Le Béton Cellulaire. Matériau d Avenir

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1 Le Béton Cellulaire Matériau d Avenir

2 Co l o p h o n Rédaction ir. Jos Cox Jacques Sizaire ir. Pascal Meulders ir. Elly Van Overmeire ir. Albert Ingelaere Ont collaboré ing. Pierre Mathieu ing. Fabian Chupin Editeur responsable Jacques Sizaire Avenue des Créneaux 18 bte Bruxelles Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l autorisation de l éditeur, est illicite et constitue une contrefaçon. L édition est basée sur la connaissance et l état actuels des faits. Des modifications peuvent être apportées sans avis préalable. 2

3 Avant-Propos La Fédération belge de Béton Cellulaire existe déjà depuis plus de 25 ans. FeBeCel est une association très active. La grande demande pour son manuel du béton cellulaire, nous amène à adapter régulièrement son édition aux dernières technologies et aux normes européennes récentes. Le manuel FeBeCel donne une image complète des caractéristiques et possibilités d applications concernant le béton cellulaire et résulte d une collaboration intensive entre les différents membres de FeBeCel et de leurs collaborateurs, chacun spécialisé dans sa branche. Ce sont des représentants de leur organisation dans le cadre de l IBN (Institut belge de Normalisation). En outre ils sont impliqués dans les différents groupes de travail de la normalisation européenne. L expérience acquise par les auteurs au cours de leurs nombreuses années d activité constitue une garantie pour le lecteur. En dépit de l aspect technique de cette publication, nous avons essayé d en rendre la lecture facile et de consacrer l importance nécessaire aux applications pratiques pour les professionnels de la construction. Un mot de remerciement tout spécialement à Monsieur Jacques Sizaire, qui assure la direction journalière du secrétariat de FeBeCel, trouve certainement sa place ici. Il est la force motrice et le coordinateur, qui a repris à son compte la partie logistique, propre à la publication de ce manuel. Nous espérons que cette dernière édition du manuel FeBeCel sera un outil efficace pour tous ceux qui voudront construire en béton cellulaire. Les membres de FeBeCel se tiennent à votre disposition pour vous fournir tout renseignement ou conseil, et ce depuis l avant-projet. Nous sommes là pour vous aider. Ir. Jos Cox Président FeBeCel a.s.b.l. 3

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5 So m m a i r e 1. Introduction Historique Généralités Caractéristiques physiques et mécaniques Caractéristiques des produits Caractéristiques d utilisation Finitions du béton cellulaire Moyens de fixation Résumé des caractéristiques et performances du béton cellulaire 115 5

6 So m m a i r e 1. Introduction Historique Généralités Qu est ce que le béton cellulaire? Matières premières Fabrication du béton cellulaire Produits en béton cellulaire Utilisation Caractéristiques physiques et mécaniques Aspect et structure Masse volumique sèche apparente Résistance à la compression Résistance à la traction par flexion Résistance au cisaillement Module d élasticité (Valeur E) Comportement dans le temps Séchage du béton cellulaire Retrait dû au durcissement Dilatation thermique Flèche des éléments armés en béton cellulaire Diffusion de vapeur Résistance aux agents chimiques Absorption d eau Résistance au gel et dégel Environnement et qualité de vie Sauvegarde des ressources naturelles Besoins en énergie Recyclage Respect de l environnement Evacuation des surplus de chantier Qualité de vie Cycle de vie Calcul de la maçonnerie portante soumise à une charge verticale Selon NBN B (mars 1980) f k par essais sur des matériaux de construction f k par essais sur murets 34 6

7 4.9.2 Selon NBN EN , Eurocode 6 avec DAN (juin 1998) Résistance à la compression normalisée des blocs de maçonnerie : f b Catégories de mortier: f m Résistance caractéristique à la compression f k de la maçonnerie non armée Valeur de f k pour différents types de maçonnerie Calcul de la résistance du mur selon NBN EN avec DAN Elancement du mur Excentricité des charges Contrôle de la résistance du mur Coefficients de sécurité sur les charges g f Exemples de calcul selon NBN EN avec DAN Caractéristiques thermiques Coefficient de conductivité thermique l Coefficient de conductibilité thermique l pour murs en blocs de béton cellulaire Valeurs de résistance thermique R Résistance thermique totale R T d une paroi Coefficient de transmission thermique U des parois Température de surface Inertie thermique Généralités Capacité thermique Temps de refroidissement Amortissement thermique et déphasage Exigences thermiques régionales Exigences thermiques des bâtiments résidentiels et des immeubles de bureaux Exigences thermiques des bâtiments industriels Exemple de calcul du niveau d isolation globale K Acoustique Principes généraux Fréquence Vitesse de propagation du son Longueur d onde - période Niveau de pression sonore Sons purs - le spectre sonore Niveau sonore - isophones 64 7

8 Le son - une perception subjective Bruit de fond L acoustique en construction Bruit aérien et bruit d impact Résonance Coefficient d absorption (a) Normes belges Isolation acoustique des bâtiments Isolation des bruits aériens Généralités Isolation des murs contre les bruits aériens Isolation des murs contre les bruits d impact Acoustique de la construction en béton cellulaire Murs extérieurs massifs en blocs de béton cellulaire Murs intérieurs en blocs de béton cellulaire Doubles murs de séparation entre habitations de rangée / habitations doubles / appartements Murs intérieurs en blocs de béton cellulaire avec élément rapporté sur 1 ou 2 faces Murs extérieurs en dalles de béton cellulaire Dalles de toiture en béton cellulaire Résistance au feu du béton cellulaire Classification de la résistance au feu Résistance au feu des parois en béton cellulaire Comportement du béton cellulaire en cas d incendie Le compartimentage et la résistance au feu des parois des bâtiments Combinaison mur en béton cellulaire / structure en acier Combinaison mur en béton cellulaire / structure en béton armé Joints coupe-feu Un exemple concret Caractéristiques des produits Blocs et linteaux Blocs Linteaux éléments armés Dalles de bardage 88 8

