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Revue de gnie industriel 2011, 6, 4-15

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Revue de

Gnie Industriel

ISSN 1313-8871

http://www.revue-genie-industriel.info

Formulation des btons hautes performances

Sabah Ben Messaoud *, Mezghiche Bouzidi

Dpartement de Gnie Civil, Universit de Biskra, Algrie

* Auteur correspondant : e-mail : [email protected]

Rvis et accept : le 15novembre 2011 / Disponible sur Internet : le 26 dcembre 2011

Rsum

La production de bton haute performance (BHP) a permis dlargir le domaine demploi des btons exposs un environnement agressif, grce la porosit limite, la grande durabilit, les qualits rhologiques et les proprits mcaniques remarquables par rapport des btons conventionnels. Son emploi se dveloppe fortement ; de nombreuses annes de recherche ont t ncessaires pour produire ce type de bton spcial. Lobjectif du travail est de fabriquer un BHP ayant des proprits (mcaniques, physiques, chimiques, physico-chimiques, rhologiques, de la durabilit et mise en uvre) trs levs. Dans ce but les objectifs suivants sont tudis : (1) La slection des matriaux de hautes qualits disponibles sur le march algrien ; (2) Ltude de la compatibilit ciment / superplastifiant ; (3) La formulation dun BHP qui se caractrise par des proprits mcaniques et physique intressantes.

Ltude exprimentale a port sur la compatibilit ciment / superplastifiant, leffet du rapport E/C (0,22 ; 0,25 ; 0,30 ; 0,5), leffet du remplacement dune partie du ciment par la fume de silice (8 %), leffet du remplacement combin dune partie du ciment par la fume de silice (8 %) et la pouzzolane naturelle (10 %, 15 %, 25 %) ainsi que leffet de fraction des granulats sur les proprits du bton frais et durci. La mthode de formulation de lUniversit de Sherbrooke a t utilise qui est facile raliser et donne de bons rsultats. Les rsultats obtenus permettent de conclure quil est possible de fabriquer un BHP dans notre Wilaya en utilisant les matriaux existants sur le march local, ce BHP a des bonnes proprits physiques et mcaniques.

Abstract

The production of high performance concrete (HPC) has broadened the field of application of concrete, due to the limited porosity, the high durability, excellent rheological and mechanical properties. His employment is growing strongly; many years of research were needed to produce this special type of concrete. This work aims to realize a HPC with improved properties (mechanical, physical, chemical, physico-chemical, rheological, durability and implementation). For this purpose the following objectives are considered : (1) The selection of materials and components available on the Algerian market ; (2) The study of the compatibility of cement / superplasticizer ; (3) In the final formulation of a HPC which is characterized by physical and mechanical properties of interest.

The experimental study focused on the compatibility of cement / superplasticizer, the effect of water/cement ratio (0,22 ; 0,25 ;0,30 ; 0,5), the effect of replacing a part of cement by silica fume (8 %), the effect of combined replacement of a part of cement by silica fume (8 %) and natural pozzolan (10 %, 15 %, 25 %) and the effect of fraction of aggregate on properties of fresh and hardened concrete. The mix design method of the Sherbrookes University has been used which is easy to realize and gives a good


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results. The results obtained allow concluding that it is possible to manufacture a HPC in our town with available materials at the local market; this HPC is with good mechanical and physical properties.

Mot-cls: ciment, granulat, superplastifiant, fume de silice, pouzzolane naturelle, bton haute performance, rsistance la compression, durabilit

Keywords : cement, aggregate, superplasticizer, Silica fume, natural pozzolan, high performance concrete, compressive strength, durability

Introduction

LAlgrie est lun des pays en voie de dveloppement, il adapte le programme de dveloppement durable dans tous les domaines surtout dans le domaine de lindustrie de construction, donc il est ncessaire de fabriquer des btons durables.

