D’Auguste, empereur de Rome,  aux nanotechnologies

ou la singulière histoire des progrès du béton

 

Professeur Yves Malier,

Académie des technologies, ancien directeur de l’ENS de Cachan

 

 

 

Avec près de 7 milliards de mètres cubes produits annuellement,  le béton est le matériau le plus utilisé dans le monde…

 

Il est sans doute aussi le matériau dont l’histoire est la plus singulière.

           

 

MÉLANGE DE GRANULATS, de sables, de liants hydrauliques  et d’eau, il fut inventé  par les Romains, il y a plus de deux  mille ans. Dans ce mélange, les Romains  employaient comme liant hydraulique  la chaux vive obtenue par cuisson de  calcaire. Ils avaient constaté que le  mélange de chaux vive et de sables  d’origine volcanique (Santorin,  Pouzzoles) donnait un produit capable  de faire “ prise ” dans l’eau pour devenir  très résistant. 

 

Bien que la main-d’oeuvre soit, en  ces périodes, “abondante”, les constructeurs  romains avaient compris tout  l’intérêt, pour obtenir des formes audacieuses  et légères, de substituer parfois  à l’habituelle et pénible taille de  pierre le coulage dans un moule d’un  mélange fluide qui ensuite, au repos,  grâce aux réactions d’hydratation du  liant hydraulique, prenait fermeté,  cohésion, résistance et durabilité. 

 

De remarquables architectes, contemporains de Marcus Vitruvius  (dit Vitruve), surent tirer le meilleur  parti de ce matériau. Ainsi, dallages, supports durables de mosaïques, fondations  en zones humides ou immergées  et très grandes coques légères  furent les premières applications.  L’un des plus frappants témoignages  de cette construction en béton est  sans doute le Panthéon de Rome  construit sous le règne d’Auguste,  remarquablement conseillé par  Agrippa, son “ ministre des grands  travaux”, puis sous le règne d’Hadrien  avec une coupole de 44 mètres réalisée  en “ béton léger ” dans lequel les  granulats étaient briques concassées,  tuf et pierre ponce. Cette coupole  résista parfaitement aux modifications  multiples apportées peu après  sa construction, aux sévères incendies  dont fut victime le bâtiment et,  chacun peut le constater, aux érosions  naturelles du temps. Ainsi fut  très tôt démontrée la durabilité du  premier matériau composite de l’histoire  des techniques industrielles. 

 

 

Après Vitruve,  un long sommeil… 

 

Durant les bouleversements du  Haut Moyen Âge et dès le IIIe siècle,  la technologie du béton se perdit complètement…  Il est vrai aussi que,  guerre après guerre, les métiers des  armes avaient fait progresser la connaissance  des matériaux métalliques et  l’application de cette connaissance à  la fabrication de nouveaux outils.  Ainsi, l’intuition de l’écrouissage par  martelage et la maîtrise de l’affûtage  par abrasion furent, à mon avis, décisives  car ces techniques permirent  de nouvelles générations de scies.  L’abondance de la forêt fit le reste.  Sans jamais s’approcher du haut niveau  technologique que les Chinois maîtrisaient  déjà depuis plus d’un millénaire  en ce domaine, la construction  en bois se généralisa dans toute l’Europe  jusqu’à l’époque de Charlemagne.  Soucieuse de plus de pérennité, la  deuxième moitié du Moyen Âge remit  à l’honneur la taille et l’empilement  des pierres en travaillant, comme dans toutes les périodes suivantes jusqu’à  la fin du XVIIIe siècle, bien plus sur les  technologies de débitage de pierres,  de liaisons entre blocs, de couplages  pierre-bois, de lancements de cintres…  que sur les technologies de substitution  que, avec le béton, les Romains  avaient mises à l’honneur. Aussi, dans  toutes ces périodes successives, les  ouvrages (châteaux forts, cathédrales,  ouvrages maritimes, ponts, palais)  furent en pierre. Les réactions d’hydratation  de la chaux ne furent utilisées  que dans le seul objectif de réaliser  des étanchéités, des joints ou des  revêtements minces et décoratifs de  façades. 

 

Plus surprenant encore, les redécouvertes  de livres anciens, tels les  extraordinaires X livres d’architecture  de Vitruve[1], pourtant traduits en 1673  par l’architecte du roi Claude Perrault,  n’eurent, des seuls points de vue du  matériau béton, aucun effet sur l’architecture  de toutes ces périodes de  grandes constructions.

 

 

Soudain Vicat sonne le réveil ! 

