Cependant, dans certains cas rares, lorsque le béton subi un échauffement au jeune âge, la formation différée d’ettringite peut avoir lieu sans apport d’ions sulfate externes. Ces réactions sont susceptibles de provoquer un gonflement du béton. Les dégradations sont caractérisées par des fissures en surface qui apparaissent après plusieurs années d’exposition à des conditions sévères caractérisées par une forte humidité. Ce phénomène rare peut se rencontrer, seulement dans des environnements humides, dans des pièces massives en béton coulées en place en période estivale ou sur des pièces de béton ayant subi un traitement thermique. Il est souvent dénommé DEF

(Delayed Ettringite Formation), traduction anglaise de Formation Différée d’Ettringite. L’origine du gonflement et la nature des paramètres impliqués ont fait l’objet de nombreuses études. On a constaté l’incidence importante :

  • de la température du béton lors de sa prise et de ses traitements thermiques ;
  • de la teneur en alcalin sur la solubilité de l’ettringite;
  • de l’humidité (l’eau étant un des facteurs fondamentaux de la réaction).

Les cas de structures concernées par cette pathologie sont peu nombreux. La conjonction nécessaire et indispensable de nombreux facteurs, limite le nombre d’ouvrages susceptibles d’être exposés au phénomène.

Recommandations pour la prévention des désordres liés aux réactions sulfatiques internes

Principe de la démarche de prévention

De nombreuses recherches, aussi bien au sein du réseau des laboratoires de l’équipement que dans les centres de recherches de l’industrie cimentière et de l’industrie du béton, ont permis de mettre au point et de valider des principes de prévention à mettre en œuvre.

Un groupe de travail piloté par le LCPC a rédigé des recommandations pour se prémunir contre le développement de réactions sulfatiques internes (RSI) et limiter le risque d‘apparition des désordres induits par ces réactions. Elles font l’objet d’un guide technique publié en août 2017 intitulé : « Recommandations pour la prévention des désordres dus à la réaction sulfatique interne ».

Ces recommandations précisent des dispositions constructives à mettre en œuvre pour la conception et la réalisation de l’ouvrage et des précautions à appliquer pour la mise en œuvre et la formulation du béton. Elles sont complémentaires des spécifications de la norme NF EN 206/CN.

Elles prennent en compte :

  • La catégorie d’ouvrages
  • Les actions environnementales auxquelles seront soumises les parties d’ouvrages concernées pendent la durée d’utilisation de la structure
  • Les conditions thermiques du béton lors de sa mise en œuvre et au cours de son durcissement.

Les précautions à mettre en œuvre sont fonction d’un niveau de prévention défini pour chaque partie d’ouvrage potentiellement « critique ». Sont concernées a priori par ces recommandations uniquement les parties d’ouvrages en béton de dimensions importantes en contact avec l’eau ou soumises à une ambiance humide. Il s’agit de pièces massives ou « critiques » pour lesquelles la chaleur dégagée lors de l’hydratation du ciment (la prise et le durcissement du béton génèrent un dégagement de chaleur dû à l’exothermie des réactions d’hydratation) est peu évacuée vers l’extérieur, ce qui conduit à une élévation importante de la température au cœur du béton pendant les premières heures et jours suivant le bétonnage.

Le principe de la démarche préventive , qui vise à limiter l’échauffement du béton (*)au cours des premières heures et jours après le bétonnage, pour les   « pièces critiques » ,consiste à identifier les parties d’ouvrages susceptibles d’être soumises au phénomène de RSI (produits préfabriqués subissant un traitement thermique ou parties d’ouvrages coulées en place : semelles épaisses , chevêtres , voiles épais …) puis à définir un niveau de prévention nécessaire en fonction de la catégorie de l’ouvrage ou de la partie d’ouvrage  (catégories I à III), traduisant le niveau de risque que le maitre d’ouvrage est prêt à accepter et des classes d’exposition spécifiques à la RSI , (intégrant l’importance des paramètres eau et humidité) traduisant l’environnement dans lequel se trouve le béton. 

À chaque niveau de prévention (As,Bs, Cs, Ds) correspond un niveau de précautions à appliquer.

