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
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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. |
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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.
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© 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.