5.2 Béton léger
5.2.1 Introduction
Le béton léger se distingue du béton courant par sa masse volumique réduite, obtenue grâce à l’ajout de granulats légers à porosité élevée ou à faible masse volumique.
Les bétons légers se répartissent selon leur composition en différents groupes:
- le béton de construction léger (à structure compacte)
- le béton caverneux (sans constituants fins)
- le béton léger poreux (béton mousse)
- le béton aéré
Le béton caverneux, le béton léger poreux et le béton aéré ainsi que tout béton d’une masse volumique inférieure à 800 kg/m3 ne ressortent pas du domaine d’application de la norme SN EN 206 et ne seront pas traités ici.
Béton léger de construction
Le béton léger de construction possède une structure compacte, fermée comme un béton de masse volumique normale (fig. 5.2.1). La faible masse volumique visée est obtenue par le remplacement partiel ou total des gravillons denses par un granulat léger poreux. Il est possible d’échanger en plus, le sable contre un granulat léger fin.
Fig. 5.2.1: Plaque polie d’un béton léger de construction avec une structure compacte.
La propriété la plus essentielle d’un béton léger de construction est sa faible masse propre. Les éléments de construction en béton léger représentent, selon la classe de résistance à la compression, une économie entre 600 et 1000 kg/m3 au niveau de la masse du béton.
Le béton léger se caractérise aussi par sa faible conductibilité thermique en comparaison avec un béton de masse volumique normale. Les bétons légers, dits isolants, avec des masses volumiques après séchage à l’étuve entre 800 et 1000 kg/m3 sont non seulement compacts et de bonne capacité portante, mais présentent aussi des propriétés d’isolation thermique. Ils permettent de réaliser des murs monolithiques en béton de parement, sans doublage ni isolation périphérique additionnelle. Néanmoins, de tels murs sans isolation thermique supplémentaire nécessiteraient des épaisseurs importantes (env. 1.50 m) pour satisfaire les exigences d’isolation thermique (u ≈ 0.15). La masse volumique sèche du béton isolant ne peut être atteinte qu’avec des entraîneurs d’air spéciaux ou des agents moussants employés pour les bétons moussants.
5.2.2 Exigences normatives
Généralités
Le béton léger est un béton dont la masse volumique après séchage à l’étuve est inférieure à 2000 kg/m³.
Selon la norme SN EN 206, il est nécessaire de définir la résistance à la compression et la masse volumique pour le béton léger à propriétés spécifiées. En Suisse, on emploie principalement les bétons légers des classes de résistance à la compression LC 8/9 à LC 35/38 et des classes de masse volumique D1.0 à D1.8 (béton à propriétés spécifiées).
Les classes de résistance à la compression ne sont pas identiques pour le béton léger et le béton de masse volumique courante. Seules les valeurs de la résistance à la compression sur cylindres correspondent. Alors que les valeurs correspondantes de la résistance à la compression sur cube sont environ 10 à 13 % plus élevées pour le béton léger, elles sont 15 à 25 % plus élevées pour les bétons de masse volumique normale. Cette différence provient du comportement à la rupture différent du béton normal et léger. Dans le béton léger, les surfaces de rupture traversent le granulat léger, dès que la résistance du grain est dépassée. Ceci est accompagné d’une dilatation transversale inférieure en comparaison avec le béton de masse volumique normale. La différence entre la résistance à la compression sur cube et celle sur cylindre sera d’autant plus petite que la dilatation transversale du béton est faible.
Contrôles
La masse volumique du béton léger est déterminée selon la norme SN EN 12390-7 après séchage à l’étuve à une température de 105° C.
Le granulat a un grand pouvoir absorbant grâce à sa haute porosité et soutire à la pâte de ciment de l’eau dès le malaxage jusqu’à la prise. Cette absorption d’eau accélère le raidissement du béton frais.
