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Partie 1 Production et propriétés du béton frais Partie 2 Caractéristiques des bétons allégés Béton de granulats légers Caractéristiques des bétons allégés

Béton de granulats légers Caractéristiques des bétons · propriétés des bétons de granulats légers Leca ® sont similaires ou spécifiques, au travers de la présentation

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  • Partie 1 Production et propriétés du béton frais Partie 2 Caractéristiques des bétons allégés

    Béton de granulats légers

    Caractéristiques des bétons allégés

  • Sommaire 1 Introduction 2 Densité 3 Résistance à la compression 4 Relation contrainte-déformation et module d’élasticité 5 Résistance en flexion, en traction par fendage et cisaillement 6 Retrait et fluage 7 Propriétés thermiques et résistance au feu 8 Durabilité Annexe 1 : Projets de référence

  • Introduction Le béton de granulats légers Leca® est un béton à faible densité et faible conductivité thermique comparativement aux bétons traditionnels. Le béton allégé a été utilisé avec succès depuis de nombreuses décennies pour des constructions tirant avantages de la réduction de poids. Aujourd’hui, la faible conductivité thermique est un atout majeur pour améliorer le bilan thermique des constructions. Ce guide est axé sur la présentation des propriétés mécaniques et thermique du béton allégé durci comparativement aux bétons traditionnels, lesquelles sont bien documentées au travers de l’expérience et des normes. Ce guide décrit en quoi, les propriétés des bétons de granulats légers Leca® sont similaires ou spécifiques, au travers de la présentation des normes traitant des bétons allégés et au travers de résultats de campagnes de mesures et d’expérience. En annexe, sont présentés des projets de référence en béton de granulats légers Leca®.

  • Figure 1 La densité du béton en fonction du temps de séchage pour un béton structurel (Holm 1994 - Mise à jour)

    FIG

    UR

    E 1

    F densité Fraiche mesurée pendant la fabrication.

    D densité au Démoulage des éprouvettes, généralement supérieure de 20-50 kg/m3 à F.

    E densité à l'Equilibre, dépendante de l'environnement, peut varier entre les valeurs D et O. Une étude américaine et l'ACI 213 concluent que E est généralement 50 kg/m3 supérieur à O et 65-130 kg/m3 inférieure à F.

    O densité après séchage au four, les normes retiennent cette densité pour le classement des bétons et des propriétés mécaniques. Le projet de recherche Européen ‘Eurolightcon’ définit S entre 100 et 200 kg / m3 en dessous de la densité fraiche F. Le guide Norvégien NB 23 recommande d’utiliser 150 kg/m3.

  • 2 Densité

    Première propriété importante, c’est avant tout la réduction du poids atteinte par les bétons allégés qui justifie leurs utilisations dans les structures. La densité fraiche puis au démoulage des bétons traditionnels est généralement comprise entre 2300-2400 kg/m3, alors que pour les bétons allégés, la densité démoulée est inférieure à 2000 kg/m3 et la densité fraiche est inférieure à 2 150 kg/m3. Comme les propriétés mécaniques sont directement liées à la densité, les normes définissent une densité limite basse à 800 - 1000 kg/m3 pour le classement des bétons allégés en béton de structure. En dessous, les bétons ne sont plus en rapport avec les expériences sur lesquelles se basent les normes et réglementations. Les bétons allégés sont constitués de granulats légers, de liant et de sable classiques. Les normes laissent la possibilité d’introduire d’autres types de constituants tels les fillers, cendres volantes etc… Les granulats légers Leca® sont des particules de tailles variables, présentant une coque d’argile dur et solide et une structure poreuse plus ou moins ouverte. Ces granulats ont par conséquent une grande capacité d’absorption d’eau, pendant le stockage, le malaxage ou le transport du béton frais. La densité d'un mélange de granulats légers va donc varier plus qu’un béton traditionnel, en fonction du degré d'humidité initial, pendant le mélange, le transport et la mise en place. La plupart de cette humidité sera évacuée plus tard au cours de la maturation jusqu’à équilibre avec l’environnement. Les différentes phases de la densité d’un béton allégé sont décrites en figure 1 afin de connaître l’évolution type de la densité d’un béton.