Les dveloppements rcents en technologie des ciments et des ajouts cimentaires (fume de silice, pouzzolane naturelle) et des super plastifiants ont men la production du bton haute rsistance ( 50 MPa) [1]. Sa haute rsistance est une fonction inverse de son contenu de vide total. Ainsi, le critre crucial dans la production du bton de haute rsistance est lutilisation de systmes de rapport E/C (Eau/Ciment) bas, couple une consolidation optimale et la cure du bton [2]. Plusieurs autres de ses caractristiques samliorent : la maniabilit, le module dlasticit, la rsistance la flexion, la permabilit et la durabilit [3].

Lutilisation des Btons Hautes Performance (BHP) est actuellement en plein dveloppement dans le domaine du gnie civil, notamment dans la construction des ouvrages dart. Le choix du BHP comme matriau a un impact sur les cots de construction initiaux (superplastifiant, fume de silice, ciment) mais la quantit de bton et de ferraillage est rduite. Il a aussi des consquences tout au long de la vie utile des structures. En effet, ce choix a des effets sur les activits dinspection, dentretien et de rparation ainsi que sur sa disposition la fin de sa vie utile. De plus, ces effets touchent galement les usagers de la structure, la socit, etc., donc le BHP est le bton le plus conomique long terme.

Cette tude sinscrit dans le cadre de la valorisation des matriaux locaux afin de fabriquer des BHP avec plusieurs caractristiques rhologiques et mcaniques amliores, la durabilit en premier lieu et visant laspect conomique en deuxime lieu. Ltude porte sur le comportement mcanique des btons base des diffrents types d'ajouts (fume de silice, pouzzolane naturelle).

Matriaux et Mthodologie

Ciment : le ciment utilis a t le CPJ-CEM II/A 42.5 provenant de la cimenterie de An Touta (wilaya de Batna).

Granulats: les graviers utiliss sont des concasss de nature calcaire de la rgion de Biskra (ZIANI). Ils sont de classes 5/15 et 15/25 (5/25), 5/10 et ayant un poids spcifique de 2,60, une humidit de 0 % avec coefficient de Los Angeles 23 %. Quant au sable provient de la rgion de Biskra (Lioua), il a un poids spcifique de 2,50 et un module de finesse de 2,52.

Superplastifiant : l'adjuvant utilis est un superplastifiant local de type MEDAPLAST HP. C'est une solution de polyacrylates, d'extrait sec 20 %, de couleur ocre clair et de pH=6-6,5.

Les ajouts : Deux ajouts ont t utiliss:

- Fume de silice: Il sagit dun MEDAPLAST HP adjuvant base de micro silice (Granitex), caractris par sa masse volumique absolue 2,2 ; sa taille des particules < 0,1 microns et sa teneur en silice > 85 %.


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- Pouzzolane naturelle: la pouzzolane naturelle utilise nous a t fourni par la cimenterie de An Touta, c'est une roche concasse sous forme de cailloux, avec une surface spcifique Blaine de 4000 cm2/g (aprs le broyage).

Analyse des rsultats l'tat frais

La compatibilit ciment/superplastifiant

La perte daffaissement, le retard de prise, le raidissement ou la perturbation de la teneur en air entran sont tous synonymes dincompatibilit ciment/superplastifiant (Atcin P.C., 2001). Ltude de la compatibilit ciment/superplastifiant (C/SP) est faite par lessai dcoulement des types cne Marsh.

La mthode utilise est celle de lUniversit de Sherbrooke qui consiste prparer un coulis et mesurer son temps dcoulement 5 et 60 minutes.

Les rsultats de la fluidit du coulis sont reprsents par une courbe donnant le temps dcoulement du systme C/SP en fonction du dosage en superplastifiant (Figure 1) :

- La combinaison C/SP tudie est compatible et le point de saturation est trs lev (4,2 %) parce que la teneur en extrait sec du superplastifiant utilis est plus ou moins basse (20 %).

- Les deux courbes sont trs proches parce que le PLASTACRYL 85 est un retardateur.

Figure 1. Temps dcoulement en fonction du dosage de superplastifiant.

Composition des btons

La mthode de formulation adopte pour le mlange des constituants entrant dans la composition du bton est celle de lUniversit de Sherbrooke labore par P.C.Atcin et son quipe [4].

Les Tableaux 1 et 2 prsentent la formulation complte des 26 mlanges de bton pour des rapports eau / ciment ou eau/liant de 0,22 ; 0,25 ; 0,30 et 0,5.