 

Le premier virage fut en fait pris en  1756 par John Smeaton, qui découvrit  que les chaux les plus hydrauliques,  donc celles effectuant les  meilleures “ prises ”, sont obtenues à  partir d’un mélange de calcaire et d’argile  et non, comme on le croyait depuis  toujours, de calcaire pur. Il fallut pourtant  encore attendre près de quatre-vingts  ans et toute la curiosité scientifique  et la culture technologique de  Louis Vicat. Ingénieur des Ponts et  Chaussées en poste en Dordogne, las  d’attendre ses crédits de travaux neufs,  il étudiait les mortiers (mélanges de  sables et de liant) en vue de la fondation  en rivière de piles de ponts  quand, de 1812 à 1818, il élabora les  premiers éléments de la théorie de  l’hydraulicité. Dans cette théorie, il  caractérisa le “ pouvoir hydraulique ”  du liant artificiel obtenu par cuisson  et son évolution en fonction des teneurs  respectives en calcaire et en argile.  L. Vicat[2] posa ainsi les bases scientifiques  des ciments artificiels et traça  les premières adaptations de leurs  propriétés en fonction du dosage de  chacun des constituants. Quelque  temps après, John Aspdin, en 1824,  à Leeds, proposa une formule de  ciment artificiel appelé Portland (pour  sa ressemblance avec la roche grise  extraite de la presqu’île de Portland).  Les premières voies de recherches  consacrées aux liants hydrauliques  étaient ouvertes.

 

Il fallut alors moins de trois  dizaines d’années pour que la mise  au point industrielle soit rendue  fiable par, notamment, Demarle,  Léopold et Augustin Pavin de Lafarge,  Piquety, L. Vicat…, et que les premiers  ouvrages soient réalisés. 

 

Par ailleurs, le principe de poutres  composites comprenant des armatures  métalliques pour équilibrer  les efforts de traction avait déjà été  utilisé par Jean-Baptiste Rondelet  au XVIIIe siècle lors de la construction  en pierres du Panthéon à Paris.  Ce principe fut singulièrement repris  et appliqué au béton par le modeste  chantier naval de Joseph Lambot en  1848 pour réaliser une barque en  béton armé, puis par le jardinier  paysagiste Joseph Monier en 1849…  pour des caisses à fleurs et à arbres,  avant que François Coignet en 1852  réalise les premières applications en  bâtiment à Saint-Denis.

 

Après tant de siècles de rupture,  la jonction avec Rome  était enfin refaite ! 

 

À côté de François Coignet en  France, en Allemagne et en Autriche,  A. Wayss exploita les brevets de J. Monier  et W. E. Ward en Angleterre et, surtout,  en Amérique du Nord rechercha  d’autres applications du béton armé  notamment en privilégiant la protection  contre l’incendie des nombreuses  et grandes structures métalliques très  en vogue à cette époque. 

 

Après ces quelques années de  conceptions empiriques, François  Hennebique ouvrit la voie du calcul  et de la conception modernes. De  1880 à 1900, les ouvrages en béton  se multiplièrent. Charles Rabut[3] créa,  en 1898, à l’école nationale des Ponts  et Chaussées, le premier cours de  béton armé. Si le lecteur m’autorise  une note personnelle, je dirais que  je suis très sensible à cette date puisque  c’est exactement cent ans plus tard  que j’arriverai au terme légal de mes  quinze ans de titulaire de cette même  chaire à l’école des Ponts et Chaussées.  Rappelons aussi que l’administration  française publia, le 20 octobre 1906,  le premier règlement de calcul existant  au monde.

 

Une autre singularité de l’histoire  du béton tient aux types d’innovations  que connut la construction en  béton de 1875 à 1975-1980. 

 

Si l’on excepte quelques cas particuliers,  il est frappant de constater  que durant ce siècle de très fort développement  marqué par des réalisations  exceptionnelles, le béton est  longtemps resté, pour l’ingénieur  concepteur-constructeur, une “ boîte  noire ” aux propriétés assez figées,  “ boîte noire ” caractérisée par ses  seules propriétés mécaniques macroscopiques  (résistance à la rupture,  module d’élasticité, coefficient de  fluage…). Ainsi, au plan de la  recherche et de l’innovation, les efforts  ont alors porté sur les économies  d’énergie et de matières premières  associées à la production des matériaux  de base (ciments, granulats),  sur les choix de formes de structures,  sur l’amélioration des technologies  de mise en oeuvre, sur les associations  macroscopiques acier-béton  dans les grandes structures, sur le  développement de la construction  par composants et sur les process  visant à donner une redistribution  intelligente des sollicitations dans la  matière (l’invention de la précontrainte  par Eugène Freyssinet, en  1928, en est le meilleur exemple).

