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www.setra.developpement-durable.gouv.fr
Date : 13 janvier 2010 Lieu : CETE Méditerranée
Journées techniques
« Construire des Ouvragesd’Art en Béton »
Prescriptions sur le matériau bétonet contrôles d’exécution
des travaux
Durabilité du béton arméC. CORDIER (LRPC Aix)
Service d’études sur les transports, les routes et leurs aménagements
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13 et 14 janvier 2010
Durabilité du béton armé
La définition et les spécifications des bétons sont
fixées par le prescripteur; ces dernières doivent
entre autre prendre en compte : les agressions liées à la carbonatation et à la
pénétration des chlorures (en présence de sels),
la prévention des désordres dus aux gonflementsinternes du béton (alcali-réaction et réaction sulfatique
interne),
la durabilité des bétons durcis soumis au gel en présence
ou non de sels de déverglaçage.
Les caractéristiques induites sont à contrôler à
l’exécution pour assurer la durabilité de l’ouvrage …
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Durabilité du béton armé
Phénomène de carbonatation
le CO2 présent dans l’air pénètre dans le béton par le
réseau poreux et les fissures et, en présence d’eaudans les pores, abaisse le PH (initialement de 13) de la
solution interstitielle du béton à 9 par réaction chimique
avec la pâte de ciment hydratée et notamment la
portlandite (réserve basique) :Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O
(hydroxyde de calcium ou portlandite) (carbonates de calcium)
au fur et à mesure de la progression du front decarbonatation, les armatures initialement protégées par
une couche d’oxyde de fer (liée à l’alcalinité de la
solution interstitielle) sont alors dépassivées et lephénomène de corrosion s’initie.
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Durabilité du béton armé
Phénomène de carbonatation (suite)
la carbonatation est maximale lorsque l’humidité
relative est modérée (cycle séchage/humidité). après environ 30 ans, la profondeur de carbonatation
dans un béton d’ouvrage peut varier de 1 à 30 mm
suivant la compacité du béton, la fissuration de peau et
le milieu environnant.
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Durabilité du béton armé
La corrosion induite par carbonatation est donc
fonction de :
l’exposition des parements de la partie d’ouvrageau CO2 et à l’eau
→ liée au choix de la classe d’exposition XC,
la qualité du béton en place (compacité), et
notamment en parement avec l’absence de
ségrégation ou de bullage et de
fissuration (retrait gêné, dessiccation)
→ liée à la qualité de formulation et d’exécution, l’enrobage du premier lit d’armature
→ lié à la valeur spécifiée et à son respect lors de
l’exécution.
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Durabilité du béton armé
Phénomène de pénétration des chlorures
en pénétrant dans le béton par diffusion, les
chlorures réagissent avec les hydrates (Ca(OH)2notamment) de la pâte de ciment, ce qui conduit à la
dépassivation et à la corrosion des armatures.
il convient de distinguer les chlorures libres sous
forme ionique dans la solution interstitielle(extractibles à l’eau) et les chlorures totaux
(extractibles à l’acide).
seuls les chlorures libres (solubles dans l’eau)peuvent diffuser et jouer un rôle actif dans le
processus de corrosion des armatures.
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Durabilité du béton armé
Phénomène de pénétration des chlorures (suite)
on définit un seuil critique [Cl-libres]critique = 0,4% par
rapport à la masse de ciment soit 0,04 à 0,1% parrapport à la masse de béton.
lorsque [Cl-libres] > [Cl-libres]critique au voisinage des
armatures, le phénomène de corrosion s’initie.
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Durabilité du béton armé
La corrosion induite par la pénétration des
chlorures est donc fonction de :
la quantité initiale de chlorures dans le béton→ liée au choix de la classe de chlorures du béton,
l’exposition des parements de la partie d’ouvrage aux
chlorures et à l’eau→ liée au choix de la classe d’exposition XD ou XS,
la qualité du béton en place (compacité), et notamment
en parement avec l’absence de ségrégation ou de
bullage et de fissuration (retrait gêné, dessiccation)
→ liée à la qualité de formulation et d’exécution,
l’enrobage du premier lit d’armature
→ lié à la valeur spécifiée et à son respect lors del’exécution.
