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Recommandations pourLA CONSTRUCTION EN BÉTON DES OUVRAGES D’ÉPURATION DES EAUX
Le présent document s’adresse aux maîtres d’ouvrages, entrepreneurs,bureaux d’études et de contrôles préoccupés par la conception
et la réalisation de bassins pour stations d’épuration.
Il met à leur disposition, autant que faire se peut, des données acquisesdans la conception et l’exécution de ces ouvrages.
L’auteur de tout projet doit, en tout état de cause, en analyser lesdonnées spécifiques.
En effet, celles-ci peuvent différer de celles prises en compte dans leprésent document ou se situer hors de son champ d’application.
Il est expressément stipulé que toutes les données, informations ouautres figurant dans le présent document n’ont qu’une valeur indicativeet ne sauraient, en aucun cas et à quelque titre que ce soit, engagerdirectement ou indirectement la responsabilité de FEBELCEM, de sesmembres et de toutes personnes et autres organismes ou entreprises
ayant participé à son élaboration.
Les recommandations qui suivent s’appuient sur denombreux essais réalisés en laboratoire et sur chantier.
Nous tenons à remercier le laboratoire des essais du Centre de Recherches de l’Industrie Cimentière
pour la réalisation de ces essais.
Nous remercions également :
les intercommunales AIDE et INASEPles entreprises Galère et L. Duchêneles centrales à béton Roosens Betorix,
Carimat et Holcim Béton
Recommandations pour
LA CONSTRUCTION EN BÉTON DES OUVRAGESD’ÉPURATION DES EAUX
Ir Claude PLOYAERTIngénieur conseil
Table des matières
page
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1. SPÉCIFICATION ET COMPOSITION DU BÉTON 3
2. L’ÉTANCHÉITÉ À L’EAU 7
2.1. Maîtrise du retrait . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1. Le retrait plastique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.2. Le retrait endogène . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.3. Le retrait hydraulique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.4. Le retrait thermique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2. L’importance de l’armature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3. Les joints étanches à l’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4. Compacité, porosité, perméabilité et absorption d’eau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3. L’ACTION DU GEL ET DES SELS DE DÉVERGLAÇAGE 27
4. EXIGENCES EN TERME DE MISE EN ŒUVRE 30
4.1. La mise en place . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2. Le compactage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3. Cas particuliers de mise en œuvre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3.1. Bétonner par temps froid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3.2. Bétonner par temps chaud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Références bibliographiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1
Introduction
Les stations d’épuration et tous les ouvrages annexes tels queles collecteurs constituent un domaine de prédilection pour
l’ingénierie civile où le béton, et donc le ciment, occupent une place de choix.
Dans les stations d’épuration, le béton peut revêtir les formes les plus complexes. Son utilisation doit toujours permettre la
réalisation de constructions durables, économiques et à frais d’entretien réduits.
La conception et l’exécution d’une station d’épuration ne sont pas choses aisées. Les critères principaux à prendre enconsidération par les auteurs de projets et les entrepreneurs
sont la durabilité et l’étanchéité à l’eau des constructions.
Un béton compact et de haute qualité est étanche. Pour cela, il doit comprendre une teneur en ciment suffisante et avoir un
rapport Eau/Ciment faible. Il sera correctement mis en œuvre,bien vibré et protégé contre la dessiccation pour être
imperméable et durable dans la masse. L’étanchéité de ce béton sera alors subordonnée à la maîtrise de sa fissuration.
Celle-ci est un phénomène inhérent aux constructions en béton.Toutefois, lorsqu’une paroi ou un mur est soumis à la pression
de l’eau, le problème de la fissuration peut atteindre une ampleur telle que l’étanchéité de l’ouvrage
s’en trouve compromise.
La maîtrise du processus de fissuration exige certaines précautions au stade de la conception mais également en
cours d’exécution. Sur chantier, il faudra donc veillerspécialement à la prévention de la fissuration et éviter aumaximum les possibilités de fuites, sous toutes ses formes.
L’entrepreneur devra donc veiller à la finition soignée des joints de reprise, au placement adéquat des armatures
pour contrôler et maîtriser notamment le retrait du béton, etc…
En bref, la durabilité d’une infrastructure en béton, et enparticulier, celle d’une station d’épuration nécessite des
compétences au niveau de la conception et de la réalisation et un béton de grande qualité.
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1. SPÉCIFICATION ET COMPOSITION DU BÉTON
Pour la construction de stations d’épuration, le béton doit posséder des caractéristiques particulières :
• être imperméable à l’eau ;
• être hautement résistant au gel ;
• être hautement résistant aux agressions chimiques ;
• …
Seul du béton compact et de qualité, ayant une structure de pores bien fermée, comportant le type deciment adéquat et une teneur en ciment suffisante, peut répondre à ces nombreuses exigences spécifiques.
Les règles à suivre pour l’obtention d’un béton de qualité sont fixées dans les normes NBN EN 206 − 1 : 2001et NBN B 15-001 : 2004 « Béton – Spécification, performances, production et conformité ».
Selon ces normes, le béton est spécifié à l’aide de 4 données de base, à savoir (il s’agit de béton àpropriétés spécifiées) :
• la classe de résistance ;
• la durabilité exprimée par le domaine d’utilisation et la classe d’environnement ;
• la classe de consistance ;
• la dimension nominale maximale des granulats.
De plus, il peut encore être utile de définir des exigences complémentaires. Celles-ci peuvent concerner :
• la composition (par exemple le type de ciment, la teneur minimale en ciment, le type de béton,la présence d’air entraîné pour les classes d’environnement EE4 et ES4) ;
• la mise en œuvre ;
• le béton durci (par exemple limitation de l’absorption d’eau selon l’annexe 0 de la normeNBN B 15-001 : 2004).
Le tableau 1 ci-après (page 5) donne les spécifications de différents bétons entrant dans la constructiond’ouvrages d’épuration des eaux. Ce tableau appelle les commentaires suivants :
• les bétons en contact avec des sels de déverglaçage et/ou des eaux usées sont des bétons dont lerapport Eau/Ciment est de maximum 0,45 et dont la teneur en ciment est de minimum 365 kg/m3.Ces exigences très sévères sont absolument nécessaires pour :
ı assurer une bonne mise en place du béton tout en garantissant un rapport E/C ≤ 0,45 ; en effet,un tel rapport E/C combiné avec une teneur en ciment de 365 kg conduit à une teneur en eauefficace de 164 l/m3, cette teneur en eau est absolument nécessaire pour un béton mis en œuvreclassiquement ;
ı garantir une faible absorption d’eau des bétons ; ce point sera examiné plus loin (§ 2.4) ;
ı garantir une bonne résistance aux sels de déverglaçage ; ce point sera également discuté plusloin (§ 3) ;
ı garantir une bonne résistance à l’usure des bétons, ce qui est essentiel au niveau des chemins deroulement des bassins de décantation.
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• la classe de consistance des bétons pour la construction de voiles est S3, soit, selon la normeNBN EN 206-1 : 2001, une valeur d’affaissement au cône d’Abrams comprise entre 100 et150 mm ; cette spécification permet d’assurer une bonne ouvrabilité au béton tout en n’autorisantpas les valeurs extrêmes de la classe S4 (160 à 210 mm); selon cette même norme, les écartsmaxima admissibles des résultats individuels d’essai par rapport aux limites spécifiées sont de(1) :
ı 10 mm sur la valeur inférieure voire 20 mm dans le cas où l’essai de consistance est effectué audébut du déchargement du camion malaxeur et ;
ı 20 mm sur la valeur supérieure voire 30 mm dans le cas où l’essai de consistance est effectué audébut du déchargement du camion malaxeur ;
• il faut toujours choisir la dimension maximale des granulats (Dmax) le plus élevé possible etcompatible avec les exigences de l’ouvrage (espacement des armatures entre lesquelles doit pouvoirpasser le béton, épaisseur d’enrobage de celles-ci) ; un Dmax plus élevé permet de fabriquer un bétonavec une plus faible teneur en mortier et donc d’enrichir la pâte en ciment ce qui améliore ladurabilité.
