Recommandations pour la prévention des désordres liés aux réactions sulfatiques internes

De nombreuses recherches, aussi bien au sein du réseau des laboratoires de l’équipement que dans les centres de recherches de l’industrie cimentière et l’industrie du béton préfabriqué, ont permis de mettre au point et de valider des principes de prévention à mettre en oeuvre.



Un groupe de travail piloté par le LCPC a rédigé des recommandations pour se prémunir contre le développement de réactions sulfatiques internes (RSI) et limiter le risque d’apparition des désordres induits par ces réactions. Elles font l’objet d’un guide technique publié en août 2007 intitulé: « Recommandations pour la prévention des désordres dus à la réaction sulfatique interne ».

Un groupe de travail piloté par le LCPC a rédigé des recommandations pour se prémunir contre le développement de réactions sulfatiques internes (RSI) et limiter le risque d’apparition des désordres induits par ces réactions. Elles font l’objet d’un guide technique publié en août 2007 intitulé: « Recommandations pour la prévention des désordres dus à la réaction sulfatique interne ».

Ces recommandations précisent des dispositions constructives à mettre en oeuvre pour la conception et la réalisation de l’ouvrage et des précautions à appliquer pour la mise en oeuvre et la formulation du béton. Elles sont complémentaires des spécifications de la norme NF EN 206-1.

Elles prennent en compte :

• la catégorie d’ouvrages ;
• les actions environnementales auxquelles seront soumises les parties d’ouvrages concernées pendant la durée d’utilisation de la structure;
• les conditions thermiques du béton lors de sa mise en oeuvre et au cours de son durcissement.

Les précautions à mettre en oeuvre sont fonction d’un niveau de prévention défini pour chaque partie d’ouvrage potentiellement « critique ». Sont concernées par ces recommandations uniquement les parties d’ouvrages en béton de dimensions importantes en contact avec l’eau ou soumises à une ambiance humide. Il s’agit de pièces massives ou « critiques » pour lesquelles la chaleur dégagée lors de l’hydratation du ciment (la prise et le durcissement du béton génèrent un dégagement de chaleur dû à l’exothermie des réactions d’hydratation) est peu évacuée vers l’extérieur, ce qui conduit à une élévation importante de la température au coeur du béton.

Le principe de la démarche préventive consiste à identifier les parties d’ouvrages susceptibles d’être soumises au phénomène de RSI, puis à définir un niveau de prévention nécessaire en fonction de la catégorie de l’ouvrage (catégories I à III du tableau 9, traduisant le niveau de risque que le maître d’ouvrage est prêt à accepter) ou de la partie d’ouvrage et des classes d’exposition spécifiques à la RSI (tableau 10), (intégrant l’importance des paramètres eau et humidité) traduisant l’environnement dans lequel se trouve le béton. À chaque niveau de prévention (As, Bs, Cs, Ds) correspond un niveau de précaution à appliquer.

Catégorie d'ouvrages	Niveau de conséquences d'apparition des désordres	Exemple d'ouvrage ou de partie d'ouvrage
I	Faibles ou acceptables	* Ouvrage en béton de classe de résistance inférieure à C 16/20 * Éléments non porteurs de bâtiment
II	Peu tolérables	* Éléments porteurs de la plupart des bâtiments et les ouvrages de Génie Civil
III	Inacceptables ou quasi inacceptables	* Bâtiments réacteurs de centrales nucléaires * Barrages, tunnels * Ponts et viaducs exceptionnels
Tableau 9 : catégorie d’ouvrages La catégorie d’ouvrages dépend de son utilisation et du niveau de conséquences en terme de sécurité que le maître d’ouvrage est prêt à accepter.

