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

Béton de granulats légers

Production et propriétés du béton frais

Sommaire 1 Introduction 2 Granulats légers – Leca® 3 Applications 4 Normes 5 Formuler 6 Mélanger - Transporter 7 Exemples de formulation

Introduction Les bétons de granulats légers sont utilisés depuis de nombreuses années. A tel point que la première construction connue a été édifiée plus de 2000 ans en arrière à partir de roches volcaniques, il s’agit du Colisée de Rome. La production industrielle et la commercialisation des granulats légers ont commencé au début du XIXe siècle après l’invention du four rotatif. L'un des premiers emplois des granulats légers a été pour le renforcement des coques de navires et des barges aux USA à partir de 1918. Aujourd'hui les granulats légers sont largement utilisés à travers le monde comme une alternative plus légère et durable au béton classique de structure. Les applications typiques sont les ponts, les dalles, les corps flottants, les extensions de balcon, les immeubles de grande hauteur et les constructions légères.

Le Colysée Rome, Italie

Granulats d’argile expansée

Unité de production d’argile expansée

Leca®

2 Granulats légers - Leca® Leca® est une argile expansée à teneur en chaux pauvre, qui a séchée, expansée et cuit dans un four rotatif. Le four façonne des granules d'argile et la température portée à 1.150 °C va vap oriser les matières organiques au cœur de la granule. Le gaz génère l’expansion des granules donnant alors une porosité élevée et des propriétés d’allègement. Cette structure poreuse est durcie sur l’extérieur et donne une coque de céramique dure atteignant une résistance à la compression élevée. Cette coque est partiellement ouverte et permet à l'eau de pénétrer dans la structure. Les granulats Leca® absorbent l'eau entre 5-10% en masse après une heure puis jusqu’à 50% lorsqu’immergés dans l'eau. L’eau absorbée prend la place de l’air. Les valeurs précises d’absorption sont données dans les fiches techniques spécifiques à chaque référence. L’argile expansée est une matière première manufacturée, ce qui lui confère l’un de ces nombreux avantages à savoir la capacité du fabricant à définir sa densité, sa résistance et sa forme en fonction de son utilité. Les propriétés physiques et mécaniques sont les résultats du savoir faire du producteur. SG Weber produit aujourd'hui dans 9 usines en Europe. Les granulats Leca® ont généralement une masse volumique comprise entre 250 et 350 kg / m3 et une densité des particules située entre 450 et 550 kg/m3. Certaines usines peuvent produire, pour des besoins spécifiques, des matériaux à densité plus élevée, ayant une résistance considérablement plus importante. La densité des particules est alors autour de 800 kg/ m3. La résistance des particules est directement proportionnelle à leur densité. La surface minérale des granulats Leca® est rugueuse et poreuse et donc adaptée pour générer une excellente cohésion avec les liants hydrauliques. L’interface résultante entre l’argile expansée et la pâte cimentaire est une liaison forte qui confère des propriétés solides et durables au béton allégé.

Construction du pont Eidsvoll

,Norvège

A-6 : Elargissement du pont sur la rivière Esla

,Espagne

Applications

3Leca® est un granulat qui apporte de nombreuses caractéristiques innovantes dans les produits en béton. A titre d’exemple, la structure interne expansée permet de conférer aux éléments de construction de bonnes caractéristiques d'isolation. Les éléments préfabriqués et les bétons prêt à l’emploi se déclinent en une large gamme de résistance et de densité en œuvre allant jusqu’à des résistances à la compression de 70 MPa, voire plus. Leca® est utilisé aujourd'hui dans un grand nombre de construction et application à travers le monde telles que: DALLES : Le béton est allégé pour augmenter la portée des poutres en dallage dans les bâtiments et faciliter la manutention et le levage des éléments préfabriqués. FONDATIONS : L’allègement du béton et donc des structures permet de donner lieu à des fondations plus simples et par conséquent génère des économies dès le dimensionnement. PONTS : Le béton allégé permet des portées plus longues, des profils plus large, par conséquent des fondations moins sollicitées et par extension des coûts maîtrisés. STRUCTURES MARITIMES : Les bétons allégés apportent une réduction du poids mort et par conséquent de meilleures propriétés de flottabilité pour tous les types de structures immergées ou partiellement immergées y compris plates-formes, bateaux, quais, etc EXTENSIONS : Tous les types d'extensions peuvent être allégés, ce qui simplifie le processus de rénovation/construction. REHABILITATION : Réduire les charges sur la structure pour la rénovation des ponts, le renforcement des dalles et d'autres structures..

