Les bétons spéciaux : Béton à hautes performances

10 Juillet 2019
 

Propriétés

Les BHP (Bétons à Hautes Performances) se distinguent des bétons ordinaires par leurs très hautes résistances à la compression. En général, on associe les BHP à des classes de résistance caractéristique supérieures à C50/60.
 
Les propriétés principales de ces bétons sont :
  • une augmentation des caractéristiques mécaniques tant à jeune âge qu’à long terme (compression, traction, module d’élasticité) 
  • une porosité très faible, conduisant à une meilleure résistance aux agents agressifs, aux cycles de gel dégel et à l’abrasion.
     
En outre ces bétons se caractérisent généralement par une fluidité importante. L’utilisation de ces bétons permet, selon les caractéristiques recherchées, de réduire les sections des pièces en béton, d’augmenter les portées des éléments en béton (fig 3.6.1), ou de garantir une durabilité accrue d’un ouvrage (fig 3.6.2).
 

La course aux performances

L’obtention de résistances à la compression de plus en plus élevées s’est faite en passant par les étapes suivantes :
  • augmentation du dosage en ciment
  • réduction du E/C
  • extension du squelette granulaire.
     
L’augmentation des dosages en ciment permet d’obtenir des résistances allant jusque 40 à 50 N/mm². La réduction du E/C en deçà de 0,40 permet d’atteindre des bétons de résistance supérieure à 80 N/mm².
 
L’ajout de particules ultrafines, qui comblent les micro-vides intergranulaires, permet de diminuer la compacité du béton. Ces ultrafines, combinées à l’utilisation de superplastifiants performants, permettent également d’améliorer l'ouvrabilité du béton et ouvrent la voie à une nouvelle diminution du rapport E/C. Cette extension du squelette granulaire et des rapports E/C allant jusque 0,35 permettent d’obtenir des résistances de 100 N/mm² et plus.


Constituants du béton

Ciment
Tous les types de ciments peuvent être utilisés. Ils seront toutefois généralement de type CEM I et de classe 52,5. Les dosages peuvent dépasser les 400 kg/m³.
 
Additions
En cas d’utilisation d'additions, la fumée de silice est la plus utilisée pour la formulation des BHP. Leur ajout permet une réduction importante de la porosité du béton. Les fumées de silice ont une finesse extrêmement élevée (environ 100 fois plus fin que le ciment) et possèdent des propriétés pouzzolaniques.
 
Lors de l’hydratation d’un béton normal, des pores subsistent toujours dans la pâte et aux interfaces entre les granulats et les grains de ci ments hydratés. La fumée de silice vient remplir ces espaces. Les micro-sphères de fumée de silice réagissent, grâce à leur caractère pouzzolanique, avec la portlandite dégagée par l’hydratation du clinker pour former des hydrates qui comblent ces pores, ce qui conduit à une très faible porosité résiduelle du béton.
 
La quantité de fumée de silice optimale est généralement de l’ordre 6 à 10% de la teneur en ciment.
 
Granulats
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 (fig 3.6.3 haut). 
 
Dans le cas du BHP, grâce au faible rapport E/C et la faible porosité capillaire, cette zone de contact est plus dense et donc renforcée. La rupture ne suit dès lors pas la zone de contact, mais fracture le granulat (fig 3.6.3 bas). L’emploi de granulats de roche dure (par exemple porphyre) est donc recommandé pour la formulation des BHP.
 
Pour assurer le dosage en eau restreint du béton à haute résistance, on veillera particulièrement à la propreté du sable. De même, le sable présentera de préférence une granularité continue et de haute régularité ainsi qu’une faible teneur en fines.
 
Le diamètre maximal du granulat est, en règle générale, réduit à 16 mm. En effet, le module d’élasticité des gravillons est supérieur à celui de la pâte de ciment durcie. Il peut donc y avoir une différence importante de module à l’interface entre le gravillon et la pâte, ce qui se traduirait par une concentration de contraintes localisées. Le choix d’un grain de plus petite dimension permet de mieux distribuer ces concentrations de contraintes dans le béton. Le diamètre maximal ne peut pas se réduire trop fortement car, à défaut, la quantité d’eau nécessaire au mouillage des granulats augmentera trop fortement. 
 
