Le volume de pâte (contenu de ciment) dans le béton a été un paramètre très peu étudié et il n’y a pas beaucoup de résultats d’études où il soit possible d’isoler l’effet de cette seule variable sur les propriétés du béton.
Une compilation des résultats disponibles dans la littérature a été faite pour les principales propriétés d’ingénierie et de durabilité. Dans ce travail, il faut signaler que beaucoup des résultats traités provenaient d’études où le volume de pâte n’était pas le paramètre principal d’analyse, mais grâce aux conditions de composition des bétons comparés, il a été possible de réaliser cette analyse. D’autre part pendant toute l’étude, on a identifié comme volume de pâte la somme des volumes de ciment et d’eau en ignorant le volume d’air, du fait que la plus grande partie des résultats collectés ne mesurait pas ce paramètre. Un soin particulier a été porté au fait de ne pas inclure des adjuvants entraîneurs d’air dans la composition des bétons choisis. On aurait aussi pu considérer les fines en provenance des granulats, qui dans les études collectées n’ont pas été mesurées fréquemment, raison pour laquelle il y a deux incertitudes dans l’analyse des valeurs extraites et traitées de la littérature.
Dans le contexte de ces choix méthodologiques, la collecte, le traitement et l’analyse des résultats trouvés dans la littérature ont permis, pour une qualité de pâte constante, de déterminer que, pour un volume faible de pâte, l’affaissement, le ressuage, le retrait et le fluage à l’état durci diminuent.
Quant au comportement mécanique du matériau, cette même analyse des résultats tirés de la littérature a permis d’identifier qu’à un volume de pâte moindre, la résistance à la
compression augmentait, et certaines études ont suggéré des accroissements dans la résistance à la tension directe et à l’abrasion, mais le manque de données ne permettait pas une conclusion claire sur ces sujets.
Un volet du travail expérimental de cette thèse cherche à compléter de telles lacunes dans le travail de compilation bibliographique. Nous sommes ainsi arrivés à conclure que le volume de pâte n’a pas un effet important sur la résistance à la flexion, ni à la traction directe mais une légère influence sur le module d’élasticité et un grand effet sur la résistance à l’abrasion du matériau.
Les mélanges réalisés ont également permis de vérifier qu’en diminuant le volume de pâte, la profondeur de carbonatation ne change pas.
De même, on a pu constater que la pénétration des chlorures diminue de façon importante quand on réduit le volume de pâte et par conséquent la surface effective de pénétration de ces ions dans une éprouvette saturée.
La porosité accessible à l’eau des éprouvettes pour un contenu de pâte faible a été très inférieure à celle avec des volumes de pâte plus grands. Tendance qui s’est maintenue en ce qui concerne le volume d’eau absorbée par capillarité.
En conséquence, pour une même qualité de pâte, la diminution du volume de celle-ci et l’augmentation de la fraction granulaire font que le béton a moins de retrait (plus basse tendance à la fissuration), moins de porosité, et une absorption capillaire inférieure, ce qui diminue d’autant la pénétration des solutions et des ions agressifs, mais pas nécessairement la profondeur atteinte par ceux-ci.
Sur la base de ces résultats, les bétons à faible volume de pâte ne présentent donc pas d’inconvénients majeurs à part une perte d’affaissement. Il a été montré comment ce défaut pouvait s’éliminer tant par l’adjuvantation que par l’optimisation du squelette granulaire.
Dans ce travail, nous sommes partis de la plus courante des pâtes utilisées actuellement (E/C 0.65), dans laquelle ont été ajoutés des adjuvants réducteurs « d’eau » ultra puissants pour maintenir la maniabilité du béton. Ainsi, et à l’aide d’une optimisation granulaire menée progressivement à l’extrême limite (en employant une approche expérimentale et la modélisation MEC), il a été possible de fabriquer des bétons avec des contenus de pâte très bas, qui incluaient des concentrations de ciment très inférieures aux limites recommandées par les normes.
Ces bétons extrêmement optimisés, qui n’ont pas inclus des additions minérales, ont démontré qu’avec 220 kg/m3 de ciment Portland ou moins, ils pouvaient atteindre un
niveau de performance très supérieur à celui des bétons traditionnels (avec un E/C similaire), en ce qui concerne ses propriétés mécaniques et de durabilité.
