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Prévoir la résistance et stabiliser les teintes : un modèle

Gaël Cadoret, Cadoret consulting |  le 04/04/1997  |  BétonTechniqueProduits et matériels

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Sommaire du dossier

  1. Des murs isolés et revêtus exécutés en une fois
  2. Sommaire dossier BETON
  3. Prévoir la résistance et stabiliser les teintes : un modèle
  4. Bétons haute performance : les avancées du programme BHP 2000
  5. Des fibres métalliques pour renforcer les ouvrages
  6. Les bétons ductiles au centre des recherches
  7. La texture du béton révélée par la lasure
  8. Le polissage, haut de gamme des traitements de surface
  9. Préserver la qualité de parement grâce à l'hydrofugation
  10. Les contraintes mécaniques et esthétiques du TGV Méditerranée
  11. Les composites ciment-verre en grandes dimensions
  12. 5 500 t d'adjuvants, un pompage sur 700 m
  13. Des blocs de maçonnerie à double lame d'air
  14. Des murs coulés en béton architectonique avec engravures
  15. Rigueur et suivi sur le chantier pour des parements de qualité
  16. Eclaircir des bétons courants grâce à un additif
  17. Béton autoplaçant pour des voiles complexes
  18. Une structure par points porteurs
  19. Assurer le remplissage de moules inclinés
  20. Le béton prêt à l'emploi (BPE)
  21. Plus de produits soutenus par plus de services
  22. La vogue du béton imprimé
  23. L'Equipement poursuit les recherches sur le béton routier
  24. Projet BAP : deux années et demie d'études et 3,5 millions d'euros
  25. L'activité du BPE et de la préfabrication en hausse
  26. Aménagements agricoles : à la recherche de solutions optimales
  27. Béton UHP : réduire les délais et valider les calculs
  28. Chantiers de beaux bétons
  29. Couler un « beau » béton sur chantier
  30. A la recherche de granulats de substitution
  31. Un outil de prédimensionnement pour la conception des ponts-rails
  32. Des indicateurs pour mesurer la durabilité du béton
  33. Une protection longue durée des armatures
  34. Mortier colle prêt à gâcher
  35. Bicomposant reboucheur de fissure
  36. Ciment pour utilisation agricole
  37. Adjuvants pour BPE et préfabrication
  38. Les glenium en version plus souple
  39. Adjuvants pour bétons autoplaçants et désactivés
  40. Des colorants adaptés aux outils de mélange
  41. Béton pour les ouvrages agricoles
  42. Un entraîneur d'air prêt à malaxer
  43. Mortier spécial
  44. Des superplastifiants adaptés aux usages
  45. Ciment à haute résistance chimique
  46. Coffrage pour les corniches de pont
  47. Pompes à mortier et à béton
  48. Les PRM plus ergonomiques
  49. Suivre les banches de chantier en chantier
  50. Pompes à béton de 42 m de portée
  51. Mobilier urbain en béton
  52. La filiere beton retrouve le sourire
  53. Le béton partenaire de l'environnement
  54. Faciliter la construction des bâtiments
  55. Intégrer les murs antibruit dans le paysage
  56. Retenir les eaux pluviales dans les chaussées
  57. Réguler l'échange thermique des bâtiments
  58. Lutter contre la pollution des exploitations agricoles
  59. Les pavés dépollueurs
  60. Du béton d'environnement en sites ruraux
  61. Bétons de comblement : moins de gêne pour le voisinage
  62. Le béton respectueux de l'environnement
  63. Intégrer les centrales foraines
