Technologie du béton Mme Cherrak

Chapitre V : Les bétons spéciaux

V.1. Les Bétons à Hautes Performances (BHP)

Les bétons à Hautes Performances (BHP), sont des matériaux à très haute compacité et haute
résistance. Les recherches sur l’amélioration des résistances mécaniques ont abouti à la mise
au point des BHP bétons très compacts utilisés pour leurs résistances élevées aussi bien à
court terme qu’à long terme et leur durabilité exceptionnelle. Leur résistance est de l’ordre
plus de 100 MPa pour les bétons à très hautes performances, voire plus (150 à 200 MPa pour
des bétons fibrés à ultra hautes performances, BFUP. Hautes performances signifient aussi
facilité de mise en oeuvre et souplesse d’adaptation aux contraintes d’exécution des ouvrages.
Les BHP ont une porosité extrêmement réduite, plus résistant aux agents agressifs et, de façon
générale, présentent une durabilité accrue.

V.2. Définition des BHP

Les bétons à Hautes Performances (BHP) se caractérisent par :

 Une résistance à la compression à 28 jours supérieure à 50 MPa sur cylindre;
 Un rapport eau efficace/liant équivalent inférieur à 0,4.
 Ils présentent une structure très dense, une faible porosité et une très bonne résistance
à la pénétration d’agents agressifs.

V.3. Les constituants du BHP

Les constituants du BHP font l’objet des principales spécifications suivantes.

• Ciments: conformes à la norme NF EN 197-1 de types CEM I ou CEM II ou CEM III et de

classes de résistance conseillées 42,5 ou 52,5 (N ou R).

• Granulats : de manière globale les granulats pour bétons ordinaires peuvent être utilisés
pour les BHP, il faut juste être plus sélectif, préférence pour les plus résistants (issue de roche
dure) de forme cubique concassée avec réduction du Dmax ( ≈ 15). Le granulat concassé
conduit à une bonne adhérence entre lui et la pâte de ciment améliorant ainsi de la zone de
transition. Sa forme cubique par ailleurs, contribue positivement dans l’ouvrabilité en

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comparaison avec des granulats plats et allongés. Concernant le Dmax, il est réduit pour
réduire les pressions exercées sur le gravillon qui peut être le maillon faible dans un BHP et
la cause de limitation de résistances s’il se rompt prématurément.
Pour les sables, il est préférable d’utiliser un sable grossier ayant un module de finesse
compris entre 2,8 et 3, pour la simple raison que les BHP renferment beaucoup de fines dans
leurs compositions par l’usage d’additions et les dosages importants de ciment.

• Adjuvants : plastifiants réducteur d’eau et superplastifiants haut réducteur d’eau sont à

l’origine de la naissance de ces bétons, leur usage est incontournable pour défloculer les
quantités importantes de fines introduites dans les compositions.

• Additions : conformes aux diverses normes en vigueur – cendres, laitiers de hauts

fourneaux, fillers calcaires, filler siliceux, éventuellement ultrafines (fumées de silice).

• La fumée de silice : La fumée de silice est un produit minéral amorphe obtenu

essentiellement lors de la fabrication du silicium et de ses alliages. Les fumées contiennent du
monoxyde gazeux (SiO) extrêmement fines. Ces particules sont lisses et sphériques (100 000
billes de fumées recouvrent entièrement un grain de ciment). Leur couleur est le plus souvent
gris clair.
Cette addition est développée à part pour le grand intérêt qu’elle présente. Il est possible
d’avoir un béton de 75 MPa avec les constituants ordinaires utilisés pour un BO, il suffit juste
de respecter les spécifications stipulées pour les BHP, pour y arriver. Cependant, quand des
résistances supérieures sont visées (80 à 150 MPa) l’usage de fumée de silice est
incontournable. Son extrême finesse (100 fois plus fine que le ciment) et sa réactivité élevée
conduisent à une compacité maximale par densification de la matrice et augmentation des
résistances par formation de CSH supplémentaires (réaction entre sa silice et la portlandite du
béton). A préciser que son dosage est plafonné à 10% du poids du ciment pour conserver la
basicité du béton et protégé ainsi les aciers contre la corrosion.

