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Université de Blida1
Mr.Yahiaoui
Département de génie civil Master 02 Génie Civil Option : matériaux de génie civil
Module : BETONS INNOVANTS 2
Chapitre 02 : GRANULAT LEGERS ET BETON LEGER I.1. Définition : Le béton léger (ou allégé) est un béton de ciment avec une masse volumique à sec inférieure à celle d'un béton normal. Ce béton peut contenir un pourcentage volumique important de granulats légers et rendu cellulaire par aération ou moussage. Les bétons légers se répartissent selon leur composition en quatre groupes: • Le béton de construction léger (à structure compacte) • Le béton caverneux (sans composants fins) • Le béton léger poreux (béton mousse) • Le béton aéré NB : Béton caverneux : Un béton ne contient pas de sable ;de gros granulats dont les particules sont recouvertes par un film de pâte de ciment d'une épaisseur de 1 à 3 mm. Béton aéré : Béton contenant environ 5 % d'air occlus sous forme de petites bulles exp: utilisation d'un entraîneur d'air.
1
Dans chacun des trois cas la réduction de la densité du béton est réalisée par une augmentation des vides d'air dans le béton. •
Matériaux naturels ou artificiels de:
•
Béton léger :
•
Donc une grande différences entre ces béton et béton ordinaire du point de vue:
•
Fabrication, utilisation et propriétés.
∫ app < 1000kg/m3.
∫ = 400 à 1800 kg/m3.
II. Nature des granulats : II.1. Granulats légers : II.1.1. Granulats légers d’origine volcanique : Sont obtenu par simple concassage et criblage des roches volcaniques. Les plus utilisés sont : a – La ponce : Formé par brusque refroidissement des roches en fusion. Sont des grains arrondis. Ф max = 10 à 20mm ; de couleur grisâtre. ∫ = 500 à 800 kg/m3. Elle est fiable et utilisé pour béton léger de structure. Très utilisé en Allemagne et Italie comme granulat pour bloc. 2
b – La pouzzolane : Provient de cristallisation de magma volcanique refroidi lentement. Couleur rouge-brun ou noir.
∫ = 700 à 900 kg/m3.
Matière première naturelle
Classification des matières premières pour la fabrication des granulats légers.
Elaboration
Origine
Matière première
Produit fini
Prod en France en T (1979)
Sans traitement thermique
volcanique
Ponces pouzzolanes Tufs volcaniques cinérites
Pouces pouzzolanes Tufs volcaniques cinérites
___ 650 000 ___ ___
Production mondiale 19 500Mt de cendras
sédimentaire
Calcaire poreux Dialomites Tufs calcaires
dialomites
22 000
Production mondiale 1 954 Mt
volcanique
perlites
altération
vermiculite
Sédimentaire à épimétamorphique
Argiles
Perlite expansée Vermiculite exfoliée Argile expansée Schistes expansés Ardoise expansée
Avec traitement thermique
Schistes
Matières premières artificielles
ardoise
Sans traitement thermique Démolition
Décombres, cendres de foyer.
Avec traitement Cendres volca thermique Sans produits Laitier expansé industriels Verre expansé
Décombres, …………
607 Mt 35 000 0 35 000
___ G–B 400 000 T/An 375 000
3
II.1.2. Granulats légers produit industriellement : Argile – schiste ou ardoise expansés. Schistes et ardoises sont des roches silico-alumineuses de composition chimique similaire à celle de l’argile, mais elles ont une structure rocheuse et un aspect feuilleté. Argile et schiste Le schiste argileux sédimentaire roche formée d'argile ayant sédimenté au fond d'une eau calme. Le schiste métamorphique provient d'une argile qui sous l'action de la pression et de la température. •
Procédés de traitement
Voie semi -sèche : Consiste à réduire la matière première en poudre sèche, puis la transformer en granulats grâce à l’adjonction d’eau. Voie humide : Matière est transformée en pâte plastique, découpée en petits cylindres, arrondis dans des tambours. Ensuite, la cuisson dans des fours. Exemple : fabrication de l’argile expansée (billes d'argile) :
Argile type
SiO2
AL2O3
R2O3
CaO
Na2O+K2O
15-20
15-20
5-10
1-5
1-5
4
Extraction Stockage Cuisson à 1200°C
Criblage et trie
Repartition en classes
Couleur brunâtre à
granulometriques
rouge
II.2. Granulats artificiels par traitement de sous-produits industriels : •
Laitier : un sous-produit de fabrication de fonte.
