Recommandations pour LA CONSTRUCTION EN BÉTON DES OUVRAGES D ÉPURATION DES EAUX

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1 Recommandations pour LA CONSTRUCTION EN BÉTON DES OUVRAGES D ÉPURATION DES EAUX

2 Recommandations pour LA CONSTRUCTION EN BÉTON DES OUVRAGES D ÉPURATION DES EAUX Ir Claude PLOYAERT Ingénieur conseil 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 acquises dans la conception et l exécution de ces ouvrages. L auteur de tout projet doit, en tout état de cause, en analyser les données spécifiques. En effet, celles-ci peuvent différer de celles prises en compte dans le présent document ou se situer hors de son champ d application. Il est expressément stipulé que toutes les données, informations ou autres figurant dans le présent document n ont qu une valeur indicative et ne sauraient, en aucun cas et à quelque titre que ce soit, engager directement ou indirectement la responsabilité de FEBELCEM, de ses membres et de toutes personnes et autres organismes ou entreprises ayant participé à son élaboration. Les recommandations qui suivent s appuient sur de nombreux 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 les entreprises les centrales à béton AIDE et INASEP Galère et L. Duchêne Roosens Betorix, Carimat et Holcim Béton

3 Table des matières Introduction page 1. SPÉCIFICATION ET COMPOSITION DU BÉTON 3 2. L ÉTANCHÉITÉ À L EAU Maîtrise du retrait Le retrait plastique Le retrait endogène Le retrait hydraulique Le retrait thermique L importance de l armature Les joints étanches à l eau Compacité, porosité, perméabilité et absorption d eau L ACTION DU GEL ET DES SELS DE DÉVERGLAÇAGE EXIGENCES EN TERME DE MISE EN ŒUVRE La mise en place Le compactage Cas particuliers de mise en œuvre Bétonner par temps froid Bétonner par temps chaud Références bibliographiques

4 Introduction Les stations d épuration et tous les ouvrages annexes tels que les 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 en considération 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 veiller spécialement à la prévention de la fissuration et éviter au maximum 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 en particulier, celle d une station d épuration nécessite des compétences au niveau de la conception et de la réalisation et un béton de grande qualité. 1

5 Photo : P. Van Audenhove

6 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 de ciment 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 : 2001 et NBN B : 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 à propriétés 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 norme NBN B : 2004). Le tableau 1 ci-après (page 5) donne les spécifications de différents bétons entrant dans la construction d 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 le rapport Eau/Ciment est de maximum 0,45 et dont la teneur en ciment est de minimum 365 kg/m 3. 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 eau efficace de 164 l/m 3, cette teneur en eau est absolument nécessaire pour un béton mis en œuvre classiquement ; 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 plus loin ( 3) ; ı garantir une bonne résistance à l usure des bétons, ce qui est essentiel au niveau des chemins de roulement des bassins de décantation. 3

7 la classe de consistance des bétons pour la construction de voiles est S3, soit, selon la norme NBN EN : 2001, une valeur d affaissement au cône d Abrams comprise entre 100 et 150 mm ; cette spécification permet d assurer une bonne ouvrabilité au béton tout en n autorisant pas les valeurs extrêmes de la classe S4 (160 à 210 mm); selon cette même norme, les écarts maxima 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 au début 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 au début du déchargement du camion malaxeur ; il faut toujours choisir la dimension maximale des granulats (D max ) le plus élevé possible et compatible avec les exigences de l ouvrage (espacement des armatures entre lesquelles doit pouvoir passer le béton, épaisseur d enrobage de celles-ci) ; un D max plus élevé permet de fabriquer un béton avec une plus faible teneur en mortier et donc d enrichir la pâte en ciment ce qui améliore la durabilité. Ainsi, tous les résultats de consistance doivent être inférieurs à 180 mm en classe S3. Il est important de ne pas mettre en œuvre des bétons présentant un affaissement au cône proche des valeurs extrêmes de 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 de 3 à 6 kg/m 2 afin de durcir la surface et d'améliorer la résistance au gel en présence de sels de déverglaçage. Fig. 1 Mesure de l affaissement au cône d Abrams Slump Photo : P. Hardy 4 (1) : Voir tableau 18 de la norme NBN EN : 2001

