Fissuration des bétons Pathologie

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ETUDE DES FISSURES DES OUVRAGES DE GENIE CIVIL METHODES DE REPARATION PATHOPOLOGIE

 ETSHER – Département I.E.E.

Maixent CALLAUD mai 2001 - Version n°1

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Sommaire  Définitions ___________ _________________ ______________ ________________ ________ 4

Faïncage _____________________________ _____________________________________________ ______________________________ ____________________________ ______________ 4 Microfissures ____________________________ __________________________________________ _______________________________ ___________________________ __________ 4 Fissures____________________ Fissures__________________________________ _____________________________ _______________________________ _________________________ _________ 4 Lézardes – Crevasses ______________________________________________________________ 4  L’alcali-réaction  L’alcali-réaction (AR) _____________________________________ ________________________ _____________ _________________ ___ 5

Phénomène______________________________ Phénomène______________ ________________________________ _________________________________ _________________________ ________ 5 Mécanisme des réactions __________________________________________________________________ 5

Contrôle ____________________________ ___________________________________________ _______________________________ ______________________________ ______________ 5 Procédés Procédés de réparation réparation _____________________________ __________________________________________ ______________________________ ___________________ __ 5 Prévention _______________________________ _______________________________________________ _____________________________ ________________________ ___________ 5 Ciment ________________________________________________________________________________ 5 Granulats ______________________________________________________________________________ 5

 Le retrait retrait _______________________________ __________________ _____________ ________________ ______________ _______ 5

Phénomène______________________________ Phénomène______________ ________________________________ _________________________________ _________________________ ________ 5 Le retrait avant prise ou retrait plastique, _____________________________________________________ 5 Le retrait hydraulique ou retrait après prise____________________________________________________ 5 Le retrait thermique ______________________________________________________________________ 5 Le retrait endogène ______________________________________________________________________ 5

Prévention _______________________________ _______________________________________________ _____________________________ ________________________ ___________ 5 Limitation de la quantité d'eau______________________________________________________________ 5 Limitation des perles d'eau ________________________________________________________________ 5 Humidification du support_________________________________________________________________ 5 Ferraillage des éléments __________________________________________________________________ 5

 Poussée au vide des armatures armatures ________________________________________ __________________________ ______________ __________ 5

Poussée résultant de contraintes ____________________________ __________________________________________ _________________________ ___________ 5 Phénomène ____________________________________________________________________________ 5 Prévention _____________________________________________________________________________ 5

Poussée résultant de l'oxydation _______________________________ ________________________________________________ ______________________ _____ 5 Phénomène ____________________________________________________________________________ 5 Traitement préventif _____________________________________________________________________ 5

Méthodes de réparation réparation ______________________________ ____________________________________________ _____________________________ _________________ 5 Procédés physiques ______________________________________________________________________ 5 Procédés électro-chimiques ________________________________________________________________ 5

Reprise de bétonnage _____________________________ _____________________________________________ ________________________________ __________________ 5 Phénomène ____________________________________________________________________________ 5 Procédés de réparation____________________________________________________________________ 5 Prévention _____________________________________________________________________________ 5

 Suivi et reparation des fissures ____________ ________________ ______________ ________ 5

Définition Définiti on ____________________________ __________________________________________ ______________________________ ______________________________ ______________ 5 Fissures vivantes ________________________________________________________________________ 5 Fissures mortes _________________________________________________________________________ 5 Faïençage______________________________________________________________________________ 5

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Reprise des défauts d’étanchéité ____________________________ _____________________________________________ _________________________ ________ 5 Injection_______________________________________________________________________________ 5 Rebouchage au mortier ___________________________________________________________________ 5 Rebouchage au mortier ___________________________________________________________________ 5 Calfeutrement à l'aide d'un mastic ___________________________________________________________ 5 Pontage _______________________________________________________________________________ 5 Traitement Traitement en plein des parements microfissurés microfissurés ou affectés par des fissures mortes ___________________ 5 Traitement des parements présentant des fissures vivantes________________________________________ 5 Réalisation d'un bardage __________________________________________________________________ 5 Réalisation d’un complexe d’isolation thermique par l’extérieur ___________________________________ 5 Traitement Traitement des fissures sur parements intérieurs_____________________________________ ___________ 5

