1. La formulation d'un béton 
 Domaines d'application 
 Composition 
 Vieillissement du béton 
 2. Types de béton 
 Béton coffré 
 Béton projeté 
 Anneaux et voussoirs 
 Béton soumis au feu 
 Quelques références 
Béton projeté
Bibliographie Béton projeté
[1]
Sylvie GEROMEY, Recommandations pour la formulation des bétons projetés, CETU, septembre 1999
[2]
Tom MELBYE, Sprayed Concrete for Rock Support, MBT, 1994
[3]
Recommandations Clouterre 1991, pour la conception, le calcul, l’exécution et le contrôle des soutènements réalisés par clouage des sols, 1991
[4]
Additifs 1999 aux recommandations CLOUTERRE, document provisoire, pour la conception, le calcul, l’exécution et le contrôle des soutènements réalisés par clouage des sols, Ponts Formation Edition, 1999
[5]
Ministère de l'équipement, des transports et du logement, Dossier pilote des tunnels - Génie Civil, CETU, juillet 1998
[6]
J.L. Willocq, Le béton projeté, Ind Miner, Mines Carr, novembre 1995
[7]
T.A. BURGE, Le béton projeté - problèmes posés par le gunitage à sec
[8]
H. HUBER, M. PAUSER, The Guidelines "Sprayed Concrete" and "Concrete For Inner Linings", 2003
[9]
D. VILLANUEVA, Bolting for cover, World Tunnel, février 2002
Le matériau béton projeté Caution
Qu'est ce que le beton projete?
Le béton projeté est très certainement le matériau qui suscite le plus d'intérêt dans le monde des tunnels.
Dès son apparition, il est apparu comme une solution pratique au renforcement des voûtes des mines par sa facilité, et sa flexibilité d'emploi. Un bref historique sur l'origine de se moyen de renforcement ne peut que s'imposer dès lors.
On peut dire que le béton projeté est un matériau à part entière tant ses composition, ses moyens d'application ou ses performances diffèrent des béton traditionnels. Pour en savoir plus sur toutes les différences que ce matériau, vous pouvez vous reporter à la section le matériau béton projeté.
Historique
C’est en 1907, que Carl Etah Akeley, naturaliste américain, eut l’idée de projeter un mortier pour des raisons professionnelles (projection sur des maillages pour construire des dinosaures artificielles). Voyant l’importance de son invention et les possibilité de celle-ci, il décida de décida de déposer un brevet, et de fonder la « Cement Gun Company ». Sa machine fonctionnait selon le principe du sas : le mélange sec introduit passait par deux chambres pressurisées alternativement, puis était transportée jusqu’à la lance où il était mouillé, puis projeté contre une surface.
Dès 1920, ce produit connu une internationalisation avec une utilisation massive pour le revêtement d’ouvrage et de galerie, surtout dans le domaine minier.
C’est seulement en 1940 qu’on vit apparaître la première machine utilisant le principe de la vis d’Archimède, permettant ainsi l’application d’un flux continu.
Aujourd'hui
Il existe deux méthodes différentes pour l'application du béton projeté :
  • la méthode par voie sèche (dry-mix method)
  • la méthode par voie humide (wet-mix method)
Suivant les méthodes d'application, on rencontre différents moyens de conditionnement, qui dépendent également de la provenance du mélange.
Pour citer quelques avantages particuliers du béton projeté rapidement, on peut citer : Flexibilité d'emploi et Rapidité d'exécution.
Composition du béton
Il n'existe pas à proprement parlé d'un composition type du mélange suivant le mode de projection utilisé. Chacun de ces mélange est constitué des matériaux de base : les granulats, le ciment et l'eau. Cependant, on peut citer leur valeur moyenne :
  • Granulats : 2,69 tonnes/m3
  • Ciment : 3,15 tonnes/m3
  • Eau : 1 tonnes/m3
Mélange pulvérulent faiblement humide
On préconise généralement une composition faite pour 1000 litres apparents de granulats, une quantité de 300 kg de ciment. Une autre composition préconise 400 kg de ciment pour 1150 kg de sable et 450 kg de graviers.