8 Tableau 1 - Spécifications de différents bétons entrant dans la construction d'ouvrages d'épuration des eaux 5

9 Photo : S. Wirgot

10 2. L ÉTANCHÉITÉ À L EAU Pour obtenir une bonne étanchéité à l eau d une construction en béton, quatre conditions de base doivent être remplies : 1/ Maîtriser les déformations (sans charge) du béton (retraits endogène, plastique, hydraulique et thermique) ; 2/ Prévoir des armatures correctement dimensionnées et disposées pour limiter et contrôler la fissuration du 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 Maîtrise du retrait Dès que le contact entre le ciment et l eau s effectue, des hydrates précipitent et s organisent en formant une structure dont la cohésion évolue progressivement. L action de l eau pendant cette phase est fondamentale et son rôle est variable. Dans le même laps de temps, il y a une superposition de plusieurs phénomènes qui concourent tous vers une réduction du volume apparent : cette contraction ou retrait résulte 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 milieu de conservation. C est surtout la fissuration due aux effets de retrait empêché qui, en pratique, constitue la conséquence la plus préoccupante pour la qualité et la durabilité des bétons. Le tableau 2 ci-après résume les risques de fissuration en fonction du type de retrait. Tableau 2 Risques de fissuration en fonction du type de retrait 7

11 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 succion d une couche inférieure sèche. Cette dessiccation provoque une diminution de volume considérable (0,4 à 4 mm/m : retrait libre - fig. 2 -) pouvant être jusqu à 10 fois supérieure au retrait du béton en phase de durcissement. Ce changement de volume est compensé au début pour une grande partie par la déformabilité du béton frais. Durant la prise, le béton durcit progressivement. Tant que la surface reste humide, aucune contrainte capillaire ni aucune fissuration ne survient. En ce sens, le ressuage en soi n est pas la cause de la fissuration due au retrait en phase plastique et agit même comme protection. En effet, lorsque la surface est entièrement séchée, les fissures de retrait plastique apparaissent. Elles sont causées par les contraintes de traction résultant du retrait, engendré par l évaporation de l eau du béton frais encore trop peu résistant pour pouvoir s y opposer. Fig. 2 Retraits plastiques libres développés sous courants d air de vitesse variable Diagrammes de retraits libres mesurés sur de petites éprouvettes. Dans la pratique, il y a lieu de considérer non pas les valeurs absolues mais les rapports entre valeurs figurant sur ces diagrammes. En effet, il ne faut pas s imaginer qu une dalle de béton soumise à un vent de 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 des fissures sera accrue dans les proportions relevées sur ces diagrammes. 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 avec l air frais ; directement après la mise en place et dans tous les cas : protéger les surfaces exposées par un produit de cure, membrane imperméable ou autre procédé en réduisant, autant que le permet l 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 maintenir l humidité, le béton est couvert d une bâche de plastique ou un produit de cure est appliqué par pulvérisation. Dans le cas du béton coffré, le fait de garder les coffrages en place aide également à maintenir l humidité dans le béton. Néanmoins, il y a toujours lieu de protéger la surface supérieure non coffrée. Après décoffrage, les bétons doivent encore être protégés quelques jours en les couvrant d une toile qui sera maintenue humide voire d un plastique (fig.3). 8

12 La protection du béton frais contre la dessiccation doit avoir lieu le plus rapidement possible après la mise en œuvre du béton. La fig. 4 montre les pertes en eau que subissent des éprouvettes de béton (400 kg/m 3 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 se produisent 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 minimales recommandées en jours. Il ne faut pas perdre de vue que la protection n est pas seulement efficace contre l apparition des fissures durant les 6 premières heures, mais également plus tard car c est alors que se développe une bonne partie du retrait après prise. Ce retrait, moindre quant à son ampleur, 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 Photos : P. Van Audenhove Fig. 4 - Evolution de la perte en eau d éprouvettes de béton (une face exposée) protégées ou non par un produit de cure 9

