Rapport Pfe Daoudi

EVALUATION DE LA DUREE DE VIE DES OUVRAGES GENIE CIVIL DES ODIS

RESUME Ce rapport est le fruit d’un travail de fin d’étude, pour l’obtention du titre d’ingénieur d’état génie civil de l’école Hassania des Travaux Publics, élaboré au sein de SOGEA-MAROC, en partenariat avec LPEECASABLANCA, ayant pour objectif d’étudier la durée de vie des ouvrages génie civil des ODIs, dont la maitrise d’œuvrage revient à l’OCP et la maitrise d’œuvre à JESA.

Table des matières

1

Introduction : ................................................................................................................................... 8

2

Présentation des projets et de leurs environnements : ................................................................ 10

3

2.1

Présentation générale du projet ........................................................................................... 10

2.2

Classes d’expositions attribuées à ce projet : ....................................................................... 11

Phénomènes influant la durabilité des ouvrages étudiés ............................................................. 12 3.1

3.1.1

Les deux étapes de la corrosion : .................................................................................. 12

3.1.2

Mécanismes de la corrosion des armatures.................................................................. 13

3.1.3

Phénomènes inducteurs de la corrosion des armatures :............................................. 15

3.2

Alcali-réaction :...................................................................................................................... 18

3.2.1

Réaction alcali-carbonates : .......................................................................................... 19

3.2.2

Réaction alcali-silice: ..................................................................................................... 19

3.2.3

Réaction alcali-silicate : ................................................................................................. 20

3.3

Réaction sulfatique interne : (formation d’ettringite différée DEF) ..................................... 20

3.3.1

Généralité sur la réaction sulfatique interne : .............................................................. 20

3.3.2

Mécanisme d’expansion : .............................................................................................. 21

3.4 4

Corrosion des armatures ....................................................................................................... 12

Réaction sulfatique externe : ................................................................................................ 21

Etude de la conformité de la formulation du béton avec les aspects normatifs de durabilité :... 24 4.1

Dosage en ciment, rapport E/C et classe de résistance minimale : ...................................... 25

4.2

Vérification de la teneur maximale en ions chlorure : .......................................................... 25

4.3

Vérification vis-à-vis d’un développement d’une alcali-réaction : ........................................ 26

4.4

Prévention primaire de la réaction sulfatique interne .......................................................... 28

5 Moyens et les conditions de mis-en place retenus permettant d’assurer la durabilité des ouvrages ................................................................................................................................................ 29

6

5.1

Prévention contre l’attaque chimique .................................................................................. 29

5.2

Prévention contre l’attaque sulfatique externe : .................................................................. 29

5.3

La cure ................................................................................................................................... 29

5.4

Vibrations du béton ............................................................................................................... 32

5.5

Coffrage ................................................................................................................................. 34

5.6

Joints...................................................................................................................................... 35

Etude du risque du développement d’une réaction sulfatique interne........................................ 37 6.1

1 |P a g e

Définition du niveau de prévention ...................................................................................... 37

6.2 7

Approche performantielle ............................................................................................................. 40 7.1

Introduction générale............................................................................................................ 40

7.2

Essais de performance........................................................................................................... 42

7.2.1

Porosité accessible à l’eau : NF P18-459 ....................................................................... 42

7.2.2

Coefficient de diffusion apparent : NT BUILD 492 ........................................................ 42

7.2.3

Perméabilité accessible au gaz : Méthode AFREM........................................................ 43

7.3 8

Récapitulation des résultats .................................................................................................. 44

Calcul de la durée de vie de l’ouvrage vis-à-vis de la corrosion des armatures:........................... 47 8.1

Introduction à la méthodologie :........................................................................................... 47

8.2

Amorçage de la corrosion :.................................................................................................... 48

8.2.1

Temps d’amorçage de la corrosion, Ti :......................................................................... 48

8.2.2

Temps d’initiation à la corrosion par carbonatation : .................................................... 49

8.3

Formation de la fissuration : ................................................................................................. 49

8.4

Temps de propagation de la fissuration : .............................................................................. 51

8.4.1

Calcul de la durée de service Tservice : ............................................................................. 52

8.4.2

Calcul du temps d’éclatement du béton d’enrobage Téclat ............................................ 53

8.5

9

Calcul de Tmax ......................................................................................................................... 40

Synthèse des résultats : ......................................................................................................... 53

8.5.1

Temps d’initiation de la corrosion : ............................................................................... 53

8.5.2

Durée de service de l’ouvrage et le temps d’éclatement de son béton d’enrobage .... 55

Approche probabiliste : ................................................................................................................. 56 9.1

Définition de la méthodologie :............................................................................................. 56

9.1.1 9.2

Théorie de fiabilité :....................................................................................................... 56

Modèles prédictives de la durée de vie choisis pour notre ouvrage : .................................. 59

9.2.1

Définition des variables aléatoires : .............................................................................. 60

9.3

Valeurs limites retenus par les aspects normatives : ............................................................ 61

9.4

Récapitulation des résultats obtenus : .................................................................................. 62

9.4.1

Vis-à-vis de la corrosion des armatures par pénétration d’ions chlorure: .................... 62

9.4.2

Vis-à-vis de la corrosion des armatures par carbonatation : ........................................ 66

10 Conclusions et recommandations : ............................................................................................... 70 10.1

Conclusions : .......................................................................................................................... 70

10.2

Recommandations :............................................................................................................... 70

2 |P a g e

Liste des figures Figure 2-1 : vue en plan d’un site ODI .................................................................................................. 10 Figure 2-2 : hall de stockage .................................................................................................................. 11 Figure 3-1:dégradations par la corrosion des armatures ...................................................................... 12 Figure 3-2:diagramme de Tutti.............................................................................................................. 12 Figure 3-3: diagramme de Pourbaix du couple Fe/H2O ........................................................................ 14 Figure 3-4:mécanisme de corrosion des armatures .............................................................................. 15 Figure 3-5: mécanisme de la carbonatation.......................................................................................... 16 Figure 3-6:mécanisme de la corrosion des armatures par penetration d'ions chlorures .................... 18 Figure 3-7:augmentation de volume des produits d'oxydation de fer ................................................. 18 Figure 3-8:exemple de dégradation causée par la réaction sulfatique interne .................................... 21 Figure 3-9:Schéma simplifié des processus de détérioration du béton intervenant lors des attaques sulfatiques ............................................................................................................................................. 23 Figure 4-1:schéma des étapes à prendre pour accepter une formulation éliminant le risque de développement d'une alcali-réaction ................................................................................................... 28 Figure 5-1:determination de la vitesse d'évaporation en fonction de la température de l'air, l'humidité relative, la température du béton et la vitesse du vent ...................................................... 30 Figure 5-2:délai minimal de cure ........................................................................................................... 32 Figure 5-3:différence visuel en un béton vibré et un béton non-vibré ................................................. 32 Figure 5-4:vibrateur externe ................................................................................................................. 33 Figure 5-5:vibrateur de coffrage ........................................................................................................... 33 Figure 5-6:vibrateur surfacique ............................................................................................................. 34 Figure 6-1:Catégorie de l'ouvrage, issue du [Guide, 2004] ................................................................... 37 Figure 6-2:les classes d'expositions vis-à-vis de la réaction sulfatique interne .................................... 38 Figure 6-3:Le niveau de prévention contre la réaction sulfatique interne en fonction de la classe d'exposition attribuée contre ce phénomène, et de la catégorie de l'ouvrage .................................... 38 Figure 8-1:exemple de données météorologique d'ELJADIDA .............................................................. 46 Figure 9-1:représentation des étapes de performance d'un élément en béton armé ......................... 47 Figure 9-2:représentation de la pression uniformément répartie autour de la barre d'acier .............. 50 Figure 9-3:représentation schématique de la propagation de l'ouverture de la fissure due à la croissance de la rouille .......................................................................................................................... 51 Figure 10-1:schéma illustratif de la surface de l'état limite, le domaine de défaillance et le domaine de sécurité ............................................................................................................................................. 57 Figure 10-2: schéma illustratif de la différence entre l'approche de la surface de l'état limite par les méthodes, FORM et SORM ................................................................................................................... 59 Figure 10-3:diagramme d’évolution de l'indice de fiabilité en fonction du temps du béton F3 .......... 62 Figure 10-4:diagramme d’évolution de l'indice de fiabilité en fonction du temps des bétons F4 et F5, par risque de corrosion par pénétration d'ions chlorures .................................................................... 63 Figure 10-5:diagramme de l’évolution de l'indice de fiabilité en fonction du temps du béton F6, pour risque de corrosion par pénétration d'ions chlorure ............................................................................ 64 Figure 10-6:diagramme de l'évolution de l'indice de fiabilité en fonction du temps pour le béton F7, pour le risque de corrosion par pénétration d'ions chlorure ................................................................ 65