Mélange pulvérulent sec
Mélange colloïde
Comme la pojection par voie humide mobilise un compactage plus faible, il faut avoir au départ un mélange plus lourd. La composition généralement proposée est la suivante : 1200 kg de sable, 500 kg de graviers, 450 kg de ciment et 200 litres d'eau.
Définition, historique
Le béton projeté dans les tunnels
Utilisé pour le soutènement, il apporte un confinement immédiat après l’excavation et aide le terrain à se stabiliser (voir TOS n° 164 mars/avril 2001 « Conception et dimensionnement du béton projeté utilisé en travaux souterrains »)
Pour l’exécution d’un revêtement définitif, il est utilisé lorsqu’une solution par coffrage est délicate à mettre en place
Dans les travaux de réparations le béton projeté est utilisé:
soit par coque indépendante ou confinée à l’intrados existant
soit par contre-voûte adhérente (renforcement)
En ouvrage souterrain, le béton projeté de soutènement peut remplir trois rôles différents, en fonction :
- des propriétés mécaniques du terrain
- de la profondeur de l’ouvrage
Pour des terrains peu fracturés et suffisamment résistants :
- Son rôle se limite à un simple effet de « peau protectrice ».
- Ce soutènement intervient uniquement vis-à-vis de phénomènes de surface, à une échelle allant de quelques millimètres au décimètre. Il n’est pas sollicité mécaniquement.
Cette peau doit être souple et déformable et le module du béton projeté doit rester faible (environ 20 GPa).
Pour des terrains relativement moins résistants :
- Son rôle de « peau protectrice » est associé à un renforcement de l’anneau du terrain porteur autour de la cavité. Le plus souvent on a recours à un boulonnage systématique en paroi, on parle alors de «  peau résistante ».
- Son action, à la fois en surface et en profondeur, va de quelques centimètres à un mètre. Au-delà, ce sont les boulons qui jouent le rôle essentiel du soutènement.
- Il est sollicité mécaniquement en fonction des courbures de la paroi :
soit comme un filet tendu
soit comme une coque comprimée
Pour des terrains non boulonnables, ou des tunnels à faible profondeur :
-    Le béton projeté a un rôle porteur, il est dimensionné comme un « anneau de structure ».
-    Il doit être continu et avoir une courbure aussi régulière      que possible.
-    Il est sollicité mécaniquement.
L’anneau de béton est dimensionné pour reprendre à la fois des efforts normaux et des moments.
Pour les réparations par contre-voûte adhérente, il s’agit généralement d’ouvrages en maçonnerie,
où il convient de conserver le caractère «  souple  » de la maçonnerie.
La contre-voûte projetée, limitée en épaisseur,  présente un caractère ductile. Elle est renforcée par un treillis soudé ou des fibres. Elle est connectée au support. Ces ouvrages ne sont pas calculés.
Ce sont des structures composites et la contre-voûte sert de confinement.
Pour les coques indépendantes
Les règles applicables pour le dimensionnement du béton projeté armé sont celles du BAEL.
     
L’association Asquapro
Constituée à l’initiative de maîtres d’ouvrage institutionnels, son objectif est de promouvoir la qualité de la projection. Elle regroupe des maîtres d’ouvrage, des bureaux de contrôle, des bureaux d’études, des entreprises spécialisées en projection de béton, des fournisseurs de matériaux, des fabricants et des fournisseurs de matériels.
Asquapro édite des fascicules techniques :
° Recommandations hygiène et sécurité
° Domaine d’emploi et présentation des fascicules ASQUAPRO
° Mise en œuvre
° État des connaissances sur le dimensionnement
° Formulation
° Contrôles
° Glossaire
Asquapro milite pour la certification des porte-lances et des pilotes de robot.
Elle contribue à la garantie de qualité des travaux.
Ses recommandations peuvent être imposées dans les marchés.