NB : Les additions sont de deux types :

 les additions inertes de type I qui n’ont aucune réactivité pouzzolanique et jouent le
rôle de fillers (remplissage) pour combler les vides et améliorer la compacité.
 les additions réactives de type II ont eu par contre, en plus de leur effet fillers une
réactivité pouzzolanique (en raison de la silice qu’elles contiennent) et contribuent à
l’augmentation des résistances grâce la formation de nouveau CSH (telle la fumée de
silice, le laitier, les cendres volantes).
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V.4. Formulation des BHP

La recherche des hautes performances passe par la réduction de la porosité du béton durci,
c’est-à-dire de son pourcentage de vides. En effet, les dimensions et les volumes des pores
capillaires sont les principaux paramètres qui régissent les résistances mécaniques du béton et
les propriétés de transfert déterminantes pour la durabilité. L’optimisation de la formulation
d’un BHP consiste à diminuer la porosité de la matrice cimentaire et à optimiser le squelette
granulaire en prenant soin de bien choisir ses constituants. La formulation d’un BHP suit les
étapes principales suivantes :
1. choix des constituants;
2. optimisation du couple Liant/superplastifiant (Cône de Marsh);
3. détermination des fractions granulaires du gravillon et du sable par une méthode
semi-empirique ou expérimentale
5. vérification BHP.
Validation de la formule sur chantier :
– vérification du comportement rhéologique du béton frais ;
– vérification des éventuelles spécifications complémentaires telle que la pompabilité ;
– vérification des caractéristiques du béton (ouvrabilité, résistance….)

V.4.1. Méthode des coulis pour dosage en superplastifiant

Cette méthode est basée sur le cône de Marsh qui permet d’obtenir le temps de remplissage
d’un récipient d’un litre de coulis (ciment + eau + superplastifiant). Une courbe de temps
d’écoulement en fonction des dosages de superplastifiant est tracée. Le point de variation
brutale de la pente de la courbe constitue le point de saturation de l’adjuvant au-delà de ce
point l’ajout d’adjuvant influe très peu sur l’ouvrabilité du mélange. Au final, le
superplastifiant est introduit ce dosage dans le mélange du béton.
L’essai du cône de Marsh, permet aussi d’optimiser la pâte en effectuant cette fois l’essai sur
la pâte composée de ciment + eau + addition + superplastifiant. De plus, il permet d’étudier
la compatibilité du couple ciment/ superplastifiant en étudiant le maintien d’ouvrabilité dans
le temps. A cet effet, un premier essai est effectué t = 0 suivi d’un deuxième essai à t = 1,5 h
sur le même mélange. S’il est constaté une grande perte de maniabilité, on conclue que le
superplastifiant est incompatible avec le ciment et il faut le changer.

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Dosage de saturation

Figure V.1. Cone de Marsh et courbe de saturation

V.4.2. Méthode de Sherbrooke à titre d’exemple

La méthode de Sherbrooke est l’une des méthodes empiriques établie à l’Université de

Sherbrooke au Canada sous la direction de A. Aïtcin (l’un des pionniers des BHP). Les étapes
de la méthode sont grossièrement présentées dans ce qui suit ;

Sélection E/L Teneur en eau Dosage Teneur Teneur en air

Superplastifiant gravillon

Dosage en liant

Teneur en sable

Gâchée d’essai

non Ajustements
Maniabilité

oui
non Modification de E/L
Résistance
oui
Composition finale

Figure V.2. Organigramme de la méthode de Sherbrooke pour la formulation des BHP

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Figure V.3. Quelques graphes pour déterminer E/L, eau et le dosage en granulat

V.5. Propriétés mécaniques des BHP

Les diverses propriétés des BHP découlent de leur faible porosité, gage de durabilité.

Résistances mécaniques : Les BHP présentent des résistances en compression importantes

aux jeunes âges, compte tenu de la rapidité de la cinétique de montée en résistance, et très
élevées à long terme (avec une montée en résistance se poursuivant au-delà de 28 jours). Un
BHP de 60 MPa à 28 jours peut offrir des résistances mécaniques de 15 MPa à 24 heures,
voire davantage, et 40 MPa à 7 jours. Le gain est aussi important en termes de résistance en
traction ou au cisaillement.

Tableau V.1. Plage de Rc en fonction de E/L Tableau V.2. Résistance à jeune âge des BHP
(L : liant = ciment + addition)
E/L Plage de Rc [MPa] Age [heure] Rc [MPa]
0,40 - 0,34 50 -75 12 15
0,35 - 0,30 50 -75 18 20
0,30 - 0,25 50 -75 24 30
0,25 - 0,20 50 -75

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Module d’élasticité : le module d’élasticité des BHP est supérieur à celui des bétons
traditionnels.
Retrait : le retrait total du BHP est globalement identique à celui d’un béton traditionnel mais
avec une cinétique différente (il se produit plus tôt et se développe principalement pendant les
premiers jours après le coulage).