9 5.2.2 Dalles de toiture Dalles de plancher Dalles de cloison intérieure Caractéristiques d utilisation Blocs et linteaux éléments armés Dalles de mur Dalles de toiture Dalles de plancher Dalles de cloison Finitions du béton cellulaire Finition des blocs de béton cellulaire Brique de parement - mur creux Enduit extérieur sur blocs de béton cellulaire Bardage Peinture extérieure sur blocs de béton cellulaire Enduit intérieur sur blocs de béton cellulaire Peinture intérieure sur blocs de béton cellulaire Finition des dalles de mur en béton cellulaire Rejointoiement des dalles Peinture extérieure sur dalles en béton cellulaire Enduit extérieur sur dalles en béton cellulaire Bardage sur dalles Brique de parement avec dalles en béton cellulaire Finition intérieure des dalles en béton cellulaire Finition des dalles de toiture en béton cellulaire Protection extérieure Finitions intérieures Moyens de fixation Clous en aluminium ou en acier galvanisé pour béton cellulaire Clous à déviation Le montage La résistance Les chevilles pour béton cellulaire Scellements par injection Producteurs Résumé des caractéristiques et performances du béton cellulaire 115 9

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11 1. Introduction Depuis 1953 le béton cellulaire est présent sur le marché de la construction en Bel gi que. Tout au long de ces cinq décennies, son utilisation n a cessé d augmenter, et plus particulièrement au cours de la dernière, alors que l industrie de la construction connaissait une phase de profonde dépression. Ce fut, en effet, au cours de ces temps difficiles que les avantages du matériau ont été appréciés à leur juste valeur. Le béton cellulaire est, à la fois, un matériau solide et léger qui convient à tous les types de construction, du plancher à la toiture. De par leurs grandes dimensions, les blocs, linteaux et dalles armées contribuent à la rapidité et à la simplicité de la construction, facteurs qui influencent favorablement le coût de celle-ci. L utilisation de produits en béton cellulaire se révèle être source de réels avantages à toutes les étapes du projet et de la construction. 1. L auteur de projet d abord, profite de la polyvalence du matériau pour donner libre cours à sa créativité. Sans contrôle particulier il est d autre part assuré de la répartition judicieuse de l isolation thermique sur toute la surface et dans toute l épaisseur des parois. Chaque cm de béton cellulaire est par lui-même un isolant thermique. 2. L entrepreneur dispose d un matériau léger, solide et de pose particulièrement aisée. Le temps d exécution du chantier s en trouve sérieusement réduit, sans effort pour la main-d œuvre. En ce qui concerne la pose des blocs, la technique par collage y contribue aussi largement. Pour réaliser 1 m 3 de maçonnerie de béton cellulaire, 17 l de mortier colle suffisent, alors que 170 l (10 x plus) de mortier traditionnel sont nécessaires avec des blocs ordinaires. Quant aux éléments armés, les dalles pour murs ou pour toitures peuvent atteindre une surface de 5,6 m 2 par unité se posant facilement à l aide d un engin de levage de faible puissance. Il détient aussi, gratuitement, une assurance dégâts incendie complémentaire parce que le béton cellulaire est incombustible et ne dégage ni fumées ni gaz toxi-ques. 4. Le chef d entreprise dispose de constructions in dus trielles peu coûteuses et performantes au niveau : du confort de travail assuré par les qualités d absorption acoustique élevée (résonance) des produits en béton cellulaire. du maintien aisé de températures agréables et stables, sans recours au conditionnement d air. de la mise à disposition de murs coupe-feu efficaces (protection des stocks, du matériel, sécurité) sans supplément de prix. De plus, toute extension de hall industriel est largement facilitée par le démontage aisé des dalles de murs et par leur réutilisation dans l agrandissement. Le béton cellulaire, dont la fabrication fait appel aux technologies de pointe, est venu à point nommé pour répondre aux exigences toujours accrues des maîtres d ouvrages et aux techniques de chantier toujours plus performantes. Aucun bâtiment n est à nul autre pareil. Chaque construction a sa propre spécificité. Qu il s agisse d un dépôt dans lequel sont entreposés des produits fragiles ou inflammables, d un bâtiment industriel dans lequel sont utilisées des méthodes mo dernes de production ou, encore, d une habitation dans laquelle il fait bon vivre, chacune de ces constructions postule un projet qui lui est propre, adapté à sa vocation et répondant aux besoins spécifiques de l utilisateur. Un matériau de construction, vraiment moderne, se doit donc de répondre, non seulement aux besoins de son temps, mais encore et surtout à ceux du futur. Le béton cellulaire est apte à répondre à ce défi comme nous le verrons plus loin dans cette brochure. 3. Le maître de l ouvrage ou l utilisateur dispose beaucoup plus rapidemment d une construction déjà sèche, saine et d un confort thermique assuré tant l été que l hiver. Ces avantages sont inhérents aux bâtiments en béton cellulaire qui, déjà à la construction, sont d un prix fort compétitif. 11

