HomeGuide pratique du béton4.3 Béton autoplaçant

4.3 Béton autoplaçant

 

4.3.1 Introduction

Le béton autoplaçant (BAP, en anglais: Self Compacting Concrete, abrégé SCC) et le béton vibré se distinguent par leurs propriétés de béton frais et leur mode de compactage. Le BAP n’exige pas d’énergie de compactage, p. ex. par vibration ou damage, et possède les propriétés suivantes:
  • une mobilité sans ségrégation (consistance mielleuse)
  • le dégazage du béton pendant l’écoulement
  • un remplissage complet du coffrage, y compris toutes les réservations, les espaces entre les barres d’armatures, etc. avec un béton homogène
  • l’absence de tout travail de compactage.

Le BAP offre une alternative au béton vibré dans de nombreux domaines comme le bâtiment, le génie civil, en particulier les tunnels, la préfabrication et la remise en état d'ouvrages. En comparaison avec le béton vibré, le BAP possède les avantages suivants:
  • une cadence de mise en place accrue et une exécution plus rapide
  • un besoin en personnel plus faible
  • un bétonnage simple des éléments d'ouvrage étroits et des éléments à armature peu espacée
  • un remplissage des zones difficilement accessibles
  • une qualité régulière du béton dans l’ensemble de l’ouvrage
  • une plus grande liberté de façonnage
  • la réduction des émissions de bruit lors de la mise en place
  • l’allègement du travail et la prévention des maladies induites par les vibrations
  • des efforts réduits de finition

Les bétons capables de s’écouler, qui sont coulés sans vibration dans les pieux forés et parois moulées, ainsi que les bétons de la classe de consistance F5/F6, qui sont parfois utilisés dans le bâtiment, ne comptent pas parmi les bétons autoplaçant.

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Fig. 4.3.1: BAP stable: le granulat est maintenu en suspension.


4.3.2 Exigences normatives

Spécification

Le béton autoplaçant doit satisfaire les exigences des normes SN EN 206. Il est spécifié en Suisse avec des classes de consistance particulières ou des valeurs cibles de l’étalement au cône d’Abrams et de l’aptitude à l’écoulement (tab. 4.3.1).
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Tab. 4.3.1: Classes de consistance et valeurs limites pour un BAP selon la norme SN EN 206-9.

 

Contrôle

Les propriétés du béton frais sont contrôlées à l’aide de méthodes d’essais spécifiques au BAP.

Méthode d’essai d’étalement (SF)
Pour la détermination de l’étalement, on se sert du même cône que celui prescrit par la norme SN EN 12350-2. Le cône est placé sur une plaque plane humidifiée suffisamment grande (≥ 900 × 900 mm) et est rempli de BAP. Une fois le cône soulevé, le BAP s’étale sous l’effet de la gravité sans aucun apport d’énergie de compactage.

Etalement au cône d’Abrams:
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Eq. 4.3.1

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Fig. 4.3.2: Essai d’étalement au cône d’Abrams selon la norme SN EN 12350-8.

Aptitude à l’écoulement (essai à la boîte en L)
Le béton frais est introduit dans la partie verticale de la boîte en L, qui est séparée par une trappe de la partie horizontale. Derrière la trappe, sont disposés deux ou trois barres d’armatures, entre lesquelles le béton s’écoule après l’ouverture de la trappe. A la fin du mouvement d’écoulement, le niveau dans la partie verticale (h1) et le niveau au bout de la partie horizontale (h2) sont mesurés. Le rapport h2/h1 est la valeur de mesure de l’aptitude à l’écoulement PL. De plus, il est possible de mesurer le temps d’écoulement nécessaire après l’ouverture de la trappe jusqu’à ce que le béton atteigne l’autre bout de la partie horizontale.

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Fig. 4.3.4: Essai à la boîte en L selon la norme SN EN 12350-10.

Il est possible de spécifier, si nécessaire, d’autres classes de consistance parmi les exigences complémentaires. La consistance doit être contrôlée au moment de l’utilisation, respectivement pour du béton prêt à l’emploi, au moment de la livraison sur le chantier.

L’expérience montre qu’une valeur d’étalement inférieure à 620 mm constitue un risque de blocage et de nids de graviers. Dès que l’étalement dépasse 750 mm le risque de ségrégation s’accroît fortement. Pour la plupart des applications (radiers, dalles, murs, piles), on vise dans la pratique un étalement entre 650 et 720 mm, ce qui correspond approximativement à la classe SF2.