Normes

4Le béton allégé à base de Leca® peut être produit avec une large plage de densité et de classe de résistance. La norme EN 206-1 classe les bétons allégés dans une gamme de densité après séchage au four entre D1,0 : 800 kg/ m3 et D2,0 : 2000 kg/ m3. La plage de résistance à la compression est comprise entre LC 8 / 9 à LC 80/88. Les classes de résistance à la compression pour les bétons allégés sont sensiblement différentes de celles pour les bétons de densité classique. En effet, la relation entre résultats sur éprouvette cubique et cylindrique est sensiblement différente des bétons classiques. La norme EN 206-1 estime que béton allégé et béton classique sont similaires pour toutes les autres propriétés et classifications.

Résistance à la compressionLC

8/9

LC

12/13

LC

16/18

LC

20/22

LC

25/28

LC

30/33

LC

35/38

LC

40/44

LC

45/50

LC

50/55

LC

55/60

LC

60/66

LC

70/77

LC

80/88

Résistance caractéristique

sur cube

(Fck, cube en MPa)9 13 18 22 28 33 38 44 50 55 60 66 77 88

Résistance caractéristique

sur cylindre

(Fck, cylindre en MPa)8 12 16 20 25 30 35 40 45 50 55 60 70 80

Classe de densité

Plage de densité

(kg/m3)

D 1,8 D 2,0

≥ 800, ≤ 1000 > 1000, ≤ 1200 > 1200, ≤ 1400 > 1400, ≤ 1600 > 1600, ≤ 1800 > 1800, ≤ 2000

D 1,0 D 1,2 D 1,4 D 1,6

Formuler

5La formulation d’un béton allégé doit être pensée de la manière la plus économique en choisissant les granulats appropriés pour répondre aux propriétés physiques requises. Une méthode de formulation recommandée est la méthode des volumes. Soit, le volume composé par la pâte de ciment, le sable, l’eau, les adjuvants et l’air entraîné doit être a minima suffisant pour combler les vides interstitielles des grosses particules voir supérieur pour assurer une rhéologie satisfaisante. Une proposition de méthode est décrite ci-dessous : Préambule : Commencez par déterminer si le béton allégé doit être pompé ou non. Cela va influencer la composition du mélange, le choix des constituants, notamment du type de granulat Leca® et le besoin de pré-saturation. Définir la résistance à la compression : Étudier le cahier des charges et définir les dosages des constituants en conséquence. Soyez conscient de la relation entre la densité du béton et de résistance à la compression spécifiée L’usage des granulats Leca® usuels (densité 300 kg/ m3) est généralement limité à LC 30/33 ou LC 25/28. Pour une plus haute résistance à la compression, l'utilisation de granulats Leca® de plus haute densité est recommandée. Il est préférable d’un point de vue économique de toujours privilégier le granulat le plus léger tant que la résistance du granulat permet de satisfaire la performance du béton spécifié. Cela permet d’optimiser la quantité de granulat léger nécessaire. Dans un béton allégé, la résistance à la compression est moins dépendante de la résistance de la pâte cimentaire que de la résistance du grain. Le volume occupé par les granulats est plus important que celui de la pâte. Les granulats allégés sont plus faibles que les matériaux traditionnels, de fait la surface de rupture est fortement susceptible de traverser le granulat léger Leca®, à contrario des bétons classiques, où la surface de rupture peut « déchausser » les granulats. En pré-calcul, l’expression suivante peut être utilisée :

σLWAC = (σLWA)n · (σmortar)

