LA CURE DES BETONS Version du 24 juillet 2008

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1 LA CURE DES BETONS Version du 24 juillet 2008
Document élaboré à l’attention des enseignants et formateurs par le groupe de travail EFB Version du 24 juillet 2008

2 Sommaire Les phénomènes physiques et risques associés
Conséquences de la non cure Principes de prévention, normalisation Conseils de réalisation de la cure la cure des bétons - EFB

3 Particularité du béton
Une particularité importante du béton est d’être mis en œuvre dans un état semi-liquide notablement différent de son état final solide ; Il en résulte un certain nombre de dispositions constructives, dont la cure, pour accompagner le passage entre ces deux états sans altérer les qualités du matériau. la cure des bétons - EFB

4 Les phénomènes physico-chimiques et leurs conséquences, les retraits
Hydratation Auto-dessiccation Chaleur d’hydratation Dessiccation Leur conséquence : des retraits Avant prise Retrait plastique Retrait chimique Après prise Retrait thermique Retrait d’auto-dessiccation ou endogène Retrait de dessiccation Trois phénomènes physico-chimiques sont à l'origine des retraits du béton : - le bilan volumique de la réaction d'hydratation : le volume des hydrates formés dans la réaction d'hydratation est nettement inférieur à la somme des volumes des deux constituants, ciment anhydre et eau, qui entrent dans la réaction (contraction Le Chatelier); la différence est comprise, selon les ciments, entre 8 et 12 % du volume initial (d’une pâte de ciment), ce qui correspond à un retrait linéique potentiel de la matrice de 3 à 4 % ; avant la prise la contraction Le Chatelier conduit au retrait chimique. Mais dès le début de la prise, ce retrait est gêné par la microstructure naissante, et ne se traduit pas ensuite par un retrait d’ensemble mais par une porosité rémanente (voir modèle de Powers plus loin). Le retrait dû à l’hydratation, appelé endogène ou d’auto-dessiccation, résulte alors de auto-dessiccation de la pâte liée à la consommation d’eau par le ciment ; il augmente lorsque le rapport E/C diminue et doit être pris en compte notamment dans les structures dont les déformations sont gênées; en l'absence d'échange thermique et hydrique avec l'extérieur, on observe un retrait endogène ou d’auto-dessiccation, de l'ordre de 10-4, dont la plus grande part est effectuée en quelques jours, - la chaleur d'hydratation du ciment : la réaction d'hydratation est fortement exothermique (entre 150 et 450 J/g de ciment), ce qui conduit, dans les heures qui suivent la fabrication du béton, à des élévations de température qui peuvent atteindre 50 degrés, dans les pièces massives ; la prise se fait alors à chaud : d'où un retrait thermique, accompagné de gradients au cours du refroidissement. Ceci peut générer une fissuration à cause des gradients thermiques ou lorsque le retrait thermique en phase de refroidissement est gêné. - la dessiccation du liant : avant la prise, le séchage entraîne de grandes déformations : le retrait plastique. Ensuite, après prise, le séchage naturel entraîne encore des variations dimensionnelles considérables : le retrait de dessiccation. Celui-ci est difficile à déterminer directement, à cause de la lenteur du processus. Sa cinétique est très dépendante de la taille des pièces. Ces différents phénomènes ont des cinétiques très différentes : dans un cylindre de diamètre 16 cm, la chaleur d'hydratation diffuse pendant 1 ou 2 jours, les effets de l'hydratation sont sensibles un an, alors que le séchage dure plus de dix ans. C'est d'ailleurs ce qui permet de modéliser de manière satisfaisante ces deux processus ; à court terme, le séchage reste très superficiel et n'affecte pas (ou très peu) l'hydratation; à long terme, les variations de température sont cycliques et ne modifient pas profondément la cinétique du séchage. la cure des bétons - EFB

5 Ce schéma illustre la diapo précédente :
W est la teneur en eau interne au béton, theta est la température, et on suit leurs évolutions En haut on a l’effet de l’hydratation / thermique En bas l’effet du séchage naturel avant prise, puis l’effet de l’autodessiccation (dû à l’hydratation) puis l’effet de la dessiccation naturelle du béton la cure des bétons - EFB