Non seulement la valeur de mesure, mais aussi la forme de la galette de béton est significative. Il faut en tenir compte lors de l’évaluation du béton (fig. 4.3.3).

Dans le cadre de l’essai initial, il faut démontrer que le béton satisfait aux propriétés exigées avec une marge suffisante. Ceci concerne en particulier la robustesse visà- vis des variations de la teneur en eau, dont il faut fixer l’intervalle admissible.



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Fig. 4.3.3: Evaluation qualitative de la galette d’étalement au cône d’Abrams.

 

4.3.3 Technologie du béton

Ciment

En principe tous les ciments sont aptes à la fabrication de bétons autoplaçants, à condition qu’ils soient admis par la norme SN EN 206 pour les classes d’exposition sélectionnées. Les ciments les plus fréquemment utilisés sont les ciments Portland composés (p. ex. Optimo 4, Bisolvo 3R ou des ciments dits sur mesure).

A cause de la teneur élevée en fluidifiant, la montée en résistance du BAP est ralentie. Pour cette raison, les ciments suivants sont recommandés en cas de bétonnage par temps froid, de délais courts de décoffrage, d’éléments préfabriqués à haute résistance ou à exposition sévère:
  • Ciment Portland (Normo 5R) pour la préfabrication d’éléments élancés
  • Ciment Portland à la fumée de silice (Fortico 5R) pour des éléments à exposition sévère.

La haute teneur en ciment du BAP peut conduire à un fort développement de la chaleur d’hydratation. Pour la fabrication d’éléments massifs, l’emploi d’un ciment de classe de résistance 32,5 est recommandé:
  • Ciment Portland composé (Bisolvo 3R).

Eau de gâchage

Puisque la teneur en eau a une influence significative sur la viscosité et l’autocompactage du béton autoplaçant, il est indispensable de respecter au plus près sa valeur cible. Le contrôle régulier et la prise en compte de la teneur en eau du granulat, en particulier du sable, sont donc très importants. L’usage d’eau recyclée est possible, mais une teneur élevée en résidus solides aura un effet négatif sur la stabilité du mélange.

Granulat

La porosité intergranulaire du granulat du BAP joue un rôle particulièrement important, puisqu’elle détermine le volume nécessaire de pâte de ciment. En principe, il est possible d’employer des granulats roulés ou concassés. Le granulat roulé présente l’avantage d’une plus petite demande en pâte de ciment grâce à sa porosité intergranulaire plus faible en vrac. A masse identique, la surface spécifique plus élevée du granulat concassé permet de le garder plus aisément en suspension. En règle générale, le BAP est confectionné avec un granulat de diamètre maximal de 16 mm afin de minimiser le risque de ségrégation et de blocage par les barres d’armature. L’expérience pratique montre qu’un diamètre maximal de 32 mm peut être choisi pour la classe de consistance SF1 pour des éléments à géométrie simple et avec un espacement suffisant des barres d’armatures.
La granularité se caractérise par une teneur accrue en sable et en fines. Pour une grave 0/16 mm, le passant au tamis 2 mm devrait se situer idéalement entre 38 % et 42 % en masse et la proportion < 0.125 mm entre 4 à 6 % en masse. Les courbes granulométriques, pour BAP avec Dmax = 16 mm et Dmax = 32 mm, sont données à la figure 4.3.5.

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Tab. 4.3.2: Diamètre maximal recommandé pour le BAP en fonction de la classe de consistance.

Le tableau 4.3.3 précise les recommandations concer- nant la teneur en farine (ciment, additions, granulat < 0.125 mm) en fonction de différentes graves.

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Tab. 4.3.3: Teneur en farine recommandée pour des BAP en fonction de la grave employée.

Adjuvants

Pour obtenir l’effet fluidifiant nécessaire à un BAP, on a recours à des fluidifiants à base de polycarboxylates et éthers polycarboxiliques. De manière générale, on tiendra compte du fait qu’un fort dosage en fluidifiant peut retarder le début de la prise du ciment.

Les stabilisateurs renforcent la stabilité du mélange, préviennent le ressuage et permettent d’éviter que les gros grains migrent vers le fond. Ils servent surtout à compenser les effets des variations de la teneur en eau du granulat.

Des entraîneurs d’air spécifiques sont employés pour augmenter la résistance au gel/dégel en présence de sel de déverglaçage.



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Fig. 4.3.5: Courbes granulométriques pour un BAP avec Dmax = 16 mm (gauche) et Dmax = 32 mm (droite). Les granularités ayant fait leurs preuves se situent dans le champ délimité par les courbes rouges (échelle logarithmique).

