Préfa Béton International SPECIAL PRINT PBI 11/01 FÉVRIER SPECIAL PRINT TECHNOLOGIE DU BETON Le béton fibré ultra-hautes performances Ductal

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1 Préfa Béton International FÉVRIER SPECIAL PRINT TECHNOLOGIE DU BETON Le béton fibré ultra-hautes performances Ductal SPECIAL PRINT PBI 11/01

2 Lafarge North America, T2W 4Y1, Calgary, Alberta, Canada Le béton fibré ultra-hautes performances Ductal Depuis son lancement sur le marché au milieu des années 1990, le béton fibré ultra-hautes performances (BFUP) Ductal a fait du chemin. Grâce à sa ductilité, sa résistance, sa durabilité et son esthétique exceptionnelles, les éléments préfabriqués peuvent avoir des sections plus fines et de plus longues portées tout en étant plus légers, plus élégants et plus innovants (comparativement au béton conventionnel). Particulièrement facile à mettre en œuvre, il épouse tous les détails des éléments de coffrage avec une précision étonnante. Outre des résistances en compression de jusqu à 200 MPa et des résistances à la flexion de jusqu à 40 MPa, il présente des caractéristiques de durabilité et de protection accrues contre la corrosion, l abrasion et les chocs. Il répond de plus aux enjeux d une construction durable. Les structures sont censées avoir une plus longue durée de service résultant en un moindre impact environnemental dans le temps. L'objectif du présent article est de renseigner les producteurs de béton préfabriqué sur le BFUP Ductal et sur les produits et les solutions innovants qu il permet de produire, lesquels peuvent compléter leurs produits préfabriqués et activités existants. L article à suivre est une introduction au BFUP, le premier d une série d articles publiée sur ce thème dans les prochaines éditions du magazine PBI. Vic H. Perry, Peter J. Seibert, Lafarge North America, Canada Lafarge, pionnier dans le domaine des bétons fibré ultra-hautes performances, a travaillé en étroite collaboration avec Bouygues au début des années 1990 dans le but d explorer les nouvelles possibilités des technologies avancées associées au béton. Après dix années de recherche, ils ont produit un matériau novateur aux performances technologiques inédites. Le principe premier de cette technologie repose sur l élimination systématique des points faibles inhérents au béton conventionnel. Le comportement ductile de ce matériau, et sa capacité à se déformer et à supporter des charges de flexion et de traction même après fissuration initiale, sont exceptionnels pour un béton. Ces performances sont le résultat de l amélioration des propriétés micro-structurelles de la matrice minérale, et plus particulièrement de la ténacité et du contrôle de l'adhérence entre la matrice et les fibres. Aujourd hui, Ductal désigne une famille de produits BFUP. Deux types de fibres sont utilisés pour fabriquer les produits Ductal: des fibres métalliques et des fibres en alcool polyvinylique (PVA). Les fibres et la formulation chimique sont customisées de sorte à satisfaire au mieux aux exigences de l application concernée. Les facteurs déterminants pour le choix d un produit Ductal incluent la résistance, la ductilité et la rhéologie recherchées, l exposition à des agents corrosifs, l esthétique souhaitée et l exposition au contact humain. L optimisation des granulats, les fibres et les adjuvants confèrent à la matrice minérale à base cimentaire une très faible porosité. Les composants du pré-mélange consistent en un matériau granulaire d une granulométrie inférieure à 1 mm et en un rapport eau-ciment hautement réduit (< 0,25 suivant le type de formulation Ductal). L absence de granulats grossiers, combinée au rapport entre la distribution granulométrique et l aspect des fibres, se traduit par une haute teneur en fibres et une dispersion isotrope. La carbonatation et la pénétration d ions chlorure ou sulfate sont ainsi quasiment exclues et la résistance aux attaques des acides très élevée. Les excellentes propriétés de durabilité sont dues à une combinaison de poudres fines, sélectionnées pour la taille relative de leurs grains et pour leur réactivité chimique. Il en résulte une compacité maximale et une structure avec des petits pores déconnectés. Le béton Ductal ne subit quasiment aucun retrait, ni aucun fluage, ce qui le rend tout à fait adapté aux applications avec précontrainte. L emploi de ce matériau dans le domaine de la construction est aisé du fait de l absence d acier d armature et de sa facilité de mise en œuvre, comme béton autoplaçant ou comme béton sec. Les solutions Ductal offrent des avantages rapidité de construction, esthétique élégante, durabilité supérieure et haute résistance à la corrosion, à l abrasion et aux chocs qui conduisent à une maintenance réduite et à une plus longue durée de vie des ouvrages. Le béton Ductal a été soumis au fil des ans à de nombreux essais rigoureux et de terrain. Aux USA, au Canada, en France, au Japon et en Australie, le béton Ductal est désormais prescrit dans plusieurs documents officiels pour la conception de bâtiments, d'infrastructures, d'installations de production, d'ouvrages d'art et de structures indus- Pont piétonnier, Canada 2 PBI Préfa Béton International