SUIVI DES FISSURES_____________________________________________________________ 5 Méthodes optiques_______________________________________________________________________ 5 Déformètre à billes ______________________________________________________________________ 5 Capteurs mécaniques _____________________________________________________________________ 5 Capteurs électriques______________________________________________________________________ 5

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DEFINITIONS Il apparaît apparaît nécessaire que les différents intervenants parlent le même langage langage pour définir les différentes fissures fissures rencontrées, et on pourra par exemple exemple reprendre les définitions que donne la norme NF P 84-404, référence DTU 42.1

FAÏNCAGE Réseau caractéristique caractéristique d’ouvertures linéaires superficielles superficielles du fond, de trèsfaible largeur, largeur, se  présentan  présentantt sous sous la forme forme d’un d’un dessin dessin géomét géométriqu riquee à mailles mailles irrégu irrégulières lières qui s’inscr s’inscrivent ivent généralement dans un carré n’excédant pas 200 mm de côté. Ce réseau n’intéresse que la laitance superficielle du béton ou la couche superficielle de l’enduit à base de liant hydraulique

MICROFISSURES Ouverture (discontinuités) linéaires dont la largeur est inférieure à 0,2 mm. Dans le cas d’enduits à base de liants hydrauliques, elles peuvent se présenter sous forme d’un réseau.

FISSURES Ouvertures linéaires au tracé plus ou moins régulier, dont la largeur est comprise entre 0,2 et 2 mm.

LEZARDES LEZARDES – CREVASSES CREVASSES Fissures dont la largeur dépasse 2 mm.

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L’ALCALI-REACTION (AR) Les fissures qui affectent les ouvrages, murs, planchers ou autres, ont en général des causes qui leur sont extérieures, contraintes, mouvements de l’assise ect … Elles peuvent aussi résulter de phénomènes qui trouvent leur origine dans la nature des matériaux eux-mêmes entrant dans leur constitution. C’est sur ce dernier point que nous allons tenter de détailler dans ce chapitre.

PHENOMENE Dans certain cas, les bétons peuvent présenter des désordres qui apparaissent à des délais variables, allant de deux à plus de dix ans. Les désordres se traduisent par un ou plusieurs des symptômes suivants : Une fissuration sous forme de faÏençage à mailles plus ou poins larges, ou en étoile, ou encore orientée suivant une direction correspondant au sens des contraintes. Des exsudations blanches de gels ou de calcite. Des éclatements localisés en forme de petit cônes, qui correpondent correpondent à la réaction de gros granulats en surface. Des mouvements et des déformations, visibles dans les gros ouvrages de masse, tel que les barrages.

Ces phénomènes se produisent lorsque les trois conditions suivantes suivantes sont réunies : Les agrégats qui entrent dans la composition du béton contiennent de la silice réactive L’ouvrage est soumis à un environnement humide La teneur en alcalins du béton est élevée (Na KOH)

 Eclat ponctuel au droit droit de granulat expansif

+

+

K  , OH OH

-

respectivement de NaOH et

Exsudation blanches de gel dû à une alcali-réaction de la chape de pose

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Il existe trois type d’alcali-réaction d’alcali-réaction :

Type d’alcali-réaction Alcali-silicates Alcalis-Silice

Fréquence Vitesse Le plus fréquent Moins fréquent

Alcalis-Carbonate

Très rare, et pour des granulats très précis

d’évolution 1 à 2 ans Réaction lente : 10 ans et plus ?

Mécanisme des réactions Il se produit des réactions chimiques avec formation d’un gel de silicate alcalin qui s’imbibe d’eau, gonfle gonfle et fissure le béton (réaction ( réaction alcali-silice). alcali-silice). Concernant les gels, il s’agit de structure moléculaire capable d’absorber de forte quantité d’eau. Par exemple les gels silico-alcalin (cas qui nous concerne) peuvent absorber 50 % de leur poids en eau à 80 % d’humidité d’humidité relative. Aux valeurs d’humidité relative supérieure à 95 %, la quantité d’eau absorbée absorbée peut être comprise comprise entre 200 et 300 % du  poids  poids du gel initiale. initiale. Cette Cette quanti quantité té croît croît de de façon façon exponentiel exponentielle le au-delà au-delà de 90 90 % d’humidité d’humidité relative.

