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4.2 - Btons HautesPerformances

4.2.1 - Dfinition

Les Btons Hautes Performances (BHP) ont dabord t utiliss pour leurhaute rsistance. Cette caractristique facilement mesurable a fait des pro-grs spectaculaires partir des annes 80. Elle est passe de 30 35 MPa, plus de 100 MPa pour les Btons Trs Hautes Performances, voire plus de200 MPa pour les Btons Fibrs Ultra Hautes Performances (BFUP).

Les BHP se caractrisent par :8 une rsistance caractristique la compression 28 jours suprieure

50 MPa sur cylindre,8 un rapport Eeff/Liant quiv infrieur 0,4.

Mais les gains de rsistance ne sont pasles seuls avantages de ces btons quitirent leurs proprits de leur micros-tructure trs dense, dune forte rduc-tion de leur porosit et dun rseaucapillaire non connect. Ces btonssont, en fait, des matriaux trs hautecompacit.

Les BHP sont galement, du fait de leurporosit extrmement rduite, plusrsistants aux agents agressifs et, defaon gnrale, prsentent une durabi-lit accrue. Ils permettent doptimiserles structures, de raliser des ouvragessoumis des contraintes leves ousubissant un environnement svre (cli-mat rigoureux, agressions marines,effets du gel).

Bton courant

BHP

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NotaLa norme NF EN 206-1 BTONS spcifications, performances, productionet conformit dfinit le BETON HAUTE RSISTANCE : "bton apparte-nant une classe de rsistance la compression suprieure C 50/60,sagissant de bton de masse volumique normale ou de bton lourd, etsuprieure LC 50/55, sagissant de bton lger".

4.2.2 - Principes de formulation des BHP

La recherche des hautes performances passe par la rduction de la porositdu bton durci, cest--dire de son pourcentage de vide. On cherchera donc,pour formuler un BHP, diminuer la porosit de la matrice cimentaire et optimiser le squelette granulaire.

La limitation de la porosit implique essentiellement deux conditions :8 une trs faible teneur en eau ; 8 une granulomtrie comportant des lments fins en quantit suffisante

pour remplir les espaces entre les plus gros granulats.

Deux dmarches sont gnralement associes pour optimiser la formula-tion dun BHP :

8 Dfloculation des grains de cimentLemploi des superplastifiants permet une rduction de la teneur en eau dumlange consistance gale. Les rapports Eeff/Liant quiv sont de lordre de 0,35 au lieu de 0,45 0,50 pourun bton usuel (soit une rduction de la teneur en eau de plus de 30 %).Les superplastifiants sopposent la floculation des grains de ciment, ce quiaugmente leur ractivit, facteur en particulier de performances courtterme.

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8 Optimisation du squelette granulaireLes performances des BHP peuvent encore tre optimises par lextension duspectre granulaire grce, en particulier lajout de particules ultrafines. Lesultrafines les plus utilises sont les fumes de silice. Elle ont une action sur lagranulomtrie du mlange, en comblant les micros vides inter-granulaires,mais prsentent galement une ractivit avec la chaux libre, lie leur carac-tre pouzzolanique.On adaptera galement chaque classe granulaire afin dobtenir un mlange trs haute compacit (les lments fins remplissant les espaces entre les plusgros granulats).

La premire dmarche peut-tre utilise seule et permet dj des gainsde proprit importants (en terme de rsistance mcanique, on peut ainsiatteindre des btons de classe de rsistance C 60/75). La seconde voieimplique obligatoirement le recours simultan lemploi de superplasti-fiants. Elle permet dobtenir de nouveaux gains de performances.