1-n σLWAC résistance du béton allégé σLWA résistance à la compression du granulat Leca σmortar résistance à la compression du mortier n est le pourcentage du volume de Leca dans le mélange

Pré-saturation des granulats Leca ® ou non Prévoir ou non de pré-saturer les granulats Leca® est capitale car la plage d'absorption d'eau varie de 10% à 30% en masse. La pré-saturation consiste à mouiller les granulats légers avant l’introduction des autres constituants. Cela est nécessaire pour contrer la capacité du Leca® à absorber trop rapidement une partie de l’eau du mélange, laquelle est nécessaire à la rhéologie, à l’hydratation du ciment etc.. En règle générale, l’utilisation de granulat sec permet d’obtenir les densités les plus faibles mais pour parvenir à un béton allégé pompable, l'expérience montre qu’un minimum de 20% de pré-saturation des granulats Leca® est judicieux. A titre d’exemple, un granulat Leca® ayant une densité apparente sèche de 670 kg/ m3 dosé à 726 litres/m3 dans une composition sera pré-saturé à 25% soit 122 litre/m3. L’eau effectivement absorbée par le granulat léger dans les premières minutes est d’environ 6% en masse et permet de prévoir 90 l/ m3 d’eau disponible ou efficace dans le mélange. Le temps d’ouvrabilité, les conditions hivernales ou estivales, le transport doivent également être pris en compte dans la formulation. L’absorption initiale varie en réalité entre 5 et 10% selon les granulats, le temps d’ouvrabilité recherché etc. Cette quantité absorbée doit être calculée pour être ajoutée au mouillage théorique efficace. Cela engendre un excès de fluidité dans les 10 premières minutes après le début du mouillage qui se résorbe rapidement après la sortie du mélangeur. L’avantage de la pré-saturation est d’augmenter le temps d’ouvrabilité et d’être plus simple et plus régulier à mettre en œuvre qu’un béton sans pré-saturation. A noter cela est absolument nécessaire lorsque le béton passe dans des pompes à piston. L’eau absorbée lors de la pré-saturation est à déduire de l’eau totale pour le calcul de l’eau efficace. Cette eau de pré-saturation n’affecte pas le ratio Eeff/C. Déterminer la densité : Pour commencer, les dosages typiques suivants peuvent être utilisés:

• pâte: 300-320 litres, • sable: 220-280 litres (600-800 kg) • Leca® 400-500 litres.

N'oubliez pas d'utiliser la densité de particules dans le calcul des poids. Le volume des granulats Leca® nécessaire est fonction de la densité recherchée. Plus la densité spécifiée est faible, plus il sera nécessaire d’utiliser du Leca®. Ensuite définissez le volume de pâte et de sable, soit généralement le volume de mortier nécessaire pour remplir les vides entre les granulats légers, auquel il faut ajouter la part nécessaire pour assurer la fluidité satisfaisante. A titre d’exemple, pour doser à 450 litres /m3 le granulat Leca® de densité apparente sèche de 0,670 kg/l et de densité de particule de 1,15 kg/l.

450l x1,15 kg/l soit 517 kg ou encore 517kg /0.670 kg/l soit 772 l en vrac

Pour atteindre 1m3, il reste 550 litres de mortier à ajouter. Le poids théorique du béton allégé sera la somme des poids des granulats légers, du mortier et de l’eau.

Ratio résistance/densité réalisable pour des

bétons allégés à faible densité ou structurel dans des conditions

optimisées

Formulation type pour béton allégé

La limite basse de densité est atteinte lorsque l’on utilise 1 000 litres de granulat léger en vrac que l’on vient remplir avec du mortier. Dans notre cas, 1000 litres pèsent 670 kg, occupe un volume réel de 670kg/1,15 soit ~570 litres. Il reste donc 1000 - 570 soit 430 litres de mortier pour obtenir un béton fermé. Pour un mortier courant ayant une densité de 2, le volume de 430 litres apportera ~860 kg. Le béton aura une densité théorique minimale de 670+860 soit 1 530 kg/ m3. Cela détermine le poids minimum pour un béton fermé. Ces calculs prouvent que l’on peut définir la densité d’un béton allégé et qu'il y a une limite qui est fonction de la densité du granulat léger mais aussi du mortier. A cette limite, le béton manque de fluidité car il n’y a plus assez de pâte et de sable pour bien enrober les granulats. Si la densité des particules est inconnue, celle-ci peut être évaluée grâce au rapport entre la densité particule et vrac qui est généralement de 0,57.