13 Tableau 3 Recommandations concernant la durée de la cure Le retrait endogène L hydratation du ciment se poursuit très largement après la prise, comme en témoigne l évolution des caractéristiques mécaniques du béton à long terme. Or, l hydratation consomme une partie relativement faible de l eau de gâchage : 15 à 20 litres pour 100 kg de ciment, soit moins de la moitié de l eau incorporée dans un béton ordinaire. La poursuite de l hydratation entraîne, dès le début de la prise, une dessiccation au sein du matériau (il s agit d auto-dessiccation, pour la distinguer de la dessiccation qui signifie séchage avec départ d eau vers l extérieur), tout simplement parce que l augmentation du volume de matière solide est inférieure au volume de l eau qui a été consommé dans la réaction. Cette diminution du volume relatif entraîne donc une 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 corrigé des déformations d origine thermique) reste cependant faible mais peut être non négligeable lorsque ce retrait s ajoute aux autres formes de retrait. De plus, si ce retrait est empêché ou même simplement gêné dès le début de la prise (support rigide continu, reprise de bétonnage), il constitue souvent une composante non négligeable de la fissuration précoce. A noter également que la cinétique d évolution du retrait endogène suit assez fidèlement celle de l évolution des résistances mécaniques : très rapide dans les premiers jours, son avancement est de 80 à 90 % à 28 jours Le retrait hydraulique Le retrait hydraulique résulte du lent séchage du béton. Pour simplifier, on désigne couramment par retrait hydraulique 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. Ce processus de séchage et le retrait qui en résulte est d autant plus élevé et rapide que l excès d eau non liée est important (E/C élevé) car la porosité et la perméabilité du béton augmentent, ce qui accélère encore le phénomène. 10

14 La valeur finale du retrait hydraulique se situe généralement entre 0,3 et 0,8 mm/m. Cette valeur dépend essentiellement de la quantité d eau du béton. Toute augmentation du dosage en eau entraîne une augmentation relative deux fois plus grande de la valeur du retrait. D où l importance de minimiser la demande en eau d une recette de béton grâce au choix approprié et au contrôle régulier de la granularité du mélange, en particulier celle des sables. 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 élevé possible (de manière à minimiser la porosité du mélange et à réduire le plus possible sa demande en eau) ; réduire à un niveau optimal le rapport E/C au moyen d adjuvants superplastifiants (en règle générale, 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 que l apparition de fissures moins nombreuses et largement ouvertes cette recommandation sera examinée plus en détail au 2.2) Le retrait thermique L hydratation du ciment s accompagne d un dégagement de chaleur. Cela peut donner lieu à une augmentation considérable de la température du béton. Celle-ci peut éventuellement aussi avoir lieu lors d une variation thermique du milieu de conservation (ensoleillement direct après décoffrage par exemple). Dans la période de refroidissement ultérieure c est-à-dire de contraction ou de retrait thermique, des fissures peuvent se produire lorsqu un obstacle empêche le retrait de l élément. Il s agit de fissuration par bridage des mouvements d ensemble. Une fissuration peut également avoir lieu par gradient thermique. Celle-ci a lieu lorsque la température de la zone située en bordure des surfaces d échange (appelée «peau» du béton) diminue beaucoup plus rapidement que celle au cœur de la structure, ce qui génère un retrait nettement plus élevé en surface qu au cœur. La peau du béton est donc soumise à des contraintes de traction très importantes alors que le cœur de la structure est en compression. Ce processus n est, néanmoins, en général, que rencontré dans les pièces massives (plus de 50 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 m/m/ C. Il est fortement fonction du dosage et de la nature des granulats comme le montre la fig. 5. Pour un même T, le béton à base de gravillons roulés siliceux présentera un retrait thermique de 33 % plus élevé que le béton à base de gravillons concassés calcaire. 11

15 De plus, comme la fig.6 (2) permet de le constater, la résistance à la traction des bétons à base de gravillons roulés est bien plus faible que celle des bétons à base de concassés (chute de 20 % à 2 jours et 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 B : 1992, la résistance à la traction du béton f ct peut être déduite de la résistance à la flexion f ct, fl par 12 la formule : f ct = 0,5 f ct, fl

