HomeGuide pratique du béton1.5 Additifs et fibres

1.5 Additifs et fibres

 

1.5.1 Introduction

Les additions sont généralement des additions minérales sous forme de poudre fine ou de fibres qui peuvent améliorer certaines propriétés du béton (fig. 1.5.1). A quelques exceptions près, elles peuvent être employées tant dans le ciment que dans le béton. Parmi les additions, on compte:
  • farine de roche (farine de calcaire et de quartz)
  • cendre volante
  • fumée de silice
  • schiste calciné
  • laitiers granulés de haut fourneau
  • pouzzolane
  • pigments
  • fibres
Les additions au ciment sont utilisées comme constituants principaux pour réduire la teneur en clinker du ciment. Elles sont incorporées au ciment en usine par cobroyage ou par mélange avec le clinker. On obtient ainsi, non seulement un dosage précis et constant, mais également une répartition homogène des additions dans le ciment.

Les additions au béton sont ajoutées au mélange dans le malaxeur de la centrale à béton. Il est ainsi possible de choisir librement les proportions du mélange addition – ciment et de les adapter précisément aux exigences de la recette. Cet avantage ne va cependant pas sans quelques inconvénients. D’abord, le stockage séparé des additions nécessite des silos, des équipements de dosage et des contrôles supplémentaires. Ensuite, certaines additions ont tendance à former des grumeaux lors d’un stockage prolongé. Enfin, la confection d’un béton homogène requiert parfois une durée de malaxage plus longue.


image
Fig. 1.5.1: Surface spécifique des additions en comparaison avec le ciment.

 

1.5.2 Exigences normatives

Au contraire des adjuvants, chaque addition est régie par une norme produit spécifique. Les additions au ciment sont réglementées dans la norme SN EN 197­1. Le tableau 1.5.1 offre un aperçu des additions au béton les plus importantes et leurs normes produits correspon­dantes.




image
Tab. 1.5.1: Aperçu des additions au béton les plus importantes et leurs normes produits correspondantes.

La norme SN EN 206­ distingue deux types d’additions:

le type I désigne les substances inertes (p. ex. le filler cal­caire et les pigments), qui n’engendrent pas de réaction chimique. Les additions du type II ont un caractère chimi­quement réactif, tels que les cendres volantes, la fumée de silice, le laitier granulé et les pouzzolanes. La prise en compte des additions de type II n’est admise que pour les cendres volantes, les fumées de silice, les laitiers granulés et certaines pouzzolanes, comme p. ex. Hydrolith F200. Une partie des additions peut être prise en compte pour le calcul du dosage minimal en ciment et du rapport eau/ ciment maximal selon le concept du coefficient k pour les bétons à propriétés spécifiées. La valeur du coefficient k et les quantités maximales à prendre en compte dépendent du type d’addition et de leur réactivité chimique.
Le tableau 1.5.2 donne une synthèse des informations les plus importantes – coefficient k, type de ciment, classe d’exposition / sorte de béton et dosage maximal d’addition pour les additions du type II admises en Suisse. Les combinaisons de ciments et d’additions ne figurant pas dans le tableau ne sont pas admises, mais peuvent être libérées suite à une procédure de validation selon le cahier technique 2049 .

image



image
Tab. 1.5.2: Prise en compte des additions du type II selon la norme SN EN 206.

Lors de l’application du concept du coefficient k, il faut impérativement respecter les 4 conditions suivantes. La condition 3 s’applique seulement en cas d’utilisation conjointe de plusieurs additions réactives.