Ainsi, tous les résultats de consistance doivent être inférieurs à 180 mm en classe S3. Il est importantde ne pas mettre en œuvre des bétons présentant un affaissement au cône proche des valeurs extrêmesde la classe S4 afin :
• d'éviter tout risque de ségrégation lors de la mise en place du béton sur de grandes hauteurs ;
• de faciliter les opérations manuelles de lissage et de talochage de la face supérieure des voiles.Ces opérations s'exécutent en général avec incorporation d'un mélange ciment-quartz à raison de3 à 6 kg/m2 afin de durcir la surface et d'améliorer la résistance au gel en présence de sels dedéverglaçage.
Fig. 1 – Mesure de l’affaissement au cône d’Abrams – Slump
(1) : Voir tableau 18 de la norme NBN EN 206-1 : 2001
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2. L’ÉTANCHÉITÉ À L’EAU
Pour obtenir une bonne étanchéité à l’eau d’une construction en béton, quatre conditions de base doiventêtre remplies :
1/ Maîtriser les déformations (sans charge) du béton (retraits endogène, plastique, hydraulique etthermique) ;
2/ Prévoir des armatures correctement dimensionnées et disposées pour limiter et contrôler la fissurationdu béton ;
3/ Planifier et exécuter adéquatement les joints de reprise et de construction ;
4/ Réaliser un béton compact, de structure bien fermée et donc de faible porosité.
2.1. Maîtrise du retrait
Dès que le contact entre le ciment et l’eau s’effectue, des hydrates précipitent et s’organisent en formantune structure dont la cohésion évolue progressivement. L’action de l’eau pendant cette phase estfondamentale et son rôle est variable. Dans le même laps de temps, il y a une superposition de plusieursphénomènes qui concourent tous vers une réduction du volume apparent : cette contraction ou retraitrésulte de plusieurs processus :
• réaction d’hydratation (retrait endogène sans évaporation) ;• évaporation de l’eau de gâchage en cours de prise (retrait plastique) ;• tassement du béton frais (par gravité, par ségrégation et ressuage de l’eau) ;• retrait hydraulique par départ d’eau après durcissement (aussi appelé retrait de séchage) ;• retrait thermique dû à l’abaissement de la température succédant soit à l’échauffement occasionné
par la chaleur d’hydratation du ciment (réaction exothermique), soit à la variation thermique du milieude conservation.
C’est surtout la fissuration due aux effets de retrait empêché qui, en pratique, constitue la conséquence laplus préoccupante pour la qualité et la durabilité des bétons. Le tableau 2 ci-après résume les risques defissuration en fonction du type de retrait.
Tableau 2 – Risques de fissuration en fonction du type de retrait
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Prévention de la fissuration plastique
Cette fissuration peut sûrement être évitée moyennant les précautions suivantes :
• par temps chaud : réduire la température du béton frais ;• à la composition : éviter l’excès d’eau et humidifier les granulats pouvant absorber de l’eau ;• avant la mise en place : humidifier, lorsque par leur nature ils peuvent absorber de l’eau, les
coffrages, fond de coffre ou autres aires en béton ;• à la mise en place : par temps chaud, empêcher, par une isolation appropriée, l’échauffement du
béton suite à l’ensoleillement ; par temps froid, éviter le contact d’un béton relativement chaud avecl’air frais ;
• directement après la mise en place et dans tous les cas : protéger les surfaces exposées par unproduit de cure, membrane imperméable ou autre procédé en réduisant, autant que le permetl’exécution, le délai entre la coulée du béton et l’application de ces moyens de protection.
Le principe consiste donc à retenir l’eau dans le béton en empêchant l’évaporation. Pour maintenirl’humidité, le béton est couvert d’une bâche de plastique ou un produit de cure est appliqué parpulvérisation. Dans le cas du béton coffré, le fait de garder les coffrages en place aide également àmaintenir l’humidité dans le béton. Néanmoins, il y a toujours lieu de protéger la surface supérieurenon coffrée. Après décoffrage, les bétons doivent encore être protégés quelques jours en les couvrantd’une toile qui sera maintenue humide voire d’un plastique (fig.3).
Fig. 2 – Retraits plastiques libres développés sous courants d’air de vitesse variable
2.1.1. Le retrait plastique
Le retrait en phase plastique du béton résulte d’un séchage rapide du mélange non encore durci,principalement en surface, sous l’effet du vent ou de l’ensoleillement ou encore sous l’effet de succiond’une couche inférieure sèche. Cette dessiccation provoque une diminution de volume considérable (0,4à 4 mm/m : retrait libre - fig. 2 -) pouvant être jusqu’à 10 fois supérieure au retrait du béton en phasede durcissement.
Ce changement de volume est compensé au début pour une grande partie par la déformabilité du bétonfrais. Durant la prise, le béton durcit progressivement. Tant que la surface reste humide, aucune contraintecapillaire ni aucune fissuration ne survient. En ce sens, le ressuage en soi n’est pas la cause de la fissurationdue au retrait en phase plastique et agit même comme protection. En effet, lorsque la surface estentièrement séchée, les fissures de retrait plastique apparaissent. Elles sont causées par les contraintes detraction résultant du retrait, engendré par l’évaporation de l’eau du béton frais encore trop peu résistantpour pouvoir s’y opposer.
Diagrammes de retraits libres mesurés sur de petites éprouvettes. Dans la pratique, il y a lieu de considérer non pas les valeurs absoluesmais les rapports entre valeurs figurant sur ces diagrammes. En effet, il ne faut pas s’imaginer qu’une dalle de béton soumise à un ventde 15 km/h se fissurera au point que la somme des ouvertures des fissures réparties sur 1 m donnera 4 mm ! Par friction sur son coffrage,par fluage plastique, le béton frais s’adaptera plus ou moins à son nouveau volume mais le risque de fissuration et/ou l’ouverture desfissures sera accrue dans les proportions relevées sur ces diagrammes.
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La protection du béton frais contre la dessiccation doit avoir lieu le plus rapidement possible aprèsla mise en œuvre du béton. La fig. 4 montre les pertes en eau que subissent des éprouvettes de béton(400 kg/m3 de ciment CEM I 42,5 R - E/C = 0,48) exposées en laboratoire à 35°C et 40 %d’humidité relative et protégées ou non par un produit de cure. Les pertes en eau maximales seproduisent durant les 6, voire les 24 premières heures après leur fabrication.
La durée de la protection dépend d’un grand nombre de facteurs (conditions climatiques,composition du béton, type de ciment, …). Le tableau 3 ci-après donne les durées minimalesrecommandées en jours. Il ne faut pas perdre de vue que la protection n’est pas seulement efficacecontre l’apparition des fissures durant les 6 premières heures, mais également plus tard car c’estalors que se développe une bonne partie du retrait après prise. Ce retrait, moindre quant à sonampleur, est toutefois très dangereux quant à ses effets car il agit sur une matière déjà solidifiée,mais encore trop peu résistante.