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13 2. Historique Le béton cellulaire: matériau de construction du futur Le béton cellulaire tel que nous le connaissons de nos jours est né de la combinaison de deux inventions antérieures : l autoclavage du mélange sable/chaux/eau et l émulsification des mélanges de sable, ciment/ chaux et eau. La première invention est attribuée en 1880 à W. Michaelis. Ce dernier a mis en contact un mélange de chaux, sable et eau avec de la vapeur d eau saturée sous haute pression et est ainsi parvenu à donner naissance à des silicates de calcium hydratés hydrorésistants. La chaux réagit avec le sable quartzeux et l eau. Cette invention est encore et toujours à la base de tous les matériaux de construction durcis à la vapeur d eau saturée sous haute pression. La seconde invention concerne l émulsification des mor tiers. En 1889, cette invention a été octroyée à E. Hoffmann. Il a utilisé de la pierre à chaux finement broyée et de l acide sulfurique pour émulsionner des mortiers à base de ciment et de gypse. En 1914, J.W. Aylsworth et F.A. Dyer ont breveté un procédé utilisant de la poudre d aluminium ou de zinc comme émulsifiant. Ces poudres de métal réagissent en milieu alcalin (chaux ou ciment) en dégageant de l hydrogène. Cette formation de gaz fait lever la masse de béton frais à l instar de ce qui se produit, lors de la fabrication du pain. En 1924, le Suédois J.A. Eriksson débute la production de béton cellulaire à base d un mélange de sable fin, de chaux et d eau, auquel il ajoute une petite quantité de poudre de métal. Trois ans plus tard, il combine ce processus à l autoclavage, tel que décrit dans le brevet de Michaelis. Après avoir levé et s être solidifié dans un autoclave à une température d environ 180 C avec de la vapeur d eau saturée, sous haute pression, le mélange émulsionné durcit. Parallèlement, un processus à base de sable fin, de ciment et d eau avec adjonction d une petite quantité de poudre de métal est développé au début des années trente. K.I.A. Eklund a fait breveter ce procédé en La principale avancée par rapport au béton cellulaire de la période antérieure est le durcissement à la vapeur d eau saturée sous haute pression permettant de réduire très nettement le retrait dû au séchage. Enfin, une troisième étape s imposait pour arriver au béton cellu laire, tel que nous le connaissons aujourd hui : la fabrication en série de petits et de grands formats, d éléments armés ou non avec un degré de précision suffisant. Pour ce faire, une méthode de production a été développée après Les produits sont découpés aux dimensions souhaitées au moyen de fins fils d acier très tendus ce qui permet d obtenir des produits finis de grande précision. C est en 1953 que la Belgique a commencé à produire des blocs de béton cellulaire. Le marché y a vu un intéressant complément aux produits de construction traditionnels. Suite au franc succès du produit, la production a été étendue, dès 1957, à celle d éléments armés en béton cellulaire. Un développement important car des éléments de grandes dimensions pouvaient désormais être réalisés. Ces éléments sont principalement utilisés dans la construction industrielle. C est en Suède, patrie d Eriksson, que les premières usines ont vu le jour. C est également de ce pays que le matériau a été diffusé et produit dans le monde entier. De nos jours le processus de production du béton cellulaire est le plus novateur dans le domaine des matériaux de construction pierreux. Il est entièrement automatisé. 13

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15 3. Généralités 3.1 Qu est ce que le béton cellulaire? L air pétrifié Sable, chaux et ciment constituent les matières premières de base. Celles-ci sont intimement mélangées dans des proportions bien déterminées, après quoi on y ajoute de l eau. L adjonction d une petite quantité de poudre d aluminium aura pour effet de faire lever la pâte. La pâte est ensuite coulée dans des moules qui ne sont que partiellement remplis pour éviter tout débordement de la pâte lors de la levée. Dans les moules, destinés à la production d éléments armés, sont disposées les armatures, calculées en fonction de la vocation des éléments. Ces armatures, préalablement coupées aux dimensions requises, sont soudées automatiquement et sont traitées contre la corrosion. L adjonction de la poudre d aluminium a pour effet de libérer de l hydrogène qui fait lever la pâte et donne naissance à des myriades de cellules gorgées d hydrogène, rapidement chassé sous la pression de l air ambiant. C est ce qui fait précisément la particularité la plus remarquable du béton cellulaire. Il s agit, en effet, d un matériau gorgé d air. De là, l expression d air pétrifié. Il n en est pas moins solide, léger et thermiquement très isolant. Revenons à notre procédé de fabrication. Après dé moulage, la masse est découpée à dimension suivant le type de produit : blocs, linteaux, éléments armés. Le produit passe ensuite à l autoclave où il est soumis à une température de 180 C et à une pression de 10 atmosphères. C est à l issue de l autoclavage que le matériau acquiert définitivement les propriétés qui lui sont propres. Un procédé ultramoderne de fabrication et le strict respect des normes qualitatives permettent d offrir un matériau d exception dont les avantages sont très appréciés dans la construction. De par le peu de matière première nécessaire à sa production, le béton cellulaire participe à la sauvegarde des ressources naturelles : 500 kg de matière suffisent à réaliser 1m 3 de maçonnerie soit de 1/2 à 1/3 de ce qui est nécessaire pour d autres matériaux porteurs de gros œuvre. 15

16 3. Généralités 3.2 Matières premières Les matières premières nécessaires à la fabrication du béton cellulaire sont : du sable blanc très pur (95% de silice) de la chaux du ciment de la poudre d aluminium de l eau A noter qu il s agit uniquement de matières minérales présentes en abondance dans la nature. En présence d eau, la chaux réagit avec la silice du sable pour former des silicates de calcium hydratés (tobermorite). Chaux et ciment servent de liants. La poudre d aluminium extrêmement fine (env. 50 µm), uti lisée en très faible quantité (+/- 0,05%), sert de levain, en cours de fabrication, pour faire lever la pâte et créer les cellules. En milieu alcalin, la poudre d aluminium réagit comme suit : 2 AI + 3 Ca(OH) H 2 O > 3 CaO Al 2 O 3 6 H 2 O + 3H 2 C est l hydrogène ainsi libéré qui crée les cellules. En cours de durcissement de la pâte, l hydrogène se libère et les cellules se remplissent d air. En moyenne, la proportion de matières premières uti lisées lors de la fabrication est la suivante : La fabrication ne nécessite que peu d énergie : 300 kw/h suf fisent à produire 1m 3 de béton cellulaire autoclavé soit 10 fois moins que pour fabriquer des briques pleines de terre cuite, et participe ainsi au respect de l environnement. La fabrication ne dégage aucun gaz toxique et ne pollue abso lument pas l eau. sable quartzeux +/- 44% ciment +/- 3% chaux +/- 12% poudre d aluminium +/- 0,06% eau +/- 41% Les pourcentages varient légèrement, mais de façon précise, en fonction de la masse volumique souhaitée. 16

