Causes et prévention des altérations du béton : Ségrégation / Fissuration et retrait

19 Août 2019
 

Ségrégation

Les diverses formes de ségrégation

La ségrégation est une séparation des constituants du béton frais qui peut se produire chaque fois que celui-ci est transporté ou mis en mouvement (déchargement, pompage, mise en place, compactage) ou simplement sous l’effet gravitaire quand le béton est en repos.

La ségrégation a toujours des conséquences impor-tantes sur l’aspect du béton et le plus souvent aussi sur sa résistance et sa durabilité. Elle peut résulter d’une séparation entre :

  • les différentes fractions granulaires
  • les granulats et la pâte de ciment
  • les fines et l’eau de gâchage.

Parmi les formes les plus courantes de ségrégation, il faut mentionner :

  • les "nids de gravier" : concentrations locales de gros granulats (fig 4.1.1)
  • les "remontées d'eau", appelées aussi "veines de sable" : eau séparée ou excédentaire remontant le long desfaces verticales lors du compactage (fig 4.1.2)
  • le "ressuage" : accumulation d’un excédent d’eau surles surfaces horizontales du béton, il en résulte dessurfaces irrégulières, farineuses ou poreuses (fig 4.1.3)
  • les "micro-ségrégations" (ciment/fines) sont souventplus gênantes pour l’œil que pour la qualité (fig 4.1.4).

 

Causes

Les causes principales des divers types de ségréga-tion sont les suivantes :

  • consistance trop fluide du béton frais
  • dosage excessif du plastifiant ou du superplastifiant
  • mise en place incorrecte du béton (vibration exagérée, absence de tube pour des hauteurs de chute élevées, déversement du béton contre un coffrage vertical (fig 2.7.2))
  • formulation inadéquate du béton (mauvaise re-composition des fractions granulaires, dosage enfines insuffisant, dosage en eau excessif )
  • Dimension des granulats trop importante par rapport aux dimensions de l'élément à béton-ner et à l'épaisseur d'enrobage des armatures (fig 2.1.3)
  • temps de malaxage trop court
  • mauvaise étanchéité des joints de coffrage, pertes de laitance (effet de filtre)
  • armature trop dense (effet de tamis).

 

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Fissuration et retrait

Généralités

Le béton est un matériau pour lequel il est très diffi-cile d’éviter l’apparition de fissures. Sa résistance à la traction est en effet très faible en comparaison de celle à la compression. Par prudence, les normes imposent dans la plupart des cas aux ingénieurs de ne pas en tenir compte pour le dimensionnement des ouvrages en béton. L’apparition de fissures est ainsi inéluctable dès que les sollicitations de traction dans le béton at-teignent ou dépassent la valeur de sa résistance à la traction, qui est de l’ordre de 2 à 3 N/mm2 pour les bétons courants.

Ces sollicitations et le risque de fissuration qui en dé-coule peuvent avoir pour origine l’un ou plusieurs des facteurs suivants :

  • le retrait du béton
  • le tassement des fondations
  • les variations de température
  • les charges (poids propre, trafic, etc.)
  • le gel
  • des réactions chimiques (corrosion de l’armature, réaction alcali-silice, attaque sulfatique,...).

 

La fissuration est rarement préjudiciable pour la stabi-lité d’un ouvrage, lorsqu’elle est maintenue à un niveau acceptable grâce à des mesures appropriées.

Néanmoins, outre l’atteinte portée à l’aspect de pare-ments en béton, l’apparition de fissures peut cependant s’avérer préjudiciable pour la durabilité de l’ouvrage dans la mesure où elles constituent des canaux privilé-giés pour la pénétration de substances agressives sus-ceptibles de détériorer le béton et les armatures.

Grâce à certaines mesures, il est possible de réduire for-tement – voire même dans certains cas d’empêcher – le risque et l’ampleur de la fissuration. Pour y parvenir, les séries de mesures suivantes sont plus ou moins effi-caces, en fonction de l’origine des fissures :

  • la conception, le dimensionnement et les disposi-tions constructives de l’ouvrage
  • le choix des étapes de construction et de bétonnage
  • la composition et la cure du béton
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Conception, dimensionnement et dispositions constructives de l’ouvrage

Le choix du système statique, du nombre et de l’empla-cement des joints influence fortement le niveau des contraintes de traction générées dans le béton par le retrait, le fluage ou les déformations consécutives au chargement des éléments.