Fig. 3 – Voile protégé par une toile après décoffrage
Fig. 4 - Evolution de la perte en eau d’éprouvettes de béton (une face exposée) protégées ou non par un produit de cure
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Tableau 3 – Recommandations concernant la durée de la cure
2.1.2. Le retrait endogène
L’hydratation du ciment se poursuit très largement après la prise, comme en témoigne l’évolution descaractéristiques mécaniques du béton à long terme. Or, l’hydratation consomme une partie relativementfaible de l’eau de gâchage : 15 à 20 litres pour 100 kg de ciment, soit moins de la moitié de l’eauincorporée dans un béton ordinaire.
La poursuite de l’hydratation entraîne, dès le début de la prise, une dessiccation au sein du matériau (ils’agit d’auto-dessiccation, pour la distinguer de la dessiccation qui signifie séchage avec départ d’eauvers l’extérieur), tout simplement parce que l’augmentation du volume de matière solide est inférieure auvolume de l’eau qui a été consommé dans la réaction. Cette diminution du volume relatif entraîne doncune déformation que l’on appelle retrait endogène.
Le retrait endogène (retrait mesuré en l’absence de tout échange d’eau avec le milieu ambiant et corrigédes déformations d’origine thermique) reste cependant faible mais peut être non négligeable lorsque ceretrait s’ajoute aux autres formes de retrait. De plus, si ce retrait est empêché ou même simplement gênédès le début de la prise (support rigide continu, reprise de bétonnage), il constitue souvent unecomposante non négligeable de la fissuration précoce.
A noter également que la cinétique d’évolution du retrait endogène suit assez fidèlement celle del’évolution des résistances mécaniques : très rapide dans les premiers jours, son avancement est de 80 à90 % à 28 jours.
2.1.3. Le retrait hydraulique
Le retrait hydraulique résulte du lent séchage du béton. Pour simplifier, on désigne couramment par retraithydraulique la diminution de volume du béton observée au fur et à mesure de son séchage dans le temps.Plus la quantité d’eau non liée s’évapore rapidement, plus le retrait du béton est élevé et rapide. Ceprocessus de séchage et le retrait qui en résulte est d’autant plus élevé et rapide que l’excès d’eau nonliée est important (E/C élevé) car la porosité et la perméabilité du béton augmentent, ce qui accélèreencore le phénomène.
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La valeur finale du retrait hydraulique se situe généralement entre 0,3 et 0,8 mm/m. Cette valeur dépendessentiellement de la quantité d’eau du béton. Toute augmentation du dosage en eau entraîne uneaugmentation relative deux fois plus grande de la valeur du retrait. D’où l’importance de minimiser lademande en eau d’une recette de béton grâce au choix approprié et au contrôle régulier de la granularitédu mélange, en particulier celle des sables.
2.1.4. Le retrait thermique
L’hydratation du ciment s’accompagne d’un dégagement de chaleur. Cela peut donner lieu à uneaugmentation considérable de la température du béton. Celle-ci peut éventuellement aussi avoir lieu lorsd’une variation thermique du milieu de conservation (ensoleillement direct après décoffrage parexemple). Dans la période de refroidissement ultérieure c’est-à-dire de contraction ou de retraitthermique, des fissures peuvent se produire lorsqu’un obstacle empêche le retrait de l’élément. Il s’agit defissuration par bridage des mouvements d’ensemble. Une fissuration peut également avoir lieu pargradient thermique. Celle-ci a lieu lorsque la température de la zone située en bordure des surfacesd’échange (appelée « peau » du béton) diminue beaucoup plus rapidement que celle au cœur de lastructure, ce qui génère un retrait nettement plus élevé en surface qu’au cœur. La peau du béton est doncsoumise à des contraintes de traction très importantes alors que le cœur de la structure est encompression. Ce processus n’est, néanmoins, en général, que rencontré dans les pièces massives (plus de50 cm d’épaisseur) et ne donne pas lieu à des fissures traversantes.
Le retrait thermique peut se calculer par la formule suivante : = T
avec : = cœfficient de dilatation thermique du béton
T = différence de température du matériau.
A l’état durci, le cœfficient varie de 7 à 14.10-6 m/m/°C. Il est fortement fonction du dosage et de lanature des granulats comme le montre la fig. 5. Pour un même T, le béton à base de gravillons rouléssiliceux présentera un retrait thermique de 33 % plus élevé que le béton à base de gravillons concasséscalcaire.
Prévention de la fissuration par retrait hydraulique
Les mesures suivantes permettent d’éviter la fissuration due au retrait hydraulique :
• choisir une granularité du béton continue et un diamètre nominal du granulat le plus élevépossible (de manière à minimiser la porosité du mélange et à réduire le plus possible sa demandeen eau) ;
• réduire à un niveau optimal le rapport E/C au moyen d’adjuvants superplastifiants (en règlegénérale, E/C ≤ 0,50) ;
• prévoir des joints de retrait ;• appliquer les mesures et les durées de cure recommandées ci-avant ;• prévoir une armature minimale suffisante et/ou des fibres métalliques de manière à répartir la
fissuration (l’apparition de multiples micro-fissures est souvent moins préjudiciable quel’apparition de fissures moins nombreuses et largement ouvertes – cette recommandation seraexaminée plus en détail au § 2.2).
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De plus, comme la fig.6(2) permet de le constater, la résistance à la traction des bétons à base degravillons roulés est bien plus faible que celle des bétons à base de concassés (chute de 20 % à 2 jourset de 31 % à 28 jours).
Fig. 5 – Cœfficient de dilatation thermique en fonction du type de gravillons
Fig. 6 – Résistance à la traction par flexion en fonction du E/C et du type de gravillons
> favoriser l’emploi de gravillons calcaire concassés <
(2) REMARQUE : selon la norme NBN B15 - 002 : 1992, la résistance à la traction du béton fct peut être déduite de la résistance à la flexion fct, fl par
la formule : fct = 0,5 fct, fl
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2.1.4.1. Fissuration par bridage des mouvements d’ensemble
Tout élément de béton libre de ses mouvements, s’échauffant et se refroidissant de manière uniforme, sedilate puis se contracte sans être le siège d’aucune contrainte. Il en est d’ailleurs de même pour le retraithydraulique.
En pratique, un élément massif de béton est très fréquemment bridé par des éléments préexistants, plusou moins stabilisés, sur lesquels et/ou entre lesquels il est coulé.
L’évolution du phénomène est, dans tous les cas, similaire et trouve son origine dans le fait quel’hydratation du ciment est un processus chimique qui dégage beaucoup de chaleur. Ainsi, la températuredu béton augmente jusqu’à ce que les pertes de chaleur par la surface de l’élément de construction soientsupérieures à la quantité de chaleur produite par l’hydratation. Cela est représenté schématiquement à lafig. 7 pour un élément de construction d’épaisseur moyenne, en même temps que le cheminement descontraintes lorsque la dilatation du béton jeune est entravée.
Fig. 7 - Allure de température pendant l’hydratation dans leséléments de construction d’épaisseur moyenne et développementdes contraintes en cas de déformation entravée
En s’échauffant, le béton se dilate. En cas de dilatationthermique entravée, la dilatation se transforme au débutentièrement en déformation plastique n’engendrant pasde tensions. Les tensions de compression ne se produisentqu’à partir de la température T01 c’est-à-dire lorsque lebéton oppose à la dilatation thermique une résistancemesurable. La sollicitation en compression n’est pas forte,car le module d’élasticité est encore bas, et le pouvoir derelaxation (réduction des contraintes par le fluage)encore élevé.
