HomeGuide pratique du béton7.2 Béton à haute résistance

7.2 Béton à haute résistance

 

7.2.1 Introduction

Les bétons à haute résistance sont souvent employés pour les piliers élancés dans le bâtiment et les constructions industrielles. La sélection d’un ciment et des additions adéquates, d’un granulat de haute qualité ainsi que l’optimisation générale de la structure du béton et le choix d’un rapport E/C très bas, entre environ 0.25 et 0.40, permettent d’obtenir de hautes résistances à la compression entre 80 et 130 N/mm2. La structure du béton très dense, grâce au volume de pores capillaires très faible, conduit à ces hautes résistances à la compression. Des fluidifiants efficaces garantissent, même avec de très faibles teneurs en eau, une bonne ouvrabilité. Les avantages du béton à haute résistance résident dans:
  • leur haute résistance à la compression
  • les dimensions géométriques fortement réduites des éléments d'ouvrage
  • la réduction du taux d’armature des éléments comprimés

En Suisse, le béton à haute résistance, avant tout utilisé dans la préfabrication, permet de réduire nettement les dimensions des éléments d'ouvrage et, par conséquent, les coûts de transport des colonnes, des éléments de mur et des poteaux (fig. 7.2.1). La densité accrue de ce béton et donc sa résistance plus élevée aux attaques chimiques et aux sollicitations mécaniques est avantageusement exploitée pour la construction de ponts, des ouvrages de protection et des centrales électriques (fig. 7.2.2). Parfois, on emploie le béton à haute résistance prêt à l’emploi pour la confection sur le chantier du béton de piliers ou pour des tabliers précontraints en vue d’une réduction de la section des éléments d'ouvrage.



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Fig. 7.2.1: Colonnes ovales pour bâtiment, classe de résistance C80/95.


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Fig. 7.2.2: Eléments de ponts, classe de résistance C80/95.



7.2.2 Exigences normatives

 

Spécification

Les bétons à haute résistance sont règlementés par la norme SN EN 206. On distingue, pour le béton à haute résistance, des classes de résistance allant de C55/67 jusqu’à C100/115 et, pour le béton léger à haute résistance, des classes de résistance LC55/60 à LC80/88. Dans le tableau 7.2.1 ne figurent que les bétons à haute résistance de masse volumique normale, étant donné que les bétons légers à haute résistance ne sont généralement pas fabriqués en Suisse. Les explications suivantes se réfèrent donc uniquement aux bétons à haute résistance de masse volumique normale.

 

Contrôle de conformité

La norme SN EN 206 contient, dans son annexe informative H, des «dispositions supplémentaires relatives aux bétons à haute résistance». Elle fournit des indications quant à la surveillance adéquate des composants, des équipements et des procédures de production. Les mêmes règles de surveillance et de contrôle que pour les bétons de résistance normale s’appliquent. Par contre, la constitution de familles de béton n’est pas admise (assurance de la qualité).

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Tab. 7.2.1: Classes de résistance à la compression des bétons à haute résistance selon la norme SN EN 206.


7.2.3 Technologie du béton

Ciment

Parmi les ciments admis par la norme, ceux de la classe de résistance 52,5 N et R sont majoritairement utilisés pour le béton à haute résistance. Les teneurs en ciment se situent généralement entre 380 kg/m3 et 450 kg/m3 pour les bétons vibrés avec un diamètre maximal du granulat de 16 mm. A cause du faible dosage en eau, une partie significative du ciment ne s’hydrate pas et constitue un filler chimiquement réactif dans le béton.

 

Eau de gâchage

L’utilisation de l’eau recyclée pour la confection du béton à haute résistance n’est pas recommandée, puisque les matières solides et les résidus des adjuvants peuvent influencer la demande en eau et donc la consistance. Si l’eau recyclée ne présente ni variabilité, ni densité significativement accrue, il est possible que son emploi soit sans effet négatif.

 

Granulat

Habituellement, le béton de résistance normale montre en compression une rupture sous l’effet de la traction transversale, le long de la zone de contact entre le granulat et la pâte de ciment ou au sein de la pâte de ciment. Dans le cas du béton à haute résistance, cette zone de contact  (ou zone de transition) entre le granulat et la pâte de ciment est renforcée par densification en raison d'un rapport E/C bas et une faible porosité capillaire (structure de la pâte de ciment). Ceci vaut autant pour le granulat rond que le granulat concassé et se manifeste dans les surfaces de rupture des bétons à haute résistance. La rupture ne suit pas la zone de contact, mais fracture le granulat (fig. 7.2.3).

La demande en eau d’un granulat dépend essentiellement du sable. Pour assurer le dosage en eau restreint du béton à haute résistance, le sable présentera de préférence une granularité continue et une faible teneur en fines, ainsi qu’une haute régularité. Il vaut mieux renoncer à l’emploi d’un sable concassé. La teneur en éléments impropres du granulat doit être limitée à 3 % en masse.

