A propos des fissures dans le béton

La plupart des structures en béton présentent des fissures. Dans de nombreux cas, la fissuration est normale et ne constitue donc pas une raison immédiate d’inquiétude. Outre cette fissuration « attendue », des fissures « imprévues » peuvent également apparaître dans le béton. Cet article s’intéresse de plus près aux causes de ces fissures imprévues, mais également à leur prévention et à leur réparation éventuelle. Nous n’aborderons cependant pas la fissuration causée par une surcharge de la structure en béton ou celle qui apparaît pendant le transport des éléments.

Dans les structures en béton armé qui sont soumises à une charge directe, à des déformations empêchées ou imposées, la fissuration est normale. Au moment où le béton se fissure, l’armature dans le béton absorbe les contraintes de traction et limite la largeur des fissures. La quantité d’armature qui est nécessaire pour cela est calculée par l’ingénieur en conception. Les prescriptions de la NBN EN 1992-1-1 + ANB peuvent servir de base. Si les calculs sont effectués correctement, les largeurs de fissure devraient se limiter aux valeurs de la norme précitée. Les largeurs de fissure autorisées n’affectent en rien l’aspect extérieur et la durabilité des structures en béton.

Les fissures imprévues constituent un autre problème. Ces dernières sont incontrôlées et involontaires et apparaissent souvent déjà quelques heures à quelques jours après la coulée du béton. On en distingue différents types.

La sédimentation

Dans le béton fraîchement coulé, les constituants plus lourds se déposent dans la pâte de ciment aqueuse sous l’influence de la gravité et du compactage du béton. C’est ce qu’on appelle la sédimentation. Elle provoque une remontée d’eau, de sorte qu’il se forme une pellicule d’eau à la surface du béton. Cette séparation est également appelée « ressuage». Un ressuage limité a une influence positive sur le béton. Le film d’eau offre en effet une protection contre le dessèchement. Les retraits sont une autre conséquence de la sédimentation. Aussi longtemps que le béton reste suffisamment déformable, ces retraits ne provoqueront pas de fissures. Mais si ces retraits ont lieu lorsque le béton est moins fluide, ce sera le cas. Les fissures de retrait au-dessus des barres d’armature sont les plus fréquentes (Figure 1). Au-dessus de l’armature, la hauteur du mélange est moindre, ce qui entraîne l’arrêt plus rapide de la sédimentation. Il apparaît ainsi des tensions de cisaillement dans le béton, qui provoquent une fissuration. Des fissures de retrait peuvent apparaître également à l’endroit où une section change de hauteur (Figure 2). Le plus souvent, la fissuration par suite de sédimentation se produira dans les 2 premières heures suivant la coulée.

L’ingénieur en conception n’a aucun moyen de prévenir les fissures de retrait. Par contre, le technologue du béton peut prendre un certain nombre de mesures lors de la composition du mélange de béton afin de réduire le risque de sédimentation : ne pas prévoir une consistance plus élevée que ce qui est strictement nécessaire, limiter la teneur en eau à l’aide d’un adjuvant réducteur d’eau, limiter les besoins en eau par une granulométrie continue, améliorer la cohésion par une proportion suffisante de fines et/ou d’entraîneur d’air, ajouter des fibres de polypropylène ou d’acier afin de réduire la tendance à la sédimentation. Cette dernière mesure est déconseillée pour le béton architectonique ou le béton de parement. Les basses températures ambiantes allongent la durée de prise et par conséquent aussi la durée pendant laquelle peut se produire une sédimentation. Accélérer le durcissement du béton par un facteur eau/ciment bas ou un ciment avec une faible durée de prise constitue donc une mesure efficace.

Les fissures par suite de sédimentation peuvent généralement être réparées en vibrant à nouveau le mélange de béton jusque sous l’armature. Cela ne peut pas se faire trop tôt ni trop tard. Un bon moment est celui où l’aiguille vibrante ne laisse tout juste pas encore de traces. Une autre possibilité consiste à poncer la surface pour l’obturer pendant la prise, mécaniquement ou à la main.

