Bé ton lé Bé lé gér
Les bétons légers 1. Introducon La tendance actuelle dans la construcon individuelle, est donc de favoriser des produits composites capables de remplir plusieurs usages. Le bâsseur ne cherche plus seulement seulement la performance performance mécanique mais il tente tente également également d’améliorer d’améliorer les qualités qualités thermiques et acousques des matériaux. Ce changement de point de vue explique le développement récent de bétons allégés, capables de jouer un rle en tant qu’isolant, tout en conservant des niveaux de performances su!sants. Ces matériaux sont alors étudiés simultanément sur deux thémaques" mécanique#thermique ou mécanique#acousque. Cependant, il ne semble pas $ avoir d%étude générale qui aborderait & la fois les aspects mécaniques, thermiques et acousques d%un matériau de construcon. 'n second élément de contexte expliquant expliquant l’intér(t pour les bétons bétons allégés, est une cert certain ainee prise prise de consc conscien ience ce envir environn onnem emen enta tale. le. Ce)e Ce)e derni derni*r *ree s%exp s%exprim rimee de deux deux mani*res. Les matériaux allégés sont de bons isolants thermiques compte tenu du volume d%air d%air qu’il qu’ilss con conen ennen nent. t. +ls +ls perme perme)e )ent nt donc donc de réal réalise iserr des des écono économie miess d%éne d%énerg rgie ie subst substan anelle elles. s. e plus, plus, l%ulisa l%ulisaon on de granul granulat at léger léger s%inscr s%inscrit it dans une démarch démarchee de déve dévelop loppem pemen entt durab durable. le. -lle -lle prése présent ntee l’av l’avan anta tage ge d’ul d’ulise iserr une ma*r ma*ree prem premi*r i*ree renou enouvvelab elable le,, con contra trairem iremen entt aux aux gran granul ulaats des des carr carri* i*rres don dont les les resso essour urce cess s’appauvrissent. Le béton confeconné avec des granulats naturels provenant des roches dures & une masse volumique qui varie peu car la densité de la plupart des roches aussi varie peu. ien que le volume des granulats dans le béton a/ecte sa masse volumique, ceci ne représente pas un facteur important. 0insi en praque, la masse volumique d%un béton de densité normale varie de 1122 & 1322 4g#m 5 . -n conséquence, le poids propre des éléments de béton béton est élevé. +l peut représent représenter er un fort pourcent pourcentage age de la charge sur la structure. 6andis que, l%ulisaon l%ulisaon d%un béton de masse volumique volumique plus faible peut (tre béné7que béné7que en terme d%él d%élém émen ents ts port portan ants ts de sec secon onss plus plus pet petes es et une une rédu réduc con on corr corres espo pond ndan ante te des fondaons. fondaons. 8ccasionnel 8ccasionnellemen lement, t, l%ulisaon l%ulisaon de ce dernier dernier peut perme) perme)re re de const construir ruiree sur un sol de faible capacité portante.
2. Types et classifcaon des bétons légers 8n diminue la masse volumique du béton en rempla9ant une certaine quanté de matériau matériau solide par de l%air. l%air. Les trois endroits possibles pour incorporer de l%air dans le béton sont " SENHADJI Y.
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Béton légér
La matrice ;béton cellulaire<=
-ntre les gros granulats ;béton caverneux ou sans 7nes, c.>&>d. sans sable<=
ans les granulats ;béton de granulats légers<.
La 7gure : illustre ces trois t$pes de béton. -videmment, il est possible d%e/ectuer des combinaisons comme un béton léger de t$pe caverneux fabriqué en ulisant des granulats légers.
Figure 1 " ?eprésentaon schémaque des di/érents t$pes de béton léger
L%augmentaon du volume d%air ou des vides, s%accompagne d%une diminuon de la résistance du matériau. Le guide ACI 213R!" disngue alors trois catégories de béton léger, classées selon la masse volumique du matériau durci ;tableau :< Tableau 1 " Classi7caon des bétons légers selon le guide 0C+ 1:5?>@A #asse $olu%i&ue '(g)%3*
Rc '#+a*
étons légers de structure
:5B2 > :22
D :A
étons légers de résistance modérée
@22 > :5B2
A > :A
étons de faible densité
522 > @22
EA
Classifcaon
Les bétons légers de structure, ulisés pour la fabricaon d%éléments porteurs, sont généralement fabriqués avec des granulats légers manufacturés ;argile, schistes et laiers expansés ou cendres volantes fri)ées<. La résistance & la compression minimale recommandée par l%0C+ est alors de :A FGa & 1@ jours. Les bétons légers de faible densité sont fabriqués avec des granulats ultra légers et tr*s poreux ;vermiculite exfoliée, perlite SENHADJI Y.