L’absorption d’eau des gravillons légers doit être mesurée au préalable selon la norme SN EN 1097-6. Il est recommandé de ne tenir compte que de l’absorption d’eau des premières 60 minutes afin de ne pas surestimer l’absorption d’eau effective dans le béton léger, et de ne pas sous-estimer le rapport eau effficace/ciment. Pour le sable léger concassé, il faut seulement considérer 70 % de la valeur mesurée de l’absorption d’eau.
5.2.3 Technologie du béton
Ciment
Tous les ciments admis par la norme SN EN 206 sont aptes à la production de bétons légers. Dans le cas d’éléments d'ouvrage ayant une section supérieure à 40 cm, il faut tenir compte du fait que le granulat léger peut freiner la dissipation de la chaleur d’hydratation. Par conséquent, les températures plus élevées au sein de l’élément d'ouvrage peuvent engendrer des fissures. Pour ces cas-là, il est recommandé de choisir des ciments à faible chaleur d’hydratation.
Granulat
Types de granulats
Les granulats typiques et fréquemment utilisés pour les bétons légers de construction sont l’argile expansée, le verre expansé, les gravillons de verre cellulaire et le tuf naturel (fig. 5.2.2 à 5.2.5). Il est aussi possible de les mélanger entre eux.
L’argile expansée est un granulat léger, très poreux, produit industriellement par cuisson d’argiles naturelles. L’argile est séchée, moulue puis expansée à une température proche de 1200° C. On obtient des perles poreuses de forme sphérique et à surface fermée. Selon le processus de production, les propriétés de l’argile expansée peuvent être adaptées à l’utilisation prévue.
Le verre expansé est un granulat léger, hautement poreux, qui est produit à partir de verre de recyclage. Le procédé de production consiste à broyer et mélanger finement des déchets de verre nettoyés pour obtenir une farine crue avec laquelle on forme le granulé cru. Ce granulé cru est fondu et expansé au four à une température d’environ 750–960° C. Le verre expansé est caractérisé par sa forme ronde (billes de verre) et sa surface fermée. Le diamètre maximal du granulat se situe vers 4 mm.
Les gravillons de verre cellulaire sont produits à partir de verre de recyclage expansé à environs 900° C. Les gravillons se forment en se brisant sous l’effet de la fissuration engendrée par les tensions thermiques lors du refroidissement à 300° C.
Le tuf naturel est une roche volcanique. Un grain de tuf naturel contient jusqu’à 85 % vol. d’air sous forme de pores finement dispersés. Normalement, le tuf naturel est concassé pour obtenir un diamètre maximal de granulat de 4 mm.
Fig. 5.2.2: Argile expansée.
Fig. 5.2.3: Verre expansé.
Fig. 5.2.4: Gravillons de verre cellulaire.
Fig. 5.2.5: Tuf naturel.
Fig. 5.2.6: Domaines de masse volumique de quelques granulats légers et courants.
Masse volumique
La masse volumique des granulats légers varie en fonction de leur matière première et des procédés de fabrication (fig. 5.2.6).
Absorption d’eau
Le granulat léger présente une absorption d’eau d’env. 5 à 20 % plus élevée que celle d’un granulat naturel. Cette absorption d’eau peut accélérer le raidissement du béton frais. On évite cet effet en humidifiant au préalable le granulat, en allongeant la durée de malaxage et/ou en choisissant une consistance initiale plus molle.
Farine
Lors de l’utilisation d’un granulat léger, il faut veiller à obtenir une teneur suffisante en farine dans le béton. La teneur en farine peut être augmentée par une augmentation du dosage en ciment ou par un ajout d’additions.
Adjuvants
Le risque de ségrégation du béton léger peut être réduit et la cohésion du béton frais nettement améliorée par l’entraînement de pores d’air et l’ajout d’un stabilisateur. Les pores d’air entraîné contribuent également à réduire la masse volumique de la pâte de ciment. Dans le cas des bétons isolants (masse volumique ≤ 1000 kg/m3), la teneur en pores d’air s’élève à 15–25 % vol..
