Réalisé par : M. OURAHOU

BETON DES BARRAGES ET DES CANAUX

Royaume du Maroc-=-=-=-

ORMVA de Tafilalet-=-=-=-

subdivision SERErfoud

Avril 2004

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SOMMAIRE

TITRE I: BETONS DES BARRAGES ET DES CANAUX

I- ETUDE DE CIMENT

I.1- Fabrication de la poudre de ciment Portland

I.2- Action de l’eau sur le ciment

I.3- Cristallisation des hydrates de ciment

II- PREPARATION DES AGREGATS DU BETON

II.1- Dimensions maximales des pierrailles

II.2- Dimensions minimales des pierrailles

II.3- Elimination de la farine

II.4- Granulation du sable

III- QUANTITES D’EAU DE GACHAGE

III.1-Appréciation des quantités d’eau de mouillage

IV- MISE EN OEUVRE DU BETON

IV.1- Poids volumique du béton

IV.2- Pervibration des bétons de barrage

IV.3- Présence de choix libre dans le ciment Portland durci

IV.4- Comparaison entre ciment de laitier et ciment portland

IV.5- Serrage du béton

IV.6- Thixotropie des bétons

IV.7- Retrait

IV.8- Moyens pour atténuer les retraits thermiques

IV.9- Gélivité des bétons

IV.10- Entraîneurs d’air: béton à air occlus

IV.11- Améliorants et adjuvants

TITRE II: TRAVAUX DE CONSTRUCTION DES CANAUX EN BETON

DE CIMENT

I- PREPARATION DU SOL DE FONDATION

II- MELANGE DU BETON

III- FINISSAGE ET TRAITEMENT EN COURS DE PRISE

IV- REVETEMENTS DE BETON MIS EN PLACE A LA MAIN

V- REVETEMENTS EN BETON PAR COFFRAGE GLISSANT

VI- METHODES DE CONSTRUCTION SEMI-MECANISES

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BETON DES GRANDS BARRAGES

I- ETUDE DE CIMENTI.1- Fabrication de la poudre de ciment Portland

Le ciment Portland est obtenu par la cuisson vers 1.450 °C, d’un mélange soigneusement dosé et homogénéisé de calcaire (Ca O) et d’argile (Silice Si O2 et alumine Al2 O3). Le silicate tricalcique est le principal et le plus actif des constituants anhydres.

Passant dans le four rotatif, on obtient des clinkers, qu’il faut broyer ensuite pour obtenir le ciment.

Une finesse de mouture déterminée par la surface spécifique, très poussée confère au ciment une plus grande résistance à la pression quand il fait prise.

La surface spécifique courante varie de 2.000 à 3.500 cm²/g. Cette surface est approchée par la formule:

S = (1/d - 0,5) x 6850d : densité apparente en kg/dm3.

Le poids volumique apparent de CPA est de 950 à 1.200 kg/dm3.

Le volume absolue d’un kg de ciment est de : 0,32 litres

I.2- Action de l’eau sur le cimentL’hydratation s’effectue suivant la formule générale suivante:

Silicate + eau ----------- > (Silicate mono calcique + chaux) hydratés

L’excès de l’eau de gâchage peut entraîner la formation des pores ou des vides secs à l’intérieur de la pâte durcie.

Pour obtenir une pâte plastique, il faut que:

E = 0,25 . C ou C / E = 4

I.3- Cristallisation des hydrates de cimentLe phénomène de prise est dû à la cristallisation des sels hydratés lorsque la solution

est sursaturée.

Les inconvénients de ciment de laitier sont:

faible pouvoir de rétention d’eau : la maniabilité est moindre. Les ciments de laitier sont recommandés d’être utilisés dans les fondations et en milieu humide plutôt qu’en élévation.

plus sensibles au froid extérieur, surtout au gel.

II- PREPARATION DES AGREGATS DE BETONSi la température est inférieure à 10°C, il faut utiliser des accélérateurs de

durcissement (Chlorure de calcium à 2%).