  64. Trier pour récupérer du granulat
  65. Récupérer le ciment
  66. Un réseau «Matériaux recyclés»
  67. Les projets nationaux présentent leurs résultats
  68. Sols Revêtement de sol antidérapant
  69. Isolation Enduit intumescent coupe-feu pour chemins de câbles
  70. Matériels de chantier Réhabilitation des réseaux par éclatement
  71. Structures, fondations Système antigraffiti pour béton brut
  72. Assainissement Fosse en béton pour assainissement non collectif
  73. Matériaux Colorant pour béton compact
  74. Aménagements urbains Margelles et dalles pour piscines
  75. Outillage Perceuse-visseuse de 18 V
  76. Assainissement Séparateurs d'hydrocarbures allégés
  77. Structures, fondations Mortier de réhabilitation pour réseaux sollicités
  78. Matériaux Superplastifiants pour bap et préfabrication
  79. Outillage Scies double lame à mouvements inversés
  80. Façades, bardages Corniche industrialisée concave
  81. Protection de travail Bottes légères imperméables à 100 %
  82. Les cimentiers investissent le Net
  83. Beton Pleins feux sur la mise en oeuvre
  84. Béton Esthétique
  85. Béton esthétique - Préfabrication Un double éventail de mégastructures réglées au millimètre
  86. Béton esthétique - Voirie Association de matériaux autour d'une place publique
  87. Béton esthétique - Béton banché Double injection pour des parements nets
  88. Béton esthétique - Bâtiment CGE de Toulouse : 3700 m2 de béton blond
  89. Béton esthétique - Réhabilitation Le Havre : respecter l'authenticité des façades
  90. Le lexique du béton esthétique
  91. Structures - 127 m de voile de 14 m de haut coulés en 13 fois
  92. Structures - BUHP et post-contrainte pour conforter un silo
  93. Sécurité - Des banches soumises à des conditions extrêmes
  94. Un nouveau béton ultraperformant
  95. Le Ductal à l'essai
  96. Pate de nettoyage du béton
  97. Deux portails dédiés au calcul de structures
  98. Enduit coupe-feu
  99. Ciments en sacs de 35 kg
  100. Adjuvant pour la préfabrication
  101. Sous-enduit monocouche d'imperméabilisation
  102. Abrasif à projeter pour le nettoyage des surfaces
  103. Hydrofuge en phase aqueuse
  104. Lasure béton
  105. Agent de viscosité
  106. Logiciel de calcul
  107. Dalle en béton précontraint
  108. Systèmes décoratifs pour revêtements de sols extérieurs
  109. Superplastifiant
  110. Connecteur pour plancher mixte acier-béton
  111. Mortier de réparation pour tunnel
  112. Désactivant de surface sans solvants
  113. Sites Internet
  114. Bétons innovants Le temps de l'audace
  115. Béton Ductal Maison-galerie au Muy (Var)
  116. Béton autoplaçant Centre d'art et de culture a Meudon (Hauts-de-Seine)
  117. Béton composite en façade 125 logements à Paris
  118. Coques en béton autoplaçant Couverture des quais de la gare d'Austerlitz, avenue de France, Paris
  119. Voiles gris et blancs 30 logements en accession sociale pour l'OPAC de Paris
  120. Voûte en 3 coques Jetée du terminal 2E à Roissy
  121. Des matériaux autonettoyants et dépollueurs
  122. Une peau métallique appliquée par projection thermique
  123. Construire avec les bétons architectoniques
  124. CONJONCTURE Le marché du béton ralentit
  125. Les TP et les grands chantiers tirent l'activité du béton
  126. Edition 2004 du guide Calcia
  127. Concours d'architecture CIMBETON 2004
  128. Un site internet pour « Adimer » le béton

