Nouvelles applications architecturales du béton high-tech
La technologie innovante du béton offre un large éventail de possibilités
Pendant des décennies, le terme 'béton' pouvait être utilisé de manière adéquate pour la plupart des applications impliquant un mélange de ciment, de granulats et d'eau. Par conséquent, de nombreuses personnes associent encore le béton à des structures lourdes et massives. Peu à peu, cependant, il est apparu que lorsqu'on complète les ingrédients de base du béton par d'autres substances, ses propriétés s'en trouvent grandement améliorées. Cela a permis de créer des types de béton plus faciles à travailler et plus résistants. Il était donc évident que l'on utilise pour les désigner le terme de 'béton à hautes performances'. Aujourd'hui, la technologie du béton est tellement avancée que l'on peut aisément parler d'un produit de haute technologie permettant de concevoir des structures même très fragiles avec une valeur architecturale distincte.
Terminologie
Le terme 'béton à hautes performances' est souvent utilisé, bien que l'on ne sache pas toujours ce qu'il recouvre. Aux Pays-Bas, la recommandation CUR 97 (2004) a donné un premier schéma clair des propriétés de résistance auxquelles ce béton doit satisfaire. Elle stipule que le béton 'traditionnel' atteint une résistance à la compression allant jusqu'à 65 MPa. Le béton à hautes performances (BHP) va ensuite jusqu'à 105 MPa, tandis que les limites pour le béton à très hautes performances (BTHP) et le béton à ultra-hautes performances (BUHP) sont de respectivement 150 et 200 MPa.
Cette classification tient uniquement compte de la résistance à la compression sur cube et les limites ont été fixées de manière plutôt arbitraire. De plus, la différence entre les différents types n'est pas vraiment claire pour tout le monde. En outre, il convient de préciser qu'aujourd'hui, grâce à une technologie du béton qui a beaucoup évolué, il est possible de produire du béton dont la résistance à la compression est bien supérieure aux 200 MPa de cette classification.
Alors que le béton était à l'origine composé des ingrédients 'classiques', à savoir des gros granulats, du sable et du ciment, il s'est transformé dans les années 90 en un matériau auquel a été ajoutée une fraction très fine. Dans de nombreux cas, cette fraction fine a également participé activement au développement de la résistance. Cela a ouvert des possibilités pour une résistance à la compression plus élevée. Aujourd'hui, la technologie du béton peut également inclure la nanofraction, ce qui implique une approche complètement différente de la conception du mélange. En outre, des fibres fines sont désormais ajoutées au mélange BHP, ce qui permet également d'obtenir une ductilité plus élevée. Il va sans dire que, de cette manière, on peut influencer non seulement la résistance à la compression mais aussi toutes les autres propriétés mécaniques et physiques qui diffèrent sensiblement de celles d'un béton classique (à hautes performances).
Compte tenu des propriétés des BHP 'modernes', il serait peut-être préférable de décrire ce matériau en utilisant les termes anglais High Performance Concrete (HPC) et Ultra High Performance Concrete (UHPC). Le terme 'performance' indique clairement qu'il ne s'agit pas seulement de résistance à la compression.
La distinction entre les deux réside principalement dans le fait qu'un UHPC possède une ductilité élevée, alors qu'elle est plutôt limitée pour un HPC. Dans la littérature, de nombreuses variantes de cette nomenclature apparaissent et mettent davantage l'accent sur une propriété ou un ingrédient particulier, mais il s'agit toujours essentiellement d'un UHPC. Par exemple, on parle d'UHPFRCC (Ultra High Performance Fibre Reinforced Cementitious Concrete) lorsqu'il s'agit d'un UHPC où l'on veut mettre l'accent sur l'ajout de fibres et de ciment.
Matériaux bruts
Outre les composants classiques du béton, de fines matières réactives sont donc également utilisées dans un UHPC. Le ciment continue à jouer un rôle important en tant que liant hydraulique (qui réagit avec l'eau, durcit et ne se dissout pas dans l'eau après durcissement). En outre, il est possible d'utiliser des cendres volantes et de la métakaolinite, qui ont toutes deux des propriétés pouzzolaniques (un pouzzolanique est un liant qui ne réagit pas avec l'eau, mais qui réagit avec l'eau et la chaux) et dont la taille des grains est du même ordre que celle du ciment. Les cendres volantes utilisées sont essentiellement des cendres volantes de charbon pulvérisé provenant de centrales électriques. La métakaolinite est un aluminosilicate amorphe obtenu par traitement thermique de la kaolinite, une argile pure. Cependant, des améliorations extrêmes des propriétés ne peuvent être obtenues qu'en ajoutant ce que l'on appelle de la microsilice. Ces poudres sont environ 40 fois plus fines que le ciment. Elles proviennent de la poudre résiduelle dans la production de produits à base de silicium. Elles ont une réactivité pouzzolanique et, en raison de leur forme et de leur taille, sont également intéressantes en tant que matériau de remplissage entre des grains plus gros.
L'ajout de poudres fines au béton garantit la formation d'un 'squelette' dense avec le matériau granulaire. Toutefois, ce produit restera assez cassant. Pour accroître la ductilité du matériau, on peut ajouter des fibres fines. Celles-ci garantissent que lorsque la partie pierreuse du béton se casse, les fissures sont comblées par les fibres solides, ce qui permet au béton de conserver sa forme. À ce niveau nanométrique, il faut utiliser des microfibres. Il s'agit généralement de fibres plastiques d'une longueur de 5 à 25 mm. Les fibres très courtes augmentent la résistance à la traction et les fibres légèrement plus longues améliorent le comportement plastique.
