Les additions

Les additions sont des matériaux finement divisés et pouvant être ajoutés au béton pour améliorer certaines de ses propriétés ou lui conférer des propriétés particulières. La norme précise que les additions ne peuvent être ajoutées au béton qu'en quantités telles qu'elles ne soient pas nuisibles à la durabilité du béton et qu'elles ne puissent pas provoquer la corrosion des armatures.

Il existe deux types d'additions, des additions quasiment inertes (type 1) et les pouzzolanes, ou additions à caractère hydraulique latent (type 2).

Les cendres volantes :

Les cendres volantes, déchets des centrales thermiques, présentent de nombreuses analogies avec les pouzzolanes d'origine volcanique qu'on utilisait déjà avant l'époque romaine. Ce sont des fractions légères des constituants minéraux anorganiques emportées comme cendre par les fumées lors de la combustion du charbon. En les captant grâce à des filtres, on évite leur rejet dans l'atmosphère et on les achemine vers des lieux de décharge adéquats. En Belgique on produit annuellement 1 million de tonnes de cendres volantes, pour lesquelles on cherche des applications écologiques, comme par exemple le secteur du béton et du ciment.

Les cendres volantes se présentent comme une fine poudre composée essentiellement de particules sphériques de structure principalement vitreuse.

Leurs propriétés physiques et chimiques varient en fonction du type de charbon, du degré de finesse et des conditions de production.

Étant donné qu'en Belgique, les types de charbon brûlé sont fort différents, les cendres volantes présentent des différences importantes. Le tableau suivant donne des valeurs de référence typiques pour les quelques constituants chimiques importants.

D'une façon générale, le problème qui se pose à l'utilisateur est celui de la constance de la qualité des cendres.

Caractéristiques minéralogiques et pouzzolaniques

Les cendres volantes présentent à des degrés divers des propriétés pouzzolaniques, c'est-à-dire le pouvoir de se combiner en présence d'eau avec la chaux libérée lors de l'hydratation du ciment, pour former des composants durcissant dans le temps. Cette activité pouzzolanique est en relation avec la teneur en phase vitreuse des cendres, approximativement définie par la somme SiO2 + Al203 + Fe203 qui doit être aussi élevée que possible.

Les cendres volantes ont, surtout, deux propriétés intéressantes

  • un pouvoir plastifiant d'autant plus important que les particules sont fines et sphériques. Bétons et mortiers s'en trouvent plus ouvrables et une quantité d'eau moins importante est nécessaire pour obtenir une même ouvrabilité.
  • une action pouzzolanique : les cendres volantes (le Si02 réactif surtout), en présence d'eau, se lient à la chaux libérée lors de l'hydratation du ciment. La pouzzolanicité augmente à mesure que la teneur en composants réactifs augmente et que la granulométrie s'affine. La pouzzolanicité des cendres volantes est néanmoins faible par rapport à celle de la microsilice. Ce n'est donc qu'à moyen et long termes que se manifestent les avantages qu'apporte l'utilisation des cendres volantes : contribution à la résistance mécanique et meilleure imperméabilité.
 Ces propriétés conduisent à utiliser les cendres volantes de deux manières :
  • comme matière première dans la production des ciments.
  • comme addition pour le béton soit comme remplacement partiel du ciment, soit comme filler extra fin, ou encore en combinant ces deux dernières méthodes.

LA MICROSILICE

La microsilice ou le dioxyde de calcium condensé (ou encore fumées de silice) - est un sous-produit récupéré de la production de l'élément siliceux et des alliages fer-silice.

Dans les fours électriques et à très hautes températures, le quartz (avec d'éventuels minerais contenant du fer, du chrome et/ou du manganèse) est réduit par le carbone. Les vapeurs dégagées lors de cette fusion contiennent de très fines particules de silicium qui s'oxydent et se condensent lors du refroidissement sous la forme de particules extrêmement petites de dioxyde de silicium.

La composition chimique du sous-produit est indépendante des matières premières utilisées qui sont elles-mêmes sélectionnées en fonction du produit fini que l'on désire fabriquer. En général, ce sous-produit contient plus de 80 % de SiO2; cette teneur peut augmenter jusqu'à 95 % de Si02 lors de production de silicium pur. La haute teneur en Si02 de la microsilice, son état amorphe et son extrême finesse (diamètre moyen compris entre 0,1 et 0,2 µm) font de cette addition une pouzzolane très réactive.