Quelques exemples de formulation pour 1 m3 de BHP :

PONT DE JOIGNYB60 sans fume de siliceCEM I 52,5 450 kgGranulat 6/20 1027 kgSable 0/4 648 kgSablon 105 kgEau 160 lSuperplastifiant 11,25 kgRetardateur 4,50 kg

PONT DE JONCHEB80 avec fume de siliceCEM I 52,5 420 kgFume de silice 35 kgGravillon 6/10 250 kgGravillon 10/14 730 kgSable 0/4 660 kgSablon 0/1 140 kgEau 152 lSuperplastifiant 7,3 kg

VIADUC DU CROZETB60 avec fume de siliceCEM I 52,5 PM ES 385 kgGravillon 5/12 363 kgGravillon 12/20 694 kgSable 0/5 785 kgFume de silice 31 kgEau 140 lSuperplastifiant 4,6 kg

PONT RAIL TGV MEDITERRANEEB60 sans fume de siliceCEM I CEM I 52,5 R CP 2 425 kgGravillon 12,5/20 655 kgGravillon 4/12,5 500 kgSable 0/4 760 kgEau 140 lSuperplastifiant 6 kg

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4.2.3 - Constituants des BHP

Les constituants du BHP font lobjet des principales spcifications suivantes :

ciments : types CEM I, CEM II ou CEM III, classes de rsistance conseilles42,5 ou 52,5 conformes la norme NF EN 197-1 ;

granulats : conformes la norme NF EN 12620 : granulats pour btons ;

additions : cendres volantes silico-alumineuses, laitiers de haut-fourneau,additions calcaires, additions siliceuses, ultrafines (fumes de silice) confor-mes leurs normes respectives ;

adjuvants : plastifiants rducteur deau et superplastifiants haut rducteurdeau conformes la norme NF EN 934-2.

Nota Compte tenu des faibles dosages en eau des BHP, il convient de privil-gier des granulats peu poreux afin de limiter labsorption deau par les gra-nulats, pour favoriser le maintien rhologique du bton.

La ractivit de certains ciments peut entraner dosage lev un dga-gement de chaleur relativement important au cours du processus dhydra-tation. Dans le cas de pices massives, il convient de mettre en uvre desprcautions constructives spcifiques pour rguler la temprature dubton et limiter les lvations de temprature cur.

Les additions permettent doptimiser le spectre granulaire et donc la com-pacit du bton tout en facilitant les possibilits d'coulement. Certaines ontun pouvoir pouzzolanique ou hydraulique et permettent daugmenter larsistance du matriau aux agressions chimiques. Les additions les plusperformantes en matire de rsistances mcaniques sont les fumes desilice (co-produit de lindustrie lectromtallurgique du silicium, principale-ment constitu de dioxyde de silicium SiO2, de forme parfaitement sphri-que, de diamtre moyen trs faible 0,1 m), leurs dosages sont de lordrede 8 10 % du poids du ciment. Elles se combinent avec la chaux, librelors de lhydratation du ciment pour former de nouveaux hydrates.

Les superplastifiants ont la proprit de dfloculer les particules fines etles grains de ciment et damliorer leur rpartition dans la matrice cimen-taire. Ils permettent aussi de supprimer le seuil de cisaillement dans lapte de ciment ltat frais. Ainsi, les BHP bien quayant un aspect vis-queux et collant scoulent facilement. Ils sont en gnral doss entre 1 et3 % de la masse de ciment. Il convient, lors de ltude de formulation, devrifier la comptabilit entre le ciment et les adjuvants afin de conserverune ouvrabilit satisfaisante pendant toute la dure de mise en place dubton.

Le choix du type de ciment est fonction, en particulier, des propritslies aux dispositions constructives : exothermie, retrait, rsistance aujeune ge et du type dactions environnementales auquel le bton est sou-mis (sels de dverglaage, solutions acides, solutions salines).

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4.2.4 - Contrle des BHP

Les BHP sont soumis aux mmes types dessais que les btons traditionnelsdans le cadre de leur conformit la norme NF EN 206-1, par exemple :8 Consistance mesure au cne dAbrams8 Rsistance la compression

Divers essais complmentaires permettent de mesurer les proprits desBHP aussi bien au stade de mise au point de la formulation, que lors desconvenances, ou des contrles sur chantier.