3 Vic H. Perry a obtenu un grade de Bachelor en Génie Civil avec distinction en 1978 et un Master en Sciences Appliquées en Génie des Structures en 1984 à l Université Dalhousie de Nova Scotia, au Canada. En 1999, il est nommé Fellow de la Canadian Society for Civil Engineering (CSCE) et est élu Président de la CSCE en Depuis 1997, il travaille au développement du Ductal (BFUP), tout d abord comme Directeur Marketing (Ductal) pour le Groupe Lafarge à Paris, puis en tant que Vice- Président et General Manager Ductal pour Lafarge North America, à Calgary, au Canada. Vic.Perry@Lafarge-na.com Peter J. Seibert est titulaire d un grade de Bachelor en Génie Civil de l Université de Toronto, obtenu en 1996, d un Master en Génie Civil de la Queen s University de Kingston, Ontario, obtenu en 1998, et d un MBA de la Wilfrid Laurier University de Waterloo, Ontario, obtenu en 2003 (Canada). Basé à Calgary, au Canada, il occupe les fonctions de Directeur Technique pour le produit Ductal dont il est responsable de la production, de la chaîne logistique, du contrôle qualité et des aspects techniques dans toute l Amérique du Nord depuis Peter.Seibert@Lafarge-na.com L Atrium, Victoria, British Columbia, Canada trielles. Ce matériau est actuellement utilisé pour toute une variété d applications incluant les poutres et tabliers de pont, le coulage de joints, les panneaux de mur/façades pleins et perforés, le mobilier urbain, les escaliers et les planchers, les conduits, les pieux, les structures marines et autres. Les marchés ciblés Le béton Ductal a été utilisé avec succès par plusieurs producteurs d éléments préfabriqués qui ont ainsi agrémenté leur gamme de produits existante. Du fait de ses propriétés avancées (comparativement au béton conventionnel), dont sa durabilité, sa résistance, son poids réduit et son esthétique, le béton Ductal a ouvert la porte à de nouvelles opportunités pour les usines de préfabrication sur les marchés des produits structuraux et architecturaux. Le marché du béton structural Selon une étude menée par la Federal Highway Administration (FHWA), désignée National Bridge Inventory Study, près de ponts sont déficients sur le plan structural ou obsolètes d un point de vue fonctionnel aux USA. Les ingénieurs des Etats, des provinces et des communes sont à la recherche de nouveaux moyens pour construire des ponts plus performants au coût de maintenance réduit, lequel est prélevé sur le budget destiné à la construction de ponts et chaussées fortement requis. C est pourquoi la FHWA a lancé un programme, «The Bridge of the Future», dans le but de trouver de nouvelles solutions pour la construction des ponts. L implémentation de nouvelles technologies dans le secteur de la construction des ponts aura été une tâche de longue haleine du fait de la nature conservatrice de ce segment. Les ingénieurs des ponts et chaussées, protecteurs des finances et de la sûreté publiques, ont de tous temps fait la démonstration des technologies avant de les appliquer. Pour de nombreuses applications, des prototypes ont été réalisés de sorte à vérifier et à valider le concept de dimensionnement des ponts. De nouvelles sections de ponts et de nouvelles solutions ont été en outre développées en Amérique du Nord. L une des meilleures applications du BFUP Ductal au sein de produits préfabriqués existants sur le segment des ponts est la solution inédite de coulage de joints pour dalles de tabliers de pont préfabriquées ou poutrescaissons préfabriquées. Historiquement, ces éléments étaient privilégiés par les donneurs d ordre en raison de leur efficience en termes de dimensionnement, de leur installation rapide et de leur faible coût initial. Toutefois, le matériau d'injection standard dans les joints est souvent la première partie du pont à connaître une rupture du fait des chocs continus sur la chaussée qui induisent une non-étanchéité des joints. Des applications récentes de coulage in situ de béton Ductal dans les joints («joint fill») ont résulté en des joints d une très haute résistance dans les systèmes de ponts préfabriqués. Ce concept crée de nouvelles opportunités pour les préfabricants qui peuvent désormais proposer de nouvelles solutions en utilisant leurs produits existants et en les combinant au béton Ductal. La fabrication de dalles de tablier ou de poutres-caissons dans une usine de préfabrication résulte en des éléments en béton de haute qualité qui, combinés au «joint fill» en