 

 

 

Un saut technologique :  du béton… aux bétons

 

Après de longues décennies laissant  les propriétés du béton sensiblement  à leur état d’origine, les années 1980  virent quelques ingénieurs et quelques  chercheurs avides de pluridisciplinarité  s’associer pour “ ouvrir la boîte  noire ” afin de donner de nouvelles  propriétés constructives à ce matériau  désormais devenu universel. Ainsi  naquit une nouvelle génération de  bétons, bétons pour la première fois  appelés par Roger Lacroix et moi-même,  en 1981 et 1982, lors des  Assises nationales de la Recherche,  “ bétons à hautes performances[4] (BHP) et parfois nommés durant cette  décennie par les responsables de  l’American Concrete Institute, “ the  French Approach[5] ”. Dans ces  années 80, les premières voies de  recherche explorées en termes de propriétés  constructives furent la maniabilité  et la pompabilité du béton frais,  la résistance au très jeune âge, la réduction  de la porosité et la résistance  finale du béton durci. Conçus par des  ingénieurs innovants, dont Pierre  Richard de l’entreprise Bouygues fut  au plan mondial le pionnier, de nombreux  ouvrages permirent de valoriser  ces propriétés en termes de délais  d’exécution, de facilité de mise en  oeuvre, d’allègement de formes, d’étanchéité  aux gaz ou encore de gains sur  le coût des fondations. Le pont de l’île  de Ré, le viaduc de Sylans, l’Arche de  la Défense, les 650 000 voussoirs du  tunnel sous la Manche, l’arc de la  Rance, la centrale nucléaire de Civaux  et de très nombreux éléments préfabriqués  en usine marquèrent en France  plus qu’ailleurs les diversités d’emploi  de ces nouveaux bétons. Au plan  scientifique, l’obtention de ces BHP  provenait aussi de l’adaptation aux  problématiques de la construction de  résultats de recherches développées,  en fait, pour d’autres secteurs industriels  à plus forte valeur ajoutée (telles  les industries pharmaceutiques et  agro-alimentaires avec les mécanismes  de défloculation de grains). L’obtention  de ces BHP s’appuyait aussi sur les  transferts de résultats de recherches relatives  à l’optimisation des empilements  granulaires. Les travaux de Pierre-Gilles de Gennes et surtout d’Étienne  Guyon[6] ont fortement contribué à  nous aider à concevoir, en les appliquant  à notre matériau, l’intérêt considérable  de “ bétons à quatre échelles  de grains ” (cailloux, sables, ciments  et ultrafines). La concrétisation, notamment  par François de Larrard[7] dans  mon équipe du LCPC, de l’idée de  cette quatrième échelle de grains par  des ultrafines (0,1 micron), concrétisation  indispensable au renforcement  de la compacité du mélange granulaire,  allait, par ricochet, révolutionner  l’industrie de l’adjuvantation jusqu’alors  modestement développée.  En effet, à ces dimensions microscopiques,  les phénomènes de floculation  doivent impérativement être maîtrisés  par des plastifiants défloculants  performants mais dont l’action chimique  ne doit en rien perturber la  qualité des réactions d’hydratation du  ciment. Il y avait là un défi majeur  pour l’industrie cimentière et l’industrie  chimique qui ont accompli,  ensemble, de gros efforts de recherche  pour trouver de nouvelles générations  de molécules à emplois aisés, à fiabilité  de résultats sur la mise en oeuvre  robustes et donc à moindre sensibilité  aux aléas de chantier.

 

Dans le même temps, des études  multiéchelles ont abouti à des modélisations  prédictives des effets couplés  chimiques-mécaniques-thermiques  (Paul Acker[8], Pierre-Claude  Aïtcin[9]) durant les phases de changement  d’état du béton et durant les  phases de durcissement et de vieillissement.  De même, d’autres études  multi-échelles ont montré tout l’intérêt  de développer de nouvelles familles  de fibres et de microfibres dont l’emploi  modifie désormais radicalement  les propriétés constructives du composite  (Pierre Rossi[10]). 