Condition 1:
Détermination du dosage en ciment minimal Cmin, add en cas d’utilisation d’addition:

image
Eq. 1.5.1–1.5.3.

image

image
Condition 2:
Quantité maximale d’additions réactives pouvant être considérée (voir tab. 1.5.2).


image
Condition 3:
Calcul du dosage maximal d’addition réactives (max. AR) en cas d’utilisation conjointe de plusieurs additions réactives, afin d’assurer une alcalinité suffisante de la solution des pores du béton armé et précontraint. Le calcul est valable seulement pour les ciments CEM I et CEM II/A-LL et la combinaison des cendres volantes avec de la fumée de silice ainsi que la combinaison de l’Hydrolith F200 avec la fumée de silice. Une utilisation conjointe de fumée de silice et du laitier ou de fumée de silice et d’autres additions pouzzolaniques n’est pas admise. Les deux conditions partielles (3a et 3b) doivent être satisfaites.

Condition partielle 3a:
max. cendre volante ≤ (0.66 ∙ C − 3 ∙ FS)
ou
max. Hydrolith F200 ≤ (0.66 ∙ C − 3 ∙ FS)

Condition partielle 3b:
max. fumée de silice ≤ 0.11 ∙ C

Condition 4:
Calcul du rapport équivalent E/Céq

image
Eq. 1.5.4.
Pour le calcul volumétrique deux cas de figure se présentent pour respecter le rapport E/C maximal sans tenir compte des additions.

Cas 1: réduction de la teneur en eau

Cas 2: augmentation du dosage minimal en ciment en tenant compte des additions Cmin,add au dosage minimal en ciment Cmin sans tenir compte des additions

image
Cas 1:
La teneur en eau doit être réduite de 182 kg/m3 à 179 kg/m3 en appliquant le concept du coefficient k.

Cas 2:
Le dosage minimal en ciment Cmin, add doit être augmenté de 276 kg/m3 à 280 kg/m3 en appliquant le concept du coefficient k.
En cas d’utilisation conjointe de plusieurs additions réactives, il est possible d’en tenir compte pour le calcul du dosage en ciment en appliquant leur coefficient k (Céq = Cmin, add + Σ ki ⋅ max. ARprise en compte).

1.5.3 Propriétés des additions inertes

Farines de roche

Les poudres de roche comme les farines de calcaire ou de quartz complètent et améliorent le squelette granulaire du béton au niveau des farines en raison de leur finesse et de la forme de leurs grains, ainsi que de leur granularité. On les ajoute par exemple aux sables pauvres en farines afin d’enrichir cette classe granulaire en éléments fins, ce qui se traduit par une meilleure ouvrabilité et une texture plus compacte du mélange. Par leur effet de remplissage, elles réduisent la porosité du béton. L’aptitude à l’emploi des farines de calcaire ou de quartz prévu doit être vérifiée.

Le dosage en pigments – quelques pourcents de la masse du ciment – est dicté par l’intensité de la teinte recherchée et figure dans la documentation du fournisseur. Avec le temps, une certaine atténuation de la teinte des bétons colorés est inévitable, même si l’on utilise les meilleurs pigments. Les bétons teintés peuvent être confectionnés avec du ciment gris ou blanc (béton de parement).

Avant et après la production et mise en oeuvre de bétons colorés, il faut soigneusement nettoyer le malaxeur, les véhicules de transport et les dispositifs de transbordement et de mise en place du béton, sous peine de tacher ou teinter les gâchées suivantes.

image
Fig. 1.5.2: Béton coloré avec des pigments.


1.5.4 Propriétés des additions chimiquement réactives

Composition chimique

Le diagramme ternaire CaO / SiO2 / Al2O3 + Fe2O3 montre les relations chimiques entre les additions réactives de schiste calciné, cendre volante, fumée de silice, laitier granulé et le clinker de ciment Portland (fig. 1.5.3). Les additions avec une haute teneur en CaO réagissent plutôt de manière hydraulique, tandis que celles avec une teneur élevée en SiO2 ont un comportement pouzzolanique. Les mécanismes de réaction du clinker de ciment Portland et des additions réactives sont décrits plus en détails au chapitre 2.1.

Le clinker de ciment a par exemple une composition courante de 68 % CaO / 24 % SiO2 / 8 % Al2O3 + Fe2O3. Le diagramme met en évidence que le schiste calciné et le laitier granulé sont les plus proches du clinker de ciment Portland. De ce fait, on peut s’attendre à ce que leur réaction soit hydraulique ou hydraulique latente .
image
Fig. 1.5.3: Diagramme ternaire CaO / SiO2 / Al2O3 + Fe2O3 des additions réactives et du clinker de ciment Portland.