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Tableau 1. Composition des mlanges de bton pour pierres concasses de fraction 5/15 et 15/25 proportion (50 %,50 %).

N E/C

(E/L)

Eau

l/m3

Ciment

kg/m3

Pierres concasses

kg/m3

Sable

kg/m3

Super-plastifiant

l/m3

Fume de silice (8 %)

kg/m3

Pouzzolane

naturelle

kg/m3

1re srie

1 0,22 133 637 1070 544 30,79 (1 %) / /

2 0,25 143 620 1070 520 35,96 (1,2 %) / /

3 0,30 150 517 1070 603 29,99 (1,2 %) / /

4 0,5 165 310 1070 768 17,98 (1,2 %) / /

2ime srie

5 0,22 138 648,6 1070 432 40,89 (1,2 %) 56,4 /

6 0,25 143 570,4 1070 502 35,96 (1,2 %) 49,6 /

7 0,30 150 475,64 1070 588 29,99 (1,2 %) 41,36 /

3ime srie

8 0,25 143 508,4 1070 492 35,96 (1,2 %) 49,6 62 (10 %)

9 0,25 143 477,4 1070 486 35,96 (1,2 %) 49,6 93 (15 %)

10 0,25 143 415,4 1070 476 35,96 (1,2 %) 49,6 155 (25 %)

11 0,30 150 423,94 1070 578 29,99 (1,2 %) 41,36 51,7 (10 %)

12 0,30 150 398,09 1070 575 29,99 (1,2 %) 41,36 77,55 (15 %)

13 0,30 150 346,39 1070 566 29,99 (1,2 %) 41,36 129,25(25%)

E/L : Eau/Liant.

E/C : Eau/Ciment.

Tableau 2: Composition des mlanges de bton pour pierres concasses de fraction 5/10 proportion (100 %).

N E/C

(E/L)

Eau

l/m3

Ciment

kg/m3

Pierres concasses

kg/m3

Sable

kg/m3

Super-

plastifiant

l/m3

Fume de

silice (8 %)

kg/m3

Pouzzolane

naturelle

kg/m3

1re srie

14 0,22 133 705 1070 452 40,89 (1,2 %) / /

15 0,25 143 620 1070 520 35,96 (1,2 %) / /

16 0,30 150 517 1070 603 29,99 (1,2 %) / /

17 0,5 165 310 1070 768 17,98 (1,2 %) / /

2ime srie

18 0,22 138 648,6 1070 432 40,89 (1,2 %) 56,4 /

19 0,25 143 570,4 1070 502 35,96 (1,2 %) 49,6 /

20 0,30 150 475,64 1070 588 29,99 (1,2 %) 41,36 /

3ime srie

21 0,25 143 508,4 1070 492 35,96 (1,2 %) 49,6 62 (10 %)

22 0,25 143 477,4 1070 486 35,96 (1,2 %) 49,6 93 (15 %)

23 0,25 143 415,4 1070 476 35,96 (1,2 %) 49,6 155 (25 %)

24 0,30 150 423,94 1070 578 29,99 (1,2 %) 41,36 51,7 (10 %)

25 0,30 150 398,09 1070 575 29,99 (1,2 %) 41,36 77,55 (15 %)

26 0,30 150 346,39 1070 566 29,99 (1,2 %) 41,36 129,25 (25 %)


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La maniabilit

Les rsultats obtenus sont rassembls sur les Tableaux 3 et 4.

Tableau 3.Affaissements des btons avec les pierres concasses de fraction 5/15 et 15/25

proportion (50 %,50 %),

Affaissements (cm)

E/C

(E/L)

1re srie

2ime srie

3ime srie

0,22 7 23 /

0,25 21 21 20 20 20

0,30 20 21 21 21 21

0,5 20 / /

Tableau 4. Affaissements des btons avec les pierres concasses de fraction 5/10 proportion (100 %).