Laitier enfourné à
Déversé sur une
Jets d’eau sous
Expansion du
1400-1500°C
aire
pression
laitier
Refroidissement et apparition d’une roche artificielle de couleur grise, de structure cellulaire 3
∫ = 600 à 900 kg/m .
Classe granulaire 0/3 ; 3/10 ;
Concassage et criblage
10/15 où 10/20 5
Composition chimique
SiO
2
Al O
CaO
MgO
FeO
MnO
SO
13-19
40-48
6
4
2
0.50
29-36 •
2
3
3
Cendres volantes :
✓ Résidu de la combustion du charbon pulvérisé utilisé dans les centrales thermiques. ✓ Elles sont collectées dans des électro-filtres et cuits à 1200 – 1300°C. ✓ Poudre gris noirâtre de ф= 1 à 200 ✓ Produits silico-alumineux SiO2 = 48% ; Al2O3 = 32%. ✓ ∫ = 650 à 680 kg/m3
Fe2O3 = 8%.
✓ Surtout fabriqué en Angleterre, URSS et USA. L’utilisation des cendres volantes dans le béton permet d’atteindre plusieurs objectifs : ✓ Réduire la quantité de ciment utilisée et donc diminuer les coûts ✓ Réduire la chaleur d’hydratation ✓ Améliorer la maniabilité du béton ✓ Améliorer l’acquisition des performances mécaniques à long terme ✓ Améliorer la durabilité III. Caractéristique des granulats légers : 1. Masse volumique : ∫app < 1000 kg/M3. ∫app diminue avec le diamètre des granulats et varie avec la teneur en eau des granulats. Exemple :
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Argile expansée 0/3
600 – 750 kg/M3
3/10
400 – 500 kg/M3
10/20
350 – 450 kg/M3
2.Aspect et couleur : ✓ Couleur du rouge au brun à l’intérieur et du brun foncé au noir à l’intérieur. ✓ Forme arrondie. ✓ Enveloppe extérieure dure ✓ Cœur poreux. 3.Absorption de l’eau : •
Agrégat léger ont une structure alvéolaire qui absorbent l’eau rapidement
•
Ils peuvent absorber 10% de leur masse en quelques minutes et 15% en 48H.
•
La progression est linéaire entre 1 min et 8 jours En fonction du temps
I=
𝑀1−𝑀 𝑎𝑥𝑑
I: le coefficient d’absorption en mm M: Poids sec M1: Poids après d’immersion dans l’eau a:section de l’éprouvette exposé à l’eau en mm² d: densité de l’eau en g/mm3
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Figure : Absorption d’eau par capillarité. 4. Composition chimique : Agrégat léger sont polluants. On doit éviter pollution pendant stockage. Teneur en :
SO3 < 1% Béton normal. SO3 < 0.3% Béton précontraint.
IV. Confection du béton léger : ✓ Fabrication pose des granulats légers ✓ Granulats fragiles
stocké avec précautions.
✓ On doit connaitre le % d’humidité des granulats. ✓ On doit les humidifier pour éviter dessiccation de pots. ✓ Un surdosage de 50kg de ciment est préconisé. ✓ Augmenter le temps de malaxage. ✓ Vibration peut donner ségrégation
Vibrer moins et utiliser des adjuvants.