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Lorsque le béton refroidit, les tensions de compression sont de nouveau réduites et se transforment entensions de traction à la seconde température à tension nulle T02. A partir de ce moment, la contractionempêchée du béton mûri donne lieu à des contraintes de traction de plus en plus importantes car lemodule d’élasticité est déjà élevé et le fluage réduit.
Une évolution du module d’élasticité est donnée à la fig. 8 ci-après, selon Acker P. du Laboratoire centraldes Ponts et Chaussées. Ce graphique confirme les résultats de laboratoire obtenus.
Des fissures traversantes peuvent se former lorsque le refroidissement se poursuit jusqu’à une températureà laquelle les tensions sont supérieures à la résistance à la traction du béton.
Pour rappel, la déformation limite en traction est proche de 150.10-6 m/m. Sur base d’un cœfficient dedilatation thermique de 10.10-6 m/m/°C, la chute de température T pouvant amener la fissurationest :
T = = 15 °C
La fissuration se caractérise :
• par son ampleur (ouverture) ; sur base du précité, la contraction par refroidissement est d’environ0,1 mm/m par 10 °C ; l’addition du retrait endogène, et à terme du retrait hydraulique, accroîtracette contraction ;
• par sa distribution et son orientation ; comme le montre la fig. 9, les fissures affectent la plupart dutemps une allure plus ou moins verticale et concernent toute l’épaisseur de la paroi ; elles semblents’amorcer à quelques dizaines de centimètres du sol pour terminer leur parcours à une certainedistance du bord supérieur de l’élément.
Fig. 8 - Evolution du module d’élasticité du béton au cours du temps
Fig. 9 – Fissures de retrait thermique empêché(bridage) dans un voile en béton
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• En réalité, le phénomène est beaucoup plus complexe car aux mouvements de contraction s’ajoutent,dans bien des cas, des effets de flexion, sans compter l’incidence conjointe du gradient thermique.
• A part le cœfficient de dilatation qui peut être considéré comme constant, le module d’élasticité,la résistance de rupture à la traction du béton, le fluage et l’adhérence acier-béton évoluent sanscesse au cours du durcissement mais aussi différemment. En effet, à très jeune âge, le développementde la rigidité est beaucoup plus rapide que celui de la résistance, ce qui augmente le risque defissuration puisque la génération de contraintes est fonction du module d’élasticité (la rigidité) et lacapacité à résister à ces contraintes est fonction de la résistance. Sur différents bétons de laboratoirefabriqués avec 365 kg/m3 de ciments HSR de différents types et de rapport E/C égal à 0,45 ou 0,50,le module d’élasticité statique à 2 jours varie entre 70 et 81 % de celui à 28 jours, tandis que larésistance à la traction à 2 jours varie entre 27 et 47 % de celle à 28 jours.
2.1.4.2. Fissuration par gradient thermique
Tous les auteurs s’accordent à citer des écarts de température de 15 à 20 °C entre la face extérieure et lecœur du béton comme suffisants pour engendrer des fissures. Ceci peut être le cas lorsque la surface serefroidit plus rapidement que le cœur (généralement au décoffrage). Le diagramme des contraintes prendalors la forme parabolique comme représenté à la fig. 10 et la fissuration naît en surface.
Fig. 10 - Diagramme des contraintes suite à une différence detempérature de 15-20 °C entre la face extérieure et le cœur du béton.
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2.1.4.3. Analyse de quelques cas
Les fig. 11 à 13 donnent l’évolution de la température dans différents voiles par thermocouples posésenviron à mi-hauteur et ce depuis la mise en œuvre du béton.
Fig. 11 – Cas n° 1 : Ciment CEM III/B 42,5 N HSR LA, décoffrage rapide
La fig. 11 nous permet de constater que :
• la température du béton augmente de 20 à 45 °C ; cette augmentation de température trouveessentiellement sa cause au niveau de l’augmentation de la température ambiante (de 20 à 33 °C) ;
• les différences de température entre le milieu du voile et les parois Nord et Sud sont faibles et le restentaprès décoffrage (ensoleillement direct de la paroi Sud) ; le risque de fissuration par gradientthermique est donc nul ;
• le décoffrage à 24 heures d’âge du béton provoque une chute rapide des températures (plus de20 °C) ; celle-ci est néanmoins légèrement compensée par l’augmentation de la températureambiante (jour n° 2) ; le risque de fissuration thermique par bridage est bien réel et dépend :
ı du degré de retenue du voile, de ses dimensions ainsi que de sa courbure éventuelle (un élémentcourbe a plus tendance à se fissurer qu’un élément droit) ;
ı de la résistance à la traction du béton (celle-ci est faible vu la teneur en ciment et le jeune âge dubéton) ;
ı du module d’élasticité du béton (celui-ci est probablement faible vu la teneur en ciment et le jeuneâge du béton) ;
ı de la relaxation éventuelle des contraintes par fluage (la capacité de relaxation est néanmoins trèsfaible vu le refroidissement très rapide) ;
ı éventuellement d’autres mouvements de contraction qui peuvent s’ajouter (retraits endogène ethydraulique) ;
ı du pourcentage d’armatures horizontales utilisé ainsi que la répartition des armatures (il s’agit enfait de 2 nappes de 21 barres — 3 m de hauteur — de 12 mm de diamètre soit de 0,53 %d’armatures horizontales)
17
Fig. 12 – Cas n° 2 : Ciment CEM III/B 42,5 N HSR LA, décoffrage à 3 jours
La fig. 12 nous permet de constater que :
• la température du béton augmente de près de 30 °C au milieu du voile et ce malgré le fait que latempérature ambiante reste sous les 20 °C ;
• la différence de température entre le milieu du voile et la paroi Sud est faible ; le risque de fissurationpar gradient thermique est donc nul ;
• le décoffrage du béton reporté à 72 heures permet un refroidissement lent du béton, ceci est plusfavorable qu’au cas présenté à la fig. 11, mais néanmoins le risque de fissuration thermique parbridage reste bien réel vu le niveau des températures atteint (écart entre la seconde température àtension nulle — voir fig. 7 — et la température ambiante très élevée (de l’ordre de 25 °C)) ; le risquede fissuration dépend :
ı du degré de retenue du voile, de ses dimensions ainsi que de sa courbure éventuelle ;
ı de la résistance à la traction du béton (celle-ci est probablement faible vu le jeune âge du béton) ;
ı du module d’élasticité du béton (celui-ci est élevé vu l’âge du béton) ;
ı de la relaxation éventuelle des contraintes par fluage (la capacité de relaxation est néanmoins trèsfaible vu le module d’élasticité déjà élevé) ;
ı éventuellement d’autres mouvements de contraction qui peuvent s’ajouter (retraits endogène ethydraulique) ;
ı du pourcentage d’armatures horizontales utilisé ainsi que la répartition des armatures.