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Liste des tableaux Tableau 4-1:récapitulatif des formulations ........................................................................................... 24 Tableau 4-2:conformité du rapport E/C, classe de résistance, et dosage en ciment pour les formulations avec la norme206-1 ........................................................................................................ 25 Tableau 4-3: Les teneurs en chlorures dans les bétons ........................................................................ 26 Tableau 4-4:niveau de prévention contre l'alcali-réaction, en fonction du niveau d'exigence et du type d'environnement ................................................................................................................................... 27 Tableau 4-5:la teneur en alcalins équivalents dans les ciments utilisés ............................................... 29 Tableau 6-1:récapitulatif des températures maximales au cœur du béton pour les différentes formulations .......................................................................................................................................... 40 Tableau 8-1:les tensions et les durées du test à appliquer ................................................................... 43 Tableau 8-2:récapitulatif des résultats d'essais sur les différentes formulations de béton ................. 44 Tableau 8-3:les valeurs limites, pour les différents niveaux d'exigences ............................................. 45 Tableau 9-1:temps estimé pour l'initiation de la corrosion par carbonatation du béton d'enrobage . 53 Tableau 9-2:temps estimé de l'initiation de la corrosion par pénétration d'ions chlorures................. 54 Tableau 9-3:temps estimé pour l'initiation de la corrosion des armatures .......................................... 54 Tableau 9-4: Tableau récapitulatif de la durée de service des ouvrages par rapport à leurs bétons et les armatures du premier lit .................................................................................................................. 55 Tableau 10-1:tableau récapitulatif des densités de probabilités attribuées au différentes classes de béton ..................................................................................................................................................... 61 Tableau 10-2:Indice de fiabilité en fonction du temps du béton F3, pour le risque de corrosion par pénétration d'ions chlorure................................................................................................................... 62 Tableau 10-3:indice de fiabilité à l'ELS des bétons F4 etF5, pour le risque de corrosion par pénétration d’ions chlorure....................................................................................................................................... 63 Tableau 10-4:Tableau récapitulatif de l'indice de fiabilité en fonction du temps du béton F6, pour le risque de corrosion par pénétration d'ions chlorures........................................................................... 64 Tableau 10-5:tableau récapitulatif de l'indice de fiabilité en fonction du temps pour le béton F7 pour le risque de corrosion par pénétration d'ions chlorures ....................................................................... 65

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A ceux qui m’ont vu grandir, et ceux que je vois grandir

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Remerciement Je voudrais remercier d’abord Monsieur EL Othmani, directeur du CTR-CASABLANCA-LPEE, Monsieur Marchyllie, directeur général de SOGEA-MAROC ainsi que monsieur BAKHTI Mimoun de m’avoir honoré et accordé un stage de fin d’étude au sein de leurs organismes. Je tiens également à remercier Monsieur BERADA Noureddine, directeur d’exploitation génie civil à SOGEA-MAROC et Monsieur Abdelhafid FARHAT, directeur travaux des chantiers des ODIs, pour l’accueil chaleureux qu’ils m’ont dédié et pour l’intérêt qu’ils ont porté à mon sujet et mon travail. J’ai énormément de gratitude à l’égard de Monsieur Farhat, qui n’a fourni d’efforts pour que mon travail, au sein des chantiers qu’il dirige, soit le plus confortable possible. Ma reconnaissance s’adresse à Monsieur Errouaiti Simohammed, directeur du CSTC-LPEE, pour ses conseils pertinents, son omniprésence durant toute ma formation, son sens de l’écoute et ses qualités humaines qui font de lui mon idole, sur le plan technique, managérial et personnel. Quant à Monsieur Ait Al Aal, directeur du CEGT-LPEE, les mots semblent faire défauts lorsque je veux exprimer ma gratitude envers lui. On n’en verra pas une personne dont la quantité de travail est si infini, l’agenda est aussi chargé, et portant il n’en est pas de plus disponible, abordable, généreux de son savoir comme de son temps, ne ménageant ni sa gentillesse ni ses efforts. Je lui dois plus que beaucoup. Pour mon encadrant à l’école, Monsieur khaled Lahlou, il est difficile d’exprimer ma reconnaissance envers lui. Il n’offre aucune raison de se plaindre. Sans son encadrement bien reconnu d’efficace, je n’aurai pas avancé un pas dans ce sujet. Monsieur Lahlou est disponible autant qu’aimable, savant autant qu’investi. Les mots n’exprimeront guerre ma reconnaissance envers lui. J’adresse mes remerciements les plus distingués à Monsieur Fahd Elhssini, l’ingénieur qualité à SOGEA-MAROC, qui se chargeait de mon encadrement quotidien au sein de l’entreprise. J’ai beaucoup appris à ses côtés, en termes de rigueur, de culture scientifique et du chantier. Son sens de la communication, de l’humour et de la pédagogie sont loués par tous ceux qui ont eu l’occasion d’en profiter, et j’en fais partie. Je souhaite pouvoir dire qu’il a fait école. Ma gratitude s’adresse également à Monsieur Laghmam, mon encadrant au CTR-CASABLANCA LPEE, dont la bonne réputation a une très longueur d’avance sur lui. La confiance qui a donné à mon travail doit être louée, les conseils qu’il m’a attribués doivent être chaleureusement remerciés, et les explications scientifiques rigoureuses doivent être reconnues. Je vous remercie de tout mon cœur. Je tiens à remercier également Monsieur Boujad, un ingénieur au CEMGI-LPEE pour les conseils qu’il m’a attribués et le temps qu’il m’a réservé. Mes remerciements s’adressent également à Mr Erik Costandyan, un docteur chercheur en fiabilité des structures, pour son aide concernant l’approche probabiliste et les conseils précieuses qu’il m’a donnés.

Je remercie spécialement Abdelilah Lachkar, un technicien au sein du service qualité, Hicham Lamraichi et Mustapha Sebri, les responsables du laboratoire du CTR à Jorf Lasfar, Moueqqit 6 |P a g e

Mohammed, un chef chantier dans le même site, Maxence Caquant et Soufiane Miry, deux conducteurs travaux, pour leurs aides au quotidien, leur sens d’humour et leur contribution énorme pour que mon travail de fin d’études connaisse le jour. Je garderai un souvenir enjoué de ma période de stage dans les chantiers des ODIs et au Quai 1 du port de Jorf Lasfar. Mes remerciements s’adressent à toutes les personnes qui contribuent au bon fonctionnement et à l’ambiance chaleureuse qu’il règne dans ses lieux. Je ne peux les nommer tous, mais ceux vers qui se portent mes élans d’affection se reconnaitront bien. Certains de ceux que je veux remercier ne sont ni des collègues ni des encadrants. Ils sont des amis. Ceux qui ont supporté mes mauvaises humeurs, mon caractère difficile, et qui ont resté à mes côtés lors de mes réussites ainsi que mes échecs. Ce sont les compagnons du meilleur et du pire instants. Bendaoudi, Salah, Moutassir, Salah-eddine, Redouane, Youssef. Je tiens à remercier chaleureusement et sincèrement ma tante Samira, mon oncle Simohammed, et leurs enfants, pour les accueils chaleureux qu’ils me réservaient, et leur soutien et souci permanent qu’ils me dédiaient. Je dois des remerciements plus particuliers à mes familles AGGAD et SADNI, dont le soutien moral qu’ils m’accordaient m’a été d’un très précieux secours. A mes parents enfin, Je leur dois tout ce que je suis aujourd’hui. Je ne pourrais jamais leur rendre ce qu’ils m’ont apporté …

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1 Introduction : Le béton est aujourd’hui le matériau de construction le plus utilisé dans le monde. La simplicité de sa fabrication et de sa mise en place, son faible prix de revient et les performances mécaniques et de durabilité qu’il assure ont légitimé son utilisation pour réaliser les ouvrages les plus divers, notamment des bâtiments, des immeubles d’habitation, des ponts, des routes, des barrages, des centrales thermiques et nucléaires, etc. D’abord employé en complément ou en substitution de la pierre, le matériau a connu un réel essor dans son association avec l’acier dans le béton armé. La complémentarité, à la fois mécanique et chimique, entre ces deux matériaux, a permis de construire de façon économique et fiable les ouvrages nécessaires à toutes les activités humaines. Cependant, comme tout matériau, le béton vieillit. Il évolue avec le temps et finit par se dégrader.

