RECOMMANDATIONS POUR LA CONSTRUCTION EN BÉTON DES OUVRAGES D’ÉPURATION DES EAUX

Le présent document s’adresse aux maîtres d’ouvrages, entrepreneurs, bureaux d’études et de contrôles préoccupés par la conception et la réalisation de bassins pour stations d’épuration.

Il met à leur disposition, autant que faire se peut, des données acquises dans la conception et l’exécution de ces ouvrages. L’auteur de tout projet doit, en tout état de cause, en analyser les données spécifiques. En effet, celles-ci peuvent différer de celles prises en compte dans le présent document ou se situer hors de son champ d’application.

Il est expressément stipulé que toutes les données, informations ou autres figurant dans le présent document n’ont qu’une valeur indicative et ne sauraient, en aucun cas et à quelque titre que ce soit, engager directement ou indirectement la responsabilité de FEBELCEM, de ses membres et de toutes personnes et autres organismes ou entreprises ayant participé à son élaboration.

Les recommandations qui suivent s’appuient sur de nombreux essais réalisés en laboratoire et sur chantier. Nous tenons à remercier le laboratoire des essais du Centre de Recherches de l’Industrie Cimentière pour la réalisation de ces essais.

Introduction

Les stations d’épuration et tous les ouvrages annexes tels que les collecteurs constituent un domaine de prédilection pour l’ingénierie civile où le béton, et donc le ciment, occupent une place de choix.

Dans les stations d’épuration, le béton peut revêtir les formes les plus complexes. Son utilisation doit toujours permettre la réalisation de constructions durables, économiques et à frais d’entretien réduits. La conception et l’exécution d’une station d’épuration ne sont pas choses aisées. Les critères principaux à prendre en considération par les auteurs de projets et les entrepreneurs sont la durabilité et l’étanchéité à l’eau des constructions.

Un béton compact et de haute qualité est étanche. Pour cela, il doit comprendre une teneur en ciment suffisante et avoir un rapport Eau/Ciment faible. Il sera correctement mis en œuvre, bien vibré et protégé contre la dessiccation pour être imperméable et durable dans la masse. L’étanchéité de ce béton sera alors subordonnée à la maîtrise de sa fissuration. Celle-ci est un phénomène inhérent aux constructions en béton. Toutefois, lorsqu’une paroi ou un mur est soumis à la pression de l’eau, le problème de la fissuration peut atteindre une ampleur telle que l’étanchéité de l’ouvrage s’en trouve compromise.

La maîtrise du processus de fissuration exige certaines précautions au stade de la conception mais également en cours d’exécution. Sur chantier, il faudra donc veiller spécialement à la prévention de la fissuration et éviter au maximum les possibilités de fuites, sous toutes ses formes. L’entrepreneur devra donc veiller à la finition soignée des joints de reprise, au placement adéquat des armatures pour contrôler et maîtriser notamment le retrait du béton, etc…

En bref, la durabilité d’une infrastructure en béton, et en particulier, celle d’une station d’épuration nécessite des compétences au niveau de la conception et de la réalisation et un béton de grande qualité.

1.SPÉCIFICATION ET COMPOSITION DU BÉTON

Pour la construction de stations d’épuration, le béton doit posséder des caractéristiques particulières :

• êtreimperméableàl’eau;
• êtrehautementrésistantaugel;
• être hautement résistant aux agressions chimiques ; •…

Seul du béton compact et de qualité, ayant une structure de pores bien fermée, comportant le type de ciment adéquat et une teneur en ciment suffisante, peut répondre à ces nombreuses exigences spécifiques.

Les règles à suivre pour l’obtention d’un béton de qualité sont fixées dans les normes NBN EN 206 − 1 : 2001 et NBN B 15-001 : 2004 « Béton – Spécification, performances, production et conformité ».

Selon ces normes, le béton est spécifié à l’aide de 4 données de base, à savoir (il s’agit de béton à propriétés spécifiées) :

• la classe de résistance ;
• la durabilité exprimée par le domaine d’utilisation et la classe d’environnement ; – la classe de consistance ;
• la dimension nominale maximale des granulats.