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Béton légér
expansée< ou avec une matrice cellulaire. ans ce dernier cas, l%incorporaon de bulles d%air peut (tre faite par généraon de gaH dans le matériau & l%état plasque ou par entraInement d%air au cours du malaxage. Ces bétons sont de tr*s bons isolants thermiques, mais ils doivent bien souvent (tre traités & l%autoclave pour a)eindre une résistance su!sante. %autres granulats non absorbants et plus résistants sont aussi disponibles ;verre et pol$st$r*ne expansés<. Les bétons de résistance modérée sont dotés de propriétés intermédiaires. +ls peuvent (tre fabriqués avec des granulats concassés naturels, comme la pierre ponce, les tufs et autres roches d%origine volcanique ou avec un morer aéré. La pierre ponce fut par ailleurs le premier granulat léger & (tre ulisé, notamment pour la construcon du dme du Ganthéon et du Colisée & ?ome.
3. ,ranulats légers 3.1 -éfnion dun granulat léger
Les granulats légers se di/érencient des autres granulats par leur faible masse volumique. Celle>ci est inférieure & :122 Jg#m 5, tandis que celle de la pierre naturelle est de 1A22 Jg#m5. L’écart de masse volumique s’explique par la porosité élevée du granulat Kg, c’est>&>dire une importante proporon volumique de vides d’air contenus dans le granulat. Cet air sera appelé parfois, air intra>parcule.
+l existe une tr*s grande diversité de granulats légers mais on peut les di/érencier en deux grandes familles selon leurs origines ;naturelles ou ar7cielles< voire tableau 1. 3.2 ,ranulats légers naturels
Les granulats légers d’origine naturelle sont obtenus par simple concassage et criblage de roches volcaniques. Les granulats de ce)e famille les plus ulisés sont la ponce et la GouHHolane.
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Certains, d’origine naturelle, subissent cependant un traitement thermique a7n d’obtenir des granulats expansés. Les principaux sont l’argile et le schiste expansé. La perlite, la vermiculite et l’ardoise expansée sont également des granulats de ce)e catégorie. 3.3 ,ranulats légers arfciels
Les granulats légers purement ar7ciels sont souvent des sous>produits industriels que l’on traite spécialement. Les plus ulisés sont le laier et les cendres volantes. Citons également le mâchefer, le pol$st$r*ne, le li*ge et le verre. Tableau 2 " classi7caon des ma*res premi*res pour la fabricaon de granulats légers /laboraon
0rigine
#ares pre%ires
olcanique
Gonce= GouHHolanes, 6ufs volcaniques, Cinérites
+roduits fnis
Gonce, GouHHolanes, 6ufs volcaniques, Cinérites
ans traite%ent ter%i&ue
Médimentaire #ares pre%ires naturelles
A$ec traite%ent
Calcaires poreux, ialomite, Calcaires coquilliers , 6ufs ialomite calcinée calcaires, ialomite, Mpongolites, NaiHes
olcanique
Gerlites
Gerlites expansées
0ltéraon
ermiculites
ermiculites exfoliée
0rgiles
0rgiles expansées, Nravillons céramiques creux, Mchistes expansés, 0rdoise expansée
écombres, briquaillons, Cendres de fo$ers
écombres, briquaillons, Fâchefers
Cendres volantes, Laiers, Calcin
Fâchefers fri)és, Cendres volantes fri)és, Laiers expansés, erre expansé
ter%i&ue
Médimentaire
ans traite%ent ter%i&ue
émolion
#are pre%ire arfcielle
A$ec traite%ent ter%i&ue
Mous>produits industriels
4. +ropriétés pysi&ues et %écani&ues des bétons légers 4.1. +orosités
Le béton est constué de plusieurs éléments solides ;granulat, liant< et de plusieurs familles de vides dont la taille varie de quelques diHaines d%0ngstrom ;O< & quelques millim*tres selon l%origine de ces porosités.
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Les granulats poss*dent une porosité intrins*que appelée Kg, due & la présence de l%air intra>parcule. Compte tenu de la taille caractérisque des capillaires ;de l%ordre de la diHaine de Qm<, la porosité du granulat sera quali7ée de porosité microscopique ;7gure 5<. La matrice de liant conent également des vides d%air qui apparaissent au moment de la prise des h$drates et du séchage du matériau. 8n parle d%air intra>liant qui permet de dé7nir la porosité intrins*que du liant Kl. La taille caractérisque des pores présents entre les h$drates de Ca;8R< 1 ou de C>M>R, varie entre 2,2: Qm et BQm et la taille des pores générés par un entraIneur d%air varie entre B Qm et : mm. L%air intra>liant sera également considéré comme de l%air microscopique.
