Bé­ton fi­bré ul­tra per­for­mant pour la main­te­nance, un nou­vel élan

Description de deux applications récentes en Suisse romande

Produits désormais avec des composants majoritairement locaux, les bétons fibrés ultra performants (BFUP) continuent, sous l’impulsion du Laboratoire de Maintenance, Construction et Sécurité des ouvrages (MCS) de l’EPFL, leur chemin initié en 2004 pour simplifier et écourter les chantiers de maintenance. La Suisse romande est pionnière dans ce domaine, comme le montrent deux applications récentes près de Genève et dans les Préalpes vaudoises.

Les BFUP sont caractérisés par une matrice ultra compacte très peu perméable (Roux, Andrade, Sanjuan, 1995), une résistance à la compression de l’ordre de 150 à 200 MPa, une résistance à la traction supérieure à 10 MPa, et pour certains, un comportement écrouissant en traction (Denarié, Wuest, Putallaz, Brühwiler, 2005), grâce à leur armature formée d’un réseau dense de fibres métalliques courtes (10 à 20 mm). 

Un potentiel énorme

Grâce à leurs propriétés exceptionnelles, seuls ou combinés avec des barres d’armature, les BFUP sont très efficaces en maintenance pour protéger et renforcer les structures en béton armé dans les zones critiques soumises à un environnement agressif (classes d’exposition XD2b, XD3) et à des sollicitations mécaniques importantes (Brühwiler, Denarié, 2008). On peut distinguer des couches de protection (P), avec 25 à 30 mm de BFUP, et des couches de renforcement (R), avec 40 à 50 mm de BFUP armé. Les sections composées ainsi obtenues sont compactes et le renforcement n’entraîne pas d’augmentation du poids propre (Brühwiler, Denarié, 2008).
Cette nouvelle technique de construction est particulièrement adaptée aux ponts mais aussi aux galeries, tunnels ou murs de soutènement, ainsi que pour renforcer des dalles de bâtiments existants. 
Les BFUP agissent comme barrière à la pénétration des liquides et des gaz et neutralisent à la racine tous les phénomènes de détérioration du béton armé (SIA 269/2, tableau 5, 2011). L’application d’une étanchéité collée devient donc superflue.

Le délai d’attente entre la pose du BFUP et celle de l’enrobé bitumineux n’est que de huit jours (cure humide de sept jours du BFUP). La durée des chantiers se trouve donc très fortement raccourcie avec cette technique.
Les essais réalisés au Laboratoire des Voies de Circulation (LAVOC) de l’EPFL en 2004 et 2010 (Pittet, 2010) ont permis de déterminer le système de couche d’accrochage et d’enrobé le mieux adapté pour la pose sur une surface de BFUP brute. Ce système déjà appliqué en 2004 s’avère durable comme on peut le constater sur le pont sur la Morges (Denarié, Wuest, Putallaz, Brühwiler, 2005), où, après sept années d’utilisation, la couche d’enrobés ne présente aucun désordre apparent.

Le pont sur la Morges, premier ouvrage remis en état avec des BFUP en 2004 est régulièrement suivi. Les mesures réalisées sur des carottes prélevées en 2007 dans les parties exposées de l’ouvrage ont confirmé l’absence totale de pénétration de chlorures dans le BFUP, après trois ans d’exposition.
Depuis cette première en 2004, dix chantiers ont été réalisés avec succès selon ce concept d’intervention : neuf sur des ouvrages d’art ou bâtiments en Suisse (VS, AG, GE, GR, VD, LU, ZH), et un sur un pont en Slovénie (Brühwiler, Denarié, 2008 et Denarié, Habert, Šajna, 2009). 

Deux applications récentes en Suisse romande

Passage inférieur du Creux de Genthod
Cet ouvrage est situé entre Bellevue et Versoix (RC 8), dans le canton de Genève et jouxte la voie CFF. Il s’agit d’un pont dalle biais de 10,6 m de portée et 20 m de largeur, avec deux voies de circulation. Le trafic très soutenu sur cette route au bord du lac (21 000 véhicules par jour en 2009) impose de réduire au minimum la durée des travaux de maintenance et les nuisances associées. Dans cette perspective, dans le cadre du projet d’intervention réalisé en automne 2010, le maître d’ouvrage a opté pour une solution de remise en état de la face supérieure de la dalle de roulement avec du BFUP.
La chape de 3 cm existante a été rabotée et 4 cm de béton ont été retirés par hydrodémolition de la face supérieure de la dalle de roulement et du trottoir coté Creux de Genthod. Une couche de 30 mm de BFUP a ensuite été appliquée sur les armatures rendues apparentes, suivie de 4 cm d’enrobé bitumineux. La position des barres d’armature, à proximité de la surface de la chaussée existante, était telle que seule une solution d’épaisseur minimale BFUP plus enrobé bitumineux permettait de réaliser les travaux sans reprofiler la chaussée en évitant ainsi de longs et coûteux travaux sur la route en béton adjacente au pont.  