17 3.3 Fabrication du béton cellulaire Les produits en béton cellulaire sont fabriqués dans des unités de production hautement industrialisées. L emploi de matières premières stables, l automatisation de la fabrication ainsi que le contrôle permanent, tant interne qu externe, sont les garants d une qualité de produits constante et de haut niveau. Les phases importantes de la fabrication sont : la préparation, le dosage et le malaxage des matières premières la fabrication et le traitement anticorrosion des armatures nécessaires à la production des éléments armés la préparation des moules la coulée, la levée et le durcissement de la pâte le découpage et le profilage des produits l autoclavage la mise sur palettes et sous housses plastiques rétractables (blocs) Le béton cellulaire appartient au groupe des bétons légers, autoclavés. Les matières premières entrant dans sa préparation sont le ciment, le sable pur (95% de silice), la chaux et l eau. Le sable est broyé finement soit à sec, soit en présence d eau. On y ajoute ensuite le ciment, la chaux, la poudre d aluminium et l eau. Le produit obtenu, après mélange intime des constituants, est coulé dans des moules d une capacité de 4,5 à 8 m 3 que l on remplit à mi-hauteur environ. Pour la production d éléments armés, avant remplissage des moules, des treillis d armature préalablement traités contre la corrosion y sont déposés avec précision et maintenus par entretoises. Pour la production de blocs, les moules sont remplis uniquement du mélange. L aluminium réagit avec les autres constituants, réaction qui produit un dégagement d hydrogène permettant la formation des cellules sphériques et fermées qui caractérisent le béton cellulaire. Après quelques heures, la masse cellulaire a acquis une dureté telle (on parle à juste titre d un gâteau ) qu elle peut être démoulée. Elle est alors découpée au moyen de fils en acier, soit dans le sens de la longueur s il s a git d éléments armés, soit longitudinalement et transversalement s il s agit de blocs. Malgré la coupe, le gâteau conserve la forme qu il a reçue dans le moule. Le produit semi-fini ainsi obtenu subit ensuite un traitement thermique en autoclave, sous une pression d environ 10 bars et à une température de 180 C environ. Dans ces conditions, a lieu une autre réaction chimique au cours de laquelle le sable se lie à la chaux, formant des cristaux de forme et de composition bien particulières (Tobermorite). Les réactions chimiques simplifiées, depuis le mélange des matières premières jusqu à l obtention du produit fini, sont les suivantes : 1. CaO + H 2 O > Ca(OH) kj/mol 2. 3 Ca(OH) Al + 6 H 2 O > Ca 3 (Al(OH) 6 ) H SiO Ca(OH) 2 > 5 CaO 6 SiO 2 5 H 2 O = Tobermorite (silicate de calcium hydraté) C est à la Tobermorite - Ca 5 H 2 (Si 3 O 9 ) 2 4 H 2 O ou C 5 S 6 H 5 (appellation industrielle) - que les fines parois cellulaires ont emprunté leur grande solidité. Bien que les composants soient les mêmes, le béton cellulaire est un matériau entièrement différent du béton dans lequel, on le sait, le sable ne participe pas à la réaction chimique et donc à la formation des cristaux. C est le traitement thermique en autoclave qui confère au béton cellulaire ses propriétés définitives. La variation des masses volumiques s obtient en adaptant, de façon minutieuse et rigoureuse, le dosage des matières premières. Chaque catégorie massique, possédant ses caractéristiques spécifiques, répond aux exigences des normes NBN B et EN (blocs) ou NBN B et EN (éléments armés). Contrôle de fabrication Chaque phase du processus de production est contrôlée par le laboratoire d usine. Ces contrôles commencent à l arrivée des matières premières et se terminent sur le produit fini, chaque étape intermédiaire étant soumise à des tests de qualité. Cet autocontrôle de fabrication réalisé conformément à la méthodologie décrite dans la norme béton cellulaire autoclavé, est ensuite supervisé par des instances d agrément technique. Des recherches plus spécia li sées sont effectuées par les Universités. 17

18 3. Généralités Schéma de fabrication des blocs ciment / chaux sable quartzeux eau additifs béton cellulaire recyclé broyeur à billes farine de silice poudre d aluminium mélange versage levée de pâte décoffrage stockage autoclavage découpage et profilage transport 18

19 Schéma de fabrication des éléments armés ciment / chaux sable quartzeux eau additifs béton cellulaire recyclé broyeur à billes acier pour armatures farine de silice étirage + découpage poudre d aluminium soudure par points protection anti corrosion séchage mélange pose des armatures versage levée de pâte décoffrage stockage rectification des profils autoclavage découpage et profilage transport 19

20 3. Généralités 3.4 Produits en béton cellulaire 3.5 Utilisation Blocs de grandes dimensions : 6,6 à 8 blocs par m 2 Blocs de super format : 2 blocs par m 2 Blocs et linteaux en forme de U pour réalisation de: poutres de ceinture linteaux de grande longueur linteaux à surcharge plus importante que celle admise par les linteaux standards Linteaux porteurs et non-porteurs Eléments armés : Dalles de bardage : (pose horizontale ou verticale) Dalles de cloison (hauteur d étage) Dalles de toiture Dalles de plancher Les produits en béton cellulaire sont indiqués pour tous types de construction : habitations unifamiliales, apparte ments, bureaux, garages, magasins, écoles, hôpitaux, bâtiments industriels, secteur agricole, etc. Les blocs sont utilisés aussi bien en murs intérieurs qu extérieurs, portants ou non portants. Les dalles de mur (dalles de bardage) sont principalement utilisées en bâtiments industriels et grandes surfaces commerciales. Les dalles de toiture sont desti nées aux constructions industrielles grandes ou petites, mais aussi aux habitations groupées ou unifamiliales, aux bureaux et aux bâtiments d hébergement. Alors que le béton cellulaire est généralement utilisé pour son excellente isolation thermique, il est particulièrement apprécié pour conserver la fraîcheur des bâtiments en été. La mise en œuvre du béton cellulaire étant plus facile et plus rapide qu avec des matériaux traditionnels il participe largement à la diminution des coûts de construction. 20

