HomeGuide pratique du béton6.2 Béton résistant au gel/dégel en l’absence ou en présence de sels de déverglaçage

6.2 Béton résistant au gel/dégel en l’absence ou en présence de sels de déverglaçage

 

6.2.1 Introduction

Le béton résistant au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage est durable vis-à-vis l’action du gel combinée ou non avec celle des sels de déverglaçage. Les effets du gel et des sels de déverglaçage (GDS) provoquent, en quelques années seulement, la dégradation des bétons qualitativement insuffisants, entamant de manière significative l’aptitude au service et la durabilité de l’ouvrage.

Différents facteurs, comme la composition et la mise en oeuvre du béton, ainsi que les conditions d’exposition, régissent la résistance au gel et aux sels de déverglaçage d’un élément d'ouvrage. De plus amples informations concernant les dégâts de gel avec et sans sels de déverglaçage sont données au chapitre 8.5.

6.2.2 Exigences normatives

Spécification

Les normes SIA 262 et SN EN 206 procèdent à une classification en classes d’exposition XF (freezing) en fonction du type d’effet (avec ou sans sels de déverglaçage)et de l’intensité de l’action du gel en relation avec les degrés variables de saturation en eau (modérée à élevée). Le degré d’attaque augmente de la classe d’exposition XF1 jusqu’à XF4 avec l’effet des sels de déverglaçage et le taux d’humidité.

Pour la spécification des sortes de béton courantes selon la norme SN EN 206, on se sert des bétons de génie civil T1 à T4 qui correspondent aux bétons de sortes D à G. Pour les béton de sortes D et F, on exige, avec la classe d’exposition XF2 une résistance moyenne au gel et au sel de déverglaçage, alors que pour les béton de sortes E et G, on exige, avec la classe d’exposition XF4, une résistance élevée au gel en présence de sel de déverglaçage comme propriété complémentaire. La classe d’exposition XF1 ne comporte pas d’exigence complémentaire concernant la résistance au gel en présence de sels de déverglaçage. Le béton de sorte D couvre aussi les exigences de la classe d’exposition XF3 (tab. 6.2.1).

Les exigences relatives à la composition des sortes de béton courantes sont indiquées au tableau 6.2.1.

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Tab. 6.2.1: Exigences relatives à la composition des sortes de béton selon la norme SN EN 206 avec un diamètre maximal du granulat de 32 mm.

L’évaluation de la résistance au gel du granulat se base, en Suisse, sur l’analyse pétrographique selon la norme SN 670 115, qui comporte la détermination des granulats impropres à la production de béton et de mortier. Les exigences pour les teneurs maximales admises en constituants impropres dans les granulats figurent au tableau 1.3.3 (exigences normatives).

Les réglementations spécifiques concernant le coefficient k, notamment pour les classes d’exposition XF2 et XF4 pour les combinaisons des ciments avec de l’Hydrolith F200, sont à respecter (exigences normatives).

Un moyen éprouvé pour augmenter la résistance d’un béton au gel en présence de sels de déverglaçage consiste à introduire artificiellement des micropores d'air dans le béton. La teneur en air entraîné, nécessaire pour que le béton présente une résistance au gel en présence de sels de déverglaçage moyenne et élevée, est déterminée par le producteur du béton. Sur demande, la valeur minimale de la teneur en air sera communiquée à l’utilisateur du béton.

Il faut noter que pour les couches de surface en béton des dalles de roulement (selon la norme SN 640 461b) une teneur minimale en air mesurée sur le chantier de 3.0 % vol. est prescrite pour un béton avec Dmax = 32 mm et de 3.5 % vol. pour un béton avec Dmax = 16 mm (béton pour revètements routiers).