Affaissements (cm)

E/C

(E/L)

1re srie

2ime srie

3ime srie

0,22 22 20 23

0,25 20 20 21 21 21

0,30 22 21 21 21 21

0,5 21 / /

On voit que lutilisation de 1 % de superplastifiant de la masse de ciment avec 140 l/m3 deau (selon la mthode de formulation de lUniversit de Sherbrooke) donne un bton plastique, mais lutilisation de 1,2 % de superplastifiant de la masse de ciment avec deau de 155 l/m3 donne toujours un bton fluide. Il suffit donc dajouter environ 0,2 % de superplastifiant et 15 L deau pour faire passer le comportement rhologique du bton dun comportement plastique un comportement fluide. Plus le rapport E/C ou E/L est rduit plus le bton est visqueux et ncessite la vibration. La fluidit de bton est augmente avec lutilisation de la fume de silice, en raison de leurs petites particules sphriques et de leur immense surface spcifique qui peuvent combler lespace entre les grains de ciment au lieu quil soit occup par leau et cause gnralement une rduction de la quantit deau exige pour le bton maniable (plus grande quantit deau libre qui va fluidifier le bton) [4].

Analyse des rsultats l'tat durcis

Caractristiques mcaniques

Rsistance la compression

A partir des courbes reprsentes dans les figures (2, 3) on remarque une augmentation sensible de la rsistance mcanique des chantillons labors avec E/C de 0,50 ; 0,30 ; 0,25 et 0,22.


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Figure 2. Evolution de la rsistance la compression de bton en fonction du temps et du rapport E/C des granulats de la fraction 5/15 et 15/25.

Figure 3. Evolution de la rsistance la compression de bton en fonction du temps et du rapport E/C des granulats de la fraction 5/10.

Lutilisation de superplastifiant (rducteurs deau) permet la rduction du rapport E/C en sopposant la floculation des grains de ciment [5], donc nos btons prsentent un squelette granulaire conventionnel noy dans une matrice de compacit accrue.

Le rapport E/C rduit signifie que la quantit deau est trs faible par rapport la masse de ciment, les grains de ciment sont trs prs les uns des autres. Toute leau pourra ragir avec le ciment et il ne restera que trs peu de porosit capillaire, la permabilit du bton sera trs faible et les proprits mcaniques du bton seront trs leves, ce qui amliore la durabilit.

La cintique de monte en rsistance note est rapide, ceci rsulte du dosage en ciment lev (finesse de mouture et la teneur en aluminates), la teneur en retardateur de prise, ainsi que, bien sr, de la temprature du bton.

A partir des courbes reprsentes dans les figures (4, 5) on remarque une augmentation sensible de la rsistance mcanique des chantillons labors avec lajout de la fume de silice par rapport lchantillon tmoin, de rsistance caractristique 28 jours suprieure 80 MPa.


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Figure 4. Evolution de la rsistance la compression de bton en fonction du temps et de lajout de la fume de silice des granulats de la fraction 5/15 et 15/25 pour E/L=0,22.

SA : Sans ajouts,

FS : Fume de silice.

Figure 5. Evolution de la rsistance la compression de bton en fonction du temps et de lajout de la fume de silice des granulats de la fraction 5/10 pour E/L = 0,22.

La cintique de monte en rsistance note est plus rapide, cela peut tre expliqu par le double rle de la fume de silice : il y a dabord leffet pouzzolanique correspondant lassociation partielle ou totale des fines avec leau et la chaux libre par lhydratation du ciment. La fume de silice fixe la portlan dite Ca(OH)2 en une combinaison peu soluble [6], ensuite il y a leffet filler (ou de remplissage) caractris par une mouture pousse qui facilite leur pntration entre les grains de ciment et la diminution du rapport E/L [7]. La fume de silice jusqualors reconnue comme jouant le mieux ce rle est la plus efficace (ajout actif) grce sa finesse trs leve. Elle permet de combler les minuscules vides dans la zone de transition entre les granulats et la pte de ciment durcie, sa largeur nest que de 40 m [8], mais elle joue un rle crucial lors de la reprise des contraintes par le bton.

A partir des figures (6, 7, 8, 9, 10, 11) on voit clairement que la rsistance mcanique du bton avec lajout combin de la fume de silice et de la pouzzolane naturelle (ajout moyennement actif, cest--dire moins efficace que la fume de silice) augmente avec laugmentation du dosage de la pouzzolane naturelle en raison de son double rle.


