Choix du Ciment pour un Ouvrage en Milieu Marin

Principe :

Les classes d'exposition XS3 et XF4 décrivent des conditions environnementales sévères. XS3 concerne la corrosion des armatures induite par les chlorures présents dans l'eau de mer (zones de marées, projections, embruns). XF4 concerne les cycles de gel/dégel en présence d'eau de mer ou d'agents de déverglaçage, entraînant des dégradations physiques du béton.

Mécanismes principaux :

• Corrosion des armatures (XS3) : Les ions chlorure (\(\text{Cl}^-\)) pénètrent dans le béton et, une fois une concentration critique atteinte au niveau des armatures, détruisent la couche de passivation protectrice de l'acier. Cela initie un processus de corrosion électrochimique, produisant de la rouille expansive qui fissure et écaille le béton d'enrobage.
• Attaques sulfatiques (associées au milieu marin) : Bien que XS3 se concentre sur les chlorures, l'eau de mer contient aussi des sulfates. Les ions sulfate (\(\text{SO}_4^{2-}\)) peuvent réagir avec certains composés du ciment hydraté (notamment l'aluminate tricalcique, C₃A) pour former des produits expansifs comme l'ettringite secondaire, causant gonflement, fissuration et perte de résistance.
• Dégradation par le gel/dégel (XF4) : L'eau présente dans les pores du béton gèle en hiver, augmentant de volume (environ 9%). Les cycles répétés de gel et de dégel créent des contraintes internes qui peuvent entraîner l'écaillage superficiel, la fissuration et la désagrégation progressive du béton. La présence de sels (comme dans l'eau de mer) peut exacerber ce phénomène.
• Lessivage : L'action des vagues et des marées peut entraîner un lessivage des composés solubles de la pâte de ciment, augmentant la porosité et réduisant la durabilité.

Principe :

Pour résister aux agressions du milieu marin, le ciment (et le béton qui en résulte) doit posséder des caractéristiques spécifiques qui limitent la pénétration des agents agressifs et la réactivité avec ces agents.

Caractéristiques souhaitables :

• Faible perméabilité : Pour limiter la pénétration des ions chlorure et sulfate, ainsi que de l'eau (pour le gel/dégel). Ceci est souvent obtenu par un réseau poreux fin et déconnecté.
• Résistance aux sulfates : Une faible teneur en aluminate tricalcique (C₃A) dans le clinker du ciment est cruciale pour minimiser la formation d'ettringite expansive.
• Capacité à fixer les chlorures : Certains constituants du ciment (notamment les phases alumineuses) peuvent fixer une partie des ions chlorure, réduisant leur disponibilité pour la corrosion. Cependant, cette fixation est complexe et peut être réversible.
• Faible chaleur d'hydratation (pour les pièces massives) : Bien que moins critique pour un mur de quai que pour une fondation massive, une faible chaleur d'hydratation peut réduire le risque de fissuration thermique, qui pourrait faciliter la pénétration des agents agressifs.
• Bonne résistance au gel/dégel : Obtenue par une combinaison de ciment adéquat, un faible rapport Eau/Ciment, et souvent l'utilisation d'entraîneurs d'air.

Principe :

La norme NF EN 197-1 définit plusieurs types de ciments courants en fonction de leur composition (proportion de clinker Portland et d'autres constituants principaux comme le laitier de haut fourneau, les cendres volantes, les pouzzolanes, etc.).

Description sommaire :

• CEM I (Ciment Portland) : Contient au moins 95% de clinker Portland. Il développe rapidement des résistances élevées mais est généralement plus sensible aux attaques chimiques (sulfates, chlorures) s'il n'est pas spécifiquement formulé (par exemple, faible C₃A). Sa pertinence en milieu marin est limitée sans précautions ou additions.
• CEM II (Ciments Portland Composés) : Contient du clinker Portland (65% à 94%) et un ou plusieurs autres constituants principaux (laitier, cendres volantes, pouzzolanes, calcaire, etc.). Leurs propriétés varient considérablement en fonction du type et de la quantité de l'addition. Certains CEM II (par exemple, avec du laitier ou des cendres volantes en quantité suffisante) peuvent offrir une meilleure durabilité en milieu marin que le CEM I standard.
• CEM III (Ciments de Haut Fourneau) : Contient du clinker Portland et une proportion élevée de laitier granulé de haut fourneau (par exemple, CEM III/A : 36-65% de laitier; CEM III/B : 66-80%; CEM III/C : 81-95%). Ces ciments ont généralement une faible perméabilité, une bonne résistance aux sulfates et aux chlorures, et une faible chaleur d'hydratation. Ils sont souvent bien adaptés aux milieux marins.

Principe :

Outre les types généraux de la norme NF EN 197-1, il existe des désignations ou des types de ciments spécifiquement formulés pour offrir une meilleure performance dans des environnements agressifs, notamment marins.