avec
vides " volume des vides contenus dans la matrice de liant ;m 5< liant " volume total occupé par la pâte de liant ;m 5<
Figure 3" Les observaons réalisées sur la coupe transversale des granulats végétals montrent
clairement le réseau de capillaires dont le diam*tre est généralement compris entre :2 et B2Sm, ceux>ci sont orientés dans le sens de la ge. 4.2. Légèreté
L’emploi de granulats légers a pour premi*re conséquence une diminuon de 12 & 52 T de la masse volumique des bétons. 0 tre de comparaison, la masse volumique d’un béton h$draulique est de l’ordre de 1522 Jg#m 5 alors qu’elle se situe autour de :322 Jg#m 5 pour un béton d’argile expansée, entre 322 et 22 Jg#m 5 pour un béton de bois et qu’elle varie entre 5B2 et 3B2 Jg#m 5 pour un béton cellulaire ;norme UV G :P>523<. SENHADJI Y.
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Béton légér
L’intér(t est d’avoir un matériau facile & me)re en Wuvre lorsqu’il est vendu manufacturé sous forme de parpaings. e plus, ce matériau allégé nécessite des fondaons moins importantes lors de la construcon. 4.3. Co%porte%ent et per5or%ances %écani&ues
Les granulats légers entraInent une modi7caon du comportement et des niveaux de performances mécaniques du béton. -n e/et, le granulat léger est poreux donc moins résistant qu’un granulat usuel. Le fonconnement mécanique et le mode de rupture des bétons légers sont donc modi7és par rapport & ceux d’un matériau contenant des granulats rigides. Mi le béton conent des granulats rigides plus résistants que la pâte, ceux>ci constuent les points durs du s$st*me. Les contraintes imposées au matériau, entraInent des déformaons notables dans le liant et négligeables dans le granulat. es Hones de concentraons de contraintes naissent donc dans la pâte, qui 7ssure. L’adhérence entre les granulats et la pâte étant insu!sante pour supporter les niveaux de sollicitaon imposés, la 7ssuraon de la pâte se produit autour des grains qui se décollent de la matrice de ciment. La résistance du béton est donc pilotée par la résistance de la Hone servant d’interface entre la pâte et le granulat rigide. 0 l’inverse, dans le cas du béton léger contenant des granulats de faible résistance, les contraintes cheminent & travers la pâte, contournant les X points faibles Y du matériau. Le morer ;pâte< subit des niveaux de sollicitaon élevés et les déformaons de la pâte et des granulats sont importantes. 'ne fois les granulats écrasés, ils ne parcipent plus vraiment & la résistance du matériau et le morer 7nit par céder. La résistance en tracon des granulats pilote donc la résistance en compression du béton léger. Ce mode de rupture est possible car les granulats légers poss*dent une surface poreuse importante qui crée une excellente adhérence entre la pâte et le grain. Ce n’est donc pas la liaison au niveau de la surface de contact qui est détruite comme dans le cas de granulats rigides mais le granulat qui c*de. 'ne nuance existe cependant dans le cas de granulats tr*s déformables m(me si leur résistance reste modérée. -n e/et, sous l’e/et des contraintes le morer va se déformer et le granulat va faire de m(me par contact granulat>morer. Comme le granulat peut supporter des niveaux de déformaon supérieurs & ceux du morer, c’est ce dernier qui va 7ssurer sous l’e/et des contraintes et le granulat, n’a$ant pas a)eint son seuil de rupture, ne sera pas détruit. La rupture du béton se fait dans ce cas précis par rupture du morer et non par rupture des granulats. 0insi, les caractérisques des granulats sont déterminantes dans les performances des bétons légers. Les niveaux de performances des bétons légers sont inférieurs & ceux des matériaux usuels de construcon, puisque les granulats légers poss*dent une porosité propre Kg, qui les rend déformables. ’une mani*re générale, la résistance en compression & 1@ jours et le module d’élascité - augmentent lorsque la porosité des granulats Kg diminue. es SENHADJI Y.
Pagé 3
Béton légér
campagnes expérimentales ont mis en relaon performances mécaniques et masse volumique Z des bétons légers. ans le cas de granulats d’argile expansée de t$pe Liapor, a obtenu une relaon linéaire entre la résistance en compression et la masse volumique ;Vig.P<.