De plus, il peut encore être utile de définir des exigences complémentaires. Celles-ci peuvent concerner :

• la composition (par exemple le type de ciment, la teneur minimale en ciment, le type de béton, la présence d’air entraîné pour les classes d’environnement EE4 et ES4) ;
• lamiseenœuvre;
• le béton durci (par exemple limitation de l’absorption d’eau selon l’annexe 0 de la norme NBN B 15-001 : 2004).

Le tableau 1 ci-après (page 5) donne les spécifications de différents bétons entrant dans la construction d’ouvrages d’épuration des eaux. Ce tableau appelle les commentaires suivants :

• les bétons en contact avec des sels de déverglaçage et/ou des eaux usées sont des bétons dont le rapport Eau/Ciment est de maximum 0,45 et dont la teneur en ciment est de minimum 365 kg/m3. Ces exigences très sévères sont absolument nécessaires pour :
• assurer une bonne mise en place du béton tout en garantissant un rapport E/C ≤ 0,45 ; en effet, un tel rapport E/C combiné avec une teneur en ciment de 365 kg conduit à une teneur en eau efficace de 164 l/m3, cette teneur en eau est absolument nécessaire pour un béton mis en œuvre classiquement ;
• garantir une faible absorption d’eau des bétons ; ce point sera examiné plus loin (§ 2.4) ;
• garantir une bonne résistance aux sels de déverglaçage ; ce point sera également discuté plus loin (§ 3) ;
• garantir une bonne résistance à l’usure des bétons, ce qui est essentiel au niveau des chemins de roulement des bassins de décantation.
• la classe de consistance des bétons pour la construction de voiles est S3, soit, selon la norme NBN EN 206-1 : 2001, une valeur d’affaissement au cône d’Abrams comprise entre 100 et 150 mm ; cette spécification permet d’assurer une bonne ouvrabilité au béton tout en n’autorisant pas les valeurs extrêmes de la classe S4 (160 à 210 mm); selon cette même norme, les écarts maxima admissibles des résultats individuels d’essai par rapport aux limites spécifiées sont de(1) :
• 10 mm sur la valeur inférieure voire 20 mm dans le cas où l’essai de consistance est effectué au début du déchargement du camion malaxeur et ;
• 20 mm sur la valeur supérieure voire 30 mm dans le cas où l’essai de consistance est effectué au début du déchargement du camion malaxeur ;
• il faut toujours choisir la dimension maximale des granulats (Dmax) le plus élevé possible et compatible avec les exigences de l’ouvrage (espacement des armatures entre lesquelles doit pouvoir passer le béton, épaisseur d’enrobage de celles-ci) ; un Dmax plus élevé permet de fabriquer un béton avec une plus faible teneur en mortier et donc d’enrichir la pâte en ciment ce qui améliore la durabilité.

Ainsi, tous les résultats de consistance doivent être inférieurs à 180 mm en classe S3. Il est important de ne pas mettre en œuvre des bétons présentant un affaissement au cône proche des valeurs extrêmes de la classe S4 afin :

• d’éviter tout risque de ségrégation lors de la mise en place du béton sur de grandes hauteurs ;
• de faciliter les opérations manuelles de lissage et de talochage de la face supérieure des voiles. Ces opérations s’exécutent en général avec incorporation d’un mélange ciment-quartz à raison de 3 à 6 kg/m2 afin de durcir la surface et d’améliorer la résistance au gel en présence de sels de déverglaçage.

Tableau 1 – Spécifications de différents bétons entrant dans la construction d’ouvrages d’épuration des eaux

2.L’ÉTANCHÉITÉ À L’EAU

Pour obtenir une bonne étanchéité à l’eau d’une construction en béton, quatre conditions de base doivent être remplies :

1. Maîtriser les déformations (sans charge) du béton (retraits endogène, plastique, hydraulique et thermique) ;
2. Prévoir des armatures correctement dimensionnées et disposées pour limiter et contrôler la fissuration du béton ;
3. Planifier et exécuter adéquatement les joints de reprise et de construction ;
4. Réaliser un béton compact, de structure bien fermée et donc de faible porosité.