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Fig. 7.2.3: Surface de rupture du béton à résistance normale (en haut) et du béton à haute résistance (en bas).

Pour les classes de résistance supérieure à C80/95, l’emploi de granulats de roches dures est recommandé pour les classes granulaires >4 mm. Ces roches sont des calcaires siliceux, les grès siliceux, des calcaires micritiques, des roches cristallines finement grenues et certaines roches vertes. Le diamètre maximal du granulat est, en règle générale, limité à 16 mm (pour les gravillons concassés à 22 mm). Dans le cas de taux d’armature élevé, le diamètre maximal du granulat roulé peut être réduit à 8 mm et pour le granulat concassé à 11 mm.

 

Adjuvants

Pour assurer une bonne ouvrabilité malgré la faible teneur en eau, on fait appel à des fluidifiants à haute performance, p. ex. aux polycarboxylates. Dans la préfabrication des bétons à haute résistance, ces fluidifiants ont en plus un effet accélérateur ce qui rend possible un décoffrage et un traitement de surface rapide (lissage des surfaces non coffrées).

 

Additions

Les additions inertes ne se prêtent pas à la confection de béton à haute résistance, en raison de leur forte demande en eau. Parmi les additions réactives, on se sert surtout de la fumée de silice et de la cendre volante. A partir d’une classe de résistance C70/85, la fumée de silice est additionnée au béton à haute résistance. Elle densifie la microstructure de la pâte de ciment, notamment la zone de transition entre le granulat et la pâte de ciment (structure de la pâte de ciment). Le dosage de la fumée de silice, sous forme de poudre, présente des inconvénients à cause de sa finesse et sa tendance à former des agglomérats sensibles à la RAG (béton résistant à la réaction alcalis-granulats). De ce fait, il est préférable d’utiliser un ciment composé contenant de la fumée de silice (p. ex. Fortico 5R). La mouture conjointe de la fumée de silice et du clinker assure un dosage régulier, une distribution homogène et une dispersion efficace de la fumée de silice.
La cendre volante peut se substituer avantageusement au ciment à cause de sa faible demande en eau pour les bétons autoplaçants à haute résistance. L’emploi des cendres volantes est aussi judicieux pour la production de bétons à haute résistance et à faible chaleur d’hydratation.

 

Production

Puisque le sable contient le plus d’humidité, sa teneur en eau doit être surveillée exactement et prise en compte avec celle des gravillons pour le dosage de l’eau de gâchage. A cause des faibles teneurs en eau et des temps de dispersion plus longs des adjuvants, une durée de malaxage légèrement allongée est recommandée, c.-à-d. selon l’intensité du malaxage, au moins 90 secondes, celle du béton autoplaçant sera au moins de 120 secondes.

 

Consistance – transport – mise en place

Le béton à haute résistance est normalement produit dans les centrales à béton avec une consistance ferme à plastique, de la classe de consistance C3, et présente un comportement nettement plus thixotrope que le béton à résistance normale. Il nécessite, ainsi, de plus grands efforts pour la mise en place, la répartition et le compactage (durée de compactage doublée). S’il faut pomper le béton à haute résistance, notamment un béton riche en granulat concassé, la puissance de pompage se trouvera sensiblement réduite. Le cas échéant, la capacité de pompage peut être diminuée de moitié. D’habitude, le béton à haute résistance pour la préfabrication est confectionné en tant que béton autoplaçant, afin de minimiser les  efforts de mise en place et de compactage.

Le béton à haute résistance doit être transporté dans des camions malaxeurs. Ces derniers seront contrôlés avant leur chargement afin d’éviter un mélange avec des restes d’eau de lavage. Le béton à haute résistance sera malaxé encore une fois pendant au moins 2 minutes avant son déchargement sur le chantier.

 

Cure

Indépendamment des classes d’exposition, le choix de la classe de cure NBK 3 s’impose au minimum pour le béton à haute résistance. Les mesures de protection doivent commencer immédiatement après la finition de la surface, puisqu’il existe un risque accru de perte d’eau excessive dans la zone de surface de ce béton à très faible teneur en eau. Les éléments d'ouvrage de grande superficie peuvent être protégés contre la dessiccation à l’aide d’un géotextile humide, lui-même recouvert d’un film plastique. Les éléments massifs doivent être protégés à la fois contre une dessiccation et un refroidissement trop brusque, afin de limiter le risque de fissuration résultant des contraintes thermiques (fig. 7.2.4). La protection par les films plastiques sera donc complétée par des nattes isolantes. Le béton des éléments coffrés sera protégé par le coffrage.

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Fig. 7.2.4: Béton à haute résistance de la classe de résistance à la compression C80/95. Blocs massifs en béton protégés par des nattes isolantes pendant la durée de cure (en haut) et déballés avant leur emploi comme rochers artificiels pour tester des filets de protection contre les chutes de pierres (en bas).