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23 4. Caractéristiques physiques et mécaniques 4.1 Aspect et structure C est la présence de nombreuses cellules minuscules qui détermine la structure du béton cellulaire. Il est fabriqué en différentes masses volumiques pouvant varier entre 350 et 650 kg/m 3 (béton ordinaire : 2400 kg/m 3 ). Les cellules occupent 80% du volume total. On distingue deux sortes de cellules : les macrocellules (0,5-2 mm) formées lors du dégagement d hydrogène et les microcellules, de dimension capillaire, formées lors de l expansion de la masse et réparties dans la partie consistante de cette masse. échelle 1/1 Répartition des cellules en fonction de leur diamètre volume cumulé des cellules (%) mm masse solide microcellules macrocellules diamètre (mm) 2mm Pour un béton cellulaire de 450 kg/m 3, la répartition en volume des cellules est de : Macrocellules 50% Microcellules capillaires réparties dans la masse solide 30% Au total le volume d air représente donc 80% du volu me du béton cellulaire, tandis que la masse solide est de 20%. 1m 3 de matières premières permet donc de produire 5m 3 de matériau de maçonnerie en béton cellulaire. Cette très grande économie de matières premières est l un des aspects écologiques du béton cellulaire. A titre d information, la surface des cellules dans 1 kg de béton cellulaire est de 20 m 2. Reportée au m 3, elle est de +/ m 2. 23

24 4. Caractéristiques physiques et mécaniques Matières premières Béton cellulaire volume x 5 Il est extrêmement important que les cellules soient petites, sphériques et réparties de façon très homogène dans la masse. Les grandes cellules affaiblissent la résistance car le transfert des contraintes se réalise au travers des parois des cellules. Au plus grandes elles sont, au plus grande est la concentration des contraintes dans les parois. Ceci contrairement à ce qui se passe dans un béton ordinaire où le tranfert des efforts se fait au travers des granulats, le ciment servant de liant entre les agrégats. En adaptant minutieusement la recette de fabrication, on peut modifier le diamètre et le nombre de cellules (toujours fermées) et adapter la masse volumique (de 350 à 650 kg/m 3 ) 24

25 4.2 Masse volumique sèche apparente Les normes belges PTV (blocs) NBN B (éléments armés) et les normes européennes NBN EN (blocs) NBN EN (éléments armés), classifient qualitativement le béton cellulaire en catégories en fonction de leur masse volumique sèche apparente (classe ρ) et de leur résistance à la compression (classe f). Résistance moyenne à la compression (f bm ) Classe ρ Critères ρ kg/m 3 ρ < 400 kg/m 3 ρ kg/m 3 ρ < 450 kg/m 3 ρ kg/m 3 ρ < 550 kg/m 3 ρ kg/m 3 ρ < 650 kg/m 3 Catégories blocs : Désignation Classe f (N/mm 2 ) Classe ρ C2/400 2 ρ 400 C3/450 3 ρ 450 C4/550 4 ρ 550 C5/650 5 ρ 650 Catégories éléments armés : Désignation Classe f (N/mm 2 ) Classe ρ (kg/m 3 ) CC3/ ρ < 500 CC4/ ρ < 600 Sur demande, d autres catégories peuvent être produites par les fabricants. Classe f (N/mm 2 ) f2 f bm 2 f3 f bm 3 f4 f bm 4 f5 f bm 5 Les différentes catégories sont désignées par la lettre C pour les blocs et CC pour les éléments armés, suivi de l indication de la classe de résistance à la compression. Actuellement, les catégories qualitatives les plus courantes présentes sur le marché belge sont les suivantes : 25

26 4. Caractéristiques physiques et mécaniques 4.3 Résistance à la compression La résistance à la compression augmente en fonction de la masse volumique du béton cellulaire comme en attestent les tableaux extraits des normes belges PTV et NBN B repris au 4.2. Lors du calcul d un mur, il y a lieu de tenir compte de la résistance supérieure des maçonneries à joints collés (ce qui est le cas en béton cellulaire) par rapport à celles maçonnées à joints de mortier. De façon générale, les maçonneries en blocs de béton cellulaire collés de type C4/550 permettent la construction de bâtiments jusqu à 5 niveaux. Pour des performances supérieures, un type de densité plus élevée peut être préconisé par la firme productrice de béton cellulaire ou prescrit par le maître d œuvre, après calcul et sui vant la norme maçonnerie NBN B ou NBN EN (voir 4.9.2). Principe du transfert des contraintes dans le béton et le béton cellulaire 4.4 Résistance à la traction par flexion Tous les bétons sont nettement moins performants en traction qu en compression. A défaut de données expéri mentales, il y a lieu de prendre en considération les chiffres suivants : Pour le béton cellulaire, la résistance caractéristique à la traction pure représente 12% de la résistance en com pression. (f ctk = 0,12 f ck ) La résistance caractéristique à la traction par flexion est de 22% de la résistance en compression : f cflk = 0,22 f ck (NBN EN 12602). Valeurs caractéristiques de la résistance à la traction par flexion Classe f cflk f2 0,44 N/mm 2 f3 0,66 N/mm 2 f4 0,88 N/mm 2 f5 1,10 N/mm 2 Béton Béton cellulaire 26

27 4.5 Résistance au cisaillement Les valeurs à prendre en compte pour la résistance au cisaillement du béton cellulaire, sont les suivantes [24] : Catégorie CC3/500 0,07 N/mm 2 CC4/600 0,10 N/mm 2 τ 4.6 Module d élasticité (Valeur E) E s exprime en N/mm 2. Il est équivalent au quotient de la contrainte agissant sur un corps, par la déformation obtenue. A défaut de valeurs expérimentales, il y a lieu de calculer la valeur E suivant la norme NBN B et NBN EN E c = 5 (ρ sec - 150) [N/mm 2 ] avec ρ sec = masse volumique sèche en kg/m 3 Catégorie Ec CC3/ N/mm 2 CC4/ N/mm 2 L autoclavage des produits en béton cellulaire permet d obtenir un fluage moindre que celui du béton ordinaire. Le coefficient de fluage (phi) du béton cellulaire est de 0,3. [24] La flèche, sous surcharge permanente, est calculée en introduisant le module d élasticité à long terme E c, E c E c E c, = = 1 + phi 1,3 27

