Adjuvants pour béton : développements récents

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Adjuvants pour béton : développements récents
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PROJETS – ÉTUDES
De récents développements dans le
domaine des adjuvants ont ouvert de
nouvelles possibilités d’utilisation au
béton. Ces produits offrent en effet
de multiples avantages. En revanche,
l’obtention d’une amélioration des
performances du béton nécessite
une bonne connaissance des effets
secondaires des produits utilisés.
Adjuvants pour béton :
développements récents
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La prise du béton est ralentie lorsque la température diminue. Les accélérateurs de prise
et /ou de durcissement permettent d’accroître
la vitesse d’hydratation des mortiers et des
bétons, ce qui est nécessaire en particulier
lors du bétonnage par temps froid. Ils offrent
également l’avantage de raccourcir le délai
de décoffrage.
LES SUPERPLASTIFIANTS
Les superplastifiants permettent d’augmenter
l’ouvrabilité d’un béton sans y ajouter d’eau
(préjudiciable à sa résistance en compression
et à sa durabilité), de réduire sa teneur en eau
sans modifier l’ouvrabilité ou de cumuler les
deux effets.
Après les superplastifiants de première génération, tels les lignosulfonates, et de deuxième génération, tels les polycondensats de
mélamine (ou de naphtalène) sulfonate et de
formaldéhyde, une nouvelle génération de
produits est apparue : les éthers de polycarboxylate (PCE). Les PCE sont non seulement
chimiquement distincts des générations précédentes, mais ils ont également une action
différente, en ce sens qu’ils dispersent le ciment par encombrement stérique entre les particules, plutôt que par répulsion électrostatique.
L’arrivée des PCE a été capitale pour le développement des bétons autocompactants.
Ceux-ci permettent d’appliquer des méthodes de construction innovatrices et de réparer
d’anciennes structures dont la complexité géométrique et la difficulté d’accès pouvaient antérieurement empêcher l’utilisation de béton.
S’écoulant sur de longues distances, les bétons autocompactants sont aptes à combler
des vides qui auraient été inaccessibles autrement. Mis en place sans être vibrés, ils permettent de remplir des formes complexes ou
à densité d’armatures élevée, tout en nécessitant cependant une finition et une cure adéquates.
Les superplastifiants constituent aujourd’hui
un composant essentiel des bétons modernes.
Leur utilisation est étroitement liée à la conception des bétons à hautes performances. Ils
LES ACCÉLÉRATEURS DE PRISE
ET/OU DE DURCISSEMENT NON
CHLORÉS
Les superplastifiants sont employés
pour le pompage du béton sur de
longues distances.
sont également employés dans des ouvrages
plus classiques, comme les fondations, les
dallages et les sols industriels, ou pour le
pompage du béton sur de grandes distances.
Accélérant les cadences de démoulage par une
montée plus rapide en résistance, l’usage des
PCE s’impose de plus en plus en préfabrication.
Il faut cependant noter que les superplastifiants, toutes générations confondues, présentent un certain nombre d’inconvénients.
Ainsi, :
• leur action varie en fonction du ciment utilisé (finesse et composition)
• dans certains cas, la fluidité que les superplastifiants confèrent au mélange peut être
de courte durée
• les produits sont généralement plus efficaces lorsque leur incorporation est différée
et qu’ils ne sont pas mélangés à l’eau de
gâchage; autrement dit, ils ont des performances différentes selon le moment et le
mode de mise en œuvre
• dans la plupart des cas, les superplastifiants
augmentent le temps de prise du béton (à
l’exception des superplastifiants conçus
pour un démoulage rapide en préfabrication)
• ces composants sont relativement coûteux
dans la formulation du béton.
Le chlorure de calcium (CaCl2) est l’accélérateur le plus couramment utilisé en Belgique. Avec la publication de la nouvelle norme
sur les bétons (NBN EN 206-1), les habitudes devront changer. En effet, vu les problèmes de corrosion pouvant être occasionnés
par les chlorures, cette norme proscrit dorénavant l’usage du chlorure de calcium dans le
béton armé et le béton précontraint ainsi que
dans tout ouvrage en béton renfermant des
éléments métalliques.
Outre le risque de corrosion lié à l’utilisation
de chlorure de calcium, on observe également un retrait de séchage plus important [9].
Dans le cas d’une réaction alcalis-silice, cet
accélérateur a aussi un effet sur l’expansion
du béton, celle-ci pouvant être, selon la littérature, de plus de 30 % supérieure à la normale [6].