Ouvrages de la route du col des Mosses
Dans le cadre des travaux de mise en conformité, initiés en 2006, pour le trafic 40 tonnes, des ouvrages (multiples estacades ou ponts) sur la route menant d’Aigle au col des Mosses (VD) doivent être remis en état ou renforcés. Ces interventions se dérouleront jusqu’en 2012. La configuration particulière de la route et le trafic important imposent de réaliser cette succession de chantiers de la manière la plus rapide et la plus durable possible. Par ailleurs, les pentes combinées (longitudinales et transversales) de la chaussée peuvent atteindre sur certains ouvrages 12 %. Des conditions inhabituelles qui ont décidé le maître d’ouvrage à exploiter le potentiel des BFUP. Quatre ouvrages, deux estacades et deux ponts voûte en maçonnerie de 4 m de portée, ont été remis en état au printemps 2011 à l’aide d’une couche de protection de 25 mm de BFUP appliquée sur la face supérieure de la dalle de roulement des ouvrages, pour un volume total de 9 m3 de BFUP appliqué. 

Formulation des BFUP 

Les BFUP ont été réalisés en suivant les mêmes concepts de formulation de la matrice que ceux appliqués avec succès lors du chantier du pont de Log cezsoški en Slovénie (Denarié, Habert, Šajna, 2009), mais avec des composants disponibles sur le marché Suisse.
La composition des BFUP a été optimisée pour la tenue à la pente du support entre 5 et 10 % (Denarié, 2010). En masse, les quantités de ciment et de filler calcaire étaient égales, entre 625 et 635 kg/m3 selon les recettes. La matrice choisie, économe en clinker, est donc moins coûteuse et plus favorable vis-à-vis de l’ouvrabilité et de l’environnement. Le dosage en fibres d’acier d’élancement 62,5 valait 4,5 % Vol. soit 353 kg/m3, pour un très bon compromis entre l’efficacité mécanique obtenue et la facilité de mise en œuvre des fibres. 

Le rapport eau/(ciment + fiIler calcaire) du BFUP CM34_35 pour le P.I. Creux de Genthod valait 0,170. Pour les ouvrages de la route du col des Mosses, ce rapport valait 0,175, avec 6 litres d’eau par m3 en plus que pour celui utilisé pour le P.I. Creux de Genthod. Toutefois, la différence de puissance des malaxeurs entre les deux chantiers et également la taille de gâchées trois fois plus faible pour les ouvrages de la route du col des Mosses conduisent à un BFUP CM34_30 plus thixotrope et qui supporte le coulage sur des pentes jusqu’à 12 %, contrairement au mélange CM34_35 utilisé sur le P.I. du Creux de Genthod et qui est adapté à des pentes jusqu’à 5 %. Ceci illustre bien l’interaction prépondérante entre recette de BFUP, séquence de malaxage, malaxeur et taille de gâchée pour conduire à une ouvrabilité donnée. Une planche d’essai réalisée au début de chaque chantier a permis d’affiner les recettes de BFUP en fonction du rendement du malaxeur et des conditions météorologiques. 

Bilan des chantiers

Dans l’optique de simplifier la mise en œuvre et si possible de réduire les coûts, le BFUP a été produit sur le chantier pour les deux applications présentées.

P.I. Creux de Genthod
Une centrale de chantier munie d’un silo pour le ciment a été utilisée. Le malaxeur à axe vertical de type SIPE TTM 800E avait une capacité nominale de 500 litres de béton. Des gâchées entre 283 et 340 litres de BFUP ont pu être réalisées avec une durée de malaxage de 12 à 14 minutes par gâchée. La cadence de production et de pose du BFUP était en moyenne de 1 m3 par heure. Le BFUP a suivi sans difficultés la pente de 5 % du tablier, avec trafic adjacent, et le profil complexe imposé par les nombreuses barres d’armature.
Le pont a été entièrement rouvert au trafic le 14 décembre 2010, 71 jours après le début des travaux. Au niveau économique, le coût de la solution de remise en état de la chaussée avec BFUP, couche d’accrochage et enrobé bitumineux est de 400 francs par m2. L’économie de temps réalisée avec le BFUP et sa robustesse ont permis de terminer le chantier au début de l’hiver précoce 2010 (début décembre), ce qui aurait été impossible s’il avait fallu reprofiler la chaussée. Les coûts totaux du chantier ont été diminués d’un tiers par rapport à une solution traditionnelle, nécessitant le reprofilage de la chaussée.  