  • Figure 2 Résistance à la compression maximale en fonction de la densité fraiche, à l’équilibre et sèche, (Punkki 1992)

    FIG

    UR

    E 2

    Wet densité densité Fraiche

    Air dry density densité à l'Equilibre

    Oven dry density densité après séchage au four

    Tableau 1 Pourcentage de résistance atteinte à 7, 28 et 90 jours pour un béton traditionnel et un béton allégé (NB 23-1999)

    7 jours 28 jours 90 jours

    ~2 400 kg/m3 70 % 100 % 107-112 %

    < 2 000 kg/m3 90 % 100 % 100-105 %

  • 3 Résistance à la compression La deuxième propriété importante des bétons de granulats légers Leca® est la résistance à la compression. De la densité et la résistance sont déduites la plupart des propriétés des bétons allégés. Tous les agrégats ont un plafond de résistance spécifique. Utiliser le matériau à sa limite de résistance n'est pas recommandé car c’est tout le béton qui en pâtira. Cependant, d'un point de vue académique, la résistance maximale à la compression décrite en figure 2, présente de l'intérêt. Contrairement au béton traditionnel, dans un béton allégé, les granulats et le mortier les enrobant possèdent une résistance et une rigidité relativement similaires. Les bétons traditionnels sont nettement plus rigides que le mortier. Les efforts internes de cisaillement se placent de façon privilégiée à l’interface granulat/pâte cimentaire et engendrent de la microfissuration. Dans le cas des bétons allégés, les granulats Leca® vont absorber une partie de l’eau du mélange et réduire localement le ratio E/C à l’interface granulat / pâte cimentaire. Il en résulte une excellente hydratation locale du ciment, améliorant la résistance locale et prévenant la microfissuration initiale. Ces microfissures apparaîtront à un niveau de contrainte de cisaillement supérieure. La capacité des granulats Leca® à retarder les microfissures est cependant limitée et abouti à un modèle de rupture plus rapide. Pour les bétons allégés, la courbe contrainte / déformation est donc plus linéaire et la déformation maximale plus faible. Les granulats légers étant de nature plus faible que les granulats courants, leur influence sur la résistance finale du béton allégé est importante et notamment sur la performance maximale à dosage ciment comparable. Pour finir, la résistance du mortier est déterminante vis-à-vis de la résistance finale du béton. La performance déclarée est la résistance à la compression obtenue à 28 jours. Le développement de la résistance d’un béton de granulats légers est plus rapide et atteint 90% de la performance déclarée dès 7 jours. Comparé à un béton traditionnel qui atteint 70% à 7 jours, la résistance obtenue est supérieure. Au-delà de 28 jours et précisément à 90 jours, la performance évolue peu (5%) ou pas alors qu’un béton traditionnel évolue encore de 7 à 12%. Cette différence est notable dans la mesure où les règlementations de calcul tiennent compte de cet accroissement de performance après 28 jours. Par conséquent, les normes ont limité les classes de performances et de densité admissibles pour les bétons allégés. Une alternative autorisée consiste à fournir un dossier technique détaillé sur les performances mécaniques après 28 jours. Un autre point notable est le rapport entre résistance sur éprouvette cylindrique et cubiques. Ce rapport n’est pas identique à celui existant pour les bétons de densité conventionnelle. Les normes acceptent habituellement l'utilisation des résultats sur cubes pour mesurer la résistance à la compression. Un rapport fixe est utilisé pour déterminer le résultat sur une éprouvette cylindrique qui est la référence. Pour les bétons allégés, les résultats sont quasi similaires.

  • Figure 3 Courbe schématique de contrainte/déformation pour béton allégé et conventionnel. Le béton allégé a une forme plus linéaire et une rupture plus rapide. La déformation maximale est supérieure à contrainte maximale comparable

    FIG

    UR

    E 3

    maximum strain at maximum load déformation maxi / contrainte maxi

    maximum strain déformation maximale

    LWAC béton allégé

    NDC béton conventionnel

  • 4 Relation contrainte-déformation Module d’élasticité E Le module E est la rigidité d'un matériau définie à partir des courbes de contrainte en fonction de la déformation. Comme pour la résistance à la compression, le module E est la résultante de la combinaison des modules particuliers des constituants, de leur proportion et de leurs liaisons. Il y a une bonne corrélation entre le module E et la résistance à la compression. En première approche les tests montrent une faible influence du type de granulats légers sur le module. Comparé aux courbes des bétons traditionnels et pour une résistance à la compression égale, la courbe des bétons allégés a une montée généralement plus linéaire, un point de déformation maximale supérieure mais ensuite un schéma de rupture plus rapide, confère la figue 3. Ce comportement fragile est généralement la conséquence d’une plus grande déformation. A résistance à la compression similaire, le module d’élasticité d’un béton allégé est d'environ 20-30% inférieur à celui d’un béton traditionnel. Les règles de calcul utilisent des valeurs fiables qui sont proches des valeurs mesurées.