Conception du mélange
Lors de la conception d'un mélange de béton, on part souvent d'une sorte de structure granulaire 'idéale', représentée sur un graphique en 2D. L'idée de base est qu'un squelette solidement construit, composé d'agrégats grossiers et plus fins, peut garantir une résistance plus élevée et un retrait limité. En travaillant uniquement sur le squelette du béton, il est possible d'atteindre une résistance à la compression d'environ 150 Mpa.
Avec un BUHP, on veut aller plus loin et cette façon (classique) de concevoir le mélange n'est plus adéquate. Ici, l'accent est mis sur la recherche d'un enveloppement optimal du mortier de béton fin, dans lequel les gros grains ne sont généralement plus présents. Pour ce faire, on ajoute de grandes quantités de poudres réactives, ainsi que des charges inertes telles que de la poudre de quartz et des fibres. Pour parvenir à une recette, on a développé des modèles mathématiques sur base, entre autres, de simulations tridimensionnelles. Il va de soi qu'on utilisera également un facteur eau-ciment extrêmement faible, juste assez pour faire réagir le ciment.
Béton pré-mélangé
En raison de la complexité de la conception du mélange, composer soi-même un BUHP ne garantit pas des propriétés extrêmes. En effet, il faut bien connaître et contrôler tous les paramètres de tous les composants. Dans la pratique, ces données cruciales manquent généralement à l'utilisateur moyen. C'est pourquoi un BUHP peut généralement être livré sous la forme d'un pré-mélange. Ces mélanges (pratiquement) prêts à l'emploi sont préparés industriellement et possèdent des propriétés garanties.
Outre l'utilisation d'un bon béton pré-mélangé, la préparation et le coulage sont évidemment soumis à certaines conditions. Pour mettre en place toutes les particules fines, il est évident que l'opération de préparation demandera beaucoup plus d'énergie que pour un béton classique. Dans de nombreux cas, une bétonnière classique ne suffit pas et il faut éventuellement investir dans des modèles intensifs.
La technologie du malaxage sous vide peut même être envisagée. En outre, il est également nécessaire de donner à un BUHP un post-traitement, ne serait-ce que pour limiter le retrait. Le traitement thermique est généralement approprié dans ce cas.
Propriétés
Grâce à l'enveloppement optimal des granulats, combiné à une teneur élevée en poudres réactives, les propriétés mécaniques de l'UHPC sont extrêmement bonnes par rapport à celles du béton conventionnel. Non seulement la résistance à la compression augmente, mais la résistance à la traction par flexion et le module d'élasticité sont également beaucoup plus élevés. Une propriété mécanique dérivée est que la résistance à l'usure est également plusieurs fois supérieure à celle du béton traditionnel. En s'efforçant de réduire au maximum le volume des pores dans la masse, la perméabilité à l'air et à l'eau est donc très faible. On obtient ainsi un béton durable, avec moins de risque de pourriture du béton. On obtient d'emblée une grande résistance aux cycles de gel et de dégel.
En tant que matériau de béton, le UHPC ne doit plus être associé à des constructions lourdes et massives
Applications
En raison de ses propriétés mécaniques élevées, le UHPC a d'abord été appliqué là où les charges mécaniques étaient importantes. Il n'est donc pas surprenant que ce béton ait été utilisé à l'origine dans un certain nombre de ponts et d'autres grands ouvrages d'art. Toutefois, en raison de ses propriétés mécaniques élevées, ce produit peut également être utilisé pour fabriquer des éléments en béton mince qui offrent de nombreuses perspectives sur le plan esthétique. En tant que matériau de béton, le UHPC ne doit plus être associé à un matériau lourd et massif, mais peut être utilisé pour des structures qui ont un aspect très fragile tout en étant suffisamment solides. D'un point de vue structurel, le UHPC peut être utilisé pour des structures à membranes, par exemple. Une autre possibilité est la production de panneaux autoportants extrêmement fins, qui peuvent indéniablement conduire à une conception élégante des structures et qui représentent une alternative à la pierre naturelle ou à la céramique. Le matériau se prête même parfaitement à la construction d'un mur en béton comme une sorte de filigrane.
Dans le domaine de l'architecture intérieure, les possibilités sont également nombreuses. Les marches d'escalier en UHPC extrêmement fines, par exemple, peuvent rivaliser avec d'autres matériaux tels que le bois et le métal. Les meubles d'intérieur et d'extérieur en UHPC sont aussi élégants que n'importe quel autre matériau.
Outre ses propriétés de résistance, le UHPC présente l'avantage d'être un matériau très résistant à l'usure, ce qui permet de l'utiliser comme plan de travail dans une cuisine. En outre, la pénétration des liquides est pratiquement impossible, de sorte qu'il résiste sans problème à l'épreuve du temps, tant à l'intérieur qu'à l'extérieur.
En termes de couleur et de finition, les possibilités sont infinies. L'application de pigments permet d'offrir une large palette de couleurs, tandis que le grain très fin du UHPC permet de couler parfaitement quasiment toutes les textures.
Concevoir et travailler avec le UHPC est donc clairement autre chose que de 'couler du béton'. Il est peut-être même bon d'abandonner la relation avec le béton afin d'explorer sans inhibition les possibilités encore inédites du UHPC.
En collaboration avec Aalborg Portland, Enjoy Concrete, Ergon, Luum et Ney & Partners