(*) caractérisé par la température Tmax susceptible d’été atteinte au sein de l’ouvrage

Nota : Une pièce critique est une pièce pour laquelle la chaleur dégagée ne sera que très partiellement évacuée vers l’extérieur et conduira à une élévation importante de la température du béton (épaisseur d’au moins 0,25m).

Nota : le choix de la catégorie d’ouvrage ou d’élément d’ouvrage, I, II ou III, relève de la responsabilité du maître d’ouvrage.

Le guide propose des dispositions pour limiter les risques potentiels de Réaction Sulfatique Interne.

  • Au niveau de la conception et du dimensionnement des ouvrages, en évitant les zones de stagnation d’eau, en protégeant le béton par une étanchéité, en privilégiant les pièces creuses.
  • Au niveau de la formulation et des constituants du béton : il est préférable de choisir des ciments à faible chaleur d’hydratation notés LH (cf. amendement A1 à la norme NF EN 197-1).

Ces dispositions doivent permettre :

  • ­ De limiter la température atteinte au sein du béton
  • ­ d’éviter les contacts prolongés du béton avec l’eau.

Nota : la norme NF EN 206/CN garantit la durabilité de la structure vis-à-vis des agressions extérieures, des réactions sulfatiques externes en particulier, via le choix des classes d’exposition, mais pas de la RSI.

Catégorie d’ouvrages

Nota : la catégorie d’ouvrage dépend de la nature de l’ouvrage, de son utilisation, de son entretien ultérieur et du niveau de conséquences en terme de sécurité que le maitre d’ouvrage est prêt à accepter.

durabilité-beton-Catégories douvrages.png

Classes d’exposition spécifiques à la RSI

durabilite-beton-CLASSES D’EXPOSITION SPECIFIQUES A LA RSI.png

Nota : Ces classes d’expositions spécifiques à la RSI sont complémentaires des 18 classes d’expositions de la norme NF EN 206/CN.

Les classes d’exposition relatives à la RSI doivent être spécifiées dans le CCTP pour chaque partie d’ouvrage susceptible d’être soumis à un risque de RSI.

Le choix des classes d’exposition est aussi de la responsabilité du maitre d’ouvrage.

Niveaux de prévention

durabilite-beton-NIVEAUX DE PREVENTION.png

Précautions à appliquer vis-a-vis du risque de RSI

Il convient de mettre en œuvre pour chaque partie d’ouvrage concernée les précautions adaptées à chaque niveau de prévention, obtenu par croisement des classes d’exposition spécifiques à la SI et des catégories d’ouvrages.

Nota : le choix du niveau de prévention pour chaque partie d’ouvrage est de la responsabilité du maitre d’ouvrage. 

Le niveau de prévention doit être spécifié dans le CCTP. Au sein d’un même ouvrage les différentes parties susceptibles d’être soumises au phénomène de RSI peuvent faire l’objet de niveaux de prévention différents.

Les précautions sont modulées en fonction du niveau de prévention. Elles portent  sur la formulation, la fabrication, le transport et la mise en œuvre du béton. 

Les précautions à appliquer sont fonction de chaque niveau de prévention par ordre croissant d’exigences de As à Ds. Elles visent essentiellement à limiter la température maximale susceptible d’être atteinte au cœur de chaque pièce critique.

A titre d’exemples :

  • les précautions à appliquer pour le cas le plus courant, soit le niveau de prévention As, est la suivante : 

     la température Tmax susceptible d’être atteinte au sein de l‘ouvrage doit rester inférieure à 85°C.

  • pour le niveau de prévention Bs, l’une des deux précautions suivantes doit être mise en œuvre :
  • ­ la température Tmax doit rester inférieure à 75°C
  • ­ Si Tmax ne peut rester inférieure à 75°C, elle doit rester inférieure à 85°C et une des conditions suivantes doit être respectée
    • maitrise du traitement thermique (durée du maintien de la température au-delà de 75°C limitée)
    • utilisation d’un ciment adapté
    • vérification de la durabilité du béton vis-à-vis de la RSI à l’aide de l’essai de performance (LPC n°59)

