centre d'etudes techniques maritimes et fluviales Guide d utilisation du béton en site maritime

Transcription

1 centre d'etudes techniques maritimes et fluviales Guide d utilisation du béton en site maritime Notice n PM Avril 2008

2 Page 2

3 AVANT-PROPOS Le présent document est un guide sur l utilisation du béton dans les ouvrages maritimes. Sans se substituer aux normes et règlements existants, il a pour objectif d apporter des informations pratiques afin de faciliter la formulation du béton la plus appropriée pour la réalisation d un ouvrage fonctionnel, économique et durable dans un environnement maritime. Il rappelle également les règles de l art principales relatives à la mise en œuvre, au contrôle de la fabrication et de la mise en oeuvre du béton et à la gestion de l entretien des ouvrages en béton. Il s adresse essentiellement aux maîtres d œuvre qui ont à préparer un projet d ouvrage en béton dans un environnement maritime, mais aussi à tous les acteurs de la construction dans les ports et sur le littoral maritime en France métropolitaine et outre-mer. Ce document traite donc du matériau béton essentiellement pour les ouvrages intérieurs aux ports maritimes, mais il peut aussi s appliquer aux ouvrages de protection des ports, aux ouvrages de protection du littoral et aux établissements de signalisation maritime. La rédaction du guide a été confiée principalement aux CETE du Sud-Ouest et de l Ouest, du fait notamment de leur expérience dans les travaux maritimes. En 2004, la nouvelle Equipe de Recherche Associée au CETMEF du CETE de l Ouest et basée à Saint-Brieuc a été chargée de rédiger la version finale tenant compte de la nouvelle norme NF EN La rédaction définitive intègre donc les dernières évolutions normatives et réglementaires, en particulier le nouveau fascicule 65 du cahier des clauses techniques générales des marchés publics de travaux approuvé par arrêté du 06 mars Le directeur du CETMEF Geoffroy CAUDE Page 3

4 COMITÉ DE RÉDACTION ET DE RELECTURE La rédaction de ce document a été assurée par : Benoît THAUVIN CETE de l Ouest LRPC de Saint Brieuc Michel MENGUY CETE de l Ouest LRPC de Saint Brieuc Ont participé à son élaboration : Abasse ABDALLAH DE 976 Véronique BAROGHEL-BOUNY LCPC Pierre BERGA LRPC de Bordeaux Philippe CHUBILEAU Service Navigation de la Seine Gérard DELALANDE LRPC d Angers Jean-Marie GEOFFRAY LRPC de Clermont-Ferrand Gilbert GRIMALDI CETMEF Patrick GUIRAUD CIMBéton Aldéric HAUCHECORNE CETMEF Pascal LEBRETON CETMEF Alain LE MEHAUTE LRPC de Saint-Brieuc Gilles LE MESTRE LRPC de Saint-Brieuc Manuel LE MOINE DIR Nord-Ouest Robert LE ROY LCPC Christian NAVECH LRPC de Bordeaux Jean-Luc PERSON Port Autonome de Marseille Karim OUNOUGHI LRPC de Bordeaux Denis ROUANET Conseil Général des Alpes-Maritimes Jean-Jacques TRICHET CETMEF Nicolas ROUXEL LRPC de Saint Brieuc Des professionnels du ciment et du béton ont également été consultés : l ATILH (Association Technique de l Industrie des Liants Hydrauliques) le CERIB ( Centre d Etudes et de Recherches de l Industrie du Béton) le CIMbéton (Centre d information sur le ciment et ses applications) le FIB ( Fédération de l Industrie du Béton) le SNBPE (Syndicat National du Béton Prêt à l Emploi) le SNPB ( Syndicat National du Pompage du Béton) Relecteurs : Jean-Claude BASTET LRPC d Aix-en-Provence Pierre BERGA LRPC Bordeaux Guillaume DE VAUX DTM Brest Yannick FAGON DDE 29 Christian FAUVEL DDE 35 Pascal GILLERON LRPC Rouen Bruno GODART LCPC Gérard KITTEL LRPC Lille Sébastien L HERMITE Port Autonome de Nantes-Saint-Nazaire Nicolas MENARD Port Autonome de Nantes-Saint-Nazaire Etienne NAUDE Port Autonome de Bordeaux Nicolas ROUXEL LRPC Saint-Brieuc Didier SEHIER DDE 56 Le CETMEF les remercie tous pour leur contribution à cet ouvrage. Page 4

5 Chapitre 1 Introduction générale SOMMAIRE 1. INTRODUCTION GÉNÉRALE Champ d application du guide Objectif du guide Contenu, articulation des chapitres Qu est-ce que le béton? Les ciments Les granulats Les additions Les adjuvants Les ajouts L eau de gâchage SPECIFICITES DES OUVRAGES EN BETON EN ENVIRONNEMENT MARITIME Typologie des ouvrages Construction Agressivité du milieu Généralités Attaques externes sur le béton seul Attaques internes du béton Cycles de gel-dégel Corrosion des armatures Bilan des attaques du béton pour un ouvrage maritime BETON EN SITE MARITIME, EXIGENCES ET SPECIFICATIONS Exigences performantielles Résistance mécanique Exigences esthétiques Ouvrabilité Exigences de durabilité Référentiel technique Stipulations Généralités Durée d'utilisation du projet Types de béton Classes d'exposition Classes de teneur en chlorures Spécifications principales pour la composition et les propriétés du béton Prévention contre les risques d'alcali-réaction Prévention contre les risques de réaction sulfatique interne Enrobage des armatures Autres spécifications Durabilité et approche performantielle Les indicateurs de durabilité Les témoins de durée de vie Bétons aux nouvelles performances Bétons autoplaçants (BAP) Bétons Hautes Performances (BHP) Bétons fibrés BFUP Produits spéciaux Armatures en acier inoxydable Nuances d acier inoxydable Avantages et inconvénients 79 Page 5