  • Photo 1 Zoom sur la surface de fracture d’un béton allégé de faible densité.

  • 5 Résistance en flexion, en traction par fendage et cisaillement Traditionnellement, la résistance à la traction est en fonction de la résistance à la compression. Il s’agit de la résultante de la résistance des granulats légers, du mortier intra-granulaire et de la force de la liaison à leurs interfaces. Les granulats légers ont une résistance en traction nettement plus faible que les granulats courants, a contrario, la force de liaison sur les granulats légers est plus forte. La compensation est suffisante pour que seules de faibles différences de résistance à la traction soient mesurées. A titre d’exemple, à béton de résistance à la compression comparable, l’ ACI 213 donne la résistance à la traction par fendage d’un béton allégé égale entre 75% et 100% de celle d’un béton traditionnel. Le projet de recherche Européen ‘Eurolightcon’ donne de son coté une valeur de résistance à la traction comprise entre 5 et 15% de la résistance à la compression. A noter, plus le béton est de faible densité et dit ‘fragile’, plus la différence de résistance à la traction est importante avec un béton traditionnel. La résistance au cisaillement peut être améliorée avec des polymères. Les normes adaptent ces valeurs et les réduisent pour le dimensionnement au cisaillement à la traction. Pour obtenir des valeurs exactes, des mesures doivent être effectuées avec par exemple, les formulations données dans ce document.

  • Photo 2 Mesure de résistance à la flexion d’une poutre de béton allégé.

  • 6 Retrait et fluage Le retrait au séchage et le retrait endogène sont les deux formes de retrait principales. La force agissante dans les deux cas est la consommation et l’évaporation de l'eau des pores de la pâte cimentaire qui provoque la contraction de ces pores et le retrait du béton. Le pourcentage du retrait endogène est directement lié à la quantité de ciment dans le mélange. Comme un béton allégé a généralement un dosage en ciment plus important qu’un béton traditionnel pour une résistance à la compression comparable et comme le module d’élasticité est plus bas, le retrait sera plus important mais plus lent. Le pré-mouillage des granulats légers modifie complètement la situation. L’eau contenue par les granulats est disponible lors de l’hydratation du ciment et va compenser la disparition de celle consommée par le ciment. Des études récentes montrent que cette cure interne est susceptible d’éliminer intégralement le retrait initial et améliore le niveau d’hydratation du ciment. Le retrait du béton allégé est peu documenté et les normes ne font pas de distinction entre les bétons allégés et traditionnels. Le fluage est une déformation de la matrice au cours du temps sous une charge extérieure. La proportion des volumes de pâte cimentaire et de granulats sont similaires entre bétons allégés et traditionnels, mais la rigidité des granulats légers est habituellement inférieure. Le fluage est donc censé être plus élevé pour les bétons allégés. En fait, cela est vrai en dessous de 1800 kg/m3, plus le volume est occupé par des granulats légers et plus le fluage sera grand. Généralement, à résistance à la compression comparable, on considère le fluage supérieur de 30% pour les bétons de densité inférieure à 1 500 kg/m3 et plus ou moins similaires pour les bétons de densité supérieure à 1800 kg/m3.

  • Figure 4 Relation entre la conductivité thermique et la densité sèche d’un béton allégé (Référence : Lo-Shu 1980)