2.1. Maîtrise du retrait

Dès que le contact entre le ciment et l’eau s’effectue, des hydrates précipitent et s’organisent en formant une structure dont la cohésion évolue progressivement. L’action de l’eau pendant cette phase est fondamentale et son rôle est variable. Dans le même laps de temps, il y a une superposition de plusieurs phénomènes qui concourent tous vers une réduction du volume apparent : cette contraction ou retrait résulte de plusieurs processus :

• réaction d’hydratation (retrait endogène sans évaporation) ;
• évaporation de l’eau de gâchage en cours de prise (retrait plastique) ;
• tassement du béton frais (par gravité, par ségrégation et ressuage de l’eau) ;
• retrait hydraulique par départ d’eau après durcissement (aussi appelé retrait de séchage) ;
• retrait thermique dû à l’abaissement de la température succédant soit à l’échauffement occasionné par la chaleur d’hydratation du ciment (réaction exothermique), soit à la variation thermique du milieu de conservation.

C’est surtout la fissuration due aux effets de retrait empêché qui, en pratique, constitue la conséquence la plus préoccupante pour la qualité et la durabilité des bétons.

Le tableau 2 ci-après résume les risques de fissuration en fonction du type de retrait.

Tableau 2 – Risques de fissuration en fonction du type de retrait

2.1.1. Le retrait plastique

Le retrait en phase plastique du béton résulte d’un séchage rapide du mélange non encore durci, principalement en surface, sous l’effet du vent ou de l’ensoleillement ou encore sous l’effet de succion d’une couche inférieure sèche. Cette dessiccation provoque une diminution de volume considérable (0,4 à 4 mm/m : retrait libre – fig. 2 -) pouvant être jusqu’à 10 fois supérieure au retrait du béton en phase de durcissement.

Ce changement de volume est compensé au début pour une grande partie par la déformabilité du béton frais. Durant la prise, le béton durcit progressivement. Tant que la surface reste humide, aucune contrainte capillaire ni aucune fissuration ne survient. En ce sens, le ressuage en soi n’est pas la cause de la fissuration due au retrait en phase plastique et agit même comme protection. En effet, lorsque la surface est entièrement séchée, les fissures de retrait plastique apparaissent. Elles sont causées par les contraintes de traction résultant du retrait, engendré par l’évaporation de l’eau du béton frais encore trop peu résistant pour pouvoir s’y opposer.

Diagrammes de retraits libres mesurés sur de petites éprouvettes. Dans la pratique, il y a lieu de considérer non pas les valeurs absolues mais les rapports entre valeurs figurant sur ces diagrammes. En effet, il ne faut pas s’imaginer qu’une dalle de béton soumise à un vent de 15km/h se fissurera au point que la somme des ouvertures des fissures répartiessur 1m donnera 4 mm! Parfriction sur son coffrage, par fluage plastique, le béton frais s’adaptera plus ou moins à son nouveau volume mais le risque de fissuration et/ou l’ouverture des fissures sera accrue dans les proportions relevées sur ces diagrammes.

Prévention de la fissuration plastique

Cette fissuration peut sûrement être évitée moyennant les précautions suivantes :

• par temps chaud : réduire la température du béton frais ;
• à la composition : éviter l’excès d’eau et humidifier les granulats pouvant absorber de l’eau ;
• avant la mise en place : humidifier, lorsque par leur nature ils peuvent absorber de l’eau, les coffrages, fond de coffre ou autres aires en béton ;
• à la mise en place : par temps chaud, empêcher, par une isolation appropriée, l’échauffement du béton suite à l’ensoleillement ; par temps froid, éviter le contact d’un béton relativement chaud avec l’air frais ;
• directement après la mise en place et dans tous les cas : protéger les surfaces exposées par un produit de cure, membrane imperméable ou autre procédé en réduisant, autant que le permet l’exécution, le délai entre la coulée du béton et l’application de ces moyens de protection.

Le principe consiste donc à retenir l’eau dans le béton en empêchant l’évaporation. Pour maintenir l’humidité, le béton est couvert d’une bâche de plastique ou un produit de cure est appliqué par pulvérisation. Dans le cas du béton coffré, le fait de garder les coffrages en place aide également à maintenir l’humidité dans le béton. Néanmoins, il y a toujours lieu de protéger la surface supérieure non coffrée. Après décoffrage, les bétons doivent encore être protégés quelques jours en les couvrant d’une toile qui sera maintenue humide voire d’un plastique (fig.3).