6 Estimation de la porosité d’une pâte de ciment par le modèle d’hydratation de Powers en fonction du E/C Cas où l’hydratation est maximale (conservation ds l’air) : Le modèle de Powers permet de calculer les fractions volumiques d’hydrates, d’anhydre et de porosité capillaire en tenant compte de la contraction Le Chatelier. Ses hypothèses sont les suivantes : - 1 cm3 de ciment anhydre et 1,34 cm3 d'eau produisent 2,13 cm3 d'hydrates (contraction Lechatelier), - l’hydratation s’arrête lorsque : Il n’y plus d’eau pour hydrater le ciment Il n’y plus de ciment anhydre Le schéma donne les fractions volumiques dans le cas d’une conservation dans l’air: par exemple pour E/C=0,5 on a environ 83% d’hydrates et 17% de porosité capillaire. la cure des bétons - EFB

7 Modèle de Powers (suite)
Cas où l’hydratation n’atteint que la moitié de l’hydratation maximale possible (conservation ds l’air) : Si une dessiccation prématurée arrête l’hydratation, on constate que la porosité capillaire est beaucoup plus importante. Dans le cas du E/C=0,5 par exemple on a alors 39% de porosité capillaire et 20% d’anhydres En proportion l’effet est encore plus marqué pour les bas E/C (même si la porosité augmente avec le E/C). Le fichier excel du modèle de powers est téléchargeable. la cure des bétons - EFB

8 Qu’est ce que la cure(*) ?
C’est un ensemble de précautions qui permettent de protéger le béton fluide dès la fin de sa mise en place jusqu’au moment où il atteint une résistance suffisante ; La cure a pour objet de protéger le béton de surface et proche de la surface afin que son évolution soit similaire à celle du béton à coeur. nota : la montée en résistance est directement associée à l’augmentation de l’hydratation du ciment. (*) du latin cura : soin Du latin cura=soin On cherche à minimiser les gradients de teneur en eau et de température, qui provoquent des tractions du béton de peau. Lorsque le béton est encore fluide il ne peut reprendre ces tractions qui risquent alors d’entrainer de la fissuration. la cure des bétons - EFB

9 Pourquoi la cure ? Pourquoi « curer » le béton ?
Pour le protéger contre une dessiccation prématurée en surface ; pour éviter un ralentissement de l’hydratation (par manque d’eau) ; pour limiter le retrait plastique ; Et donc garantir sa durabilité potentielle. Nota : il convient aussi de protéger le béton frais contre un gel éventuel Retrait plastique = retrait avant prise la cure des bétons - EFB

10 Pathologies liées à l’absence de cure :
des effets visibles : le risque de fissuration du béton de surface dû au retrait plastique, une surface résistant mal à l’abrasion et sur laquelle les revêtements adhèrent mal (poudroiement de surface, farinage). un effet non visible : une porosité plus élevée du béton de peau et donc une réduction des performances du béton d’enrobage des armatures. la cure des bétons - EFB

11 Retrait plastique d’une pâte de ciment
Exemple d’une pâte de ciment (E/C=0,3) sous conditions extrêmes (vent + température élevée ≈ 35°C dès le coulage) Le retrait plastique est une déformation qui se produit avant durcissement sous l'effet d'une dessiccation. C'est un mécanisme identique à celui qui se produit dans les sols fins ou argileux des zones de marnage lorsque l'eau se retire. Il peut en résulter une fissuration superficielle de l’ouvrage, parfois très ouverte, mais jamais très profonde. Ce retrait, d’origine exogène, se manifeste tant que le béton est plastique, c'est-à-dire avant et/ou au tout début de la prise, et dès que la surface de la structure n’est plus recouverte d’une pellicule d’eau, c'est-à-dire dès qu’elle est en déséquilibre hydrodynamique avec le milieu ambiant. Ce retrait est dû aux tensions capillaires, de même que le retrait d’autodessiccation, à la différence près que dans le cas présent il ne s’agit plus d’une dessiccation au sein du matériau (autodessiccation), mais d’un séchage avec départ d'eau vers l'extérieur. Le retrait plastique est donc principalement limité à la surface du béton (quelques centimètres sur un béton à hautes performances (BHP), 10 à 20 cm dans un béton ordinaire), contrairement au retrait d’autodessiccation qui se manifeste dans l’ensemble de la pièce. Le retrait plastique dépend largement des conditions climatiques et notamment de la vitesse de dessiccation au niveau des surfaces non coffrées de l'ouvrage. Ainsi, par exemple, un béton mis en œuvre suivant des procédures adéquates, un jour où la vitesse du vent est relativement faible, ne sera pas ou peu affecté par ce phénomène. En revanche, la couche d’eau à la surface du béton s’évaporera rapidement par vent fort, et la déformation pourra commencer à se manifester quelques minutes après sa mise en place. Pour visionner le film cliquer sur l’image (manip : J-M Torrenti ; photos : H Delahousse LCPC la cure des bétons - EFB