Autres propriétés des BHP :

Fluage : les BHP présentent un fluage (déformation différée sous chargement permanent)
plus faible que les bétons traditionnels.

Imperméabilité : leur faible porosité capillaire confère aux BHP une très faible perméabilité.
Résistance aux agents agressifs : la faible perméabilité des BHP leur confère une bonne
résistance à la pénétration et au transfert dans la masse du béton des agents agressifs en phase
gazeuse ou liquide (eaux de mer, eaux sulfatées, solutions acides, dioxyde de carbone, etc.).

Migration des ions chlorure : la résistance des BHP à la migration des ions chlorures est
supérieure à celle des bétons courants, grâce à sa microstructure plus dense.

Tenue aux attaques gel/dégel : les BHP, correctement formulés, résistent aux cycles
gel/dégel grâce à leur forte compacité et à leur résistance mécanique élevée.

Carbonatation : de nombreuses études ont démontré que la durabilité des BHP vis-à-vis de la
carbonatation est très nettement supérieure à celle d’un béton traditionnel.

Feu : sa tenue au feu est l’un de ses points faibles. Son comportement est fragile et explosif à
cause de sa matrice très dense qui fait augmenter les pressions en empêchant la fumée de
s’évacuer.

V.6. Principaux domaines d’application et principales

– Bâtiments de grande hauteur
– Ponts routiers
– Tunnels et Travaux Souterrains
– Préfabrication
– Ouvrage en site maritime

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3.2. Les bétons autoplaçants (BAP)

3.2.1. Définition et avantages des BAP

Les bétons autoplaçants (BAP) sont apparus au Japon à la fin des années 1980. L’élaboration
de ces bétons représente un saut technologique important dans l’évolution des techniques de
mise en oeuvre, en remplacement des techniques classiques des bétons vibrés. Ces bétons se
caractérisent par une grande fluidité et une bonne stabilité, une forte résistance à la
ségrégation et au ressuage, une mise en place sous le seul effet de la gravité et une aptitude à
s’écouler sans vibration dans des coffrages complexes et des ferraillages denses tout en
donnant un aspect final homogène. Grâce à leur formulation et à leur homogénéité, ils
donnent des structures résistantes et durables.

Ces bétons se caractérisent par les intérêts technico-économiques suivants :

 mise en place sans vibration d’où la réduction de la nuisance sonore sur chantier;
 amélioration de la sécurité ;
 gain de productivité ;
 possibilité de réaliser des éléments de géométrie complexes et/ou très ferraillés ;
 diminution du temps de personnel lors de la mise en place du béton en chantier ;
 obtention d’une meilleure qualité du béton indépendante du savoir-faire des ouvriers,
avec une finition soignée.

Ils demandent cependant des précautions particulières, comme :

 renforcer les coffrages ;

 préciser les règles d’emploi ;
 prévoir des méthodes de contrôle adaptées,
 surcoût du béton qui demande plus de ciment et des adjuvants.

3.2.2. Propriétés des BAP à l’état frais

Les BAP se distinguent des bétons ordinaires principalement par leurs propriétés à l’état frais.
L’ouvrabilité de ces bétons se décompose en trois caractéristiques principales :

 mobilité en milieu non confiné (décrit par l’essai d’étalement) ;

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 mobilité en milieu confiné (décrite par la boîte en L) ;

 stabilité (résistance à la ségrégation et au ressuage).
Pour évaluer les propriétés et les qualités d’un BAP à l’état frais (déformabilité, stabilité et
capacité de remplissage), plusieurs essais, normalisés ou non, ont été mis au point.

 L’essai le plus utilisé est l’essai d’étalement. Il s’effectue avec le cône d’Abrams. On
mesure le diamètre moyen de la galette de béton obtenue une minute après le
soulèvement du cône. En général, une valeur de 60 à 70 cm est visée pour un BAP.
 On mesure parfois aussi la vitesse d’écoulement qui est le temps nécessaire à
l’obtention d’une galette de 50 cm de diamètre. Il donne une indication sur la viscosité
du matériau (une valeur typique de 4 à 10 secondes est attendue). Une observation
visuelle permet également de constater si une ségrégation horizontale a lieu ou non.
 L’essai de la boite en L permet d’estimer les risques de blocage des gros granulats au
droit des armatures. Le rapport H2/H1 des hauteurs finales du béton aux deux
extrémités de la boîte est alors calculé. Ce rapport doit être supérieur à 0,8 indiquant
ainsi la bonne fluidité du béton en milieu fortement ferraillé.