Il existe aujourd’hui des accélérateurs de prise
et de durcissement non chlorés. Ainsi, la littérature mentionne :
• les nitrites de calcium et de sodium; ceuxci seraient les plus efficaces des alternatives commerciales non chlorées [8]. Les
nitrites ne causent pas de corrosion; au contraire, ce sont des inhibiteurs de corrosion
• les mélanges de nitrate de calcium et de
thiocyanate de sodium; le nitrate de calcium aurait une action favorable sur le béton jeune, tandis que le thiocyanate de sodium serait efficace plus tardivement, mais
il est également plus coûteux. De plus, en
" V. Dieryck, ir., conseiller technologique (*), chef adjoint du laboratoire ‘Technologie du béton’, CSTC
J. Desmyter, ir., conseiller technologique (*), chef de la division ‘Technologie et Environnement’, CSTC
C. Bleiman, dr. ir., directeur du CRIC (Centre national de recherche scientifique et technique pour l’industrie cimentière)
(*) Guidance technologique ‘Mise en œuvre des bétons spéciaux’ subsidiée par la DGTRE en Région wallonne (Direction générale des Technologies, de la
Recherche et de l’Energie) et par l’IWT en Région flamande.
Les Dossiers du CSTC – Cahier n° 1 – 2e trimestre 2005 – page 1
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PROJETS – ÉTUDES
années, les inhibiteurs de corrosion empêchent
ou retardent la corrosion des armatures dans
le béton. Ils peuvent être utilisés par mesure
préventive dans les nouvelles structures en
béton armé (ajout dans l’eau de gâchage) ou
être appliqués à la surface du béton dans un
but de réparation ou de protection des structures existantes. Par rapport à une réparation
classique, l’application d’inhibiteurs à la surface du béton requiert peu de travail; les coûts
sont également plus faibles.
Hormis leur rôle d’accélérateur de prise, les
nitrites de calcium et de sodium sont les plus
anciens inhibiteurs de corrosion utilisés dans
le béton. Ces produits se retrouvent dans de
nombreuses applications aux USA et au Japon, où ils ont prouvé leur efficacité. En oxydant le fer, les nitrites ont une action ‘passivante’ sur les armatures. Ils sont cependant
moins utilisés en Europe en raison de certaines craintes quant à leur toxicité [4].
Il existe aujourd’hui des adjuvants non chlorés capables d’accélérer la prise
et le durcissement.
raison des risques potentiels de corrosion,
la version finale de la norme sur les adjuvants (EN 934-1) a mentionné les thyocyanates dans la liste des produits à déclarer
• la triéthanolamine (TEA); celle-ci est utilisée comme constituant dans certains adjuvants pour contrebalancer leur effet retardateur. Selon le type de ciment et la quantité ajoutée, la TEA peut accélérer ou retarder la prise [7]
• le formiate de calcium; celui-ci accélère
l’hydratation du C3S (une des phases minérales responsables du durcissement du
ciment), mais il nécessite un dosage plus
élevé pour obtenir la même performance
qu’avec le chlorure de calcium
• les alcalis, tel l’hydroxyde de sodium
(NaOH), les sels sodiques de carbonate,
d’aluminate et de silicate, qui accélèrent
l’hydratation du ciment. Utilisés dans un
béton constitué de granulats potentiellement
réactifs, ces produits peuvent contribuer au
développement d’une réaction alcalis-granulats.
Lors d’une recherche menée au CSTC entre
1999 et 2001 [1], en collaboration avec le
CRIC, onze accélérateurs non chlorés, commercialisés en Belgique ont été analysés. Ils
se composaient principalement de nitrates de
calcium et de sodium, de thiocyanates de calcium et de sodium ou de formiate de calcium.
Deux des accélérateurs testés présentaient en
outre un effet fluidifiant. Le mécanisme d’action de ces produits a été étudié sur des phases pures de ciment (C3S et C3A) synthétisées
en laboratoire afin de dégager des comportements différents selon le type de produit.
La recherche, basée sur les produits disponibles en 2000, a permis de conclure qu’à dosage équivalent, certains accélérateurs non
chlorés ont une efficacité similaire, voire supérieure à celle du chlorure de calcium. Selon
l’application visée, certains produits conviennent mieux que d’autres :
• pour réduire le temps de prise à 5 °C, on
pourra, par exemple, utiliser un mélange
de nitrate de calcium, de thiocyanate de
calcium et de nitrate de sodium ou du
formiate de calcium
• pour augmenter les résistances en compression au jeune âge à 20 °C, on peut opter
pour un mélange de nitrate de sodium et de
thiocyanate de sodium ou du nitrate de sodium.
Néanmoins, si l’on souhaite augmenter la résistance en compression à 28 jours à 20 °C ou
diminuer le temps de prise à 20 °C, le chlorure de calcium reste le plus efficace.
Il faut noter que les produits contenant du
sodium (comme le nitrate de sodium ou le
thiocyanate de sodium) ont le désavantage
d’augmenter la teneur en alcalis dans le béton, d’où un risque de réaction alcalis-silice [5].
De nouveaux inhibiteurs se présentant sous
forme de composés organiques sont apparus
récemment sur le marché. Leur mécanisme
d’action repose sur l’adsorption à la surface
du métal, entraînant la formation d’un film
organique sur l’acier. Ce film établirait une
barrière contre les attaques chimiques et électrochimiques des armatures.