CONTROLE Une première indication d’alcali-réaction peut se faire grâce au test à l’acétate d’uranyle (après imprégnation à l’acétate et sous éclairage ultra-violet, les gels apparaissent vert-jaune). Pour  confirmer confirmer un essai en laboratoire laboratoire après prélèvement eest st nécessaire.

PROCEDES DE REPARATION On ne connaît à ce jour aucun procédé qui permette d’arrêter efficacement ce processus. On ne peut que réduire passivement la teneur en eau du béton par la mise en œuvre d’un revêtement d’étanchéité d’étanchéité et e t on ne peut donc qu’appliquer qu’appliquer des méthodes préventives

PREVENTION Les annales de l’ITBTP ont édité en mai 1990 des recommandations pour la prévention des désordres dus à l’alcali-réaction, qui ont été suivies de recommandations provisoires établies par  le laboratoire Centrale des Pont et Chaussées en janvier 1991 et d’un document annexe à ce dernier, qui est un guide pour l’élaboration du dossier « Carrière de granulats » qui a été publié en février 1992. Une synthèse de ces documents peuvent être ainsi faite :

Ciment La concentration en hydroxyde alcalin est fonction linéaire de la teneur en alcalin du  béton,  béton, d’où d’où l’imp l’importa ortance nce de la teneur en alca alcalin lin du ciment ciment utilisé. utilisé. On On le mesurer mesureraa donc donc + +  plus particu particulièrem lièrement ent la présence présence de Na , K  et OH (alcalin), de sorte que s’il y a un doute sur l’agrégat ou s’il est réactif, il faudra choisir un liant en conséquence :

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Ciment portland de basse teneur en alcalin (< 0,6 %) Ciment PORTLAND additionné de cendres volantes ou de pouzzolanes, Ciment de laitier de haut fourneau, Ciment PORTLAND PORTLAND additionné de fumées de silices.

Granulats Pour être sûr que les granulats ne sont pas réactifs, réactifs, il faut des références mises à jour et concernant un ouvrage âgé d’au moins 5 ans. Sinon, il est nécessaire d’établir un dossier carrière. carrière.

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LE RETRAIT

PHENOMENE Le béton est composé de ciment, d’eau, de sable et de granulats. Le ciment et l’eau réagissent pour former des composés hydratés qui, en se solidifiant, liaisonnent les granulats. La quantité d’eau nécessaire à l’hydratation du ciment représente environ 25% du poids de ce dernier. Or, afin de permettre la mise en œuvre du béton, le volume d’eau de gâchage atteint couramment 40 à 70% du poids du ciment. Le départ de ce volume d’eau excédentaire constitue l’origine principale du retrait des bétons et mortiers. Il s’agit du retrait de dessication.

Quantité d’eau à évacuer dans le cas d’un béton dosé à 350 kg/m3 Eau d’hydratation

87,5 litres

Eau de mise en œuvre E/C = 0,4 E/C = 0,7

140,0 litres 240,0 litres

Eau excédentaire E/C = 0,4 E/C = 0,7

52,5 litres 157,5 litres

Les deux principaux types de retrait de dessication sont :

Le retrait avant prise ou retrait plastique, Il est dû essentiellement à la perte prématurée d’une partie de l’eau de gâchage par  évaporation et dont l’amplitude peut atteindre une valeur dix fois supérieure à celle du retrait hydraulique normal. Il peut atteindre sur mortier des valeurs deux à trois fois supérieures supérieures à celles obtenues sur   béton.  béton. Ce retrait provoque des contraintes de traction qui excédent les possibilités du béton qui,

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Le retrait hydraulique ou retrait après prise Il évolue beaucoup plus lentement car l’eau libre pourra beaucoup plus difficilement s’évaporer s’évaporer d’une structure rigidifiée, son cheminement cheminement se fait par capillarité, des zones z ones humides vers les parties séches. sé ches. Sa valeur est de l’ordre de 0,2 à 0,4 mm/M Mise à part l'influence du facteur temps et du volume d'eau sur la valeur du retrait hydraulique, celui-ci est fonction d'un certain nombre d'autres paramètres, parmi lesquels on peut citer : ➚ ➚

➚ ➚

La nature du ciment, Les ciments de faible classe de résistance mécanique ont en général des retraits plus faibles que les autres. Les ajouts n'ont pratiquement pas d'effet sur ce phénomène. Le dosage du ciment, les dosages élevés augmentent la valeur de retrait des bétons et mortiers. C'est ainsi que le retrait d'une pâte "pure sera bien supérieur à celui d'un béton. Or, les dosages élevés de ciment n'augmentent pas la résistance d'un mortier ou d'un béton à ses  premières  premières heures heures de prise. prise. Le surdosa surdosage ge aura aura donc donc pour effet effet d'augmente augmenter  r  l'importance de la fissuration.