Essais

La méthode de référence pour tester la résistance au gel en présence de sels de déverglaçage est l’essai selon la norme SIA 262/1, annexe C. Cette méthode est appropriée pour déterminer la résistance au gel en présence de sels de déverglaçage des bétons ayant une teneur en air supérieure à 2 % vol., c.-à-d. des bétons à air entraîné. Par contre, les bétons avec une teneur en air inférieure à 2 % vol. montrent une grande dispersion des quantités de perte de matière par éprouvette. De ce fait, cet essai ne se prête pas pour évaluer des bétons à faible teneur en air, p. ex. des bétons à haute résistance ou des bétons renforcés de fibres (fig. 6.2.1). Le prescripteur peut définir d’autres méthodes d’essai, avec leur propres valeurs limites. La méthode d’essai TFB permet aussi d’évaluer les dégradations internes du béton sous l’effet du gel et des sels de déverglaçage. Tous les bétons de la figure 6.2.1, aussi ceux avec une teneur en air inférieure à 2 % vol., satisfont ici aux exigences de l’essai TFB.

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Fig. 6.2.1: Perte de matière de l’essai de gel/dégel en présence de sels de déverglaçage selon SIA 262/1, annexe C, des bétons confectionnés conformément à la norme avec des teneurs en air variables. Valeurs limites pour une résistance au gel en présence de sels de déverglaçage moyenne et élevée: voir tableau 6.2.2.

La résistance au gel en présence de sels de déverglaçage doit être contrôlée dans le cadre de l’essai initial. Lors de l’utilisation d’un entraîneur d’air, il est judicieux de vérifier son effet au moyen de la teneur en air du béton frais (teneur en air selon SN EN 12350-7, teneur en air ) et/ou du béton durci (porosités selon SIA 262/1, annexe K).

La norme SN 640 464 «Couches de surface en béton: méthodes d’essai pour la détermination de la résistance au gel et au gel en présence d’agents de déverglaçage» décrit une procédure en deux phases. Elle a été introduite en Suisse en 1977 sous le nom de «BE I, détermination diagnostique de la résistance au gel en présence d’agents de déverglaçage» à l’aide des valeurs de porosité, et de «BE II, essai physique de la résistance au gel en présence d’agents de déverglaçage».

La norme SN EN 14487-1: «Béton projeté – partie 1: Définitions, spécifications et conformité» fixe, pour le béton projeté, l’essai SIA comme méthode de référence et les essais BE I et BE II comme méthodes alternatives. L’essai de gel en présence d’agents de déverglaçage BE I est une méthode indirecte basée sur les caractéristiques de microstructures et des valeurs de porosité du béton. Le tableau 6.2.2 récapitule les méthodes d’essai physique directes les plus importantes de la résistance au gel en présence de sels de déverglaçage.

Il n’existe pas de corrélation entre les différentes méthodes d’essai à cause des divergences dans les dispositifs des essais, à savoir le choix de la surface d’essai, le principe de l’essai, la saturation en eau, les cycles de température.

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Fig. 6.2.2: Photos prises au microscope sous lumière UV de plaques polies: béton à air entraîné (en haut) et béton sans air entraîné (en bas) (grossissement env. 5x).

L’efficacité des pores d’air dans le béton durci est mesurée à l’aide d’une analyse d’image microscopique selon SN EN 480-11 (facteur d’espacement L, teneur en air A300, teneur totale en air A) sur des plaques polies. La figure 6.2.2 illustre les différences microstructurales entre des bétons avec et sans air entraîné.

Le facteur d’espacement est une valeur caractéristique importante, qui indique, sur la base d’un modèle numérique, la distance maximale d’un point quelconque au sein de la pâte de ciment jusqu’au bord du pore d'air le plus proche (fig. 6.2.3). Il représente donc la distance la plus longue que l’eau contenue dans les pores capillaires doit traverser jusqu’au pore d’air le plus proche. Il est d’autant plus favorable pour la résistance au gel en présence de sels de déverglaçage, que cette distance est courte. Le facteur d’espacement ne devrait donc pas dépasser 0.20 mm. La teneur en micropores d’air avec un diamètre < 300 μm (A300) devrait atteindre au moins 1.5 % vol. pour un béton résistant au gel en présence de sels de déverglaçage.