Ductal, constituent, pour les donneurs d ordre et la population, un tablier de pont innovant, extrêmement durable et de haute qualité. Les dalles préfabriquées à alvéoles Ductal profitent également de l extrême durabilité de ce matériau. Avec ce concept de dimensionnement, les dalles de tablier préfabriquées doivent avoir une profondeur totale de 200 mm de sorte à assurer la rigidité du tablier, avec un tablier uniforme de 62 mm et des nervures de 140 mm dans le sens longitudinal et transversal. Les dalles préfabriquées sont alors liaisonnées sur place par «joint fill» en Ductal. En 2010, le Ministère des Transports de l'iowa a requis des dalles de tablier à alvéoles pour la réalisation d un pont avec joints BFUP. De nouvelles sections de poutres maîtresses de ponts innovantes réalisées ont été développées ces dernières années, en particulier la poutre Pi (avec une section ressemblant au symbole grec π), qui est une combinaison d une section de poutre maîtresse et d un tablier préfabriqué intégré. Le premier pont à intégrer des poutres Pi a été réalisé en Amérique du Nord en Cette section de poutre optimisée peut également ouvrir de nouvelles opportunités aux producteurs d éléments préfabriqués. PBI Préfa Béton International

4 Dalle de tablier à alvéoles Poutres maîtresses du pont Jakway Park Jusqu ici, le béton Ductal a été utilisé au Canada pour trois ponts piétonniers dont l architecture de la structure était la principale priorité (outre la résistance et la durabilité). Des exemples d autres éléments structuraux produits avec le BFUP Ductal sont les pieux, les conduits et les systèmes de revêtement protecteurs pour les infrastructures situées dans des environnements marins. Pour chacune de ces applications, les préfabricants ont été en mesure d'utiliser et de légèrement modifier leurs équipements et coffrages existants dans le but d offrir un élément préfabriqué davantage optimisé qui utilise les propriétés de résistance et de durabilité du matériau. Le marché du béton architectural Du fait des propriétés plastiques et à l état durci du béton Ductal, et compte tenu de l élimination de l acier d armature, les producteurs d éléments préfabriqués peuvent réaliser des formes architecturales complexes, extrêmement durables, à un coût rentable et ne requérant que peu d entretien. Le matériau reproduit les textures, les détails et les formes avec une grande précision et peut être produit dans toute une gamme de teintes de longue durée. Il convient parfaitement aux applications innovantes et aux nouvelles tendances de l architecture: épuration des lignes, finesse, valorisation de la texture et penchant minéral. Avec le béton Ductal, les producteurs d éléments préfabriqués peuvent offrir aux architectes créatifs des solutions nouvelles pour la création d enveloppes de bâtiment innovantes: des façades perforées structurelles ou décoratives en treillis, des panneaux ultraminces et de poids léger de grande surface avec un taux de perforation de plus de 50 %, et des façades pleines de forme, de courbure et de texture complexes. Le béton Ductal a également été utilisé pour toute une variété de mobiliers urbains. En raison de sa résistance et de la faible quantité de matière requise, de sa tenue aux chocs, de sa durabilité et de son faible besoin de maintenance, il constitue, dans ce domaine également, une excellente alternative aux matériaux traditionnels. Sculptures, bancs, bornes et mobiliers de rue d'un type nouveau sont venus s'ajouter à l offre de produits de producteurs de béton préfabriqué traditionnel. De même, les architectes d intérieur et producteurs d éléments préfabriqués peuvent aussi ainsi créer de nouveaux produits contemporains de poids léger, colorés et texturés comme des sièges, des escaliers et des carrelages de plancher et de mur. Un plan d entreprise pour les applications BFUP Pour que les producteurs commercialisent avec succès leurs éléments préfabriqués combinés au béton Ductal, un plan d en- Station d autobus à Thiais, en France Station de métro Shawnessy à Calgary, Canada 4 PBI Préfa Béton International

5 treprise est à développer et à valider pour la solution proposée. Une fois que les préfabricants auront saisi le potentiel des propriétés techniques de ce matériau, elles trouveront rapidement des possibilités d application, lesquelles devront être en retour validées au travers d une analyse économique. Lors de l appréciation de la structure des prix des BFUP, les producteurs d'éléments préfabriqués en béton doivent avoir en tête qu une solution innovante aux caractéristiques techniques supérieures résultera en un aspect et un format très différents comparativement aux éléments produits avec des matériaux alternatifs/traditionnels comme le bois, les métaux ou le béton conventionnel. La rentabilité de la solution toute entière