7.2.4 Recommandations pour la planification du béton à haute résistance

 

Dimensionnement

La norme SIA 262 définit les bases de dimensionnement des constructions en béton qui s’appliquent également au béton à haute résistance. Le béton à haute résistance possède non seulement une haute résistance à la compression, mais aussi une résistance à la traction et un module d’élasticité plus élevés. Les valeurs indicatives sont données par la norme SN EN 1992-1-1 (Eurocode 2). Le tableau 7.2.2 résume les valeurs les plus importantes.

Les valeurs de calcul du module d’élasticité indiquées au tableau 7.2.2 valent pour les bétons à haute résistance confectionnés avec des granulats alluviaux. Ces valeurs seront à adapter en fonction du granulat employé.

La fig. 7.2.5 illustre schématiquement le dimensionnement d’une pile en béton à haute résistance et en béton à résistance normale. Le béton à haute résistance permet la réduction des dimensions géométriques ou celle de l’armature longitudinale.

 

Retrait et fluage

L’évolution du comportement à la déformation au cours du temps du béton à haute résistance est influencée par sa porosité réduite, son module d’élasticité et sa densité plus élevés. Les changements majeurs observés en comparaison avec le béton à résistance normale sont:
  • le retrait endogène est nettement plus élevé
  • le retrait de dessiccation diminue clairement lorsque la résistance augmente
  • le retrait dû au fluage diminue lorsque la résistance augmente et atteint sa valeur finale plus rapidement 

A cause de son retrait endogène élevé au début, le retrait spécifique du béton à haute résistance est plus important que celui du béton à résistance normale. Mais en raison de son retrait de dessiccation plus faible, il en résulte finalement une valeur ultime de retrait plus petite que celui du béton à résistance normale (voir chapitre 3.8.4). La montée en résistance nettement plus rapide du béton à haute résistance conduit également à un développement rapide de la chaleur d’hydratation. Les éléments d'ouvrage, entravés dans leur déformation, subissent alors au jeune âge des contraintes imposées dues à la chaleur d’hydratation surmontées par le retrait endogène. Le risque de fissuration est donc plus élevé au jeune âge pour le béton à haute résistance que pour le béton à résistance normale.


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Fig. 7.2.5: Section d’une pile en béton à haute résistance et à résistance normale.



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Tab. 7.2.2: Propriétés mécaniques des bétons à haute résistance.

Résistance au feu

Le comportement au feu des bétons à haute résistance se distingue de celui d’un béton à résistance normale. Les essais au feu révèlent la tendance à l’éclatement des bétons à haute résistance. La raison de ce comportement réside dans la structure plus dense freinant la diffusion de la vapeur d’eau. Au-dessus d’une température de 100° C, l’eau liée chimiquement et physiquement est libérée et s’évapore. La pression de la vapeur d’eau provoque de fortes contraintes de traction dans l’élément de construction, qui conduisent é des éclatements. De ce fait, la norme SIA 262 recommande l’ajout de fibres polypropylènes (PP) comme mesure particulière. En fondant à une température d’environ 170° C, les fibres PP créent des canaux de décompression de la vapeur d’eau dans la structure du béton et préviennent efficacement les éclatements. A cet effet, il faut déterminer le type de fibres adéquat et le dosage nécessaire pour chaque béton à haute résistance (fig. 7.2.6 et 7.2.7).

L’efficacité de cette mesure particulière (utilisation des fibres PP) doit être contrôlée au moyen d’essais au feu.

Si le dimensionnement suit la norme SN EN 1992-1-1 (Eurocode 2), d’autres mesures constructives peuvent être appliquées au lieu de l’utilisation des fibres PP pour éviter les éclatements du béton d’enrobage, la rupture par perte de l’adhérence de l’armature au béton ou encore le fléchissement de l’armature de compression. Il est possible d’augmenter l’épaisseur d’enrobage, d’appliquer un mortier coupe-feu ou d’ajouter une armature supplémentaire au béton d’enrobage. Ces mesures sont parfois difficiles à mettre en oeuvre et, par conséquent, moins usuelles que l’ajout de fibre PP.

 

Composition du béton

La composition des bétons à haute résistance varie en fonction des propriétés visées du béton frais et durci (autoplaçant, élément en béton de parement, etc.). Le tableau 7.2.3 fournit quelques formulations typiques de béton vibré, autoplaçant et à faible chaleur d’hydratation, tous à haute résistance.

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Fig. 7.2.6: Elément de voussoir ou de cuvelage en béton à haute résistance sans fibres PP après l’essai au feu. (Source: Gesellschaft für Materialforschung und Prüfungsanstalt für das Bauwesen, Leipzig GmbH).

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Fig. 7.2.7: Elément de voussoir ou de cuvelage en béton à haute résistance avec fibres PP après l’essai au feu. (Source: Gesellschaft für Materialforschung und Prüfanstalt für das Bauwese, Leipzig GmbH).




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Tab. 7.2.3: Exemples de formulations de bétons à haute résistance de différentes classes de résistance à la compression.

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