Figure 46 ?ésistance & la compression & 1@ jours ;FGa<
en foncon de Z ans le cas du béton cellulaire, la grande proporon de vides d’air dans le matériau est un facteur essenel dans le niveau de performances. 8n disngue deux t$pes de pores " les macropores ;diam*tre supérieur & 32 Qm< et les micropores ;diam*tre E 32 Qm< avec une réparon de [ de macropores pour \ de micropores. -n7n, il convient de citer que des travaux récents ont permis de concevoir des bétons légers & hautes performances. +ls ont travaillé sur des mélanges de granulats légers ;argiles expansées< dosés entre 11P et 15 Jg#m5 et des quantés élevées de ciment variant entre PP2 et A:2 Jg#m 5 . 'n ajout de fumée de silice, & hauteur de :2 T en masse de ciment, est e/ectué. 8n obent ainsi un matériau de masse volumique autour de :B22 Jg#m5. Les résistances en compression & A jours s’étalent entre P2 et BB FGa et les modules de rigidité de ]oung varient entre :1 et :B NGa. ’autres travaux ont porté sur l’amélioraon de la qualité de la matrice et sur des ajouts d’argile dans les bétons de bois. Les résistances en compression 7nales sont comprises entre A et 1P FGa pour des masses volumiques entre ::A@ et :BP2 Jg#m5.
4.4. ensibilité 7 leau SENHADJI Y.
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Béton légér
Les granulats, poreux et perméables, perme)ent les transferts h$driques sous forme liquide et sous forme vapeur. ans le cas d’eau liquide, on parle d’absorpon et dans le cas d’eau vapeur, on parle de sorpon>désorpon. La perméabilité ^m représente la faculté qu%a un matériau de laisser un _uide s%écouler en son sein, sous l’e/et d’un gradient de pression. Ce)e propriété de perméabilité n’existe donc que si le matériau poss*de une porosité non négligeable et que celle>ci est connectée. -n revanche, un matériau peut (tre tr*s poreux ;i.e. le béton cellulaire< et peu perméable car les pores, non reliés entre eux, ne constuent pas des chemins connus, dans lesquels le _uide peut s’écouler. Gorosité et perméabilité sont donc liés mais le premier n’implique pas forcément le deuxi*me.
4.4.1 Labsorpon
L’absorpon est un phénom*ne ph$sique par lequel un liquide migre de l’extérieur vers l’intérieur d’un milieu poreux grâce & un phénom*ne de remontées capillaires. L’absorpon entraIne un gain de masse du matériau. Cependant, l%absorpon n’est possible que si les capillaires du réseau poreux communiquent pour perme)re le transfert de l’eau " on parle alors de porosité ouverte K ouverte ou connectée. Lorsque le matériau conent des pores emprisonnés comme dans le cas du béton cellulaire, on parle de pores occlus. Ces pores ne parcipent pas au phénom*ne d’absorpon ;Vig.B<.
Figure 8 " 6rois t$pes de porosité présente dans les matériaux
'ne étude expérimentale a mis en évidence le rle de la microstructure dans l’absorpon en comparant le t$pe et la distribuon par taille des pores de quatre granulats légers ;6ab. 5< et en anal$sant les conséquences sur l’absorpon. Tableau 3 " Gorosité ouverte des granulats et proporon de capillaires de Ф > 2 µm
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Béton légér Types de granulats légers
+orosité ou$erte '9*
Gonce 0rgile expansée Mchiste expansé Cendre fritée
BB.2 B5. 5A.2 5A.2
9 pores dia%tres : 2 ;%
[email protected] ::.A 5P.A :A.3
4.4.2 Consé&uences sur la prise
La mise en présence de constuants possédant des microstructures di/érentes gén*re une compéon entre les éléments pour absorber l%eau du mélange, ce qui a des répercussions sur la prise du liant. Gour évaluer ce phénom*ne, aquier a comparé le comportement de granulats de ponce contenant trois quantés d’eau di/érentes. +l a suivi l’évoluon temporelle du taux de saturaon Mr des granulats no$és dans un morer de ciment. Connaissant la quanté maximale d’eau que peut capter le granulat, on dé7nit le degré de saturaon Mr comme le rapport entre le volume d’eau contenu dans les granulats et le volume total de vides. Lorsque Mr ` 2 T le granulat est parfaitement sec et lorsque Mr ` :22 T, tous les vides sont occupés par l’eau. La teneur en eau massique indique la quanté d’eau liquide contenu dans un matériau par rapport & la masse s*che de ce matériau.
avec" Feau " masse d’eau dans le matériau Fs*che " masse de matériau anh$dre Lorsque le granulat est non saturé, il absorbe l’eau présente dans le morer et son taux de saturaon augmente pendant : & 1 heures. C’est la phase de succion. 0pr*s avoir a)eint un maximum, Mr diminue et l’eau qui)e le granulat, qui joue donc un rle de Xréservoir d’eauY. 0 l’inverse, dans le cas de granulats saturés en eau, la phase de succion n’existe plus. Gendant quelques heures, Mr reste constant & :22 T. Guis, Mr décroIt car le granulat lib*re de l%eau. Ce comportement vis & vis de l’eau explique le fait que les granulats légers soient préalablement saturés, de fa9on & laisser la réacon d’h$drataon du liant s’inier avec l’eau disponible dans le mélange.