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D’après les règles de l’Association Française de Normalisation (A.F.N.O.R). Les grains des agrégats (granulats) peuvent être répartis en cinq classes:

Classe Granulométrie

Farine ou poussière (Filler) d < 0,1 mm

Sable 0,1 < d < 6,3 mm

Gravillons 6,3 < d < 25 mm

Pierres de concassage et cailloux naturels 25 < d < 100 mm

Moellons de broyage et galets naturels d > 100 mm

II.1- Dimension maximale « D » des pierraillesLe volume « i » du vide, existant entre les grains de matières solides (ciment compris)

de 1 m3 de béton, dépend de la grosseur maximale D (en mm) des agrégats:

i = k / D 1/5

Il est conseillé d’éviter l’emploi des galets allongés ou plats à cause de rassemblement de l’excès d’eau sous leur face inférieure.

La dimension recommandée ne doit pas dépasser 200 mm.

II.2- Dimension minimale « G » des pierraillesL’expérience montre que les bétons à granulation discontinue dans lesquels on

élimine les cailloux de tailles comprises entre celle du sable « ∆ » et une certaine dimension supérieure « G » (< D) se prêtent mieux au serrage par vibration et peuvent ainsi acquérir une compacité plus grande.

Nous prenons, en général, les dimensions suivantes:

∆= 6.3 mm, G =80 mm. D = 200 mm ;

et séparer les sables en deux catégories 0/2 et 2/6.

C’est au niveau du sable que se situe le vrai problème de la composition du béton. La résistance du béton est étroitement liée à celle du mortier et dépend exclusivement de la qualité granulométrique du sable utilisé.

II.3- Elimination de la farine.Il faudra l’éliminer par lavage dans les classeurs hydrauliques suivis de décanteurs et

de récupérateurs mécaniques, ou par dépoussiérage.

II.4- Granulation du sable.Le sable débarrassé de la farine contient des grains de:

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Désignation Dimensions

Sable fin 0,1 < d < 0,4 mm

Sable moyen 0,4 < d < 1,6 mm

Gros sable 1,6 < d < 6,3 mm

Soit « D » la dimension maximale des grains, les grains additifs auront des diamètres maximales de:

D’ = D.(√2 - 1) = 0,412 x D, occupant 5,26% du volume de vide ;

D’’= D ((√2 - √3) / 2) = 0,2247 x D, occupant 0,03% du volume de vide.

III- QUANTITES D’EAU NECESSAIRES AU MOUILLAGE DE CIMENT ET DES AGREGATS

III-1- Appréciation des quantités d’eau de mouillage:La quantité d’eau nécessaire pour mouiller un m3 les grains est (en l/m3) :

Ea = 130/ d 2/3 (formule de Bolomey)

Dimension « D » en mm Quantité d’eau en l/m3

300,00 3,00

200,00 4,00

100,00 6,00

63,00 8,00

40,00 11,00

25,00 15,00

20,00 18,00

16,00 23,00

10,00 28,00

6,30 38,00

3,15 60,00

1,60 95,00

1,00 130,00

0,80 150,00

0,40 240,00

0,20 380,00

0,10 600,00

0,05 960,00

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Pour les grains de différentes dimensions (min et max), on a:

Ea = 130 / (Da x da) 2/3 (en l/m3)

Soit alors « a » le volume en m3 de cet agrégat utilisé dans la fabrication de 1 m3 de béton, et pour les autres agrégats, on a:

A = a x 130 / (Da x da)2/3 + a’ x 130 / (Da X da)2/3

La quantité d’eau de mouillage de ciment est de: Ec = 0,25.C. Ainsi, la quantité d’eau totale nécessaire est d’environ:

E = C /4 + A.IV- MISE EN ŒUVRE DU BETON

IV.1- Le poids volumique du bétonIl est donné par la formule suivante :

∂ = 2.500 + 0.2 C - 1.5 E.

Pour un béton ordinaire, sans air occlus, la résistance à la compression est de:

R = k.(C/E - 0.50)., avec k = 250.

IV.2- Pervibration des bétons de barrage.Le mélange de béton présente:

un dosage minimal en ciment;

le minimum d’eau;

le minimum de sable fin.

Il permet:

- d:avoir un béton résistant;

- d’assurer l’économie en coût de revient;

- diminuer la chaleur de prise;

- diminuer les retraits;

- éliminer les risques de fissuration.

Le phénomène de retrait est causé par perte d’eau par les sels hydratés, dans un climat sec. Par contre, le phénomène de dilatation, dans une atmosphère humide, est du au fait que les cristaux d’hydrates reprennent de l’eau et se dilatent.