16 Fissuration par bridage des mouvements d ensemble Tout élément de béton libre de ses mouvements, s échauffant et se refroidissant de manière uniforme, se dilate puis se contracte sans être le siège d aucune contrainte. Il en est d ailleurs de même pour le retrait hydraulique. En pratique, un élément massif de béton est très fréquemment bridé par des éléments préexistants, plus ou 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 que l hydratation du ciment est un processus chimique qui dégage beaucoup de chaleur. Ainsi, la température du béton augmente jusqu à ce que les pertes de chaleur par la surface de l élément de construction soient supérieures à la quantité de chaleur produite par l hydratation. Cela est représenté schématiquement à la fig. 7 pour un élément de construction d épaisseur moyenne, en même temps que le cheminement des contraintes lorsque la dilatation du béton jeune est entravée. Fig. 7 - Allure de température pendant l hydratation dans les éléments de construction d épaisseur moyenne et développement des contraintes en cas de déformation entravée En s échauffant, le béton se dilate. En cas de dilatation thermique entravée, la dilatation se transforme au début entièrement en déformation plastique n engendrant pas de tensions. Les tensions de compression ne se produisent qu à partir de la température T 01 c est-à-dire lorsque le béton oppose à la dilatation thermique une résistance mesurable. La sollicitation en compression n est pas forte, car le module d élasticité est encore bas, et le pouvoir de relaxation (réduction des contraintes par le fluage) encore élevé. 13

17 Lorsque le béton refroidit, les tensions de compression sont de nouveau réduites et se transforment en tensions de traction à la seconde température à tension nulle T 02. A partir de ce moment, la contraction empêchée du béton mûri donne lieu à des contraintes de traction de plus en plus importantes car le module 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 central des Ponts et Chaussées. Ce graphique confirme les résultats de laboratoire obtenus. Fig. 8 - Evolution du module d élasticité du béton au cours du temps Des fissures traversantes peuvent se former lorsque le refroidissement se poursuit jusqu à une température à laquelle les tensions sont supérieures à la résistance à la traction du béton. Pour rappel, la déformation limite en traction est proche de m/m. Sur base d un cœfficient de dilatation thermique de m/m/ C, la chute de température T pouvant amener la fissuration est : T = = 15 C La fissuration se caractérise : par son ampleur (ouverture) ; sur base du précité, la contraction par refroidissement est d environ 0,1 mm/m par 10 C ; l addition du retrait endogène, et à terme du retrait hydraulique, accroîtra cette contraction ; par sa distribution et son orientation ; comme le montre la fig. 9, les fissures affectent la plupart du temps une allure plus ou moins verticale et concernent toute l épaisseur de la paroi ; elles semblent s amorcer à quelques dizaines de centimètres du sol pour terminer leur parcours à une certaine distance du bord supérieur de l élément. 14 Photo : P. Van Audenhove Fig. 9 Fissures de retrait thermique empêché (bridage) dans un voile en béton

18 N.B. 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 sans cesse au cours du durcissement mais aussi différemment. En effet, à très jeune âge, le développement de la rigidité est beaucoup plus rapide que celui de la résistance, ce qui augmente le risque de fissuration puisque la génération de contraintes est fonction du module d élasticité (la rigidité) et la capacité à résister à ces contraintes est fonction de la résistance. Sur différents bétons de laboratoire fabriqués avec 365 kg/m 3 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 la résistance à la traction à 2 jours varie entre 27 et 47 % de celle à 28 jours 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 le cœur du béton comme suffisants pour engendrer des fissures. Ceci peut être le cas lorsque la surface se refroidit plus rapidement que le cœur (généralement au décoffrage). Le diagramme des contraintes prend alors la forme parabolique comme représenté à la fig. 10 et la fissuration naît en surface. Fig Diagramme des contraintes suite à une différence de température de C entre la face extérieure et le cœur du béton. 15