4.4.3 Consé&uences sur le gon
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Béton légér
Le deuxi*me e/et de l%absorpon concerne d%éventuelles variaons dimensionnelles du matériau, induites en parculier par le gon_ement des granulats. ans le cas du béton de bois, les variaons dimensionnelles sont de l’ordre de B mm#m tandis que la norme préconise des variaons inférieures & 2,PB mm#m pour une ulisaon en génie civil. -lles peuvent a)eindre :2 mm#m pour des granulats parculi*rement h$drophiles. Gour diminuer ces variaons, on peut augmenter le dosage en ciment dans le béton a7n d’augmenter la rigidité de la matrice entourant le granulat et bloquer le gon_ement. Ce comportement vis>&>vis de l’eau pose des di!cultés d’ulisaon que ce soit en tant que matériau de remplissage ou en tant que matériau structurant. -n e/et, les variaons dimensionnelles vont créer des e/orts sur la structure porteuse ;matrice cimentaire ou panneaux des murs & remplir<. Celle>ci peut alors (tre détériorée ;7ssures, déformaons< et o/rir un aspect peu a)racf donc incompable avec une ulisaon dans l’habitat.
4.8. +ropriétés ter%i&ues
La conducon thermique => est le _ux de chaleur par m*tre carré, traversant un matériau d’un m*tre d’épaisseur pour une di/érence de température d’un degré entre ses deux faces. Ce)e propagaon d’énergie se produit dans un solide par agitaon des molécules constuves du matériau. La conducvité thermique est donc une grandeur intrins*que du matériau, qui dépend uniquement de ses constuants et de sa microstructure. 'n béton usuel & base de granulats rigides, conent de l%air, d & l%arrangement de la phase solide ;squele)e granulaire< et & la prise de liant. 8r, l’air immobile conduit faiblement la chaleur. Les bétons & base de granulats légers ont donc été développés, car ils perme)ent d%augmenter la proporon volumique d%air dans le matériau ;la porosité<, en ajoutant l%air intra>parcule ;granulat<. 0 tre comparaf, un béton h$draulique ;Z ` 1522 g#m 5< a une conducvité thermique de 1,2 #;m.4< tandis qu’un béton d’argile expansé ;Z ` :322 Jg#m 5< a une conducvité thermique de 2,32 #;m.4<. 'n dernier élément concernant les propriétés thermiques des bétons légers est lié au pouvoir absorbant de ces matériaux, qui peuvent contenir des quantés d’eau non négligeables. L’eau étant un excellent conducteur, elle induit une augmentaon de la conducvité thermique du béton, en se substuant & l’air isolant. ivers travaux ont permis de corréler la conducvité thermique et la teneur en eau massique des bétons légers par des formules empiriques. es mesures expérimentales sur du béton de bois ont montré que la conducvité thermique augmentait de P2 & 2 T pour des teneurs en eau de 52 T. 4.?. +ropriétés acous&ues
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Béton légér
Le dernier élément de caractérisaon des matériaux concerne les propriétés acousques. Lorsqu’un son est émis, une onde acousque se propage dans l’air jusqu’& a)eindre un obstacle. Lorsque ce)e onde incidente rentre en contact avec un matériau, deux ondes sont créées "
'ne onde ré_échie qui se propage dans le m(me milieu que l’onde incidente, 'ne onde transmise qui traverse le matériau de part en part.