Les documents Asquapro sont ou seront disponibles sur le site Internet de l’association:
béton standard
Le matériau projeté n’est pas seulement une technique de mise en œuvre du béton, c’est avant tout un matériau à part entière avec ses propres compositions, ses propres techniques de mise en œuvre, ses propres essais et recommandations.
La projection consiste à conduire un mélange sec ou humide jusqu’à la lance où il est projeté contre une surface au moyen d’un jet d’air comprimé. Le compactage est réalisé par la projection du béton.
En comparaison à un béton traditionnel, le mélange ne diffère guère en terme de composition. On y retrouve les constituants principaux :
  • ciment
  • sable
  • gravier
  • eau
mais celui-ci est possède un rapport E/C moins élevé car la projection crée des pertes de matériaux, mais nous en reparlerons plus loin. Le béton admet également une granulométrie continue et peu grossière; le diamètre des grains sont généralement limité à des diamètres de 10 mm, voire 16 mm pour les travaux de importants en voie humide.
Tableau extrait de [1]
Ces différences confèrent au béton projeté de multiples avantages et inconvénients; ce sont les interactions de ces différentes caractéristiques qui détermineront les domaines d’application de ceux-ci que nous développons dans les pages suivantes.
On rencontre à l'heure actuelle trois types de mélange:
  • les mélange pulvérulents
  • les mélange colloïdes fermes
  • les mélanges colloïdes plastiques
Les différents mélanges
Mélange pulvérulent
Mélange constitué de granulats, de ciment et éventuellement de fines, humide ou sec. Lorsque le mélange est dit humide, l'eau provient de l'humidité des granulats ou d'un malaxage avec ajout d'eau de pré-mouillage. Cette quantité d'eau reste limitée à quelques pourcents et ne doit pas dépasser 6% en poids afin de ne pas modifier le caractère pulvérulent du mélange
Mélange colloïde
Mélange consitué des différents composants du béton (ciment, granullats, eau et éventuellement fines) ayant une texture visqueuse, collante et pâteuse tel un béton traditionnel. On dissocie selon leur teneur en eau, les mélanges fermes et plastiques.
Cette dissociation s'effectue généralement par le biais d'un essai d'affaissement au cône.
Composition et mélanges
Composition du béton
Il n'existe pas à proprement parlé d'un composition type du mélange suivant le mode de projection utilisé. Chacun de ces mélange est constitué des matériaux de base : les granulats, le ciment et l'eau. Cependant, on peut citer leur valeur moyenne :
  • Granulats : 2,69 tonnes/m3
  • Ciment : 3,15 tonnes/m3
  • Eau : 1 tonnes/m3
Mélange pulvérulent faiblement humide
On préconise généralement une composition faite pour 1000 litres apparents de granulats, une quantité de 300 kg de ciment. Une autre composition préconise 400 kg de ciment pour 1150 kg de sable et 450 kg de graviers.
Mélange pulvérulent sec
Mélange colloïde
Comme la pojection par voie humide mobilise un compactage plus faible, il faut avoir au départ un mélange plus lourd. La composition généralement proposée est la suivante : 1200 kg de sable, 500 kg de graviers, 450 kg de ciment et 200 litres d'eau.
Le matériau projeté n’est pas seulement une technique de mise en œuvre du béton, c’est avant tout un matériau à part entière avec ses propres compositions, ses propres techniques de mise en œuvre, ses propres essais et recommandations.
La projection consiste à conduire un mélange sec ou humide jusqu’à la lance où il est projeté contre une surface au moyen d’un jet d’air comprimé. Le compactage est réalisé par la projection du béton.
En comparaison à un béton traditionnel, le mélange ne diffère guère en terme de composition. On y retrouve les constituants principaux :
  • ciment
  • sable
  • gravier
  • eau
Mais celui-ci est possède un rapport E/C moins élevé car la projection crée des pertes de matériaux, mais nous en reparlerons plus loin. Le béton admet également une granulométrie continue et peu grossière; le diamètre des grains sont généralement limité à des diamètres de 10 mm, voire 16 mm pour les travaux de importants en voie humide.