6 Chapitre 1 Introduction générale 4. MISE EN ŒUVRE DU BETON Structures coulées en place Fabrication du béton Transport du béton Matériels couramment utilisés pour le transport du béton Cas spécifique du béton coulé sous l'eau Dispositions constructives Préfabrication Fabrication des éléments en béton Transport et stockage Blocs de défenses préfabriqués Environnement Aspect législatif Mesures de protection du milieu CONTRÔLE DE LA QUALITE Démarche Exigences du Dossier de Consultation des Entreprises Analyse des offres Contrôle extérieur Analyse des plans d'assurance qualité (PAQ) Vérification du contrôle intérieur Epreuves GESTION DES OUVRAGES Dispositions constructives Surveillance Généralités Dossier d'ouvrage Surveillance continue de l'ouvrage Visites d'évaluation Inspections détaillées Suivi des paramètres de durabilité du béton Généralités Méthodologie APPLICATION 107 ANNEXES 109 Page 6

7 Chapitre 1 Introduction générale 1. INTRODUCTION GÉNÉRALE L agressivité très importante et les contraintes spécifiques de l environnement marin ont motivé la rédaction de ce «Guide d utilisation du béton dans les ouvrages maritimes». Ce guide répond à plusieurs critères : Il est consacré aux travaux en site maritime : il s applique aux ouvrages portuaires et maritimes et aborde donc les contraintes spécifiques de l environnement marin. Il prend en compte les textes réglementaires les plus récents, notamment les dernières évolutions normatives. Il évoque les dernières évolutions techniques notamment concernant l amélioration des performances des bétons. Il est opérationnel et nourrit l ambition de répondre aux préoccupations en matière de rédaction des cahiers des charges relatifs à la formulation du béton, à sa fabrication, à sa mise en œuvre et au contrôle de sa qualité. Il se veut pédagogique : au fil du texte des rappels de notions de béton permettent au lecteur de compléter ses connaissances et de mieux appréhender les conseils et les recommandations. Enfin, il ambitionne d être convivial grâce à de nombreuses illustrations et à des fiches pratiques. 1.1 CHAMP D APPLICATION DU GUIDE Ce document s adresse d une façon générale aux maîtres d ouvrages, aux maîtres d œuvres, aux gestionnaires mais aussi aux laboratoires ayant à traiter des problèmes liés à l utilisation du béton en milieu maritime. Le guide intéresse les ouvrages situés en métropole mais également dans les DOM-TOM. Il s applique au béton non armé (NA), armé (BA) et précontraint (BP) utilisé pour la construction d ouvrages en site maritime (ouvrages à l intérieur ou à l extérieur des zones abritées des ports maritimes) tels que les appontements, les quais, les digues, les ouvrages de soutènement, les ouvrages mobiles, les passerelles et les ouvrages de construction et de réparation navales. Le guide s applique au béton coulé en place, qu il soit fabriqué en centrale de Béton Prêt à l Emploi (BPE) ou en centrale de chantier. Il s applique aussi au béton préfabriqué, que ce soit en usine, dans des installations portuaires comme des formes de radoub ou sur des aires spécialement aménagées sur le chantier. Le guide ne traite pas spécifiquement: - du béton destiné aux ouvrages d art routiers proches de la mer mais situés en dehors des ports maritimes, - du béton dans le cadre de l entretien et des réparations des ouvrages, - du béton projeté qui est un béton spécifique utilisé principalement en réparation et en confortement. En outre, pour les ouvrages en site fluvial, on pourra se reporter au guide publié par le CETMEF et VNF [35] intitulé «Le béton dans les ouvrages fluviaux» paru en décembre Enfin, pour les ouvrages en béton précontraint, le lecteur pourra également se reporter au guide publié par le CETMEF «Utilisation du béton précontraint en site aquatique Eléments de réflexion» [42]. Page 7

8 Chapitre 1 Introduction générale 1.2 OBJECTIF DU GUIDE Le présent guide a pour objectif principal d apporter des informations pratiques afin de faciliter le choix du béton le plus approprié pour la réalisation d un ouvrage maritime économique et durable. Il doit permettre : au maître d ouvrage : de définir son programme en matière de béton (durée d utilisation du projet, exigences esthétiques, contraintes techniques et environnementales, niveau de service de l ouvrage, ) ; au maître d œuvre : de définir les stipulations du cahier des charges en matière de formulation, de fabrication, de mise en œuvre et de contrôle de la qualité du béton ; à l exploitant : d être sensibilisé à la problématique du béton notamment concernant les agressions spécifiques à l environnement marin et aux pathologies éventuelles correspondantes, de prendre en compte la notion de durabilité afin d optimiser les coûts d entretien et de maintenance et de minimiser les gênes pour l exploitation, au professionnel de laboratoire : de conseiller et d assister le maître d œuvre et l exploitant. 1.3 CONTENU, ARTICULATION DES CHAPITRES Le guide s articule autour de sept chapitres. Ces chapitres suivent le cheminement des problématiques rencontrées et des besoins pour définir, formuler, fabriquer,mettre en oeuvre et contrôler un béton qui soit : adapté à l ouvrage concerné (type d ouvrage, mode de construction, durée d utilisation du projet), adapté à sa technique de mise en œuvre durant la phase de construction, performant et durable durant la vie de l ouvrage (performance mécanique et résistance aux actions de l environnement). Le chapitre 2 «Spécificités des ouvrages en béton en environnement maritime» présente le contexte et la problématique de la construction des ouvrages en béton en milieu portuaire et plus largement maritime. Sont abordées les spécificités liées à la typologie des ouvrages, à la phase de construction et aux agressions de l environnement marin. Le chapitre 3 «Les bétons en site maritime» permet de définir le béton. A partir des éléments de contexte présentés au chapitre 2, ce chapitre décrit les exigences (mécaniques, d ouvrabilité, esthétiques, de durabilité) que devra satisfaire le béton. Il présente ensuite le référentiel technique (normes, règlements, guides techniques) et les spécifications qui permettront au maître d ouvrage et au maître d œuvre de définir et prescrire un béton répondant aux exigences précédemment évoquées. Le chapitre se termine par une présentation sur des bétons spéciaux ou innovants qui, par certaines de leurs caractéristiques et de leurs propriétés, présentent des avantages pour la construction en site maritime. Après avoir prescrit le béton au chapitre 3, le chapitre 4 «Mise en œuvre» décrit les différentes techniques de mise en œuvre, les modalités de fabrication, de transport, de coulage, et en précise les précautions à prendre à chacune de ces étapes. Il donne également les règles de l art et les précautions à prendre afin de préserver le milieu aquatique. Page 8

