Les constituants du béton : Les additions et les ajouts

22 Mars 2019
 

Généralités

Les additions
Cendres volantes, photo prise au microscope électronique à balayage
Fig 1.5.1 Cendres volantes, photo prise au microscope électronique à balayage
Comme vu dans le chapitre ciment, lors sa fabrication, des constituants principaux autres que le clinker peuvent être utilisés et ainsi donner des caractéristiques particulières au ciment (durabilité améliorée, faible chaleur d’hydratation, …).
Ils sont incorporés au ciment en usine par mouture conjointe ou par mélange avec le clinker. On obtient ainsi, non seulement un dosage précis et constant, mais également une répartition homogène de tous les constituants dans le ciment.
 
Certains de ces constituants peuvent également êtres utilisés comme addition au ciment et être ajoutés au bé ton lors de sa fabrication. Il est ainsi possible de choisir librement les proportions du mélange addition – ciment et de les adapter précisément aux exigences de la formule. Cet avantage ne va cependant pas sans quelques inconvénients. D’abord, le stockage séparé des additions nécessite des silos, des équipements de dosage et des contrôles supplémentaires. Ensuite, certaines additions ont tendance à former des grumeaux lors d’un stockage prolongé. Enfin, la confection d’un béton homogène requiert parfois une durée de malaxage plus longue.
 
La norme NBN EN 206 définit 2 types d’additions :
  • les additions de type I (quasiment inertes)
  • les additions de type II (à caractère hydraulique latent ou pouzzolanique).
Les additions de type II peuvent être prises en compte dans le calcul de la teneur en liant selon le concept du "coefficient k", qui dépend du type d’addition et de sa réactivité chimique (tab 1.5.1).
D’autres concepts sont également décrits dans la norme NBN EN 206 pour tenir compte de l’effet pouzzolanique ou hydraulique latent de certaines additions (voir chapitre 4.11).
 
Les ajouts
Les ajouts sont des produits incorporés au béton et qui ne sont ni des ciments ni des granulats ni de l’eau de gâchage ni des additions. Il s’agit par exemple de fibres, de produits augmentant la viscosité ou la thixotropie, de colorants… Les ajouts ne peuvent être pris en compte pour le concept du coefficient k.
 

Propriétés des additions réactives

Cendres volantes
Les propriétés et les avantages des cendres volantes ont été abordés dans le chapitre 1.1.
Les exigences relatives aux cendres volantes pour bétons sont reprises dans la norme NBN EN 450-1.
Les cendres volantes peuvent être utilisées comme addition de type II. Leur coefficient k dépend du ciment utilisé et peut varier de 0 à 0,4.

 

Laitier moulu
Les propriétés et les avantages du laitier ont été vus dans le chapitre 1.1. Les exigences relatives aux laitier moulu pour béton sont reprises dans la norme NBN EN 15167-1.
Le laitier moulu peut être utilisé comme addition de type II avec un coefficient k moyennant le fait qu’il dispose d’un agrément technique ATG certifié selon les règles définies dans le guide d’agrément technique ATG "Laitier de haut fourneau moulu - LMA". L’utilisation de laitier de haut fourneau moulu est limitée aux seuls bétons à base de CEM I de la classe 42,5 ou supérieure.
Prise en compte des additions de type II selon NBN EN 206 et NBN B15-001
Tab 1.5.1 Prise en compte des additions de type II selon NBN EN 206 et NBN B15-001

 

Fumée de silice
En raison de son extrême finesse et de sa haute teneur en silice, la fumée de silice (parfois aussi appelée microsilice) possède un indice d’activité pouzzolanique très élevé. Son coefficient k est de 1 ou 2, selon le cas (voir NBN EN 206). La fumée de silice doit répondre aux exigences de la norme NBN EN 13263-1.
 
Environ 100 fois plus fine que le ciment, elle peut de ce fait occasionner des problèmes de dosage ou d’homogénéité lors de la confection du béton.
 