19 Analyse de quelques cas Les fig. 11 à 13 donnent l évolution de la température dans différents voiles par thermocouples posés environ 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 trouve essentiellement 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 restent après décoffrage (ensoleillement direct de la paroi Sud) ; le risque de fissuration par gradient thermique est donc nul ; le décoffrage à 24 heures d âge du béton provoque une chute rapide des températures (plus de 20 C) ; celle-ci est néanmoins légèrement compensée par l augmentation de la température ambiante (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 élément courbe 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 du béton) ; ı du module d élasticité du béton (celui-ci est probablement faible vu la teneur en ciment et le jeune âge du béton) ; ı de la relaxation éventuelle des contraintes par fluage (la capacité de relaxation est néanmoins très faible vu le refroidissement très rapide) ; ı éventuellement d autres mouvements de contraction qui peuvent s ajouter (retraits endogène et hydraulique) ; ı du pourcentage d armatures horizontales utilisé ainsi que la répartition des armatures (il s agit en fait de 2 nappes de 21 barres 3 m de hauteur de 12 mm de diamètre soit de 0,53 % d armatures horizontales) 16

20 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 la température ambiante reste sous les 20 C ; la différence de température entre le milieu du voile et la paroi Sud est faible ; le risque de fissuration par gradient thermique est donc nul ; le décoffrage du béton reporté à 72 heures permet un refroidissement lent du béton, ceci est plus favorable qu au cas présenté à la fig. 11, mais néanmoins le risque de fissuration thermique par bridage reste bien réel vu le niveau des températures atteint (écart entre la seconde température à tension nulle voir fig. 7 et la température ambiante très élevée (de l ordre de 25 C)) ; le risque de 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 très faible vu le module d élasticité déjà élevé) ; ı éventuellement d autres mouvements de contraction qui peuvent s ajouter (retraits endogène et hydraulique) ; ı du pourcentage d armatures horizontales utilisé ainsi que la répartition des armatures. 17

21 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 des deux bétons étudiés ; avant décoffrage, la différence de température entre le milieu du voile et la paroi Sud est faible ; le risque de fissuration par gradient thermique est donc nul ; le décoffrage des bétons à 120 heures à permis un refroidissement lent et total des températures, ceci est favorable à l absence de fissuration thermique par bridage et ce d autant plus que l augmentation de température était limitée à 20 C ; après décoffrage, l ensoleillement direct de la paroi Sud du béton 2 provoque une augmentation de 17 C de sa température alors que celle du milieu du voile n augmente que de 8 C ; il s ensuit un refroidissement 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 considérablement augmenter le jour du décoffrage ; il est supposé que ce voile a été décoffré en deuxième lieu après disparition du soleil (dans l après-midi) ou que la paroi Sud de ce voile était soumise à un vent important (il faut savoir que les 2 voiles appartiennent à un même bassin de décantation et sont tout à fait opposés l un par rapport à l autre, si bien que la paroi Sud du voile n 1 est à l extérieur du bassin (donc soumise au vent) tandis que la paroi Sud du voile n 2 est à l intérieur du bassin (et donc protégée des courants d air) ; étant donné les augmentations de température après décoffrage, il existe un petit risque de fissuration par gradient thermique et par bridage ; néanmoins, le décoffrage tardif permet au béton de déjà offrir une certaine résistance à la traction ; de plus, le pourcentage d armatures horizontales utilisés pour la construction de ce bassin est très élevé comme en témoigne la fig

22 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) Photos : P. Hardy Comment prévenir la fissuration par retrait thermique? Mesures technologiques I Choix du type de ciment et de la teneur en ciment Les types de ciment qui développent une faible chaleur d hydratation ciment désigné par LH (Low Heat) et conforme à la norme NBN EN 197-1/A1 : 2004 sont évidemment à favoriser pour les ouvrages de masses de plus de 50 cm d épaisseur. A teneur égale en ciment, ils font, en effet, chuter le pic de température de 10 à 15 C par rapport aux ciments ordinaires mais ce développement lent de la chaleur d hydratation freine le développement des résistances mécaniques. Une moindre teneur en ciment ordinaire pour autant qu elle soit compatible avec les exigences de durabilité et de résistance limitera également l augmentation de température. I Nature du granulat Comme signalé auparavant, la nature minéralogique du granulat, élément majoritaire de la composition, a son importance car le cœfficient de dilatation thermique du granulat, variable de à / C, influence forcément celui des bétons. Il y a lieu de favoriser l emploi de gravillons calcaire concassés car ces derniers possèdent un coefficient de dilatation thermique plus faible et procurent au béton une meilleure résistance à la traction que les gravillons roulés siliceux. I Adjuvants Le développement de la résistance est favorisé par un faible rapport E/C si bien que l usage de superplastifiant est toujours utile. Les retardateurs de prise permettent, par temps chauds, de conserver la rhéologie du béton frais plus longtemps et facilite ainsi la mise en place sans ajout d eau complémentaire. Ils ne font cependant que postposer le problème éventuel dû à l effet de la chaleur. I Température du béton Il y a lieu de tenir compte de la température du béton durant le coulage et donc par temps chaud limiter la température du béton frais à maximum 25 C. I Armatures : quantité et répartition Les armatures n empêchent pas le béton de se fissurer mais permettent de contrôler la fissuration. Ainsi, au lieu de quelques fissures très ouvertes, de nombreuses petites fissures peuvent apparaître, c est-à-dire des fissures «fermées» qui ne compromettent pas l étanchéité de la structure. La quantité d armatures et la bonne répartition de celles-ci a toutefois une grande importance. Ce point sera examiné plus loin ( 2.2.). 19

