Le bétonnage par temps froid

L’influence des températures froides sur les propriétés du béton

1) En cas d’absence de gel du béton

La prise du béton est retardée et ralentie.

Comme on a pu le voir dans l’article sur le bétonnage par temps chaud, le temps de prise est le temps de durcissement du béton et d’acquisition de sa résistance. Cette prise est possible grâce à un processus chimique appelé “hydratation du ciment”.

Au contact de faibles températures, le temps de prise du béton est ralenti (cf. graphique ci-dessus).

En effet, la température de l’air mais également la température intérieure du béton sont des catalyseurs des réactions d’hydratation de la pâte de ciment. Ainsi, plus les températures sont élevées et plus ces réactions se produisent rapidement. Inversement, en cas de basses températures, elles seront freinées et le temps de prise sera ralenti.

Le coefficient d’absorption de l’eau augmente

Par temps froid, le coefficient d’absorption de l’eau du béton augmente également, le béton présentant une porosité plus importante. De par la capillarité de ses pores, il absorbe davantage l’eau, ce qui va entraîner une accentuation de la teneur en eau. Plus la teneur en eau est importante et plus la résistance du béton est faible (cf. graphique : la résistance du béton par rapport à la teneur en eau), puisqu’elle modifie directement le rapport eau-ciment (E/C).

Pour rappel, un rapport eau-ciment bas mène à une résistance élevée, mais une faible maniabilité du béton. Un rapport eau-ciment important conduit à une résistance faible, mais à une bonne maniabilité. Il est donc important de bien doser son rapport E/C pour ne pas obtenir un béton trop fluide.

2) En cas de gel du béton

Que se passe-t-il au sein du béton lorsqu’il gèle ?

Aux alentours de 0°C, l’eau interstitielle du béton contenue dans le réseau poreux du béton ne va pas geler entièrement, car elle est composée de substances ioniques (des ions alcalins par exemple). En effet, lors du début du gel, la concentration en ions contenue dans l’eau qui n’est pas encore gelée va augmenter et ainsi le point de fusion de la glace va s’abaisser. Plus le diamètre des pores est petit, et plus le point de congélation de l’eau sera bas, puisque leur faible diamètre est plus défavorable à la formation de glace.

Un déséquilibre des concentrations se forme alors, entre les pores plus grands et les pores plus petits. De ce fait, un phénomène d’osmose va se créer, et l’eau des pores petits va migrer vers les plus gros afin de rééquilibrer les concentrations. Des pressions osmotiques engendrant des fissures peuvent se former si les pores où l’eau se dirige sont déjà pleins.

La concentration étant diminuée dans l’ensemble des pores, la formation de glace est plus dense, et la pression augmente. L’eau interstitielle du béton se solidifie alors et son volume augmente (de 9% par rapport au volume initial). L’eau en excès est expulsée hors des pores.

Lorsqu’une quantité suffisante d’eau aura gelé, cela stoppera la réaction d’hydratation du ciment. Si jamais le béton n’a pas atteint une résistance suffisante à ce stade, les forces générées par l’expansion de la glace peuvent nuire à la durabilité sur le long terme du béton.

La formation de la glace dépend ainsi du diamètre des pores, des substances présentes dans l’eau et de la vitesse de refroidissement.

NB : La vulnérabilité du béton par rapport au gel peut varier en fonction de la forme et de la surface d’une construction : par exemple une dalle de sol sera plus sensible qu’une poutre coffrée sur trois côtés.

L’effet du gel sur le béton avant la prise

Avant la prise, l’eau du mélange va congeler ce qui va induire une augmentation de son volume. Le résultat d’un tel phénomène est le manque d’eau liquide nécessaire pour effectuer les réactions chimiques de l’hydratation du ciment. Elle est donc stoppée. Cela va également accroître la porosité et ainsi affaiblir le béton en raison du manque de liaisons d’hydrates de silicates de calcium.

L’effet du gel sur le béton entre le début et la fin de la prise

La baisse de température entre le début et la fin de la prise du béton provoque la formation de cristaux de glace, qui vont détruire les liaisons nouvellement formées des produits de l’hydratation de ciment, favorisant la porosité.