La mise en œuvre d’une précontrainte peut empêcher la fissuration, en raison des contraintes de compression qu’elle génère dans le béton et qui s’opposent aux solli-citations de traction et à la fissuration.

La présence d’une armature passive (armature mini-male selon les normes) n’empêche en aucun cas l’appa-rition des fissures, elle permet uniquement de limiter leur ouverture à une valeur acceptable et modulable en fonction de la quantité d’armature mise en place. Les normes de calcul de structures en béton (Eurocode 2) permettent de dimensionner l’armature passive en fonction des ouvertures de fissures autorisées (généra-lement 0,3 mm).

L’apparition de fissures dans un ouvrage en béton ré-sulte aussi parfois de certains choix peu judicieux, voire erronés, concernant la conception, le dimensionne-ment ou les dispositions constructives, par exemple :

  • capacité portante insuffisante
  • répartition inadéquate des armatures
  • mauvaise disposition ou absence de joints (fig 4.2.1)
  • apparition de sollicitations imprévues ou excessives dues au choix des appuis du système porteur, au tas-sement différentiel des fondations ou à des mouve-ments du sol.

Etapes de construction et de bétonnage

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Pour des constructions qui ne peuvent pas être frac-tionnées par des joints, le choix des étapes de construc-tion et de bétonnage joue également un certain rôle en ce qui concerne le risque de fissuration.

Le retrait du béton au cours de son durcissement ne se fait pas de façon linéaire. Important à jeune âge, il di-minue au cours du temps. Il est donc préférable que les différentes étapes de bétonnage d’une structure en bé-ton se fassent avec un minimum de décalage. Ceci vaut typiquement pour le coulage de voiles sur une dalle de fondation coulée au préalable, où le retrait différentiel (plus grand pour le voile que pour la dalle qui a déjà subi une partie de son retrait) et empêché par la dalle, peut provoquer des fissures (fig 4.2.2).

Il est en plus recommandé de soigner les étapes de béton-nage des voiles d’une certaine longueur (fig 4.2.3 haut).

Dans les grands ouvrages, le risque de fissurationpeut aussi être considérablement réduit en créant des"brèches de clavage", à savoir des joints provisoires de re-trait, laissés ouverts si possible durant quelques mois etbétonnés ultérieurement (fig 4.2.3 bas et 4.2.4).

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Composition et cure du béton

Les choix relatifs à la composition du béton et aux me-sures de cure sont déterminants pour l’intensité des déformations de retrait et le risque de fissuration qui en découle. Les différents types de retrait et les mesures préventives correspondantes sont traités ci-après.

Il est important de faire la distinction entre les diffé-rents types de retrait et leurs conséquences (types de fissures et délai d’apparition), afin de pouvoir prendre les mesures préventives les plus appropriées dans chaque cas (tab 4.2.1).

Types de retrait

On entend en général par retrait, la diminution du vo-lume du béton causée par le tassement du béton frais (retrait de tassement), le départ d’eau (retrait plastique, retrait de dessiccation) ainsi que par l'hydratation du ciment (retrait endogène) ou encore par des phéno-mènes thermiques (retrait thermique).

 

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Retrait de tassement

Le tassement du béton frais (tassement plastique) est provoqué par la sédimentation des particules solides et la remontée simultanée de l’eau à la surface sous l’effet des différences de masse volumique (ségréga-tion, voir chapitre 4.1). Il se produit avant la prise du béton, c.-à-d. juste après la mise en place et le com-pactage.

Dans des cas défavorables, le tassement peut at-teindre 1 % de l’épaisseur de l’élément de construc-tion. Puisque le béton au jeune âge ne possède qu’une faible rigidité, il peut se fissurer au niveau des diffé-rences d'épaisseur ou de géométrie de la structure ou au-dessus des barres d’armature, surtout si l’épais-seur d’enrobage est faible (fig. 4.2.5).