8 Etalement la table secousse

8 RhomtreCet essai permet de mesurer, lors de la formulation, le seuil de cisaillementet la viscosit plastique des BHP.

8 Mthode des coulis de lAFREMCette mthode permet, en particulier, de comparer lefficacit des adjuvants.

8 Mthode du Mortier de Bton Equivalent (MBE)Elle permet, par exemple, dtudier linfluence de la qualitdu sable sur la rhologie ou destimer les dgagements dechaleur.

Par ailleurs, des essais spcifiques ont t dvelopps pour mesurer desparamtres associs la durabilit des BHP tels que :8 la pntration des chlorures ;8 la mesure de labsorption deau par capillarit ;8 la microstructure des btons ;8 la permabilit au gaz du bton durci ;8 la porosit accessible leau ;8 la mesure de lpaisseur de bton carbonat.

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4.2.5 - Dimensionnement des structures en BHP

Les BHP prsentent des rsistances en compression importantes aux jeunesges, compte tenu de la rapidit de la cintique de monte en rsistance, unBHP de 60 MPa 28 jours peut ainsi offrir des rsistances mcaniques de15 MPa 24 heures et 40 MPa 7 jours.Les BHP offrent long terme, des performances mcaniques accrues encompression, traction, flexion et cisaillement qui permettent :8 de simplifier et d'optimiser le dimensionnement et la conception des struc-

tures ;8 dconomiser les matires premires fonctionnalit identique ;8 de raliser des structures soumises des sollicitations importantes et

des contraintes leves ou des ouvrages subissant des environnementsagressifs svres ;

8 de diminuer le poids des structures ( portes quivalentes) ou daugmenterles portes ( poids propre quivalent) tout en limitant les dformations ;

8 de concevoir des structures plus lances.

Les nouvelles normes europennes de dimensionnement des structures enbton (Eurocode 2 : NF EN 1992) permettent la prise en compte des rsis-tances mcaniques des btonS jusqu la classe C 90/105.

4.2.6 - Atouts des BHP

Les BHP offrent de nombreux atouts.8 Des proprits exceptionnelles ltat fraisLa formulation ( laide de superplastifiants) des BHP leur confre une grandefluidit, une ouvrabilit accrue (valeur daffaissement au cne suprieure 150 mm pendant plusieurs heures), une aptitude au pompage amliore, un

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maintien de la plasticit dans le temps, et une bonne stabilit ltat frais, cequi : garantit un bon remplissage des moules et des coffrages et un enrobageparfait des armatures ; facilite la mise en uvre, en particulier dans les zones trs ferrailles ; amliore le rendement de mise en place du bton (il en rsulte une rduc-

tion du dlai dexcution de louvrage et un gain sur le cot de la mainduvre) ;

permet des btonnages complexes dans des conditions daccs difficiles.

Les BHP prsentent aussi : une bonne stabilit l'tat frais, ce qui garantit l'absence de sgrgation ; une faible viscosit, qui autorise le pompage sur de longues distances.

8 Des performances leves aux jeunes ges

Les caractristiques physico-chimiques et la cintique spcifique de durcis-sement des BHP leur confrent des rsistances mcaniques importantes auxjeunes ges ce qui autorise : des dcintrements et des dcoffrages rapides et une acclration et opti-

misation des cycles de coffrage/dcoffrage ; des dlais avant mise en tension des armatures de prcontrainte raccourcis ; une acclration et une optimisation des cadences de fabrication.

Il en rsulte une simplification et une approche diffrente de lorganisationdes chantiers, une augmentation de la productivit et des gains significatifssur les dlais de construction des ouvrages.

8 Des rsistances mcaniques importantes long terme

Les BHP offrent des performances mcaniques leves long terme.Ces performances, qui dcoulent en particulier de sa faible porosit peuconnecte, se traduisent par : une meilleure adhrence acier/bton ; un fluage infrieur celui des btons ordinaires ; une augmentation du module dlasticit ; une diminution des sections de bton ; une rsistance importante aux agents agressifs ;

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un faible risque de corrosion des armatures ; une forte rsistance aux cycles de gel/dgel ; une faible permabilit.