L’ajout de stabilisateur augmente la viscosité de la pâte de ciment de telle manière que le granulat léger ne peut plus remonter à la surface.
Ajouts
Dans les bétons légers, la faible teneur en farine des sables légers est complétée par un ajout d’additions. Ceci permet d’améliorer la cohésion interne du mélange, le degré de fermeture de la surface et ainsi, éviter la ségrégation.
Le remplacement partiel du ciment par des cendres volantes a l’avantage de réduire le développement de la chaleur d’hydratation qui est renforcée par la capacité d’isolant thermique du béton léger.
Consistance
Dans la pratique, les bétons légers des classes de consistance C1 à C3 ont fait leurs preuves. Les bétons isolants sont souvent mis en oeuvre avec des classes de consistance F4 à F5. Il faut noter que la tendance à la ségrégation, faisant remonter le granulat à la surface, augmente avec des consistances très fluides.
Malaxage – transport – mise en place – compactage
Malaxage
Le granulat léger est normalement dosé de manière gravimétrique. Pour cela, la teneur en eau et la masse volumique en vrac doivent être surveillées régulièrement et prises en considération lors du dosage.
L’ordre d’introduction dans le malaxeur peut être optimisé en pré-mélangeant le granulat léger avec 2/3 de l’eau de gâchage et en ajoutant ensuite le ciment et le reste de l’eau. A ce moment, seuls les adjuvants liquides sont dosés afin qu’ils ne puissent pas être absorbés par le granulat et perdre leur effet. La durée de malaxage minimale recommandée pour un béton léger compact est de 90 secondes après l’adjonction de tous les composants.
En cas d’utilisation d’agents moussants la durée de malaxage augmente jusqu’à 180–200 secondes.
Transport
Le transport dans le camion-malaxeur ne doit pas dépasser 30 minutes pour les bétons légers d’une masse volumique inférieure à 1500 kg/m3. En cas de durées de transport plus longues, des essais préliminaires sont nécessaires.
Mise en place
En règle générale, les bétons légers d’une masse volumique sèche supérieure à 1600 kg/m3 sont aptes au pompage. Par rapport à la hauteur des couches de remplissage du béton courant (50–70 cm), celle des bétons légers d’une masse volumique inférieure à 1500 kg/m3 doit être réduite d’environ 50 %.
Compactage
Le béton léger exige un plus grand effort de compactage, à cause de la masse volumique plus faible et des granulats légers qui amortissent l’énergie de vibration. Le rayon d’action de l’aiguille vibrante étant réduite d’env. 30 à 40 %, il est nécessaire de rapprocher les points d’introduction de l’aiguille vibrante. La durée de vibration doit être adaptée à la consistance afin d’éviter que les granulats légers remontent à la surface.
Cure
Il faut prévoir des délais de décoffrage plus longs (entre 24 h et 5 jours) et des mesures d’isolation thermique comme le recouvrement avec des nattes isolantes après le décoffrage en fonction de la composition du béton et de l’épaisseur de l’élément de construction. Ceci permet de réduire le risque de fissuration lié au gradient de température entre le coeur et la surface du béton. Le cas échéant des mesures sont à prendre pour diminuer le développement de la chaleur d’hydratation.
5.2.4 Recommandations pour la planification du béton léger
Comportement structural
Le comportement structural du béton léger de construction est comparé à celui du béton de masse volumique courante dans la figure 5.2.7. Alors que dans le béton de masse volumique courante le flux de contraintes passe dans le granulat, il est dévié dans la pâte de ciment durcie dont la rigidité et la résistance sont plus élevées que celles du granulat léger.