Ciments spécifiques et leurs avantages :

• Ciments PM (Prise Mer) : Ces ciments sont spécifiquement conçus pour les travaux en mer. Ils sont généralement à base de clinker Portland avec des additions (laitier, pouzzolanes) et ont une teneur limitée en C₃A (souvent \(\leq 8\%\) ou \(\leq 5\%\)) pour une bonne résistance aux sulfates. Ils visent également une faible perméabilité pour limiter la pénétration des chlorures.
• Ciments ES (Eau de Mer et eaux à haute teneur en sulfates) : Cette désignation indique une haute résistance aux sulfates, obtenue par une très faible teneur en C₃A (par exemple, \(\leq 3\%\) ou même 0% pour certains) et souvent une faible teneur en C₄AF. Ils sont particulièrement adaptés lorsque le risque d'attaque sulfatique est prédominant.
• Ciments HSR (Haute Résistance aux Sulfates) : Similaire aux ciments ES, cette appellation (souvent utilisée internationalement) garantit une faible teneur en C₃A.
• Ciments à faible teneur en alcalins (NA) : Peuvent être requis si les granulats utilisés sont potentiellement réactifs (risque d'alcali-réaction).
• Avantages : Le principal avantage de ces ciments est leur composition optimisée pour contrer les mécanismes de dégradation spécifiques. Par exemple, une faible teneur en C₃A réduit la formation d'ettringite. Les additions minérales actives (laitier, cendres volantes, pouzzolanes) contribuent à affiner la porosité (réduisant la perméabilité aux chlorures et à l'eau) et peuvent consommer la chaux libre (portlandite), améliorant la résistance chimique globale.

Principe :

Le choix du ciment doit être basé sur une analyse des risques liés aux classes d'exposition (XS3 et XF4) et sur les propriétés des ciments disponibles pour contrer ces risques.

Analyse et Recommandation :

Pour les classes d'exposition XS3 (corrosion par chlorures marins) et XF4 (gel/dégel en présence d'eau de mer), les exigences sont sévères. Il faut un ciment qui confère au béton une faible perméabilité aux chlorures, une bonne résistance aux sulfates (présents dans l'eau de mer) et une bonne résistance au gel/dégel.

• CEM I standard : Généralement déconseillé en raison de sa potentielle forte teneur en C₃A et de sa perméabilité plus élevée par rapport aux ciments avec additions. Un CEM I avec une faible teneur en C₃A (SR ou HSR) pourrait être envisagé mais les ciments avec additions sont souvent préférés pour la faible perméabilité.
• CEM II : Certains CEM II/A-S, CEM II/B-S (avec laitier), CEM II/A-P, CEM II/B-P (avec pouzzolane) ou CEM II/A-V, CEM II/B-V (avec cendres volantes siliceuses) pourraient convenir si la quantité et la qualité de l'addition sont suffisantes pour assurer une faible perméabilité et une bonne résistance chimique. Cependant, pour XS3, la norme NF EN 206/CN peut imposer des restrictions ou des exigences minimales sur le type et la quantité d'addition.
• CEM III (Ciment de Haut Fourneau) : Les ciments CEM III/A, CEM III/B, et particulièrement CEM III/C, sont fortement recommandés. Leur forte teneur en laitier de haut fourneau leur confère :
  • Une très faible perméabilité, limitant la pénétration des ions chlorure.
  • Une excellente résistance aux sulfates (le laitier réduit la quantité de C₃A effectif et consomme la chaux).
  • Une bonne durabilité générale.
  Un CEM III/A avec un taux de laitier \(\geq 50\%\) ou un CEM III/B serait un excellent choix.
• Ciments PM ou ES : Ces ciments sont spécifiquement formulés pour ces conditions et seraient donc d'excellents choix. Un ciment de type CEM III/B-PM ou un CEM I-SR PM (si disponible et conforme) serait très adapté.

Recommandation :

Pour cet ouvrage en classe d'exposition XS3 et XF4, les ciments les plus adaptés seraient :

1. Un ciment de haut fourneau de type CEM III/B ou CEM III/C.
2. Un ciment Prise Mer (PM), par exemple un CEM III/A-PM, CEM III/B-PM ou un ciment Portland composé PM avec une forte proportion d'additions bénéfiques.

Justification : Ces ciments offrent la meilleure combinaison de faible perméabilité aux chlorures, de haute résistance aux sulfates et contribuent à une bonne résistance au gel/dégel (en conjonction avec d'autres paramètres du béton). La faible teneur en C₃A (intrinsèque ou par dilution avec le laitier) est essentielle pour la résistance aux sulfates de l'eau de mer.

Principe :

Le choix du ciment est une composante de la durabilité, mais d'autres aspects de la formulation du béton et de la conception de l'ouvrage sont tout aussi importants, voire plus, pour garantir la longévité en milieu marin.

Dispositions complémentaires :

• Faible rapport Eau/Ciment (E/C) : Un rapport E/C bas (par exemple, \(\leq 0.40 - 0.45\) pour XS3 selon NF EN 206/CN) est crucial pour obtenir un béton dense et peu perméable.
• Dosage minimal en ciment : La norme impose souvent un dosage minimal en ciment pour assurer une quantité suffisante de pâte liante et une bonne protection des armatures.
• Enrobage suffisant des armatures : Une épaisseur d'enrobage adéquate (par exemple, 50 mm ou plus pour XS3, selon la classe structurale et la durée de vie) est essentielle pour retarder la pénétration des chlorures jusqu'aux armatures.
• Qualité des granulats : Les granulats doivent être non réactifs, propres, et avoir une bonne résistance au gel.
• Entraînement d'air (pour XF4) : L'incorporation de microbulles d'air dans le béton améliore considérablement sa résistance aux cycles de gel/dégel.
• Cure du béton : Une cure soignée et prolongée est indispensable pour permettre une hydratation optimale du ciment, développer la microstructure dense et réduire la perméabilité.
• Contrôle qualité : Des contrôles rigoureux à toutes les étapes (formulation, fabrication, mise en œuvre) sont nécessaires.
• Conception de l'ouvrage : Éviter les zones de stagnation d'eau, assurer un bon drainage, et concevoir des formes qui limitent l'exposition directe aux agressions peuvent également contribuer à la durabilité.