: Ici on a une exigence c’est d’être vigilent de savoir la température de cuisson de chaque matériaux, puisque la cuisson c’est la transformation physicochimique de mon matériaux, qui va gouverner l’étable de la cristallisation de mon céramique, alors la propriété de mon matériau ;
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C’est pour cela il faut veiller cette étape et ne Pa la rater, c’est pour cela on fait un essai appelé : L’ANALYSE THERMIQUE DIFFERENTIELLE qui va m’aider à savoir la température (le pic exothermique et endos thermique) précise qu’il faut atteindre pour bien cuir mon céramique
Type des céramiques: On a plusieurs types des céramiques on site parmi eux : -
céramiques traditionnelles céramiques réfractaires céramiques techniques céramiques isolants LES BETONS ET CIMENTS Leurs particularité c’est leurs cuisson c’est par hydratation
Les types de comportements des matériaux : Le type des liaisons gouverne encore les comportements des matériaux : On a deux types de comportements : Comportement linaire céramiques) Comportement non linaire (les métaux)
comportement élastique (les comportement élastoplastique
Ces comportements peuvent changer en fonction de la température, ce qui donne naissance aux deux autres types des déformations : Comportement Vico élastique Comportement Vico plastique
Lorsqu’on applique une force de traction sur une barre métallique on aura les types de comportements suivants :
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Chacun de ces matériau changent de comportement en arrivant à une certaine température, cette température change en fonction des matériaux tel que : La température de changement = température de fusion /2 Et puisque chaque matériau a sa température de fusion, alors les polymères changent leurs comportement les premières, âpres les métaux, et les céramiques qui sont les plus stables vis-à-vis la température
Bétons et ciments Définition : Les bétons sont composés généralement de deux phases : - La phase granulaire - La phase poreuse
granulats Pate de ciment =colle
On a substitué la pâte de ciment qui est chère et instable par des granulats qui sont inerte et stable vis-à-vis l’environnement, ainsi pour empêchera
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propagation de la fissure qui se propage dans notre pate de ciment qui est fragile
Fabrication d’un béton Alors pour fabriquer un béton on passe par l’étape suivante :
matiere premiere granulats+cimen t+eau+adjuvants ou additis
malaxage
fluidité ouvrabilité
la prise
Durcissement
Durabilité
Hydratation La qualité de la matière première : Pour avoir un béton qui répond la propriété recherchée notamment la résistance mécanique et la rigidité, je dois tout d’abord maitriser le choix de la matière première,
On commence tout d’abord par le choix des granulats, pour utiliser la moindre quantité de ciment qu’on verra par la suite les problèmes et les difficultés dans son exécution ;
Les exigences principales sur nos granulats c’est qui doivent être : - Inertes (propres) c’est-à-dire ne contient pas d’argile qui peut causer par la suite des fissurations ainsi la rupture de mon matériau puisque l’argile subit au phénomène de gonflement-rétraction ce qui amorce la propagation des fissure
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- Leurs formes géométrique, doit être nécessairement sphérique, pour assurer leur meilleure compacité - La continuité de la courbe granulométrique, qui va nous aider à ne Pa avoir une chute de résistance, c’est-à-dire pour ne Pa remplacer la classe absente des granulats par la pâte de ciment, ce qui va toujours m’obliger à prendre un ciment de 45 MPA pour avoir que béton de 25 MPA, On peut vérifier la qualité des granulats en utilisant les essais suivants :
Les exigences principales sur notre ciment c’est qui doivent être : - Avoir un pouvoir hydraulique c’est à dire Favoriser les structures cristallines qui réagissent avec l’eau pour qu’il nous donne le nombre de liens optimisés - Assurer sa cuisson complète pour se débarrasser de calcium qui va me causer des problèmes (réactions hetragitiques) par la suite - Choisir le ciment convenable avec l’environnement que j’ai, pour savoir les structures que je dois diminuer dans mon ciment pour éviter la dégradation de mon béton On peut vérifier la qualité de mon ciment, on faisant un essai de prise feu qui va m’indiquer le taux de consommation de Ca au cours de la cuisson Les exigences principales sur l’eau c’est qu’il doit : - Avoir une teneur en chlore et en sulfate très faible pour éviter la dégradation de mon béton par la suite - Utiliser au mieux l’eau souterrain pour protéger l’environnement On peut aussi vérifier la qualité d’eau utilisé en demandant une analyse au laboratoire de l’eau que je vais utiliser
Les exigences principales sur les adjuvants et les additifs c’est qu’il doit :