 

 

Des avancées sociales et  environnementales induites 

 

L’intérêt de ces nouveaux bétons,  qu’ils s’appellent BHP, BUHP (bétons  à hautes ou ultra-hautes performances), BAP  (bétons auto-plaçants) ou autres…, est  certes d’abord d’ordre mécanique tant  il est vrai que l’on peut désormais  considérablement varier la rhéologie  et les capacités d’écoulement du béton  à l’état frais d’une part, la résistance,  l’élasticité, le fluage, la porosité ou  encore la rugosité de surface du béton  durci, d’autre part. Mais je tiens à affirmer  qu’il est et qu’il sera surtout d’ordre  social et environnemental. En effet,  ces bétons modifient profondément  les conditions de travail sur le chantier  ou à l’usine de préfabrication :  pompages systématiques, disparition  de la si bruyante et si pénible vibration,  acquisition rapide de la résistance,  rhéologie adaptable à la nature  et aux dimensions de l’ouvrage, etc.,  signifiant en fait réduction considérable  de la pénibilité et donc de l’accidentabilité,  réduction des matériels  de chantiers, forte réduction des nuisances  pour le voisinage, réduction  des délais de fabrication et donc des  durées de chantiers. 

 

Le concepteur doit désormais s’approprier  tous ces potentiels d’amélioration.  Il va aussi, sous réserve de cette  appropriation en vue d’une approche  systémique de son projet, concevoir un  ouvrage plus économique. 

 

Dès aujourd’hui, grâce à la très  grande qualité de nos entreprises et  de nos industriels du matériau, de  nombreuses réalisations récentes effectuées en France, un des pays pilotes  dans ce domaine, montrent que ces  bétons sont potentiellement livrables  en tous points du territoire et sont  adaptés, à condition qu’il y ait une  réflexion initiale, à tous les types et  toutes les dimensions de chantiers,  des plus importants aux plus modestes…  Ces réalisations, au bilan toujours positif,  sont aussi l’occasion d’attiser les  regrets que l’on a d’observer encore  trop souvent, sur beaucoup d’autres  projets, la frilosité de certains prescripteurs  dont les formations initiale et  continue semblent vraiment parfois,  quel que soit leur âge, avoir été reçues  bien avant le saut technologique des  années 80! Je regrette que ces carences  de formation desservent gravement les  intérêts bien compris du maître d’ouvrage  en matière de qualité, d’économie  et de coûts de maintenance future.  Elles desservent aussi les intérêts de  notre société en matière d’amélioration  des conditions de travail, de respect  de l’environnement et de développement  durable. Elles entravent  enfin la valorisation des grandes capacités  d’innovation de nos entreprises et  de nos industriels.

 

 

 Archimède et Démocrite, complices du futur

 

Par ailleurs, aujourd’hui, nous  sommes quelques-uns à dire que  s’amorce déjà un autre saut technologique,  celui qui va résulter de nouvelles  approches de notre composite  à l’échelle nanométrique. 

 

À cette échelle, des travaux exploratoires  majeurs laissent espérer, dans  un délai raisonnable, une très grande  maîtrise des phénomènes qui conditionnent  à la fois les qualités de l’hydratation  et la maîtrise de la rhéologie  dans tous les régimes transitoires  par lesquels passent la mise en oeuvre,  la prise, le durcissement et le vieillissement  du béton. Nous ne citerons  qu’un exemple. Les travaux très récents  de Paul Jouanna[11] proposent une  approche totalement nouvelle dite  phéno-corpusculaire de notre “vieux”  matériau en affrontant le fossé spatio-temporel  macro-nano par imbrication  de l’expérimentation phénoménologique  qui a été à la base du  point de vue d’Archimède et de la  modélisation corpusculaire qui, après  son extraordinaire intuition de l’atome,  était sans doute le rêve de Démocrite. 

 

Cette approche est particulièrement  riche d’espérances tant en matière  de conception de nouveaux adjuvants  que d’élaboration de types de ciments  et de formulations de bétons encore  plus optimisées, ou que de procédures  fiables de contrôle continu de  la qualité du matériau au cours de  son élaboration.

 

Bref, les développements scientifiques  actuels sur ce matériau, que tant  croyaient si teinté d’archaïsme il y a  quelques décennies, sont en train de  bouleverser et bouleverseront plus  encore les résultats économiques,  esthétiques, sociaux et environnementaux  de l’acte de construire. 

 

L’énorme marché mondial des  seules constructions courantes  consomme annuellement plus de 85%  du béton produit. Sur ce marché, l’appropriation  par les constructeurs des  possibilités qu’offrent toutes les nouvelles  performances de ces bétons  actuels et futurs commence à se traduire  et va se traduire plus encore dès  la prochaine décennie par la réalisation  de constructions très porteuses de  développement durable. Il ne fait pour  moi aucun doute que les potentiels  d’adaptation dans le temps du “ bâti ”  aux évolutions des besoins de l’homme  et de la société vont s’en trouver très  considérablement renforcés. 