28 4. Caractéristiques physiques et mécaniques 4.7 Comportement dans le temps Séchage du béton cellulaire A la sortie de l autoclave, la teneur en humidité du béton cellulaire est de +/- 23% en volume. Comme l indique le graphique ci-dessous, la majorité de l humidité présente a disparu après 3 mois lorsque la construction en est encore au stade du gros œuvre. Courbe de séchage des blocs en béton cellulaire à température ambiante intérieure [24] Humidité en vol% Mur en blocs 18 de béton cellulaire de 200 mm d épaisseur Ce taux d équilibre peut varier légèrement en fonction de la masse volumique du béton cellulaire, comme l indique le tableau ci-dessous. Teneur en humidité d équilibre (en volume) en fonction de la masse volumique [22] Semaines Humidité d équilibre (%Volume) 10 8 Dans la pratique, compte tenu de l eau apportée par la mise en œuvre et les finitions, ainsi que par les intempéries en cours de chantier, le taux d équilibre de 2.5% en volume des maçonne ries en béton cellulaire de masse volumique 450 kg/m 3 est atteint après 12 à 24 mois d occupation du bâtiment suivant les conditions particulières d utilisation de la construction U v Masse volumique (kg/m 3 ) L eau résiduelle dans le béton cellulaire se retrouve sous diverses formes : d eau liée chimiquement (cristaux) d eau gélifiée dans les micropores et comme eau libre dans l air des capillaires et les macropores. 28

29 Pour le béton cellulaire, le retrait dû à ce séchage ne dépasse pas 0,2 mm/m - ce qui est nettement inférieur à celui des blocs de béton lourd. Comparaison de retrait dû au séchage pour différents matériaux Retrait dû au séchage pour le béton cellulaire [17] Retrait en mm/m Retrait en mm/m < 0,2 mm/m 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Blocs de béton Béton Béton cellulaire Terre cuite perforée Humidité en Volume% Retrait dû au durcissement Retrait dans le temps Retrait en mm/m Béton Le durcissement du béton cellulaire intervient en cours d autoclavage lors de la formation des cristaux de silicate de calcium hydraté (Tobermorite) qui lui donne sa résistance caractéristique. A sa sortie de l autoclave, le processus de durcissement est terminé et tout retrait ultérieur n est plus à craindre. Il n y a donc pas lieu d en tenir compte lors de la mise en œuvre jours Béton cellulaire Dilatation thermique Le coefficient de dilatation linéaire d un matériau est la variation de longueur d un élément de 1m par 1K de variation de température. Pour le béton cellulaire, ce coefficient de dilatation est de : m/mk A titre comparatif, voici le coefficient de dilatation liné aire de différents matériaux de maçonnerie (en m/ mk) : - brique m/mk - blocs silico-calcaires m/mk - granit m/mk - béton m/mk - béton cellulaire m/mk 29

30 4. Caractéristiques physiques et mécaniques Flèche des éléments armés en béton cellulaire Outre la flèche instantanée enregistrée lors du chargement de l élément, une déformation par fluage se poursuit faiblement et lentement dans le temps. Cet accroissement de flèche des dalles, sous l effet d une charge fixe permanente, diminue à mesure que les éléments avancent en âge. La relation âge/flèche fait l objet du tableau ci-dessous. Fluage des éléments armés en béton cellulaire [24] Flèche (en mm) Exemples de matériaux (valeurs EN 12524) : air µ = 1 béton cellulaire C2/400 µ = 5 C3/450, CC3/500 µ = 6 C4/550, CC4/600 µ = 7 terre cuite µ = 20 bois µ = 50 à 200 béton µ = 100 à 130 béton armé µ = 130 isolant synthétique µ = 20 à 300 polystyrène extrudé µ = 150 asphalte µ = PVC µ = verre µ = couverture métallique µ = Plus petite est la valeur µ, meilleure est la diffusion de vapeur d eau. Elle s évacue donc plus rapidement. Le béton cellulaire étant un matériau à valeur µ très basse, on dit de lui qu il respire Diffusion de vapeur Temps (en jours) La diffusion de vapeur au travers d une paroi poreuse est provoquée par la différence de pression de vapeur entre les 2 côtés de cette paroi. Cette différence de pression n a aucune action mécanique mais permet la diffusion de vapeur dans la direction de la chute de pression. Tout matériau de construction oppose une certaine résistance à cette diffusion dénommée coefficient de résistance à la diffusion de vapeur de valeur µ. La valeur µ de l air est de 1. Celle d un matériau indique com bien de fois la résistance à la diffusion de vapeur de ce matériau est supérieure à celle d une couche d air de la même épaisseur. Pour le béton cellulaire la valeur µ varie entre 5 et 10 en fonction de sa masse volumique. Celle d un matériau étanche est infinie ( ) Résistance aux agents chimiques La résistance aux agents chimiques du béton cellulaire est similaire à celle du béton lourd. L un et l autre résistent toutefois moins bien aux acides puissants que l on ne trouve habituellement pas en habitation ou en construction industrielle. Grâce à son alcalinité élevée, le béton cellulaire résiste aux pluies acides. Seuls quelques mm peuvent être légèrement altérés. 30