La fumée de silice est commercialisée sous deux formes principales :
  • en poudre (allongement nécessaire du temps de malaxage)
  • en suspension aqueuse, facile à doser (attention au gel et à la sédimentation lors du stockage).

Un dosage de 5 à 10% de fumée de silice (rapporté au poids de ciment) améliore notablement certaines propriétés du béton : 
  • accroissement de la cohésion et de la capacité de rétention d’eau du béton frais, d’où diminution du risque de ségrégation   
  • en béton projeté, importante diminution du rebond
  • forte diminution de la porosité de la pâte de ciment ayant comme conséquence un accroissement important de la durabilité   
  • a ccroissement significatif de la résistance mécanique. L’ ajout de fumée de silice permet d’obtenir des bétons à hautes performances.
 

Propriétés des additions inertes

Pigments minéraux utilisés pour colorer le béton
Fig 1.5.2 Pigments minéraux utilisés pour colorer le béton
Les fillers calcaires et siliceux
Les fillers calcaires et siliceux peuvent améliorer la granulométrie du béton dans le cas d’utilisation de sables pauvres en fines lorsqu’on ne dispose pas de sable correcteur.
 
Ces fillers sont également utilisés pour confectionner des bétons autoplaçants (BAP). Dans ce cas, leur utilisation permet d’augmenter le volume de pâte nécessaire pour obtenir un écoulement des bétons sans vibration.
 
Ces fillers doivent répondre à la norme NBN EN 12620 et appartiennent aux additions de type I.
 

Propriétés des pigments minéraux

Pavés en béton coloré
Fig 1.5.3 Pavés en béton coloré
Les pigments minéraux (fig 1.5.2) sont utilisés pour colorer le béton et le mortier (fig 1.5.3). En pratique, seuls les pigments à base d’oxydes satisfont aux exigences requises en matière de granulométrie et de stabilité. Les exigences relatives aux pigments pour bétons sont régies par la norme NBN EN 12878.
 
Les pigments n’ont pas d’effet chimique sur le béton, mais leur besoin en eau relativement élevé nécessite en général une augmentation du facteur eau/ciment (E/C) ou l’emploi simultané d’un superplastifiant. C’est généralement l’intensité de la teinte recherchée qui conduit au choix du dosage en pigment (quelques pourcent par rapport au poids de ciment), mais les dosages courants et maximums figurent dans la documentation des fournisseurs. 
 
Avant et après la confection de bétons teintés, il faut soigneusement nettoyer le malaxeur, les véhicules de transport, les dispositifs de transbordement et les outils sous peine de colorer les gâchées suivantes. Avec le temps, une certaine atténuation de la teinte des bétons colorés est inévitable, même avec les meilleurs pigments.
 

La bonne exécution d’ouvrages ou de parties d’ouvrages en béton coloré nécessite une certaine expérience et une attention particulière à :

  • un mélange de béton parfaitement homogène
  • l’utilisation d’un sable clair
  • l’utilisation de ciment clair voire blanc
  • un dosage très précis du colorant

figurent au nombre des conditions de base indispensables pour obtenir des surfaces de béton apparent claires et de teinte uniforme. En revanche, la couleur du gravier ne joue qu’un rôle mineur.

 

Propriétés des fibres

Fibres métalliques longues
Fig 1.5.4 a Fibres métalliques longues
Introduction
Il est possible d’ajouter au béton des fibres de nature et type différents. On distingue les fibres pour des usages structurels (armature), qui permettent au béton d’acquérir une résistance post-fissuration accrue et une plus grande capacité de déformation et les fibres pour d’autres usages (p. ex. résistance au feu, limitation du retrait plastique). 
 
Les fibres sont ajoutées idéalement à la centrale à béton pour une parfaite homogénéité de leur distribution et orientation. On trouvera au chapitre 3.3 plus de détail sur les propriétés des bétons contenant des fibres.
 