Ces gains de performance se traduisent par un cot d'entretien rduit pen-dant la dure dutilisation de louvrage.La durabilit est amliore du fait de la trs faible porosit. On constate, enparticulier, une amlioration de la rsistance aux agressions chimiques, qui setraduit par un comportement favorable en milieu marin ou en prsencedeaux agressives. La progression de la carbonatation en profondeur estrduite, ce qui assure une meilleure protection des armatures. Les BHP prsen-tent gnralement une rsistance au cycle de gel/dgel amliore. Lensembledes rsistances mcaniques (compression, traction) est augment, alors queles dformations sous charges instantanes et surtout sous charges perma-nentes sont diminues.

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4.2.7 - Projet National BHP 2000

Le Projet National BHP 2000 a associ une cinquan-taine de partenaires, chercheurs, universitaires,industriels, fournisseurs de matriaux, experts deslaboratoires, des bureaux dtudes ou des entrepri-ses, matres duvre et matres douvrage.Les recherches de dveloppement menes dans lecadre de ce Projet National ont abouti des avan-ces scientifiques importantes et ont permis deconnatre parfaitement le comportement des BHP.Des essais acclrs raliss en laboratoire et desexpriences long terme dans divers types denvironnements chimiquementagressifs ont permis de valider la durabilit des ouvrages en bton arm et enbton prcontraint.Les principaux thmes de recherche ont permis danalyser, en particulier, soncomportement en retrait et en fluage au jeune ge, son comportement aufeu, son association avec des armatures hautes performances.

Les recherches ont fait lobjet dtudes exprimentales, dtudes de vieillis-sement sur sites naturels particulirement exposs des agressions svreset de suivis exprimentaux sur des ouvrages rels.Elles ont abouti llaboration de rgles de calcul : lois dadhrence, rsistan-ces aux divers tats limites, incidence sur les dispositions constructives et la rdaction de nombreux ouvrages dont des guides pratiques dutilisation etde dimensionnement.

4.2.8 - Conclusions

La formulation et la fabrication de btons dont la rsistance en compression 28 jours atteint plus de 50 MPa voire 80 MPa est aujourd'hui de pratiquecourante en France et nest plus du domaine exprimental. De nombreuxouvrages ont t excuts en BHP ces dernires annes.Cette banalisation des BHP est rendue possible par la disponibilit du pro-duit au sein du rseau des centrales de BPE de manire homogne en France.Ces BHP sont en gnral formuls avec des granulats locaux. Les centrales bton sont quipes des automatismes, des process de fabrication, des pro-cds de dosages et des procdures de contrle rigoureuses assurant la

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reproductibilit des caractristiques et la matrise de la fabrication des BHP.Le rseau BPE a fait la preuve depuis plusieurs annes l'occasion de nom-breux chantiers de sa pleine matrise industrielle des BHP et de sa capacit livrer tous types de chantier.

NotaLe malaxage dun BHP doit gnralement tre prolong par rapport celuid'un bton courant.Le BHP requiert un niveau de qualit de fabrication important compte tenude la sensibilit de son comportement aux variations de proportion desconstituants, en particulier du dosage en eau.

De nombreux atouts justifient l'utilisation, la comptitivit conomique et labanalisation de l'emploi des BHP pour les ouvrages courants.

8 En phase de conception

Simplification des sections. Simplification des ferraillages. Optimisation possible de la gomtrie de l'ouvrage. Allgement des structures.

8 En phase de construction

conomie de matire (granulats en particulier). Gain de poids, donc simplification des fondations et des mthodes de

construction. Rduction des dlais d'excution. Optimisation des cycles de construction et de la productivit. Minimisation de l'incidence des intempries sur les phasages de construction.

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8 En phase de service

Durabilit augmente. Frais d'entretien rduit. Allongement de la dure d'exploitation de l'ouvrage. Maintenance rduite.

Il en rsulte des ouvrages plus durables, ncessitant moins dentretien descots globaux comparables.