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Fig. 13 – Cas n° 3 : Ciment CEM I 42,5 N HSR LA, décoffrage à 5 jours
La fig. 13 nous permet de constater que :
• la température du béton n’augmente que d’environ 20 °C malgré les teneurs élevées en ciment desdeux bétons étudiés ;
• avant décoffrage, la différence de température entre le milieu du voile et la paroi Sud est faible ; lerisque de fissuration par gradient thermique est donc nul ;
• le décoffrage des bétons à 120 heures à permis un refroidissement lent et total des températures, ceciest favorable à l’absence de fissuration thermique par bridage et ce d’autant plus que l’augmentationde température était limitée à 20 °C ;
• après décoffrage, l’ensoleillement direct de la paroi Sud du béton 2 provoque une augmentation de17 °C de sa température alors que celle du milieu du voile n’augmente que de 8 °C ; il s’ensuit unrefroidissement important des températures en fin de journée ; il en est de même pour le jour suivant ;
• contrairement au béton n° 2, le voile du béton n° 1 ne voit pas sa température considérablementaugmenter le jour du décoffrage ; il est supposé que ce voile a été décoffré en deuxième lieu aprèsdisparition du soleil (dans l’après-midi) ou que la paroi Sud de ce voile était soumise à un ventimportant (il faut savoir que les 2 voiles appartiennent à un même bassin de décantation et sont toutà fait opposés l’un par rapport à l’autre, si bien que la paroi Sud du voile n° 1 est à l’extérieur dubassin (donc soumise au vent) tandis que la paroi Sud du voile n° 2 est à l’intérieur du bassin (et doncprotégée des courants d’air) ;
• étant donné les augmentations de température après décoffrage, il existe un petit risque de fissurationpar gradient thermique et par bridage ; néanmoins, le décoffrage tardif permet au béton de déjàoffrir une certaine résistance à la traction ; de plus, le pourcentage d’armatures horizontales utiliséspour la construction de ce bassin est très élevé comme en témoigne la fig. 14.
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Comment prévenir la fissuration par retrait thermique ?
�� Mesures technologiques
I Choix du type de ciment et de la teneur en cimentLes types de ciment qui développent une faible chaleur d’hydratation – ciment désigné parLH (Low Heat) et conforme à la norme NBN EN 197-1/A1 : 2004 – sont évidemment àfavoriser pour les ouvrages de masses de plus de 50 cm d’épaisseur. A teneur égale enciment, ils font, en effet, chuter le pic de température de 10 à 15 °C par rapport aux cimentsordinaires mais ce développement lent de la chaleur d’hydratation freine le développementdes résistances mécaniques. Une moindre teneur en ciment ordinaire – pour autant qu’ellesoit compatible avec les exigences de durabilité et de résistance – limitera égalementl’augmentation de température.
I Nature du granulatComme signalé auparavant, la nature minéralogique du granulat, élément majoritaire de lacomposition, a son importance car le cœfficient de dilatation thermique du granulat,variable de 7.10-6 à 15.10-6/°C, influence forcément celui des bétons.Il y a lieu de favoriser l’emploi de gravillons calcaire concassés car ces derniers possèdentun coefficient de dilatation thermique plus faible et procurent au béton une meilleurerésistance à la traction que les gravillons roulés siliceux.
I AdjuvantsLe développement de la résistance est favorisé par un faible rapport E/C si bien que l’usagede superplastifiant est toujours utile. Les retardateurs de prise permettent, par temps chauds, de conserver la rhéologie du bétonfrais plus longtemps et facilite ainsi la mise en place sans ajout d’eau complémentaire. Ils nefont cependant que postposer le problème éventuel dû à l’effet de la chaleur.
I Température du bétonIl y a lieu de tenir compte de la température du béton durant le coulage et donc par tempschaud limiter la température du béton frais à maximum 25 °C.
I Armatures : quantité et répartitionLes armatures n’empêchent pas le béton de se fissurer mais permettent de contrôler lafissuration. Ainsi, au lieu de quelques fissures très ouvertes, de nombreuses petites fissurespeuvent apparaître, c’est-à-dire des fissures « fermées » qui ne compromettent pas l’étanchéitéde la structure. La quantité d’armatures et la bonne répartition de celles-ci a toutefois unegrande importance. Ce point sera examiné plus loin (§ 2.2.).
Fig. 14 – Armatures au niveau des voiles d’un bassin de décantation (hauteur : 5 m, épaisseur : 32 cm, 2 nappes de BE 500 S Ø 20, 29 barres horizontales — � 1,14 % d’acier)
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�� Mesures propres à la technique d’exécution
I Température ambianteL’influence d’une période de chaleur est évidente sur le développement de chaleur du béton.Si la température ambiante est beaucoup plus faible que la seconde température à tensionnulle T02 (voir fig. 7), les contraintes de traction dues au refroidissement seront plusimportantes que dans le cas d’un béton mis en œuvre à plus faible température. Ainsi, lesrecommandations du tableau 4 ci-après seront respectées. Celles-ci permettent également dediminuer les retraits plastique et hydraulique du béton.
Tableau 4 – Recommandations concernant la mise en œuvre du béton ainsi que la cure en fonction des conditionsambiantes
I Refroidissement, en phase de durcissement, des structures en béton deforte épaisseurEn faisant circuler de l’eau de refroidissement à travers des tubes noyés dans le béton, lesécarts de température ainsi que les grands gradients de température dans la structurepeuvent être limités. Toutefois, l’application d’un procédé de refroidissement ne peut se fairesans déterminer au préalable l’emplacement des tubes dans la structure et l’intensité durefroidissement. Il convient par ailleurs d’enregistrer et de contrôler l’évolution des températures.
I Retardement du retrait de séchage de la première couléeA cette fin, il convient de protéger la dalle de plancher contre la dessiccation. L’objectif estde limiter les déformations différentielles du sol et du mur.Une protection économique et convenable peut être obtenue de manière simple en plaçant leradier sous eau. En effet, le béton en contact permanent avec l’eau ne présente pas de retrait.
I Coulage des murs aussi rapidement que possible après la mise en place dela dalleCeci permettra de limiter des déformations différentielles du sol et du mur. Il y a toutefois lieude limiter la longueur des tronçons. Le risque de fissuration est moindre sur un mur court quesur un mur long ; il est, de plus, préférable de réduire les différences d’âge du béton entrechacune des étapes de bétonnage de manière à réduire le plus possible les effets néfastes duretrait différentiel entre étapes (fig. 15 à 17).
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Fig. 15 – Etapes de bétonnage, situation défavorable (risque élevé de fissuration)
• Lors du bétonnage de la phase 4, la température du béton 4 est plus élevée que celle duradier 1 et des voiles 2 et 3.
• Lors du durcissement du voile 4, sa température augmente ; celle des bétons 1, 2 et 3à peine —� dilatation du béton 4 mais entravée par les bétons 1, 2 et 3 ; étant donné quele voile 4 n’est pas encore très rigide, ceci conduit à de faibles contraintes : pas de fissuration.
• Lors du refroidissement du voile 4, celui-ci veut se rétracter mais ceci est empêché par lesbétons 1, 2 et 3 —� risque élevé de fissuration car béton rigide (module d’élasticité élevé)et peu résistant en traction (béton jeune).
Fig. 16 – Etapes de bétonnage, situation plus favorable (faible risque de fissuration)
Fig. 17 – Etapes de bétonnage, réalisation d’un claveau
Dans les grands ouvrages, le risque de fissuration peut aussi être considérablement réduit encréant des « brèches de clavage », à savoir des joints provisoires de retrait, laissés ouvertssi possible durant quelques mois et bétonnés ultérieurement.
I DécoffrageProlonger la durée avant décoffrage permet de protéger le béton contre toute dessiccation etdonc limite le risque de fissuration. De plus, il faut tenir compte du risque éventuel d’un chocthermique lors du décoffrage (brusque refroidissement sans permettre une relaxation descontraintes ou ensoleillement direct du béton).Ainsi les voiles ne seront jamais décoffrés avant 5 jours d’âge. De plus, le temps dedécoffrage adopté dépend toujours de la température ambiante. Si la température moyennejournalière descend sous les 5 °C, les coffrages seront maintenus durant une périodesupplémentaire égale au temps durant lequel la température était sous 5 °C. Aprèsdécoffrage, les durées de cure du béton (conformément au tableau 3) seront encorerespectées par la mise en place d’une toile maintenue humide.