Classe d'exposition	Description de l'environnement	Exemples informatifs
XH1	Sec ou humidité modérée	* Partie d’ouvrage en béton située à l’intérieur de bâtiments où le taux d’humidité de l’air ambiant est faible ou moyen * Partie d’ouvrage en béton située à l’extérieur et abritée de la pluie
XH2	• Alternance d’humidité et de séchage • Humidité élevée	• Partie d’ouvrage en béton située à l’intérieur de bâtiments où le taux d’humidité de l’air ambiant est élevé • Partie d’ouvrage en béton non-protégée par un revêtement et soumis aux intempéries sans stagnation à la surface
XH3	• En contact durable avec l’eau • Immersion permanente • Stagnation d’eau à la surface • Zone de marnage	• Partie d’ouvrage en béton submergée en permanence dans l’eau • Partie d’ouvrage en béton régulièrement exposée à des projections
Tableau 10 : classes d’exposition de la partie d’ouvrage vis-a-vis de la RSI Ces classes d’exposition spécifiques à la RSI sont complémentaires des 18 classes d’exposition définies dans la norme NF EN 206-1. Elles doivent être spécifiées dans le CCTP pour chaque partie d’ouvrage susceptible d’être soumise au phénomène de RSI.

Il convient alors de mettre en oeuvre pour chaque partie d’ouvrage concernée les précautions adaptées à chaque niveau de prévention (tableau 11, obtenu par croisement des classes d’exposition et des catégories d’ouvrages).

Catégorie d'ouvrages	Classe d’exposition
		XH1	XH2	XH3
I	As	As	As
II	As	Bs	Cs
III	As	Cs	Ds
Tableau 11 : choix du niveau de prévention Le choix du niveau de prévention pour chaque partie d’ouvrage est de la responsabilité du maître d’ouvrage. Le niveau de prévention doit être spécifié dans le CCTP. Au sein d’un même ouvrage les parties susceptibles d’être soumises au phénomène de RSI peuvent être l’objet de niveaux de prévention différents.

Les précautions sont modulées en fonction du niveau de prévention. Elles portent en priorité sur la fabrication, le transport et la mise en oeuvre du béton. Des précautions sur la formulation sont aussi possibles si nécessaire.

Les précautions à appliquer sont fonction de chaque niveau de prévention par ordre croissant d’exigences de As à Ds. Elles visent essentiellement à limiter la température maximale susceptible d’être atteinte au coeur de chaque pièce critique.

À titre d’exemples :

• les précautions à appliquer pour le cas le plus courant, soit le niveau de prévention As, est la suivante : la température Tmax susceptible d’être atteinte au sein de l’ouvrage doit rester inférieure à 85 °C;
• Pour le niveau de prévention Bs, l’une des deux précautions suivantes doit être mise en oeuvre:
  • la température Tmax doit rester inférieure à 75 °C;
  • si Tmax ne peut rester inférieure à 75 °C, elle doit rester inférieure à 85 °C et une des conditions suivantes doit être respectée;
    • maîtrise du traitement thermique (durée du maintien de la température au-delà de 75 °C limitée) ;
    • utilisation d’un ciment adapté;
    • vérification de la durabilité du béton vis-à-vis de la RSI à l’aide de l’essai de performance (LPC n° 59).
• Au niveau de la conception et du dimensionnement des ouvrages, en évitant les zones de stagnation d’eau, en protégeant le béton par une étanchéité, en privilégiant les pièces creuses.
• Au niveau de la formulation: il est préférable de choisir des ciments à faible chaleur d’hydratation notés LH (cf. amendement A1 à la norme NF EN 197-1).
  
  A priori les 5 types de ciments courants (CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV et CEM V) sont utilisables. Une partie du CEM I peut aussi être substituée par des additions minérales (dans la limite permise par la norme NF EN 206-1) afin de diminuer l’exothermie de béton.
  
  Un compromis peut s’avérer nécessaire sur le choix du ciment adapté par exemple dans le cas de pièces critiques soumises à un gel sévère associé à des sels de déverglaçage et qui seraient susceptibles d’être aussi soumises à un risque de réaction sulfatique interne. En effet les recommandations relatives au gel imposent des dosages élevés en ciment de type CEM I, solution pas favorable pour limiter la température du béton au jeune âge.
  
  La détermination du ciment adapté doit donc faire l’objet très souvent d’une analyse multicritère privilégiant en priorité la durabilité de l’ensemble de l’ouvrage, en respectant les spécifications liées aux classes d’exposition, tout en prenant en compte de manière pertinente les exigences de mise en oeuvre.
• Lors de la fabrication (refroidissement des granulats, eau de gâchage froide…) et du transport du béton (réduction du temps de transport et d’attente des toupies).
• Au cours de la mise en oeuvre: il convient en particulier d’éviter le coulage des ouvrages en période de fortes chaleurs ou de mettre en oeuvre tous les moyens nécessaires pour réduire la température du béton (par exemple en incorporant des serpentins dans le béton dans lesquels on fait circuler de l’eau fraîche) et/ou de privilégier des coffrages non isolants.