Tableau extrait de [1]
Ces différences confèrent au béton projeté de multiples avantages et inconvénients; ce sont les interactions de ces différentes caractéristiques qui détermineront les domaines d’application de ceux-ci que nous développons dans les pages suivantes.
On rencontre à l'heure actuelle trois types de mélange :
  • les mélanges pulvérulents
  • les mélanges colloïdes fermes
  • les mélanges colloïdes plastiques
Les différents mélanges
Mélange pulvérulent
Mélange constitué de granulats, de ciment et éventuellement de fines, humide ou sec. Lorsque le mélange est dit humide, l'eau provient de l'humidité des granulats ou d'un malaxage avec ajout d'eau de pré-mouillage. Cette quantité d'eau reste limitée à quelques pourcents et ne doit pas dépasser 6% en poids afin de ne pas modifier le caractère pulvérulent du mélange
Mélange colloïde
Mélange consitué des différents composants du béton (ciment, granullats, eau et éventuellement fines) ayant une texture visqueuse, collante et pâteuse tel un béton traditionnel. On dissocie selon leur teneur en eau, les mélanges fermes et plastiques.
Cette dissociation s'effectue généralement par le biais d'un essai d'affaissement au cône.
Mesh reinforced shotcrete
Béton projeté fibré
type de fibre
Provenance / Conditionnement
Le mélange à projeter peut être constitué :
  • soit sur chantier,
  • soit dans une centrale à béton,
  • soit en usine.
Ce mélange peut ou non être déjà être constitué de son eau de gâchage. Le choix de la provenance du mélange est à réaliser selon les quantité à envisager, la complexité de la formulation et de ces constituants, et la rigueur de confection du mélange.
Confectionné sur site
Provenance et conditionnement
Le mélange à projeter peut être constitué :
  • soit sur chantier,
  • soit dans une centrale à béton,
  • soit en usine.
Ce mélange peut ou non être déjà être constitué de son eau de gâchage. Le choix de la provenance du mélange est à réaliser selon les quantité à envisager, la complexité de la formulation et de ces constituants, et la rigueur de confection du mélange.
Confection sur chantier
Les différents constituants sont livrés sur le site. Cette solution n'est envisageable que pour des quantités restreintes, donc pour de petits chantiers de projection.
On réalise ainsi plusieurs gachée dans une bétonnière (±400 litres). L'inconvénient de cette méthode est donc la discontinuité entre chaque gâchée. Il est donc concevable que lorsque la formulation du mélange est bien définie d'éliminer cette méthode. De plus, l'humidité présente dans les granulats (présence due au stockage sur le chantier) présente un paramètre à tenir compte lors de la projection par voie humide.
L'avantage de la méthode est de pouvoir utiliser les matériaux locaux, et les matériaux de rebond limitant ainsi les frais de transport. Son utilisation représente donc généralement un avantage financier.
En terme de granulométrie, cette méthode demande une analyse poussée des matériaux locaux utilisés, et une mesure de leur teneur en eau (limitée à 6% du poids du mélange).
Confectionné Centrale à béton
Confection en centrale
La composition du mélange correspond parfaitement à la formulation requise en terme de quantité. Cependant, la constitution du mélange est souvent limitée aux matériaux disponibles à la centrale. Dans le cas de gros chantier, il est envisageable d'apporter les constituants nécessaires, mais dans le cas de moindre chantier, cette aspect entraine un surcoût.
Comme précédemment, il faut tenir compte de l'humidité présente dans les granulats(limitée à 6% du poids du mélange).
La livraison sur le chantier s'effectue au moyen de :
  • par toupies (mélange plastique)
  • par camions bennes (mélange pulvérulents)
Il faudra par ailleurs tenir compte des inconvénients dus au transport du mélange :
  • perte d'oeuvrabilité,
  • (dés/)hydratation du mélange pour les mélanges plastiques (accentué en été lors de forte chaleur ou lors de pluie),
En y incorporant les adjuvants nécessaires. Il est également préférable, pour éviter au maximum tous ces inconvénients de choisir une centrale à béton à proximité du chantier.
