RESISTANCE DU BETON AUX AMBIANCES HIVERNALES 1. Introduction En période hivernale, le milieu ambiant devient plus agressif pour les ouvrages en béton. La répétition des cycles de gel - dégel peut entraîner une fissuration dans la masse des bétons de mauvaise qualité et surtout l'application des sels fondants provoque à terme une détérioration des surfaces (écaillage). Ces agressions traduisent différents types de phénomènes : effets thermiques, redistribution de l'eau dans la porosité, apparition et propagation de fissures, modification de la microstructure, modification de l'interface pâte - granulat. 2. Mécanisme des dégradations par les cycles de gel - dégel. L'eau gèle dans un béton à des températures d'autant plus basses qu'elle est prisonnière de pores de dimensions plus réduites. En gelant, l'eau voit augmenter son volume de 9 %. - Si le gel se produit à une vitesse suffisamment lente et si les pores du béton ne sont pas saturés en eau, l'eau non gelée aura le temps de se déplacer à l'intérieur des pores du béton tout en permettant l'expansion de la glace, sans provoquer de contraintes nuisibles au matériau. - Au contraire, si le gel est brutal, les pressions exercées par les mouvements d'eau seront telles qu'elles conduiront à une microfissuration interne de la pâte. Dans de telles conditions, la répétition des cycles de gel - dégel peut conduire à des dégradations importantes du béton (endommagement progressif).
L'arrivée du front de gel dans la pâte amène des redistributions de l'eau dans la porosité : celles-ci sont à l'origine des contraintes qui prennent naissance dans la pâte et peuvent localement la fissurer. Dans la zone atteinte par le gel, les cristaux de glace se forment dans les plus gros pores. Il se crée un déséquilibre lié aux différences de tension de vapeur au contact de ces cristaux d'une part, et de l'eau non gelée des pores plus fins (capillaires, CSH) d'autre part. On observe une migration de l'eau non gelée des pores plus fins vers les sites de formation de glace. 3. Dégradations du béton provoquées par le gel. Il existe 2 principaux types de désordres engendrés par les cycles de gel - dégel : On parle de l'éclatement bu béton quand sa cohésion est affectée et sa destruction totale. Ce type de désordres résulte en général d'un gel sévère et d'une saturation importante du matériau. Lorsque la surface est endommagée et que le béton se détache en lamelles, la dégradation est appelée écaillage. C'est le cas du gel modéré. La désagrégation en surface est souvent amplifiée par l'emploi des sels fondants.
4. Comment assurer la durabilité au gel des bétons? La formulation d'un béton doit être alors gouverné par les principes suivants : ❶ il faut diminuer le volume total et la dimension des pores capillaires, réduire la perméabilité et assurer de bonnes résistances mécaniques. Il est donc recommandé d'utiliser un dosage en ciment important pour accroître la compacité, un rapport E/C < à une certaine limite. ❷ il faut prévoir un réseau de bulles d'air entraîné. ❸ les granulats utilisés doivent être non gélifs. La sévérité des dégradations dépend du nombre de cycles de gel-dégel, de la température minimale atteinte, de la vitesse de chute de température et de la durée du gel. En France, 3 niveaux de gel sont définis : gel faible : moins de 3 jours / an avec une température < - 5 C gel sévère : plus de 10 jours / an avec une température < - 10 C gel modéré : dans les autres cas Paramètres Paramètres spécifiés gel faible ou modéré XF1 et XF2 gel sévère XF3 et XF4 Rapport maximal E/C 0,6 ou 0,55 0,55 ou 0,45 280 kg/m 3 315 kg/m 3 Dosage en ciment ou 300 kg/m 3 ou 340 kg/m 3 liés à la Granulats non gélifs non gélifs composition Air entraîné option obligatoire et Volume d air occlus - ou 4 % 4 % Caractéristiques Classe de résistance minimale C25/30 C30/37 exigées Facteur d espacement 300 µm 250 µm Allongement relatif à 300 cycles 500 µm/m 500 µm/m Recommandations en France pour améliorer la durabilité des bétons exposés au gel.
5. Le béton à air entraîné. Les bétons résistent mieux au gel s'ils comportent un réseau de bulles d'air entraîné. Ces bulles servent de vase d'expansion à l'eau gelée et limitent donc les dégradations dues aux pressions exercées par les mouvements de l'eau contenue dans les capillaires. Ce n'est pas le volume d'air entraîné qui est déterminant quant à l'efficacité du réseau de bulles vis à vis du gel mais la distance moyenne séparant 2 bulles voisines (facteur d'espacement L ). L est la demi - distance séparant les parois de 2 bulles voisines. Si L > 250 µm, les bulles sont trop éloignées les unes des autres.
L'eau des capillaires a trop de chemin à parcourir pour les atteindre et les pressions engendrées par le gel peuvent entraîner l'endommagement. Un tel réseau de bulles d'air entraîné est obtenu au moyen d'un adjuvant entraîneur d'air. Les capillaires, vestiges des espaces intergranulaires, ont des dimensions beaucoup + faible (de l'ordre du 1/10 µm) que celles des bulles d'air entraîné (de l'ordre du 1/10 mm). 6. Conclusion. Il ne faut pas exagérer l'importance des agressions en ambiance hivernale sur les ouvrages en béton courant. On constate en effet que les surfaces verticales des ouvrages, quand elles ne sont pas au contact direct de l'eau, ne présentent pas de détérioration particulière dans la mesure où le béton est bon (cf formulation d'un béton, fc28 > 30MPa, type d'environnement...) Pour les parties d'ouvrages qui ne rentrent pas dans ce cadre (parties ayant un fort degré de saturation : au contact de l'eau ou surfaces horizontales retenant les eaux de précipitation), l'obtention d'une durabilité convenable demande que le béton renferme de l'air entraîné