Béton ultra-haute performance

Lorsque le béton prêt à l’emploi normal est fabriqué, les plus gros agrégats du mélange peuvent aller de 1-1 / 2 pouces à 3 / 8th de pouce avec des résistances à la compression pouvant atteindre 10 000 psi. Les bons mélanges sont « bien classés », ce qui signifie que les vides entre les plus gros agrégats sont remplis d’agrégats plus petits et ainsi de suite jusqu’à ce qu’il y ait le moins d’espace vide possible. Le béton ultra-Haute Performance (UHPC) est comme ça, sauf que le remplissage des vides entre les agrégats est appelé « emballage de particules. »Sri Sritharan, titulaire de la Chaire Wilkinson d’ingénierie interdisciplinaire au Département de Génie civil, de la Construction et de l’environnement de l’Université d’État de l’Iowa, à Ames, dans l’Iowa, ajoute que les tailles de particules pour les PCU sont très petites pour créer une matrice plus dense, la plus grande taille ne dépassant pas 600 microns (environ la taille si un grain de sable de silice). Cela permet d’augmenter la résistance à la compression standard de ces mélanges de plus de 22 000 psi.

Au début, il s’appelait Béton à poudre Réactive (RPG), mais cela a changé au milieu des années quatre-vingt-dix quand il est devenu connu sous le nom de UHPC. La recherche sur ce produit est née au Danemark dès 1964 dans le cadre de leurs efforts pour développer des mélanges de béton à plus haute résistance. Leurs recherches se sont concentrées sur des mélanges à particules très denses avec de faibles rapports eau / ciment et, dans les années 1970, le développement de superplastifiants (réducteurs d’eau haut de gamme de HRWR) a permis d’atteindre de faibles rapports eau / ciment. Dominique Corvez, Vice-président et responsable de Ductal Amérique du Nord pour Lafarge, dont le siège aux États-Unis est à Chicago, dans l’Illinois, explique qu’ils ont commencé à se pencher sur cette technologie en France également. Les entrepreneurs l’ont expérimenté en premier, mais LaFarge, l’un des plus grands producteurs de ciment au monde, a développé un produit UHPC qu’ils ont appelé « Ductal » et qui est toujours utilisé aujourd’hui. Au début, chaque lot était fabriqué à partir de zéro, mais il existe aujourd’hui plusieurs producteurs commerciaux de mélanges secs emballés. LaFarge Holcim en est l’un des plus grands producteurs.

Avantages de l’UHPC

La résistance à la compression est le moyen le plus reconnu de caractériser l’UHPC. Comme indiqué précédemment, les résistances à la compression devraient se situer entre 22 000 et 30 000 psi pour être considérées comme des CSU, mais des études de recherche sur les CSU durcis sous haute pression et chaleur ont produit des résistances à la compression pouvant atteindre 116 000 psi à ce jour. Mais il y a aussi d’autres avantages uniques.

• Module d’élasticité élevé (MOE) pouvant se situer dans la plage de 7 500 ksi
• Résistance à la traction élevée par rapport au béton normal
• Le UHPC a une résistance élevée à l’armature en acier, ce qui peut réduire la taille d’un placement de béton nécessaire pour lier les éléments en béton ensemble
• Il a une excellente résistance au cycle de gel-dégel sans avoir besoin d’entraînement de l’air adjuvants
• Les éléments structurels peuvent être plus petits et plus légers que ceux fabriqués avec du béton normal
• Les architectes peuvent concevoir des éléments en béton plus minces, améliorer l’aspect architectural de leur travail
• C’est un matériau très dense avec des pores capillaires éliminés, ce qui le rend imperméable à la pénétration de l’eau et du sel sans sceller la surface
• Il a un très faible retrait et peut être utilisé comme coulis non rétractable
• Il transfère fidèlement même le relief le plus fin des surfaces moulées, ce qui donne des pièces de béton architecturales plus idéales

Ingrédients L’objectif pour L’UHPC consiste à produire du béton imperméable très dense par emballage de particules – en arrangeant les tailles de particules dans le mélange afin qu’il y ait un minimum d’espace vide entre les particules — dans un environnement de rapport w / c très faible. Semblable au béton auto-consolidant (SCC), la fluidité du UHPC est mesurée en « propagation » plutôt qu’en pouces d’affaissement. Des diamètres de propagation de 12 à 20 pouces sont courants, ce qui facilite le placement et la consolidation, ce qui entraîne une très haute résistance et une bonne résistance aux dommages environnementaux.

