BETONS & MORTIERS
(Mémento de chantier LAFARGE)



I) Détermination de la nature des constituants des bétons réfractaires et isolants

Préalablement à toute mise en oeuvre, il est nécessaire de déterminer la nature des granulats et des liants alumineux qui constituent les bétons. Ce choix sera guidé par les conditions thermiques, mécaniques et chimiques du problème à résoudre.

Le type de béton à employer est principalement conditionné par la température maximale d'utilisation. Le tableau au paragraphe II.1 permet de choisir les constituants en fonction des températures. Les fiches techniques relatives aux différents ciments alumineux de Lafarge Fondu International offrent d'autres critères de choix.

1) Les ciments
La gamme de ciments alumineux LFI associés à des granulats réfractaires appropriés comme la chamotte, les corindons, permet de faire face aux conditions thermiques les plus dures, jusqu'à 2000°C, donc de construire presque tous les types d'enceintes thermiques.

Elle comporte une grande variété de ciments alumineux dont la réfractarité augmente avec la teneur en alumine.



% Alumine	40	50	70	80
Ciments alumineux	Ciment Fondu Lafarge	Secar 50 Secar 51	Secar 70 Secar 71	Secar 80


Ces ciments diffèrent notamment par le temps de prise, la rhéologie, la teneur en eau nécessaire au gâchage... qui les rendent spécifiquement adaptés à des opérations de coulage, de gunitages ou de préfabrication...

Dans le domaine des contraintes d'ordre chimique, il faut noter que les liants alumineux LFI ne sont pas anti-acides, c'est à dire qu'ils ne peuvent être exposés sans risque à l'attaque d'acides non fortement dilués.

La non libération de chaux lors de la prise leur confère une meilleure tenue au contacts des solutions diluées ou de vapeurs acides que celle des ciments Portland.

Aucune règle précise ne peut être donnée quant aux concentrations maximales qu'ils peuvent supporter, l'intensité de l'attaque acide étant fonction de très nombreux facteurs: nature de l'acide, condition de constact, fréquence des lavages, température, concentration...

En général, il faut s'abstenir de mettre les bétons au contact de gaz acides si la température atteinte par la paroie doit être inférieure à la température du point de rosée des gaz véhiculés. Dans ce cas en effet, les produits de condensation attaqueraient, puis désagrégeraient les bétons.


2) Les granulats réfractaires
La gamme des granulats réfractaires est assez étendue et comprend entre autres: roches naturelles (trapp, basalte,etc.); chamotte; sillimanite; gibbsite; corindon brun; corindon blanc; alumine tabulaire.


3)Les granulats isolants
Il existe une vaste gamme de granulats légers permettant la réalisation des bétons isolants, par exemple: les roches volcaniques légères (pouzzolane, ponce); la vermiculite; les chamottes réfractaires rendues poreuses par différents procédés; le corindon globulaire.

II) Bétons et mortiers réfractaires

1) Composition des bétons
Les compositions sont fonction du poid spécifique, de la densité et de la répartition granulométrique des granulats.

Elles peuvent être modifiées suivant les caractéristiques particulières demandées au béton (prédominance de l'une où l'autre des notions de réfractarité, d'isolation ou de résistance mécanique).





a) Dosage
Le dosage en ciment peut varier de 350 à 600 kg/m³. En règle générale, on adopte les dosages suivants:



Type	Granulométrie	Dosage
mortier fin	(0 à 2 mm)	600 kg/m3
mortier	(0 à 5 mm)	500 kg/m3
béton	(0 à 10 mm)	400 kg/m3
béton	(0 à 20 mm	350 kg/m3



b) Granulométrie
Comme pour un béton de génie civil, on doit mélanger des grains de dimensions variées dans certaines proportions afin d'obtenir une bonne compacité.

Les dimensions des grains les plus gros dépendent de l'épaisseur des pièces que l'on désire réaliser. En pratique, on ne dépasse pas 1/5 de l'épaisseur minimale des pièces. Cependant, l'expérience montre que même pour des éléments de grandes dimensions, il n'est pas nécessaire d'utiliser des grains supérieurs à 20 mm.