 

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Mesures préventives

La fissuration induite par le tassement du béton frais peut être évitée ou limitée par les mesures suivantes :

  • choix d’une consistance du béton frais plus ferme
  • diminution de la quantité d’eau de gâchage
  • augmentation de la teneur en fines et utilisa-tion d’un ciment plus fin, afin d’élever le pouvoir de rétention d’eau et de réduire le ressuage
  • utilisation de gravillons (semi-)concassés
  • bétonnage des éléments de construction mas-sifs en plusieurs couches frais sur frais ou bé-tonnage plus lent.

Les fissures formées dans le béton frais peuvent êtrerefermées par un compactage et un traitement ulté-rieur. Cette mesure n’est cependant efficace que si elleest réalisée au bon moment, c.-à-d. avant le début dela prise.

 

 

 

 

 

Retrait plastique

Le retrait plastique, dénommé parfois aussi retrait pré-coce ou retrait capillaire (parce qu’il se produit avant la fin de la prise du ciment), est dû à une déperdition ra-pide de l’eau, aussitôt après la mise en place du béton.

Cette perte d’eau est imputable à une évaporation ex-cessive ou à une forte absorption par les coffrages etle fond. Il en résulte un retrait notable (le retrait plas-tique peut aller jusque 4mm/m dans des conditionssévères) dans les couches où la perte est importante,alors que le reste du béton est peu affecté. Des ten-sions internes se développent alors entre les couchessoumises à ces retraits différents. Si ces tensions dé-passent la résistance du béton à la traction (faible audébut, par définition), elles produisent des fissures de quelques centimètres de profondeur et en généralnon traversantes, qui peuvent mesurer jusqu’à 1 mmd’ouverture, voire davantage.

Les éléments horizontaux (radiers, planchers, dallages, dalles de compression, ...) sont les plus menacés par le retrait plastique (fig 4.2.6).

Le risque inhérent au retrait plastique est d’autant plus grand que le béton présente des performances élevées grâce au choix d’un rapport E/C faible. Plus la quantité d’eau est faible, plus le béton est sensible à une dessic-cation précoce.

Outre l’altération esthétique du béton qu’elles consti-tuent, ces fissures peuvent aussi être à l’origine d’une désagrégation du béton, en cas d’infiltration d’eau sui-vie de gel par exemple.

De plus, la déperdition d’eau peut empêcher une bonne hydratation du ciment. La surface du béton présente-ra alors une perte de résistance et une porosité élevée. Dans un environnement défavorable, ce béton aura un comportement insatisfaisant : infiltrations d’eau, des-cellement des gros granulats, aspect farineux et éclats en surface.

Ces fissures peuvent être refermées en surface lors du lissage du béton. Si esthétiquement le résultat est sa-tisfaisant, elles subsistent cependant à l'intérieur du béton et sont des amorces pour une fissuration ulté-rieure du béton en surface

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Mesures préventives

  • Les mesures suivantes permettent d’éviter une fissuration précoce due au retrait plastique :
  • Mettre en œuvre rapidement les mesures de cure décrites au chapitre 2.8 afin de limiter au maximum l’évaporation.
  • Empêcher l’absorption d’eau par les coffrages ou le fond en les saturant au préalable.
  • Eviter, dans la mesure du possible, les travaux de bétonnage lors de conditions météorolo-giques défavorables (températures très élevées et vent important), sinon appliquer les recom-mandations données au chapitre 2.9.
  • Ajouter des fibres de polypropylène (voir cha-pitre 1.5)

 

Retrait de dessiccation

Le retrait de dessiccation ou retrait hydrique est dû à la diminution de volume du béton que l’on observe aufur et à mesure de son séchage dans le temps. Plus la quantité d’eau non liée s’évapore, plus le retrait du bé-ton est élevé. Ce processus de séchage et le retrait quien résulte sont d’autant plus importants que l’humidi-té du milieu environnant est faible.

Le retrait de dessiccation est d’autant plus élevé et rapideque l’excès d’eau non liée est important, car la porositéet la perméabilité du béton augmentent, ce qui accélèreencore le phénomène de séchage. La valeur finale du re-trait de dessiccation se situe généralement entre 0,3 et0,8 mm/m. La maitrise du retrait de dessiccation passedonc principalement par une réduction de la quantitéd’eau dans le béton. Une granulométrie bien serrée dusquelette du béton favorise également la diminution du retrait de dessiccation.