Additions

Les exigences particulières quant à la mobilité du béton autoplaçant impliquent une teneur élevée en pâte de ciment. A défaut d’un ciment Portland composite, l’ajout d’additions est courant. En Suisse, les cendres volantes entrent le plus souvent dans la composition des BAP, mais occasionnellement des farines de roche sont utilisées.

Production

En principe, tous les types de malaxeurs habituels des centrales à béton prêt à l’emploi, des centrales de chantier et des usines de préfabrication se prêtent à la production de béton autoplaçant. Les recommandations concernant l’ordre d’introduction et le dosage des composants lors du gâchage d’un béton vibré sont aussi valables pour le BAP.

L’homogénéité du mélange et l’effet optimal des adjuvants et additions dépendent essentiellement de l’intensité et de la durée de malaxage. En règle générale, on part d’un temps de malaxage humide de 120 secondes.

Transport

Le BAP ne peut être transporté qu’en camion malaxeur à cause de sa grande mobilité. Le tambour du malaxeur doit tourner lentement pendant toute la durée du transport. Dans le cas d’un terrain en forte pente, la fermeture du tambour avec un couvercle est recommandée. Avant le déchargement, le béton doit être malaxé à nouveau pendant environ 5 minutes à vitesse de rotation maximale.

Coffrage

La pression du béton frais et les exigences concernant la qualité de surface du béton jouent un rôle prépondérant dans le choix du type de coffrage et donc des coûts engendrés par celui-ci. Les exigences posées aux coffrages de mur d'un étage de batiment de hauteur habituelle (h ≤ 3 m) sont similaires pour le BAP et le béton vibré. En principe, les mêmes coffrages en bois ou métalliques peuvent être utilisés.

Les exigences, quant à la rigidité des coffrages, augmentent avec la hauteur de coulage afin d’éviter des déformations et un éventuel tassement du béton coulé. Les coffrages à poutres ou cadres (fig. 4.3.6 et 4.3.7) satisfont normalement au mieux ces exigences. Les réservations et éléments incorporés doivent être fixés de manière à pouvoir résister à la poussée du béton frais.

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Fig. 4.3.6: Coffrage mixte à poutres (h ≤ 3 m).

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Fig. 4.3.7: Coffrage cadre (h = 3 à 5 m, selon type).

Dans la pratique, la pression du béton frais sur le coffrage peut se répartir d’une manière similaire à la pression hydrostatique. La pression exercée sur le coffrage dépend essentiellement de la vitesse de remplissage, de la hauteur de déversement, des propriétés du béton frais (consistance, température, thixotropie et début de prise), de la rugosité du coffrage et de l’épaisseur du mur (effet de voûte). La mesure continue de la pression exercée sur le coffrage permet de déterminer la vitesse de remplissage optimale.

La mise en oeuvre du BAP exige un coffrage étanche. Un coffrage vertical entre différentes étapes de bétonnage peut être réalisé à l’aide d’un élément en métal déployé suffisamment étayé. De même que pour les bétons usuels, des mesures pour prévenir les pertes de laitence de ciment sont à prendre, p. ex. étancher avec de la mousse de montage, obturation des ouvertures, etc.

 

Mise en place

En comparaison avec le béton vibré, la mise en place du BAP est plus simple et nécessite habituellement, même pour de grands volumes de béton, moins de personnel.

Le BAP peut être mis en place avec la plupart des méthodes conventionnelles, p. ex. à la grue, par pompage (par le haut ou par le bas) ou encore directement par la goulotte du camion malaxeur. Pour éviter la ségrégation, le béton ne doit pas tomber en chute libre dans le coffrage, bien que le BAP ait moins tendance à se démélanger en tombant qu’un béton vibré. La limitation de la hauteur de déversement, en plongeant la manchette de distribution dans le béton frais, permet aussi de prévenir l’occlusion d’air et réduit le nombre de pores de compactage importants (fig. 4.3.8).

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Fig. 4.3.8: Mise en place du BAP à l’aide d’une manchette souple fixée à l’orifice de sortie de la benne.