Dans le cadre d’une recherche réalisée au
CSTC en vue de déterminer l’efficacité de
ces produits [3], trois inhibiteurs organiques
à incorporer dans l’eau de gâchage ont été
sélectionnés dans le but d’étudier leur influence sur les propriétés des bétons à base de ciment CEM III/A 42,5 (le plus courant dans le
béton prêt à l’emploi). L’ajout d’inhibiteur
entraîne de l’air, diminue la résistance à la
compression et la masse volumique à 28 jours.
Des mesures du potentiel de corrosion et de
la vitesse de corrosion ont été effectuées sur
les bétons ainsi traités. Les résultats ne permettent cependant pas de mettre en évidence
une aptitude de ces agents à empêcher la corrosion dans des bétons carbonatés et chlorurés.
Des mesures de potentiel réalisées sur deux
autres inhibiteurs organiques à appliquer à la
surface du béton n’ont pas montré de différence entre un béton renfermant un inhibiteur
et un béton exempt d’inhibiteur. Une recherche plus approfondie est nécessaire.
4
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LES INHIBITEURS DE CORROSION
La corrosion des armatures due à la présence
de chlorures ou à la carbonatation est une des
formes les plus courantes de dégradation du
béton. Développés au cours des dix dernières
Les Dossiers du CSTC – Cahier n° 1 – 2e trimestre 2005 – page 2
LES RÉDUCTEURS DE RETRAIT
Un des grands handicaps du béton résulte du
fait qu’en séchant, il subit un retrait et tend à
se fissurer, formant ainsi des voies de pénétration pour les substances agressives, qui
réduisent la durabilité de la structure. Le retrait et la fissuration du béton sont des problèmes fréquents, en particulier dans les sols
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industriels, où le rapport entre la surface exposée à l’air et le volume du béton est important.
Parmi les différents types de retrait, il faut
distinguer :
• le retrait de séchage, causé par l’évaporation de l’eau des pores du béton
• le retrait endogène dû à l’autodessiccation
produite par la réaction d’hydratation du
ciment qui consomme l’eau du béton [10],
principalement dans le cas des bétons spéciaux (rapport eau-ciment faible).
Le retrait est lié à la pression capillaire engendrée dans le béton. Celle-ci est donnée
par la formule suivante :
Capteur LVDT (linear voltage displacement transducer) utilisé pour les mesures de déplacement à l’horizontale sur des échantillons de béton.
Pcap = 2γ/r
où r est le rayon d’un pore et γ la tension
superficielle de l’eau.
Un moyen permettant de diminuer la pression capillaire (sans modifier la distribution
des pores) consiste à réduire la tension superficielle. Le mécanisme d’action des réducteurs
de retrait est basé sur ce principe, dont on
notera qu’il est tout à fait différent de celui
des adjuvants compensateurs de retrait, qui
provoquent une expansion de la pâte de ciment.
Une recherche conduite au CSTC en collaboration avec le CRIC portait sur six réducteurs
de retrait commercialisés. Les mesures d’angle de contact effectuées sur des solutions
extraites de pâtes de ciment contenant ces
produits ont montré que ceux-ci diminuent la
tension superficielle de l’eau présente dans le
ciment.
Des mesures de retrait effectuées pendant 250
jours sur des mortiers à base de ciments
CEM I 42,5 R et CEM III/A 42,5 LA montrent que les produits testés réduisent le retrait de séchage et le retrait chimique jusqu’à
65 % à 28 jours. La perte de masse (et par
conséquent la perte d’eau) des mortiers est
toutefois accrue
Les réducteurs de retrait n’agissent donc pas
en limitant l’évaporation de l’eau, mais bien
en réduisant la tension superficielle.
Dans le cadre d’une autre recherche menée
au CSTC [2], des mesures de retrait endogène sur des bétons à hautes performances
ont révélé une réduction de 40 % du retrait
endogène après 6 jours en cas d’utilisation
d’un réducteur de retrait.
Enfin, certains effets secondaires liés à l’usage
de réducteurs de retrait ont été mis en évidence :
• augmentation de l’ouvrabilité
• accroissement de la quantité d’air entraîné
• allongement du temps de prise des mortiers
• baisse de la résistance en compression à court
et à long terme; pour un béton âgé de 28
jours, la diminution varie entre 9 et 24 %. n
i
INFORMATIONS
UTILES
Rétractomètre pour les mesures à la
verticale sur échantillons de béton.
Nous présenterons plus en détails,
dans un prochain cahier des Dossiers
du CSTC, les résultats des recherches évoquées dans le présent
article.
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PROJETS – ÉTUDES
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BIBLIOGRAPHIE
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Le retrait au jeune âge des bétons spéciaux. Bruxelles, Les Dossiers du CSTC,
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