Les besoins des hommes évoluent eux aussi avec le temps. Des bâtiments ou des équipements construits il y a seulement quelques dizaines d’années peuvent ne plus être adaptés aux besoins actuels et aujourd’hui démolis. Mais certains ponts construits il y a plusieurs siècles sont encore très empruntés. Toutefois, ce travail de fin d’étude est élaboré pour estimer la durée de vie des ouvrages génie civil construits par SOGEA-MAROC dans les sites des ODI Jorf-Lasfer. Pour cela, une compagne expérimentale a été menée en collaboration avec CTR (Centre Technique Régional de Casablanca) et CEGT (Centre d’Etude des Grands Travaux). Dans un premier temps, on présentera le projet ainsi que les classes d’expositions qui lui ont été attribué par le maitre d’œuvre. Ensuite on procèdera à une étude bibliographique sur les phénomènes qui influent la durabilité des structures dans notre cas. Dans la deuxième partie de ce travail, On commencera par l’étude de la conformité des formulations des bétons avec les spécifications normatives et les recommandations afin d’assurer leur durabilité. On passera ensuite aux techniques de mis-en-œuvre retenues assurant la durabilité de nos ouvrages. Par la suite, une étude de risque de développement d’une réaction

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sulfatique interne a été élaborée. Une étude estimative de la durée de vie vis-à-vis de l’attaque des sulfates a été menée.

Dans la troisième partie, on étudiera la durabilité du béton par le biais d’une approche performantielle ; d’abord, on choisira nos indicateurs de durabilités, et on mène une compagne d’essais sur nos bétons. Pour déterminer l’intervalle de temps dans lequel est l’âge de notre structure, par le biais du guide [AFGC, 2004]. Puis, on passera à un niveau plus supérieur de l’étude ; on fait intervenir des modélisations mathématiques permettant d’estimer le temps d’initiation de la corrosion des armatures, puisque tous les autres risques ont été éliminé, que ce soit dans la phase de l’étude de la formulation de béton, dans la phase de l’exécution ou indépendamment (cas des réactions sulfatiques, interne et externe). L’étude ne s’arrêtera pas là ; on mènera par la suite une étude du temps de l’ouverture de fissuration et de l’état limite de service de l’ouvrage. Enfin, on passera à l’étude la plus sophistiqué ; une approche probabiliste de la durabilité de l’ouvrage, par des modélisations des incertitudes liées aux différentes données, par des variables aléatoires et par le biais de la méthode de fiabilité des structures. La dernière partie de ce travail est consacrée à une conclusion générale et à des recommandations, comme retour d’expérience, sur lesquelles SOGEA-MAROC peut s’appuyer pour assurer, et la qualité de construction, et la durabilité des ouvrages.

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2 Présentation des projets et de leurs environnements : 2.1 Présentation générale du projet Le projet, nommé package 2, consiste en une réalisation génie civil des deux unités de production d’engrais phosphatés, pour le compte de l’OCP (Office Chérifien de Phosphate) et sous la maitrise d’œuvre de JESA (Jacobs engineering SA). Chiffres clés : 

Chiffre d’affaire

: 900 M Dhs HT



Béton

: 185 000 m³



Acier

: 20 000 TN



Excavation

: 330 000 m³



Remblais

: 200 000 m³



Nombre d’heure

: 3,2MHeures

Le projet comporte différentes zones récapitulés dans la figure 2-1.

Figure 2-1 : vue en plan d’un site ODI

Zone PAP (Phosphoroc acid plant :batiments industriels Zone DAP (Phosphate diammonique ) : batiments industriels Zone OSBL (Outside Battery Limit =Bâtiment support):

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2.2 Classes d’expositions attribuées à ce projet : La norme 206-1 définit 18 classes d’expositions regroupées par risque de corrosion (XS , XC, XD) et d’attaques, (XF et XA) (voir annexe 1 ) Dans notre cas, le maitre d’ouvrage a attribué aux zones PAP et DAP une classe d’exposition XC1 (définie comme étant la classe d’exposition XCA1 dans la norme marocaine NM 10.1.008), risque de corrosion par carbonatation. Pour la zone OSBL, la classe d’exposition XA1 (risque d’attaque chimique) lui a été attribuée.

Figure 2-2 : hall de stockage

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3 Phénomènes influant la durabilité des ouvrages étudiés 3.1 Corrosion des armatures L’acier et le béton forment un couple complémentaire dans lequel l’acier renforce les caractéristiques mécaniques du béton en traction et le béton protège physiquement et chimiquement l’acier de la corrosion. L’hydratation du ciment produit une solution interstitielle basique de pH élevé qui confère une protection chimique aux armatures noyées dans le béton. Cependant, la pénétration d’agents agressifs conduit à des désordres dans le béton d’enrobage protecteur de l’acier, provoquant ainsi une corrosion électrochimique d’armature conduisant à des fissurations, éclatement … etc. la figure2-1 illustre quelques dégradations causées par la corrosion des armatures.

Figure 3-1:dégradations par la corrosion des armatures

3.1.1 Les deux étapes de la corrosion : En termes de cinétique, la corrosion se manifeste suivant deux processus successifs schématisés dans la figure 3-2, par le diagramme de Tutti :

Figure 3-2:diagramme de Tutti

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



Une période d’amorçage(I), dite aussi période dormante, d’incubation ou d’initiation, durant laquelle la stabilité du système constitué par l’armature métallique noyée dans la matrice cimentaire du béton décroît progressivement et durant laquelle se créent les conditions favorables au développement de la corrosion. Cette étape peut être provoquée, soit par carbonatation du béton d’enrobage, soit par pénétration des ions chlorures. une période de propagation(II) durant laquelle on observe, en premier lieu, la formation de produits issus de la corrosion de l’armature. La corrosion, étant un phénomène électrochimique, comme on le verra plus loin, conduit à la formation d’oxydes et d’hydroxydes ferreux de volumes supérieurs à celui de l’acier sain( voir plus loin,Figure3.7). Ces produits entraînent des contraintes qui peuvent provoquer une fissuration parallèle à la direction des aciers corrodés ainsi qu’une diminution de l’adhérence acier/béton. De plus, on remarquera par la suite l’éclatement du béton d’enrobage.

Les désordres créés nuisent à l’aspect esthétique des ouvrages. En plus, ils contribuent à l’affaiblissement des capacités portantes des structures et diminuer la section d’armatures et l’adhérence acier/béton. La corrosion est reconnue comme étant homogène, dans le cas de la carbonatation, ou par piqûres (profondes) dans le cas d’une attaque par les chlorures lorsque la concentration en chlorures dans le béton dépasse un seuil « critique ». On notera qu’une corrosion homogène peut également être causée par une attaque d’ions chlorure, lorsque cette dernière est accrue.

3.1.2 Mécanismes de la corrosion des armatures

Pour mieux comprendre le phénomène de la corrosion, on commencera par expliquer le milieu du béton dans lequel se trouve les armatures. Lors des premiers instants du gâchage du béton à base de ciment portland, on peut mesurer un pH très basique de l’ordre de 13,5 à 14 dans le liquide interstitiel. Un des produit de l’hydratation est la portlandite Ca(OH)2, présent sous forme de cristaux légèrement solubles. Elle réagit avec les sulfates alcalins, toujours présents en quantité mineure dans le ciment, pour donner les hydroxydes correspondants : Ca(OH)2 + K2SO4 → CaSO4 + 2 KOH Ca(OH)2 + Na2SO4 → CaSO4 + 2 NaOH La présence d’une grande quantité de OH-, provenant des bases alcalines et de la chaux, est la cause d’un PH élevé du béton. En effet, la solution interstitielle s’enrichit progressivement en bases alcalines NaOH et surtout KOH, alors que la concentration en chaux décroît et devient négligeable à long terme.

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Grace à cette forte valeur de PH, une couche de rouille mince, d’épaisseur entre 10-3 et 10-1 µm se forme sur l’acier le protégeant de la corrosion. On dit que l’acier est passivé. La figure suivante, diagramme de Pourbaix du système Fe-H2O, montre les différents états d’équilibre en fonction du PH.

Figure 3-3: diagramme de Pourbaix du couple Fe/H2O

La corrosion est un phénomène électrochimique qui nécessite la présence de :  un oxydant et un réducteur :  un électrolyte : la solution interstitielle du béton  conducteur électrique pour créer un chemin de transport d’électrons : L’acier De là, on sous-entend deux réactions d’oxydo-réductions se produisent :  Une réaction anodique : d’oxydation du métal Fe → Fen+ + ne–  Une réaction cathodique : de réduction d’un oxydant présent dans la solution interstitielle .Deux cas se manifestent :  En absence d’oxygène : 2H2O + 2e– →2OH- + H2 14 |P a g e

2H3O+ + 2e– →2H2O + H2

 En présence d’oxygènes : O2 + 2H2O +4e– →4OHOu O2 + 4H3O+ + 4e– →6H2O Ces réactions principales d’oxydoréduction sont suivies des réactions secondaires de formation des produits de corrosion à la surface du métal: Fen+ + nOH– → Fe(OH)n 2 Fe(OH)n ↔ FexOy + H2O La figure 3-4 schématise le phénomène de corrosion d’armature dans le béton

Figure 3-4:mécanisme de corrosion des armatures

3.1.3 Phénomènes inducteurs de la corrosion des armatures : La corrosion des armatures dans le béton est induite par deux phénomènes :  

La carbonatation du béton par pénétration du dioxyde de carbone au béton. Pénétration des ions chlorure.