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Tout d’abord il faut savoir que les additifs modifie les propriétés mécaniques de mon matériau ; c’est-à-dire qu’ils améliorent la rigidité (cendres volantes) en créant des liens supplémentaire au ceux de la pâte de ciment, aussi en ce qui concerne la résistance mécanique, on peut les ajouter aux granulats (fumé de silice) pour m’aider à remplir les touts petites tailles que les granulats n’ont Pa pu remplir, alors améliorer la compacité des granulats, donc : - Minimiser le dosage en ciment donc mieux contrôlé mon béton - Augmenter la résistance de mon béton En ce qui concerne les adjuvants, c’est qu’on les ajoute pour améliorer le comportement de mon matériau et non plus la propriété mécanique, c’est-àdire ; augmenter la fluidité, retarder la prise, durcissement rapide,
Mais le problème de ces derniers, c’est que toujours il ne faut pas dépasser5 pourcent des adjuvants, parce qu’on ne connait pas encore leurs inconvénients qui vont influencer ma durée de vie de mon béton Aussi les additif, à cause de leurs réactions hetragitiques des 3 premiers jours, me casse des liens de ciment, c’est pour cela on ne peut pas dépasser les 20 pourcent des additif pour pouvoir compenser par les réactions pouzolaniques les liens cassé
On peut bien vérifier le nombre de liens crée ou cassé en utilisant, les essaies qui me permettent de mesurer le module de rigidité
L’hydratation: Après on passe à l’étape de l’hydratation , c’est l’étape la primordiale de la vie du béton , puisqu’elle gouverne les propriétés de mon béton , alors c’est une étape qu’il ne faut pas rater , car c’est elle qui va me permettre à créer des liens optimisé ; alors l’hydratation commence dès qu’on ajoute de l’eau , elle commence à hydrater la particule de ciment à partir de la surface vers le cœur de la particule , en augmentant son volume ainsi créant des liens, alors pour l’hydratation on utilise un rapport E/C qui vaut 0.35 divisé en maniabilité et en
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hydratation , qu’on peut Pa le modifier parce que c’est lui qui va s’évaporer et me laisser des vides, qui vont devenir un défaut qui peut atteindre la longueur critique , ainsi la rupture de mon matériau par la suite , ou bien de me laisser des pores de tailles arbitraires qui vont causer un facteur de concentration de contrainte ainsi la chute de contrainte, c’est pour cela il faut respecter ce rapport et le prendre en considération , et bien sûr ne Pa le minimiser encore pour assurer l’hydratation complète de ma pate de ciment
Le malaxage: Pour l’étape de malaxage, ici on communique une énergie au particule pour qu’il puissent se déplacer et former quelque chose d’homogène par la suite, mais il faut la respecter comme même , car si j’ai mélanger autant , c’est adire j’ai dépassé le pic , les particule continuent à se déplacer , ségrégation qui se fait apparaitre , sinon j’ai mélanger assez , je n’aurai plus un mélange homogène C’est pour cela on utilise une bétonnière qui est automatisé en respectant le temps et le nombre de rotations qu’il fallait
La fluidité : Pour la fluidité, c’est le déplacement des particules l’une par rapport aux autres, alors on parle de la taille des granulats selon l’ouvrage à couler, ici on tenant compte du Dma, sort pour les zone sismique là ou utilise une grande densité de ferraillage pour éviter la ségrégation lors du coulage L’ouvrabilité: Pour l’ouvrage qui est loin de la centrale, ici on tient compte de temps ou les liens ne résiste pas a l’écoulement pour qu’ils ne se cassent pas, c’est pour cela on doit bien respecter cette étape, ici on peut ajouter des retarder de la prise si l’ouvrage est loin de la centrale à béton
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La prise: La prise, c’est le temps ou on pourra plus manipuler notre béton ; c’est-à-dire que les liens commencent à résister à l’écoulement, alors il ne faut pas le manipuler pour ne pas casser les liens ainsi diminuer ma rigidité Le durcissement: Pour le durcissement, ici on peut l’expliquer comme étant l’étape ou il aura une transformation de la phase liquide au solide, on peut ici ajouter des durcisseurs si on veut accélérer les travaux La durabilité: Durabilité, c’est notion très importante dans le domaine de construction, c’est que mon béton préserve le maximum de ses propriétés, c’est-à-dire prolonger sa durée de vie, c’est-à-dire prolonger la durée avant qui commence à perdre ses performances et ses propriétés, Alors comme on a déjà vu, que la durabilité n’est pas une propriété intrinsèque du béton, par contre elle dépend de l’environnement là où il existe, alors il faut tenir compte de l’environnement lors de fabrication de mon béton, pour contrarier au facteur qui va favoriser la dégradation de mon béton