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Figure 6. Evolution de la rsistance la compression du bton en fonction du temps et de lajout de la fume de silice et de la pouzzolane naturelle des granulats de la fraction 5/15 et 15/25 pour E/L = 0,25.

PN : Pouzzolane naturelle

Figure 7. Evolution de la rsistance la compression du bton en fonction du temps et de lajout de la fume de silice et la de pouzzolane naturelle des granulats de la fraction 5/15 et 15/25 pour E/L = 0,30.

Figure 8. Evolution de la rsistance la compression du bton en fonction du temps et de lajout de la fume de silice et de la pouzzolane naturelle des granulats de la fraction 5/10 pour E/L = 0,25.


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Figure 9. Evolution de la rsistance la compression du bton en fonction du temps et de lajout de la fume de silice et de la pouzzolane naturelle des granulats de la fraction 5/10 pour E/L = 0,30.

Figure 10. Evolution de la rsistance la compression 28 jours de bton en fonction de lajout de 8 % de la fume de silice et (10 %, 15 %, 25 %) de la pouzzolane naturelle et du rapport E/L des granulats de la fraction

5/15 et 15/25.

Figure 11. Evolution de la rsistance la compression 28 jours de bton en fonction de lajout de 8 % de la fume de silice et (10 %, 15 % , 25 % ) de la pouzzolane naturelle et du rapport E/L des granulats de la fraction

5/10.


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On remarque que lajout de 25 % de pouzzolane naturelle a prsent un meilleur rsultat par rapport aux autres dosages dajouts, lajout combin de la fume de silice et de la pouzzolane naturelle conduit bien des btons qui sont classer parmi les btons hautes performances, la cintique note en rsistance est moins rapide. Un autre effet positif de ces additions est leur influence favorable sur la stabilit du bton frais. Cette influence est particulirement utile lors de la fabrication de btons trs haute ouvrabilit.

Les essais de compression simple effectus 28 jours sur les btons gchs montrent sur toutes les figures prsentes que la diminution de la taille maximale des granulats a une influence minime sur la rsistance mcanique du bton (lcart entre les deux fractions est faible). Ceci est surprenant puisque les travaux de Pierre Claude Atcin (2001) ont montr que la rsistance mcanique du bton augmentait lorsque les particules des granulats sont petites (10 12) mm, plus elles sont rsistantes, par suite de concassage qui limine les dfauts internes des granulats, tels que les gros pores, les microfissures et les inclusions des minraux. Quand la roche-mre (do proviennent ces granulats) est suffisamment forte et homogne, des granulats de 20 25 mm peuvent tre utiliss sans affecter ngativement la maniabilit et la rsistance du bton. Alors cela revient nous de faire des essais daffaissement et de compression sur des btons base de plusieurs fractions de granulats et davoir de nouveaux rsultats.

Rsistance la flexion

Dans le cadre de cette tude, on a effectu cet essai sur les meilleures compositions des btons base des deux fractions de granulats utilises :

- Les pierres concasses de fraction 5/15 et 15/25 (50 %, 50 %) ;

- Les pierres concasses de fraction 5/10 (100 %).

En utilisant la fume de silice et la pouzzolane naturelle, les deux btons sont raliss avec un remplacement combin de 8 % de la masse de ciment par la fume de silice et un remplacement de 25 % de la masse de ciment par la pouzzolane naturelle avec E/L=0,25, les rsultats sont ports sur la Figure 12.

Figure 12. Evolution de la rsistance a la flexion de bton en fonction du temps et de deux fractions utilises

On peut conclure que les particules ultra-fines de la fume de silice, qui consistent principalement en silice amorphe et les particules fines de la pouzzolane naturelle augmentent la rsistance la flexion du bton par des actions pouzzolaniques et physiques. Les rsultats de la recherche actuelle indiquent que linfluence de la diminution de la taille maximale des granulats sur la rsistance la flexion du bton est minime.