'n traitement acousque est une démarche qui va in_uer soit sur l’onde transmise, soit sur l’onde ré_échie de fa9on & améliorer l’acousque d’un local. L’isolaon acousque vise & limiter la transmission des sons de part et d’autre d’un matériau. Ce)e isolaon est généralement réalisée par de matériaux de forte densité car leur inere fait qu%ils sont plus di!cilement mis en mouvement par les ondes acousques. +ls gén*rent donc moins d’ondes transmises par vibraons. Les bétons légers, comme leur nom l’indique, ne fonconnent pas par cet e/et de masse. 8n peut également limiter la transmission du son en imperméabilisant la surface du matériau. Les ondes sont alors ré_échies et renvo$ées vers la source éme)rice. Les matériaux peu perméables sont donc de bons isolants, dans le sens o ils emp(chent la transmission du son entre deux pi*ces congus. Cependant, les ondes ré_échies viennent perturber l’intelligibilité du discours dans le local, en créant des interférences. La troisi*me fa9on d’agir sur les ondes acousques est l’absorpon. Les matériaux amorssement les sons par dissipaon visqueuse. Cependant, ce mécanisme de dissipaon d’énergie suppose que les ondes puissent pénétrer dans le matériau et disposer d’un espace su!sant pour (tre amores. +l faut donc une certaine perméabilité et une porosité ouverte importante. Le pouvoir absorbant d’un matériau se caractérise par le coe!cient d’absorpon . uand ` :, toute l’énergie de l’onde incidente est dissipée donc le son est en*rement amor. uand ` 2, le son n’est pas amor du tout. Ce coe!cient dépend de la fréquence. -n général, il est mesuré sur toute la gamme de fréquences, puis mo$enné sur des bandes de fréquences appelées octaves. Ceci permet de comparer plus facilement les matériaux entre eux. Garmi les bétons légers, seul le béton de bois est ulisé actuellement pour ses qualités acousques, car il représente un bon compromis entre une certaine masse volumique et une bonne capacité d’absorpon. Le pouvoir absorbant du béton de bois est deux & trois fois plus élevées que celui des autres matériaux de construcon rencontrés usuellement dans le bâment. -n conclusion, la porosité globale d’un matériau n’explique pas & elle seule une bonne ou une mauvaise absorpon acousque. Le béton cellulaire par exemple poss*de une forte porosité mais il n’absorbe pas plus de P2 T du son, car il est peu perméable. L’onde sonore ne parvient pas & pénétrer dans le matériau et ne peut donc pas (tre amore. SENHADJI Y.
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Béton légér
4." -urabilité
L%ulisaon des granulats légers n%a/ecte pas la durabilité & long terme du béton. -n e/et, la porosité des granulats est généralement disconnue et n%in_uence pas la perméabilité du béton. Ce)e propriété est plutt contrlée par la pâte de ciment durcie et par la qualité des interfaces pâte>granulats. ans les bétons légers & haute performance, l%ulisaon d%un faible rapport eau#ciment ainsi que la densi7caon et la diminuon de la micro7ssuraon des interfaces, liée & la meilleure compabilité élasque entre les granulats et la matrice, ne favorise pas le transfert de ma*res & l%intérieur du matériau. La résistance au gel et & l%écaillage du béton est obtenue en combinant des granulats et une matrice de qualité. ien que les granulats légers soient tr*s absorbants, ils sont néanmoins tr*s durables au gel. Lorsque les granulats légers sont saturés avant la fabricaon du béton, on augmente toutefois les risques d%endommagement du matériau si ce dernier est rapidement soumis & des c$cles répétés de gel>dégel. Comme dans les bétons de granulats rigides, l%air entraIné permet de protéger e!cacement le matériau contre le gel et l%écaillage.
8. Interacons des granulats a$ec la %atrice ci%entaire La qualité microstructurale des interfaces pâte>granulats lég*re est généralement supérieure & celle des bétons de granulats rigides. es mécanismes d%interacon ph$sique, chimique et mécanique ont été iden7és, sans compter l%in_uence du faible module élasque des granulats sur la micro7ssuraon des interfaces.
Figure ? " +nterface pâte>granulats et mécanismes d%interacon iden7és
Interacon pysi&ue" si la couche protectrice des granulats est moins rigide ou si les
granulats sont concassés, on observe alors que la microstructure de l%interface est plus dense SENHADJI Y.
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Béton légér
et plus homog*ne. Ce)e densi7caon de la matrice est associée au processus ph$sique d%absorpon d%eau des granulats qui diminue localement le rapport eau#ciment de la matrice cimentaire. L%absorpon de l%eau de gâchage dépend toutefois du degré de saturaon inial des granulats. Interacon ci%i&ue" une tr*s faible acvité pouHHolanique semble possible entre les
granulats légers ;argile expansée, cendres volantes fri)ées et pouHHolane naturelle< et la matrice cimentaire observent que ce)e interacon chimique peut contribuer & augmenter la résistance & long terme des bétons avec granulats de cendres volantes fri)ées Interacon %écani&ue 6 la pâte de ciment peut venir se loger entre les rugosités et les pores
& la surface des granulats légers. Cet ancrage mécanique, qui améliore l%adhérence des granulats & la matrice cimentaire, dépend de la texture des granulats, de la taille des grains de ciment et de la viscosité de la matrice. L%absence de portlandite améliore également la résistance de l%interface.
?. Trans5ert des e@orts dans les bétons légers 8n suppose alors qu%au cours d%un chargement en compression, les e/orts ont plutt tendance & cheminer dans le morer, en contournant les granulats légers, puisque le morer est plus rigide que les granulats ;7gure A<. Gar conséquent, la contrainte dans le morer est supérieure & celle dans les granulats et la résistance du béton est inférieure & celle du morer seul. Mi les granulats ont une résistance asseH importante, le béton périt par le morer. 0u contraire, si les granulats n%ont qu%une résistance modérée, les granulats vont d%abord (tre cassés, ce qui réduit leur parcipaon éventuelle & la résistance du béton jusqu%& la rupture du morer.