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En théorie, pour qu’une fissure soit inerte, il faut que la résistance en traction fy, de l’acier seul dans unesection fissurée As, soit supérieure à celle de la section voisine de béton Bc , fct (fig.18). Dans ces conditions,une nouvelle fissure se produit avant que la première ne s’ouvre.
Il en résulte :
Fig. 18
fct étant la résistance à la traction du béton, par exemple au moment du refroidissement.
Pour un fct de 1,5 N/mm2 au moment de la fissuration, et un acier BE 500 S, le pourcentage d’armaturessera donc d’au minimum :
A retenir :
• le recours à de petits diamètres à forte adhérence est favorable ; en effet, la fissurationfine et bien répartie résulte d'une grande surface de contact acier-béton développéepar les armatures ; il y a toutefois lieu de ne pas tomber dans le travers inverse et de« ne plus laisser place au béton » ;
• ce sont essentiellement les aciers horizontaux servant de répartition qui sont sollicités parla fissuration ;
• les armatures doivent être uniformément réparties en 2 nappes ;• les armatures horizontales doivent se trouver entre les armatures verticales et la surface
extérieure la plus proche ;• l'ouverture admissible des fissures pour un béton étanche à l'eau est fixée à 0,2, voire
0,1 mm tandis que pour tout autre béton, la valeur de 0,3 mm est généralement admise.
2.2. L’importance de l’armature
Les caractéristiques et la quantité d’armatures nécessaires sont déterminées par le bureau d’étuderesponsable du dimensionnement de la structure. Il y a lieu de ne pas oublier que le pourcentaged’armature doit être suffisant pour organiser une micro fissuration bien répartie. En effet, les phénomènesde fissuration dus au retrait du béton jeune, aux gradients de température dans l’épaisseur du mur, … nepeuvent pas être évités mais il est important de limiter l’ouverture des fissures de manière telle qu’elles necompromettent pas l’étanchéité à l’eau de l’ensemble. Des armatures placées perpendiculairement ausens de la fissuration attendue permettront d’organiser celle-ci en de nombreuses petites fissures qui necompromettent pas l’étanchéité de la structure.
Pour des bétons plus résistants au moment critique, le rapport As/Bc peut vite dépasser les 0,6 - 0,7 % etconduire à des quantités d’acier très élevées.
Le Rapport CUR n° 85 a étudié la fissuration des parois par retrait et par variation de la température.Des essais à échelle réduite ont été effectués sur des parois en béton. L’influence du taux d’armature surl’ouverture des fissures a été vérifiée et des corrélations sont établies entre le taux d’armatures, la déformationempêchée, la qualité du béton, … Enfin, cette théorie a été vérifiée expérimentalement, à l’aide derésultats obtenus sur des modèles à échelle réduite. Une bonne corrélation entre théorie et essais a étéobtenue. Le tableau 5 ci-après donne le pourcentage d’armatures horizontales nécessaire selon ceRapport CUR afin de limiter l’ouverture des fissures à 0,10, 0,15 ou 0,20 mm. La résistance à la tractiondu béton au moment critique est prise égale à 1,5 N/mm2.
As 1,5= = 0,3 % dans le sens de l’effort
Bc 500
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Il est important de noter que :
• le chantier n'est pas un laboratoire et si l'unité de mesure est le mm à la planche àdessin, elle est de l'ordre du cm pour le ferrailleur et le coffreur ;
• les valeurs suivantes d'enrobage minimum (cmin) sont nécessaires :
ı 40 mm pour des constructions étanches à l'eau ;
ı 30 mm pour toute autre construction ;
(l'enrobage se mesure à partir du nu de l'armature la plus proche du coffrage) ;• une marge de tolérance h est prévue par rapport à ces valeurs ninimales pour
déterminer l'enrobage nominal de béton cnom, celui-ci se définit selon la formule :
cnom = cmin + h
la tolérance h équivaut à :
ı 0 ≤ ≤ 5 mm pour les éléments préfabriqués ;
ı 5 ≤ h ≤ 10 mm pour le béton coulé sur place ;
le choix précis de la marge de tolérance h dépend du type et des dimensions del'élément porteur, du mode de construction, du niveau de qualification technique dupersonnel, de la finition, du contrôle de qualité ainsi que du niveau de détail.
Tableau 5 – Pourcentage d’armatures horizontales nécessaire afin de limiter l’ouverturedes fissures selon le Rapport CUR n° 85
Une caractéristique également très importante concerne l’épaisseur d’enrobage des armatures. Il fautcertes respecter les sections et dispositions des armatures, mais aussi n’admettre aucune tolérance enmoins sur l’épaisseur d’enrobage pour des parements exposés aux agents atmosphériques.
L’épaisseur de l’enrobage est fonction des conditions d’environnement. Celle-ci est associée aux exigencesde qualité imposées pour chaque classe d’environnement de la NBN B 15-001 : 2004. La future annexenationale belge de la NBN EN 1992-1-1 : 2005 « Calcul des structures en béton » donnera des directivesd’enrobage minimal en fonction des classes d’environnement.
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Il est important de noter que :
• la longueur des parties de parois coulées en une seule fois ne peut excéder 15 mètres ;
• le béton déjà durci doit être rendu suffisamment rugueux et humide, de façon àoptimaliser l’adhérence avec le béton frais ; l’étanchéité à l’eau est obtenue par l’utilisa-tion d’acier feuillard et en laissant l’armature continue au droit du joint (fig. 19) ;
• il est préférable de réduire les différences d’âge du béton entre chacune des étapes debétonnage de manière à réduire le plus possible les effets néfastes du retrait différentielentre étapes.
Fig. 19 – Feuille d’acier feuillard et armatures continues au niveau des joints de reprise
2.3. Les joints étanches à l’eau
Il convient de doter les réservoirs de joints de dilatation dès lors que des moyens efficaces et économiquesne peuvent être mis en œuvre par ailleurs pour limiter la fissuration. Différentes dispositions satisfaisantespour la conception et la réalisation des joints de dilatation ont été développées. Il convient de noter quele bon fonctionnement des joints nécessite qu’ils soient correctement réalisés. Par ailleurs, les produitsd’étanchéité pour joints ont fréquemment une durée de vie considérablement plus courte que celle de lastructure. Ainsi, il y a lieu de réaliser les joints de manière à ce qu’ils puissent être contrôlés et réparésou remplacés. Il est également nécessaire de s’assurer que le produit d’étanchéité est compatible avec lematériau ou le liquide à contenir.
Dans la majorité des cas, les réservoirs ne sont donc dotés que de joints de construction (encore appelésjoints de reprise). Ceux-ci doivent être soigneusement planifiés et exécutés.
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2.4. Compacité, porosité, perméabilité et absorption d’eau
La compacité du béton est une propriété essentielle qui conditionne notamment sa résistance mécaniqueet sa durabilité. Elle peut être définie par le rapport du volume absolu de matières solides (liants etgranulats) au volume apparent total.
Si l’on désigne par Vc (ciment), Vg (matériaux inertes), Ve (eau efficace), Vv (vides ou air) les volumesabsolus occupés dans l’unité de volume du béton en place, on a :
Vc + Vg + Ve + Vv = 1
La compacité du béton c est le complément à l’unité du volume de l’eau et de l’air inclus dans le volume1 du mélange :
c = Vc + Vg = 1 - (Ve + Vv)
La compacité peut donc être définie comme la différence entre le volume unitaire apparent et le volumedes vides. Pour déterminer sa valeur, il est nécessaire de connaître le volume des vides c’est-à-dire laporosité.