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Durabilit des btons

Absorption deau massique par immersion

On a choisi lessai dabsorption deau pour la caractrisation de la porosit de bton. Les valeurs du coefficient dabsorption en fonction des fractions des granulats sont illustres dans la Figure 13.

Figure 13. Variation de coefficient dadsorption en fonction de la fraction des granulats

(E/L=0,25 avec 8 % FS+25 % PN)

Les coefficients dabsorptions obtenus sont infrieurs 5 %, ce qui signifie que notre bton est un trs bon bton selon la norme NBN B 15-211 (1989). Il est nettement visible que les btons base de fraction 5/15 et 15/25 sont moins poreux que les btons base de fraction 5/10, notre BHP a des coefficients dabsorptions rduits en raison de la porosit qui est rduite (selon la composition : 8 % FS+25 % PN) et qui amliore les performances du bton, cela accrot considrablement la durabilit du bton qui conditionne la dure de vie des ouvrages.

Le coefficient de ramollissement

Le coefficient de ramollissement est le rapport de la rsistance la compression dun matriau satur deau (Rsat) la rsistance la compression du matriau sec (Rsec). Les valeurs du coefficient de ramollissement en fonction des fractions des granulats sont clairement exposes sur la Figure 14. Le coefficient de ramollissement caractrise la rsistance leau des matriaux, lessai est ralis 28 jours.

Figure 14. Variation de coefficient de ramollissement en fonction de la fraction des granulats

(E/L-0,25 avec 8 % FS et 25 % PN).

Nous constatons daprs les rsultats obtenus, que les btons base de fraction 5/15 et 15/25 se comportent leau mieux que les btons base de fraction 5/10. Cela est li


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la permabilit rduite des btons avec ajouts (8 % FS+25 % PN), cela accrot considrablement la durabilit du bton.

Conclusion

La formulation et la fabrication des btons dont la rsistance en compression 28 jours atteint plus de 56 MPa voire 86 MPa est aujourdhui possible Biskra et il faut quelle nest plus du domaine exprimental. Laddition de la fume de silice aux btons a montr un bon dveloppement de rsistance entre les ges de 7 et 28 jours selon la composition des mlanges. Le bton avec 8 % de la fume de silice avec un rapport E/L de 0,22 a une rsistance la compression plus haute que les autres btons. Les btons avec la fume de silice sont plus rsistants que les btons sans fume de silice, donc on peut avoir des btons avec une rsistance la compression de 78 MPa pour la fraction 5/15 et 15/25 et de 70 MPa pour la fraction 5/10 avec E/C de 0,22 sans fume de silice. Alors on peut viter lutilisation de la fume de silice pour un bton de rsistance la compression de 70 ou 78 MPa et un affaissement de 20 cm, tant donn que la fume de silice est lingrdient le plus cher dans la composition du bton, cest trs important du point de vue conomique. Un facteur principal en produisant le bton de haute rsistance qui est au-dessus de 80 MPa est demployer la pouzzolane naturelle moins ractive (que la fume de silice) combine avec la fume de silice et un rapport E/L trs bas de 0,25 et de 0,30. La combinaison de la fume de silice et de la pouzzolane naturelle dans les mlanges a eu comme consquence une microstructure trs dense et une faible porosit qui produisent ainsi un bton de permabilit amliore et sont donc trs rsistants la pntration des agents agressifs, cette combinaison permet dobtenir un bton conomique. Leffet des fractions des granulats est minime sur les caractristiques des btons frais et durcis. Les dures de cure plus longues rduisent la permabilit et a comme consquence une structure des pores plus fins.

Cest trs important pour le bton directement expos un environnement agressif, la cure diminue aussi le retrait endogne des BHP. Le bton contient 8 % de la fume de silice est le bton le plus durable. Il a galement t observ que le BHP peut tre employ pour obtenir de hautes rsistances la compression, la flexion, et durabilit leve dans des structures spciales, comme les structures marines, superstructures, parkings, pistes davion, ponts, tunnels, constructions industriels (centrales nuclaires). Avec la disponibilit des matriaux et une bonne connaissance des technologies des ajouts cimentaires, il est possible de produire un bton durable et amliorer ces qualits pour la plupart des applications.

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