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Fig. 6.2.3: Représentation schématique de la distribution des pores d’air dans la pâte de ciment (L = facteur d’espacement).



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Tab. 6.2.2: Aperçu des essais physiques directs les plus importants, relatifs à la résistance au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage du béton.


6.2.3 Technologie du béton

Ciment

Tous les ciments admis pour les classes d’exposition XF par la norme SN EN 206 se prêtent à la confection d’un béton résistant au gel en présence de sels de déverglaçage. Il est recommandé de convenir avec l’auteur du projet d’un début d’essai retardé à un âge ultérieur à 28 jours en cas d’utilisation d’un ciment caractérisé par une montée lente en résistance.

Eau de gâchage

L’emploi de l’eau recyclée n’est pas recommandé pour les bétons à air entraîné, puisque les matières solides et les résidus d’autres adjuvants peuvent entraver le développement des pores d’air artificiels.

Granulats

Les granulats sales, ainsi qu’une teneur trop élevée en farine et en sable fin, peuvent diminuer la résistance au gel en présence de sels de déverglaçage. La granularité doit être choisie de manière à éviter un ressuage du béton ou un enrichissement en mortier fin à la surface du béton.

Un granulat apte à l’emploi peut contenir quelques grains gélifs (jusqu’à 5 % en masse) qui, en se trouvant proche de la surface exposée du béton, peuvent provoquer sous l’effet du gel des éclatements en forme de cratères, appelés «pop-outs». Ces éclatements se produisent suite à l’augmentation volumique des granulats gelés (dégradations du béton).

Adjuvants

Les entraîneurs d’air permettent d’introduire de petites bulles d’air finement dispersés dans le béton (adjuvants). L’effet positif des pores d’air entraîné repose surtout sur le fait d’offrir à l’eau un volume d’expansion pour sa solidification lors du gel. Le réseau de pores capillaires de la pâte de ciment étant interrompu, l’absorption d’eau du béton se trouve diminué. L’efficacité de cette mesure dépend essentiellement de la teneur, la taille et la distribution des pores d’air. La teneur totale en air devrait se situer entre 3 et 5 % vol.. Pour la formulation du béton, il faut tenir compte du fait que les pores d’air réduisent la résistance à la compression du béton. Les ciments contenant du laitier (p. ex. CEM III/A) rendent parfois difficile l’entraînement de pores d’air par un adjuvant.

La production et la mise en oeuvre de béton à air entraîné sont exigeantes et influencées par de nombreux facteurs. Le tableau 6.2.3 résume, de manière exemplaire, l’influence du granulat sur la teneur en air du béton frais. D’autres influences sont indiquées au tableau 6.2.4.

Les forts dosages en fluidifiants, ainsi qu’en combinaison avec les réducteurs de retrait, peuvent entraver l’entraînement d’air. La teneur en air doit être déterminée sur le chantier à l’endroit même de la mise en place, après le pompage.

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Tab. 6.2.3: Influence du granulat sur la teneur en pores d’air dans le béton frais.

 

Règle générale

Chaque pourcent volumique de pores d’air correspond à une perte de résistance à la compression de 3 à 5 N/mm2.

Un pourcent volumique d’air entraîné supplémentaire permet une réduction possible de l’eau de gâchage de l’ordre de 5 litres par m3 de béton frais et permet d’obtenir le même effet sur la consistance qu’un ajout de 10 à 15 kg de farines.

 

Additions

L’efficacité des entraîneurs d’air peut être réduite par l’emploi des additions, p. ex. la cendre volante ou le laitier. Les entraîneurs d’air ne peuvent pas déployer entièrement leurs effets en cas d’utilisation de cendres volantes montrant une perte au feu élevée. Le laitier granulé peut détruire en partie les pores d’air à cause de sa structure (surface, rugosité).