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La corrosion
s’accompagne
d’un gonflement
des armaturesqui génère une
fissuration
accrue du bétonet des
éclatements du
béton en
parement, ce quiaccélère le
processus de
dégradation.
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Durabilité du béton armé
Phénomène d’alcali-réaction
réaction entre les granulats (silice réactive) et les
alcalins (granulats, ciment, eau, adjuvants) enprésence d’humidité,
formation de gel,
propriété gonflante : détérioration interne du matériau
et des structures.
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Durabilité du béton armé
La démarche préventive concernant l’alcali-
réaction (RAG) est définie dans les
recommandations LCPC de juin 1994 (rappeléesà l’article NA.5.2.3.4 de la norme NF EN 206-1).
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Durabilité du béton armé
La démarche préventive concernant l’alcali-
réaction se fait en 2 temps :
détermination du niveau de prévention à atteindreparmi 3 niveaux (A,B ou C), le choix du niveau étant
fonction de :
la catégorie de l’ouvrage définie par le maître
d’ouvrage,
la classe d’exposition du béton à l’environnement
climatique.
orientation vers la (ou les) solution(s) possible(s) auregard des précautions liées au niveau de prévention
retenu.
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Durabilité du béton armé
Catégorie d’ouvrage RAG (ou de partie
d’ouvrage)
I : - éléments non porteurs des bâtiments- ouvrages provisoires ou facilement remplaçables
- produits préfabriqués non structurels
II : la plupart des bâtiments et des ouvrages de génie civil
III : ouvrages de génie civil où le risque est inadmissible :centrale nucléaire, barrage, tunnel, pont ou viaduc
exceptionnel, monument ou bâtiment de prestige
Classe d’exposition RAG1 : sec ou peu humide (Hr < 80%)
2 : Hr > 80% ou en contact avec l’eau, avec ou sans gel
3 : Hr > 80% avec gel et fondants
4 : marin
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Durabilité du béton armé
Détermination du niveau de prévention alcali-
réaction nécessaire (choix à spécifier par le
prescripteur) :
Classe d’exposition
Catégorie d’ouvrage
I
II
III
1 2 3 4
A A A A
A B B B
C C C C
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Durabilité du béton armé
Niveaux de prévention alcali-réaction :
niveau A : pas de précaution particulière
niveau B : précautions particulières granulats NR (SiO2
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Durabilité du béton armé
Bilan des alcalins satisfaisant si :
CEM I, CEM II et CEM V :
bilan des alcalins contenus dans l’ensemble desconstituants du béton :
Tmoy < 3,5 / (1+2Vc) kg/m3,
avec Vc
= coefficient de variation de teneur en alcalins du ciment
(écart type sur 12 mois)
et Tmax < 3,5 kg/m3,
Rq : en l’absence de données statistiques, on retiendra :
T moy < 3,0 kg/m3
et T max < 3,3 kg/m3
.
CEM III/A ou B : ciment contient plus de 60% de laitier etteneur en alcalins du ciment < 1,1%,
CEM III/C : ciment contient plus de 80% de laitier et teneur enalcalins du ciment < 2,0%.
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Durabilité du béton armé
Phénomène de réaction sulfatique interne
réaction entre les ions sulfate (SO3) de la solution
interstitielle du béton et les aluminates (3CaOAl2O3 ouC3A) du ciment plusieurs mois voire plusieurs années
après la prise du ciment.
formation différée d’ettringite (trisulfoaluminate de
calcium hydraté).
propriété gonflante :
détérioration interne
du matériau et desstructures.
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Phénomène de réaction sulfatique interne (suite)
principaux paramètres de la réaction :
eau et humidité (réaction et processus de transfert),
température et durée de maintien lors de la prise et du
durcissement (fonction de la géométrie de la pièce),
teneur en sulfates et en aluminates du ciment,
teneur en alcalins du béton (rôle sur la solubilité de l’ettringite).
pièces critiques :
pièces massives pour lesquelles la chaleur dégagée n’est que
très partiellement évacuée vers l’extérieur et conduit à une
élévation importante de la température du béton,
pièces coulées en période estivale,
pièces préfabriquées ayant subi un traitement thermique très
élevé (étuvage).