3.1.3.1 Carbonatation du béton : Dans ce cas, La dépassivation des armatures se fait dès que la profondeur de carbonatation atteigne l’épaisseur de l’enrobage. En effet, après pénétration du dioxyde de carbone gazeux à travers les pores ou par les fissurations dans le béton, une succession de réactions chimiques génère la carbonatation :

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 Dissolution de CO2 dans l’eau : CO2 + H2O↔H2CO3 H2CO3+ H2O ↔ HCO3– + H3O+ HCO3 + H2O ↔ CO32– + H3O+  Réaction de l’acide carbonate avec la portlandite, après sa dissolution: H2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 + 2H2O

La consommation de la portlandite, et la libération de H3O+ abaisse le PH jusqu’à des valeurs voisines de 9, ce qui déplace la stabilité de l’acier et impose sa dépassivation selon le diagramme de Pourbaix. La figure 3-5 illustre le mécanisme de carbonatation de la portlandite.

Figure 3-5: mécanisme de la carbonatation

En outre, les bases alcalines, présents dans le béton, peuvent se carbonater : H2CO3 + 2KOH → K2CO3 + 2H2O H2CO3 + 2NaOH → Na2CO3 + 2H2O

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La carbonatation des bases alcalines augmente la solubilité de la chaux qui peut alors se carbonater en plus grande quantité : K2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 + 2KOH Na2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 + 2NaOH Et donc, on aura davantage de la consommation de la portlandite et un abaissement donc du PH. 3.1.3.2 Pénétration des ions chlorure : Les ions chlorures sont un facteur important dans la dégradation des armatures du béton ; Ils pénètrent dans le béton d’enrobage, atteignent les armatures et ensuite amorcent la corrosion après le dépassement d’une concentration critique. Cette dernière est définie par le guide de l’AFGC [AFGC, 2004] sur la durabilité du béton par une valeur critique de [CL-]/[OH-] >0,6. D’ailleurs, ce résultat conduit à une concentration critique de 0,4% de la masse du ciment. La présence d’une phase liquide dans le béton est importante pour la pénétration des ions chlorure. En milieu saturé ou partiellement saturé, mais avec interaction de la phase liquide du béton poreux, les ions chlorure pénètrent dans le béton par diffusion. Cette dernière résulte de l’agitation aléatoire des ions soumis à des gradients de concentrations (entre la surface contenant des chlorures et le cœur du béton qui en est exempt). Lorsque la structure en béton est soumise à des cycles d’humidification/séchage (zone de marnage, exposition aux embruns ou aux sels de déverglaçage), les chlorures peuvent pénétrer dans le béton par absorption capillaire et migrer avec la phase liquide par convection au sein de la zone concernée par les cycles. Les chlorures migrent ensuite par diffusion dans les zones saturées. Les ions chlorures, qui pénètrent dans le béton d’enrobage, n’arrivent pas tous à destination des armatures ; une parties des ions chlorures interagissent avec la matrice cimentière : ils peuvent s’adsorber par les C-S-H ou réagir chimiquement avec la pâte du ciment pour donner de nouveaux produits (principalement la chloroaluminates de calcium). Ils sont appelés chlorures fixées ou liées. Les ions chlorures qui continuent leurs parcours sont nommées chlorures libres(Cb). Leur somme est nommée chlorures totaux(Ct). Ct=Cb+ C La corrosion induite par les ions chlorures est différente de celle provoquée par la carbonatation ; Elle n’est pas généralisée, mais elle est locale sous forme de piqure. La présence des ions chlorure, en une concentration suffisante (concentration critique), provoque la dissolution de la couche passive et une migration de celle-ci. On retient le récapitulatif des réactions chimiques. Fe + 3 Cl– →FeCl3– + 2e– FeCl3– + 2 OH–→Fe(OH)2 + 3 Cl–

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Les électrons libérés par la réaction d’oxydation se déplacent à travers le métal jusqu’aux sites cathodiques. Selon les réactions ci-dessus, le processus conduit à une diminution du pH par consommation de OH- et à un recyclage des ions chlorure. La figure3-6 illustre ce phénomène.

Figure 3-6:mécanisme de la corrosion des armatures par penetration d'ions chlorures

Les produits de corrosion différent, mais ils ont tous un volume supérieur de l’acier de base(figure3-7) , ce qui entraine une surpression sur le béton jusqu’à création de fissures et éclatement du béton d’enrobage par la suite.

Figure 3-7:augmentation de volume des produits d'oxydation de fer

3.2 Alcali-réaction : Nommée également la réaction alcali-granulat(RAG), l’alcali-réaction désigne un ensemble de réactions chimiques internes au béton impliquant certains types de granulats renfermant des espèces minérales qui peuvent se révéler comme potentiellement réactives au 18 |P a g e

contact de solutions riches en oxydes alcalinsNa2O et/ou K2O. Ces oxydes alcalins peuvent être d’origine interne (ciment, additions minérales, granulats, adjuvants, eau de gâchage) ou externe (sels de déverglace, par exemple). Ils se retrouvent dissous dans la solution interstitielle du béton. La réaction alcali granulat génère ainsi des gonflements nuisibles à l’état de service de l’ouvrage. On distingue trois types d’alcali réactions :  La réaction alcali-carbonate :  La réaction alcali-silicate :  La réaction alcali-silice :

3.2.1 Réaction alcali-carbonates : Contrairement aux autres formes d’alcali-réactions, aucune expansion causée par cette réaction n’a été révélée au Maroc ou en France. Néanmoins, On a constaté des dégradations causées par l’alcali-carbonate dans des zones hivernales rigoureuses dans les états unis et au Canada. Cette réaction correspond à la dedolomisation de calcaire dolomique qui renferme des impuretés phylitteuses. La dédolomitisation correspond à la réaction suivante : (Ca, Mg) (CO3)2 + 2 NaOH (aq.) → Mg (OH)2 + CaCO3 + Na2CO3 (aq.) (1) La solution alcaline est régénérée en permanence : Na2CO3 (aq.) + Ca(OH)2 → 2NaOH + CaCO3 (2)

3.2.2 Réaction alcali-silice: Certains granulats siliceux, lorsqu’ils sont constitués de silice amorphe, mal cristallisée ou microcristalline (par exemple des verres, de l’opale, de la calcédoine…) sont attaqués par la solution interstitielle qui occupe les pores du béton. La silice libérée réagit ensuite avec les alcalins Na+, K+ de cette solution interstitielle et l’on observe finalement, l’apparition de gels silico-alcalins s’ils renferment Si, Na (et ou K) ou calco-silico-alcalins s’ils contiennent, en plus, du calcium. Ces gels sont qualifiés de gonflants mais il s’agit là d’une simplification abusive : en effet, l’on constate que des phénomènes de gonflement se produisent dans le béton et qu’ils y provoquent des désordres, mais les mécanismes invoqués pour expliquer ces gonflements sont encore controversés. Jusqu’à l’instant, on admet, selon la modélisation de Coussy et la schématisation de Hornain, que le processus de dégradations se fait de la manière suivante : 1. diffusion des ions OH-, Na+ et K+ dans le réseau siliceux du granulat ; 2. pseudomorphose du granulat par un gel très visqueux, poreux ; 3. gonflement de cette région suivant un mécanisme de gonflement de corps poreux et début de microfissuration ; 4. dissolution de la silice et formation d’un sol silico-alcalin ; 5. gélification de ce sol au contact des ions Ca++ apportés par la portlandite : 6. dissipation du gel visqueux dans la pâte de ciment et propagation de microfissures sous l’action des poussées engendrées par ce gel. 19 |P a g e

3.2.3 Réaction alcali-silicate : La différence essentielle avec la réaction alcali-silice réside dans le fait que les granulats réactifs ne sont pas formés de silice libre mais sont des silicates variés (phyllo-silicates, tectosilicates, sains ou altérés). En ce qui concerne les produits de la réaction, on admet qu’ils sont voisins de ceux apparus dans la réaction alcali-silice; des études plus anciennes signalaient que l’on n’observe pas la production de gels siliceux.