Béton allégé : Densité / Résistance à la compressio n

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200

kg/m3

MP

a

Béton allégéstructurel

Béton faible densité

Volume [litres]

Poids [kg] 0 1 600 - 1 800350 - 450 150 - 200 600 - 800 300 - 600

Micro air Total

300 - 320 300 - 320 220 - 280 350 - 450 50 1 000

Ciment Eau Sa ble Leca

Formuler le mortier : La phase de définition du mortier dans un béton allégé est similaire au béton de densité traditionnelle et prend en compte les spécifications de résistance, maniabilité et densité. Une attention particulière doit être portée sur les effets de la différence de densité entre les granulas légers (densité de particules 500-1400 kg/ m3), la densité de pâte (généralement 1800 kg/m3) et la densité du mortier (généralement 2200 kg/ m3). Cette différence est source de ségrégation ; les particules légères remontent et les lourdes descendent. La première des méthodes pour contrer ce phénomène est de préférer un sable de granulométrie 0-4mm ou 0-5mm au lieu de 0-8mm. Cela correspond bien avec les granulats Leca® qui ont généralement une granulométrie de 4-8, 4-10 ou 4-12 mm. Une approche complémentaire consiste à utiliser un sable concassé lequel amène une viscosité plus élevé. Le ratio Eeff/C doit être préférablement défini entre 0,35 et 0,45 ceci afin de garantir des résistances optimales. L’usage de filler et/ou de charges fines allégées est recommandé afin d’augmenter la viscosité. Dans ce contexte, l’usage des super plastifiants est indispensable pour garantir la fluidité et la résistance optimale. Il est également recommandé d’utiliser un entraineur d’air, cela a pour effet de réduire la densité de la pâte et de bien augmenter la robustesse du mélange. Par contre ceci a également pour effet de réduire la fluidité et la résistance. En conclusion, plus l’écart de densité entre la pâte et les granulats légers est grand, plus le béton nécessitera une viscosité importante pour conserver une bonne stabilité. Mélanger : Les méthodes de mélange pour les bétons allégés sont identique au béton traditionnel hormis le pré-mouillage des granulats légers. Ce pré-mouillage est nécessaire voir indispensable lorsque l’on cherche un temps d’ouvrabilité long, ou un béton pompable. Transport et pompage : Le transport et la mise en place des bétons allégés est fait par les équipements traditionnels et ne demande pas d’adaptation du matériel. Pour un béton fluide et/ou pompable, les granulats légers sont préférablement pré-mouillés ; il y a de fait un excès temporaire de fluidité dans les 10 premières minutes. Avant de mettre en place le béton allégé, il est possible de devoir malaxer à nouveau le béton afin de chasser l’air évacué en surface. Les pompes à piston ne sont pas recommandées si les granulats légers n’ont pas été pré-mouillés. En effet, la haute pression de pompage va forcer l'eau du mélange à entrer dans les porosités du granulat léger qui sont massivement vides. Cela a pour effet de réduire considérablement la fluidité du mélange, comprimé ce dernier, voir bloquer le système de pompage. Rappel : pour réussir un béton allégé pompable, les granulats légers doivent être pré-mouillés à hauteur de 20%-25% selon les matériaux.