 

Rapport E/C

La résistance au gel en présence de sels de déverglaçage diminue lorsque le rapport E/C augmente. Celui-ci ne doit pas dépasser 0.50 pour une résistance au gel en présence de sels de déverglaçage moyenne et 0.45 pour une résistance au gel en présence de sels de déverglaçage élevée (bétons à propriétés particulières). Si l’on renonce à l’utilisation d’un entraîneur d’air, des rapports E/C inférieur à 0.40 sont à viser pour obtenir une résistance au gel en présence de sels de déverglaçage suffisamment élevée.

 

Consistance

Les bétons à consistance terre humide avec un rapport E/C < 0.40 peuvent atteindre une résistance au gel en présence de sels de déverglaçage élevée sans air entraîné, si les vides de compactage offrent le volume d’expansion nécessaire pour l’eau qui gêle.
Le développement et la stabilité des pores d’air dépendent de la consistance choisie. Plus la consistance du béton à air entraîné est plastique, plus l’entraînement d’air sera difficile.

 

Malaxage – transport – compactage

Il existe plusieurs facteurs d’influence des bétons à air entraîné dont il faut tenir compte dès la production jusqu’au compactage (voir tableau 6.2.4).

Sur le chantier, le béton à air entraîné doit être malaxé encore une fois pendant au moins 5 minutes avant la vidange du camion malaxeur.

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Tab. 6.2.4: Facteurs d’influence issus du malaxage, du transport et du compactage et leurs effets sur les bétons à air entraîné.

 

Cure

La cure est définie dans la norme SIA 262 à l’aide des classes de cure (NBK) 1 à 4 . Il est recommandé de choisir pour les bétons des classes d’exposition XF2 et XF3 le niveau d’exigences accrues (NBK 3) et pour les bétons de la classe d’exposition XF4 le niveau d’exigences sévères (NBK 4).


6.2.4 Recommandations pour la réalisation d’ouvrages soumis au gel/dégel en présence de sels de déverglaçage

Agents de déverglaçage

L’agent de déverglaçage le plus fréquemment employé en Suisse est le chlorure de sodium (NaCl). Pour le service hivernal des routes, les agents utilisés sont également des chlorures de calcium (CaCl2) et de magnésium (MgCl2) ou un mélange des deux. Par contre, dans les aéroports, on n’utilise pas d’agents de déverglaçage contenant des chlorures mais des produits à base d’urée, de glycol, d’alcool et d’acétate. L’effet sur le béton varie selon le type d’agent et des effets secondaires nocifs sont possibles, comme la RAG ou la corrosion de l’armature.

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Fig. 6.2.4: Saleuse en action de déneigement.

Mesures supplémentaires

Les mesures constructives visent à réduire ou à empêcher complètement la saturation en eau et l’apport de chlorures dans le béton. Les mesures suivantes sont réalisées isolément ou en combinaison en fonction de la sévérité de l’exposition:
  • installation d’un système de drainage et/ou d’étanchéité
  • évacuation de l’eau des éléments de construction horizontaux avec une pente suffisante ≥ 1.5 % (béton étanche à l'eau)
  • prévention de la fissuration, respectivement restriction à l’ouverture des fissures
  • application d’un système de protection de surface, p. ex. traitement hydrofuge

Méthodes d’essai

Il existe un grand nombre d’essais de gel ou de gel en présence de sels de déverglaçage en Suisse. Les essais de laboratoire sont censés simuler la résistance au gel en présence de sels de déverglaçage d’un matériau de construction pendant sa durée de service. L’effet accélérateur au laboratoire se base sur un net renforcement des conditions d’essai par rapport à l’exposition naturelle rencontrée dans la pratique. De ce fait, les éprouvettes seront conditionnées à de taux d’humidité élevés, allant même au-delà de la saturation capillaire complète, conditions qui ne seront quasi jamais atteintes dans l’ouvrage. Il faut tenir compte de ces circonstances lors de l’interprétation des résultats et du choix de la méthode d’essai de gel ou de gel en présence de sels de déverglaçage.



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