3.3 Réaction sulfatique interne : (formation d’ettringite différée DEF) 3.3.1 Généralité sur la réaction sulfatique interne : Le guide de durabilité [Guide,2007], distingue trois types d’ettringites :  La première forme correspond à l’ettringite de formation primaire, un produit normal d’hydratation, qui résulte de la réaction de l’aluminate tricalcique C3A avec le régulateur de prise au cours de la prise du béton (gypse, hémihydrate, anhydrite) et qui est un produit normal de l’hydratation des ciments.  La deuxième forme correspond à l’ettringite de formation secondaire résultant soit de l’action directe de sulfates externes et pouvant générer de l’expansion, soit de la dissolution et recristallisation d’ettringite primaire ou d’autres formes préexistantes. Il s’agit, dans ce dernier cas, d’ettringite pouvant accompagner des phénomènes d’expansion, mais n’en étant pas à l’origine.  La troisième forme correspond à l’ettringite de formation différée : cette forme d’ettringite dont les conditions de formation sont très spécifiques, doit être distinguée des deux précédentes. C’est une réaction sulfatique interne, qui se provoque dans le béton durci, sans apport de sulfates externes, se manifestant par une élévation de température d’environ 65°C, causée soit par un traitement thermique inadapté, soit par une exothermie naturelle de la réaction d’hydratation. Les dégradations du béton par la RSI ne se manifestent qu’après plusieurs années, lorsque l’ouvrage atteint est soumis à un environnement humide ; Elles se manifestent par un réseaux de fissures multidimensionnelles, généralement situées dans les parties massives des ouvrages. L’ouverture de ces fissures peut varier de quelques dixièmes de millimètres à quelques millimètres. La figure 3-8 illustre le réseau de fissures dans un pile de pont atteint de la réaction sulfatique interne.

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Figure 3-8:exemple de dégradation causée par la réaction sulfatique interne

3.3.2 Mécanisme d’expansion : La DEF est une réaction endogène très complexe. Plusieurs auteurs ont élaboré des scénarios concernant la nature du mécanisme de gonflement et le détail de son enchaînement. Même si chaque approche a eu tour à tour ses défenseurs et ses détracteurs, l’ensemble des résultats accumulés jusqu’à maintenant reste un acquis important pour la connaissance de ce type de réaction. Les mécanismes exacts par lesquels la formation d’ettringite peut générer des pressions au sein du béton ne font donc pas encore l’unanimité. On retrouve dans la littérature, quatre mécanismes qui ont été proposés pour expliquer le gonflement induit par la formation d’ettringite, mais les deux suivantes restent les plus citées : - un gonflement par l’expansion uniforme de l’ettringite [TAYLOR, 1993], - un gonflement par la croissance cristalline de l’ettringite [DIAMOND, 1996].

3.4 Réaction sulfatique externe : Les phénomènes à l’origine de l’attaque sulfatique ne sont pas parfaitement bien connus ni maîtrisés. L’attaque sulfatique est associée à la précipitation de produits sulfatés secondaires, d’une expansion importante et de la détérioration chimio-mécanique (modifications des propriétés de transport de la porosité, fissures, perte de résistance et de cohésion,…). Ceci peut conduire à la ruine du matériau cimentaire, à plus ou moins long terme en fonction de l’attaque (nature, teneur et concentration des sulfates au contact) et du ciment utilisé (type et rapport eau/Ciment).

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Les mécanismes fondamentaux d‘altération des bétons par réactions chimiques, ainsi que leurs effet sont été représentés par la figure ci-dessous à d’aide d’un schéma proposé par [Mehta]. Ce schéma a été simplifié par [Planel,2002] pour se focaliser sur l’attaque sulfatique. Deux réactions y figurent, l’hydrolyse des hydrates de la pâte de ciment durci et les réactions entraînant la formation des produits expansifs (associés à l’Attaque au Sulfate de Sodium : ASSO). Néanmoins, les conséquences macroscopiques sont d’ordre mécanique : chute de résistance et de rigidité, fissuration et déformation du matériau et d’ordre physico-chimique : perte de résistance, modification de la porosité et des propriétés de transport et formation d’un hydrate expansif. L’attaque sulfatique externe se produit lorsqu’un matériau cimentaire se trouve en contact direct avec une source de sulfate, comme dans les sols, les eaux souterraines, les eaux d’infiltration, les pluies acides (acide sulfurique) liées à la pollution industrielle atmosphérique. Elle peut être décrite selon trois processus permettant d’évaluer l’agression :  Le transfert dans le milieu poreux des ions sulfates qui est contrôlé par la perméabilité et la diffusivité des matériaux,  Les réactions chimiques entre les composants de la pâte de ciment, qui dépendent du ciment utilisé, et de l’apport en ions SO42-,  Le phénomène d’expansion, résultant de la cristallisation de nouveaux hydrates La quantité de sulfates pouvant intervenir dans les réactions dépend de chaque source considérée : lieu, quantité, type

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Figure 3-9:Schéma simplifié des processus de détérioration du béton intervenant lors des attaques sulfatiques

L’intensité du mécanisme de l’expansion sulfatique va dépendre :  De la qualité du béton à savoir la composition du ciment, le mode de fabrication, la cure, l’état d’endommagement du béton avant l’attaque ;  De l’exposition sur le site à savoir la concentration en SO42- et sa distribution dans le sol, l’humidité, les opportunités de transport ;  Des conditions environnementales et atmosphériques à savoir les changements d’humidité, la fréquence des intempéries, la température, la surface exposée.

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4 Etude de la conformité de la formulation du béton avec les aspects normatifs de durabilité : L’assurance de la durabilité d’un ouvrage en béton armé passe essentiellement par la phase de formulation de béton. On étudiera dans cette partie du travail, la prise en compte des critères de durabilité lors de la formulation du béton. Les recommandations primaires sont celles exigés par la Norme européenne 206-1, ou son équivalent au Maroc NM 10.1.008. Les recommandations officielles, du laboratoire central des ponts et chaussées (LCPC), et du RILEM sont aussi des critères de base. On commencera d’abord par rappeler les formulations des bétons utilisés dans les sites des ODIs. Pour cela, on attribuera les notations F1,F2, à F7 pour nos bétons :

F1: BHN C16/20 CPJ 55 D25 S2 XC0 CL 0,40 F2: BPS C20/25 CPJ55 D25 S2 XC0 CL 0,40 F3: BPS C25/30 CPJ55 D25 S2 XCA1 CL 0,4 F4: BPS C30/37 CPJ55 D25 S2 XCA1 CL0,4 F5: BAP C30/37 CPJ55 D15 F6 XCA1 CL 0,4 F6: BPS C35/45 CPJ55 D25 S2 XM1 CL 0,4 F7: Ultra acceleré BPS C35/45 CPJ55 D25 S2 XM1 CL 0,4 Le tableau suivant récapitule les formulations des bétons utilisées : Tableau 4-1:récapitulatif des formulations

Sable SC-AOC GI-gravel GII-gravel CPJ55 lafarge BSK EAU TOTALE CER C20 OPTIMA 206 CHRYSLO XEL 650 FLU40 24 |P a g e

F1 370 550 440 600

F2 380 450 490 615

F3 345 550 570 500

F4 370 530 540 410

F5 390 547 830 0

F6 370 530 525 435

F7 370 520 560 440

220 180 0,88 -

270 175 1,08 -

310 170 -

370 187 1,48 -

440 195 11,8

400 180 -

380 170 3,8 -

-

-

4,65

-

-

4,8

7,6 -

4.1 Dosage en ciment, rapport E/C et classe de résistance minimale : Afin de préserver le béton des désordres d’ordres internes et des agressions du milieu extérieur, la norme 206-1 impose des recommandations sur le rapport E/C, la classe de résistance et le dosage minimal en ciment. Ces spécifications sont résumés dans le tableau de l’annexe I. Le tableau suivant récapitule les données :

Tableau 4-2:conformité du rapport E/C, classe de résistance, et dosage en ciment pour les formulations avec la norme206-1

E/C

Classe de résistance

Rapport E/C E/C max selon NF 206-1 Conformité Classe de résistance Classe de résistance minimale selon NF 206-1 Conformité

Dosage en ciment

Dosage en ciment Dosage minimal en ciment recommandé par la NF 206-1 Conformité

XC0 Cl 0,40 F1 F2 0,75 0,6

XC1 0,40 F3 F4 0,51 0,47

F5 0,43

XA1 Cl0,40 F6 F7 0,42 0,42

O

0,65 O

0,65 O

0,65 O

0,55 O

C16/20 C20/25

C25/30

C30/37

C30/37 C35/45

C35/45

C12/15 C12/15

C20/25

C20/25

C20/25 C30/37

C30/37

O

O

O

O

O

O

O

220

270

310

370

440

400

380

O

O

300 O

330 O

330 O

330 O

330 O

O

0,55 O

4.2 Vérification de la teneur maximale en ions chlorure : La norme 206-1, dans son article 5.2.7, définit que la teneur maximale en ions chlorure ne doit pas dépasser 0,4% par rapport à la masse du ciment, pour les armatures ne subissent pas une depassivation .Elle se calcule par bilan des ions chlorures, apportés par tous les constituants 25 |P a g e

du béton. Le tableau suivant récapitule les résultats pour les différentes formulations de bétons utilisées dans les ouvrages des ODI.