-La démarche maturométrique, extrapolation des lois de Nurse et Saul et d'Arrhenius, permet de connaître à tout moment la résistance atteinte par le béton et son degré d'hydratation.

Il fut un temps où on avait le temps... Le temps nécessaire à la bonne prise du béton, quitte à attendre sans que l'économie du chantier soit remise en cause, au-delà des délais nécessaires. Dès lors, laisser le béton travailler pendant la nuit pour qu'il atteigne la résistance optimale ne posait pas de problème.

Ce n'est plus le cas aujourd'hui quand les délais hypertendus de réalisation s'ajoutent à des conditions de chantier parfois acrobatiques et à des prix à la limite du déséquilibre. Ce constat pris en compte depuis une dizaine d'années joue au final sur l'économie globale du chantier : tout retard comporte une double sanction issue du non-respect des engagements de l'entreprise et des efforts qu'elle doit fournir pour le rattraper. Sans omettre les risques pesant sur la sécurité des hommes.

De façon simple, l'équation à résoudre est la suivante : comment obtenir la certitude qu'une partie d'ouvrage béton, coulée à un instant t donné, a atteint une résistance satisfaisante à l'instant t + n pour que l'on puisse poursuivre la réalisation, sachant que cette durée n tourne autour de 14 à 18 heures, un délai à l'échelle du chantier. Dans le cas où cette résistance ne serait pas acquise alors que l'enchaînement des opérations s'effectue conformément au phasage prévu, les risques sont les suivants : une résistance insuffisante qui peut provoquer des fissurations ou ruptures dans l'ouvrage, des fléchissements dans les encorbellements, des modifications de teinte en raison d'une hydratation insuffisante, etc. Cette dernière conséquence n'est pas mineure à une époque où les exigences des maîtres d'oeuvre et des maîtres d'ouvrage sont croissantes sur les aspects esthétiques.

Pratiquement, cette équation se traduit par deux questions.

Comment vérifier, a priori, que les dispositions de formulation du béton et les dispositions concernant sa fabrication et les outils de mise en oeuvre et de cure (isolation des coffrages, traitements thermiques) permettent de respecter les objectifs ? Et, en corollaire, ces moyens sont-ils suffisants pour assurer le respect des cycles sur la durée du chantier (en tenant compte des effets saisonniers, bétons chauds en été, froids en hiver) ?

En cas de réponse positive, comment contrôler l'évaluation faite précédemment (fondée sur les seuls résultats de laboratoire) et comment vérifier la satisfaction des critères imposés en production ?

C'est là qu'intervient la démarche maturométrique qui apporte une réponse à cette problématique. Cette démarche est fondée sur une connaissance ancienne : le développement de la résistance d'un béton dépend de son histoire thermique. Ainsi, par exemple, un béton qui évolue pendant une journée à 20 °C atteindra la même résistance en 12 heures à 30 °C alors qu'il lui faudra environ 48 heures à 10 °C (voir graphique page suivante).

Les limites des éprouvettes dites d'information

Pour accélérer la prise, on utilisait autrefois des installations d'étuvages, des installations lourdes, nécessitant une surveillance constante. Aujourd'hui, les formulations ont évolué et l'introduction d'adjuvants permet de s'affranchir de ce procédé. Encore faut-il disposer des moyens de vérification adéquats pour s'assurer qu'en tous points, l'ouvrage a atteint la résistance préalablement fixée. L'exploitation d'éprouvettes dites d'information ne permet pas d'acquérir, pour chaque partie de l'ouvrage, la connaissance de la résistance atteinte par le béton.

Dans le cas par exemple, de voussoirs de ponts, il existe des éléments massifs, les âmes, et des éléments minces, les encorbellements. Où mettre l'éprouvette et surtout comment s'assurer qu'elle reproduit l'évolution de la température dans chaque partie ? Il s'agit quasiment d'une gageure car, placée dans le coffrage, elle donnera des résultats surestimés par rapport à la réalité, placée dehors, elle sous-estimera le plus souvent la résistance et, de ce fait, pénalisera indûment le chantier.

Condition : évolution thermique semblable entre l'ouvrage et les éprouvettes

Notons également que la géométrie et la taille de l'éprouvette (16 32 cm, 11 22, 10 10, etc.) ainsi que le caractère plus ou moins isolant de son moule (plastique, carton, acier) modifient très sensiblement les conditions de maturation (durcissement) du béton et peuvent induire des écarts allant de 1 à 3 pour les résistances au jeune âge.