➚

La propreté des sables, Leur retrait évolue dans le même sens que la proportion des argiles et des matières humiques (colloïdes) contenus dans les agrégats. Le rapport E/C

➚

Le retrait après prise augmente avec la quantité d'eau de gâchage

➚

La forme et la dimension des agrégats

➚ ➚

Le béton tire une bonne partie de sa résistance des granulats granulats qui le composent. composent. C'est  particu  particulièrem lièrement ent vrai vrai des gros gros granu granulats. lats. Il est donc donc logique logique de comp composer oser un béton à partir  partir  d'éléments de bonne qualité et de dimension importante afin d'obtenir d'obtenir une résistance optimale. En outre, la pâte de ciment intervient comme une colle qui assure la liaison entre les différents "grains". De ce fait, la quantité de ciment nécessaire pour assurer leur bon enrobage évolue directement avec la surface des "grains" mis en oeuvre par unité de volume. Le dosage en ciment devra donc être d'autant d'autant plus élevé él evé que les le s "grains" "grains" seront seront plus fins. A titre d'exemple, un granulat 30/60 a une surface spécifique d'environ 5 dm2 par kilo, alors que celle d'un sable fin peut atteindre facilement 30 dm2lkg. Or, le retrait du béton augmente avec son dosage en ciment. On a donc intérêt à double titre à utiliser des agrégats de grandes dimensions.

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Le béton est un mauvais conducteur de la chaleur. Or, la réaction chimique de prise du ciment s'accompagne d'une élévation importante de température. Les bétonnages par temps chaud (> 25°) et sec doivent donc être accompagnés d'un certain nombre de précautions ayant trait à la cure du béton (arrosage, protection contre le vent et l'ensoleillement, etc.), à la l a température de l'eau de gâchage, gâchage, etc., sous peine d'augmenter les désordres liés à l'évaporation de l'eau de gâchage ainsi qu'au retrait thermique. En France, les règles BAEL 91 fixent, en tenant compte d'un pourcentage moyen d'armatures, les valeurs moyennes de retrait suivantes: AI = 3 X 10-4 dans le quart sud-est de la France AI = 2 X 10-4 dans le reste du pays

PREVENTION De ce qui précède, on s'aperçoit s'aperçoit qu'il n'est pas possible de s'affran s'affranchir chir totalement du retrait et de ses conséquences. conséquences. En revanche, on peut en llimiter imiter l'importance l'importance à une valeur telle que le phénomène ne se traduise t raduise  pas par une fissu fissurati ration. on. Les méthodes couramment employées pour y parvenir sont principalement de deux types, limitation de la quantité d'eau ainsi que des pertes de laitance qui peuvent se produire en certains  points  points partic particulier ulierss des coffra coffrages ges et renfor renforcemen cementt du béton et des mortiers mortiers par par des arma armatures tures..

Limitation de la quantité d'eau On y parvient par une formulation formulation adaptée de la composition du béton et par l'emploi de  plastifia  plastifiants nts qui qui permetten permettentt de mainte maintenir nir l'ou l'ouvra vrabilité bilité du du béton béton tout tout en réduisa réduisant nt notablement le volume d'eau entrant dans le mélange. Limitation des perles d'eau On estime que, dès que la quantité d'eau évaporable évaporable atteint 0,5 à 1 litre l itre par heure et par  mètre carré, des précautions doivent être prises qui permettent de maintenir l'humidité du  béton pendant pendant 3 à 7 jours. jours. Ces valeurs d'évaporation sont très couramment atteintes, puisque par exemple : Si l'on considère un béton dont la température est de 20 degrés centigrades, soumis à un vent à 15°C soufflant à 25 km/h et à une humidité relative de 40 %, la perte d'eau  par évapora évaporation tion sera de 1 L/h/m2 L/h/m2 Si l'on considère un béton à 35°C, un vent de 30°C soufflant à 30 km/h et une humidité relative de 30 %, la perte d'eau par évaporation évaporation atteindra atteindra 3,5 L/h/m2