Le retrait plastique

Le retrait plastique se produit lorsque l’eau de gâchage s’évapore de la couche superficielle d’un béton fraîchement coulé. La disparition de l’eau résulte en une réduction du volume. Le mélange de béton liquide peut encore se déformer sans se fissurer. Lorsque le mélange commence à prendre, le retrait est empêché par les agrégats et l’armature, ce qui entraîne une fissuration. Elle apparaît le plus souvent de 1 à 4 h après la coulée du béton et présente généralement un motif de fissures aléatoire (Figure 3). L’importance du retrait dépend de la vitesse de prise et de la vitesse de séchage du béton. Un béton qui durcit lentement et sèche rapidement présentera un retrait plus important qu’un béton à durcissement rapide qui sèche lentement. La vitesse de prise est influencée par le facteur eau/ciment, le type de ciment, l’emploi d’adjuvants et la température de l’air. La vitesse de séchage est déterminée par l’humidité relative de l’air, la vitesse du vent et la différence de température entre l’air et le béton. Cette dernière fait que le retrait plastique n’a pas lieu uniquement pendant les périodes chaudes, mais aussi pendant l’hiver. Lorsqu’un vent fort venant d’une direction déterminée provoque un retrait plastique, on parle parfois aussi de fissures de vent. Le motif des fissures présente alors des fissures plus ou moins parallèles, perpendiculaires au sens du vent (Figure 4). Attention avec les courants d’air dans les ateliers d’usine. En effet, ils peuvent provoquer également un séchage accéléré.

Les fissures de retrait plastique peuvent apparaître également lorsque l’eau de gâchage est aspirée par un support très absorbant. C’est le cas entre autres d’un béton sec sous-jacent et de coffrages secs absorbant l’eau. Voilà pourquoi les surfaces doivent être humidifiées suffisamment avant de couler le béton en vue de réduire l’absorption. Il faut donc faire attention lors de la coulée de recharge sur des éléments creux de dalle et des dalles en hourdis. S’ils ne sont pas mouillés au préalable, ces éléments aspirent l’eau du béton coulé, ce qui peut provoquer des fissures invisibles sur la face inférieure de la couche de compression. Elles peuvent avoir un impact négatif sur l’adhérence de la couche de compression.

Un bon post-traitement prévient un séchage prématuré de la surface du béton et constitue ainsi une protection très efficace contre les fissures de retrait. Le délai entre la coulée du béton et le post-traitement doit être le plus court possible. Comme post-traitement, on peut citer le recouvrement avec un film plastique ou des toiles maintenues humides, la pulvérisation d’un agent de cure, la nébulisation d’eau et le report du décoffrage. Dans ce dernier cas, la surface non coffrée doit toujours recevoir elle aussi un post-traitement. La vaporisation d’un agent de cure à base de résine ou de paraffine se fait au moment où l’éventuelle eau de ressuage a disparu, parce que le film protecteur ne peut pas se former sur une surface d’eau. De ce point de vue, un agent de cure à base d’eau, à base de silicate ou d’acrylate, constitue une meilleure alternative. En cas d’utilisation d’un film plastique ou de toiles maintenues humides, il faut prendre des mesures pour ne pas endommager la surface du béton et empêcher le soulèvement par le vent. La durée du post-traitement dépend de la vitesse de prise et de la vitesse de séchage du béton. Les directives sur la durée du post-traitement sont fournies dans les NBN EN 13369 + NBN B 21-600 et les NBN EN 13670 + NBN B 15-400. Dans certains cas, le béton doit encore subir un post-traitement de quelques jours après le décoffrage. Une attention spéciale doit être consacrée au post-traitement de béton hautes performances et de béton autocompactant à haute résistance. Ceux-ci contiennent en effet beaucoup de matériaux fins et peu d’eau, ce qui entraînera un faible ressuage, de sorte que la couche supérieure peut sécher rapidement.

L’ingénieur en conception ne peut pas prévenir l’apparition de fissures de retrait plastique. Le technologiste de béton peut prendre des mesures supplémentaires en ajoutant des fibres de polypropylène au béton. S’il apparaît encore des fissures dans ce cas, elles seront plus nombreuses, mais aussi plus petites. En cas d’utilisation de fibres de polypropylène, un post-traitement reste absolument indispensable. Pendant le durcissement du béton, les fissures peuvent être réparées en polissant la surface par voie mécanique ou à la main. Le jour suivant l’apparition des fissures, à un moment où elles ne sont pas encore encrassées, on peut les combler à la brosse avec du ciment sec ou les combler avec de la pâte de ciment, ce qui permet souvent d’étanchéifier les fissures.

Le retrait de durcissement

L’eau et le ciment réagissent entre eux et forment de la pierre de ciment. Ce processus est appelé hydratation. Le volume de la pierre de ciment est inférieur à celui de l’eau et du ciment avant la réaction. Cette réduction de volume est appelée retrait chimique ou retrait d’hydratation. Ce retrait provoque des microfissures dans la pierre de ciment, de sorte que la teneur de pores dans la pierre de ciment augmente. À l’extérieur, on ne remarque pratiquement aucune modification de forme. Ce retrait ne contribue donc pas à la fissuration sur la surface de la structure en béton.