23 Mesures propres à la technique d exécution I Température ambiante L 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 tension nulle T 02 (voir fig. 7), les contraintes de traction dues au refroidissement seront plus importantes que dans le cas d un béton mis en œuvre à plus faible température. Ainsi, les recommandations du tableau 4 ci-après seront respectées. Celles-ci permettent également de diminuer les retraits plastique et hydraulique du béton. Tableau 4 Recommandations concernant la mise en œuvre du béton ainsi que la cure en fonction des conditions ambiantes I Refroidissement, en phase de durcissement, des structures en béton de forte épaisseur En faisant circuler de l eau de refroidissement à travers des tubes noyés dans le béton, les écarts de température ainsi que les grands gradients de température dans la structure peuvent être limités. Toutefois, l application d un procédé de refroidissement ne peut se faire sans déterminer au préalable l emplacement des tubes dans la structure et l intensité du refroidissement. Il convient par ailleurs d enregistrer et de contrôler l évolution des températures. I Retardement du retrait de séchage de la première coulée A cette fin, il convient de protéger la dalle de plancher contre la dessiccation. L objectif est de limiter les déformations différentielles du sol et du mur. Une protection économique et convenable peut être obtenue de manière simple en plaçant le radier 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 de la dalle Ceci permettra de limiter des déformations différentielles du sol et du mur. Il y a toutefois lieu de limiter la longueur des tronçons. Le risque de fissuration est moindre sur un mur court que sur un mur long ; il est, de plus, préférable de réduire les différences d âge du béton entre chacune des étapes de bétonnage de manière à réduire le plus possible les effets néfastes du retrait différentiel entre étapes (fig. 15 à 17). 20

24 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 du radier 1 et des voiles 2 et 3. Lors du durcissement du voile 4, sa température augmente ; celle des bétons 1, 2 et 3 à peine dilatation du béton 4 mais entravée par les bétons 1, 2 et 3 ; étant donné que le 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 les bétons 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 Photo : P. Van Audenhove Dans les grands ouvrages, le risque de fissuration peut aussi être considérablement réduit en créant des «brèches de clavage», à savoir des joints provisoires de retrait, laissés ouverts si possible durant quelques mois et bétonnés ultérieurement. I Décoffrage Prolonger la durée avant décoffrage permet de protéger le béton contre toute dessiccation et donc limite le risque de fissuration. De plus, il faut tenir compte du risque éventuel d un choc thermique lors du décoffrage (brusque refroidissement sans permettre une relaxation des contraintes ou ensoleillement direct du béton). Ainsi les voiles ne seront jamais décoffrés avant 5 jours d âge. De plus, le temps de décoffrage adopté dépend toujours de la température ambiante. Si la température moyenne journalière descend sous les 5 C, les coffrages seront maintenus durant une période supplémentaire égale au temps durant lequel la température était sous 5 C. Après décoffrage, les durées de cure du béton (conformément au tableau 3) seront encore respectées par la mise en place d une toile maintenue humide. 21