12 Sans cure : le retrait plastique
Phénomène identique au séchage d’une argile : Le retrait plastique avant prise s’apparente au retrait d’une argile. Ici séchage d’une argile en couche mince. Pour visionner le film cliquer sur l’image (manip : J-M Torrenti ; photos : H Delahousse LCPC la cure des bétons - EFB

13 Retrait plastique du béton :
Exemple d’une dalle de béton réalisée sans cure : la cure des bétons - EFB

14 Exemple de l’état de surface d’un béton non curé
la cure des bétons - EFB

15 Les facteurs aggravants du retrait plastique:
Dessiccation forte humidité relative de l’air faible température de l’air élevée vent (même faible) température du béton élevée un rapport E/C faible Pièces fines à surfaces exposées dès la mise en oeuvre Prise lente du béton type de ciment utilisation de constituants secondaires (laitiers de haut fourneau, cendres volantes) adjuvants ayant un effet retardateur de prise. Le retrait plastique est d'autant plus important que : a) la dessiccation est forte : La dessiccation est favorisée par une hygrométrie sèche, un vent fort et une différence de température élevée entre le béton et le milieu ambiant. Le risque de fissuration plastique peut en conséquence être aussi important l’hiver que l’été, et même plus important l’hiver si le béton est chauffé. La dessiccation se produit dès que l’eau de ressuage est entièrement évaporée. Pour un béton ayant un bas E/C et donc un ressuage faible ce risque est important. Si l'humidité relative diminue de 90 % à 50 %, la vitesse d'évaporation de l'eau de surface est multipliée par 5. L'évaporation de l'eau de surface augmente si le vent souffle lors de la mise en place et de la finition du béton. Par exemple, une augmentation de la vitesse du vent de 0 à 15 km/h multiplie par 4 la vitesse d'évaporation. La vitesse d'évaporation de l'eau de surface du béton peut doubler si la température ambiante augmente de façon importante. Une évaporation rapide se produit lorsque la température du béton est trop élevée par rapport à celle de l'air ambiant, même si les autres conditions ambiantes sont favorables. La vitesse d'évaporation peut doubler lors d'une augmentation de 5°C de la température du béton. La dessiccation peut parfois être aggravée par la succion de l’eau par le coffrage, si celui-ci est poreux et absorbant, et s'il n’a pas été humidifié avant que le béton soit coulé. Des coffrages non absorbants constituent une protection efficace contre cet effet.La variation de l'humidité relative a un effet important sur la vitesse d'évaporation. b) la pièce est fine : Ce type de retrait se manifeste essentiellement sur des pièces qui présentent de grandes surfaces d’évaporation par rapport à leur volume (enduit, revêtement routier, dalle), donc des pièces fines, où il peut alors engendrer une fissuration importante. Sur des surfaces horizontales larges, les fissures constituent en général un maillage, dont la maille varie de quelques centimètres à quelques décimètres. A la surface des pièces verticales (voiles, poutres, longrines) elles constituent un réseau de fissures transversales parallèles. Ces fissures n'apparaissent que si les déformations sont empêchées, soit par une partie de la pièce (plus massive ou plus ancienne), soit par des conditions aux limites (cas des revêtements routiers ou des enduits de façade), ou si la géométrie de la pièce et sa taille peuvent conduire à la localisation de l’endommagement en une ou plusieurs fissures principales. Ces fissures n'apparaissent pas dans une chape désolidarisée, par exemple. Dans des pièces plus épaisses (radier, chevêtre, semelle épaisse, tête de pieu), la profondeur de la zone affectée par la dessiccation, et donc par le retrait, est très faible. Par conséquent, la fissuration est peu profonde. Elle est également peu ouverte. c) la prise est lente et la rétention de l’eau de gâchage est mauvaise : Une température ambiante basse, des constituants secondaires (laitiers de haut fourneau, cendres volantes...), un excès d'eau de gâchage, ou encore I'utilisation d'adjuvants ayant un effet retardateur, allongent la période de prise et ainsi accentuent le retrait plastique. la cure des bétons - EFB