Parmi les facteurs fameux qui facilitent la dégradation du béton : - La carbonatation - Pénétration de chlore Ces deux derniers facilitent la pénétration des éléments corrosifs aux armatures -
L’attaque acide Usures mécanique Attaque sulfate Gel dégel L’alcali réaction
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On peut encore améliorer les propriétés de mon béton en utilisant des matériaux composites
Les matériaux composites : Sont des matériaux dans le quel on fait un assemblage d’au moine deux composants non miscibles dont les propriétés se complètent Ils sont formés dans le plus souvent du : squelette +renfort liés entre eux par une interface qu’il faut assurer pour avoir une meilleur adhérence
Type des matériaux composites: On a deux types des matériaux composites : - Les matériaux fibrés - Les matériaux stratifiés Les matériaux stratifiés : sont des matériaux sous forme des couches, Ils se trouvent sous forme de deux types : - Multicouches : traitement des surfaces (couches de finition) - En sandwich : toujours sous forme de : support (cœur) + couche mince (peau) Exemple : des panneaux en sandwich Tables du bois Les matériaux fibrés : Exemple : béton armé Béton fibré Béton fibré ultra haute performances
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Béton fibré ultra haute performances
Introduction : Durant ces dernières décennies, le béton armé s’est imposé comme un matériau fiable, robuste, polyvalent et convenant à la plupart des applications pratiques. Grâce aux développements successifs dans le domaine de la technologie du Béton, la gamme de produits s’est continuellement étoffée pour répondre aux exigences les plus diverses des concepteurs et des entreprises de construction. Parallèlement à la résistance mécanique, d’autres propriétés, telles que la durabilité – considérée comme insuffisante pour certains ouvrages existants – ont fait l’objet d’études approfondies, qui ont débouché sur la mise au point d’un nouveau type de béton, dénommé béton fibré à ultra-hautes performances ou béton fibré ultra performant (BFUP). Ce nouveau béton haut de gamme permet d’atteindre des résistances mécaniques particulièrement élevées (résistance à la compression, à la traction directe et à la flexion) ainsi qu’une durabilité exceptionnelle, élargissant encore le domaine d’utilisation du béton. Le BFUP se distingue du béton usuel ou du béton à haute résistance par sa formulation, en particulier le diamètre maximal du granulat et le rapport eau/ciment (e/c).
La résistance mécanique : La résistance mécanique, contre la rigidité, ne dépend pas que des propriétés intrinsèques, elle dépend alors des défauts précisément du taille du défaut :
Si on veut bien détailler cette notion, on peut dire que la résistance mécanique dépend de deux facteurs géants :
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Le facteur de concentration de contrainte Le facteur de propagation de fissures Le facteur de propagation des fissures: Chaque matériaux, magazine une énergie élastique, qu’âpres une certaine déformation elle peut être dissipée en deux types d’énergie : Energie de déformation plastique Energie de propagation de fissures Pour les céramiques , leurs comportements rigide est gouverné par leur type de liaisons ion covalente, qui se déstabilise en l’écartant de sa position initiale , ce qui explique la non possibilité de la dissipation de l’énergie élastique en énergie de déformation plastique, alors il nous reste de travailler sur l’énergie de propagation des fissures ; L’énergie de propagation de fissure 𝑼𝒇 de son rôle est dessapée en deux types d’énergie : - L’énergie de relaxation 𝑼𝑹 - L’énergie de création de surfaces𝑼𝒔 Tel que : 𝑈𝑓 = 𝑈𝑅 + 𝑈𝑠 Avec :
Alors on peut amortir l’énergie de relaxation 𝑼𝑹 , en jouant alors sur l’énergie de création de surfaces 𝑼𝒔 tel que : 𝑈𝑓 =
𝑈𝑅 + 𝑈𝑠
C’est pour cela on ajoute des fibres, qui nous aident à créer des surfaces, mais il faut que la taille des surfaces crée soit inferieur à la taille critique du défaut 𝐿𝐶 qu’a partir de laquelle, on aura une propagation instable de la fissure :
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Les types des fibres: On peut utiliser des fibres métalliques, polymériques, et organiques, Les fibres utilisant doivent être : - De diamètre faible, pour éviter le comportement de matériau massif - De densités bien définis pour contrôler leur orientation vers la zone souhaité renforcer, alors avoir le role optimisé - Assurer leurs adhérence, pour souhaiter leurs adhérence, ce qui permettre d’avoir l’ameliorisation de la résistance souhaité, mais on utilise souvent des fibres métallique, grâce a leurs adhérence, l’accrochage mécanique, et leur rugosité, par contre les polymères malgré sont Pa cher mais ils ne réussissent Pa l’adhérence, alors ce qui vas influencer leurs role comme renfort de mon béton