9 Chapitre 1 Introduction générale Le chapitre 5 «Contrôle de la qualité» a pour objectif de définir les modalités d organisation et le contenu du contrôle de la qualité en phase d exécution. Ce contrôle est fondamental. Le guide permet d une part au maître d œuvre de rédiger son cahier des clauses techniques particulières (CCTP) en matière de contrôle de la qualité et d autre part au laboratoire d assister le maître d œuvre et de proposer un plan de contrôle adapté. Le chapitre 6 «Gestion des ouvrages» donne des pistes pour une gestion organisée et optimisée d un patrimoine d ouvrages maritimes en béton et décrit les précautions d entretien à prévoir. Le chapitre 7 «Applications» est un outil directement opérationnel pour le maître d œuvre. Il est constitué d un lot de fiches pratiques. Pour chaque type d ouvrage, les fiches pratiques présentent sous forme synthétique les spécifications adaptées à l ouvrage en fonction de la zone d exposition, les techniques de mise en œuvre et les contrôles correspondants. 1.4 QU EST-CE QUE LE BETON? Facile à mouler et compatible avec l acier, le béton est le matériau de construction le plus largement utilisé. Il permet de réaliser des portées importantes et des formes complexes. C est pour l essentiel un mélange de grains minéraux de dimensions variables et d eau. Certains minéraux, appelés granulats, sont inertes. D autres, les liants, réagissent avec l eau en formant une pâte qui fait prise et qui durcit dans l air ou sous l eau en donnant naissance à un matériau composite de hautes performances. Il peut être utilisé tel quel ou renforcé par des armatures. On parle alors de béton armé, précontraint, fibré, Des constituants complémentaires comme les adjuvants sont incorporés à faible dose dans le mélange. Ils ont pour action de provoquer les modifications recherchées de ses propriétés à l état frais ou durci. Le béton se présente donc sous deux états physiques successifs : tout d abord sous la forme d un mélange plus ou moins liquide, le béton frais, puis progressivement sous la forme d un matériau solide, sorte de pierre artificielle, le béton durci. Le premier état permet la mise en place du béton dans son contenant (coffrage, moule). Cette faculté d ouvrabilité est caractérisée par la consistance. Le deuxième constitue le produit fini. Proposé sous la forme et l aspect souhaités, il doit notamment fournir les résistances mécaniques exigées tout en assurant la durabilité. On considère qu un béton est durable s il conserve aussi longtemps que nécessaire (durée d utilisation du projet), à la fois son intégrité structurelle et les qualités requises. Cette faculté est mise à l épreuve par les contraintes d exploitation des ouvrages, mais aussi par les diverses agressions de l environnement ambiant. Dans le présent document, on traitera les spécificités des ouvrages construits en site maritime, milieu particulièrement sévère qui impose de prendre des dispositions adaptées Les ciments Les ciments sont des liants hydrauliques (par opposition aux liants hydrocarbonés). Cela signifie qu ils ont la capacité de former en présence d eau une pâte qui durcit même en l absence d air comme, par exemple, sous l eau. Ils sont constitués de silicates et d aluminates anhydres. En présence d eau, ces éléments s hydratent et forment par cristallisation des produits plus stables ce qui provoque la prise du ciment. Les ciments Portland résultent du broyage du clinker, produit obtenu après la cuisson à haute température d un mélange de calcaire et d argile (et d éventuelles additions comme le gypse). Page 9

10 Chapitre 1 Introduction générale Caractéristiques normalisées des ciments courants Les ciments courants sont couverts par la norme NF EN de février 2001 qui spécifie la composition, les exigences et les critères de conformité. Les ciments conformes à cette norme, gâchés et mélangés avec des granulats et de l eau de façon appropriée, doivent conserver au béton une ouvrabilité pendant quelques heures afin de permettre son transport et sa mise en œuvre, et après des périodes prédéterminées, atteindre des niveaux de résistance fixés par le cahier des charges Types de ciments Les ciments courants sont divisés en cinq types principaux : CEM I Ciment Portland, CEM II Ciment Portland composé, CEM III Ciment de haut fourneau, CEM IV Ciment pouzzolanique, CEM V Ciment composé (au laitier et aux cendres). On distingue plusieurs ciments appartenant au même type principal grâce à l association des lettres suivantes : A, B ou C pour le clinker (selon la proportion), S pour le laitier de haut fourneau, D pour la fumée de silice, P pour la pouzzolane naturelle, Q pour la pouzzolane naturelle calcinée, V pour les cendres volantes siliceuses, W pour les cendres volantes calciques, L ou LL pour le calcaire suivant la teneur totale en carbone organique. Page 10

11 Chapitre 1 Introduction générale Composition Ciment Portland Ciments Portland composés Ciment de haut fourneau Ciment pouzzolanique Ciment composé CEM I CEM II / A CEM II / B CEM III / A CEM III / B CEM III / C CEM IV / A CEM IV / B CEM V / A CEM V / B Constituants principaux Clinker Autre constituant principal (laitier, fumée de silice, pouzzolanes, cendres volantes, schiste calciné, calcaire) Laitier de haut fourneau Fumée de silice, pouzzolanes, cendres volantes Pouzzolanes, cendres volantes siliceuses Les ciments CEM II, III, IV et V sont associés aux lettres «A» et «B» (le CEM III est aussi associé à la lettre «C») qui correspondent à une proportion plus ou moins importante de clinker. Comme l illustre le tableau ci-dessus, un ciment désigné avec la lettre «A» contiendra davantage de clinker qu un ciment désigné avec la lettre «B» et, a fortiori, qu un ciment «C». Un ciment de type «B» contiendra donc plus de constituants principaux autres que le clinker (laitier de haut fourneau, fumée de silice, pouzzolanes, cendres volantes, schiste calciné, calcaire) qu un ciment de type «A». On pourra également noter que la proportion de laitier de haut fourneau (dans les ciments CEM III et CEM V) peut être relativement importante (jusqu à 95 % dans le CEM III/C) alors que les autres constituants principaux sont généralement présents dans une moindre mesure (jusqu à 35 % dans la plupart des cas, jusqu à 55 % pour certains ciments) Désignation normalisée Les ciments sont désignés en particulier par leur type et par un nombre indiquant la classe de résistance à la compression (valeur exprimée en MPa). Le type du ciment a été décrit au paragraphe La classe de résistance est notée «N» si le ciment a une classe de résistance à court terme ordinaire et «R» si sa classe de résistance à court terme est élevée. La résistance à court terme d un ciment est une résistance en rupture à la compression et doit être déterminée conformément à la norme NF EN 196-1, après deux ou sept jours. Page 11