De plus, cette méthode implique l'utilisation immédiate (dans l'heure suivant la confection du mélange) du mélange, et ce principalement dû aux problèmes de teneur en eau tant pour les mélange humide, que pour les mélanges dits "secs".
Confectionné en usine
Confection en usine
Le mélange est confectionné selon les proportions demandés et est acheminé soit par sacs, big- bags ou par silos ; ce qui permet d'approvisionner les petits et gros chantiers.
De plus, la teneur en eau est absolument nulle, ce qui permet le conditionnement du mélange durant de longues périodes. Cette méthode permet donc la composition de mélange complexe, ou de composition bien spécifique.
Performances du béton projeté Caution
Les performances du béton projeté dépendent de plusieurs paramètres :
  • types de ciments
  • types de granulats
  • additifs
  • dosage de ces trois composants
  • méthode de projection
  • projeteur
Les performances demandées peuvent varier suivant l'application que l'on veut en faire. On peut citer résistance mécaniques précoces élevées, épaisseur de couche par passe, résistance au gel/dégel, ...
En général, on peut simplifier en disant que les performances recherchées sont les suivantes :
  • résistance précoce élevée
  • stabilité des résistances à long terme
  • adhérence à la paroi
  • possibilité de projeter des couches épaisses en une seule passe
A l'heure actuelle, on semble également rechercher, de part une plus grande sensibilisation à l'environnement et à l'homme, de nouveaux additifs peu toxiques et peu alcalins.
Performances recherchées
Les caractéristiques des bétons projetés sont fonction du procédé utilisé (voie sèche – voie mouillée) et de la compétence du porte lance ou du pilote de robot.
Résistance en compression:
Le procédé voie sèche permet la mise en œuvre de bétons jusqu’à la classe C60/75.
Le procédé voie mouillée permet la mise en œuvre de bétons jusqu’à la classe C35/45.
Coefficient de POISSON (valeurs moyennes)
Pour le procédé voie sèche  :  v=0.21 et pour le procédé voie mouillée :  v=0.23
Retrait
Pour la voie mouillée, la valeur du retrait est comparable à celle d’un béton coulé.
Pour la voie sèche, la valeur du retrait est pratiquement 3 fois plus faible que celle de la voie mouillée
Fluage
Du même ordre pour les deux procédés, et inférieur à celui d’un béton coulé de résistance équivalente.
Adhérence béton support/béton projeté :
Pour la voie sèche il a été vérifié que « lorsque les règles de l’art relatives à l’exécution du béton projeté sont respectées, le plan de liaison entre béton projeté et béton ne constitue pas un plan de faiblesse ».
La structure renforcée a un comportement monolithique.
Pour la voie mouillée, la valeur de l’adhérence reste inférieure à 1 MPa.
Adhérence acier/béton projeté
Les essais du LCPC ont permis de vérifier que l’adhérence de l’acier et du béton projeté est au moins équivalente à celle de l’acier et du béton coulé, sous condition d’un bon enrobage des armatures lors de la projection !
Résistance précoce élevée
Stabilité des résistances à long terme
Adhérence à la paroi
Possibilité de couche épaisse / passe
Essai de caractérisation
Contrôle de qualité
Le contrôle de la qualité est primordial pour obtenir un bon béton projeté. Ce contrôle doit s'exercer à plusieurs niveaux :
  • contrôle des ingrédients - examens des fiches fournisseurs - essais,
  • contrôle de la compatibilité des divers ingrédients entre eux,
  • essais de convenance - afin de démontrer que la recette proposée permet d'obtenir les performances recherchées,
  • essais durant les travaux - sur le béton frais - sur le béton durci
Il semble utile d'insister sur un point : les essais de laboratoire ne permettent en général pas de prévoir les résistances obtenues sur site aux très jeunes âges du béton (moins de 12 heures). Ceci est dû au fait que les éprouvettes ne reproduisent pas la même auto- compaction que l'on retrouve lors de la projection sur le site.