 L’essai au tamis met en relief la stabilité du mélange et sa résistance à la ségrégation

des BAP en versant une quantité déterminée de ce dernier dans un tamis de 5mm
d’ouverture. On pèse la laitance qui est passée au travers du tamis. Cette masse de
laitance rapportée à la masse initiale de l’échantillon de béton frais versé sur le tamis
donne un pourcentage de laitance, noté SR. Pour les BAP SR ≤ 15 % est exigé, sinon
le béton est considéré comme instable et très susceptible à la ségrégation.

a/ Essai d’étalement b/ Essai de la boîte en L c/ Essai de stabilité au tamis

Figure V.4. Essais caractérisant l’état frais du BAP

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3.2.3. Propriétés des BAP à l’état durci

En plus des essais de performance et de durabilité sur les bétons conventionnels, d’autres
essais sur les BAP durcis visent à vérifier l’homogénéité des propriétés du matériau en place.
Il s’agit d’essais mécaniques sur carottes, de comptage des granulats sur des éprouvettes
sciées en deux pour estimer la ségrégation, d’essais d’arrachement d’armatures à différentes
hauteurs d’une structure donnée…

3.2.4. Méthode de formulation des BAP

Plusieurs approches de formulation des BAP ont été élaborées à travers le monde (approche
japonaise, approche suédoise, approche du LCPC, etc.) pour répondre aux exigences
d’ouvrabilité de ce type de béton. Deux grandes familles prévalent actuellement :

 la première concerne des formulations fortement dosées en ciment et contenant une

proportion d’eau réduite. La quantité de ciment très importante (450 à 600 kg/m3) est
nécessaire pour augmenter le volume de pâte afin d’améliorer la déformabilité du
mortier. Ce volume important de pâte limite par conséquent les interactions inter-
granulats (dont la quantité est parallèlement diminuée) et l’utilisation d’adjuvants tels
que les superplastifiants et les agents de viscosité permettent d’en contrôler la fluidité
et la viscosité. Cette approche de formulation conduit toutefois à des bétons de hautes
performances mécaniques, onéreux et mal adaptés à des ouvrages courants.
 une deuxième famille de formulations repose sur le remplacement d’une partie du
ciment par des fines minérales. Ces additions, comme les fillers calcaires par exemple,
permettent d’obtenir un squelette granulaire plus compact et plus homogène. La
quantité d’adjuvant nécessaire à l’obtention d’une fluidité et d’une viscosité données
est alors diminuée. Leur utilisation conduit également à conserver des résistances
mécaniques et des chaleurs d’hydratation raisonnables.
Il en a découlé plusieurs méthodes de formulation, nous citons les plus répandues:

 la méthode basée sur l’optimisation de la compacité des mélanges granulaires, LCPC ;

 la méthode basée sur l’optimisation des mortiers, Méthode japonaise ;
 la méthode chinoise ;
 la méthode basée sur l’optimisation de la pâte.

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Cette méthode, proposée initialement par des chercheurs Japonais, nommée Méthode
Japonaise, permet l’obtention de formulations fortement dosées en ciment et conduit à des
volumes de pâtes importants. Les bétons qui en découlent sont sous-dosés en granulats et sur-
dosés en liant. Ils sont économiquement peu viables et peuvent conduire à des problèmes de
retrait.

En parallèle, la méthode chinoise pour formuler le BAP est basé, au début, sur la compacité
des granulats (sable et gravier) et, puis, sur le remplissage des vides des granulats avec la pâte.
Cette méthode est plus simple, plus facile pour l'exécution et sauve le coût en comparaison la
méthode japonaise. Sauf qu’elle utilise une relation empirique pour estimer le dosage en
ciment fondée sur des données empiriques locales. Elle ne peut pas donc être appliquée dans
d’autres régions.

La méthode de l’optimisation de la pâte a tendance à trouver le volume de pâte minimum

nécessaire pour répondre aux critères des BAP. Elle permet ainsi à optimiser le coût des BAP.

3.2.5. Spécificités de formulation des BAP

Malgré les différentes méthodes de formulation existantes, certaines caractéristiques

demeurent intrinsèques aux BAP mais peuvent légèrement différer d’une approche à l’autre.