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Durabilité du béton armé
La démarche préventive concernant la réaction
sulfatique interne (RSI) est définie dans les
recommandations LCPC d’août 2007.
La norme NF EN 206-1 garantit
la durabilité de la structurevis-à-vis des agressions
extérieures, donc de la RSE,
via le choix des classes
d’exposition mais pas de la RSI→ spécification complémentairepar le prescripteur.
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Durabilité du béton armé
La démarche préventive concernant la réaction
sulfatique interne se fait en 2 temps :
détermination par partie d’ouvrage (notamment pour
les pièces critiques) du niveau de prévention à
atteindre parmi 4 niveaux (As, Bs, Cs ou Ds), le choix
du niveau étant fonction de :
la catégorie de l’ouvrage définie par le maîtred’ouvrage,
la classe d’exposition vis-à-vis de la RSI.
orientation vers la (ou les) solution(s) possible(s) auregard des précautions liées au niveau de prévention
retenu.
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Durabilité du béton armé
Catégorie d’ouvrage RSI (ou de partie
d’ouvrage)
I : conséquences faibles ou acceptables : éléments nonporteurs des bâtiments, ouvrages provisoires ou facilement
remplaçables, produits préfabriqués non structurels
II : conséquences peu tolérables : éléments porteurs des
bâtiments et des ouvrages de génie civil, produits
préfabriqués structurels
III : conséquences inacceptables : centrale nucléaire, barrage,tunnel, pont ou viaduc exceptionnel, monument ou bâtimentde prestige, traverse de chemin de fer
Classe d’exposition RSIXH1 : sec ou humidité modérée
XH2 : alternance d’humidité et de séchage, humidité élevée
XH3 : en contact durable avec l’eau
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Durabilité du béton armé
Détermination du niveau de prévention
concernant la réaction sulfatique interne
nécessaire (choix à spécifier par le prescripteur) :Classe
d’exposition
Catégorie d’ouvrage
XH1 XH2 XH3
I
Risque faible ou acceptableAs As As
IIRisque peu tolérable
As Bs Cs
III
Risque inacceptable
As Cs Ds
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Durabilité du béton armé
Niveaux de prévention RSI :
niveau As : Tmax < 85°C,
niveau Bs : Tmax < 75°Cou 85°C avec respect d’ 1 des 6 conditions suivantes : traitement thermique maîtrisé avec une durée de maintien de la
température du béton au delà de 75°C < 4 heures et avec alcalins du
béton < 3 kg/m3
, ou utilisation de ciment ES, avec alcalins du béton < 3 kg/m3 pour
CEMI et II/A*,
ou utilisation de ciment CEM II/B ou III/A dont C3A < 8% et SO3 < 3%,
ou utilisation de ciment CEMI dont C3A < 8% et SO3 < 3% avec au moins20% de cendres volantes, de laitiers de haut fourneau moulus ou de
pouzzolanes naturelles calcinées,
ou essai de performance satisfaisant (méthode d’essai Lpc n°59),
ou, pour la préfabrication, couple béton/échauffement avec 5 références
d’emplois satisfaisants (antériorité de 10 ans) dans des lieux différents.
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Durabilité du béton armé
Niveaux de prévention RSI (suite) :
niveau Cs : Tmax < 70°C
ou 80°C avec respect d’ 1 des 6 conditionsprécédentes en remplaçant 75°C ← 70°C,
niveau Ds : Tmax < 65°C de préférence
ou 75°C avec respect simultané des 2 conditions
suivantes :
utilisation de ciment ES, avec alcalins du béton < 3 kg/m3 pour
CEMI et II/A,
validation de la formulation par un laboratoire expert.