Fibres métalliques courte
Fig 1.5.4 b Fibres métalliques courtes
Les fibres métalliques
Lorsqu’elles sont bien réparties, les fibres métalliques (fig 1.5.4 a et b) améliorent certaines propriétés mécaniques du béton, notamment le comportement après première fissuration. Leur utilisation nécessite toutefois les conseils d’un spécialiste, car l’efficacité des fibres d’acier dépend de leur longueur, de leur diamètre et de leur forme qui doivent être choisis en fonction de l’application prévue. Leur dosage oscille en général entre 20 et 70 kg par m3 de béton, mais il peut aussi arriver que cette valeur monte jusqu’à 150 kg/m3. Pour les dosages élevés, l’incorporation des fibres pendant le malaxage nécessite un équipement particulier assurant une répartition homogène, sans agglomérats. L’utilisation de fibres d’acier implique en général un léger surdosage en ciment et en sable et une perte d’ouvrabilité.

Les fibres polymères Les différents types de fibres polymères (ou synthétiques, fig 1.5.4 c et d) se distinguent par leur composition chimique et les propriétés qui en résultent.
 
Elles sont employées préférentiellement pour les usages suivants :
  • réduction de la fissuration induite par le retrait précoce
  • réduction du rebond du béton projeté
  • augmentation de la résistance au feu des bétons à hautes ou ultra-hautes performances 
  • augmentation de la résistance au jeune âge du béton
  • amélioration du pouvoir de rétention d’eau.
 
Les fibres polypropylènes (PP) sont employées pour prévenir les fissures dues au retrait précoce. Elles augmentent le pouvoir de rétention d’eau et sont capables d’éviter la fissuration de la pâte de ciment au jeune âge ou de réduire l’ouverture des fissures. 
 
Leur point de fusion se situe à 165°C environ. De ce fait on les emploie aussi pour augmenter la résistance au feu des bétons à haute ou ultra-haute résistance. En cas d’incendie, la fusion des fibres crée un réseau de pores et permet de réduire la pression de la vapeur d’eau qui se crée dans le béton. Ainsi on peut éviter les éclatements du béton. 
 
Fibres polypropylènes courte
Fig 1.5.4 c Fibres polypropylènes courtes
Les fibres PP sont dosées entre 0,5 et 1 kg/m3 pour la prévention des fissures et entre 2 et 4 kg/m3 pour l'amélioration de la résistance au feu.
 
Les fibres polyéthylènes (PE) sont employées en tant qu’armatures grâce à leurs bonnes propriétés mécaniques, mais elles sont relativement chères et donc peu utilisées. 
 
Les fibres d’alcool polyvinylique (PVA) ont servi à l’origine pour remplacer des fibres d’amiante. Leurs bonnes propriétés mécaniques sont exploitées pour augmenter la résistance du béton à la traction par flexion.
 
Fibres de carbone
Les fibres de carbone sont nettement plus performantes que les fibres en acier en ce qui concerne la résistance à la traction et le module d’élasticité. Leur production est cependant exigeante et onéreuse.
 
Fibres polypropylènes longue
Fig 1.5.4 d Fibres polypropylènes longues
Fibres de verre
Les fibres de verre atteignent des résistances à la traction élevées (1 500 - 4 000 N/mm²) et un module d’élasticité qui dépasse celui du béton de deux à trois fois. 

Le verre normal n’est pas résistant dans le milieu alcalin du béton. Par l’addition de dioxyde de zirconium et un revêtement particulier, il est possible d’augmenter la résistance aux alcalins des fibres de verre, de manière à ce qu’elles conservent leurs propriétés à plus long terme dans le béton. La sensibilité du verre vis à vis des endommagements de surface, comme il peut s’en produire lors du malaxage, réduit théoriquement leur très haute résistance initiale.
Selon l’usage prévu on incorpore au béton entre 0,5 et 15 kg/m³ de fibres de verre.