12 Chapitre 1 Introduction générale Par exemple un ciment Portland composé contenant au total une quantité de laitier granulé de haut fourneau (S), de cendres volantes siliceuses (V) et de calcaire (L) comprise entre 6 et 20 % en masse, appartenant à la classe de résistance 32,5, et présentant une résistance à court terme élevée, est identifié par : Ciment Portland composé NF EN CEM II/A-M (S-V-L) 32,5 R CE Ciments courants à caractéristiques complémentaires normalisées Pour les travaux à la mer, certaines propriétés complémentaires des ciments peuvent être requises. Elles font l objet de normes spécifiques Ciments pour travaux à la mer (PM) NF P Les ciments n ont pas tous la même capacité à résister aux agressions chimiques liées à l exposition à l eau de mer. L emploi de ciments présentant des caractéristiques adaptées de résistance à ces agressions est donc indispensable. Ces ciments présentent des teneurs limitées en aluminate tricalcique (C 3 A) qui leur permettent de conférer au béton une résistance accrue à l agression des ions sulfate en présence d ions chlorure, au cours de la prise et tout au long de la vie de l ouvrage. Ces ciments comportent la mention PM sur l emballage et le bon de livraison Ciments pour travaux en eaux à haute teneur en sulfates (ES) XP P Les eaux séléniteuses constituent un milieu particulièrement agressif, qui nécessite l emploi de ciments spécifiques. Ces ciments pour travaux en eaux à haute teneur en sulfates présentent des teneurs en aluminates tricalcique (C 3 A) qui leur permettent de conférer au béton une résistance accrue à l agression des ions sulfate au cours de la prise et tout au long de la vie de l ouvrage. Ces ciments comportent la mention ES sur l emballage et le bon de livraison Ciments à teneur en sulfures limitée (CP) NF P Ces ciments ont une teneur en sulfures inférieure à une valeur donnée. La norme prévoit deux classes notées CP1 et CP2. Ils sont destinés aux ouvrages en béton précontraint. Ils comportent la mention CP sur l emballage et le bon de livraison Autres ciments D autres types de ciments existent. Ils diffèrent des ciments courants (CEM I à V) par leur composition et certaines de leurs propriétés. Il s agit notamment du ciment d aluminates de calcium (anciennement ciment alumineux fondu, NF P ) et du ciment prompt naturel dont les caractéristiques peuvent être utiles pour certains travaux à la mer Ciment d aluminates de calcium (EN 14647) Tout en ayant un temps de prise normal, ce ciment se distingue par sa capacité à développer, en béton, de hautes résistances mécaniques à très court terme : 30 MPa à six heures. Son hydratation ne donne pas lieu à la formation d hydroxyde de calcium, ce qui confère au béton une bonne tenue aux eaux pures, aux eaux sulfatées et à l eau de mer. Ces deux caractéristiques en font un ciment très bien adapté pour les travaux en environnement marin. A la bonne durabilité des bétons confectionnés avec ce ciment, il offre en plus la possibilité de réaliser certains travaux entre deux marées hautes et permet des remises en service rapides, ce qui est difficile avec les ciments courants. Page 12

13 Chapitre 1 Introduction générale Sa durabilité en milieu maritime est attestée par plusieurs réalisations qui, soixante-dix ans plus tard, étaient en parfait état. On peut notamment citer un quai sur le port d Halifax en 1930 au Canada et le Montrose Bridge en 1930 en Ecosse. Toutefois, son coût relativement élevé en limite l utilisation. L emploi du ciment alumineux fondu nécessite de plus certaines précautions regroupées dans la norme P «Emploi du ciment alumineux fondu en éléments de structure». En particulier, il est impératif de respecter les deux règles suivantes : le rapport eau totale/ciment (E/C) doit toujours être inférieur ou égal à 0,40 ; le dosage en ciment ne doit jamais être inférieur à 400 kg/m Ciment prompt naturel (NF P ) Les constituants de ce ciment lui confèrent des propriétés particulières de prise et de durcissement rapides, de quelques minutes à une demi heure, et de résistance aux acides, aux sulfates et à l eau de mer. Le ciment prompt naturel est agréé «Prise Mer» (norme NF P ). Les résistances en compression sont faibles à court terme (minimum garanti de 19 MPa à 28 jours) mais progressent pendant plusieurs années, avec la compacité du béton, assurant ainsi une bonne durabilité. En pratique, ce ciment, peu utilisé pour les bétons de structure, a des propriétés très intéressantes pour les travaux urgents : colmatage de fissures, aveuglement de voies d eau, scellement, calfatage, travaux entre marées, enduits imperméables. La formulation d un béton de ciment prompt diffère peu de celle des bétons courants. La modulation du temps de prise s effectue par ajout d acide citrique (les retardateurs pour ciment Portland ne sont pas efficaces avec ce ciment). Le dosage en ciment est compris entre 500 et 600 kg/m 3. Pour les travaux de scellement et de calage, il est souhaitable de lui préférer des produits prêts à l emploi admis à la marque NF-Produits spéciaux pour les constructions en béton hydraulique Les granulats Le granulat est constitué d un ensemble de grains minéraux qui, selon leurs dimensions (comprise entre 0 et 125 mm), se situe dans l une des familles suivantes : - fillers, - sablons, - sables, - graves, - gravillons, - ballast, - enrochements. Les granulats sont obtenus en exploitant des gisements de sable et de gravier d origine alluvionnaire, terrestre ou maritime, en concassant des roches massives, ou encore par le recyclage de produits tels que les matériaux de démolition. Page 13