Il existe de nombreux modèles de mélange différents pour les PCU, mais ils utiliseront une partie ou la totalité des ingrédients ci-dessous:

• Ciment. Le ciment Portland avec un processus d’hydratation un peu plus long est préféré
• Calcaire moulu. Utilisé comme granulat fin
• Sable. L’agrégat de plus grande taille dans le mélange.
• Poudre de quartz. Silice très finement broyée qui est utilisée pour fournir des particules vitales
• de cendres volantes. Un matériau cimentaire supplémentaire (MEB) qui aide également au processus d’emballage des particules
• Fumée de silice. Un SEM avec des tailles de particules aussi petites que 1 micron pour aider à densifier le mélange.
• Adjuvants. Les superplastifiants polycarboxylates (réducteurs d’eau haut de gamme) qui sont utilisés pour aider au processus de mélange et de mise en place et rendre les rapports w / c très faibles possibles
• Fibres. Une gamme de fibres est utilisée dans les mélanges UHPC. Ils comprennent; l’acier, la fibre de verre, le Poly acétate de vinyle (PVA), le polypropylène et autres. La quantité de chacun dépend du matériau utilisé mais les fibres d’acier sont typiquement dosées de 2% à 3% en volume du mélange. Cela correspond à 0,5 à 0,8 pied cube de fibre et les fibres sont très fines, généralement de 0,2 millimètre de diamètre.
• Eau. La faible quantité d’eau, environ un 0.2 rapport eau / ciment, réduit le retrait et augmente la résistance du béton

Mélange UHPC

En raison de la finesse des matériaux et du très faible rapport w / c le mélange des mélanges UHPC nécessite un équipement spécial. Sritharan dit que la plupart des PCU sont mélangés sur des chantiers de construction avec des mélangeurs à plaques à cisaillement élevé, mais il dit qu’il a été sur des sites où des camions spéciaux prêts à l’emploi ont été utilisés. Le mélange UHPC à partir de zéro nécessite un processus de mélange impliqué pour répartir correctement tous les matériaux en poudre fine ensemble. En conséquence, la plupart des applications de construction UHPC utilisent aujourd’hui des produits pré-ensachés. Pour cette raison et d’autres, moins de 1-1 / 2 yards cubes est généralement mélangé à la fois.

Durcissement à la chaleur

Sritharan dit que le fait de soumettre les PCU à un durcissement à la vapeur avec des températures de l’ordre de 194ºf développe une résistance précoce élevée. Le durcissement à la vapeur pendant 48 heures permet à l’UHPC d’atteindre rapidement sa pleine résistance et lorsqu’une pression élevée est introduite avec des températures de vapeur élevées, il est possible d’augmenter considérablement la résistance encore plus.

Applications sur le chantier

Le PCU est coûteux à fabriquer — beaucoup plus élevé que les mélanges de béton standard et c’est peut-être la raison pour laquelle son acceptation a été lente. Mais lorsque tous les avantages sont considérés, cela peut être rentable. Aux États-Unis, la construction d’infrastructures et de ponts est actuellement le plus grand utilisateur de PCU, principalement pour connecter des éléments de pont préfabriqués ensemble. Il est habituel de prévoir des chevauchements de barres d’armature de 18 pouces pour un ancrage approprié, mais les installations UHPC ne nécessitent que 9 pouces en raison de sa résistance de liaison supérieure. En conséquence, le parcage du béton pour ces espaces de jonction est beaucoup moins important et il y a une plus grande résistance aux conditions ambiantes.

Sritharan dit que le département des Transports de l’Iowa étudie également l’utilisation du PCU comme matériau de recouvrement pour les tabliers de ponts. Un revêtement de 1 à 1-1 / 2 pouces d’épaisseur peut fournir une protection ultime pour les tabliers de pont, car ils ne sont pas affectés par le sel, les autres composés de dégivrage ou les cycles de gel-dégel.