Superplastifiants
Les dosages en superplastifiants sont généralement élevés. Ceci permet de réduire fortement la quantité d’eau et d’atteindre des E/C inférieurs à 0,40 et allant même jusque 0,25 - tout en gardant une ouvrabilité importante. Ce haut dosage en superplastifiant s’accompagne généralement d’une viscosité élevée et d’un comportement thixotrope du béton.
 

Propriétés du béton frais

Ouvrabilité
La quantité importante de pâte et un dosage important de superplastifiant permettent d’obtenir des bétons ayant une consistance importante. Des affaissements de 180 à 200 mm sont courants pour ce type de béton.
 
Dégagement de chaleur
En raison de la teneur élevée en ciment, le dégagement de chaleur inhérent au processus de l’hydratation est plus important dans le béton à hautes performances par rapport au béton ordinaire. Cette élévation importante de température doit être prise en compte dès la conception du projet. Les risques liés au retrait et à la fissuration thermique doivent être évalués. Des mesures visant à éviter le retrait thermique empêché ainsi que des différentiels de température trop importants au sein du béton doivent être prises (voir chapitre 4.2). Les risques liés au développement de réaction sulfatique interne doivent être maîtrisés (voir chapitre 4.7).
 
Afin de limiter la température maximale atteinte dans le béton, les mesures suivantes peuvent notamment être envisagées : 
  • Limiter autant que possible l’épaisseur des pièces massives lors du dimensionnement, prévoir des réservations pour permettre le dégagement de chaleur.
  • Remplacer partiellement du CEM I par un ciment à base laitier.
  • Eviter de bétonner aux heures les plus chaudes de la journée, et éviter les attentes prolongées avant bétonnage en zone ensoleillée.
 

Propriétés du béton durci

Résistance à la compression Au jeune âge, les résistances mécaniques des BHP sont généralement plus hautes car leur cinétique de durcissement est plus rapide en raison des dosages élevés en ciment et des faibles rapport E/C.
 
A long terme, lorsqu’un béton normal est comprimé, des fissures d’adhérence apparaissent à l’interface entre la matrice mortier et le granulat puis se propagent à toute la matrice de mortier. Le béton cède sous l’effet d’un réseau de fissures ininterrompues dans le mortier, alors que les granulats ne subissent aucun dommage. 
 
Le béton à hautes performances se caractérise par une meilleure adhérence entre les granulats et la matrice. L’apparition et le développement de fissures d’adhérence sont donc retardés. En outre, la résistance de la matrice et des granulats est proche. La rupture se fait donc par une fissuration traversant la matrice et les granulats. Mais dès l’atteinte de la résistance de rupture, la portance tendra très rapidement vers une valeur nulle. C’est ce qu’on appelle un comportement de rupture fragile. 
 
Résistance à la traction
Généralement, la résistance à la traction est liée à la résistance en compression. Cependant, le gain de résistance à la traction est moindre dans le cas d’un BHP. Un C30/37 aura par exemple un rapport de 1/10 entre la résistance à la compression et le traction alors qu’un béton C 80/95 aura un rapport de 1/15.
L’ajout de fibres dans le béton permet d’augmenter le niveau de résistance résiduelle à la traction (voir chapitre 3.3).
 
Module d’élasticité
Etant donné la grande compacité des BHP et la très faible proportion de vides, le module d’élasticité de ces bétons est nettement plus élevé que pour des bétons traditionnels.
Il sera de l’ordre de 37 000 à 45 000 N/mm² contre environ 32 000 à 33 000 N/mm² pour un béton à résistance normale.
 
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
  • la déformation due au fluage diminue lorsque la résistance augmente et atteint sa valeur finale plus rapidement.
     
Le retrait endogène du béton à hautes performances est plus important que celui du béton à résistance normale. En revanche son retrait de dessiccation est plus faible. Il en résulte finalement une valeur ultime de retrait plus petite que celui du béton à résistance normale (voir la définition des différents retraits au chapitre 4.2). 
 
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 de construction 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.
 
Résistance au feu
En raison de la structure très dense des pores, la pression de vapeur qui apparaît à l'intérieur du béton à des températures excédant 100°C peut difficilement être réduite. La vapeur ne peut en effet pas être rapidement évacuée à l'extérieur. Par rapport au béton conventionnel, la résistance du béton à haute résistance diminuera dès lors plus rapidement si la température est supérieure à 100°C.
De plus, en raison des pressions de vapeur accumulées, il existe un risque d’éclatement des surface superficielles des bétons de classe de résistance très élevées (≥ C80/95). 
 