✓ Difficile à pomper. ✓ De préférence mélanger granulats légers avec une partie de l’eau (1/2). Les Principes de dosage 8
Le principe de dosage d'un béton repose sur des concepts fondamentaux reliés au comportement du béton à l'état frais et durci. L'étude de la formulation va permettre : ✓ Comprendre les mécanismes du comportement interne du béton ✓ Concevoir un béton léger durable. Malaxage : L’ordre d’introduction dans le malaxeur peut être optimisé en pré-mélangeant le granulat léger avec 2/3 de l’eau de gâchage et en ajoutant ensuite le ciment et le reste de l’eau. La durée de malaxage minimale recommandée pour un béton léger compact est de 90 secondes après l’adjonction de tous les composants. En cas d’utilisation d’agents, moussants la durée de malaxage augmente jusqu’à 180–200 secondes. V. Propriété du béton léger : ✓ Rc plus faible mais progression à jeune âge (< 7 jrs) est plus rapide. ✓
𝑓𝑐28
✓
𝑓𝑐28
𝑓𝑐7 𝑓𝑐7
= 1.2 à 1.25 béton léger ( 0.83 – 0.80 ). = 1.4 à 1.5
béton ordinaire.
✓ Permet mise en précontrainte ✓ Rc est plus faible (de 10 à 20%) que BO. ✓ R cisaillement est de 80 – 90% de celle du BO. ✓ E < 2.5 x 103 MPa c'est-à-dire •
< E BO = 30 à 50 103 MPa.
La description des propriétés des bétons sera davantage axée sur les éléments suivants:
1. La faible masse volumique, 2. La durabilité, 3. La rhéologie à l'état frais (Viscosité, seuil de cisaillement,) 4. Les propriétés mécaniques (résistance à la compression, module d'élasticité, etc.). 9
•
Le principe de dosage fait référence à quatre facteurs :
1. La qualité de la pâte de ciment hydraté, 2. La qualité des granulats, 3. La rhéologie recherchée, 4. Les propriétés mécaniques •
Propriété du béton léger
1. Coefficient de poisson est similaire c = 0.15 2. Retrait est supérieur (10 à 80%). 3. Déformation de granulats légers est supérieur (15 à 50%). 4. Résistance au feu excellente si béton sec. Mais médiocre si humidité > 8% en volume. 5. Gain de poids considérable (min 25%). ✓ Utilisation d’un sol à faible portance. ✓ Ouvrage d’art de grande portée. ✓ Diminution d’armature. ✓ Moins de coûts de manutention et transport et Montage facile. 6. Meilleure isolation thermique. 7. 10 cm béton cellulaire = 20 cm béton léger = 60 cm béton plein. 8. Meilleure isolation phonique. VI. Inconvénients : Prix : Le prix des granulats silico-calcaire soit double
Transport et cuisson
Mais : Coût final 10 à 20% plus faible (ponts allégés, ext…) VII. Développement et perspectives d’avenir : Fabrication :
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Pays
Quantité
Unité
URSS
10 millions
Mᵌ
USA
05 millions
Mᵌ
GB
05 millions
Mᵌ
Allemagne
01 millions
Mᵌ
France
01 millions
Mᵌ
VIII. Classification des bétons légers Masse Conductivité volumique thermique 3
R28 (MPa)
(kg/m )
(w/m°c)
Classe I
800
0.3
1.5 - 5
Classe II
800 - 1200
0.6
5
Classe III Classe IV
1000 1400 1400 1800
0.8
10-20
Classe V
1500 1800
20
>30
Utilisation
L’isolation pur, non porteur. EX: forme de pente. Bloc et murs banchés fortement sollicités Murs banchés ou préfabriqués + blocs à maçonner Béton léger de structure avec sable de rivière et argile expansée. Béton armé ou précontraint. (Granulats avec ∫ >550Kg/M3)
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∫s : Masse volumique sèche (kg/m ) λu : Conductivité thermique en w/m°c. R28 : Rc à 28 jours (MPa).
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Réalisation : •
2 tours de 60 étages – Chicago.
•
Couverture en voile mince de 15cm de l’aérodrome de kenedy – NY.
•
Immeubles de 30 à 50 étages à Melbourne et Sydney.
Couvertures des stades en poutre de 23 cm en consoles en précontrainte en GB Conclusion : Béton léger bon pour préfabrication et immeuble de grands hauteurs. Mais il faut former des ouvriers ( malaxage, mise en œuvre,….)
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