Panneaux composites UHPC architecturaux minces

Kevin Gannon, RA, directeur du développement du programme pour Taktl LLC situé à Turtle Creek, en Pennsylvanie, explique que l’un de leurs plus gros problèmes est de différencier les UHPC architecturaux (A | UHPC) des produits prêts à l’emploi d’ingénierie civile et des produits Taktl des produits GFRC en aérosol ou des produits GFRC extrudés. A / UHPC utilise uniquement des fibres de renforcement non métalliques et comprend souvent un maillage continu. En raison de la finesse des panneaux UHPC, la conception du mélange et les méthodes de fabrication favorisent la résistance à la flexion par rapport à la résistance à la compression, tout en conservant tous les facteurs de durabilité attendus avec UHPC. Avec la plus grande ressource pour les normes de référence des matériaux UHPC étant la Federal Highway Administration, les architectes sont tenus d’avoir des défis de spécification. Taktl a fait de grands progrès en ce qui concerne l’établissement des normes et critères de référence pour les applications architecturales de façades UHPC. Ils concentrent leurs ressources techniques de vente et de gestion de projet sur la formation des concepteurs et le soutien des entrepreneurs.. « Une fois qu’ils utilisent le produit, ils le spécifient facilement sur d’autres projets », ajoute-t-il.

Taktl se concentrait à l’origine sur des moulages UHPC moulés par injection complexes, explique Jason Flannery, directeur de la conception de l’entreprise. C’était une excroissance de leur activité d’ameublement et de mobilier d’extérieur en métal. Ils ont commencé à regarder le béton à cause de la façon dont il pourrait être façonné pour les façades. Il dit qu’ils ont commencé à fabriquer des panneaux de façade UHPC en 2010, ce que personne d’autre ne faisait aux États-Unis. Ils ont passé trois ans à faire de la recherche et à développer des équipements. « Nous avons très tôt décidé de développer la nouvelle entreprise verticalement — de réaliser chaque phase du travail en interne, du développement et de la construction des moules à l’innovation d’un processus de coulée semi-automatique continu », explique-t-il. Aujourd’hui, leur seule activité est le béton architectural UHPC et ils ont un toit de 200 000 pieds carrés avec 150 employés. L’année dernière, ils ont produit 1.5 millions de pieds carrés de revêtement de façade, y compris les hôpitaux, les musées, les bâtiments universitaires et les immeubles de grande hauteur à usage mixte – soit sur le terrain dans des ensembles de revêtement par écran anti–pluie, soit intégrés dans des systèmes de façade unitisés.

Le Dr George Quercia, directeur de la recherche de Taktl, affirme qu’ils produisent des panneaux de murs-rideaux UHPC de seulement 5/8 pouces d’épaisseur. Dans cette épaisseur se trouvent deux couches de treillis ainsi que des renforts en fibre de verre. Les tailles de panneaux typiques sont de 4 x 10 pieds, mais ils peuvent couler jusqu’à 5 x 12 tailles et au lieu de former chaque panneau, ils coulent surdimensionnés et les taillent à la taille avec des scies à béton. Ces panneaux peuvent remplacer les panneaux préfabriqués de mur-rideau en béton normal de 6 pouces d’épaisseur. Les panneaux minces réduisent considérablement les coûts de transport et prolongent économiquement la distance jusqu’aux projets de construction.

Il y a un autre avantage à la coulée architecturale avec UHPC — les surfaces de moule finement détaillées sont fidèlement transférées à la coulée en raison des très petits agrégats et de la structure pâteuse du mélange. Cela permet de créer des surfaces de moule toujours plus détaillées pour obtenir des looks plus étonnants.

La valeur de l’UHPC

Bien qu’il soit considéré comme un nouveau type de béton et qu’il n’ait pas beaucoup de reconnaissance de nom, l’UHPC présente de nombreux avantages. Sa grande résistance signifie qu’il faut moins de matériau pour accomplir ce que fait le béton ordinaire. Cela peut se traduire par l’ingénierie de structures plus légères en commençant par leurs semelles. L’eau et les conditions ambiantes qui raccourcissent la durée de vie d’autres types de béton ont peu d’effet sur les PCU en raison de leur nature imperméable, offrant une durée de vie vierge beaucoup plus longue. Un choc autocollant pourrait vous amener à ne pas y réfléchir, mais ce serait une erreur. Lorsque tout est pris en compte, l’utilisation stratégique de la CSU pourrait s’avérer une bonne affaire.