Les constituants du béton : Les adjuvants

21 Mars 2019
 

Définition et classification

L’ emploi d’adjuvants répond à des considérations techniques et économiques. Certaines performances du béton frais et du béton durci ne peuvent être atteintes qu’avec l’aide d’adjuvants. Les adjuvants peuvent contribuer à diminuer le coût de la main-d’oeuvre et des matériaux ou celui de l’énergie de malaxage. En facilitant la mise en place des bétons, ils rendent possible l’application de méthodes plus économiques lors de la réalisation des chantiers.
Il convient généralement de procéder à des essais préliminaires en vue de déterminer l’efficacité des adjuvants.
La conformité des adjuvants pour le béton est régie par la norme NBN EN 934-2.

Les adjuvants sont constitués de molécules organiques, de synthèse ou naturelle, et de sels dissous dans l’eau. Ils sont ajoutés au béton lors du malaxage. Par leur action chimique ou physique, ces sub- stances modifient certaines propriétés du béton frais ou du béton durci comme par exemple l’ouvrabilité, la prise, le durcissement ou la résistance au gel.

 

Classification des adjuvants

Synthèse des effets principaux des adjuvants
Tab 1.4.1 Synthèse des effets principaux des adjuvants

Dosage

En général, les adjuvants sont introduits sous forme liquide, en petites quantités, lors du malaxage. Leur pourcentage en poids par rapport au ciment se situe en général entre 0,2 et 2%. Le dosage doit de toute façon être effectué selon les directives des fabricants. La part d’eau ainsi introduite dans le béton est prise en compte dans le calcul du E/C.
Les systèmes de dosage utilisés (bascules en cas de dosage pondéral, pompes et débitmètres en cas de dosage volumétrique) doivent être adaptés aux dosages visés et à la viscosité de l’adjuvant. Il est en effet important de pouvoir doser les adjuvants de façon très précise.
Les sous-dosages diminuent très rapidement l’effet recherché, alors que les sur-dosages peuvent avoir des effets indésirables tels que ralentissement de la prise, ségrégation, entraînement excessif d’air avec perte de résistance à la compression associée.
 

Principaux types d’adjuvants

Les plastifiants et superplastifiants
Ils sont de loin les adjuvants les plus utilisés pour la confection du béton. Les plastifiants ont un effet "réduit" car moins concentrés ou provenant de dérivés du bois ou du maïs. Les superplastifiants, plus puissants, proviennent de la synthèse de molécules. Sur ceux-ci s’est concentré l’essentiel de l’effort de recherche des adjuvantiers  : après les "mélamines" (PMS) et les "naphtalènes" (PNS), les "polycarboxylates" (PCP) et "éthers polycarboxiliques" (PCE) ont ouvert de nouvelles possibilités dans la réalisation des bétons. Leur utilisation doit toujours s’accompagner d’un réglage soigné de la répartition des fines particules du béton. Le mode d’action de ces adjuvants peut être décrit comme suit (fig. 1.4.1) : 
  • Pour un rapport E/C constant, les superplastifiants améliorent l’ouvrabilité du béton (A). Ce mode d’action est recherché pour prolonger les temps d’ouvrabilité ou encore pour bétonner par temps chaud.  Le confort d’utilisation, et donc la qualité des réalisations sont grandement améliorés quand le superplastifiant est ainsi utilisé.
  • A ouvrabilité constante, les superplastifiants permettent de réduire l’eau nécessaire, donc le rapport E/C (B). Les plastifiants permettent une réduction de ce rapport d’au moins 5% et les superplastifiants d’au moins 12%. Il en résulte un accroissement des résistances, de la compacité et de la durabilité des bétons. Les propriétés du béton se trouvent quasiment toutes améliorées quand le superplastifiant est utilisé pour réduire la quantité d’eau.
  • Dans la pratique, c’est une action combinée (C) qui est obtenue, plus ou moins prononcée dans un sens ou dans l’autre.
 Fig 1.4.1 Effet d’un superplastifiant
Fig 1.4.1 Effet d’un superplastifiant

 

L’intérêt des superplastifiants se retrouve dans l’optimisation des facteurs coût, ouvrabilité et caractéristiques finales du béton. Les superplastifiants sont devenus incontournables dans la réalisation des béton courants et évidemment pour les bétons à hautes performances (BHP) et les bétons autoplaçants (BAP). 
 
Comme effet secondaire des superplastifiants, il faut signaler un ralentissement de la prise en cas de trop fort dosage, et des difficultés parfois à régler le pourcentage d’air entraîné en combinaison avec les entraîneurs d’air. Un dosage élevé en superplastifiant peut également être à l'origine d'une augmentation importante et non désirée de la viscosité du béton.
 
Il est important de vérifier la bonne compatibilité entre les ciments (et dans une moindre mesure, les granulats) et ces types d’adjuvant, surtout en cas de dosage élevé ou lors de l’utilisation simultanée de plusieurs adjuvants.
 
Il est également important de prendre en compte la durée d'efficacité des superplastifiants. Cette durée est généralement diminuée si la température augmente. Il est courant, dans le béton prêt-à-l’emploi en Belgique, de doser (partiellement) le superplastifiant lors de l’arrivée sur chantier. Si tel est le cas, il faut veiller à la précision du système de dosage du camion mixer ainsi qu’au respect d'un temps de remalaxage suffisant après ajout de l'adjuvant (1 minute/m³).
 