Schiste calciné

Le schiste bitumineux est une roche sédimentaire, qui contient des composants organiques combustibles (nommés kérogène) (fig. 1.5.4). Grâce à ses composants organiques, le schiste bitumineux peut brûler à une température d’environ 800° C de façon autonome, sans apport d’énergie extérieur. Ce processus de combustion produit le schiste calciné, qui est composé de différents éléments anorganiques, chimiquement réactifs. L’énergie libérée par le processus thermique peut être exploitée pour produire de l’électricité.

Le schiste calciné est uniquement utilisé comme addition au ciment. Les ciments qui contiennent du schiste calciné moulu se comportent de façon semblable aux ciments contenant des additions pouzzolaniques. Ils sont caractérisés par un développement modéré de chaleur d’hydratation, une excellente capacité de rétention d’eau et de stabilité avant la prise ainsi que par une durabilité élevée.


image
Fig. 1.5.4: Carrière de schistes bitumineux proche de Rottweil/D.

 

Cendre volante

Les cendres volantes sont un sous-produit des centrales thermiques, dont la qualité dépend non seulement du charbon utilisé comme combustible, mais aussi des installations techniques de la centrale et de son mode d’exploitation.

Les cendres volantes sont constituées de particules dont la finesse et la forme sphérique caractéristique (fig. 1.5.5) contribuent à améliorer l’ouvrabilité du béton frais. Les cendres volantes sont des additions typiquement pouzzolaniques. Les bétons à cendres volantes montrent, en accord avec leur réaction lente, un développement réduit de chaleur d’hydratation et de résistance à la compression.

Ceci exige une prolongation des délais de décoffrage et des durées de cure. Par contre l’activité pouzzolanique, au-delà de l’âge habituel des essais à 28 jours, conduit à un gain de résistance ultérieure et à une densification microstructurale supplémentaire.

image
Fig. 1.5.5: Forme caractéristique des cendres volantes (photo au microscope électronique à balayage).

 

Fumée de silice

La fumée de silice est composée de poussières riches en silice réactive, provenant de la production d’alliages de silice à haute température et récoltées dans des filtres à poussières. Elles sont livrées sous forme pulvérulente ou en suspension aqueuse (slurry) et ne sont utilisées, à cause de leur prix élevé, que pour des applications particulières, telles que les bétons projetés, les bétons à hautes résistances ou à ultra-hautes performances.

En raison de son extrême finesse et sa haute teneur en silice, la fumée de silice, parfois aussi appelée microsilice, possède une réactivité chimique très élevée. Elle peut occasionner des difficultés de dosage ou d’homogénéité durant la production du béton. De ce fait, il est préférable d’employer directement un ciment Portland à la fumée de silice.

La fumée de silice influe sur les propriétés suivantes du béton:
  • cohésion accrue, augmentation du caractère collant et du pouvoir de rétention d’eau du béton frais, donc pas de ségrégation
  • réduction des rebonds du béton projeté
  • diminution importante de la porosité du béton, laquelle induit une amélioration notable de la durabilité: résistance accrue au gel avec et sans sels de déverglaçage, aux sulfates ainsi qu’aux agents chimiques agressifs
  • importante élévation de la résistance mécanique du béton mais aussi de sa fragilité

 

Laitier granulé de haut fourneau

Le laitier granulé de haut fourneau est un sous-produit de l’industrie sidérurgique. Séché et moulu à une finesse au moins équivalente à celle du ciment, il est employé comme farine de laitier.

image
Fig. 1.5.6: Granulation du laitier de haut fourneau par écoulement de laitier fondu liquide dans un jet d’eau de refroidissement.

Les ciments de haut fourneau (CEM III) ont une montée en résistance ralentie et exigent une prolongation nette des délais de décoffrage et des durées de cure.