Ouvrages de la route du col des Mosses
Un malaxeur de type Condecta TTM 300 avec une capacité de 200 litres de béton fini a été utilisé. Compte tenu de la capacité de la cuve du malaxeur, du foisonnement des poudres utilisées pour les BFUP et de la puissance nécessaire lors du changement de consistance des BFUP, le volume qui a été réalisé avec ce malaxeur était de 94 litres. La durée totale de mélange avec ce malaxeur était de 20 à 22 minutes. En moyenne, deux à trois gâchées de BFUP ont été produites et placées par heure. La même recette de BFUP CM34_30 a pu être appliquée sur des pentes du support entre 4 et 12 %, ce qui constitue une première mondiale pour ce type de matériaux. La durée des interventions a pu être réduite au minimum entre la pose du BFUP et, huit jours après, la pose de l’enrobé et la réouverture au trafic. 
Les essais de traction réalisés sur des carottes BFUP/béton prélevées sur les ouvrages ont donné une contrainte moyenne d’adhérence de 2,46 MPa avec ruptures majoritairement dans le béton de support (exigence de 2 MPa pour classe R4 selon EN 1504-3). Ceci confirme l’excellente adhérence du BFUP sur le béton. L’analyse économique des chantiers est en cours mais la solution BFUP s’avère déjà nettement plus avantageuse que les méthodes traditionnelles avec reprofilages et étanchéités collées.

Prêts pour l’application

La technologie des BFUP coulés sur chantier, appliquée à la maintenance des ouvrages routiers ou ferroviaires a connu de grands progrès depuis la première application réalisée en 2004, et se répand à l’initiative de la Suisse romande.
Il est désormais possible de produire des BFUP économes en clinker, à partir de composants majoritairement locaux, utilisables dans les conditions de température et de pentes de support les plus extrêmes.
Les deux applications les plus récentes réalisées en Suisse Romande (remise en état du P.I. Creux de Genthod et maintenance des ouvrages de la route du col des Mosses) ont montré le grand intérêt de cette méthode de construction pour réduire les coûts de manière très importante et limiter au minimum les perturbations des chantiers.

Emmanuel Denarié est chercheur au Laboratoire de maintenance, construction et sécurité des ouvrages de l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne 
Eugen Brühwiler est professeur et dirige le laboratoire de maintenance, construction et sécurité des ouvrages de l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne
Hadi Kazem-Kamyab est chercheur au Laboratoire de maintenance, construction et sécurité des ouvrages de l'Ecole polytechnique fédérale de Lausanne 
Bassem Haddad est ingénieur civil et travaille au Département des constructions et des technologies de l'information du Canton de Genève
Sébastien Nandaz est ingénieur civil et travaille au Département des infrastructures du Canton de Vaud

 

Composants des BFUP

 

CEM II (A-M) D-LL 52.5 N (VIGIER – CT 180)
Filler calcaire (HOLCIM-La Sarraz), de granulométrie proche de celle du ciment
Fumée de Silice BASF grise 971 U (non densifiée)
Sable de quartz fin (MN30, 0.1-0.5 mm)
Superfluidifiant BASF GLENIUM SKY 561
Thixotropant SIKA Stellmittel T (pour la tenue à la pente)
Fibres acier droites BEKAERT OL 10/0.16 (longueur 10 mm, diamètre 0.16 mm) Couche d’accrochage et enrobésLa couche d’accrochage sur les BFUP était composée d’un primer CTW HK dosé à 60 g/m2 et d’une émulsion de bitume polymère CTW Webacid HCP avec 120 g/m2 de liant résiduel. A Genève, l’enrobé AC 11 S été réalisé avec un bitume modifié aux polymères (type CH-E pour sollicitations élevées) et une faible teneur en vides pour maximiser la surface d’accrochage sur le BFUP. Les granulats étaient 100 % concassés à arêtes vives et le filler rigidifiant, [8]. Pour les ouvrages de la route du col des Mosses, le liant était le même mais la taille des granulats a été adaptée en fonction de l’épaisseur des couches. L’enrobé était posé sur l’émulsion bitumineuse et le primer appliqués après au minimum sept jours de cure humide du BFUP.

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