Les mélanges de granulats sont déterminés suivant la méthode "Fuller". Les quantités de chaque classe granulaire sont obtenues en poids qu'ils est facile de convertir en litres apparents en fonction de la densité du granulat.

Le tableau en fin de paragraphe donne des exemples de compositions valables pour les granulats les plus couramment utilisés (chamotte, corindon), pour lesquels on a admis en première approximation des poids spécifiques et des densités apparentes, quelles que soient les classes granulaires, de:
Ps=2,5 et D=1,25 pour la chamotte
Ps=4 et D=2 pour le corindon

Les compositions peuvent varier sensiblement, si on utilise des granulats dont la courbe réelle de chaque classe est différente de celle du granulat type choisi.

Il existe d'autres méthodes de graduation qui, s'écartant plus où moins de la granulométrie Fuller, conduisent à une bonne compacité des bétons et répondent à des préoccupations particulières.

Notes:
Les granulats de grains supérieurs à 5 mm doivent être humidifés avant l'emploi pour ne pas riquer d'absorber une partie de l'eau de gâchage. Pratiquement, les meilleurs résultats sont obtenus en les immergeant ou en les arrosant la journée qui précède leur utilisation et en les laissant égoutter pendant la nuit. Cette condition n'est toutefois pas impérative et un ajustement de la quantité d'eau peut tenir compte de cet effet.
Lafarge Fondu International est à la disposition de la clientèle pour la conseiller dans l'emploi d'autres granulats divers.



2) Fabrication du béton
Le mélange des éléments, ciment, eau et granulats, se fait suivant les techniques traditionnelles du bâtiment, c'est à dire soit à la pelle sur une aire propre, soit dans une bétonnière ou un malaxeur. La forme anguleuse des granulats rend le mélange plus difficile et le gâchage doit être plus long que pour les bétons ordinaires. La quantité d'eau à employer doit donner une consistance plastique permettant une mise en place dans les meilleures conditions. Elle dépend de la porosité des granulats et de la quantité de ciment utilisée. Elle peut être déterminée par un essai préalable.

Dans le tableau précédent, les quantités d'eau sont données à titre indicatif; il est en effet toujours souhaitable d'utiliser les quantités minimales compatibles avec la mise ne place du béton. Elles sont valables pour les bétons à base de Ciment Fondu Lafarge, Secar 51 et Secar 71. Elles doivent être sensiblement diminuées lorsqu'on utilise le Secar 50, le Secar 70 (E/C = 0,4/0,45 environ) et le Secar 80.

On ne doit pas utiliser d'eau polluée, d'eau industrielle en particulier. Au voisinage de 28/30 °C, les bétons de Ciment Fondu Lafarge, de Secar 50 ou 51 peuvent quelquefois présenter un retard de prise que l'on peut aisément éviter en modifiant la température de l'eau de gâchage. Enfin, la mise en place doit se faire moins de deux heures après la préparation du béton.

3) Mise en place des bétons
a) Pièces de forme
La mise en place peut se faire dans des moules en bois nu ou tôlé, en métal ou en plastique, huilés préalablement. Ils doivent être bien étanches pour éviter les pertes de laitance.

Les moules sont confectionnés aux dimensions exactes des pièces à réaliser, par suite du très faible retrait pris par le béton. Le béton est alors mis en oeuvre par vibration jusqu'à apparition de l'eau à la surface libre. Un talochage léger termine l'opération. Eviter le lissage.

Le début de durcissement apparaît en général 4 heures après la préparation du béton (il dépend un peu de la température) et plus tardivement pour le Secar 50. Mais pour faciliter l'enlèvement des noyaux, il est bon de faire cette opération avant le durcissement complet du béton. Ce dernier doit s'effectuer en atmosphère humide.

On doit immerger les petites pièces dès que leur démoulage est possible et protéger les plus grosses contre la dessication (arrosage, sacs ou paillons humides, mise en place d'un produit de cure constitué par un vernis à séchage rapide...). Après 24 heures on peut laisser les pièces sécher à l'air libre.

b) Bétonnage en place
L'utilisation de coffrages permet de réaliser des fours en quelques gros éléments. Ils sont semblables à ceux utilisés pour les bétons ordinaires et doivent être étanches pour éviter les pertes de laitance qui donneraient des surfaces ou des angles de mauvaise qualité. Les coffrages en bois doivent être bien huilés avant l'emploi pour ne pas absorber l'eau du béton.