31 4.7.7 Absorption d eau En contact direct avec l eau (y compris la pluie) les matériaux absorbent l eau par capillarité suivant la formule : m (t) = A t w m (t) = eau absorbée par unité de surface (kg/m 2 ) pour une période t A = coefficient d absorption d eau (kg/(m 2.s 0.5 )) t w = temps en contact avec l eau (secondes) La valeur A du béton cellulaire varie entre et kg/(m 2. s 0.5 ). Elle est nettement inférieure à celle de la terre cuite ou du plâtre. Dans le cas du béton cellulaire, grâce aux cellules fermées, le transfert de l eau ne peut se faire que par la matière solide qui constitue les parois de celles-ci et qui ne représente que 20% du volume, ce qui ralentit très sensiblement la progression de l eau. Absorption capillaire pour différents matériaux [12] Absorption d eau (kg/m 2 ) Résistance au gel et dégel En général, les cycles gel et dégel ne causent pas de dégâts au béton cellulaire. Uniquement pour quelques constructions spéciales, des précautions doivent être prises, par exemple, la construction de chambres froides. En général, les matériaux poreux ne résistent pas au gel au-dessus d une teneur en humidité critique. Ceci est le cas tant pour le béton lourd que pour le béton cellulaire. Le seuil d humidité critique pour un béton cellulaire, type C4 n est atteint qu au taux de 45% du volume. En principe, ce taux n est jamais atteint sur chantier. Peu après l occupation de la construction, le taux se stabilise entre 2 et 4% d humidité en volume. Dans le cas où les murs extérieurs en béton cellulaire ne seraient pas protégés ou traités, ce taux peut atteindre 10%. Si le traitement des surfaces extérieures est souhaitable pour éviter une absorption d eau en surface diminuant ainsi le pouvoir isolant thermique du béton cellulaire, il est indispensable que la couche de protection soit perméable à la vapeur d eau. Si la cou che de protection est imperméable à la vapeur d eau, celleci se condense à la partie la plus extérieure du mur. Dans ce cas, elle peut atteindre la saturation et ainsi dépasser le taux d humidité critique avec, comme conséquence, des dégâts dus au gel. Ce principe est va la ble pour la plupart des matériaux. Pour qu un revêtement soit perméable à la vapeur d eau, il doit répondre aux critères de Künzel, à savoir : Temps (heures) 1. Plâtre 1390 kg/m 3 2. Brique pleine 1730 kg/m 3 3. Béton cellulaire 600 kg/m 3 4. Silico-calcaire 1770 kg/m Coefficient d absorption d eau : A 0,5 kg/(m 2.h 0,5 ) Résistance à la diffusion de vapeur d eau : S d 2 m où S d = µ.d, soit le coefficient de résistance à la diffusion de la vapeur d eau multiplié par l épaisseur. Le produit de ces deux paramètres est soumis à l exigence suivante : A S d 0,2 kg/(m.h 0,5 ) 31

32 4. Caractéristiques physiques et mécaniques 4.8 Environnement et qualité de vie Le critère incidence des matériaux de construction sur l environnement et la qualité de vie, longtemps né gligé, fait maintenant partie du souci quotidien de chacun et est enfin soutenu par une volonté politique. Si en Belgique, les actions évoluent, certains pays, dont l Alle magne en tête, en ont pris conscience depuis longtemps. Un laboratoire officiel, le Bundesverband für Baubiologische Produkte à Stuttgart, analyse, depuis plusieurs années, l aspect écologique des matériaux de construction. Il a décerné le label Produit vert au béton cellulaire. Le béton cellulaire participe, à plus d un titre, au respect de la nature et de l environnement Recyclage En cours de fabrication, les chutes liées au découpage des produits aux dimensions voulues, sont intégralement réintégrées au circuit. Après l autoclavage, quelques surplus, limités à quelques pourcentages, sont broyés et récupérés pour d autres usages. La poudre d aluminium, utilisée en très faible quantité (0,05%), est elle-même un produit de recyclage. Sur les chantiers des surplus de produits en béton cellulaire peuvent être récupérés dans des Big Bags spéciaux. Les sacs énormes pleins peuvent être ramenés à l usine du béton cellulaire par l intermédiaire d un négociant. Le fabricant réintégra les morceaux récupérés dans le processus de fabrication pour en refaire des produits neufs Sauvegarde des ressources naturelles Les matières premières nécessaires à la fabrication de béton cellulaire sont : le sable, la chaux, le ciment et, en très faible quantité (0,05%), la poudre d aluminium. Toutes ces matières existent en abondance dans la nature et le béton cellulaire n en abuse pas, puisque 500 kg à peine suffisent à produire 1m 3 de produit fini, soit 1/3 environ de ce qui est nécessaire pour fabriquer d autres matériaux de gros œuvre. Récupération des déchets sur chantier et retour usine pour recyclage Besoins en énergie Grâce au procédé d autoclavage utilisé en cours de fabrication, 200 kwh suffisent à produire 1m 3 de béton cellulaire. Près de 90% de la vapeur d eau produite pour l autoclavage est réinjectée dans le circuit. Grâce à la légèreté du matériau, le transport est ré duit tant pour ce qui concerne les matières premières que pour les livraisons sur le chantier. Consommation de matières premières et d énergie nécessaire à la production de matériaux de construction [18] Briques Terre cuite cellulaire Consommation de matières premières en kg/m 3 Consommation d énergie en kwh/m 3 Béton cellulaire ρ=1.2 t/m 3 ρ=0.8 t/m 3 ρ=0.4 t/m Respect de l environnement La fabrication du béton cellulaire ne dégage aucun gaz toxique et n entraîne aucune pollution de l eau Evacuation des surplus de chantier La faculté de scier le béton cellulaire au mm près, permet l utilisation de la quasi-totalité des produits livrés, ce qui réduit à un minimum les chutes à évacuer Qualité de vie Par ses qualités d isolation et d inertie thermiques, le béton cellulaire assure non seulement des économies d énergie et le respect de l environnement, mais contribue également à un confort de l habitat tout à fait particulier, tant en été qu en hiver.les murs construits uniformément en béton cellulaire ne présentent pas de ponts thermiques et évitent ainsi les condensations et les moisissures qui en résultent. Grâce à leur valeur µ de résistance à la diffusion de vapeur d eau très favo rable, les murs en béton cellulaire respirent bien et contribuent à la qualité de l air ambiant des locaux.