La détermination de la longueur critique du défaut:
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Le facteur de concentration des contraintes:
Plaque de GRIFIT : Ici on crée un défaut au sein du matériau, et on applique une contrainte , on mesure la résistance de mon matériau et on constate que le défaut le plus grand , c’est celui qui a la plus faible résistance , la contrainte au niveau du quel elle peut atteindre l’énergie maximale suffisante pour atteindre la rupture de mon matériau , ici on parle alors du facteur de concentration des contraintes , ce qui explique , la chute de résistance de mon matériau , puisque la valeur mesuré de la contrainte nous donne la moyenne ou l’écart type de la résistance au niveau de tout le matériau , alors la contrainte à la rupture dépend de la longueur et le rayon du défaut comme suivant :
C’est pou cela on utilise un rapport E /C minimal pour éviter le problème de la porosité , ainsi on peut ajouter des entraineur d’air qui vont m’aider a avoir une porosité uniforme ,ainsi pour minimiser la probabilité d’avoir des défaut que leur tailles peuvent atteindre la longueur LCD , qui entraine la propagation instable de la fissure
La durabilité de mon béton : Alors, Pour éviter cette chute de contrainte ainsi prolonger la durée de vie de mon béton, on travaille sur les deux phases de mon béton :
Phase solide :
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On commence tout d’abord par la phase solide, pour minimiser l’utilisation de la pate de ciment ainsi les problèmes des pores ,alors on veille la compacité maximale des granulat , en prenant les granulats de différentes tailles , c'està-dire la continuité de la courbe granulométrique , pour éviter l’absence de la classe granulométrique qui sera remplacé par la pate de ciment , ce qui va nous pousser à toujours acheter des ciment de résistance plus grande pour a peine atteindre la résistance qu’on veut, Pour éviter ca, il faut ; 1- Prendre des différentes taille jusqu'à Dma = 4mm On prend Dma =4mm pour avoir une certaine fluidité de mon béton ce qui va m’aider à réaliser des géométries bien définis et spéciaux, ainsi pour facilité la mise en œuvre 2- Prendre des granulats propres pour éviter les réactions alcalins qui fragilisent mon béton et de géométrie bien définis (sphériques) pour assurer la compacité maximale ainsi la résistance maximale recherchée 3- Ajouter des additif (fumé de silice) qui vont encore compacter mon béton puis=saque leurs taille est inferieur à celle des ciments, ainsi minimiser la porosité granulaire, alors moins de pate de ciment, c'est-àdire moine de problèmes de défauts
Phase poreuse En ce qui concerne la pate de ciment 1- on veille à l’hydrater complètement pour avoir le nombre de liens optimisés , aussi , on peut ajouter des additifs tels que les cendres violentes qui vont aider la pate de ciment à construire plus de liens ,alors augmenter la rigidité de ma pate pour résister au problème de gel dégel, qui va amorcer par expansion la fissure on peut aussi ajouter des adjuvant entraineur d’air , 2- utiliser un rapport E/C trop faible qui va m’aider à minimiser le volume poreux et aussi pour réduire les problèmes de pénétrations des éléments H2O et 02 qui favorisent la dégradation de mon béton (corrosion des fibres) Minimiser le phénomène de diffusion (C02 et chlores) qui vont favoriser la hispanisation de ma couche passive qui protège les fibres alors,
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dégradation de mon bétonnent augmentant la masse volumique et diminuer le volume poreux On a encore augmentation de la résistance et la rigidité proportionnellement avec la masse volumique tel que :
3- un ciment de dosage plus élevé qui puât atteindre les 150MPA pour avoir la résistance a la sollicitation exercé 4- choisir le type de ciment convenable avec l’environnement, c'est-à-dire : La teneur faible en éléments qui régissent avec l’environnement Exemple : C3A qui réagit avec les sulfates 5- prise en compte des milieux ou environnement : surtout en fonction de l’acidité du milieu qui va minimiser le PH du béton en consommant les OH ainsi la disparition des couches passives, donc dégradation des fibres 6- prendre ciment faible teneur en Ca pour tendre les réactions alcalin qui vont ex penser, alors apparaitre de la fissure au niveau de ma pate de ciment
0n peut encore améliorer le comportement de mon béton en ajoutant des adjuvants super plastifiant, plastifiant hydrofuges, pour soit faciliter la mise en œuvre de mon béton ou bien diminuer sa conductivité et sa perméabilité
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Les essais mécaniques :
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La formulation du béton ultra haute performance:
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