Tableau 4-3: Les teneurs en chlorures dans les bétons

F3 Teneur en chlorures, dans les bétons, par rapport à la masse du ciment Teneur en chlorures maximal selon la norme EN 206-1 Conforme

O

F4

F5

F6

F7

0,09%

0,08%

0,07%

0,08%

0,08%

0,40%

0,40%

0,40%

0,40%

0,40%

O

O

O

O

En conclusion, toutes les formulations de béton utilisées dans le site des sites des ODIs sont exempt d’une dépassivation d’armatures par excès d’ions chlorures dans le béton.

4.3 Vérification vis-à-vis d’un développement d’une alcali-réaction : La qualification d’une formulation de béton vis-à-vis de l’alcali-réaction est présentée dans la norme NF 18-454: En effet, on y classifie les granulats selon trois catégories :  NR (non réactifs) : réactivité très faible, quelle que soit leurs conditions d’utilisations, ces granulats ne conduiront pas à des désordres vis-à-vis de l’alcali-réaction  PR (potentiellement réactifs) : réactivité importante, ces granulats sont susceptibles, dans certaines conditions, de conduire à des désordres par alcali-réaction.  PRP (réactif à effet pessimum) : très forte réactivité uniquement dans certaines conditions. En dépit de ceci, ils peuvent être utilisés sans risque de désordres si leur mise en œuvre satisfait à certaines conditions.

Pour la prévention vis-à-vis de la réaction alcali-granulats, trois niveaux de préventions sont prédéfinis dans les recommandations ; niveau A, B et C. On tient compte dans la définition du niveau de prévention, de la catégorie de l’ouvrage et de l’environnement auquel il est soumis.

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Le tableau suivant, récapitule ces niveaux de préventions : Tableau 4-4:niveau de prévention contre l'alcali-réaction, en fonction du niveau d'exigence et du type d'environnement

La durée de vie de notre ouvrage est 50 ans. Il faut choisir entre le niveau A et le niveau B ; Pour des raisons de sécurité, on choisit de prendre un niveau de prévention B. Les étapes à prendre pour accepter une formulation de béton sont développées dans le guide de l’AFGC 2004. La figure 4-1 illustre ces étapes, selon le niveau de préventions :

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Figure 4-1:schéma des étapes à prendre pour accepter une formulation éliminant le risque de développement d'une alcali-réaction

Les granulats utilisés dans nos ouvrages sont qualifiés comme non-réactifs(NR) selon la classification de la NF P18-454. Donc, il n’y a pas risque de développement de réaction alcali-granulat.

4.4 Prévention primaire de la réaction sulfatique interne Selon les résultats du congrès de la RILEM sur la réaction sulfatique interne, tous les chercheurs ont été unanimes sur le rôle des alcalins comme facteur important du développement de la DEF, et de la valeur finale d’expansion .Ils ont montrés qu’une augmentation des alcalins combinée par l’effet d’une augmentation de la température conduit à une solubilité d’ettringite plus élevée ; les teneurs en alcalins équivalent ne doivent pas être supérieures à 1% dans les ciments utilisés. Le tableau suivant récapitule la teneur en Na2Oeq des ciments utilisés dans les bétons des ouvrages des ODI.

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Tableau 4-5:la teneur en alcalins équivalents dans les ciments utilisés

Na2Oeq dans le ciment utilisé

0,92%

La condition primaire est donc satisfaite. A titre informatif, le reste de l’étude du risque du développement d’une réaction sulfatique interne dans nos ouvrages fera l’objet du paragraphe 6.

5 Moyens et les conditions de mis-en place retenus permettant d’assurer la durabilité des ouvrages 5.1 Prévention contre l’attaque chimique Pour lutter contre les attaques chimiques qui peuvent s’avérer dans les zones « Clarification », « concentration » et « FSA », on a opté pour des revêtements antiacides. En effet, les caniveaux de ces zones sont revêtues par des briques antiacides, et le reste, compris les voiles et les dallages, sont couverts d’une chape antiacide. L’exécution des briques antiacide est en cours, alors que l’application de la chape ne prendra place qu’en fin de travaux.

5.2 Prévention contre l’attaque sulfatique externe : Le risque de développement d’une réaction sulfatique externe se montre dans les bétons d’ouvrages enterrés comme les semelles des ouvrages et les longrines. Les sulfates dans le sol, comme mentionné précédemment, s’altère dans le béton après dissolution. Toutefois, pour la prévention de ce risque, on opte pour un recouvrement de ces parties d’ouvrage par une peinture bitumineuse imperméable à l’eau, jusqu’à une hauteur de 1m du niveau des sols. Cette solution n’est pas durable, cependant, le maitre d’ouvrage confirme qu’il n’ y a pas risque.

5.3 La cure La réaction chimique d’hydratation nécessite une quantité d’eau suffisante ainsi que des conditions appropriées de températures pour permettre au béton d’atteindre la résistance et la durabilité spécifiée. Une cure inexistante ou inadéquate peut entrainer des fissurations et affecter, et la durabilité de l’ouvrage et ses propriétés mécaniques et physiques. En effet, la cure a une forte influence sur les propriétés du béton durci. Les surfaces exposées des dalles y sont particulièrement sensibles puisque c’est la qualité des premiers millimètres de béton qui protège les ouvrages des agressions. 29 |P a g e

Négliger la cure d'un béton apparent, c'est exposer celui-ci à des dommages esthétiques et mécaniques, dont la correction coûtera bien davantage - en temps et en argent - qu'une cure correctement exécutée. La cure des surfaces de béton exposées doit débuter immédiatement après les opérations de finition. Pour évaluer le taux d’évaporation de l’humidité dans les surfaces de béton couverte d’eau, on utilise l’abaque de la figure ci-dessous. Lorsque l'évaporation de l'humidité superficielle est supérieure à 1 kg/m2.h, des mesures supplémentaires pour la protection du béton lors de la mise en place doivent être prises.

Figure 5-1:determination de la vitesse d'évaporation en fonction de la température de l'air, l'humidité relative, la température du béton et la vitesse du vent

Le béton doit être protégé des pertes d’humidité à la surface, que celles-ci soient causées par le vent ou par le séchage dû à une température suffisamment élevée. La cure est appliquée, dans tout élément de notre ouvrage, juste après son compactage, d’une manière continue est homogène.

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Il existe différents types de cure :  Cure à l’eau :  L’arrosage continuel : qui constitue une cure excellente s’il n’y a pas de risque de gel  L’immersion de la pièce : Elle supprime tout risque de dessiccation ou de défaut d’hydratation. L’eau ne devant pas être beaucoup plus froide que le béton pour éviter de provoquer des contraintes trop importantes donc des risques de fissuration par gradient thermique.  L’utilisation de toiles, paillassons, tous revêtements absorbant : est possible, mais il vaut veiller à ce que ce soit propre. La fréquence de ré humidification de la couverture diminue lorsque la rétention d’eau augmente.

 L’usage de matériaux fins humides (sable) tout en vérifiant qu’il ne contienne pas de substance pouvant retarder la prise du ciment.

 La cure par des matériaux d’étanchéité :  L’usage de produit de cure : conformément aux normes NF 18-370 et NF 18- 371, consiste à former à la surface un film s’opposant à la dessiccation. Avec le temps de séchage rapide, ces produits offrent une protection efficace jusqu’à 3 à 4 semaines.  L’usage de feuilles étanches : tel un film plastique, appliqué à la surface humide du béton frais, et doit recouvrir toutes les surfaces exposées du matériau, puis lesté de manière à rester au contact pendant toute la durée de cure.  Le maintien des coffrages en place permet d’éviter une grande évaporation à la surface du béton, une fois le béton est coulé.

Pour le choix de la cure utilisée sur site, on a opté, dans la plupart des cas, pour une cure humide à l’eau par arrosage continuel, sauf sous demande du client, vu le degré d’humidité du milieu et les conditions climatiques. La durée de l’application de la cure dépend nécessairement de de la température à la surface du béton frais, et du développement de la résistance du béton. Pour déterminer la durée d’application de la cure dans un élément d’ouvrage dans les chantiers des ODIs, on se basait sur les recommandations du fascicule 65, résumées dans le tableau suivant :

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Figure 5-2:délai minimal de cure

Des précautions particulières sont à prendre lorsque les éléments sont conservés en ambiance chaude (T > 25°C) ou froide. En revanche, des conditions ambiances humides (H.R >80% et une vitesse du vent inférieur à 30km/h) assurent des conditions de cure satisfaisantes pour le béton, selon le fascicule 65.

5.4 Vibrations du béton La vibration appliquée au béton frais a pour fonction de favoriser l’arrangement des grains dans le béton. Elle a un double rôle : faciliter le remplissage des moules, enrobage des armatures, et présenter une compacité plus forte du béton. En effet, la vibration transmise au béton se traduit par un déplacement alternatif rapide des grains, munis d’une faible amplitude, ce qui se traduit par une insertion des grains les plus fins entre les plus gros. Grace à la vibration, l’air tend à remonter vers la surface extérieure. A l’état durci, le béton présente ainsi une porosité réduite par l’effet de serrage et une protection d’armatures efficace.