16 Estimation du taux d’évaporation à la surface d’un béton en fonction
Abaque de l’ACI Estimation du taux d’évaporation à la surface d’un béton en fonction de la température de l’air de l’humidité relative de la température du béton et de la vitesse du vent ACI : American Concrete Institute Exemple : pour une température de l’air de 22°C (mesurée à l’ombre près du chantier), une humidité relative de l’air de 90% (conditions de mesure idem température), une température du béton de 36°C et une vitesse du vent de 10 km/h (vitesse moyenne mesurée 50 cm au dessus du béton) on obtient un taux d’évaporation de 1 kg/m2/h. Si par exemple la vitesse du vent est égale à 24 km/h on a un taux d’évaporation égal à 1,8 kg/m2/h. la cure des bétons - EFB

17 Evaluation du risque de retrait plastique
Taux d’évaporation estimé par l’abaque ou par : E = 5([Tc + 18]2.5 – r[Ta + 18]2.5)(V + 4) × 10–6 kg/m2/h où Tc est la température du béton (°C) et Ta celle de l’air ambiant, r est l’HR (%) et V est la vitesse du vent (km/h). Valeurs limites : Si E > 0,5 kg/m2/h risque de retrait plastique Si E > 1 kg/m2/h retrait plastique certain La cure est toujours indispensable et il convient de la renforcer si le risque est élevé. On reprend un des exemples précédents : température de l’air Ta= 22°C, humidité relative de l’air r=90%, température du béton Tc= 36°C et vitesse du vent V=24km/h on obtient un taux d’évaporation E= 1,9 kg/m2/h Compte tenu des incertitudes nombreuses inhérentes aux données et à leurs mesures le résultat doit être considéré comme un ordre de grandeur. L’analyse (dérivées partielles) de la formule donnée plus haut fait apparaître l’humidite relative de l’air comme facteur majeur. La pratique montre souvent que le vent est un aussi un élément majeur. la cure des bétons - EFB

18 Prévention du retrait plastique (1/2)
Il convient d’analyser chaque cas et de choisir une solution de cure adaptée : en assurant une cure efficace, c'est-à-dire en humidifiant la surface du béton, ou en projetant un produit de cure conforme à la norme NF P et bénéficiant du marquage NF produits de cure, ou encore en recouvrant la surface du béton d’une feuille de polyane, et ce dès la mise en place du béton ; en fermant les ouvertures si le béton est coulé en intérieur (afin d’éviter les courants d’air); en érigeant temporairement des paravents et des pare-soleil pour réduire respectivement la vitesse du vent et la température à la surface du béton frais ; Pour humidifier la surface du béton on peut utiliser : - Une pulvérisation d’eau maitrisée afin de ne pas délaver le béton de surface Un géotextile (ou autre) maintenu humide Rappel : Dans le cas d’utilisation d’un hélicoptère (chantier de bâtiment), la cure ne peut être appliquée qu’après le passage de celui-ci (sauf humidification légère). la cure des bétons - EFB

19 Prévention du retrait plastique (2/2)
en humidifiant les coffrages ou en utilisant des coffrages non absorbants ; en évitant les trop forts écarts entre la température du béton et la température de l’air ambiant ou du coffrage ; Cas des bétons désactivés : il est conseillé de pratiquer une cure après le lavage du désactivant. Il convient aussi de vérifier que le désactivant protège de la dessiccation. Nota : l‘incorporation de fibres de polypropylène dans une formulation adaptée et à un dosage suffisant peut aussi être envisagée dans le cas de bétons particulièrement exposés aux risques de dessiccation rapide mais ne dispense pas de la cure. Une technique nouvelle pour maîtriser la fissuration par retrait plastique consiste à utiliser des fibres de polypropylène. Ces fibres (résistance à la traction de 600 MPa, module d'Young de 3,5 GPa) sont utilisées pour cette application en faible proportion (de I'ordre de 0,1 à 0,5 % en volume ou de 1 kg/m3 de béton). Elles réduisent l’ouvrabilité des bétons, mais la mise en place sous vibration peut s'effectuer normalement. Ces fibres réduisent le retrait dans des proportions qui ne sont pas très importantes, tout au plus 10 %, mais elles diminuent considérablement la fissuration qui est associée au retrait plastique. Le mécanisme est encore mal compris, mais de nombreux essais de retrait empêché ont montré que les fibres de polypropylène à la fois retardent l’apparition des fissures, mais aussi diminuent (jusque dans un rapport 10) I'ouverture de ces fissures. Ce dernier point, qui permet un contrôle de I'ouverture des fissures, est particulièrement intéressant en ce qui concerne la durabilité. Ainsi, dans des conditions climatiques sévères (température de 40 à 46°C en surface avec une vitesse de vent de 16 à 24 km/h) des échantillons possédant 0,2 % de fibres n'ont présenté aucune fissure visible, alors que les échantillons sans fibre présentaient, au bout de 6 à 8 heures, des fissures qui pouvaient atteindre un millimètre d’ouverture. Le dosage préconisé de fibres est d’environ 900g/m3 Attention à la rhéologie du béton qui est modifiée par l’ajout de fibres la cure des bétons - EFB