Les conséquences d'une addition de microsilice au béton sont les suivantes :

  • un besoin en eau plus important. Les grains extrêmement fins exigent une quantité excessive d'eau de mouillage et seul le recours à un adjuvant de type superplastifiant/hautement réducteur d'eau permet de mettre en oeuvre le mélange dans de bonnes conditions.
  • une diminution de la tendance à la ségrégation et à la séparation d'eau (ressuage). Les particules ultrafines ont effectivement un effet stabilisant. Cette meilleure cohésion qui confère au mélange un aspect collant a pour conséquence de diminuer l'ouvrabilité du mortier à consistance constante.
  • un retrait plastique important. Des mesures spéciales de protection sont nécessaires.
  • une augmentation de la résistance à la compression. Après quelques semaines, les gains acquis par rapport au témoin continuent à croître suite à l'association de la silice avec la chaux libérée par l'hydratation du ciment. La plupart des auteurs s'accordent pour donner un facteur d'efficience de 2 à 3 par rapport au ciment. Cela signifie qu'une addition de 1 kg de microsilice à un béton qui contient à peu près 300 kg de ciment par m3 conduit à une augmentation de résistance à la compression identique à celle qu'entraînerait l'addition de 2 à 3 kg de ciment.
  • une meilleure imperméabilité. Les constituants fins remplissent les pores plus importants et le diamètre moyen de ceux-ci s'en trouve diminué. Cette propriété, éventuellement combinée avec la disparition de la chaux libre qui s'est liée avec la microsilice, améliore la résistance du béton vis-à-vis des matières chimiques à haute teneur en acides ou en sulfates et vis-à-vis de la pénétration des chlorures (par exemple : les sels de dégel).

Vu les influences positives de la microsilice sur les propriétés du béton, on constate un intérêt croissant pour ce sous-produit notamment pour les bétons à hautes et surtout très hautes résistances.

LES FILLERS

Les fillers sont des poudres dont les grains ont des diamètres inférieurs à 80 microns. Ils s'obtiennent le plus souvent par traitement, broyage fin ou pulvérisation de roches calcaires, porphyre grès. Les fillers ont souvent été considérés comme des charges, le terme « filler » signifiant en anglais « matériau de remplissage ». Ils sont inertes s'ils n'ont aucune action chimique sur les ciments en présence d'eau, ils sont actifs s'ils ont même partiellement, des propriétés hydrauliques ou pouzzolaniques en présence de ciment et d'eau. Tout comme les cendres volantes, les fillers sont principalement utilisés comme constituants des ciments et comme additions au béton.

L'addition de filler dans un béton peut être nécessaire lorsque le béton manque d'éléments fins et permet d'améliorer le démoulage et l'aspect en surface du béton frais. Il se produit par conséquent un changement dans le comportement rhéologique d'un béton frais additionné de filler. Ce changement varie suivant l'état de surface, la finesse, la porosité des fillers ajoutés. Des essais sont donc nécessaires afin de déterminer le pourcentage optimum d'un filler à incorporer. Ce pourcentage varie souvent entre 5 et 15 % du poids de ciment.

L'ajout de filler modifie aussi le spectre des pores dans le béton durci qui intervient dans la durabilité des bétons.

Fibres

La fibre pour béton est une fibre de polypropylènes ou parfois fibre de verre enrobée d'une gangue de résine thermodurcissable en polyester fabriquée à partir de matériaux composites recyclés.

La dispersion régulière des fibres synthétiques dans les bétons et mortiers, réalise un réseau fibré multidirectionnel de haute densité. Les fibres guident et absorbent la fissuration qui se développe pendant les premières heures de leur mise en œuvre (phase plastique), cela permet à ces bétons et mortiers de développer des résistances suffisantes pour prévenir la fissuration.

Cela apporte aussi une amélioration des résistances aux chocs et à l’abrasion et une réduction de la perméabilité. Ça agmente la durée de vie des bétons et des mortiers.

Les fibres peuvent se substituer au treillis anti-fissuration, mais elle n’ont aucune capacité de renforcement structural des bétons.

La consommation de fibres 100 au m3 varie entre 1 et 4 kg.

CHOIX DES ADDITIONS

Les additions peuvent avoir une grande influence sur les propriétés du béton tant à l'état frais que durci. L'action des additions sur le béton va dépendre de la nature de l'addition, de son dosage et des constituants des bétons (teneur et nature des éléments fins en particulier). Pour un béton existe pour chaque produit d'addition un pourcentage optimum qui se détermine à l'aide de quelques essais en laboratoire.

Propriétés à l'état frais

De par leur finesse, les additions contribuent à augmenter la compacité des bétons ainsi que indirectement la résistance puisqu'elles améliorent l'ouvrabilité des mélanges frais.