25 2.2. L importance de l armature Les caractéristiques et la quantité d armatures nécessaires sont déterminées par le bureau d étude responsable du dimensionnement de la structure. Il y a lieu de ne pas oublier que le pourcentage d armature doit être suffisant pour organiser une micro fissuration bien répartie. En effet, les phénomènes de fissuration dus au retrait du béton jeune, aux gradients de température dans l épaisseur du mur, ne peuvent pas être évités mais il est important de limiter l ouverture des fissures de manière telle qu elles ne compromettent pas l étanchéité à l eau de l ensemble. Des armatures placées perpendiculairement au sens de la fissuration attendue permettront d organiser celle-ci en de nombreuses petites fissures qui ne compromettent pas l étanchéité de la structure. A retenir : le recours à de petits diamètres à forte adhérence est favorable ; en effet, la fissuration fine et bien répartie résulte d'une grande surface de contact acier-béton développée par 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 par la 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. En théorie, pour qu une fissure soit inerte, il faut que la résistance en traction f y, de l acier seul dans une section fissurée A s, soit supérieure à celle de la section voisine de béton B c, f ct (fig.18). Dans ces conditions, une nouvelle fissure se produit avant que la première ne s ouvre. Il en résulte : Fig. 18 f ct étant la résistance à la traction du béton, par exemple au moment du refroidissement. Pour un fct de 1,5 N/mm 2 au moment de la fissuration, et un acier BE 500 S, le pourcentage d armatures sera donc d au minimum : A s 1,5 = = 0,3 % dans le sens de l effort B c 500 Pour des bétons plus résistants au moment critique, le rapport A s /B c peut vite dépasser les 0,6-0,7 % et conduire 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 sur l ouverture des fissures a été vérifiée et des corrélations sont établies entre le taux d armatures, la déformation empêchée, la qualité du béton, Enfin, cette théorie a été vérifiée expérimentalement, à l aide de résultats obtenus sur des modèles à échelle réduite. Une bonne corrélation entre théorie et essais a été obtenue. Le tableau 5 ci-après donne le pourcentage d armatures horizontales nécessaire selon ce Rapport CUR afin de limiter l ouverture des fissures à 0,10, 0,15 ou 0,20 mm. La résistance à la traction du béton au moment critique est prise égale à 1,5 N/mm 2. 22

26 Tableau 5 Pourcentage d armatures horizontales nécessaire afin de limiter l ouverture des fissures selon le Rapport CUR n 85 Une caractéristique également très importante concerne l épaisseur d enrobage des armatures. Il faut certes respecter les sections et dispositions des armatures, mais aussi n admettre aucune tolérance en moins 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 exigences de qualité imposées pour chaque classe d environnement de la NBN B : La future annexe nationale belge de la NBN EN : 2005 «Calcul des structures en béton» donnera des directives d enrobage minimal en fonction des classes d environnement. 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 à dessin, elle est de l'ordre du cm pour le ferrailleur et le coffreur ; les valeurs suivantes d'enrobage minimum (c min ) 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 c nom, celui-ci se définit selon la formule : c nom = c min + 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 de l'élément porteur, du mode de construction, du niveau de qualification technique du personnel, de la finition, du contrôle de qualité ainsi que du niveau de détail. 23

27 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 économiques ne peuvent être mis en œuvre par ailleurs pour limiter la fissuration. Différentes dispositions satisfaisantes pour la conception et la réalisation des joints de dilatation ont été développées. Il convient de noter que le bon fonctionnement des joints nécessite qu ils soient correctement réalisés. Par ailleurs, les produits d étanchéité pour joints ont fréquemment une durée de vie considérablement plus courte que celle de la structure. Ainsi, il y a lieu de réaliser les joints de manière à ce qu ils puissent être contrôlés et réparés ou remplacés. Il est également nécessaire de s assurer que le produit d étanchéité est compatible avec le matériau ou le liquide à contenir. Dans la majorité des cas, les réservoirs ne sont donc dotés que de joints de construction (encore appelés joints de reprise). Ceux-ci doivent être soigneusement planifiés et exécutés. 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 à optimaliser l adhérence avec le béton frais ; l étanchéité à l eau est obtenue par l utilisation 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 de bétonnage de manière à réduire le plus possible les effets néfastes du retrait différentiel entre étapes. Fig. 19 Feuille d acier feuillard et armatures continues au niveau des joints de reprise Photos : P. Van Audenhove 24