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Durabilité du béton armé
Phénomène d’attaque gel-dégel avec ou sans
sels de déverglaçage
présence d’eau non combinée dans le réseau de
capillaires du béton.
gel de l’eau vers –3 à –4°C (gros capillaires).
pression hydraulique sur l’eau des petits capillairesrestée à l’état liquide, du fait de l’augmentation de
volume (9%) lors de la transformation d’eau en glace.
+
pression osmotique liée à la diffusion des sels de
déverglaçage dans le milieu interstitielle de la peau
du béton (phénomène amplifié en cas de choc
thermique lié à l’application des sels sur film de glaceen surface du béton).
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Durabilité du béton armé
Phénomène d’attaque gel-dégel avec ou sans sels
de déverglaçage (suite)
lorsque les pressions hydrauliques et/ou osmotiques
deviennent supérieures à la résistance à la traction du
béton, celui-ci se fissure : fissuration dans la masse
(feuilletage parallèle aux faces) ou écaillage de surface.
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Durabilité du béton armé
Des recommandations établies par le LCPC en
décembre 2003 sont établies pour les ouvrages
de génie civil (visées à l’article NA.5.3.1 de lanorme NF EN 206-1).
Ces recommandationsrenforcent
les prescriptions de la
norme NF EN 206-1
(classe exposition XF)
→ spécification complémentairepar le prescripteur.
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Durabilité du béton armé
Les recommandations sont liées à la
classification de l’environnement qui dépend :
classe de gel
degré de saturation en eau du béton (humidité,
surface verticale/horizontale, exposition pluie)
exposition au salage
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Durabilité du béton armé
XF1 (sans agent de déverglaçage)
Gel faible ou modéré :
XF2 (avec agent de déverglaçage)
XF3 (sans agent de déverglaçage)
Gel sévère :
XF4 (avec agent de déverglaçage)
Gel modéré ou sévère : suivant l'altitude
Station métérologique
Carte de gel (NA.4.1NF EN 206-1)
Carte de salage RecommandationsLCPC Gel –Guide SETRADOVH (itinéraires
structurants)
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Durabilité du béton armé
Cases grisées : recommandations LCPC pour la
durabilité des bétons durcis soumis au gel
Autres cases : appliquer la norme NF EN 206-1sans exigence particulière.
Choix du type de béton
Type de gel
Modéré Sévère
Type desalage
Peu fréquent
(H1 ou n
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Durabilité du béton armé
Ces recommandations (G ou G+S) portent sur :
prescription de moyens :
caractéristiques des constituants,
formulation du béton (Eeff/C et dosage en ciment
pour une bonne compacité, emploi d’un entraîneur
d’air pour créer un réseau de bulles d’air adapté pour
les bétons de classe de résistance < C50/60).
prescription d’objectifs de résultat :
caractéristiques de résistance mécanique,
résistance au gel interne (facteur d’espacement avec
air entraîné compris entre 4 et 8% ou essai de
performance),
résistance à l’écaillage.
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é h i “C i d O d’ bé ”
Durabilité du béton armé
Ce qui se traduit en étude ou convenance par :Caractéristiques Béton G Béton G+S
Caractéristiques des granulats Adaptées Adaptées
Type et classe du ciment CEM I ouCEM II/A et B
sauf CV *
CEM I ouCEM II/A (S, D)
PM ou ES
Dosage minimal du ciment pour un béton armé ouprécontraint 0/20
385 kg/m3** 385 kg/m3**
Emploi entraîneur d’air Obligatoire pourbéton < C50/60
Obligatoire pourbéton < C50/60
Rapport Eeff/C (C = ciment ou liant recomposé pour lesbétons G)
≤ 0,50 ≤ 0,45
Résistance caractéristique en compression (cylindre) ≥ 30 MPa ≥ 35 MPa
Facteur d'espacement L (ASTM C 457)avec air entraîné compris entre 4 et 8%
≤ 250 µm ≤ 200 µm
Ecaillage (XP P 18-420) Sans objet ≤ 600 g/m²
Allongement relatif (NF P18-424 et NF P18-425) ≤ 400 µm/m ≤ 400 µm/m
Rapport des carrés des fréquences de résonance(P 18-414)
≥ 75 ≥ 75
Recommended