14 Chapitre 1 Introduction générale La nature minérale des granulats est un critère fondamental pour leur emploi, chaque roche possédant des caractéristiques spécifiques en terme de résistance mécanique, de tenue au gel et de propriétés physico-chimiques. Les granulats les plus usuels pour la fabrication des mortiers et des bétons sont élaborés à partir de matériaux d origine alluvionnaire (granulats roulés ou concassés) ou à partir de roches massives (granulats concassés). La taille d un granulat répond à des critères granulométriques précis. Les granulats sont classés en fonction de leur granularité (distribution dimensionnelle des grains) déterminée par analyse granulométrique à l aide de tamis ou d un vidéogranulomètre. Le granulat est désigné par le couple d/d avec : d : dimension inférieure du granulat, D : dimension supérieure du granulat. Granulats les plus courants en travaux maritimes Familles Dimensions Caractéristiques Fillers 0/D D < 2 mm avec au moins 85 % de passant à 1,25 mm et 70 % de passant à 0,063 mm Sables 0/D d = 0 et D 4 mm Graves 0/D D 6,3 mm Gravillon d/d d 2 mm et D 63 mm s Ballasts d/d d = 31,5 mm et D = 50 ou 63 mm Les intervalles d/d et 0/D sont appelés classes granulaires. Les granulats doivent être conformes à des normes. Ils constituent le squelette du béton. La régularité de leurs caractéristiques conditionne donc celles du béton. Les granulats pour bétons font l objet de deux principales normes de référence. La norme NF EN Granulats pour béton Cette norme définit des catégories pour chaque caractéristique des granulats et des fillers utilisés dans la fabrication du béton. Elle spécifie les caractéristiques (physiques et chimiques) relatives à l évaluation de la conformité des granulats et au système de maîtrise de la production. La norme XP P Granulats : éléments de définition, conformité et codification Cette norme définit les règles générales permettant d effectuer les contrôles des granulats. Elle regroupe en codes les catégories définies dans la norme NF EN pour les divers usages possibles. Dans son article 10, «Granulats pour bétons hydrauliques et mortiers», cette norme précise les spécifications sur les granulats destinés à constituer des bétons. Leurs principales caractéristiques sont repérées par des codes A, B, C ou D. Cette norme définit à l aide de cette codification les valeurs des spécifications adaptées à certains types d ouvrage. Page 14

15 Chapitre 1 Introduction générale Les additions Les additions sont définies dans la norme NF EN «Béton. Partie 1 : Spécification, performances, production, et conformité» d avril Une addition est un «matériau minéral finement divisé et pouvant être ajouté au béton afin d améliorer certaines de ses propriétés ou pour lui conférer des propriétés particulières». Les additions ont deux modes d action : un effet sur la granulométrie, dit également «effet filler», qui est un remplissage par les éléments les plus fins (additions) des vides laissés par les éléments les plus gros (sables), et, éventuellement, une contribution directe à la résistance par la formation d hydrates, en général à long terme. Les additions pouzzolaniques (cendres volantes, fumées de silices ) ont la capacité de se combiner avec la chaux libérée par le ciment pour former des silicates de calcium hydratés. Les laitiers sont activés par le ciment mais présentent une hydraulicité qui leur est propre. Enfin, les fillers calcaires peuvent produire, par l action des aluminates du ciment, des hydrates d un autre type (carboaluminates). Par ailleurs, ils accélèrent l hydratation du ciment Portland. Les éléments fins (de taille inférieure à 80 μm) contenus dans le béton ont une influence bénéfique sur la limitation du ressuage, la cohésion du béton à l état frais, la compacité et l aspect des parements. La norme NF EN distingue deux types d addition minérale : les additions quasiment inertes, de type I, les additions à caractère pouzzolanique ou hydraulique latent, de type II. Cette notion de type d addition est liée au fait que certaines additions (celles de type II et certaines de type I) ont un rôle bénéfique sur les performances du béton (en terme de résistance, de durabilité ) et que cette aptitude peut être prise en compte dans la formulation du béton, en réduisant notamment la quantité de ciment : l exigence relative au dosage minimal en ciment est remplacée par la même exigence appliquée au liant équivalent (voir Art du guide). La norme NF EN et son annexe nationale NA ( ) reprennent pour cela le concept de coefficient k. La norme NF EN définit les modalités de prise en compte de ces additions : L eq = C + k.a L eq : Liant équivalent [kg/m 3 ] C : Quantité de ciment [kg/m 3 ] A : Quantité d'addition [kg/m 3 ] k : Coefficient de prise en compte de l'addition Page 15

16 Chapitre 1 Introduction générale Les additions actuellement normalisées en France sont les suivantes : Addition Norme Type k Définition siliceuse NF P I 0,20 Les additions siliceuses sont des produits finement divisés, constitués à plus de 96,0 % (valeur spécifiée inférieure) et à plus de 93,5 % (valeur limite absolue inférieure), par de la silice exprimée en SiO 2 mesurée sur produit sec et obtenue par broyage et/ou sélection de roches quartzeuses ou de cristobalites synthétiques définies par la norme. Les additions calcaires sont des produits secs finement divisés, obtenus par broyage et/ou sélection, provenant de gisements de roches calcaires calcaire NF P I 0,25 pouvant être dolomitiques, massives ou meubles, dont les caractéristiques sont définies par la norme. Poudre fine constituée principalement de particules vitreuses, de forme sphérique, dérivées de la combustion du charbon pulvérisé, ayant des propriétés pouzzolaniques et composées essentiellement de SiO 2 et de Al 2 O 3, la proportion de SiO 2 réactive, définie et déterminée comme dans Cendres volantes pour NF EN II la norme NF EN 197-1, constituant au moins 25 % en masse. Les cendres volantes sont obtenues par précipitation électrostatique ou mécanique des 0,40 particules pulvérulentes contenues dans les gaz de combustion produits béton à par les chaudières brûlant de l anthracite pulvérisé ou de la houille bitumineuse. Les cendres volantes présentent des propriétés 0,60 pouzzolaniques, mais ont également une influence sur d autres propriétés du béton frais et durci : les besoins en eau (plus faibles ou plus importants), le temps de prise (généralement augmenté) et la résistance initiale (réduction relative). Laitier vitrifier moulu de haut fourneau Fumée de silice NF P II 0,90 NF P puis NF EN II 1,00 à 2,00 Il provient du laitier vitrifié (granulé ou bouleté), coproduit de la fabrication de la fonte, obtenu par trempe du laitier de haut-fourneau en fusion. Selon le taux d addition et la finesse de mouture, le laitier vitrifié moulu peut intervenir en combinaison avec le ciment comme composant hydraulique dans le but de modifier certaines propriétés du béton, notamment : comportement en milieu agressif et à l alcali-réaction, exothermicité, porosité. La fumée de silice est une poudre amorphe finement divisée résultant de la production d alliages de silicium ou contenant du silicium. Elle est entraînée par les gaz, depuis la zone de combustion des fours vers le système de captage. Les fumées de silices sont utilisées pour optimiser la compacité par remplissage des vides du béton en complément des autres composants et pour leurs propriétés pouzzolaniques (voir le paragraphe relatif aux bétons à hautes performances). Leur dosage est limité à 10 % du poids de ciment. Elles peuvent s employer brutes (mais elles sont alors très volatiles), densifiées, en barbotine (en suspension aqueuse) ou mélangées au ciment (CEM II [D] aux fumées de silice). Les laitiers, cendres volantes et fumées de silice modifient la nature et la structure des hydrates formés. Ils réduisent la taille des pores et donc la perméabilité ce qui améliore la durabilité. C est pourquoi ces additions sont classées en type II (coefficients k les plus élevés). Nota : les additions ne sont pas toujours disponibles en tout point du territoire et leur disponibilité peut varier en fonction de l époque de l année. C est le cas, en particulier, des cendres volantes issues des centrales de production d électricité au charbon. Page 16