La porosité mesure la proportion de volume total de béton occupé par les pores et est habituellementexprimée en pourcentage. Etant donné l’existence de plusieurs types de pores, certains contribuent à laperméabilité et d’autres pas, il est important de bien faire la distinction entre porosité et perméabilité.Si la porosité est élevée et que les pores sont interconnectés, ils contribuent au transport des fluides àtravers le béton de sorte que la perméabilité, aussi, est élevée. Par contre, si les pores sont discontinus oune permettent pas le passage d’un fluide pour quelque raison que ce soit, la perméabilité est faible mêmesi la porosité est élevée.
La mesure de l’absorption d’eau peut fournir une indication sur la porosité. L’absorption est le résultat desmouvements capillaires dans les pores du béton qui sont ouverts sur le milieu ambiant. Elle se détermineen faisant immerger une éprouvette de béton dans l’eau jusqu’à masse constante et en mesurantl’augmentation de masse exprimée en pourcentage de sa masse sèche. Etant une image de la porosité,l’absorption d’eau est liée à la compacité du béton et peut donc être utilisée comme une mesure de laqualité du béton.
La fig. 20 donne les absorptions d’eau par immersion de quelques bétons fabriqués avec différents typesde ciment HSR LA.
Fig. 20 – Absorption d’eau par immersion de différents bétons (Carottes de 1 dm3 - NBN B 15-215)
Afin d’obtenir un béton de qualité, il est recommandé de spécifier une absorption d’eaupar immersion WAI (0,45) selon l’annexe 0 de la NBN B 15-001 : 2004 pour tous bétonscoulés en place ou préfabriqués en contact avec des eaux usées ou des sols contenant deseaux agressives. La classe WAI (0,45) est d’application pour les bétons de rapport E/C de0,45 maximum et signifie en terme d’absorption d’eau par immersion déterminéescrupuleusement conformément aux directives de la norme NBN B 15-215 :
• valeur moyenne mesurée sur trois éprouvettes ≤ 5,5 % ;• chaque valeur individuelle ≤ 6,0 %.
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3. L’action du gel et des sels de déverglacage
Parmi les actions susceptibles de provoquer des dégradations aux ouvrages en béton, la combinaison dugel et des sels de déverglaçage peut constituer un facteur particulièrement actif, surtout lorsque les cyclesde gel et de dégel s’alternent rapidement.
Les dégâts dûs à l’emploi de sels de déverglaçage se manifestent préférentiellement sous forme d’écaillages.Ces dégâts sont devenus fréquents suite au fait que les bétons ne sont pas toujours composés et mis enœuvre suivant les règles connues de bonne pratique.
Fig. 21 – Dégâts de gel avec sels de déverglaçage sur le haut de voiles de bassins de décantation
L’action aggravante des sels de déverglaçage est due aux facteurs suivants :
• la fonte de la glace par les sels est une réaction endothermique : la chaleur nécessaire est puisée dansle matériau sous-jacent, c’est-à-dire dans la couche superficielle du béton qui se refroidit doncbrusquement ; il apparaît alors un gradient thermique qui entraîne l’apparition de contraintes internessusceptibles de créer une fissuration du béton ;
• la fonte de la glace maintient un fort degré de saturation à la surface du béton ;• après le dégel, une eau à forte concentration en chlorures est obtenue, ceux-ci sont alors entraînés
par absorption capillaire ; la présence de sel abaisse le point de congélation et cela d’autant plus quela concentration augmente ; des mesures sur des ouvrages régulièrement salés montrent que leschlorures présentent généralement des profils de concentration en fonction de la profondeur tels queprésentés en fig. 22 ; la combinaison point de congélation / température du béton peut être telle quedeux couches gelées soient séparées par une couche intermédiaire non gelée ; si suite à unabaissement supplémentaire de la température, l’eau de cette couche vient à geler, elle ne trouve pasde vase d’expansion et repousse de ce fait la couche supérieure ; cet effet s’appelle « écaillage » ;
• étant donné que la concentration en sel varie fortement, des pressions osmotiques naissent et cumulentégalement leurs effets ; lors du gel, seule l’eau pure est transformée en glace ; l’eau est en réalité unesolution saline et au cours du gel, il se produit donc une séparation en glace et en solution encoreliquide qui devient de plus en plus concentrée en sel ; l’eau des pores voisins, lorsqu’ils sont plus petitsn’a pas encore gelé (dans un pore de pâte de ciment, l’eau gèle à une température qui dépend,notamment, de la dimension du pore), de ce fait, sa concentration saline, ayant gardé son niveauinitial, est largement inférieure à celle du gros pore déjà partiellement gelé ; ceci va créer un affluxd’eau des petits pores vers les plus gros suivant les lois de l’osmose ; ces transferts vont créer despressions qualifiées d’osmotiques, si ces pressions viennent à surpasser la résistance à la traction dubéton, elles fissureront celui-ci.
Fig. 22 - L’eau gelant par couches dans un béton soumis à l’action des sels de déverglaçage peut provoquer des écaillages
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Préventions
Elles sont impératives eu égard aux risques encourus.
• Confectionner un béton adéquat, c’est-à-dire un béton de très bonne qualité offrant une faibleporosité et une grande résistance à la traction. Cette qualité s’obtient par la voie classique duE/C très bas (≤ 0,45) ce qui implique une teneur minimale en ciment de 365 kg/m3 etl’utilisation d’un bon sable pour béton demandant peu d’eau (voir fig. 23).
Fig. 23 - Qualité d’un bon sable pour béton
• Veiller à l’homogénéité du béton en place. L’instabilité de certaines compositions conduit à desremontées importantes de mortier et de laitance vers la couche supérieure qui est justement celleagressée par les sels. Consistance adéquate (slump maximum de classe S3), continuité granulo-métrique et serrage adapté sont des points à surveiller tout particulièrement. Le béton doit avoirune courbe granulométrique continue et doit donc contenir suffisamment de granulats 2/8(minimum 300 kg), ce qui est assez souvent perdu de vue. De plus, la teneur en particules fines(≤0,250 mm, y compris le ciment) en fonction du calibre maximum du granulat sera de :
ı 475 kg/m3 pour un Dmax de 14 mm ;
ı 450 kg/m3 pour un Dmax de 22 mm ;
ı et 400 kg/m3 pour un Dmax de 32 mm.
• Il peut également s’avérer utile d’enlever la partie supérieure riche en laitance et mortier. Le bétonsera mis en place dans le coffrage sur une hauteur plus élevée que celle prescrite (5 à 10 cm enplus) et plus ou moins 1 heure après la mise en œuvre, ce surplus de béton est enlevé et on vientenrichir la face supérieurepar saupoudrage d’unmélange sec 1/2 ciment -1/2 sable-quartz) suivid’un talochage vigoureux(fig. 24).
Fig. 24 – Lissage et talochage manuelde la face supérieure après saupoudraged’un mélange sable-quartz / ciment
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• Un développement récent permettant de diminuer les remontées d’eau par ressuage estl’utilisation de coffrages perméables. Ici, le coffrage des surfaces verticales est composé d’untreillis de polypropylène fixé sur contre-plaqué percé de trous de drainage. Le coffrage agitcomme un filtre au travers duquel l’air et l’eau de ressuage s’échappent, alors que la majeurepartie du ciment est retenue à l’intérieur du béton (fig. 25). Le rapport E/C près de la surface estdonc réduit (jusqu’à une profondeur de 20 mm selon la littérature (PRICE et WIDDOWS)) ce quiaméliore la durabilité.