Le succès du pompage des bétons est comme pour les bétons traditionnels dépendant de la hauteur de pompage, du nombre de perte de charge, du diamètre des tuyaux etc… Seuls des réglages in situ permettent de confirmer la faisabilité d’une opération de pompage. L’expérience montre que les pompes à pistons traditionnelles sont plus difficiles à utiliser que les pompes à pression continue. En effet, la haute pression des pompes à piston entraine un deuxième effet secondaire : la compression du mélange même réduite par le pré-mouillage des granulats génère de l’air comprimé localisé de façon privilégié dans les granulats légers. Cet air se détend après la sortie du tuyau de pompage et peut aller jusqu’à repousser l’eau du granulat léger pendant la première phase de maturation du béton. L’interface entre la pâte et le granulat léger peut s’en trouver affaiblie. Les conséquences sont une moindre résistance et durabilité du béton. Nous recommandons de comparer les tests de maniabilité et de résistance avant et après le pompage et le cas échéant d’augmenter le pré-mouillage afin de réduire ces écarts. Sur site Sur site, à l’égale du béton traditionnel, la consistance d’un béton allégé ne doit pas être réglée par un ajout d’eau. Il est préférable d’ajouter un super plastifiant et de bien mélanger après. Un béton allégé est généralement plus facile à transporter, coulé et mettre en place qu’un béton traditionnel. Cependant, le béton allégé est susceptible d’absorber l’énergie de la vibration de mise en place qui sera donc moins efficace. En outre, plus de vibration conduit à la ségrégation. Par conséquent, nous recommandons de resserrer les points d’application de la vibration, de réduire le temps de vibration. L’expérience montre qu’il est recommandé de réduire la fréquence de vibration.

Cure A l’égal du béton traditionnel, le béton allégé doit être protégé contre la dessiccation par une cure appropriée. Le réservoir d’eau constitué par les granulats légers favorise une bonne hydratation interne et donc limite la fissuration de retrait, par contre le module d’élasticité est moindre et donc le temps de retrait est légèrement plus grand. Le travail en laboratoire Les tests de laboratoire doivent être menés avec tous les constituants au plus tard 3 semaines avant le début de la construction. Les mesures de résistance à 7 jours donnent une bonne indication pour les résultats à 28 jours.

Leca® à l’état initial sec Leca® soumis à la pression

hydraulique

Leca® restitue l’eau entrée sous pression durant le

pompage

Mélanger - Transporter

6 Comment mélanger avec un granulat initialement sec 1. Mesurer de l’absorption d’eau du granulat sur 1 heure : Ab% 2. Eau absorbée = 0,9 .x Ab% x Poids total en kg de Leca® dans le

mélange 3. Ajouter l'eau absorbée à l'eau de mélange définie en fonction du

ratio E/C souhaité 4. Utilisez le béton au plus tôt 10-15 minutes après le début du

mélange 5. Des essais de mélange et de maniabilité sont recommandés. Comment mélanger avec un granulat pré-saturé 1. Introduire le granulat léger dans le mélangeur 2. Mouiller le granulat jusqu'à la saturation en eau définie (20-25%) 3. Au stade des essais, prenez plusieurs échantillons pour confirmer

que le mouillage est uniforme 4. Mélanger comme un béton traditionnel. 5. Des essais de mélange et de maniabilité sont recommandés. Comment pomper un béton allégé 1. Choisissez le matériel de pompage. 2. Réaliser un béton avec pré-mouillage comme décrit précédemment. 3. Effectuer un essai de pompage dans les conditions réelles. 4. Effectuer des tests de maniabilité et de résistance avant et après

pompage. 5. Ajuster le niveau de pré-mouillage pour minimiser les écarts de

maniabilité et de résistance.

Exemples de formulations

7Spécification LC 25/1700 LC 60/1950 LC 40/1600 LC 50/1750

Origine Norvège Norvège Portugal Portugal

Ciment 380 422 440 430

Fumée de silice (k=2) Cendre volante Scorie

11

34

140

100

Eau libre 175 160 167 142

Eau absorbée 25 47

Sable 0-8mm Sable 0-5mm

940

680

405

390

Leca® XS 0,5-3mm Leca® S 2-4 mm Leca® 300 4-10 mm Leca® 800 4-12 mm Leca® MD 4-12 mm Leca® HD 4-8 mm

180

600

68

405

203

504

Super plastifiant 2 5 9.9 8.6

Eeff/(C+k) 0,44 0,33 0,28 0,27

Saint Gobain – Weber www.e-weber.com