La mise en place se fait par pervibration à l'aiguille vibrante, ou à défaut par tringlage. Les bétons ne doivent pas être damés pendant le remplissage des coffrages pour éviter de former des surfaces de clivage.

Les volumes importants seront décomposés en éléments de moindre dimensions, ce qui facilite la mise en place et donne un meilleur comportement. Si on coule par assises successives, la surface supérieure qui reçoit la gâchée suivante doit être maintenue très rugeuse pour favoriser l'accrochage.

Les coffrages non porteurs peuvent être enlevés dès le commencement du durcissement. Les coffrages porteurs sont laissés en place 24 heures.

Comme pour les pièces de formes, il faut protéger le béton de la dessication dès le début de durcissement.

c) Gunitage
Cette méthode particulière de mise en place utilise la projection pneumatique d'un mélange ciment/granulats en présence d'eau, le béton se formant au point d'impact. Entre autres, la granulométrie utilisée peut s'éloigner plus ou moins de la granulométrie Fuller. La dimension des grains reste en général inférieure à 5 mm; l'un des problèmes posés par cette méthode est, en effet, de limiter les pertes dues au rebondissement des particules trop lourdes.

Le comportement rhéologique du Ciment Fondu Lafarge, des ciments Secar 51 et 71 favorise leur emploi pour cet usage.

d) Cure du béton
Le béton mis en place, le durcissement s'accompagne d'une élévation de température plus ou moins grande selon l'importance du volume de l'ouvrage et la nature du ciment ou des granulats utilisés. Pendant cette phase, il est important que l'hydratation du ciment se fasse dans les meilleures conditions possibles en maintenant en surface une humidité pour éviter une dessication locale qui provoquerait une zone de moindre résistance.

Suivant les exigences particulières du lieu de travail, on pourra utiliser les procédés de cure suivants:

• enduire, dès que possible, avant la manifestation de l'élévation de température, toutes les faces accessibles du béton d'un produit de cure, vernis à séchage rapide constituant un film étanche à la vapeur d'eau.
• étendre de manière aussi efficace que possible un film plastique.
• conserver l'humidité part arrosage continu de la surface (à défaut par sacs ou couche de sable maintenus humides).
• maintenir en place les coffrages.
• pour les petites pièces, les placer dans des enceintes d'ambiance saturée ou, plus simplement, les immerger dans l'eau (dans le cas de béton très serré, il peut être interressant que cette eau soit chaude: 60-80 °C).



Ces précautions doivent être observées pendant les vingt heures environ qui suivent le début de durcissement.

Remarque: l'élévation de température est très peu sensible avec le secar 80, ce qui permet de négliger les précautions de cure relatives à la bonne hydratation. Toutefois, les bétons à base de ce ciment étant le plus souvent très compacts, la cure par immersion dans l'eau chaude à 60-80 °C reste très conseillée lorsqu'elle est possible.

e) Séchage - Première mise en chauffe
Il est souhaitable d'attendre que le durcissement soit suffisant et de laisser sécher l'ouvrage réfractaire. La première mise en chauffe doit être correctement effectuée avant d'entreprendre la véritable mise en service avec chauffe normale.

On ne peut indiquer avec précision la règle générale de chauffage. Elle varie avec les bétons utilisés, leur conductivité, leur porosité, etc. et avec la technologie de la construction de l'enceinte thermique (épaisseur des différentes couches de béton...).

Dans la première phase de chauffage, on peut prendre comme règle de chauffer lentement, en élevant d'environ 50 °C à l'heure jusqu'à 500 °C, la température dans la masse du béton, ce qui permet l'évacuation graduelle de l'eau sachant qu'à 500 °C un béton n'en contient pratiquement plus.