Pour que les éprouvettes d'information puissent prétendre donner une information pertinente sur la résistance du béton de l'ouvrage en un point donné, il faut que leur évolution thermique soit identique à celle du point de l'ouvrage considéré.

Une approche en ce sens a été réalisée par la commercialisation de moules d'éprouvettes munies de capots chauffants qui permettent d'asservir l'élévation de température du béton de l'éprouvette à l'élévation de température constatée (par thermocouple) en un point de l'ouvrage. Le risque lié à ce procédé réside dans le fait que le dispositif d'« asservissement » en température ne permet pas de gérer les diminutions de températures telles qu'elles sont constatées sur ouvrage (cas des encorbellements lors des bétonnages en hiver), ce qui se traduit par le fait que les informations de résistance obtenues sont supérieures à la résistance du béton de l'ouvrage. Enfin, il est utile de rappeler que le recours aux éprouvettes d'information nécessite pour connaître la résistance du béton (de l'éprouvette) de réaliser leur écrasement sous presse. Cette disposition induit un temps de préparation, transport, exécution des mesures qui est incompatible avec une gestion « au plus tôt » de l'enchaînement des tâches sur chantier ou en usine de préfabrication.

De ce qui précède, nous pouvons retenir les trois points suivants.

Les éprouvettes dites d'information sont incapables de fournir une évaluation objective de la résistance de l'ouvrage.

La variabilité naturelle des conditions de bétonnage (conditions climatiques) induit des « cycles thermiques » également variables sur le béton de l'ouvrage, affectant en cela le développement de l'hydratation.

La prise de température du béton dans l'ouvrage au point à contrôler est nécessaire à la détermination de la résistance du béton.

La démarche maturométrique

La démarche maturométrique (voir encadré ci-dessus) a précisément pour objet l'établissement, pour un béton donné, d'une relation biunivoque entre son degré d'hydratation (résistance mécanique en particulier) d'une part et son histoire thermique depuis sa fabrication d'autre part.

La réaction d'hydratation étant thermo-activée, il convient, aux fins de modélisation, de choisir une « fonction de maturité » c'est à dire une relation qui permette de quantifier les effets de la température sur la cinétique d'hydratation du béton. Parmi ces « fonctions de maturité », nous pouvons en noter deux.

Celle (linéaire) introduite par Nurse et Saul en 1949 :

f(q) = K (q- qo), où

K = constante de proportionnalité

q = température du béton

qo = température pour laquelle la réaction d'hydratation s'arrête (environ -10 °C).

Celle, plus généralement utilisée (car traduisant mieux les effets de la température) proposée par Arrhenius, qui décrit l'incidence de la température sur la cinétique réactionnelle entre deux composants :

f(q)K. exp (E/R.1/q)

E/R est l'énergie d'activation apparente du béton

q est la température du béton (en degrés Kelvin)

Il résulte de ce qui précède que la fonction de maturité, en permettant de traduire convenablement les variations de vitesse de processus d'hydratation sous l'effet des variations de température, autorise la comparaison des degrés d'hydratation d'un même béton ayant subi des histoires thermiques différentes.

En fait, le degré d'hydratation étant une notion peu explicite pour les hommes de l'art (compagnons, ouvriers, conducteurs de travaux), l'usage s'est répandu de traduire le degré d'hydratation du béton sur ouvrage par l'âge équivalent à 20 °C, c'est à dire au temps qu'il aurait fallu au même béton conservé à 20 °C pour acquérir le même microstructure (ou résistance).

Les trois courbes de la page 80 résument la démarche. La première courbe donne l'évolution de la température (mesurée avec des thermocouples) sur deux séries d'éprouvettes fabriquées à partir d'une même charge de béton mais placées dans des ambiances thermiques différentes.

La deuxième illustre l'évolution des résistances mécaniques mesurées sur les deux populations d'éprouvettes.