Les paramètres recommandés de formulation des BAP, sont rappelés ci-après:

 Un volume de pâte élevé (ciment + additions + eau efficace + air) 330 à 400 l/m3
 quantité de liant compris entre 380 ≤ L ≤ 600 kg , soit une importante quantité de fines
(Ø < 80 μm);
 rapport G/S compris entre 0.8 à 0.9 ≤ G/S ≤ 1.1 ;
 volume de gros granulat égal à 0.27 ≤ Vg ≤ 0.36 ;
 volume de mortier compris entre 0.65 ≤ VM ≤ 0.75 ;
 rapport eau/liant de l’ordre de 0.30 ≤ E/L ≤ 0.45 ;
 rapport eau/ciment compris entre 0.50 ≤ E/C≤ 0.60.

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3.2.5.3. Usage de superplastifiants

La fluidité des BAP est obtenue en ajoutant des superplastifiants. Ces fluidifiants sont
identiques à ceux employés pour les autres types de béton, à savoir des polymères de type
polycarboxylate, polyacrylate/polyacrylate ester acrylique. Cette adjuvantation ne doit pas
être trop élevée (proche du dosage de saturation) sous peine d’augmenter la sensibilité du
béton à des variations de teneur en eau vis-à-vis du problème de la ségrégation et du ressuage.
Ils permettent d’obtenir la fluidité souhaitée tout en minimisant la teneur en eau. Par
conséquent, ils améliorent la stabilité, les propriétés mécaniques et la durabilité des bétons en
créant un phénomène de dispersion des particules.

La dispersion suscitée provient de du fait que le superplastifiant interagisse avec les particules
du ciment et des fines en s’adsorbant à leur surface pour diminuer le phénomène de
floculation au contact de l’eau. Ainsi, les particules sont dispersées par combinaison d’effets
électrostatiques et stériques et la proportion d’eau libre est plus importante.

3.2.5.4. Utilisation probable d’agent de viscosité

Les agents de viscosité sont des agents colloïdaux dérivés des celluloses, des polysaccharides,
des colloïdes naturels ou des suspensions de particules siliceuses, qui interagissent avec l’eau
et augmentent la viscosité de celle-ci. Leur rôle est d’empêcher le ressuage et de limiter les
risques de ségrégations des granulats en rendant la pâte plus épaisse. Ces produits sont
fréquemment utilisés pour empêcher le délavement à l’état frais des bétons coulés sous l’eau,
Ou comme agent de pompage, pour augmenter la résistance à l’affaissement du béton projeté.
Ils se présentent en général sous forme de poudre et sont mélangés soit aux matériaux secs,
soit avec une partie de l’eau de gâchage. Un dosage de 0.01 à 0.08 % de la masse d’eau est
recommandé.

Cependant, l’action de ces produits est, d’une certaine façon, opposée à celle des
superplastifiants. La formulation d’un BAP requiert donc la sélection d’un couple agent de
viscosité - superplastifiant compatible et l’optimisation de leur dosage (figure 3.15).

Ces produits semblent utiles pour des bétons ayant des rapports eau/liant (E/L) élevés, les
fines n’étant alors pas suffisantes pour fixer l’eau dans le béton. En revanche, leur utilisation

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ne se justifie pas pour des BAP ayant des rapports E/L faibles (rapport eau/fines < 0,3). Pour
les bétons intermédiaires, leur utilisation doit être étudiée au cas par cas.

Les agents de viscosité ont aussi la réputation de rendre les BAP moins sensibles à des
variations de la teneur en eau à l’égard des problèmes de ressuage et de ségrégation, mais ils
peuvent conduire à des entraînements d’air excessifs et à une diminution de la fluidité .

3.2.5.5. Gravillons

Pour les BAP, il est souhaitable d’utiliser un faible volume de gravillon car ces derniers sont à
l’origine du blocage du béton en zone confiné. En général, le diamètre maximal Dmax des
gravillons dans un BAP est compris entre 10 et 20 mm. Le choix d’un diamètre plus grand est
possible mais ne se justifie que lorsque le confinement est faible. En général, le rapport
gravillon/sable est de l’ordre de 1.

En résumé, les composants de base d’une formulation de BAP sont identiques à ceux d’une
formulation de béton vibré mais leurs proportions sont différentes. Afin d’obtenir les
propriétés requises à l’état frais d’un BAP, une importante quantité de fines et l’incorporation
d’adjuvants (notamment les superplastifiants) sont nécessaires.

Figure V.5. Comparaison entre une composition de BAP et celle d’un béton vibré

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