Figure " " 6ransfert des e/orts dans un béton de granulats léger
". For%ulaon des étons de granulats légers SENHADJI Y.
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Béton légér
0 l%excepon des granulats légers, les constuants et les méthodes de formulaon ulisées sont les m(mes que pour les bétons de granulats rigides. 'ne a)enon parculi*re doit cependant (tre portée & la densité apparente et & l%absorpon des granulats. L%évoluon rapide de la technologie du béton a permis d%améliorer les propriétés des bétons de granulats légers. -n e/et, les ajouts minéraux et les adjuvants ont permis de réduire la demande en eau tout en améliorant les propriétés rhéologiques et la microstructure du matériau. La fumée de silice est maintenant recommandée pour augmenter la résistance & la compression mais également pour diminuer les risques de ségrégaon des granulats. Le dosage habituel en fumée de silice est d%environ :2 T du poids du ciment. Les cendres volantes et les laiers peuvent aussi (tre ulisées pour des raisons économiques et pour améliorer la résistance & long terme. L%entraInement d%air est recommandé dans la plupart des bétons de granulats légers pour en améliorer la maniabilité, la résistance aux c$cles de gel>dégel et & l%écaillage et pour diminuer le ressuage. Le volume d%air recommandé varie entre P et @T ;norme 0C+ 1::.1<. Les dosages en ciment et en eau sont généralement déterminés en foncon de la résistance & la compression et de l%a/aissement spéci7ques. Nrâce aux adjuvants modernes, le rapport eau#ciment peut maintenant se situer entre 2,1B et 2,B2 contrairement aux rapports supérieurs & 2,B2 tradionnellement ulisés pour contrer l%absorpon des granulats. Le choix des granulats 7ns et des gros granulats a par ailleurs un e/et important sur les propriétés du béton. %aprés Rolm k remner, seuls des granulats légers manufacturés de tr*s grande qualité peuvent développer des bétons légers & haute performance. Le degré de saturaon inial des granulats doit (tre déterminé par un essai d%absorpon et (tre pris en considéraon pour déterminer la quanté d%eau de gâchage. Les granulats 7ns peuvent (tre du sable léger ou du sable naturel. Le sable léger a toutefois le désavantage d%(tre absorbant et on l%associe plutt aux bétons légers de résistance modérée, qui ne sont pas des bétons de structure.
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4. ,ranulats légers de structure 4.1 +rocédés de 5abricaon
La principale caractérisque des granulats légers est leur porosité élevée qui se traduit par une faible densité apparente. Certains granulats légers sont des roches & l%état naturel, mais la majorité des granulats légers ulisés est manufacturée & parr de ma*res premi*res naturelles ;argile, schiste, ardoise< ou de sous>produits industriels ;laiers, cendres volantes<. Les procédés de fabricaon usuels sont l%expansion en four rotaf ou la cuisson sur grilles. L%expansion est alors générée par la formaon d%un gaH & l%intérieur du matériau en fusion ;entre :222 et :522 C< et la structure poreuse est conservée par le refroidissement rapide. Les granulats peuvent (tre obtenus par le concassage des masses expansées ou par préformage avant l%expansion ;moulage et déchiquetage de l%argile, pulvérisaon des schistes et de l%ardoise, fri)age des cendres volantes<. Le moulage et le fri)age perme)ent d%obtenir des granulats de forme sphérique ;granulats bouletés<. Les laiers expansés peuvent (tre fabriqués sans opéraon de concassage ni préformage. Le laier liquide ;environ :PB2 C< est alors projeté dans l%atmosph*re au mo$en d%un tambour rotaf tandis que des jets d%eau assurent l%expansion des parcules en fusion. Ces granulats manufacturés sont & l%heure actuelle les meilleurs granulats pour la fabricaon des bétons légers de structure. 8n préf*re toutefois les granulats bouletés aux granulats concassés car leur forme arrondie et leur plus faible absorpon améliorent les propriétés rhéologiques et mécaniques des bétons légers ;7gures 1 et 5<.
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Béton légér
Les observations réalisées sur la coupe transversale montrent clairement le réseau de capillaires dont le diamètre est généralement compris entre 10 et 50 μm, ceuxci sont orientés dans le sens de la tige! Lors de la croissance de la plante, la sève circule dans ces capillaires tout le long de la tige! "près séc#age ils sont vides! $ependant sur les coupes longitudinales,
1.2. Types de granulats légers 1.2.2. 0rigine des granulats
'n certain nombre de granulats légers existe & l’état naturel, les autres étant obtenus ar7ciellement par divers procédés chimiques. Garmi les granulats d’origine minérale SENHADJI Y.