Niveau de prévention	Température maximale du béton TMax	Température limite du béton TLimite	Conditions à respecter si température comprise entre TMax et TLimite
As	85 °C	/	/
Bs	75 °C	85 °C	– Maîtrise du traitement thermique ou – ciment adapté ou – essai de performance
Cs	70 °C	80 °C	– Maîtrise du traitement thermique ou – ciment adapté ou – essai de performance
Ds	65 °C	75 °C	– Ciment adapté – Validation de la formulation par un laboratoire indépendant expert en RSI
Tableau 12 : récapitulatif des précautions à appliquer vis-a-vis de la RSI

Ces dispositions doivent permettre :

• de limiter la température atteinte au sein du béton;
• d’éviter les contacts prolongés du béton avec l’eau.

Le LCPC a développé un essai de performance accéléré sur béton (méthode d’essai des LPC n° 66: réactivité d’une formule de béton vis-à-vis d’une réaction sulfatique interne) permettant d’évaluer la durabilité des couples « Formule de béton et échauffement du béton » vis-à-vis de la formation d’ettringite différée suivie d’expansion, qui soit représentatif des phénomènes observés dans des cas réels et adaptés aux conditions d’exécution, tels que le cycle de traitement thermique appliqué au béton lors de l’étuvage en usine de préfabrication et l’échauffement d’une pièce massive, de taille critique, coulée en place sur chantier. Cet essai d’une durée de 12 à 15 mois, consiste à caractériser le risque de gonflement d’un béton visà- vis de la RSI. Il permet de valider une formulation de béton en déterminant sa réactivité potentielle à la formation différée d’ettringite.

Le guide LCPC rappelle (annexe III) les principes de l’exothermie des réactions d’hydratation et l’incidence du dosage en liant et de sa nature. Il propose aussi (annexe IV) une méthode de calcul simplifiée permettant d’estimer la température atteinte au coeur du béton.

L’élévation de température au sein d’une partie d’ouvrage en béton est fonction :

• de l’exothermie du béton;
• de la géométrie de la partie d’ouvrage;
• de la température initiale du béton lors de la mise en oeuvre dans le coffrage;
• des déperditions thermiques liées en particulier au type de coffrage.

Ce calcul permet d’évaluer si la partie d’ouvrage doit être considérée comme une pièce critique visà- vis des risques de RSI. Il comprend une succession d’étapes :

• le dégagement de chaleur induit par le ciment à partir de données propres en particulier à son dosage et sa chaleur d’hydratation;
• la présence éventuelle d’additions minérales ;
• les déperditions thermiques.

Niveau de prévention	Ciment adapté
Bs	• Ciment conforme à la norme NF P 15-319 (ES) (1) • CEM II/B-V, CEM II/B-S, CEM II/B-C, CEM II/B-M (S-V), CEM III/A, CEM V (2) • CEM I en combinaison avec cendres volantes, laitiers de haut-fourneau (3) Proportion d’additions supérieure à 20 % (4)
Cs	• Ciment conforme à la norme NF P 15-319 (ES) (1) • CEM II/B-V, CEM II/B-S, CEM II/IB-C, CEM II/B-M (S-V), CEM III/A, CEM V (2) • CEM I en combinaison avec cendres volantes ou laitiers de haut-fourneau (3) Proportion d’additions supérieure à 20 % (4)
Ds	Ciment conforme à la norme NF P 15-319 (ES) (1)
Tableau 13 : recommandation sur le choix des ciments vis-à-vis de la RSI, selon le niveau de prévention 1. Dans le cas CEM I et CEM II/A. Teneur en alcalins équivalents actifs du béton limitée à 3 kg/m3. 2. Ciment avec teneur en So3 inférieure à 3 % et dont le C3A du clinker est inférieur à 8 %. 3. Le CEM I doit respecter C3A (rapporté au ciment) inférieure à 8 % et SO3 inférieure à 3 %. 4. La proportion d'addition doit respecter les spécifications de la norme NF EN 206-1.