• Protéger efficacement les surfaces de béton frais (y compris le haut des murs non coffrés) contretoute dessiccation prématurée qui conduirait à une hydratation incomplète du ciment en surface,à une multiplication des capillaires et une micro fissuration superficielle génératrices depoudroiement, de porosité et de réduction des résistances à la traction.
Fig. 25 – Drainage du béton dès sa mise en place par la pose d’une nappe perméable à l’intérieur des coffrages
• Etancher éventuellement les surfaces trop poreuses par une imprégnation. Les produits d’imprégnationréagissent avec l’hydroxyde de calcium de la pâte de ciment hydraté et freinent ainsi lapénétration de l’eau et des sels de déverglaçage. Ils évitent donc les dégâts lors des cycles de gel-dégel. A noter que ces produits n’ont pas un caractère définitif et que le traitement doit êtrerenouvelé tous les 5 ans.
• Les ciments convenant le mieux pour résister à l’agression des sels de déverglaçage sont lesciments Portland CEM I et les ciments de haut fourneau CEM III/A.
• Pour les ouvrages à base de ciments de haut fourneau CEM III/B et CEM III/C, bannirl’épandage de sels de déverglaçage et préférer d’autres solutions pour éviter la formation deglace ; l’insertion d’une résistance électrique dans le chemin de roulement ou l’utilisation d’unelampe chauffante devant les galets de roulement sont des solutions éprouvées (fig. 26).
• Quel que soit le ciment utilisé, proscrire tout épandage de sels de déverglaçage sur les bétonsagés de moins de six semaines, voire sur tous les bétons.
Fig. 26 – Utilisation d’une lampe chauffante
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4. Exigences en terme de mise en oeuvre
4.1. La mise en place
L’opération délicate de la mise en place du béton ne peut être réalisée que par des ouvriers ayant desconnaissances et une expérience suffisantes. Le volume de la livraison et les moyens de mise en œuvredoivent être adaptés l’un à l’autre, car la mise en place du béton doit être réalisée à un rythme constant,en couches horizontales d’épaisseur aussi régulière que possible (± 30 cm d’épaisseur). Afin d’éviter laségrégation, la hauteur de chute ne devrait jamais dépasser 1,5 m. Si elle est de plus de 2 m, le bétondoit être mis en place à l’aide d’un tube ou d’un flexible. En effet, outre une ségrégation éventuelle, unehauteur de chute trop importante donne au béton frais une force dynamique qui peut :
ı déformer, voire ouvrir le coffrage ;
ı déplacer les écarteurs et ainsi diminuer le recouvrement des armatures ;
ı déplacer les armatures.
Il est exclu de mettre en place par temps pluvieux. Après la mise en place, il faut bien protéger le bétonen haut du coffrage contre la dessiccation et par temps nuageux, couvrir le haut du coffrage afin d’évitertoute infiltration d’eau de pluie.
4.2. Le compactage
Un compactage soigneux est essentiel pour la durabilité du béton. Les avantages d’un béton bien compactésont :
ı une étanchéité plus élevée ;
ı une durabilité améliorée ;
ı une résistance à la compression élevée ;
ı une meilleure adhérence du béton aux armatures.
Les bétons de classe de consistance usuelle S3 seront en général compactés par vibration interne aumoyen d’aiguilles vibrantes. Une fois dans le béton, l’aiguille doit avoir une vibration de fréquenceconstante. L’expérience a montré que la fréquence de 12 000 tours par minute est la plus favorable pourla majorité des bétons courants. Pour les bétons de granularité fine, cette fréquence doit être augmentée(jusqu’à 18 000 t/min).
Fig. 27 – Mise en place du béton au moyen d’uneaiguille vibrante
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Les règles d’un bon compactage
I L’aiguille vibrante doit être introduite dans le béton rapidement et à intervalles réguliers. Elledoit être maintenue brièvement au point le plus bas, remontée lentement, et enfin retirée demanière à ce que le trou du vibrateur se referme de lui-même. Si la surface ne se referme pas,cela peut signifier que la consistance du béton est trop ferme, que la prise a déjà commencé ouencore que la durée de vibration est insuffisante.
I Le béton ne doit pas être réparti au moyen de l’aiguille vibrante.
I La vibration doit être interrompue dès qu’une fine couche de laitance apparaît en surface etque les grosses bulles d’air ne remontent plus que sporadiquement.
I L’espacement des points d’introduction de l’aiguille vibrante doit être choisi de manière à ceque les zones d’action du pervibrateur se recouvrent légèrement. En pratique, l’espacementest égal à 8 à 10 fois le diamètre de l’aiguille.
I Lorsque le béton est mis en place par couches successives, l’aiguille vibrante doit pénétrerd’environ 10 à 15 cm dans la couche sous-jacente pour assurer la bonne liaison entre lesdeux couches.
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4.3. Cas particuliers de mise en œuvre
4.3.1. Bétonner par temps froid
Lors de la construction d’un ouvrage en béton par temps froid (≤ 5 °C), une attention particulière doitêtre portée d’une part sur le ralentissement du durcissement du béton et d’autre part sur le dangerpotentiel de gel du béton non encore durci :
• le ralentissement du durcissement : lorsque la température diminue, les réactions chimiques d’hydrata-tion se modifient et en particulier, la réaction de prise du ciment est ralentie ; il s’ensuit un dévelop-pement plus lent des résistances mécaniques du béton ;
• le gel du béton non encore durci : l’eau pure et libre se congèle à 0 °C avec une augmentation devolume de 9 % ; tout comme les tuyauteries éclatent sous l’action du gel par l’expansion de leurcontenu, le béton est détruit par l’augmentation du volume de l’eau gelée ; deux cas sont à distinguer :
ı quand l’eau gèle lorsque le béton n’a pas encore fait sa prise (béton frais) ; la dilatation peut êtrefacilement reprise par le béton encore plastique ; dans ce cas, le béton s’élève hors du coffrage ;par conséquent, après durcissement, la qualité du béton est très mauvaise car le béton estinsuffisamment serré (compacté) ;
ı quand l’eau gèle lorsque le béton a fait prise mais est encore très jeune ; la résistance développéeest trop faible pour que le béton puisse reprendre les contraintes de traction provoquées par legel en formation et la différence de température entre la surface et l’intérieur ; la surface vaimmanquablement s’écailler.
Bétonner par temps froid : ce qu’il faut faire et surtout ne pas faire
La température de la surface la plus exposée du béton doit être d’au moins + 5 °C pendant les 72 heures qui suivent la mise en place.
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4.3.2. Bétonner par temps chaud
Lors de la construction d'un ouvrage en béton par temps chaud et sec (≥ 25 °C), les désordres provoquéssont bien réels. La chaleur provoque principalement :
• une perte rapide de l'ouvrabilité et une diminution du temps de prise; il peut être intéressant d'utiliserun adjuvant retardateur de prise pour prolonger le temps d'utilisation du béton ;
• l'évaporation de l'eau entraînant ainsi la fissuration des bétons;• une baisse de résistance des bétons ; En effet, le béton mis en œuvre et mûri à des températures
élevées pendant l'été développe des résistances mécaniques élevées à court-terme, mais le taux deprogression des résistances entre 7, 28 et 91 jours est plus faible que celui des bétons fabriquéspendant les autres périodes de l'année si bien que les résistances mécaniques à long terme peuventêtre plus faibles de 10 à 20 %.
Bétonner par temps chaud : ce qu’il faut faire et surtout ne pas faire
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NBN B 15-002 : 1999, Eurocode 2 : Calcul des structures en béton - Partie 1-1 : Règles générales et règles pour les bâtiments
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