Figure 5-3:différence visuel en un béton vibré et un béton non-vibré

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Il existe deux grandes familles de vibrateurs : les vibrateurs internes et les vibrateurs externes.  Les vibrateurs internes, illustrés dans la figure ci-dessous, nommés également aiguilles vibrantes, les plus couramment utilisés sur chantiers, constitués par un tube métallique dans lequel la rotation d’une masselotte excentrée produit la vibration. Ils diffèrent par leur énergie de fonctionnement : pneumatique, électrique, mécanique et thermique.

Figure 5-4:vibrateur externe

 Les vibrateurs externes : Ils se décomposent en vibrateurs de coffrages et vibrateurs de surface. On les utilise que pour les faibles et moyennes épaisseurs ; le premier mode est réservé pour les pièces dont l’épaisseur ne dépasse pas 25 cm, alors que le deuxième mode trouve sa limite pour une épaisseur de 20cm au maximum.

Figure 5-5:vibrateur de coffrage

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Figure 5-6:vibrateur surfacique

Dans notre ouvrage, on a opté, pour la plupart des cas, pour une vibration par aiguille vibrante, grâce à sa fiabilité pour tous les types de structures, et sa qualité de vibration supérieure à celle d’une vibration surfacique. Cependant, on avait dans l’ouvrage des parties avec un ferraillage compact, avec la présence de tiges d’encrage dont le déplacement était intolérable. Pour cette raison, on a utilisé dans ces cas, des bétons ultra-fluides pour éliminer tout risque de déplacement ou manque de compactage par une vibration.

5.5 Coffrage

La peau du béton est le premier élément par lequel pénètrent les agents agressifs au béton tel que le dioxyde de carbone et les ions chlorures. Ainsi, elle doit être suffisamment résistante à ces derniers, surtout qu’on est placé dans un milieu marin. Pour remplir cette fonction, on doit opter pour un coffrage adéquat. Différents types de coffrages sont disponibles sur le marché ; des coffrages en bois, métalliques et plastiques. Pour choisir le type de coffrage à utiliser sur chantier, on s’appuyait, en addition des critères de durabilité du béton, sur les critères suivant :

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 Indéformabilité et stabilité : Un coffrage doit être indéformable sous l’effet de la poussée du béton (qui varie généralement de 2 à 6 t/m²) ou lors de la vibration (dont les valeurs de la pression dépendent du mode de vibration et du matériel utilisé). Le respect des tolérances dimensionnelles de l’ouvrage dépend directement de ce critère.  Etanchéité : un coffrage est constitué par la juxtaposition de panneaux ou d’éléments ; l’absence d’étanchéité aux joints a pour effet de laisser passer l’eau ou la laitance du béton, ce qui provoque sur le parement des défauts d’aspect, et parfois à la dessiccation du béton : hétérogénéité de texture et de teinte, nid de cailloux. Pour les surfaces destinées à être apparentes, l’étanchéité des coffrages doit être particulièrement soignée.  Etat de surface : Un coffrage est le négatif de l’ouvrage ; tout défaut de surface se trouvera donc sur le parement de l’ouvrage.

Dans le cas de notre ouvrage, on utilisait des coffrages bois minces dans les ODIs, et des coffrages métalliques dans le chantier du port. Lors de la préparation du coffrage, on tenait à vérifier l’étanchéité, le nettoyage et la préparation de surface en éliminant toute trace de béton déjà adhérent.

D’une autre part, pour éliminer le risque d’adhérence entre béton et coffrage lors du décoffrage, on utilise des produits de décoffrage.

5.6 Joints La maitrise de la fissuration est une condition nécessaire pour assurer la durabilité des ouvrages en béton armé. En effet, la présence de fissures dans le béton facilite la pénétration d’agents agressifs dans ce dernier. A titre d’exemple, le coefficient de diffusion apparent peut augmenter de dix fois lorsque le béton est fissuré, ce qui cause une diminution de la durée de service de l’ouvrage. Afin de minimiser le risque de fissurations causées par les variations dimensionnelles du béton, il est nécessaire d’utiliser les joints sur nos chantiers, pour :  Présenter des plans de dissipations de contraintes internes au béton, afin de minimiser la fissuration aléatoire (joints de retrait)  Prévoir les liaisons indésirables afin d’accommoder les mouvements différentiels des éléments de construction adjacents (joints de désolidarisation)

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Les différents types de joints qu’on a utilisé se partagent entre :  Joints de désolidarisation : comme cité précédemment, nommés aussi joints d’expansion, sont des joints qui permettront les mouvements différentiels, horizontaux et verticaux des parties contiguës d’une structure. Ils sont généralement faits :  Le long des murs de fondations  Autours des têtes de puisards et de regards  Autour des périmètres des dalles sur sol Lors de l’exécution et de ses contrôles, on s’assurait que les surfaces en contact avec la structure avoisinante sont désolidarisées sur toute la profondeur afin d’éviter que les mouvements différentiels causent de la fissuration. Le matériau compressible utilisé dans le joint doit avoir une épaisseur variant de 6 à 13 mm.  Joints de retrait : appelés aussi joints de contrôle, de rupture ou de contraction, conçus essentiellement pour dallage, servent à relâcher les tensions internes du retrait au séchage et du mouvement thermique du béton, ils sont donnés sur les plans d’exécution élaborer par le bureau d’étude, à base d’un calcul conforme au DTU 13.3. La première solution pour laquelle on a opté est d’insérer dans le béton frais des profilés en plastique qui demeurera dans le béton après son durcissement pour assurer l’étanchéité. Une deuxième solution consiste à une procédure de sciage du béton qui vient de durcir (entre 6 et 48 heures après le bétonnage, selon les conditions climatiques), sur une profondeur allant de 1/3 à ¼ de l’épaisseur du dallage.  Joints de dilatation : Ce sont des joints qui divisent un ouvrage en plusieurs parties indépendantes de dimensions limitées, pour permettre leur dilatation, sans causer de soulèvements (dallages) ou de fissuration diffuse (murs, parois, voiles). Ils sont constitués d’une fourrure en matériau imputrescible et compressible de 10 à 20 mm d’épaisseur, collée sur les faces en regard des parties à séparer. Leur espacement peut varier de 25 à 40m linéaire et ils coïncident le plus souvent avec les joints de construction.  Joints de construction : Ils sont employés lors d’un arrêt prolongé de bétonnage ; sur le chantier, on a utilisé des joints goujons lisses conformément aux plans fournis par le maitre d’ouvrage.

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6 Etude du risque du développement d’une réaction sulfatique interne 6.1 Définition du niveau de prévention Avant de commencer l’étude, il faut définir le niveau de prévention contre la RSI. On donne, dans le tableau suivant, un exemple d’ouvrages et partie d’ouvrage classé par catégorie, selon [Guide, 2004] :

Figure 6-1:Catégorie de l'ouvrage, issue du [Guide, 2004]

Vu l’importance de l’ouvrage, son impact sur l’économie du pays, sa difficulté de réparation et l’impossibilité de son remplacement durant sa durée de vie, on se situe dans la catégorie 3. Cependant, il reste à déterminer la classe d’exposition de l’ouvrage vis-à-vis de la réaction sulfatique interne ; aucune spécification dans la norme 206-1 ne traite ce sujet. On se réfère alors au tableau ci-dessous,

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Figure 6-2:les classes d'expositions vis-à-vis de la réaction sulfatique interne

La classe d’exposition la plus significative dans notre cas est XH2.