La protection du béton frais contre la dessiccation doit avoir lieu le plus rapidement possible après la mise en œuvre du béton. La fig. 4 montre les pertes en eau que subissent des éprouvettes de béton (400 kg/m3 de ciment CEM I 42,5 R – E/C = 0,48) exposées en laboratoire à 35°C et 40 % d’humidité relative et protégées ou non par un produit de cure. Les pertes en eau maximales se produisent durant les 6, voire les 24 premières heures après leur fabrication.

La durée de la protection dépend d’un grand nombre de facteurs (conditions climatiques, composition du béton, type de ciment, …). Le tableau 3 ci-après donne les durées minimales recommandées en jours. Il ne faut pas perdre de vue que la protection n’est pas seulement efficace contre l’apparition des fissures durant les 6 premières heures, mais également plus tard car c’est alors que se développe une bonne partie du retrait après prise. Ce retrait, moindre quant à son ampleur, est toutefois très dangereux quant à ses effets car il agit sur une matière déjà solidifiée, mais encore trop peu résistante.

Tableau 3 – Recommandations concernant la durée de la cure

2.1.2. Le retrait endogène

L’hydratation du ciment se poursuit très largement après la prise, comme en témoigne l’évolution des caractéristiques mécaniques du béton à long terme. Or, l’hydratation consomme une partie relativement faible de l’eau de gâchage : 15 à 20 litres pour 100 kg de ciment, soit moins de la moitié de l’eau incorporée dans un béton ordinaire. La poursuite de l’hydratation entraîne, dès le début de la prise, une dessiccation au sein du matériau (il s’agit d’auto-dessiccation, pour la distinguer de la dessiccation qui signifie séchage avec départ d’eau vers l’extérieur), tout simplement parce que l’augmentation du volume de matière solide est inférieure au volume de l’eau qui a été consommé dans la réaction. Cette diminution du volume relatif entraîne donc une déformation que l’on appelle retrait endogène.

Le retrait endogène (retrait mesuré en l’absence de tout échange d’eau avec le milieu ambiant et corrigé des déformations d’origine thermique) reste cependant faible mais peut être non négligeable lorsque ce retrait s’ajoute aux autres formes de retrait. De plus, si ce retrait est empêché ou même simplement gêné dès le début de la prise (support rigide continu, reprise de bétonnage), il constitue souvent une composante non négligeable de la fissuration précoce.

A noter également que la cinétique d’évolution du retrait endogène suit assez fidèlement celle de l’évolution des résistances mécaniques : très rapide dans les premiers jours, son avancement est de 80 à 90 % à 28 jours.

2.1.3. Le retrait hydraulique

Le retrait hydraulique résulte du lent séchage du béton. Pour simplifier, on désigne couramment par retrait hydraulique la diminution de volume du béton observée au fur et à mesure de son séchage dans le temps. Plus la quantité d’eau non liée s’évapore rapidement, plus le retrait du béton est élevé et rapide. Ce processus de séchage et le retrait qui en résulte est d’autant plus élevé et rapide que l’excès d’eau non liée est important (E/C élevé) car la porosité et la perméabilité du béton augmentent, ce qui accélère encore le phénomène.

La valeur finale du retrait hydraulique se situe généralement entre 0,3 et 0,8 mm/m. Cette valeur dépend essentiellement de la quantité d’eau du béton. Toute augmentation du dosage en eau entraîne une augmentation relative deux fois plus grande de la valeur du retrait. D’où l’importance de minimiser la demande en eau d’une recette de béton grâce au choix approprié et au contrôle régulier de la granularité du mélange, en particulier celle des sables.

Prévention de la fissuration par retrait hydraulique

Les mesures suivantes permettent d’éviter la fissuration due au retrait hydraulique :

• choisir une granularité du béton continue et un diamètre nominal du granulat le plus élevé possible (de manière à minimiser la porosité du mélange et à réduire le plus possible sa demande en eau) ;
• réduire à un niveau optimal le rapport E/C au moyen d’adjuvants superplastifiants (en règle générale, E/C ≤ 0,50) ;
• prévoir des joints de retrait ;
• appliquer les mesures et les durées de cure recommandées ci-avant ;
• prévoir une armature minimale suffisante et/ou des fibres métalliques de manière à répartir la fissuration (l’apparition de multiples micro-fissures est souvent moins préjudiciable que l’apparition de fissures moins nombreuses et largement ouvertes – cette recommandation sera examinée plus en détail au § 2.2). 2.1.4. Le retrait thermique