Pour palier à ces risques, l’incorporation de micro-fibres polypropylènes a un effet bénéfique (fig 3.6.4). En effet, en cas de températures élevées, ces fibres fondront, ce qui laissera de petits canaux ouverts via lesquels les pressions de vapeur pourront être dissipées plus rapidement.
 

Durabilité

La très faible porosité des BHP permet d’obtenir un meilleur comportement face aux agressions extérieures. La plupart des processus de dégradation sont en effet causés par l’entrée d’eau ou de substances agressives, tels les chlorures, les sulfates, les acides, le dioxyde de carbone, … Etant donnée la très faible porosité du BHP, la pénétration de l’eau ou de ces  substances dans le béton est ralentie voire empêchée et le développement des processus de dégradation est fortement retardé. La résistance au gel et à l’abrasion de ces bétons est également fortement améliorée.

 

Fabrication, transport et mise en place

La fabrication, le transport et la mise en place du BHP se font avec le matériel habituellement utilisé pour les bétons ordinaires. 
 
Le malaxeur de la centrale à béton devra avoir un fort taux de cisaillement. Compte tenu de la grande quantité de fines et surtout dans le cas d’utilisation de fumées de silice, le temps de malaxage sera allongé par rapport à un béton normal. Il est recommandé de malaxer ces bétons le temps nécessaire à l’obtention d’une stabilisation complète du wattmètre. 
 
Le transport se fera 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 sera malaxé encore une fois avant son déchargement sur le chantier.
 
Le béton à hautes performances présente généralement, à consistance égale, un comportement nettement plus thixotrope que le béton à résistance normale. Il nécessite ainsi de plus grands efforts pour la mise en place. S’il faut pomper le béton à haute résistance, notamment un béton riche en granulat concassé, la vitesse de pompage peut s’en trouver diminuée. 
 
D’habitude, le béton à hautes performances pour la préfabrication est confectionné en tant que béton autoplaçant, afin de minimiser les efforts de mise en place et de compactage. La mise en place des BHP peut se faire par les méthodes usuelles.
 

Bétons à Ultra-Hautes Performances (BUHP)

Il existe également des bétons dont les caractéristiques sont très supérieures à celles des BHP. Les valeurs de résistance à la compression se situent entre 150 et 200 N/mm2. La composition de ces bétons, appelés BUHP (Bétons à Ultra-Hautes Performances) diffère de celle des bétons classiques et des BHP avec notamment  :

  • un squelette granulaire très fin (0/2 ou 0/4 maximum)
  • l’utilisation d'importante quantités d’additions minérales
  • un E/C extrêmement faible (≈ 0,25).

L’incorporation d’une forte proportion de fibres métalliques courtes rend la matrice - extrêmement fragile - en un matériau composite avec une ductilité exceptionnelle appelé BFUP (Bétons Fibrés à Ultra-haute Performance). Ces bétons rendent possible la réalisation, avec une grande liberté architecturale, d'éléments très fins (fig 3.6.5) qui sans cette possibilité de diminution de section auraient été réalisés en acier. 

 

Applications

Les applications du BHP sont nombreuses. A côté des ouvrages de prestige, de nombreux viaducs ou passages supérieurs d’autoroute exploitent leurs propriétés soit pour les portées supérieures permises, soit pour la nette amélioration apportée par ces bétons en terme de durabilité et donc de coûts d’entretien.
 
Dans les bâtiments, la réduction des sections des éléments ou l’augmentation des portées permettent des gains de place appréciables. En préfabrication, des tuyaux hautes performances sont par exemple réalisés en BHP afin d’obtenir une meilleure durabilité aux eaux agressives et chargées.
 
poutres longues portees en bhp
Fig 3.6.1 Poutres longues portées en BHP

 

ouvrage cotier en beton
Fig 3.6.2 Ouvrage côtier en béton, résistance moyenne 65 N/mm2 à 28J et 80 N/mm2 à 90 jours (cylindres). Engagement sur une durabilité centenale

 

surface de rupture du beton a resistance normale
Fig 3.6.3 Surface de rupture du béton à résis- tance normale (en haut) et de BHP (en bas)

 

element en bhp sans fibres polypropylenes
Fig 3.6.4 Elément en BHP sans fibres polypropylènes (en haut) et avec (en bas) après essai de résistance au au feu. (Source : GMBP, Leipzig GmbH)

 

ouvrage en bfup
Fig 3.6.5 Ouvrage en BFUP