Limitation de la température maximale susceptible d’être atteinte au cœur du béton

durabilite-beton-LIMITATION DE LA TEMPERATURE MAXIMALE .png

Choix du ciment adapté

durabilite-beton CHOIX DU CIMENT ADAPTE.png

Recommandation sur le choix des ciments vis-à-vis de la RSI selon le niveau de prévention

(1) Dans le cas de CEM I et CEM II/A. Teneur en alcalins équivalents actifs du béton limité à 3 kg/m3

(2) Ciment avec teneur en SO3 inférieur à 3% et dont le C3A du clinker est inférieur à 8%

(3) Le CEM I doit respecter C3A (rapporté au ciment) inférieure à 8% et SO3 inférieure à 3%

(4) la proportion d’addition doit respecter les spécifications de la norme NF EN 206/CN

A priori les 5 types de ciments courants (CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV et CEM V) sont utilisables. Une partie du CEM I peut être substituée par des additions minérales (dans la limite permise par la norme NF EN 206 /CN) afin de diminuer l’exothermie de béton.

Un compromis peut s’avérer nécessaire sur le choix du ciment adapté par exemple dans le cas de pièces critiques soumises à un gel sévère associé à des sels de déverglaçage et qui seraient susceptibles d’être aussi soumises à un risque de réaction sulfatique interne. En effet les recommandations relatives au gel imposent des dosages élevés en ciment de type CEM I, solution pas favorable pour limiter la température du béton au jeune âge.

La détermination du ciment adapté doit donc faire l’objet très souvent d’une analyse multicritère privilégiant en priorité la durabilité de l’ensemble de l’ouvrage, en respectant les spécifications liées aux classes d’exposition, tout en prenant en compte de manière pertinente les exigences de mise en œuvre.

  • Lors de la fabrication (refroidissement des granulats, eau de gâchage froide…) et du transport du béton (réduction du temps de transport et d’attente des toupies).
  • Au cours de la mise en œuvre : il convient en particulier d’éviter le coulage des ouvrages en période de fortes chaleurs ou de mettre en œuvre tous les moyens nécessaires pour réduire la température du béton, par exemple en incorporant des serpentins dans le béton, dans lesquels on fait circuler de l’eau fraiche) et/ou de privilégier des coffrages non isolants.

Le guide LCPC rappelle (annexe III) les principes de l’exothermie des réactions d’hydratation et l’incidence du dosage en liant et de sa nature. Il propose aussi (annexe IV) une méthode de calcul simplifiée permettant d’estimer la température atteinte au cœur du béton.

L’élévation de température au sein d’une partie d’ouvrage en béton est fonction :

  • ­ de l’exothermie en béton
  • ­ de la géométrie de la partie d’ouvrage
  • ­ de la température initiale du béton lors de sa mise en œuvre dans le coffrage
  • ­ de déperditions thermiques liées en particulier au type de coffrage

Ce calcul permet d’évaluer si la partie d’ouvrage doit être considérée comme une pièce critique vis-à-vis des risques de RSI.

 Il comprend une succession d’étapes :

  • ­ Détermination du dégagement de chaleur induit par le ciment à partir de données propres en particulier à son dosage et sa chaleur d’hydratation
  • ­ Prise en compte de la présence éventuelle d’additions minérales
  • ­ Intégration des déperditions thermiques

Essai de performance

Le LCPC a développé un essai de performance accéléré sur béton permettant d’évaluer la durabilité des couples «  Formule de béton et échauffement du béton » vis-à-vis de la formation d’ettringite différée suivie d’expansion, qui soit représentatif des phénomènes observés dans des cas réels et adaptés aux conditions d’exécution, tels que le cycle de traitement thermique appliqué au béton lors de l’étuvage en usine de préfabrication et l’échauffement d’une pièce massive, de taille critique, coulée en place sur chantier.

Cet essai consiste à caractériser le risque de gonflement d’un béton vis-à-vis de la RSI. Il permet de valider une formulation de béton en déterminant sa réactivité potentielle à la formation différée d’ettringite. Il est définit dans un projet de mode opératoire (réf : LPC n°59 - Réactivité d’une formule de béton vis-à-vis d’une réaction sulfatique interne).  



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