Les accélérateurs
Les accélérateurs, improprement appelés parfois antigels, avancent le début de prise et permettent un dégagement plus rapide de la chaleur d'hydratation du ciment. La plupart d’entre eux accélèrent également le durcissement du béton.

 
Ils permettent ainsi de décoffrer, de mettre en charge, ou d’exposer le béton au gel dans un délai plus court.
L’effet des accélérateurs dépend beaucoup de leur constitution chimique et de celle du ciment utilisé.
Les premiers accélérateurs, à base de chlorures, ne sont plus utilisés de nos jours que dans le béton non armé du fait de leur action corrosive sur les armatures. 
 
Leur effet étant difficile à maîtriser, les accélérateurs n’entrent en ligne de compte que dans des cas très particuliers :
béton projeté  bétonnage par temps froid
délais de décoffrage très courts
bétonnage au contact d’eaux courantes
ancrages
travaux de réparation
étanchement d’infiltrations et de voies d’eau.
 
Les retardateurs
Ces adjuvants retardent le début de la prise du ciment et prolongent ainsi le délai de mise en place du béton.
Les applications principales des retardateurs sont les suivantes  : 
  • bétonnage par temps chaud
  • transports sur des longues distances
  • bétonnage de gros volumes ou de grandes surfaces
  • suppression des joints de travail en cas d’arrêts programmés (pas de discontinuité entre les étapes de bétonnage)
  • étalement de la chaleur d’hydratation dégagée dans la masse du béton.

 

Un béton avec retardateur durcit moins vite au jeune âge mais sa résistance à 28 jours est souvent un peu plus élevée que celle d’un béton sans retardateur. Du fait de son durcissement initial ralenti, un béton avec retardateur nécessite une cure particulièrement attentive.
 
Comme l’effet recherché dépend beaucoup du type de retardateur, mais aussi du ciment utilisé et de la température ambiante, il est indispensable de procéder à des essais préalables, à différentes températures.
 
Les entraîneurs d’air
Bulle d’air entraîné jouant le rôle de vase d’expansion
Fig 1.4.2 Bulle d’air entraîné jouant le rôle de vase d’expansion
Le rôle des entraîneurs d’air consiste à stabiliser, en un réseau dense de micro-bulles d’air, l’air naturellement généré lors du malaxage du béton. On améliore ainsi sensiblement la résistance au gel du béton en présence de sels de déverglaçage (voir chapitre 4.5). Il en résulte également une amélioration de l’ouvrabilité. Un effet indésirable des entraîneurs d’air est la perte de résistance mécanique liée à leur utilisation.
 
Les bulles introduites dans le béton frais restent présentes dans le béton durci. En cas de gel, elles absorbent en partie l’eau mise en mouvement dans les capillaires. Le risque d’éclatement du béton par surpression de la glace s’en trouve ainsi réduit (fig 1.4.2). En outre, ces micro-bulles d’air diminuent la continuité du réseau capillaire du béton et réduisent ainsi sa capacité d’absorption d’eau par capillarité.
 
Dans la plupart des cas, une très petite quantité d’adjuvant suffit pour obtenir la teneur en air souhaitée. De toute manière, la teneur en air ne dépend pas seulement du type et du dosage de l’adjuvant, mais également de toute une série d’autres facteurs  : type de ciment, nature des granulats et courbe granulométrique du sable, consistance, température, intensité et durée du malaxage, présence d’autres adjuvants ou ajouts,  durée de transports, etc. La compatibilité de nouvelles formulations doit absolument être vérifiée par des essais initiaux.

 

Règle pratique
1% d’air entraîné dans le béton correspond à une réduction possible d’eau de gâchage d’environ 5 litres par m³ et produit sur l’ouvrabilité le même effet que 10 à 15 kg de fines.
1% d’air entraîné au-delà de 2% correspond environ à une réduction de 5% des résistances à 28 jours.

Local à adjuvants d'une centrale à béton
Fig 1.4.3 Local à adjuvants d'une centrale à béton

 

Règles générales pour l’utilisation des adjuvants
Si les adjuvants permettent souvent d’obtenir des performances intéressantes, il ne faut jamais perdre de vue qu’ils introduisent une complexité dans le système ciment-eau-granulats. C’est pourquoi tout usage d’adjuvant requiert beaucoup d’attention de la part des exécutants : 

  • Le mélange de certains adjuvants peut produire des réactions indésirables. Le risque augmente avec l’utilisation d’adjuvants provenant de producteurs différents.
  • Sauf indication particulière, les adjuvants doivent être introduits dans le malaxeur après l’eau de gâchage, lorsque le mélange est déjà convenablement mouillé.
  • Le stockage des adjuvants doit se faire dans un local protégé du gel et des rayons du soleil. Il faut respecter la date limite d’utilisation et ne pas utiliser des adjuvants dont les phases sont décantées.

Récapitulatif

Synthèse de l’effet des adjuvants
Tab 1.4.2 Synthèse de l’effet des adjuvants