Pour la prévention de la RSI, il existe trois niveaux défini dans le guide : As, Bs, Cs et Ds . Sa détermination se fait à l’instar des niveaux d’expositions et des classes d’expositions selon le tableau suivant :

Figure 6-3:Le niveau de prévention contre la réaction sulfatique interne en fonction de la classe d'exposition attribuée contre ce phénomène, et de la catégorie de l'ouvrage

Le niveau de prévention qu’on doit élaborer correspond au niveau Cs. 38 |P a g e

Le principe de l’étude préventive repose essentiellement sur la limitation de l'échauffement du béton caractérisé par la température maximale Tmax susceptible d'être atteinte au sein de l'ouvrage et, le cas échéant, par la durée de maintien d'une température élevée. Pour ce niveau de prévention, le risque vis-à-vis de la réaction sulfatique interne doit être pris en compte par une des deux précautions suivantes :  La température maximale atteinte dans le béton doit rester inférieure à 70 °C.  Si la température maximale atteinte dans le béton ne peut rester inférieure à 70 °C, alors elle doit rester inférieure à 80 °C et au moins une des six conditions suivantes doit être respectée : 1) le traitement thermique est maîtrisé*, la durée de maintien de la température du béton au-delà de 70 °C ne doit pas excéder 4 heures et les alcalins équivalents actifs du béton doivent être en quantité inférieure à 3 kg/m3. (La durée de maintien est définie comme la période pendant laquelle la température est supérieure à 70 °C) ; 2) utilisation d'un ciment conforme à la norme NF P 15-319 (ES) avec, dans le cas des CEM I et CEM II/A, une limitation à 3 kg/m3 de la teneur en alcalins équivalents actifs du béton ; 3) utilisation de ciments non conformes à la norme NF P 15-319 (ES) de type CEM II/B-V,CEM II/B-S, CEM II/B-Q, CEM II/B-M (S-V), CEM III/A ou CEM V, ciments dont la teneur en SO3 ne doit pas excéder 3 %, et fabriqués à partir d'un clinker dont la teneur en C3A ne doit pas excéder 8 % ; 4) utilisation, en combinaison avec du CEM I, de cendres volantes conformes à la norme NF EN 450-1, de laitiers de haut fourneau moulus conformes à la norme NF EN 15167-1, ou encore de pouzzolanes naturelles calcinées (norme française en préparation). La proportion d'addition doit être d'au moins 20 % sous réserve de respecter les exigences des normes (en particulier la norme NF EN 206-1). Le CEM I utilisé doit respecter les exigences suivantes : C3A (rapporté au ciment) ≤ 8 % et SO3 ≤ 3 % ; 5) vérification de la durabilité du béton vis-à-vis de la RSI à l'aide de l'essai de performance et par la satisfaction aux critères décisionnels ; 6) pour les éléments préfabriqués, le couple béton/échauffement envisagé est identique ou analogue à un couple béton/échauffement disposant d'au moins cinq références d'emploi satisfaisantes dans des lieux différents**. Cette analogie devra être justifiée par une documentation satisfaisante et devra être approuvée par un laboratoire indépendant expert en RSI.

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6.2 Calcul de Tmax Pour le calcul de Tmax (au cœur de la pièce), on s’appuiera sur la méthode développé par le LCPC, publié dans le [Guide, 2004], dans son annexe V :

Tableau 6-1:récapitulatif des températures maximales au cœur du béton pour les différentes formulations

F4

F5

F6

F7

∆T( °C)

48

46

48

45,5

Tfrais (°C)

21

20

20

22

T (°C) au cœur de la pièce

69

66

68

67,5

Puisqu’on avait beaucoup d’éléments d’ouvrages, j’ai calculé selon le cas le plus défavorable selon les épaisseurs de la pièce, et en prenant le maximum des températures pour chaque cas de béton, pris des rapports du laboratoire externe de SOGEA. On conclut donc, qu’il n’y a pas risque de développement d’une réaction sulfatique interne dans notre ouvrage.

7 Approche performantielle 7.1 Introduction générale Les méthodologies mises en œuvre afin de maîtriser la durabilité des ouvrages en béton peuvent revêtir quatre niveaux de complexité : – le niveau 1 correspond à une approche prescriptive essentiellement basée sur des obligations de moyens ; – le niveau 2 repose sur l’utilisation d’indicateurs de durabilité ou d’essais de performance ; à ce stade, la durée de vie n’est pas encore quantifiée ; – le niveau 3 implique l’utilisation de modèles de durabilité déterministes ; – le niveau 4 correspond à l’utilisation de modèles probabilistes

L’approche performantielle consiste à appréhender la durabilité des bétons en considérant non pas les seules données liées à la formulation mais certaines caractéristiques ou propriétés du matériau dont on sait qu’elles présentent un intérêt pour prévoir l’évolution de celui-ci lorsqu’il est exposé à des conditions environnementales données. Différents concepts sont aujourd’hui développés afin de pouvoir mettre en œuvre une approche performantielle de la durabilité. Les deux principaux concepts correspondent, d’une part, à la méthode basée sur 40 |P a g e

des indicateurs de durabilité et, d’autre part, au système reposant sur l’utilisation des essais de performance. Notons que ces concepts ne sont pas opposés ni contradictoires, mais bien au contraire très complémentaires.[Durabilité du béton,2007] Dans le cadre de ce projet, on travaillera par l’approche performantielle développée par l’AFGC (Association Française du Génie Civil),[AFGC,2004]

 Les indicateurs de durabilités : On choisit d’abord les indicateurs de durabilité pour le cas de notre ouvrage : On distingue trois types d’indicateurs de durabilité :     

 Les indicateurs de durabilité généraux : porosité accessible à l'eau, coefficient de diffusion (apparent ou effectif) des ions chlorure, perméabilité aux gaz, perméabilité à l'eau liquide, teneur en portlandite Ca(OH)2.  Les indicateurs de durabilité spécifique à l’alcali-réaction :

On distingue deux types d’indicateurs de durabilité spécifique à l’alcali-réaction, des indicateurs chimiques, et des indicateurs globaux et macroscopiques. • Des indicateurs chimiques :  quantité de silice libérée par les granulats en fonction du temps (cinétique),  concentration en alcalins équivalents (Na2Oéq.) actifs de la solution interstitielle (où Na2Oéq.] = [Na2O] + 0,658 · [K2O]). • Des indicateurs globaux et macroscopiques :  Des indicateurs sur le béton durci déformations de gonflement d'éprouvettes en béton ("essai de performance" d'une formule de béton vis-à-vis de l'alcali-réaction, faisant l'objet de la norme NF P 18-454 [24]).  Les indicateurs de substitution : On trouve parmis ces indicateurs      

porosité accessible au mercure , résistivité électrique , quantité d'électricité selon l'essai AASHTO (norme ASTM C 1202 ), coefficient de diffusion du CO2 ou de l'O2 , coefficient de diffusion de l'eau tritiée, coefficient d'absorption capillaire.

La détermination de paramètres complémentaires aux indicateurs précédemment définis peut être requise par la méthode choisie pour l'évaluation de certains des indicateurs, ou lorsque ces

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paramètres figurent comme données d'entrée d'un modèle prédictif, ou de façon plus générale, pour aider à l'interprétation, voire à la prévision de la durabilité.  Les indicateurs de durabilités retenus dans nos ouvrages : Dans le cas de nos projets, en tenant compte de l’environnement marin et de la présence du dioxyde du carbone dans l’air, on a choisi de travailler avec les indicateurs suivant :   

Porosité accessible à l’eau : Parce que la porosité est l’élément de premier ordre qui agit sur la durabilité des ouvrages en béton armé. Coefficient de diffusion apparent : parce qu’on est placé dans un milieu marin, ou il y a risque de corrosion des armatures par pénétration d’ions chlorures. Perméabilité accessible au gaz : parce qu’on des risque de corrosion des armatures par carbonatation.

7.2 Essais de performance La détermination de ces paramètres s’effectue par le biais des essais de laboratoires normalisés, sur des éprouvettes âgés de 90 jours. Cet âge est recommandé dans le guide [AFGC, 2004], dans son paragraphe 7.2.6.

7.2.1 Porosité accessible à l’eau : NF P18-459 La mesure de la porosité accessible à l’eau du béton durci implique la détermination par pesées des :  masse apparente dans l’eau après immersion dans l’eau (pesée hydrostatique) d’un corps d’épreuve de béton préalablement imprégné à l’eau 1) sous vide ;Meau  masse dans l’air libre du même corps d’épreuve imbibé ; Mair  masse à l’état sec ; Msec La porosité accessible à l’eau est alors calculée à partir de la relation suivante :

7.2.2 Coefficient de diffusion apparent : NT BUILD 492

Cet essai nécessite une cellule à double compartiment, sachant que différents dispositifs expérimentaux sont utilisables. Les principales adaptations portent sur l’utilisation de NaOH dans la solution est une concentration plus modérée en NaCl . Un potentiel électrique externe est appliqué à travers l’échantillon et force les ions chlorures à migrer dans l’échantillon. Après une certaine durée du test, l’échantillon est découpé parallèlement à son axe. Une coupe est recouverte d’une solution de nitrate d’argent afin de déterminer la distance de pénétration des 42 |P a g e

ions chlorures (précipitation d’AgCl2). Et à partir de cette profondeur, le coefficient de diffusion est calculé par la relation suivante : Dnssm 

0,0239 273  T   L   xd  0,0238 U  2  t 

273  T   L  xd U 2

   

Avec : Dnssm : Coefficient de diffusion en régime non stationnaire en 10-12 m2/s T : température moyenne des températures initiales et finales en °C L : Epaisseur de l’échantillon en mm U : Tension appliquée en V Xd : Valeur moyenne de la pénétration des chlorures en mm t : Durée du test en heures Tableau 7-1:les tensions et les durées du test à appliquer

Courant initial en mA

Tension appliquée U

Durée du test t

(Avec 30V)

(après ajustement) en V

en h

I0