33 La radioactivité éventuellement émise dans les constructions est due, principalement, à la présence de Radium (Ra 226) et/ou Thorium (Th 232) dans le sous-sol et dans les matériaux utilisés. Parmi ceux-ci, le béton cellulaire est un de ceux qui en contiennent le moins, comme en atteste le tableau ci-dessous. Emissions radioactives moyennes de différents matériaux de construction (pci/g) [19] La très faible radioactivité du béton cellulaire provient du fait qu il est principalement composé de sable pur (± 70%), une matière première dont la radioactivité est très faible (en moyenne 3 fois moindre que celle de l argile utilisé pour fabriquer les briques) et qu il en faut relativement peu pour obtenir 1m 3 de produit fini (à nouveau 3 fois moins que pour la plupart des autres matériaux porteurs de gros œuvre Cycle de vie Ra 226 Th 232 Brique en terre cuite 2,5 2,3 Béton 0,8 1 Plâtre 19 0,7 Silico-calcaire 0,7 0,7 Béton cellulaire* 0,3 0,3 *Mesures effectuées au laboratoire des sciences naturelles de l Université de Gand. Un développement durable est un développement qui répond aux besoins d aujourd hui sans compromettre la satisfaction des besoins des générations suivantes. La construction durable comprend plusieurs axes : - l efficacité énergétique des bâtiments, qui est déterminée e.a. par l isolation thermique du bâtiment - utilisation de matériaux à faible impact environnemental, donc des matériaux qui préservent la nature et l être humain durant tous leurs cycles de vie. - diminution des déchets de construction et de démolition La politique évolue aujourd hui vers le concept du développement durable, vers une responsabilisation pour toutes les phases du cycle de vie d un produit. Un nouveau concept a été défini : l engineering du cycle de vie. Cet engineering va concilier les impératives environnementaux et les impératives économiques, et va donc prendre en compte tous les cycles de vie des matériaux. Cela signifie moins de matières premières, d énergie, de déchets, d emballages et plus de recyclage, avec pour objectif de diminuer les coûts de production et d obtenir un meilleur bilan écologique. L engineering des produits suppose également la création de produits ergonomiques, avec plus de conforts pour les utilisateurs.le béton cellulaire répond parfaitement aux exigences d aujourd hui, permet de construire durablement et montre un cycle de vie optimal. 4.9 Calcul de la maçonnerie portante soumise à une charge verticale Selon NBN B (mars 1980) Les calculs sont effectués selon la méthode des contraintes admissibles. La résistance de la maçonnerie se calcule sur la base des essais réalisés sur des matériaux ou sur des éléments de construction f k par essais sur des matériaux de construction Les blocs de béton cellulaire sont agréés BENOR. a) Résistance caractéristique à la compression : f bk Cette valeur est calculée sur la base de la valeur moyenne f bm obtenue lors d une série d essais de compression effectués sur des blocs individuels conformément à NBN B b) Résistance caractéristique à la compression corrigée : (f bk ) corr Il s agit d une valeur corrigée utilisée afin de tenir compte du format des différents blocs. L échantillon standard est un cube de 200 mm de côté. Cette valeur est le résultat de la division de f bk par un facteur de forme c. (f bk ) corr = f bk c Le facteur de forme pour des blocs en béton cellulaire est environ égal à 1. Dimensions (mm) Facteur de forme c 600 x 250 x 150 1, x 250 x 200 1, x 250 x 240 1, x 250 x 300 1,0991 c) Catégories de mortier Les différentes catégories de mortier sont déterminées sur base de leur résistance moyenne mesurée selon NBN B Il existe 5 classes différentes de mortier : M1 à M5. Le mortier colle pour le béton cellulaire appartient à la classe M2 et affiche une résistance à la compression de 12 N/mm 2. 33

34 4. Caractéristiques physiques et mécaniques Selon NBN EN , Eurocode 6 avec DAN (juin 1998) La norme belge NBN B sera progressivement remplacée par la norme européenne. Depuis 1998, il existe un DAN (document d application national) sur EN (Design of masonry structures. General rules for buildings. Rules for reinforced and unreinforced masonry (1995)). L EN est valable 3 ans, avec une prolongation éventuelle de 2 ans à partir de sa publication. Pendant ce temps, les états membres utilisent la norme telle qu elle, ou doivent introduire des propositions visant à modifier certaines dispositions. Ces modifications sont reprises pour chaque pays dans le DAN. En Belgique, le DAN est élaboré et publié par l IBN. Pour l instant, deux normes sont donc en vigueur en Belgique : - la NBN B 24, ratifiée par un A.R. - le DAN relatif à la NBN EN d) Résistance caractéristique à la compression de la maçonnerie : f k Sur la base de la résistance caractéristique corrigée à la compression (f bk ) corr et du type de mortier, il est possible de déterminer la valeur f k au moyen du tableau 5 de la norme NBN B Il est supposé en pratique que la résistance de la maçonnerie réalisée en blocs de béton cellulaire et mortier colle n est pas réduite par la liaison des blocs au moyen du mortier colle. En effet, le mortier utilisé affiche une résistance à la compression 3 à 4 fois supérieure à celle des blocs. On admet donc que f k = (f bk ) corr f k par essais sur murets Il est également possible de déterminer f k directement par des essais sur murets. Après avoir déduit la valeur f k, le calcul proprement dit peut être entrepris. La résistance à la compression admissible f adm est une fraction de f k et peut être calculée en divisant f k par un coefficient de sécurité de 4,5. Cette résistance à la compression admissible est multipliée par un coefficient de minoration F afin de tenir compte de l élancement du mur et de l excentricité de la charge appliquée, ce qui mène aux contraintes admissibles dans le mur. Dans la pratique, il est souhaitable d encourager l application du DAN pour EC 6 car, dans un futur proche, celui-ci remplacera la norme NBN Le DAN relatif à la NBN EN est explicité ci-après, avec des exemples de calcul pour le béton cellulaire. Nous nous attarderons aux murs porteurs non armés soumis à des charges verticales. Dans la pratique, il est conseillé de placer des armatures dans les joints de maçonnerie, ce qui augmente les résistances en traction, flexion et compression de la maçonnerie. Les détails de calcul de la maçonnerie armée ne sont pas explicités ici, mais sont repris dans l Eurocode 6. Le calcul est effectué selon la méthode de l état limite extrême. La résistance de la maçonnerie se calcule sur base des essais réalisés sur des matériaux ou sur des éléments de construction. Les calculs effectués sur base d essais réalisés sur matériaux étant plus courants, nous allons étudier ce cas-ci Résistance à la compression normalisée des blocs de maçonnerie : f b La résistance moyenne est obtenue sur des cubes séchés à l air de 100 mm de hauteur et de côté. Il convient de vérifier encore si: la contrainte produite f adm F 34

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