17 Chapitre 1 Introduction générale Les adjuvants Un adjuvant est un «produit dont l incorporation dans le béton à faible dose ( 5 % du poids de ciment) provoque des modifications de certaines propriétés du béton à l état frais et/ou durci». La norme NF EN fixe les prescriptions et les exigences pour les adjuvants utilisés dans le béton. Elle s applique aux adjuvants pour bétons non armés, armés et précontraints utilisés dans les bétons fabriqués sur chantier, prêts à l emploi et préfabriqués. La classification des adjuvants dépend de leur fonction principale : Accélérateur de prise Accélérateur de durcissement Plastifiant/réducteur d eau Superplastifiant/haut réducteur d eau Rétenteur d eau Hydrofuge de masse Retardateur de prise Entraîneur d air Adjuvant qui diminue le temps de début de transition du mélange, pour passer de l état plastique à l état rigide (le «temps de prise» est diminué). Adjuvant qui augmente la vitesse de développement des résistances initiales du béton, avec ou sans modification du temps de prise (le «temps de durcissement» est diminué). Adjuvant qui, sans modifier la consistance, permet de réduire la teneur en eau d un béton donné ou qui, sans modifier la teneur en eau, en augmente l affaissement et/ou l étalement (c est-à-dire la maniabilité) ou qui produit les deux effets à la fois. Adjuvant qui, sans modifier la consistance, permet de réduire fortement la teneur en eau d un béton donné ou qui, sans modifier la teneur en eau, en augmente considérablement l affaissement et/ou l étalement (c est-àdire la maniabilité) ou qui produit les deux effets à la fois. Adjuvant qui réduit la perte d eau en diminuant le ressuage. Adjuvant qui réduit l absorption capillaire du béton durci. Adjuvant qui augmente le temps de début de transition du mélange, pour passer de l état plastique à l état rigide (le «temps de prise» est augmenté). Adjuvant qui permet d incorporer, pendant le malaxage, une quantité contrôlée de fines bulles d air uniformément réparties et qui subsistent après durcissement. L utilité d un béton à air entraîné est justifiée pour la durabilité en ambiance hivernale rigoureuse Les ajouts Un ajout est un produit (en dehors du ciment, des granulats, des additions, des adjuvants et de l eau) incorporé au béton. Exemple 1 : l inhibiteur de corrosion Il s agit d un produit qui, incorporé dans le béton lors de sa fabrication, peut ralentir le phénomène de corrosion des armatures. Le Réseau Scientifique et Technique du ministère de l Équipement possède à ce jour trop peu d informations pour confirmer ou infirmer l efficacité d un tel produit. Comme expliqué plus en détail tout au long de ce guide, un béton suffisamment compact et des conditions d enrobage respectées permettent de bien protéger les armatures. Exemple 2 : les fibres métalliques (voir 3.5.3). Exemple 3 : les fibres synthétiques (voir 3.5.3). Page 17

18 Chapitre 1 Introduction générale L eau de gâchage L eau dans le béton sert à hydrater le ciment. Toutes les eaux ne sont pas utilisables car elles peuvent contenir des éléments qui modifient le comportement et les propriétés du béton (temps de prise, résistance, durabilité, aspect du béton ). L eau couramment utilisée est celle du réseau d eau potable. Toutefois, elle peut provenir du pompage d eau des nappes phréatiques ou de cours d eau. Dans ce dernier cas, le producteur de béton doit produire une analyse de l eau qui doit conclure à la conformité vis-à-vis de la norme NF EN 1008 avant de pouvoir être employée. En particulier, l eau trop pure, caractérisée par sa dureté, peut entraîner une dissolution (ou lixiviation) du liant. Le fascicule 65 A du CCTG interdit le gâchage à l eau de mer pour les ouvrages en béton armé ou précontraint. Nous préconisons d interdire le gâchage à l eau de mer pour les ouvrages en béton non armé ou faiblement armé également. NB : la norme relative au béton (NF EN 206-1) distingue l eau totale contenue dans le béton frais et l eau efficace (qui intervient dans les spécifications de fabrication du béton par le biais du rapport eau/ciment) dans la mesure où une partie de l eau initiale peut être absorbée par les granulats ( voir la notion d eau efficace au 3.3.6). Page 18