Une montée en température plus lente, éventuellement entrecoupée de paliers de température, est cependant souhaitable pour des ouvrages importants, ou dans certains cas où les dispositions de l'enceinte thermique rendent malaisé le départ d'eau (tôleries étanches, manque de ventilation, bétons peu conducteurs, bétons très compacts...). Au dessus de 500 °C, l'allure de chauffe pourra être plus rapide.

4) Réalisation des ouvrages en béton
a) Joints
La fréquence et la disposition des joints dépendent de l'importance et de la nature de l'ouvrage. Si l'on doit compter sur une dilatation appréciable du béton, il est necessaire de donner aux joints une certaine épaisseur.

On peut matérialiser ces joints par un matériau combustible (isorel, contreplaqué, etc.) qui disparaîtra à la première mise à feu. Pour les ouvrage de grandes dimensions, fours poussants, fours-tunnels, il est bon de laisser un joint de 1 cm tout les 3 ou 4 mètres si le four est construit en béton de chamotte, un peu plus large s'il est en béton de corindon dont la dilatation est plus importante.

Pour limiter les effets du retrait susceptible de provoquer une fissuration, il sera bon de laisser un joint sec sans épaisseur tout les mètres environ.

La solution de continuité est obtenue en coulant simplement les éléments frais au contact des autres éléments précédement durcis (voir reprises). Les petits ouvrages peuvent être coulés en une seule pièce.

b) Armatures - fers d'ancrage
Les bétons réfractaires ne doivent jamais être armés. On peut cependant dans certain cas avoir intérêt à noyer dans la partie la plus froide du béton des fers qui servent non pas d'armature mais de maintient ou qui évitent une dislocation en cas de fissures.

Leurs formes, leurs dimensions et leur disposition sont fonction de l'ouvrage à réaliser; il faut en outre entourer les fers de papier carton, bitume chaud, ou de toute matière combustible qui en brûlant dès la première mise en température ménage la place pour la libre dilatation des fers.

Notons qu'il est souvent indispensable d'utiliser des fers d'ancrage en acier inoxydable, ou en acier réfractaire.

c) Reprises
La surface entre deux gâchées successives doit être bien rugueuses pour assurer une bonne liaison et éviter les décollements. Si au contraire on veut créer une dicontinuité entre deux éléments de l'ouvrage, on reprendra le coulage du deuxième élément après la prise du premier en s'assurant que la surface de contact soit propre et bien huilée, de façon à ne pas provoquer l'absorption d'une partie de l'eau de gâchage du béton frais.

5) Entretien
La réfection d'un revêtement peut se réaliser facilement par bétonnage classique ou gunitage.

Il faut se rappeler qu'en matière de réfractaire, un "plâtrage" est une opération vouée à l'échec. Il ne faut pas non plus procéder au "crépissage" d'une maçonnerie réfractaire "fatiguée" car l'adhérence serait difficile à obtenir sur des briques très poreuses et relativement friables. D'autres part les coefficients de dilatation différents provoqueraient immanquablement le décollement dès les premiers passages au feu.

Il importe que la couche d'appoint de béton de réparation ait une épaisseur suffisante (minimum d'environ 10 cm).

Les parties à réparer sont soigneusement décapées pour enlever ce qui est poussiéreux ou pollué (attaques par cendres, laitiers, scories, produits chimiques, etc.). La maçonnerie-support doit être bien humidifiée pour qu'elle n'absorbe pas l'eau du mortier. Si le support est poreux (bétons ou briques isolants), il faudra veiller encore plus soigneusement à ce qu'il n'absorbe pas l'eau du béton de réparation.

Les réparations doivent être faites à froid de telle façon que les consignes de cure pendant le durcissement soient respectées. Dans certains cas les réparations à chaud sont possibles et permettent de maintenir un revètement réfractaire jusqu'à une réfection plus importante.

Dans tous les cas, il faut penser que l'accrochage entre le support et le béton de réparation risque d'être très précaire ou inexistant après exposition au feu et en tenir compte pour réaliser une telle opération.

III) Bétons et mortiers isolants

1) Composition des mortiers et bétons isolants
La gamme des granulats isolants est très vaste. Leurs densités sont très variables. De très nombreuses compositions peuvent être rencontrées. Les qualités finales d'isolation du mélange dépendent essentiellemnt du granulat entrant dans sa constitution.