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Mesures préventives

Les mesures suivantes permettent d’éviter la fis-suration due au retrait de dessiccation :

  • Choisir une granularité continue appropriée, demanière à minimiser la porosité du béton et à ré-duire le plus possible sa demande en eau.
  • Réduire à un niveau optimal le rapport E/C au moyen de superplastifiant (E/C≤ 0,50).
  • Prévoir soit un fractionnement de l’élément pardes joints de retrait (fig 4.2.1 et 4.2.7) soit une ar-mature minimale suffisante et/ou des fibres mé-talliques, de manière à répartir la fissuration (l’ap-parition de multiples mi cro-fissures est souventmoins préjudiciable que l’apparition de fissuresmoins nombreuses et largement ouvertes). Choisir judicieusement les étapes de béton-nage (fig 4.2.2 et 4.2.3).
  • Appliquer les mesures et les durées de cure re-commandées au chapitre 2.8.

Retrait endogène

En l’absence de tout contact avec l’extérieur et doncde perte d’eau vers l’extérieur, le béton est soumis auretrait endogène, qui a une double origine.

Le retrait chimique est une contraction volumique (ap-pelée contraction Le Chatelier) au cours de l’hydratation du ciment, le volume des hydrates formés étant en effet plus petit que la somme des volumes initiaux occupés par l’eau et le ciment anhydre. Cette réduction de vo-lume est de l’ordre de 8 à 12%, et est notamment à l’ori-gine de la structure poreuse du béton.

L’hydratation progressive lie chimiquement l’eau libre. Lorsqu’il n’y a plus d’eau libre dans les pores capillaires, l’eau présente dans les pores de gel est consommée. Les pores se vident et l’humidité relative interne baisse. Cette "dessiccation interne", induite par l’hydratation, est appelée auto-dessiccation.

Le retrait endogène dépend du rapport E/C. Plus le rap-port E/C du béton est faible, plus la part du retrait en-dogène sera élevée. Pour des bétons usuels, dont le E/C est ≥ 0,45, il est pratiquement négligeable, de l’ordre de 0,1 mm/m. Pour les BHP, et plus encore pour le BUHP, il peut atteindre des valeurs allant jusqu’à 1 mm/m

Retrait thermique

La chaleur dégagée par l'hydratation du ciment est à l’origine de gradients de température. Ces gradients peuvent encore être accentués par l’hydratation accé-lérée à température plus élevée.

Après la nette élévation de température qui accom-pagne la prise, le béton au jeune âge se refroidit au contact de son environnement et, de même que la plupart des matériaux, il diminue de volume quand sa température s’abaisse. Comme le béton refroidit naturellement plus vite en surface qu’en profondeur, des tensions internes peuvent naître entre la zone in-terne qui se contracte moins et la zone externe qui se contracte plus (fig 4.2.9). Ces tensions peuvent provo-quer des fissures superficielles.

D’autre part, comme pour le retrait hydrique, si le bé-ton n’est pas libre de se raccourcir, le retrait dû au lent refroidissement général peut souvent occasionner une fissuration profonde plus ou moins importante, parfois traversante.

Mesures préventives

  • Utiliser un ciment ayant une faible chaleur d’hydratation (type LH) et/ou limiter le dosage du ciment (éventuellement spécifier la résis-tance à un âge au-delà de 28 jours).
  • Eviter un gradient de température très impor-tant lors de l’échauffement du béton (coffrage bois ou protection thermique).
  • Mesurer le gradient de température coeur / peau par des sondes de températures et éviter de décoffrer lorsque la température du béton est maximale à coeur afin de limiter l’ampleur du choc thermique lors du décoffrage (brusque refroidissement du béton à la surface).
  • Choisir judicieusement les étapes du béton-nage (fig 4.2.3).
  • En cas de surface libre importante, isoler la surface.

Règles pratiques

  • Des fissures de gradient thermique (générale-ment superficielles) sont à craindre si la diffé-rence de température entre le cœur et la peaude la pièce dépasse 15°C.
  • Des fissures de retrait empêché (généralementtraversantes) sont à craindre pour des diffé-rences à partir de 20°C.
  • Prévoir une armature passive dans les zones à risque élevé, en prenant soin de placer les ar-matures horizontales le plus proche possible du coffrage (en respectant les règles minimalesd'enrobage). Le pourcentage d'armature est depréférence réparti en armatures de plus petitdiamètre et rapprochées
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