19 Chapitre 2 Spécificités des ouvrages en béton en environnement maritime 2. SPECIFICITES DES OUVRAGES EN BETON EN ENVIRONNEMENT MARITIME Les ouvrages en site maritime sont spécifiques pour plusieurs raisons. Leur spécificité est d'abord liée à la variété des types de structure. Ensuite, la réalisation de ces ouvrages est soumise à des contraintes de mise en œuvre particulières. Enfin, ces ouvrages sont exposés à un environnement qui cumule souvent les facteurs favorisant la détérioration du béton et de l'acier qu'il peut contenir. L'agression spécifique est celle de l'eau de mer. Elle est multiple : chimique de par la composition minérale du milieu, mécanique du fait de ses déplacements en masse et locaux que sont les courants et la houle. De plus, les effets climatiques, tels les variations locales de la température ambiante, l'ensoleillement et le vent, indépendamment de leur nocivité propre, peuvent inhiber ou catalyser les réactions entre l'eau de mer et les constituants du béton. 2.1 TYPOLOGIE DES OUVRAGES Les ouvrages maritimes permettent de répondre à différentes utilisations : chargement et déchargement de marchandises en vrac ou contenues dans des conteneurs, embarquement et débarquement de passagers, accostage et amarrage, protection contre l'agitation, soutènement de talus, construction et réparation navales, signalisation maritime, mise à l'eau d'embarcations ou de navires. Page 19

20 Chapitre 2 Spécificités des ouvrages en béton en environnement maritime Le béton, qu'il soit non armé, armé, ou précontraint, est utilisé pour la construction de différents types d'ouvrage : quai constitué d'un mur en blocs en béton, quai constitué d'un voile en béton armé encastré sur une semelle, quai constitué d'une paroi moulée, quai constitué de caissons en béton armé ou précontraint, quai sur pieux, bajoyers et radiers de forme de radoub ou d'écluse, ducs d'albes d'amarrage et d'accostage, passerelles de lamaneurs ou de passagers, enrochements artificiels de digue, rampes, ouvrages mobiles, tourelles en mer, phares, pylônes, espars, corps morts, lests de bouées de signalisation, etc 2.2 CONSTRUCTION La spécificité des ouvrages en béton apparaît également en phase de construction par la multiplicité des techniques de mise en œuvre du béton : béton coulé en place, béton coulé en zone de marnage, béton coulé sous l'eau, béton préfabriqué. Chacune de ces modalités de construction nécessite l'utilisation de différents matériels qui vont conditionner les dispositions constructives et les propriétés du béton (donc sa formulation) : pompage, mise en œuvre au tube plongeur, mise en œuvre à la benne. La complexité structurelle des ouvrages introduit des difficultés et des contraintes de bétonnage et de vibration qu'il s'agisse de : zones fortement ferraillées au niveau des nœuds de clavage entre poutres ou au niveau des zones d'ancrage des bollards ou crocs d'amarrage : difficulté pour le serrage du béton avec risque de ségrégation, d'apparition de cavités et de "nids de cailloux", zones d'accès difficile ou immergées : difficulté pour le serrage du béton, risque de délavage, technique de construction particulière telle que celle permettant la confection d'une paroi moulée. Page 20

21 Chapitre 2 Spécificités des ouvrages en béton en environnement maritime Les conditions environnementales introduisent également des contraintes non négligeables en phase de construction : le cycle des marées peut imposer l'organisation du travail en fonction de la marée, la météorologie et notamment le vent nécessite de prendre des dispositions particulières pour la cure des parements, la houle et le marnage conditionnent le dimensionnement des coffrages (tenue en cas de tempête par exemple), les conditions d'accès au chantier peuvent nécessiter des moyens de transport exceptionnels (barges, hélicoptères). 2.3 AGRESSIVITE DU MILIEU Durant son utilisation, un béton armé exposé à un environnement maritime est soumis à plusieurs types d'agressions : agressions mécaniques dues aux sollicitations d'exploitation des ouvrages, à l'action de la houle, à l'abrasion due aux chocs, à l'érosion due à l'effet des vagues, agressions chimiques dues à la pénétration des sels présents dans l'eau de mer, à la pollution des eaux (eau de mer et eau de surface), à l'agressivité des matériaux stockés sur le terre-plein, agressions biologiques dues au développement d'organismes vivants, attaques internes au béton dues aux réactions alcali-silice et sulfatique interne, attaques d'origine climatique associées au phénomène de gel / dégel mais également de gradient thermique. L'intensité des agressions du béton de l'ouvrage (ou de la partie d'ouvrage) par le milieu marin et portuaire n'est pas homogène. Elle dépend essentiellement de la situation de la structure concernée par rapport à la mer. Suivant que le béton est totalement immergé, situé dans la zone de marnage, dans la zone d'aspersion, ou hors d'eau, la cinétique de la réaction est différente. La zone soumise à Page 21

22 Chapitre 2 Spécificités des ouvrages en béton en environnement maritime marnage est critique pour le béton, tandis que pour le béton armé, les risques de corrosion des armatures sont forts dans la zone d'aspersion. A contrario, en immersion totale, l'attaque chimique est moindre Généralités Agressivité des eaux, sols et autres matériaux Les activités dans une zone portuaire peuvent générer de la pollution susceptible d'endommager le béton des ouvrages. L'absence de protection étanche des ouvrages portuaires facilite la pénétration et la circulation d'eau dans le béton. Les eaux pluviales se chargent de matières agressives pour le béton lors de leur ruissellement sur les revêtements de terre-plein et sur les différents produits stockés et viennent ensuite percoler au travers du béton. De plus, l'eau de mer qui entoure la plupart des ouvrages en béton est polluée par les divers rejets des industries et des navires. Un ouvrage situé en site maritime peut donc être soumis à diverses agressions ayant pour origine l'action des sels, de gaz et d'autres éléments en solution dans l'eau (eau de mer, eau de surface). Les eaux de ruissellement peuvent être chargées de sels minéraux les plus divers en fonction des matériaux rencontrés. Les éléments les plus agressifs sont soit acides, soit salins (chlorures, nitrates, sulfates de sodium, de calcium et de magnésium). L'agressivité de l'eau chargée est liée à l'aptitude de celle-ci à réagir avec certains constituants de la matrice cimentaire du béton : les agents agressifs dissous dans l'eau constituent une solution chimiquement agressive pour le béton qui peut provoquer différents types de réactions lorsque la formulation n'est pas adaptée. Les attaques acides : le béton présente un caractère basique élevé induit par les composés hydratés de la pâte de ciment (la phase interstitielle du béton a un ph très élevé). Il peut donc présenter une sensibilité vis-à-vis des solutions acides telles que les eaux naturelles chargées en dioxyde de carbone, les eaux résiduaires, les eaux des industries (y compris agro-alimentaires) contenant des acides organiques, les eaux chargées en acides minéraux, mais aussi les eaux pures. La lixiviation : dans une structure en béton exposée à l'air ambiant, l'eau s'évapore sur une épaisseur limitée à quelques centimètres. Les pores sont saturés lorsque le béton est en contact de manière prolongée avec l'eau. Des ions en provenance du milieu extérieur peuvent transiter dans la phase liquide interstitielle du béton. En fonction de la nature des éléments chimiques qui pénètrent dans le matériau, il peut en résulter des réactions chimiques de dissolution ou de précipitation et donc une lixiviation progressive des hydrates. Le concepteur veillera donc à exiger et à faire appliquer par l'entreprise les principes de prévention nécessaires au niveau de la formulation du béton et de sa mise en œuvre. Il se reportera au paragraphe pour l'identification et la formulation de ses exigences pour obtenir un béton résistant durablement à l'agressivité des eaux chargées et polluées Agressions mécaniques Les ouvrages situés en site maritime sont très fortement sollicités mécaniquement. En effet, selon leur utilisation, ils doivent pouvoir reprendre des efforts d'amarrage, d'accostage, mais également les efforts générés par la houle (à l'instar des ouvrages de protection contre la mer tels que les digues). En ce qui concerne la houle, les ouvrages extérieurs aux ports sont bien évidemment plus exposés que les ouvrages intérieurs. Page 22