L’hydratation du ciment s’accompagne d’un dégagement de chaleur. Cela peut donner lieu à une augmentation considérable de la température du béton. Celle-ci peut éventuellement aussi avoir lieu lors d’une variation thermique du milieu de conservation (ensoleillement direct après décoffrage par exemple). Dans la période de refroidissement ultérieure c’est-à-dire de contraction ou de retrait thermique, des fissures peuvent se produire lorsqu’un obstacle empêche le retrait de l’élément. Il s’agit de fissuration par bridage des mouvements d’ensemble. Une fissuration peut également avoir lieu par gradient thermique. Celle-ci a lieu lorsque la température de la zone située en bordure des surfaces d’échange (appelée « peau » du béton) diminue beaucoup plus rapidement que celle au cœur de la structure, ce qui génère un retrait nettement plus élevé en surface qu’au cœur. La peau du béton est donc soumise à des contraintes de traction très importantes alors que le cœur de la structure est en compression. Ce processus n’est, néanmoins, en général, que rencontré dans les pièces massives (plus de 50 cm d’épaisseur) et ne donne pas lieu à des fissures traversantes.

Le retrait thermique peut se calculer par la formule suivante : = T avec : = cœfficient de dilatation thermique du béton T = différence de température du matériau.

A l’état durci, le cœfficient varie de 7 à 14.10-6 m/m/°C. Il est fortement fonction du dosage et de la nature des granulats comme le montre la fig. 5. Pour un même T, le béton à base de gravillons roulés siliceux présentera un retrait thermique de 33 % plus élevé que le béton à base de gravillons concassés calcaire.

De plus, comme la fig.6(2) permet de le constater, la résistance à la traction des bétons à base de gravillons roulés est bien plus faible que celle des bétons à base de concassés (chute de 20 % à 2 jours et de 31 % à 28 jours).

REMARQUE : selon la norme NBN B15 – 002 : 1992, la résistance à la traction du béton fct peut être déduite de la résistance à la flexion fct, fl par la formule : fct = 0,5 fct, fl

2.1.4.1. Fissuration par bridage des mouvements d’ensemble

Tout élément de béton libre de ses mouvements, s’échauffant et se refroidissant de manière uniforme, se dilate puis se contracte sans être le siège d’aucune contrainte. Il en est d’ailleurs de même pour le retrait hydraulique.

En pratique, un élément massif de béton est très fréquemment bridé par des éléments préexistants, plus ou moins stabilisés, sur lesquels et/ou entre lesquels il est coulé.

L’évolution du phénomène est, dans tous les cas, similaire et trouve son origine dans le fait que l’hydratation du ciment est un processus chimique qui dégage beaucoup de chaleur. Ainsi, la température du béton augmente jusqu’à ce que les pertes de chaleur par la surface de l’élément de construction soient supérieures à la quantité de chaleur produite par l’hydratation. Cela est représenté schématiquement à la fig. 7 pour un élément de construction d’épaisseur moyenne, en même temps que le cheminement des contraintes lorsque la dilatation du béton jeune est entravée.

En s’échauffant, le béton se dilate. En cas de dilatation thermique entravée, la dilatation se transforme au début entièrement en déformation plastique n’engendrant pas de tensions. Les tensions de compression ne se produisent qu’à partir de la température T01 c’est-à-dire lorsque le béton oppose à la dilatation thermique une résistance mesurable. La sollicitation en compression n’est pas forte, car le module d’élasticité est encore bas, et le pouvoir de relaxation (réduction des contraintes par le fluage) encore élevé.

Lorsque le béton refroidit, les tensions de compression sont de nouveau réduites et se transforment en tensions de traction à la seconde température à tension nulle T02. A partir de ce moment, la contraction empêchée du béton mûri donne lieu à des contraintes de traction de plus en plus importantes car le module d’élasticité est déjà élevé et le fluage réduit.

Une évolution du module d’élasticité est donnée à la fig. 8 ci-après, selon Acker P. du Laboratoire central des Ponts et Chaussées. Ce graphique confirme les résultats de laboratoire obtenus.

Des fissures traversantes peuvent se former lorsque le refroidissement se poursuit jusqu’à une température à laquelle les tensions sont supérieures à la résistance à la traction du béton.