Le tableau suivant donne des exemples de compositions valables pour les granulats isolant les plus couramment utilisés (pouzzolane, vermiculite, granulats réfractaires silico-alumineux légers, corindon globulaire).



2) Fabrication et mise en oeuvre des bétons
Les bétons isolants se gâchent à l'eau et se travaillent comme les bétons traditionnels. Leur mise en place est très facile pour la fabrication des pièces de forme comme pour les éléments monolithes.

Comme tous les bétons à base de liants alumineux, ils sont utilisables 24 heures après confection, sous réserve d'une première mise en température lente principalement s'ils sont directement exposés au feu. Etant donné la nature particulière des granulats isolants, texture plus ou moins alvéolaire, fragilité plus ou moins grande des grains, il faut toutefois noter quelques particularités de mise en oeuvre ou d'emploi.

a) Bétons de pouzzolane
La pouzzolane manque parfois d'éléments fins et dans le cas où le béton isolant doit présenter une résistance mécanique élevée, la courbe granulométrique doit être complétée par un apport de chamotte fine, le plus souvent de 0 à 2 mm, dans la proportion moyenne de 10 à 15 % en volume de pouzzolane.

La mise en place se fait par vibration ou, à défaut, par tringlage et le traitement de cure est identique à celui des bétons réfractaires.

b) Bétons de vermiculite
Il y a lieu de distinguer deux procédés de gâchage:
• à la main: incorporer la moitié du volume d'eau dans la vermiculite sèche, puis, celle-ci humidifiée, mélanger avec le liant et ajouter ensuite le reste de l'eau.
• à la bétonnière: mettre d'abord la moitié du volume d'eau, puis faire un mélange sommaire liant-granulat dans le skip, qui est vidé dans la bétonnière, ajouter ensuite le reste de l'eau.

La faible densité des bétons Ciment Fondu Lafarge/Vermiculite empêche la mise en place par vibration; elle se fait par tringlage ou léger damage, en évitant dans ce dernier cas d'aboutir à la formation de couches successives, ce qui pourrait entraîner un clivage.

L'addition de fines de chamotte améliore la tenue mécanique. Ces bétons n'ont besoin d'aucun traitement de cure pendant leur durcissement.

La quantité importante d'eau de gâchage provoquant un certain retrait lors des premières mises à feu, on peut, pour éviter la fissuration, fractionner ces bétons en panneaux de 0,70 à 1 mètre de côté, séparés par des joints sans épaisseur.

c) Bétons de granulats réfractaires silico-alumineux légers
Le gâchage se fait comme suit:
• mélanger les différentes classes de granulats sans le liant,
• ajouter la presque totalité de l'eau,
• mélanger soigneusement environ 3 fois plus longtemps que pour un béton ordinaire,
• ajouter le liant,
• mélanger à nouveau aussi longtemps en ajoutant la quantité d'eau restante.

La vibration et la pervibration favorisant la ségrégation, la mise en place se fait de préférence par tringlage et léger damage final.

La quantité d'eau assez grande contenue dans les granulats permet un traitement de cure plus sommaire que celui des bétons réfractaires.

d) Bétons de corindon globulaire
Le gâchage se fait comme suit: mélanger à sec le liant et les granulats au dosage et à la granulométrie corrects. Additionner d'eau en 2 fois en quantité convenable de manière à obtenir un E/C normal.

La mise en place, toujours délicate avec les bétons isolants, est obtenue par tringlage et léger dammage final, de manière à ne pas casser les sphères. Nous conseillons d'éviter ou d'user très modérement de la vibration ou pervibration qui favorisent la ségrégation.

L'incorporation dans la composition d'un certain pourcentage de corindon blanc dense permet d'accroître les résistances mécaniques.

Le traitement de cure et les précautions de séchage sont identiques à ceux des bétons réfractaires.

IV) Les adresses Lafarge Fondu International

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MARSEILLE 30 cours Pierre Puget (BP 69) 13253 MARSEILLE cédex 6 Tél: 04 91 54 91 30