La qualité de surface du BAP est fortement influencée par la vitesse de remplissage et le temps du dégazage autonome. Il faut noter que le dégazage du BAP dépend de la distance (recommandation 3–4 m) et de la durée d’écoulement. Le dégazage dans des coffrages pratiquement clos doit être rendu possible par des ouvertures ou autres mesures à cet effet.
Il faut veiller à ouvrir la benne de la grue de manière à ce que le BAP puisse s’écouler lentement et régulièrement. Pour le bétonnage des murs, il est avantageux de travailler avec une manchette souple fixée à l’orifice de sortie. Lors d’un bétonnage à l’aide d’une benne de grue, il vaut mieux restreindre le nombre de points de remplissage. Ceux-ci sont à choisir en fonction des dimensions de l’élément à bétonner, de la disposition et du taux d’armature, de façon à ce que le BAP ne puisse pas s’étaler sur une distance de plus de 5 à 10 m dans le coffrage. Dans tous les cas, il faut faire attention à ce que l’écoulement horizontal soit limité afin que le béton reste homogène. Le risque de ségrégation durant l’étalement est d’autant plus grand que la distance d’écoulement est longue et le taux d’armature élevé.

Avec des dalles d’épaisseur supérieure à 50 cm, il peut être judicieux de mettre en place le BAP en deux couches afin de pouvoir laisser la couche inférieure se tasser et se dégazer brièvement avant de couler la seconde couche. Celle-ci doit avoir une épaisseur minimale de 10 cm pour faciliter le lissage et pour éviter que le niveau supérieur de l’armature ne s’imprègne.

 

Lissage des surfaces horizontales

L’écoulement et l’étalement par gravité du BAP ne suffisent parfois pas pour obtenir une surface plane dans le cas de grands éléments horizontaux (radiers, revêtements, dalles). A la fin du bétonnage, il peut être avantageux de donner un coup de râteau. Une demi-heure à une heure et demie après la mise en place du BAP, un talochage de la surface est recommandé (fig. 4.3.9) afin de fermer les éventuelles fissures de tassement du béton frais. En principe, le lissage des surfaces de BAP est retardé en comparaison avec un béton vibré en raison de l’effet retardateur des fluidifiants.

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Fig. 4.3.9: Lissage par talochage de la surface d’une dalle en BAP.

 

Cure

Les bétons autoplaçants nécessitent les mêmes mesures de protection que les bétons conventionnels (chapitre 3.6). Puisque le BAP a une teneur en pâte de ciment plus élevée et un rapport E/C plus bas, le traitement de cure demande une attention particulière. Les surfaces horizontales (radiers, revêtements, dalles) sont à protéger de la dessiccation immédiatement après leur mise en place par des feuilles plastiques ou par la vaporisation d’un produit de cure.

 

Formulation

Volume de la pâte de ciment
Le volume de la pâte de ciment revêt une importance toute particulière dans la formulation. Il se compose du volume du ciment, des additions, de l’eau, des adjuvants et des pores d’air ainsi que des farines provenant du granulat ≤ 0.125 mm. Au contraire des bétons vibrés, la pâte de ciment doit non seulement remplir les vides interstitiels entre les granulats, mais aussi offrir un excédent de volume qui permet d’espacer les granulats (fig. 4.3.10).

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Fig. 4.3.10: Proportions volumiques différentes des bétons vibrés et autoplaçants.

L’excédent volumique de la pâte de ciment est à l’origine de la mobilité particulière du BAP (fig. 4.3.11). En général, le volume excédentaire s’élève à 90 à 120 l/m3 selon le type de granulat (concassé ou roulé) et son diamètre maximal.

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Fig. 4.3.11: Influence de l’excédent volumique de la pâte de ciment sur l’étalement au cône d’Abrams du béton frais.

La pâte de ciment doit présenter, en plus de l’aptitude à l’écoulement, une certaine viscosité pour maintenir les gros granulats en suspension sans qu’ils s’enfoncent. Le graphique à la figure 4.3.12 illustre la corrélation entre l’aptitude à l’écoulement (l’étalement au cône d’Abrams) et la viscosité (essai à la boîte en L). La plage optimale est marquée en rose.

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Fig. 4.3.12: Représentation schématique de la corrélation entre l’aptitude à l’écoulement et la viscosité du BAP.



4.3.4 Recommandations pour la planification du béton autoplaçant

Formulation du béton

Les différences fondamentales entre la composition d’un béton vibré et celle d’un béton autoplaçant sont mises en évidence par les deux exemples pratiques du tableau 4.3.4. Les formulations sont élaborées pour l’emploi d’un granulat roulé et doivent être modifiées en cas d’utilisation d’un granulat concassé. L’augmentation du volume de la pâte de ciment induit une diminution relative du volume du granulat par mètre cube de béton frais. Il en résulte un dosage typique de granulats d’environ 1700 kg/m3 de BAP.