Pour rappel, la déformation limite en traction est proche de 150.10-6 m/m. Sur base d’un cœfficient de dilatation thermique de 10.10-6 m/m/°C, la chute de température T pouvant amener la fissuration est :

T = 150.10-6 = 15 °C 10.10-6

La fissuration se caractérise :

• par son ampleur (ouverture) ; sur base du précité, la contraction par refroidissement est d’environ 0,1 mm/m par 10 °C ; l’addition du retrait endogène, et à terme du retrait hydraulique, accroîtra cette contraction ;
• par sa distribution et son orientation ; comme le montre la fig. 9, les fissures affectent la plupart du temps une allure plus ou moins verticale et concernent toute l’épaisseur de la paroi ; elles semblent s’amorcer à quelques dizaines de centimètres du sol pour terminer leur parcours à une certaine distance du bord supérieur de l’élément.

N.B.

• En réalité, le phénomène est beaucoup plus complexe car aux mouvements de contraction s’ajoutent, dans bien des cas, des effets de flexion, sans compter l’incidence conjointe du gradient thermique.
• A part le cœfficient de dilatation qui peut être considéré comme constant, le module d’élasticité, la résistance de rupture à la traction du béton, le fluage et l’adhérence acier-béton évoluent sans cesse au cours du durcissement mais aussi différemment. En effet, à très jeune âge, le développement de la rigidité est beaucoup plus rapide que celui de la résistance, ce qui augmente le risque de fissuration puisque la génération de contraintes est fonction du module d’élasticité (la rigidité) et la capacité à résister à ces contraintes est fonction de la résistance. Sur différents bétons de laboratoire fabriqués avec 365 kg/m3 de ciments HSR de différents types et de rapport E/C égal à 0,45 ou 0,50, le module d’élasticité statique à 2 jours varie entre 70 et 81 % de celui à 28 jours, tandis que la résistance à la traction à 2 jours varie entre 27 et 47 % de celle à 28 jours.

2.1.4.2. Fissuration par gradient thermique

Tous les auteurs s’accordent à citer des écarts de température de 15 à 20 °C entre la face extérieure et le cœur du béton comme suffisants pour engendrer des fissures. Ceci peut être le cas lorsque la surface se refroidit plus rapidement que le cœur (généralement au décoffrage). Le diagramme des contraintes prend alors la forme parabolique comme représenté à la fig. 10 et la fissuration naît en surface.

2.1.4.3. Analyse de quelques cas

Les fig. 11 à 13 donnent l’évolution de la température dans différents voiles par thermocouples posés environ à mi-hauteur et ce depuis la mise en œuvre du béton.

La fig. 11 nous permet de constater que :

• la température du béton augmente de 20 à 45 °C ; cette augmentation de température trouve essentiellement sa cause au niveau de l’augmentation de la température ambiante (de 20 à 33 °C) ;
• les différences de température entre le milieu du voile et les parois Nord et Sud sont faibles et le restent après décoffrage (ensoleillement direct de la paroi Sud) ; le risque de fissuration par gradient thermique est donc nul ;
• le décoffrage à 24 heures d’âge du béton provoque une chute rapide des températures (plus de 20 °C) ; celle-ci est néanmoins légèrement compensée par l’augmentation de la température ambiante (jour n° 2) ; le risque de fissuration thermique par bridage est bien réel et dépend :
• du degré de retenue du voile, de ses dimensions ainsi que de sa courbure éventuelle (un élément courbe a plus tendance à se fissurer qu’un élément droit) ;
• de la résistance à la traction du béton (celle-ci est faible vu la teneur en ciment et le jeune âge du béton) ;
• du module d’élasticité du béton (celui-ci est probablement faible vu la teneur en ciment et le jeune âge du béton) ;
• de la relaxation éventuelle des contraintes par fluage (la capacité de relaxation est néanmoins très faible vu le refroidissement très rapide) ;
• éventuellement d’autres mouvements de contraction qui peuvent s’ajouter (retraits endogène et hydraulique) ;
• du pourcentage d’armatures horizontales utilisé ainsi que la répartition des armatures (il s’agit en fait de 2 nappes de 21 barres — 3 m de hauteur — de 12 mm de diamètre soit de 0,53 % d’armatures horizontales)

la suite (voir le document PDF)