    FIG

    UR

    E 4

    Self-burned colliery weste Déchets de mine calcinés

    Sintered pulverised fuel ash Cendres de combustion pulvérisé

    Expanded clay Argile expansée

    Scoria Scorie

    Expanded perlite Perlite expansée

    Expanded shale Schiste expansé

    Conductivity coefficient Coefficient de conductivité thermique

    Oven dry densiy Densité après séchage au four

  • 7 Propriétés thermiques et résistance au feu

    La conductivité thermique est la quantité de chaleur par unité de temps (puissance en W) transférée à travers 1 m de matériau par unité de surface (m/m²=m-1) sous un gradient de température (°K -1), exprimée en W/[m.°K] La conductivité thermique des bétons allégés est très inférieure aux bétons courants. En raison de la structure poreuse des granulats Leca®, le béton de granulats légers est très adapté pour améliorer l'isolation d'une structure. La conductivité est directement liée à la densité et le niveau d'humidité du béton - voir la figure 4. Un béton moins dense freine la progression des calories au travers d’une épaisseur et représente une solution au problème de pont thermique. Cela retarde les effets des variations thermiques externes et améliore les rendements des systèmes de régulation thermique. La chaleur spécifique d’un matériau est la quantité d’énergie à apporter par échange thermique pour élever d’un degré la température d’une unité de masse. Elle est également appelé chaleur massique, ou capacité thermique massique. La chaleur spécifique du béton est indépendante de la densité : 1 J / kg.K. A une température donnée, un béton moins dense emmagasine moins d’énergie ou de calorie thermique et par conséquent demande moins d’énergie pour passer d’une température à une autre. Ainsi, une structure allégée, à résistance comparable, nécessite moins d’énergie pour être réchauffée ou refroidie. Ceci est important à prendre en compte pour le dimensionnement des systèmes de régulation thermiques des bâtiments. Le coefficient de dilatation thermique défini l’expansion d’un volume par unité de longueur et de température. Pour les bétons allégés, le coefficient de dilatation thermique est un peu plus faible. En outre, le module d’élasticité étant plus faible et la déformation sous charge maximale étant légèrement plus élevée, les bétons de granulats légers ont une meilleure résistance à la fissuration thermique. Plusieurs facteurs sont impliqués pour caractériser la résistance au feu. En général, les bétons allégés résistent mieux aux incendies lents de cellulose mais moins aux incendies rapides d'hydrocarbure. L’usage de fibres de polypropylène contribue à améliorer cette différence.

  • 8 Durabilité La durabilité des bétons est principalement liée à la protection des aciers de renforcement contre la corrosion causée par l’abaissement du pH (carbonatation) ou la pénétration des chlorures. La perméabilité d’un béton allégé dépend de la perméabilité spécifique des trois composants : granulats, pâte cimentaire et interface pâte/granulat. Les granulats légers sont poreux ; la pénétration de gaz et d'eau est facilitée. Cependant, les bétons allégés de structure sont généralement composés d'une matrice dense avec un ratio e/c faible amenant une très haute performance à la zone d'interface. De plus, la pâte a un système plus fermée grâce à ce ratio e/c plus faible. Cela réduit d’autant, la capacité du granulat à transporter l’eau à travers le béton. Au final, pour les bétons allégés de moyenne et haute résistance, la protection est considérée au moins semblable sinon meilleure que les bétons traditionnels de classe de résistance comparable. Par contre, lorsque le e/c est accrue, les capillaires dans la pâte sont en théorie plus ouverts, ce qui favorise le transport de l’eau par les granulats légers. De même les bétons de faible et très faible densité ont une structure plus ouverte. Il faut en tenir compte dans l’enrobage des aciers. Les études à long terme de diverses structures de bétons allégés ne montrent pas de problème de durabilité accentué comparé au béton traditionnel et les normes imposent les mêmes régles pour les bétons allégés et traditionnels vis-à-vis du renforcement de la durabilité. Par extension, la résistance au gel / degel des bétons de granulats légers est similaire voir meilleure grâce à la structure poreuse des granulats. Les bétons traditionnel ou allégé de haute performance présentent une excellente résistance au gel sans entraineur d’air grâce au ratio e/c très bas. Ceci n’est plus vrai pour les cas de bétons de granulats légers pré-saturés en eau. References: Eurolightcon: LWAC Material Properties: State of the Art: 1998 ACI 213R-03: 2003 NB 23: 1999 Factors controlling properties of LWAC: PhD Thesis: Punkki 1992

  • AN

    NE

    XE

    I

    References projects:

    Ref. 01: Musée Guggenheim, Bilbao, Espagne, dallage en béton allégé

    Ref. 02: Tunnel Være, voussoirs en béton allégé, Norvège

    Ref. 03: Eglise Snarøya, Norvège

    Ref. 04: Cathédrale « The Polar Sea », Tromsø, Norvège

    Ref. 05: The Troll West Platteforme flottante offshore, Norvège

    Ref. 06: Pont d’autoroute, Punete de los Santos, Espagne

    Ref. 07: Exposition internationnale 1998, Pavillon portugais, Lisbonne, Portugal

    Ref. 08: Pont sur le Cavado - Portugal

  • Saint Gobain – Weber www.e-weber.com