Un granulat 0/16 mm du Plateau suisse possède en moyenne une porosité intergranulaire de 29 % vol., lorsque le rapport granulat fin sur gravillon se situe à environ 1:1. En supposant une demande d’excès de volume de la pâte de ciment de 90 l/m3, il en résulte un volume total de la pâte de ciment (y compris les pores d’air, mais sans les farines du granulat) de 354 l/m3 et une teneur en granulat, y compris les farines, de 1730 kg/m3 (masse volumique du granulat 2680 kg/m3) (voir fig. 4.3.13). Un granulat 0/16 mm contenant beaucoup de grains concassés, p. ex. de provenance alpine, possède une porosité intergranulaire moyenne de 32 % vol.. Son emploi présume un excédent de volume de la pâte de ciment de 110 l/m3 d’où il en résulte un volume total de la pâte de ciment (y compris les pores d’air) de 395 l/m3 et une proportion de granulat d’environ 1620 kg/m3 (masse volumique du granulat 2680 kg/m3).

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Fig. 4.3.13: Répartition des volumes dans un BAP courant avec un granulat roulé (à gauche) et concassé (à droite).



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Tab. 4.3.4: Exemples de formu-lation de deux bétons autoplaçants de sorte C, l’un avec granulat roulé, l’autre avec granulat concassé.

Propriétés du béton durci

Résistance à la compression
Grâce à la teneur accrue en pâte de ciment, le rapport E/C des BAP est souvent inférieur à celui des bétons comparables vibrés, entre 0.39 et 0.42. Il en résulte une résistance à la compression d’une à deux classes supérieure à celle d’un béton équivalent vibré.

Module d’élasticité
Le module d’élasticité d’un béton dépend du type et de la teneur du granulat et des propriétés de la pâte de ciment durcie (module d'élasticité). Puisque la teneur en pâte de ciment du BAP est plus grande et que celle-ci possède un module d’élasticité plus bas que le granulat, le module d’élasticité d’un BAP est environ 10 % plus faible que celui d’un béton vibré d’une même résistance à la compression et produit avec le même granulat (fig. 4.3.14).

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Fig. 4.3.14: Module d’élasticité en fonction de la résistance à la compression à 28 jours, domaine de valeurs pour des BAP.

Retrait et fluage
Le retrait de dessiccation est essentiellement régi par la quantité d’eau et très peu par la teneur en ciment ou encore le rapport E/C (voir fig. 3.9.3 retrait et gonflement). De ce fait, le BAP montre un comportement de retrait de dessiccation similaire à celui d’un béton de bâtiment d’une classe de résistance à la compression C20/25 car il contient une quantité d’eau similaire. Pour restreindre l’ampleur du retrait, il est recommandé de limiter la quantité d’eau autant que possible et de ne pas dépasser 200 l/m3.

A cause de son plus grand volume de pâte de ciment, le BAP atteint un retrait 25 % plus élevé ainsi qu’un coefficient de fluage plus grand qu’un béton vibré de résistance à la compression comparable. Ces caractéristiques sont avantageuses en cas de retrait entravé. Le risque de fissuration n’est pas seulement une fonction du retrait. Il dépend autant du module d’élasticité, du coefficient de fluage, de la résistance à la traction et de la cure du béton que du degré d’entrave de l’élément d'ouvrage et des conditions d’humidité de l’environnement (fissures).

Poinçonnement
La résistance au poinçonnement diminue lorsque, à résistance à la compression constante, le diamètre maximal du granulat diminue. Etant donné que le BAP possède, grâce au faible rapport E/C, une résistance à la compression plus élevée qu’un béton comparable vibré, l’effet du diamètre maximal réduit du granulat peut être au moins partiellement compensé. Il existe des modèles et diagrammes pour estimer les effets de divers paramètres (rayon de pile, armature de poinçonnement, résistance à la compression du béton, portée, hauteur statique, taux d’armature de la dalle). (voir cemsuisse-projet 20073, Utilisation des bétons autocompactants pour les planchers dalles).

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Fig. 4.3.15: Le BAP facilite le bétonnage d’un plafond intermédiaire de tunnel.

Durabilité
Le BAP possède grâce à son rapport E/C bas, sa haute qualité de surface, sa microstructure dense et sa qualité homogène, une durabilité très élevée à condition qu’un traitement de cure suffisant ait été appliqué.

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Fig. 4.3.16: Préfabrication d’éléments standard; le BAP se prête particulièrement bien à la préfabrication.




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