 

S’agissant des constructions plus  exceptionnelles, après Normandie,  Millau, l’opéra de Pékin et bien d’autres  remarquables ouvrages, Michel  Virlogeux, Bernard Tardieu, Paul  Andreu, Rudy Ricciotti et tous les  concepteurs, ingénieurs ou architectes  les plus innovants, en continuant d’orchestrer  l’utilisation de ces nouveaux  matériaux, ne manqueront pas d’occasions  de nous faire encore rêver à  d’autres grands projets que les entreprises  et les industriels français sauront  parfaitement réaliser à travers le monde.

 

J’espère avoir un peu contribué à montrer au lecteur que, depuis Rome, l’évolution de notre matériau n’a toujours été caractérisée que par des périodes “ dormantes ” entrecoupées de sauts technologiques. Depuis l’époque romaine, ces sauts technologiques ont tous été marqués, au plan scientifique, par la transversalité et la pluridisciplinarité, au plan technologique,  par la prise de conscience d’un point de blocage au développement de la société et, au plan humain, par la rencontre d’un savant et d’un ingénieur… sauf quand parfois, n’est-ce pas Louis Vicat, le même homme était les deux. Ainsi, il ne fait pour moi aucun doute que l’avenir de la recherche relative au béton ne pourra se faire que dans des “ ateliers ” pluridisciplinaires propices au dialogue entre physiciens, chimistes, mécaniciens, géologues,  mathématiciens et biologistes.  Cette condition nécessaire étant  assurée, elle ne deviendra condition suffisante de grande réussite que si ces “ ateliers ” sont aussi le lieu privilégié  d’écoute des meilleurs architectes, des meilleurs urbanistes, des meilleurs ingénieurs de conception, des meilleurs ingénieurs de production et des meilleurs spécialistes d’environnement.  Enfin, nous ne devons pas oublier que, lors des sauts technologiques antérieurs, certaines des étincelles, qui ont déclenché le progrès des process relatifs à notre matériau, ont été apportées, comme on l’a vu, au XIXe siècle par un constructeur de bateaux et par un fleuriste paysagiste puis, plus près de nous, pour la défloculation, par un pharmacien et par un chimiste minotier. Ces “ ateliers ” gagneront donc toujours à être aussi le lieu d’accueil régulier des meilleurs innovateurs des autres secteurs industriels,  fussent-ils très éloignés du secteur de la construction.

 

 

 

Google
  Web "les petites toulousaines"   


Psychosonique Yogathérapie Psychanalyse & Psychothérapie Dynamique des groupes Eléments Personnels

© Copyright Bernard AURIOL (email = auriol @ free . fr)

dernière mise à jour le

19 Juin 2008

Cette page est extraite de
LA JAUNE ET LA ROUGE
Revue mensuelle de la societe amicale des anciens eleves de l’Ecole Polytechnique

avec l'aimable cooperation de l'auteur.

 



[1]  VITRUVE, Les dix livres d’architecture, Ier siècle  av. J.-C. (traduction par C. PERRAULT, 1673),  Paris, Balland, 1979, 350 p.

[2] VICAT L., Recherches expérimentales sur les  chaux de construction, les bétons et les mortiers  ordinaires, 1818, Paris, Goujon, XII-103-XXV p.

[3] RABUT C., Cours de construction en béton  armé — Notes prises par les élèves, 1899, École  nationale des Ponts et Chaussées, Paris.

[4] MALIER Y., Les bétons à hautes performances  — Du matériau à l’ouvrage, 1990, Paris, Presses  de l’ENPC, 2e éd., 550 p. (in English, Spon-  Chapman and Hall — New York 1992).

[5] MALIER Y., The French Approach to using HPC,  July 1991, Concrete International, American  Concrete Institute — Vol 13, n° 7, p. 28-33, New  York (titre de G. LEIGH, président délégué de  l’ACI).

[6] GUYON É., HULIN J.-P., Granites et fumées,  un peu d’ordre dans les mélanges, 1997, Préface  de P.-G. DE GENNES, Odile Jacob Sciences, 283 p.

[7] de LARRARD F., Formulations et propriétés  des bétons à hautes performances, 1988, Paris,  Rapport de recherche du LCPC, 335 p. 

[8] ACKER P., Comportement mécanique du béton  — Apport de l’approche physico-chimique, 1988,  Paris, Rapport de recherche du LCPC.

[9] AÏTCIN P.-C., Les bétons haute performance,  2001, Paris, Eyrolles, 680 p.

[10] ROSSI P., Les bétons de fibres métalliques,  1998, Paris, Presses des Ponts et Chaussées,  312 p.

[11] JOUANNA P., Approche phéno-corpusculaire  de phases et nanophases. Voies ouvertes en  sciences des géomatériaux, 2005, Mémoire de  recherche, Université de Montpellier-II, 240 p.