20 Le ressuage Le ressuage est la remontée d’eau sous l’effet du tassement gravitaire du béton avant prise ; On pourrait penser que le ressuage naturel protège le béton de la dessiccation ; Mais il conduit à un excès d’eau en surface nuisible à la qualité du béton de surface ; Et il est toujours accompagné d’un tassement plus ou moins marqué qui peut poser des problèmes importants en réalisation. la cure des bétons - EFB

21 Influence de l’absence de cure sur la durabilité du béton
Une dessiccation prématurée = arrêt de l’hydratation  porosité plus ouverte  matériau plus sensible aux agents agressifs, à l’usure et à l’abrasion, sur lequel les revêtements collés seront moins adhérents. la cure des bétons - EFB

22 Béton d’enrobage enrobage la cure des bétons - EFB

23 Suivi de la dessiccation d’une éprouvette en fonction du temps de cure
Des éprouvettes 4x4x16 sont mises en séchage après des durées de cure (correspondant ici au démoulage) différentes. Référence : DEVILLERS Ph., CUSSIGH F., LINGER L., BONNARD V. Validation d’une méthode de détermination des durées de cure nécessaires à partir des « théories de Powers » Annales de l’ITBTP 2007 n°5 pp 18-23 [Devillers et al, 2007] la cure des bétons - EFB

24 Plus brève est la cure et plus le béton perd de l’eau (après la cure)
Dans cette expérience la durée de cure est assimilée à la durée avant décoffrage des éprouvettes La perte de masse correspond à la perte en eau des éprouvettes Plus on décoffre tôt plus le béton perd de l’eau=moins on cure plus le béton perd de l’eau On constate qu’il y a deux régimes : un très rapide puis un plus lent. Le premier régime, très rapide, correspond à une porosité du béton très connectée qui permet une dessiccation très rapide. C’est dans cette période que la cure est la plus importante et la plus efficace. la cure des bétons - EFB

25 Plus la durée de cure du béton est longue et plus la carbonatation est lente
Profondeurs de carbonatation de 3 bétons (2 BAP et un béton courant) en fonction de la durée de cure correspondant ici au temps de décoffrage. On voit deux régimes un premier qui évolue très vite puis un second avec une évolution lente. la cure des bétons - EFB [Devillers & Cussigh, 2007]

26 Effet de la durée de cure sur l’absorption capillaire
Plus un béton est curé longtemps et moins il absorbe d’eau ce qui indique qu’il est moins poreux Pour un même béton et 3 durées d’absorption capillaire, la figure présente les quantités d’eau absorbée par capillarité. Comme pour la carbonatation on constate qu’il y a deux régimes. la cure des bétons - EFB [Devillers & Cussigh, 2007]

27 l’effet de la cure est de plus particulièrement bénéfique :
Plus l’enrobage est faible et plus l’effet de la cure sur la durabilité est important l’effet de la cure est de plus particulièrement bénéfique : pour des bétons à base de ciments dont les constituants secondaires sont des laitiers de hauts forneaux ou des cendres volantes ou pour des bétons contenant ces mêmes composants sous forme d’additions. L’effet de la cure se fait sentir sur la peau du béton (quelques centimètres) et si l’enrobage est suffisant il restera une couche de béton bien hydratée pour protéger les armatures. Attention on ne peut pas compenser une non cure par un surcroît d’enrobage : l’EC2 déconseille un enrobage dépassant 5 cm car au-delà il y a des risques de fissuration liés au fonctionnemment des sections en béton armé. Les additions du type laitier de haut fourneau ou cendres volantes ont des cinétiques de réaction plus lentes que le ciment. Elles sont donc encore plus sensibles à un départ précoce de l’eau. la cure des bétons - EFB