Les bétons aux ciments de laitier bénéficient des avantages suivants:
  • une microstructure de la pâte de ciment plus dense, de ce fait une amélioration notable de la durabilité: résistance accrue aux sulfates et aux chlorures, à la RAG ainsi qu’aux agents chimiques agressifs.
  • faible chaleur d’hydratation et production de chaleur ralentie ; donc emploi pour des éléments d’ouvrage massifs et en cas de température environnante élevée.
  • risque d’efflorescence diminué (en cas de teneur élevée en laitier).
  • résistance à court terme réduite mais un potentiel plus élevé de gain en résistance ultérieure, après 28 jours.
  • Teneur réduite en Cr VI : bétonnage dans la nappe

Pouzzolane

Les pouzzolanes naturelles – comme p. ex. le Trass originaire d’Allemagne – ont des propriétés très différentes et variables suivant leur origine. Ce sont des farines de roches volcaniques ou sédimentaires avec des compositions chimiques et minéralogiques particulières.

Les pouzzolanes naturelles calcinées sont des roches volcaniques (p. ex. phonolithes), des argiles ou des roches sédimentaires.

Les pouzzolanes ont en règle générale des teneurs élevées en alcalins. Lors d’un emploi avec des granulats potentiellement alcali-réactifs, il faut prêter une attention particulière au risque de réaction alcalis-granulats (RAG) (voir chapitres 6.4 et 8.9).

1.5.5 Propriétés des fibres


Introduction

Il est possible d’ajouter au béton des fibres de nature et type différents. On distingue les fibres pour des usages statiques (armature) des fibres pour d’autres usages (p. ex. résistance au feu, résistance au jeune âge). On utilise en règle générale des fibres courtes et bien dispersées dans le mélange, mais aussi des faisceaux de longues fibres (filés, rovings), réunis en trame et servant d’armature textile. Les fibres sont ajoutées au béton frais, et dans le cas idéal, réparties de manière homogène et sans orientation préférentielle dans le béton. Leur effet se développe localement.

Les fibres utilisées pour des usages statiques (armature) transmettent dans la section de la fissure les forces qu’auparavant le béton devait reprendre. La formation des fissures et leur ouverture dépendent du dosage, de la nature et de la forme des fibres. Le béton acquiert grâce à l’ajout des fibres une résistance post-fissuration accrue et une plus grande capacité de déformation.
Une condition importante de l’efficacité des fibres à usage statique est leur bonne adhérence avec la pâte de ciment. Les fibres obtiennent cette adhérence par leurs caractéristiques de surface et par un ancrage mécanique obtenu grâce à leur forme particulière. Leurs dimensions doivent être telles que leur résistance à la rupture soit supérieure à leur résistance à l’arrachement dans le béton. Outre l’adhérence et le dosage, l’élancement des fibres – le rapport entre la longueur et l’épaisseur – joue un rôle important. Plus les fibres sont élancées, plus leur effet est important. L’ouvrabilité du béton diminue avec l’augmentation du dosage, de l’élancement des fibres et de leur divergence par rapport à une forme linéaire (Planification).
Le tableau 1.5.3 récapitule les matériaux fibreux les plus courants et leurs propriétés caractéris.



image
Tab. 1.5.3: Les matériaux fibreux les plus courants et leurs propriétés caractéristiques.