Les éprouvettes
Le béton projeté est, à l'heure actuelle, soumis aux mêmes règles et lois technologiques qu'un béton traditionnelle coulé. Cette association avec le béton classique a donc tendance à exiger du béton projeté les mêmes qualités qu'un béton traditionnel tout en profitant de ses caractéristiques propres. De plus, les essais utilisés pour caractériser le béton projeté sont quasiment identiques que pour le béton traditionnel. Les rares essais spécifiques émanent de caractéristiques propres inexistantes pour un béton traditionnel. Le béton projeté n'est réellement qu'après projection sur son support différent du béton traditionnel (pertes et auto- compaction).
Les essais caractéristiques de celui-ci doivent donc se faire directement à partir du béton projeté sur son support soit par carottage, soit par projection sur un moule.
Les carottes idéales doivent avoir un rapport hauteur sur diamètre de 2. Ce qui implique que pour de faibles épaisseurs, il est impossible de réaliser un carottage sur l'ouvrage. Ainsi lorsque l'épaisseur est trop faible pour effectuer directement le carottage sur l'ouvrage, on procède à la fabrication de carottes par projection d'une minimale de 15 cm dans des caisses normalisées (0,5 m x 0,5 m) remplies de la même manière que l'on a projette le mur.
Le risque avec le béton projeté, si on prélève les échantillons à très jeune âge, est que celui-ci est sensible au remaniement. On convient par expérience que l'on peut effectuer le carottage lorsque la résistance à la compression vaut au moins 5 MPa.
Les différents types d'essais
Les propriétés mesurables
Le béton projeté a de multiples applications du fait de ces nombreuses qualités. Le mode de mise en oeuvre implique le contrôle des caractéristiques finales. Ainsi en fonction du travail à réaliser et des exigences finales, on procède au contrôle de certaines caractéristiques. En voici une liste :
  • L'aspect : inclusions d'air, retassures
    Ces différents défauts sont facilement observables de visu sur une prélèvement effectué par carottage. Ce contrôle est cependant objectif et peu quantifiable. Ces types de défauts ont une incidence direct sur les performances mécaniques du béton. Ces défauts peuvent provenir d'une incompétence du projeteur, ou d'une erreur de formulation du mélange à projeter (trop importante teneur en fines ou manque d'eau).
  • L'adhérence : au support, entre 2 couches, aux armatures
    Celle-ci est quantifiable de diverses manières : traction directe, traction en laboratoire, essai de cisaillement. Un autre essai qui existe est l'essai par pastillage réalisé in-situ, cependant il est peu utilisé du fait de son manque de fiabilité.
    L'adhérence entre couches ou au support peut être controlé si l'épaisseur est faible au moyen d'un marteau à percussion lorsque le béton est suffisamment durci. Cependant, ce type d'essai nécessite une bonne oreille et ne permet pas de quantifier le défaut, ni de le localiser sur l'épaisseur.
    L'adhérence aux armatures peut être vérifié au moyen d'essais d'arrachement.
    Cette propriété est quasiment systématiquement mesurée, même si cette qualité n'est pas toujours nécessaire.
  • La porosité : capillarité, macro-porosité, porosité totale
    En Amérique du Nord, cette propriété est considérée comme significative de la qualité du béton. Ainsi il est convenu que pour des valeurs de porosité inférieures à 19 %, le béton est de bonne qualité. Cependant, ce critère semble avoir des contre-exemples. Des essais réalisés en Afrique du Sud ont donné des porosités supérieures à 19 % tout en gardant des caractéristiques mécaniques acceptables.
    Il existe différents types de porosité :
    - la porosité capillaire résultant de l'hydratation du ciment,
    - la porosité macroscopique due à l'air entrainé et aux défauts de mise en oeuvre
    On peut aisément mesurer la porosité totale et capillaire, et obtenir à partir de ces deux valeurs la porosité macroscopique.
  • Le retrait :
  • L'élasticité :
  • La résistance : compression, traction, flexion, initiale, arrachage
  • La perméabilité, l'étanchéité, et la résistance aux cycles de gel/dégel :
  • Résistance au feu, aux agents chimiques :
  • L'épaisseur
  • La consistance du mélange :
En laboratoire
Sur chantier