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IV.3- Présence de choix libre dans le ciment Portland durciLa chaux hydratée libre est très légèrement soluble dans une eau pure. Ainsi, les

eaux de pluie, en s’infiltrant dans le corps de ouvrage, entraîne à la longue une fraction importante du ciment, donc une perte de compacité et d’étanchéité.

Pour échapper à cet inconvénient, iI vient à l‘esprit de fixer la chaux à l’aide des « Pouzzolanes », qui sont des roches naturelles silico-alumineuses, d’origine volcanique.

IV.4- Comparaison entre ciment de Laitier et ciment PortlandLe laitier provient de la combinaison et de la fusion des constituants de la gangue

(partie rocheuse et non ferreuse du minerai ), des cendres de Coke et des fondants ajoutés, notamment le calcaire (craie ou castine).

Le type de ciment à base de laitier contient moins de chaux, donc les inconvénients présentés pendant l’emploi du C.P.A disparaissent:

1- craintes bien moindres à propos de l’échauffement dû à la chaleur de prise;

2- possibilité d’adopter une finesse de mouture très poussée qui augmente la maniabilité du béton frais sans redouter une montée en flèche de la température interne de l’ouvrage au début de la prise;

3- résistance efficace à l’agressivité des eaux:

4- résistance aux eaux séléniteuses.

IV.5- Serrage du béton.Il est obtenu par vibration du béton frais sous effet de leur poids. Les grains glissent

les uns sur les autres dans la pâte de ciment et se tassent.

Les forces de serrage sont proportionnelles au F² x d. Il faut avoir une fréquence F élevée (10.000 vibrations/seconde) en vue d’avoir un bon serrage.

La vibration se produit:

soit extérieurement, en fixant des vibrateurs pneumatiques sur les coffrages;

soit superficiellement, en posant les appareils de vibration par l‘intermédiaire de pièces métalliques sur la surface du béton frais ;

soit par vibration interne « Pervibration », qui assure un bon serrage et expulse l’eau en excès.

IV.6- Thixotropie des bétonsLa thixotropie est la propriété que présente un mélange, ayant l‘aspect solide à l’état

de repos , de devenir momentanément fluide quand on agite. Si l’agitation cesse, le mélange reprend son aspect solide.

L’addition d’adjuvants entraîneurs d’air améliore cette qualité, surtout utilisés au cas des bétons routiers à coffrage glissant. Cette thixotropie est liée à la maniabilité et à la déformation du béton au démoulage.

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IV.7- RetraitOn rencontre différents types de retrait:

• Retrait hygrométrique: variation du volume du béton en fonction de l’humidité de l’air ;

• Retrait thermique : c’est en fonction de la température de l’air.

Ces retraits ont pour effet principal : fissuration du béton. Sous l’effet de traction, on note l’apparition des phénomènes suivants:

Il faut donc veiller de très près à protéger le béton contre l’évaporation. Cette précaution doit durer 2 à 3 semaines: arroser à profusion jusqu inondation.

On peut avoir recours aux produits de cure jouant le rôle d’enduits protecteurs après séchage. Dans ce sens, le coffrage en bois est préférable que le coffrage métallique.

Généralement :

le retrait croit avec la finesse de mouture de ciment;

le retrait croit avec le dosage de ciment;

le retrait décroît quand la dimension maximale D des agrégats augmente (ce qui est un avantage des gros bétons) du fait que le volume des vides et de l’eau de mouillage diminue dans le même temps.

IV.8- Moyens employés pour abaisser la température prise du béton et atténuer les retraits thermiques

1- le dosage en ciment du béton sera aussi réduit que possible ;

2- les ciments seront choisis à faible chaleur de prise (ciment alumineux) ;

3- éviter une finesse de mouture très poussée ;

4- refroidir les divers éléments du béton frais ;

- les silos des agrégats seront enveloppés d’un brouillard d’eau pulvérisé ;

- les silos à ciment seront recouverts des peintures réfléchissantes;

- l’eau de gâchage sera introduite aussi froide que possible ;

- les ciments chauds sont à éviter.

5- le béton de très gros barrages doit être réfrigéré artificiellement sur place ;

6- prévoir des joints verticaux et/ou longitudinaux.