L’effet du gel sur le béton après la prise

De la fin de la prise à la solidification du béton, il y a encore suffisamment d’eau libre dans le mélange du béton pour que lorsqu’elle gèle, cela détruise la structure cristalline du béton, provoquant une fissuration interne au moment du dégel et entraînant une chute de sa résistance.

L’effet du gel est différent selon la pâte de ciment utilisée

En effet selon la pâte utilisée, le béton le comportement du béton change :

• avec une pâte de ciment sans air entraîné, il y aura un gonflement dû à la formation de glace au niveau de la porosité capillaire, qui engendrera une pression interne sur les parois des pores ;
• avec une pâte de ciment sèche, des contractions thermiques seront observées ;
• avec une pâte à air entraîné, la glace se formera dans les bulles d’air avec de fortes contractions et il n’y aura pas de pression sur les parois des bulles, ces dernières n’étant quasiment jamais remplies d’eau.

Qu’est-ce-que la contraction ?

Ce phénomène est provoqué par une migration de l’eau des petits pores vers les bulles d’air ou les plus grands pores qui ne sont pas saturés.

Cycle de gel/dégel répété

Lorsque le béton subit plusieurs cycles gel/dégel pendant sa période de prise, cela peut provoquer une fissuration interne ainsi que l’écaillage de sa surface, altérant ses qualités finales en tant que matériau de construction (caractéristiques mécaniques comme la résistance à la compressions et à la traction, l’élasticité et son imperméabilité).

La fissuration interne

Elle se manifeste par l’apparition de multiples microfissurations du béton soumis au gel, en surface comme à l’intérieur. Son intensité dépendra du nombre de cycles gel/dégel et de leur sévérité (températures, taux de gel, saturation, etc.).

L’écaillage de surface

On peut le décrire comme un décollement progressif de particules à la surface du béton, formant de petites écailles. Cependant il se produit principalement au contact du béton avec des sels fondants, servant à faire fondre la glace.

Une sensibilité au gel liée à l’eau

De manière logique, plus il y aura d’eau potentiellement gelable dans le béton, il plus ce dernier sera sensible au gel. Cette quantité d’eau dépend de plusieurs paramètres tels que le degré d’hydratation, la température et le rapport E/C.

NB : Une diminution du rapport E/C réduit considérablement le volume de glace formé.

Des bulles d’air qui protègent le béton

Comme vu précédemment, on peut dire que les bulles sont protectrices du béton puisque la glace peut s’y former sans nuire à celui-ci.

Elle seront d’autant plus efficaces que leur distance sera faible (facteur d’espacement). En effet il vaut mieux un réseau avec de petites bulles qui ont une distance plus proche les unes des autres par rapport à de grandes bulles.

Le volume d’air que l’on doit injecté dans la pâte de ciment dépend directement de la proportion de cette dernière : les bétons avec une pâte plus dense ont ainsi besoin de plus d’air. Il est important d’également tenir compte du rapport E/C. Ce dernier ne doit effectivement ne pas dépasser une valeur de 0,5 pour pouvoir apporter une durabilité suffisante au béton.

Qu’est-ce-que la durabilité du béton ?

La durabilité du mélange de ciment est définie comme la capacité de résistance aux intempéries, à l’abrasion et aux réactions chimiques, ou généralement les processus qui se détériorent et affectent la résistance et la rigidité.

NB : Les bétons sans air ne supportent pas le gel, quelque soit leur composition et les conditions extérieures. Seuls certains bétons à haute performance peuvent y résister.

Quelques principes pour la formulation d’un béton en cas de gel

1. Il est conseillé de réduire le réseau poreux de façon à réduire le volume d’eau gelable.

2. La réduction de la perméabilité est importante, pour diminuer le degré de saturation en eau et l’incorporation de sels fondants.

3. Il est recommandé de fabriquer un béton avec une bonne résistance mécanique (compression et traction).

3) L’évolution de la résistance au cours du temps

Des études ont montré qu’un béton qui durcit dans des conditions de températures fraîches n’est pas forcément une mauvaise chose pour sa résistance à la compression.