28 2.4. Compacité, porosité, perméabilité et absorption d eau La compacité du béton est une propriété essentielle qui conditionne notamment sa résistance mécanique et sa durabilité. Elle peut être définie par le rapport du volume absolu de matières solides (liants et granulats) au volume apparent total. Si l on désigne par V c (ciment), V g (matériaux inertes), V e (eau efficace), V v (vides ou air) les volumes absolus occupés dans l unité de volume du béton en place, on a : V c + V g + V e + V v = 1 La compacité du béton c est le complément à l unité du volume de l eau et de l air inclus dans le volume 1 du mélange : c = V c + V g = 1 - (V e + V v ) La compacité peut donc être définie comme la différence entre le volume unitaire apparent et le volume des vides. Pour déterminer sa valeur, il est nécessaire de connaître le volume des vides c est-à-dire la porosité. La porosité mesure la proportion de volume total de béton occupé par les pores et est habituellement exprimée en pourcentage. Etant donné l existence de plusieurs types de pores, certains contribuent à la perméabilité 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 à travers le béton de sorte que la perméabilité, aussi, est élevée. Par contre, si les pores sont discontinus ou ne permettent pas le passage d un fluide pour quelque raison que ce soit, la perméabilité est faible même si la porosité est élevée. La mesure de l absorption d eau peut fournir une indication sur la porosité. L absorption est le résultat des mouvements capillaires dans les pores du béton qui sont ouverts sur le milieu ambiant. Elle se détermine en faisant immerger une éprouvette de béton dans l eau jusqu à masse constante et en mesurant l 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 la qualité du béton. Afin d obtenir un béton de qualité, il est recommandé de spécifier une absorption d eau par immersion WAI (0,45) selon l annexe 0 de la NBN B : 2004 pour tous bétons coulés en place ou préfabriqués en contact avec des eaux usées ou des sols contenant des eaux agressives. La classe WAI (0,45) est d application pour les bétons de rapport E/C de 0,45 maximum et signifie en terme d absorption d eau par immersion déterminée scrupuleusement conformément aux directives de la norme NBN B : valeur moyenne mesurée sur trois éprouvettes 5,5 % ; chaque valeur individuelle 6,0 %. La fig. 20 donne les absorptions d eau par immersion de quelques bétons fabriqués avec différents types de ciment HSR LA. Fig. 20 Absorption d eau par immersion de différents bétons (Carottes de 1 dm 3 - NBN B ) 25

29 Photo : P. Van Audenhove

30 3. L action du gel et des sels de déverglacage Parmi les actions susceptibles de provoquer des dégradations aux ouvrages en béton, la combinaison du gel et des sels de déverglaçage peut constituer un facteur particulièrement actif, surtout lorsque les cycles de 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 en œuvre 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 Photos : P. Van Audenhove Photo : Ch. Lhermerout 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 dans le matériau sous-jacent, c est-à-dire dans la couche superficielle du béton qui se refroidit donc brusquement ; il apparaît alors un gradient thermique qui entraîne l apparition de contraintes internes susceptibles 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 que la concentration augmente ; des mesures sur des ouvrages régulièrement salés montrent que les chlorures présentent généralement des profils de concentration en fonction de la profondeur tels que présentés en fig. 22 ; la combinaison point de congélation / température du béton peut être telle que deux couches gelées soient séparées par une couche intermédiaire non gelée ; si suite à un abaissement supplémentaire de la température, l eau de cette couche vient à geler, elle ne trouve pas de 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 cumulent également leurs effets ; lors du gel, seule l eau pure est transformée en glace ; l eau est en réalité une solution saline et au cours du gel, il se produit donc une séparation en glace et en solution encore liquide qui devient de plus en plus concentrée en sel ; l eau des pores voisins, lorsqu ils sont plus petits n 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 niveau initial, est largement inférieure à celle du gros pore déjà partiellement gelé ; ceci va créer un afflux d eau des petits pores vers les plus gros suivant les lois de l osmose ; ces transferts vont créer des pressions qualifiées d osmotiques, si ces pressions viennent à surpasser la résistance à la traction du béton, elles fissureront celui-ci. Fig L eau gelant par couches dans un béton soumis à l action des sels de déverglaçage peut provoquer des écaillages 27