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Béton légér
naturellement poreux, les plus fréquemment rencontrés sont les ponces ou les roches sédimentaires comme les calcaires. +ls sont extraits de gisements et directement ulisables dans les matériaux de construcon. Les autres granulats naturellement poreux sont d’origine végétale. +l s’agit pour la plupart des déchets organiques qui trouvent dans la construcon un mo$en de valorisaon. 8n peut ainsi citer le bois, la ge de mas, la coque de noix de coco, le bambou. Ce t$pe de produit représente une producon de quelques diHaines de milliers de m 5 par an, ce qui reste encore tr*s faible. Ces granulats conennent de nombreux capillaires, entraInant une porosité Kg élevée. Cependant, ils conennent également des ma*res organiques & base de cellulose qui les rendent réacfs vis & vis de certains constuants présents dans les liants h$drauliques. 'n traitement préalable est donc indispensable a7n de les rendre inertes. 6rois méthodes sont emplo$ées " > les traitements ph$siques " les composés organiques ;t$pe hémi>cellulose< contenus dans le granulat sont isolés du milieu extérieur, soit en imprégnant le granulat de résine ou de para!ne ;imprégnaon & cWur<, soit en enrobant la parcule. Les 7bres de celluloses peuvent également (tre détruites par un sel de calcium d’un acide fort, créant d’innombrables microcavités dans le granulat. > les traitements thermiques " ils détruisent les constuants cellulosiques & une température de l’ordre de 1@2C et limitent en m(me temps l’h$groscopie du granulat. > les traitements chimiques " ils remplacent les groupes h$drox$l ;8R >< par des groupements h$drophobes dans le m(me but que les traitements thermiques. 0ctuellement, la stabilisaon des parcules végétales s’e/ectue plutt par un traitement chimique suivi d’un traitement thermique. Cependant, des recherches récentes réalisées par l’-.M.M.6.+.. ;-cole Mupérieure des Mciences et 6echnologie de l’+ndustrie du ois< s’orientent préférenellement vers un traitement ph$sique d’imprégnaon plus aisé et plus économique & me)re en Wuvre que les traitements thermiques ou chimiques. ’autres granulats légers sont obtenus par un procédé chimique appelé expansion ;argile expansée<. 0 une température de l’ordre de :222C, la paroi des granulats devient plasque et gon_e sous l’e/et de dégagements gaHeux ;C8, C8 1,81, M81, M85< générés par la cuisson. Ceci les rend beaucoup plus légers que les granulats classiques avec une masse volumique s*che Z granulat comprise entre @22 et :122 Jg#m5. La gamme de variaon de la masse volumique s*che s’explique par une expansion plus ou moins poussée du granulat ;durée de chau/e, température de cuisson entre :222 et :1B2C< et par une composion chimique variable qui prédispose & ce phénom*ne. -n7n, plus l’expansion sera poussée et plus le matériau deviendra coteux & fabriquer compte tenu de l’énergie consommée dans les fours de cuisson et du temps de la réacon chimique.
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Le deuxi*me t$pe de bétons légers regroupe les bétons cellulaires. +ls sont composés d’une matrice solide de liant ;mélange de chaux, de ciment et de sable< et de bulles d’air. La phase granulaire conent uniquement des agrégats de taille inférieure & @2 Qm. Les bulles d’air sont obtenues par un phénom*ne d’expansion ou X levée de la pâte Y d’origine chimique ou mécanique.
ans le cas d’une expansion chimique 0?U0', 5 +LL0+U, A, de la poudre d’aluminium introduite dans le mélange s’ox$de en milieu basique ;chaux< et lib*re de l’h$drog*ne & l’origine d’un réseau dense de bulles dans le matériau encore & l’état visqueux. ans le cas d’une expansion mécanique, un agent saponi7ant est intégré au morer inial et au contact de l’eau, il se forme une mousse qui gén*re des bulles d’air. Ce)e méthode permet de gérer le processus de formaon des pores en dosant correctement l’agent moussant U0?0]0U0U k ?0F0F'?6R], 22a et de réparr les pores de mani*re réguli*re dans la matrice. Lorsque le matériau a a)eint sa taille 7nale, une étape de cuisson par autoclavage 7nit de cristalliser le béton cellulaire. 8n obent un produit manufacturé de structure connue et contrlée donc de qualité constante malgré un cot énergéque élevé ;fours de cuisson<. Le béton cellulaire est ulisé en construcon pour la réalisaon de murs et de planchers légers. +l est commercialisé sous forme de panneaux ou de briques préfabriquées de 31B mm de long, B22 mm de large et d’épaisseurs B2, A2, :22 ou 522 mm.
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