Les bétons obtenus avec des volumes aussi bas de pâte ont été maniables grâce à l’arrangement granulaire optimisé et à l’action d’adjuvants de dernière génération. Toutefois, ces pâtes extrêmement fluides font que l’on passe d’un affaissement de 10 cm à 20 cm pour une différence d’à peine 10 L/m3 de pâte (10 kg/m3 de ciment), tandis que dans des bétons sans adjuvant on a besoin de 55 L/m3 (56 kg/m3 de ciment) de cette même pâte pour augmenter l’affaissement dans cette même proportion.
C’est la raison pour laquelle, l’usage des bétons extrêmement optimisés est plus logique avec des affaissements élevés (i.e. 20 cm) puisque arriver à ce niveau de maniabilité, devient peu onéreux et augmente la robustesse du système. Avec ce type d’ouvrabilité on peut s’attendre à ce que la mise en place sur chantier dans des structures renforcées puisse s’effectuer correctement sans l’apparition de défauts majeurs de mise en ouvre qui seraient très détriment aux à la durabilité.
Dans cette étude en particulier, le béton extrêmement optimisé qui a utilisé 220 kg/m3 de ciment a montré un affaissement de 20 cm, une résistance à la compression supérieure à 33 MPa, le plus bas retrait, la plus faible profondeur de carbonatation, la plus grande résistance à l’abrasion, la plus faible pénétration de chlorures et la plus basse porosité parmi l’ensemble des mesures.
Il faut surtout signaler que ce béton a été aussi celui qui a généré la plus basse quantité de CO2 pour sa préparation, du fait qu’il s’agit de celui qui inclut la moindre quantité de clinker. Le coût de ce béton aux prix actuels de marché est équivalent à celui du béton traditionnel qui utilise un plastifiant, mais à mesure que le coût de la technologie des adjuvants de dernière génération va diminuer, le coût de ces bétons optimisés sera bien inférieur à celui des bétons actuels.
La norme EN 206-1 doit revoir, à mon avis, les bases de la spécification de contenus minimaux de ciment, puisqu’on peut voir comment des bétons avec des contenus inférieurs à ces minima obtiennent des performances supérieures aux bétons avec de hauts contenus de ciment et des quantités de pâte identiques. Une telle révision contribuerait à réduire l’impact écologique du secteur de la construction.
Les questions qui restent ouvertes par rapport à ce travail concernent en premier lieu la mise en place de tels bétons dans des structures ferraillées. L’augmentation du volume de granulats peut en effet faire craindre une plus grande difficulté à remplir les coffrages
ferraillés, ce qui aurait un impact très négatif sur la durabilité. Dans ce contexte, la possibilité sans grand coût supplémentaire de travailler avec des bétons à 20 cm d’affaissement plutôt que 10 cm devrait grandement réduire ce risque. Cet aspect doit être examiné et il serait probablement judicieux d’inclure dans toute révision du type de norme indiqué ci-dessous.
IX. REFERENCES
1
FERET R. (1892) Compacité des mortiers hydrauliques, Ann Ponts et chaussées París.
2
ABRAMS D. (1918) Design of Concrete Mixtures, Bulletin 1, Structural Materials Research Laboratory, Lewis Institute Chicago.
3
PANN S., TSONG Y., CHAO-WEI T. and LIN T.D. (2003), “New Strength Model Based on Water-Cement Ratio and Capillary Porosity”, Aci Materials Journal, Vol.100, No.4, July-August.
4
MENTHA P.K. (1990), “Durability of High-Strength Concrete”, Paul Klieger Symposium on Performance of Concrete, ACI SP 122, pp-19-28.
5
SINGH, B. (1958), “Specific Surface of Aggregates Related to Compressive and Flexural Strength of Concrete”, ACI Journal Proceedings V.54, No.10, April, pp.897-907.
6
HUGHES, B. P. (1968), “The effect of mix proportions and aggregate dus upon the compressive strength”, Magazine of Concrete Research: Vol 20, No. 63, June pp. 77-84
7
JOHNSTON, C.D. (1970), “Strength and deformation of concrete in uniaxial tension and compression”. Magazine of Concrete Research: Vol 22, No. 70, March, pp. 5-16
8
BUENFELD N.R., OKUNDI E. (1998), “Effect of cement content on transport in concrete” Magazine of Concrete Research, 50, No.4, December, pp 339-351
9
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, ASTM-C939. (2000) “Standard Test Method for Cone Time flow in Portland Cement Grouts”. En: Annual Book of ASTM Standards, West Conshohocken, PA., (2000)
10
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS, ASTM-C270. (2000) “Specification for Masonry Mortars”. En: Annual Book of ASTM Standards, West Conshohocken, PA., (2000)