Dans les premiers âges de maturité du béton (entre 1 et 7 jours), la résistance à la compression du béton est plus importante à des températures chaudes. À ce stade, l’augmentation de la résistance est due à l’importance de l’hydratation du ciment, grâce à la valeur élevée de l’énergie d’activation (énergie nécessaire à l’enclenchement de réactions chimiques).

Au bout du 7e jour, l’énergie d’activation n’a plus beaucoup d’influence. La résistance s’accentue et est grande quelle que soit la température d’exposition.

À partir du 14e jour, le béton initialement guéri à basse température montre qu’il acquiert plus de résistance qu’à haute température. Enfin à 28 jours et cela jusqu’à 91 jours, le béton exposé à 0°C a la valeur de résistance la plus grande.

Autrement dit, le durcissement du béton à des températures basses (mais au dessus de 0°C), ralentissant son hydratation, est favorable à la formation d’une résistance à la compression plus importante dans le temps.

Par ailleurs, il est aussi prouvé que la résistance à la traction est meilleure pour un béton durci à basse température au fil du temps.

En résumé

Le froid transforme l’état initial du béton et l’empêche de développer une résistance suffisante, en ralentissant son processus d’hydratation, son temps de prise et en formant des cristaux de glace perturbant son réseau structurel et favorisant la porosité.

Face à cela, plusieurs solutions existent. Ainsi un béton sec et contenant des bulles d’air entraîné sera plus durable en période hivernale.

Malgré les nuisances du froid, des températures basses mais non extrêmes (supérieures à 0°C), peuvent être bénéfiques à la formation d’une meilleure résistance (compression et traction) du béton à long terme.

Les conseils pour effectuer un bétonnage par temps froid

Si vous voulez en savoir plus sur le bétonnage, rendez-vous sur notre article présentant les différentes étapes du bétonnage.

Tout comme pour le bétonnage par temps chaud, la norme NF EN 13670/CN “Exécution des structures en béton” et son fascicule n°65 exposent les mesures de base à mettre en place lors du bétonnage par temps froid et afin d’assurer la protection du béton. Les conseils qui suivent s’appuient donc sur ce qui est dit à travers ces différents documents.

Télécharger la version PDF de l’infographie 14 conseils pour réussir son bétonnage par temps froid.

N’hésitez pas à télécharger la version PDF de l’infographie 7 conseils pour réussir son bétonnage par temps chaud également !

En règle générale, il faut surtout s’assurer que la température du béton lors du bétonnage est supérieure à 5°C, et que le gel ne fasse effet qu’après le début de la prise. De plus, il est généralement recommandé de reporter le bétonnage lorsque les températures descendent en dessous de 0°C pendant plusieurs jours.

1) Choix des constituants

Pour des températures extérieures comprises entre 0°C et 5°C :

Choisir un bon ciment

Il faut augmenter la teneur en ciment (supérieure à 350kg/m³) et utiliser un ciment à durcissement rapide, présentant une chaleur d’hydratation élevée et à fortes résistances initiales (CEM I ou CEM II de classe 42,5 ou 52,5 et de type R). Les ciments de type CEM III ou CEM IV sont à éviter compte tenu de leur faible chaleur d’hydratation. Ils peuvent toutefois être utilisés dans le cas de bétons chauds.

Choix des granulats et de l’eau

Les granulats doivent être nons gélifs (susceptibles de se fendre sous l’action du gel) et de faible porosité, et la quantité d’eau réduite (un maintien du rapport E/C < 0,4 permet une bonne résistance au gel) tout en restant compatible avec l’ouvrabilité qui est recherchée.

2) Fabrication du béton

Utilisation d’adjuvants

Des adjuvants peuvent être ajoutés à la composition du béton : des plastifiants ou superplastifiants réducteur d’eau afin d’augmenter la résistance en diminuant l’eau, des accélérateurs de prise ou de durcissement, qui comme le nom l’indique accélèrent le temps de prise du béton, des entraîneurs d’air qui réduisent les effets du gel et améliorent la durabilité et la maniabilité ou encore des adjuvants minéraux qui améliorent la maniabilité, la plasticité et la résistance.