23 Chapitre 2 Spécificités des ouvrages en béton en environnement maritime En plus de ces sollicitations, les ouvrages sont soumis à l'endommagement dû aux chocs et au frottement des navires (barge tapant contre une poutre de rive par exemple), aux corps flottants et également à l'abrasion des sables et galets transportés par l'eau de mer. Les enrochements artificiels de type tétrapode ou acropode sont particulièrement exposés à ce type de sollicitation. Enfin, dans le cadre de leur utilisation, les ouvrages sont soumis à des charges d'exploitation. Les ouvrages de chargement et de déchargement des marchandises, notamment les postes à quai, sont sollicités par des charges aux caractéristiques variées : grues et portiques sur rails, engins de levage sur roues ou patins, engins de manutentions, stockages divers (en vrac ou conditionné). Ces sollicitations peuvent être de très courte durée et de grande intensité. Les désordres associés à ces agressions, quand les sollicitations dépassent la résistance mécanique du béton, sont le plus souvent localisés : éclats de béton et fissuration. Le concepteur devra donc identifier les exigences attendues en terme de propriétés mécaniques du béton pour résister aux agressions évoquées ci-dessus. Le lecteur pourra se reporter à ce titre au paragraphe pour l'identification et la formulation de ces exigences pour obtenir un béton résistant mécaniquement. L'ouvrage devra, au besoin, intégrer des dispositifs de protection pour protéger au maximum les parties qui risquent des agressions excessives (défenses d'accostage, plaques métalliques, profilés métalliques d'angle, ) Attaques externes sur le béton seul Le processus chimique d attaque des bétons par l eau de mer résulte de plusieurs réactions plus ou moins simultanées et interdépendantes faisant appel à différents mécanismes : dissolution du liant, réaction d échange de bases, précipitation de composés insolubles, cristallisation de sels expansifs (ettringite) Attaque des chlorures Les ions chlorures présents naturellement dans l'eau de mer, principalement les chlorures de magnésium MgCl 2 et les chlorures de calcium CaCl 2 sont agressifs vis-à-vis du béton. Le chlorure de magnésium MgCl 2 réagit avec la portlandite Ca(OH) 2 et provoque la dissolution (ou lixiviation) du liant. Le chlorure de calcium CaCl 2 réagit avec l aluminate tricalcique C 3 A (provenant du clinker) et conduit à la formation d un chloro-aluminate de chaux puis d ettringite, voire même de thaumasite (en présence de silice dissoute et de carbonates), qui sont des gels expansifs pouvant générer des gonflements entraînant fissurations et éclatements du béton Attaque sulfatique d'origine externe Les sels de sulfate présents naturellement dans l'eau de mer, notamment les sulfates de magnésium MgSO 4 et les sulfates de calcium CaSO 4 sont agressifs vis-à-vis du béton. Page 23

24 Chapitre 2 Spécificités des ouvrages en béton en environnement maritime Le sulfate de magnésium MgSO 4 réagit avec la portlandite Ca(OH) 2 et provoque la dissolution (ou lixiviation) du liant. Le sulfate de calcium CaSO 4 réagit avec l aluminate tricalcique C 3 A (provenant du clinker) et conduit à la formation d ettringite, gel expansif, d où gonflement, fissuration et éclatement du béton. Contrairement aux autres attaques, l agressivité des sulfates est accrue dans les climats froids Cristallisation des sels dissous Dans la zone située juste au-dessus du niveau d eau, la cristallisation à l intérieur des pores du béton des sels dissous provoque des dommages dus à leur expansion. Ce phénomène est surtout sensible sous les climats arides où l évaporation de l eau de mer se produit à l intérieur des pores. Sous les climats tempérés, l évaporation a lieu en surface, d où un effet moindre. Le sulfate de magnésium est particulièrement agressif à cet égard Développement d'organismes vivants Le développement des algues et mollusques marins à la surface du béton est généralement considéré comme bénéfique. En effet il maintient une humidité qui s oppose à la pénétration des gaz et de l oxygène en particulier. Cependant, un excès de dépôt, en augmentant le poids et la surface de certains éléments de structure élancés comme les pieux, peut provoquer des surcharges statiques et cycliques non négligeables. Exceptionnellement, certains mollusques ayant une affinité particulière pour les marnes peuvent détruire les granulats qui en sont constitués (phénomène déjà rencontré dans la zone du golfe persique) Attaques internes du béton Tout béton peut subir une attaque interne. Les phénomènes d'attaque interne ne sont pas spécifiques aux environnements marins mais ont besoin de présence d'eau pour se produire Réaction alcali-granulat La réaction alcali-granulat (RAG) est une réaction interne au béton entre la solution alcaline interstitielle du béton et certains granulats, produisant un gel silico-calco-alcalin expansif, d où risque de gonflement, fissuration et éclatement du béton. Page 24