Matériaux fibreux

Fibres d’acier
Grâce à leur résistance à la traction et leur module d’élasticité élevés en comparaison avec le béton, les fibres d’acier sont particulièrement adaptées aux usages statiques. Les propriétés mécaniques dépendent fortement du matériau de base et du processus de production. Les fibres d’acier peuvent être étirées, fraisées, usinées, découpées, estampées ou fabriquées à partir de l’acier en fusion. La résistance à la traction la plus élevée est obtenue avec des fibres en fil d’acier étiré et atteint jusqu’à 2600 N/mm2. Ces fibres entrent typiquement dans la composition des bétons fibrés à ultra-hautes performances. Les fibres fabriquées d’une autre façon possèdent des résistances nettement plus faibles. Les fibres en acier peuvent être revêtues avec divers autres métaux pour réduire leur risque de corrosion. L’adhérence des fibres d’acier avec la pâte de ciment est renforcée par des crochets aux extémités, des épaississements ou des profilages. Les dosages typiques se situent entre 20–80 kg/m3, exceptionnellement jusqu’à 120 kg/m3, pour les bétons fibrés à ultra-hautes performances ils atteignent jusqu’à 400 kg/m3 (5 % vol.).

Fibres polymères
Les différents types de fibres polymères se distinguent par leur composition chimique et les propriétés qui en résultent. A quelques rares exceptions près (voir tab. 1.5.3), les fibres polymères possèdent un module d’élasticité plus faible que l’acier.

Elles sont employées préférentiellement pour les usages suivants:
  • réduction de la fissuration induite par le retrait précoce
  • réduction du rebond du béton projeté
  • augmentation de la résistance au feu des bétons à haute ou ultra
  • haute résistance
  • augmentation de la résistance au jeune âge du béton frais
  • amélioration du pouvoir de rétention d’eau
  • meilleure tenue à la pente du béton frais
Les fibres de polymère sont subdivisées selon la norme SN EN 14889-2:
  • Classe Ia: microfibres polymères avec un diamètre < 0.30 mm, monofilament
  • Classe Ib: microfibres polymères avec un diamètre < 0.30 mm, fibrilleux
  • Classe II: microfibres polymères, avec un diamètre > 0.30 mm

Les fibres de polypropylène (PP) sont employées pour prévenir les fissures dues au retrait précoce. Elles augmentent le pouvoir de rétention d’eau et sont capables d’éviter la fissuration de la pâte de ciment au jeune âge ou de réduire l’ouverture des fissures et d’en améliorer la répartition. Leur point de fusion se situe à 170° C environ. De ce fait on les emploie aussi pour augmenter la résistance au feu des bétons à haute ou ultra-haute résistance. En cas d’incendie, la fusion des fibres crée un réseau de pores et permettent de réduire la pression de la vapeur d’eau qui se crée dans le béton. Ainsi on peut éviter les éclatements du béton. Les fibres PP sont dosées entre 0.5 et 4 kg/m3.

Les fibres de polyéthylène (PE) sont appropriées en tant qu’armatures grâce à leurs bonnes propriétés mécaniques, mais elles sont relativement chères et donc peu utilisées.

Les fibres d’alcool polyvinylique (PVA) ont servi à l’origine pour remplacer des fibres d’amiante. Leurs bonnes propriétés mécaniques sont exploitées pour augmenter la résistance du béton à la traction par flexion.

Fibres de verre
Les fibres de verre atteignent des résistances à la traction élevées (1500–4000 N/mm2) et un module d’élasticité qui dépasse celui du béton de deux à trois fois. Le verre normal n’est pas résistant dans le milieu alcalin du béton. Par l’addition de dioxyde de zirconium et un revêtement particulier, il est possible d’augmenter la résistance aux alcalins des fibres de verre, de manière à ce qu’elles conservent leurs propriétés à plus long terme dans le béton. La sensibilité du verre vis à vis des endommagements de surface, comme il peut s’en produire lors du malaxage, réduit théoriquement leur très haute résistance initiale. Selon l’usage prévu on incorpore au béton entre 0.5 et 15.0 kg/m3 de fibres de verre.

Fibres de carbone
Les fibres de carbone l’emportent sur les fibres en acier en ce qui concerne la résistance à la traction et le module d’élasticité. Leur production est cependant exigeante et onéreuse. Les fibres de carbone sont de plus en plus employées sous forme de faisceaux de fibres longues dans les trames des armatures textiles.



image
Fig. 1.5.7: Différents types de fibres.

Contactez-nous

Contact

Suivez-nous

    • Téléchargements
    • Contacts
    • Sites