Le stockage des matériaux

Les matériaux doivent être stockés à l’abri du gel.

Essais sur le béton

Le bétonnage par temps froid exige que le contrôle de la qualité du béton soit effectué avec le plus grand soin, mais également de pratiquer des essais au préalable sur le béton et ses constituants si l’on ne connaît pas bien leurs comportements. Les résultats de ces essais servent de repère pour les opérations sur le chantier.

3) Avant la mise en oeuvre

Préparer le chantier

N’oubliez pas de préparer en amont vos équipes en les formant sur les principes et les pratiques de bétonnage par temps froid qui seront utilisées. De plus, adaptez vos horaires pour essayer de bétonner aux heures les moins froides de la journée.

Contrôler les coffrages

Dégeler les coffrages et les armatures et les déneiger si nécessaire. Lorsque la température est relativement basse (en dessous de 0°C), le béton devra être protégé dans des coffrages et des bâches isothermes afin de maintenir une température supérieure à 5°C durant sa prise. Au delà de -5°C, il est conseillé d’utiliser des matériaux de coffrage ayant des propriétés d’isolation thermique élevées tels que le bois ou le polystyrène, afin d’éviter les échanges thermiques avec l’extérieur.

Réduction du temps de transport

Le temps de transport entre la centrale BPE et le chantier devra être réduit au maximum afin d’éviter de perdre en température (la perte de température est d’environ 2.5°C/heure si l’écart de température entre le béton et l’air ambiant est de 10°C).

4) Mise en oeuvre

Si la température extérieure est comprise entre 0°C et 5°C, la température du béton doit être supérieure à 5°C afin de permettre le démarrage des réactions d’hydratation. Lorsqu’elle varie entre -5°C et 0°C, le béton doit être à 15°C.

Si jamais la température est insuffisante, il faudra chauffer les constituants : l’eau de gâchage peut être chauffée jusqu’à 60°C. Certaines centrales sont notamment équipées de chaudières pour chauffer l’eau. Les granulats peuvent également être dégelés. En cas extrême, à des températures comprises entre -5°C et 0°C, on peut chauffer le béton par injection de vapeur.

NB : Si la température de l’eau est de 50°C, cela élève la température du béton à 10°C. Une élévation de 10°C de la température des granulats peut relever celle du béton de 7 à 8°C.

Le malaxage du béton à l’arrivée du chantier peut également aider à chauffer le béton.

Rapide et efficace

Il faut éviter les arrêts pendant le bétonnage, et que la mise en place dans les coffrages se fasse le plus rapidement possible afin que le béton évite de se refroidir.

5) Après la mise en oeuvre

Protection du béton

Bien protéger le béton en le couvrant de bâches ou de couvertures, même si il est possible que l’utilisation d’isolants soit suffisante pour protéger le béton grâce à la chaleur d’hydratation. La température de la surface la plus exposée du béton doit être supérieure à 5°C pendant les 3 jours qui suivent sa mise en oeuvre.

Chauffer le béton

Quand les températures sont très froides, il est préconisé d’utiliser des appareils de chauffage en chauffant au-dessous de la construction à l’aide de brûleurs à gaz ou fuel.

Décoffrage plus long

Il faut penser à bien vérifier le niveau de durcissement avant d’effectuer le décoffrage. Ce dernier ne doit être effectué que si le béton a atteint une résistance mécanique suffisante d’environ 5MPa, pour lui permettre de résister au gel. Pour cela, maintenir au maximum les protections de surface en utilisant les techniques décrites ci-dessus.

N’oubliez pas dans tous les cas de bien relever régulièrement les températures sur votre chantier (thermomètre placé à 1,50m du sol et à l’abri), et de vous tenir au courant de la météo ! Cela vous permettra d’anticiper certaines mauvaises surprises, et surtout de bien préparer vos équipes et votre chantier afin que tout se passe dans les meilleures conditions possibles.

Enfin, n’hésitez pas à opter pour la solution ConcreteDispatch™ pour encore plus d’efficacité lors de vos bétonnages ! Prenez rendez-vous pour une démonstration pour en savoir plus !