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IV.9- Gélivité des bétonsLes fissures du bétons sont issues de:

1. excès d’eau: En effet, l’eau chimiquement nécessaire pour la prise de ciment est de 25% du poids de ciment employé, tandis qu’on apporte 50 à 70 % comme eau de gâchage ;

2. phénomène de ressuage ;

3. défaut d’adhérence ou de cohésion entre les cristaux d’hydrate de ciment et les agrégats ;

4. cailloux dur et hétérogène subissant une fissuration pendant le concassage ;

5. retrait hydraulique et thermique ;

6. ségrégation ;

7. tassement du sol de fondation.

L’eau entrant dans ces fissures peut entraîner le gel. Pour y remédier, on ajoute des produits antigel.

IV.10- Entraîneurs d’air béton à air occlusLes produits appelés “entraîneurs d’air” sont semis en solution dans l’eau de

gâchage, au moment du malaxage, et faisant naître une multitude de bulles d’air, fermées sur elles-mêmes. Ces bulles microscopiques et régulièrement disséminées, qui se longent dans les canaux capillaires (air occlus), permettent:

la diminution de la succion capillaire,

l’atténuation de son hygroscopicité,

l’obtention d’un matériau plus homogène et plus compact,

la résistance au gel,

la diminution de la perméabilité,

l’accroissement de la maniabilité,

l’élimination de la ségrégation et le ressuage,

la réduction de l’eau de gâchage (économie de 22 litres),

la réduction du poids de sable de 1% sur 100ème d’air occlus,

la pérennité assurée,

l’obtention d’un béton plus économique par réduction aussi du dosage.

Les produits les plus utilisés sont : kieseigùhir , lignosulfonate. La quantité d’air occlus à introduire dans e béton dépend de la granulométrie des gros agrégats:

10

D(mm) %

19 5.5

37 4.5

75 3.5

150 2.5

L’inconvénient principal présenté par ce type de béton est la diminution de la résistance à la compression.

Si les bulles d’air s’agglutinaient, on aura de grosses bulles rappelant celles du béton cellulaire ou béton alvéolaire ou béton à gaz, présentant une légèreté et une isolation importantes aux dépens de la résistance. Le volume des bulles d’air est de 50%.

IV.11- Améliorant et adjuvants

a- Produits plastifiantsIls ont pour objectifs essentiels d’augmenter la maniabilité du béton frais sans

addition d’eau, et d’obtenir un matériau plus compact, donc plus résistant et moins perméable.

Les produits utilisés sont : le kieselgûhr, la chaux, la bentonite, le chlorure de calcium, sang de boeuf, huiles, résines, lignosulfonate., …etc.

b- Produits mouillantsIls permettent:

- d’abaisser la tension superficielle de l’eau,

- de diminuer la succion capillaire,

- de diminuer l’hygroscopicité,

- en cas de gel, le béton devient moins vulnérable.

c- HydrofugesIls permettent d’accroître l’imperméabilité, tels que “Sica”. Ils agissent, soit en raison

de leur action hydrophobe (produit liquide), soit comme “bouche- trous” (produits solides inertes) dans les pores et les canaux capillaires.

d- Accélérateurs de priseCe sont des catalyseurs d’hydratation de ciment: potasse, la soude et l’ammoniaque ,

la chaux grasse, le chlorure de calcium, le sulfate et le silicate de sodium, …etc.

e- Retardateurs de priseIls évitent une élévation trop rapide de la température du béton et limite les risques de

fissuration par dilatation et par retrait thermique: gypse, borax, baryte, chlorure d’aluminium, colle forte, …etc.

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f- Accélérateurs de durcissementLe rôle est d’augmenter les résistances initiales des bétons. Les produits Utilisés sont

le chlorure de calcium (2%), mais favorise le retrait. Ainsi, il faut le dissoudre préalablement et l’introduire ensuite dans l’eau de gâchage.

g- AntigelsAjoutés dans l‘eau de gâchage pour permettre leur prise et leur durcissement en

période de gel (accélérant la prise de ciment): chlorure de sodium (2 %).

Recommandations :

Le béton à utiliser dans les grands barrages doit avoir:

un minimum de ciment,

un minimum d’eau,

un minimum de sable fin,

à air occlus,

pervibré énergiquement.

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