Quant à la troisième courbe, dite courbe de référence, elle est obtenue à partir des deux courbes précédentes, en considérant qu'à une valeur de résistance correspond un degré d'hydratation identique (détermination du E/R apparent du béton) et permet de relier la résistance en fonction de l'âge équivalent à 20 °C.

Dès lors, il ne reste plus, en fonction d'une résistance fixée par avance, qu'à repérer à l'aide de la courbe de référence le temps équivalent nécessaire pour que le béton l'atteigne.

Ce principe, appliqué à plusieurs ouvrages, a permis de traiter les deux grands types de phénomènes évoqués plus haut : la résistance et donc la tenue de l'ouvrage et le maintien et la régularité de la teinte. S'il n'est pas rare d'appliquer la maturométrie à la résistance, plus originale et moins courante est l'application de cette méthode à la stabilisation de la teinte. Pourtant, dans les deux cas, il s'agit de maîtriser l'hydratation du mélange ; degré d'hydratation lié en particulier, à l'histoire thermique du matériau.

PHOTOS : (1) : Une parfaite régularité de teinte. Les ouvrages de l'extension de Roissy nécessitent, du fait de la volonté du maître d'ouvrage, une parfaite régularité de teinte. L'application de la méthode maturométrique a permis de modéliser l'hydratation du béton et de ce fait d'obtenir enfin le résultat escompté.

(2) : Pour le viaduc du Scardon, le cycle de réalisation a été ramené à quatre jours au lieu de sept (voir encadré p. 71).

SCHEMA : Modélisation des vitesses d'hydratation

Des essais sur éprouvettes à la courbe de référence

En se fondant sur les lois de Nurse et Saul et d'Arrhenius, il est possible d'établir des courbes de référence dont la synthèse permet de relier la résistance du béton à son âge équivalent à 20°

Une application à la résistance

Appliquée au béton (B45) du tablier du viaduc du Scardon (A16, entreprise Razel), la maturométrie a permis d'optimiser les cycles de poussage

Une application à la résistance

Appliquée au béton (B45) du tablier du viaduc du Scardon (A16, entreprise Razel), la maturométrie a permis d'optimiser les cycles de poussage

La cycle a ainsi pu être ramené à une durée de 4 jours (au lieu de 7), permettant un gain de deux mois sur le délai d'exécution. Les contrôles effectués sur le béton en cours d'exécution des travaux ont montré que les écarts de valeurs de résistance mesurées et celles estimées par le modèle étaient inférieurs à 2 Mpa.

Pour cet ouvrage, dont l'exécution s'est déroulée de juin 1996 à février 1997, la formulation du béton a été conduite par le fournisseur d'adjuvants (MBT) de façon à ce que la rhéologie puisse être assurée en été. « L'objectif, précise Gaël Cadoret, était d'aboutir à une rhéologie de 12 à 15 cm après une heure », alors que les performances mécaniques (15 Mpa à 18 heures) devaient pouvoir être maintenues y compris en hiver. Cette contrainte a nécessité l'introduction d'un accélérateur de prise et durcissement, qui, sans modifier le E/C du béton(régularité de teinte), permettait le respect du cycle de fabrication. Il est à noter que l'étude des compléments d'adjuvantation pour la période hivernale a été conduite en plein mois d'août.

« L'expérience est d'autant plus intéressante, ajoute Guillaume Francqueville, de MBT, que les essais en laboratoire ont permis de réduire de moitié la quantité d'adjuvant que l'on pensait devoir fixer à l'origine à 1 % et qui fut finalement utilisée qu'à 0,5 % ».

Formaliser les conditions de mise en oeuvre

Dans le cadre du Projet national, dirigé par M. Delacourt, un groupe de travail, animé par Paul Acker (LCPC) associant entreprises, maîtres d'oeuvre, laboratoires, bureaux d'études, traite de la maturométrie. Il a pour objectif de préciser et de formaliser les conditions nécessaires à la mise en oeuvre, sur chantier ou en usine de préfabrication, de la démarche maturométrique.

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