doit être validée; il ne s agit pas ici de procéder à une simple comparaison du prix à l unité. Le béton Ductal, comme les métaux ou le béton conventionnel, convient à toute une palette de produits vendus dans une certaine gamme de prix, mais est utilisé différemment. La gamme de prix à l unité pour le béton Ductal se situe entre celle du béton conventionnel et celle des métaux. Lorsqu il est utilisé de façon optimisée, le béton Ductal offre des solutions extrêmement durables et compétitives en termes de coût. Comparativement au béton prêt à l emploi, vendu en Amérique du Nord entre $ 100/m 3 et $ 180/m 3, le coût d un BFUP peut varier de $ 2 500/m 3 à $ 4 500/m 3 suivant sa formulation et son application. Cette structure de prix varie également en fonction des différents marchés et des régions. Cette comparaison des prix est, certes, intéressante, mais il convient également de prendre en compte le prix d acquisition des divers types d acier, dont l ordre de grandeur est de $ 8 000/m 3 pour l acier noir et de $ /m 3 pour l acier inoxydable. Cela démontre clairement que la rentabilité globale de la solution BFUP finie (incluant le coût des matériaux, le coût de fabrication, le coût de distribution et l'économie de marché) doit être considérée lors de l appréciation de la structure des prix, laquelle ne doit pas se résumer au simple prix du matériau à l unité. Le prix du béton Ductal est plus élevé que celui d un béton conventionnel, mais le volume de matière requis est nettement plus réduit. Il présente en outre de nombreux avantages et fournit des solutions efficientes en termes de coût que le béton conventionnel ne peut offrir. Le développement d'un plan d entreprise exige également que les producteurs d éléments préfabriqués en béton revoient leurs stratégies de distribution et de promotion car ce sont eux les experts en ce qui concerne la compréhension des marchés locaux, leur accessibilité et leur tolérance. Ils doivent en outre développer leur propre proposition de valeur pour chaque nouvelle solution. Une fois le plan d entreprise établi, des prototypes de la solution proposée doivent être testés, optimisés et certifiés. La commercialisation réussie des BFUP repose sur les stratégies mentionnées ci-dessus, lesquelles permettent d assurer une production et des ventes continues. Un partenariat technique et commercial avec les préfabricants Le BFUP Ductal est une solution technologique élaborée qui crée de nouvelles opportunités pour les producteurs d éléments préfabriqués en béton en leur permettant de développer et d élargir leur champ d expertise et leurs activités. Pour utiliser ce matériau pour une application spécifique, le préfabricant doit d'abord obtenir une sous-licence Ductal. La société Lafarge assure ensuite l assistance et les formations nécessaires à la maîtrise progressive de la technologie et au démarrage de la production d une solution rentable. Pour de nombreux projets en Ductal ou de nombreuses applications produits, les experts Lafarge s emploient également à faciliter la mise en relation entre les préfabricants, les donneurs d'ordre, les ingénieurs, les architectes et les scientifiques à travers le monde. Pour de nombreuses nouvelles applications innovantes, des prototypes doivent être testés. Lafarge fournit à cet égard une assistance sur la base de ses expériences et d applications antérieures. En tirant avantage des caractéristiques techniques du matériau, les préfabricants peuvent optimiser une solution BFUP innovante dont la conception, le format ou la texture seront très différents des produits alternatifs réalisés avec des matériaux traditionnels. Pour un partenariat réussi, Lafarge met à la disposition de ses clients son expertise dans le domaine des matériaux et son savoirfaire commercial tandis que les préfabricants apportent leurs compétences techniques dans les process industriels et leur connaissance des marchés ciblés. La réussite de projets novateurs requiert une étude et un développement réguliers des process d origine. Le recul et l expertise de Lafarge concernant de nombreuses applications et de nombreux produits différents réalisés en Ductal lui permettent d'assurer un accompagnement optimal et de faire des suggestions innovantes quant à l'utilisation de ce matériau. Les prochains articles Lafarge dans le magazine PBI Lafarge publiera dans les prochaines éditions du magazine PBI plusieurs articles sur les BFUP portant sur les thèmes suivants: Les équipements et les techniques de production en Ductal La fabrication de produits structuraux La fabrication de produits architecturaux La fabrication de produits artisanaux AUTRES INFORMATIONS Musée d art moderne, France Lafarge North America Southport Road SW., Suite 1200 T2W 4Y1,Calgary, Alberta, Canada T F ductal@lafarge-na.com PBI Préfa Béton International