Propriétés du béton durci
Résistance à la compression
La porosité du granulat (masse volumique) a une influence prédominante sur la masse volumique du béton: plus la masse volumique du granulat est faible, plus la masse volumique du béton léger sera faible. La résistance à la compression du béton léger dépend directement de la masse volumique du béton: plus celle-ci est basse, plus sa résistance à la compression sera faible (fig. 5.2.8).
Fig. 5.2.7: Représentation schématique du flux de contraintes dans le béton courant (à gauche) et dans le béton léger de construction (à droite).
Fig. 5.2.8: Corrélation entre la résistance à la compression sur cube et la masse volumique après séchage à l’étuve d’un béton léger à argile expansée.
Résistance à la traction
La résistance à la traction du béton peut être évaluée sur la base de la résistance à la compression. Dans le cas du béton léger, la résistance à la traction doit être corrigée par un facteur de correction dépendant de la masse volumique selon l’équation 3.8.5:
Eq. 5.2.1
Module d’élasticité
Le module d’élasticité du béton léger dépend principalement du module d’élasticité des granulats et de celui de la pâte de ciment. Les valeurs usuelles du module d’élasticité du granulat léger varient entre 3000 et 18 000 N/mm2 et n’atteignent qu’une fraction du module d’élasticité du granulat normal. En général, il est même inférieur à celui de la pâte de ciment. Selon le type de granulat léger, la résistance à la compression et la masse volumique du béton léger, le module d’élasticité du béton léger de construction varie entre 5000 et 24000 N/mm2. A résistances à la compression identiques, le béton léger présente un module d’élasticité 30 à 70 % inférieur à celui du béton normal.
Le module d’élasticité du béton léger diminue avec sa masse volumique. Cette dépendance est illustrée à la figure 5.2.9 pour différents types de bétons légers.
Le module d’élasticité du béton peut être évalué sur la base de la résistance à la compression (module d'élasticité). Dans le cas du béton léger, il doit être corrigé par un facteur de correction dépendant de la masse volumique selon l’équation 3.8.8:
Eq. 5.2.2
Fig. 5.2.9: Corrélation entre la masse volumique après séchage à l’étuve et le module d’élasticité de différents bétons légers.
Retrait et fluage
Le retrait du béton léger est augmenté de 20 % à 50 % par rapport à celui d’un béton de masse volumique courante selon la norme SIA 262.
Pour le béton léger, les déformations de fluage peuvent être estimées selon la norme SIA 262. On appliquera un coefficient de fluage φ(t,t0) multiplié par le facteur de correction ηle (voir éq. 5.2.2).
Conductibilité thermique
La norme SIA 381/1 donne pour les bétons légers à base d’argile expansée des valeurs de dimensionnement du coefficient en fonction de la masse volumique après séchage à l’étuve (Tab. 5.2.1).
Tab. 5.2.1: Conductibilité thermique en fonction de la masse volumique après séchage à l’étuve pour les bétons légers à base d’argile expansée et un béton courant (valeurs de dimensionnement selon la norme SIA 381/1).
Durabilité
La surface d’un béton léger compact peut présenter de nombreux pores et cavités d’une taille de plusieurs centimètres. Ils sont, en règle générale, sans influence négative sur la durabilité du béton. Il est recommandé d’employer un coffrage absorbant pour réduire la taille et le nombre de ces pores.
En outre, une protection par traitement hydrofuge des surfaces des éléments d'ouvrage exposés aux intempéries est recommandée lorsque la classe de masse volumique est inférieure à D1.2 (au plus tôt à l’âge de 28 jours). Ceci permet d’augmenter la résistance au gel du béton léger et simplifie en plus le nettoyage de la surface des salissures et graffitis.
Composition du béton
Le tableau 5.2.2 indique les compositions ainsi que quelques propriétés sélectionnées sur le béton durci pour différents bétons léger
Fig. 5.2.10: Bétonnage d’un mur en béton léger.
Tab. 5.2.2: Exemples de formulations d’un béton léger de différentes classes de masse volumique ainsi que quelques propriétés sélectionnées.