Si l’eau n’est pas aspirée de l’extérieur, l’hydratation croissante consommera lentement l’eau encore disponible dans les pores de la pierre de ciment. Cela conduit au dessèchement du réseau de pores. Il se développe un réseau de pores sans cesse plus fins, et la quantité d’eau dans les pores continue à diminuer. Cela entraîne une contraction de la pierre de ciment. Ce phénomène est appelé retrait autogène. Le durcissement du béton empêchera le retrait de la pierre de ciment. Il en résulte de petites fissures dans la masse même du béton. Chez les mélanges avec un faible facteur eau/ciment (≤ 0,40) et une teneur élevée en pâte de ciment (p. ex. béton hautes performances et béton autocompactant à haute résistance), le retrait autogène peut être considérable en raison de la structure très fine des pores de la pierre de ciment. Chez ce type de mélange, le recouvrement avec un film plastique ou l’application d’un agent de cure n’a plus aucune utilité pour limiter le retrait autogène lorsque le risque de retrait plastique a disparu. Cela peut même s’avérer dommageable parce qu’il empêche la pénétration d’eau, tandis que cette dernière limiterait le retrait autogène. La meilleure façon pour limiter le retrait autogène chez ces bétons consiste à arroser la surface avec de l’eau ou de la recouvrir avec des toiles maintenues humides.

Le retrait de séchage

L’eau du mélange de béton sera utilisée en grande partie pour le processus d’hydratation. Le reste de l’eau peut disparaître du béton par séchage. Bien que le retrait plastique constitue également une forme de retrait de séchage, le terme est réservé au retrait du béton durci. Si l’humidité relative de l’air est inférieure à celle du béton, le béton séchera, avec comme conséquence un retrait de la pierre de ciment. Le retrait de séchage, parfois également appelé retrait hydraulique, est moins important que le retrait plastique et est aussi plus lent. Cela s’explique par le fait que la structure des pores devient plus fine à mesure que le béton vieillit. Le retrait de séchage est le plus important à la surface parce que celui-ci est exposé à l’air ambiant. Plus l’humidité relative de l’air est faible, plus le béton sèche vite et plus le retrait sera important. Le facteur eau/ciment, la teneur en ciment et le type de ciment jouent également un rôle, car ils déterminent la finesse du réseau de pores. Un facteur eau/ciment élevé entraîne un séchage plus rapide et un retrait plus important. En outre, la forme de la structure détermine également le séchage. Une forme longue et fine séchera plus rapidement qu’une forme massive. Environ 25 % du retrait total ont lieu dans les 2 premières semaines après la coulée du béton. Pendant les 3 premiers mois, le retrait atteindra environ 66 % du retrait total. Le retrait de séchage n’est pas complètement réversible. Lorsque le béton redevient humide après avoir séché, le taux de gonflement ne sera pas identique au retrait antérieur.

L’ingénieur en conception peut prendre des mesures en prévoyant une armature suffisante à l’endroit correct et des joints de retrait pour prévenir les fissures de retrait incontrôlées. La méthode la plus employée pour réaliser des joints de retrait dans les sols coulés sur place est le sciage (Figure 5), mais on peut également prévoir des profilés de joint (Figure 6). La pose d’une armature suffisante réduit la distance entre les fissures et la largeur des fissures, à condition que l’armature soit bien répartie sur la section (mieux vaut plus de barres fines que moins de grosses barres). Pour répartir la fissuration sur un grand nombre de microfissures, on peut également employer des fibres d’acier. Par contre, l’usage de fibres de polypropylène n’a pratiquement aucune influence à cet égard. Le technologue du béton peut réduire la quantité d’eau de gâchage pour limiter le risque de fissures de retrait. La quantité nécessaire d’eau de gâchage est en effet plus petite lors de l’emploi de matériaux de charge avec une granulométrie continue et un grand diamètre maximal de granulé. On peut maintenir le facteur eau/ciment bas par l’emploi d’adjuvants réducteurs d’eau. Un bon post-traitement n’a qu’une petite influence sur le retrait de séchage final.

Retrait thermique dans le béton jeune

La réaction entre l’eau et le ciment produit de la chaleur. La température dans le béton qui durcit va donc augmenter et le béton jeune veut donc se dilater. Si cette dilatation est empêchée, cela provoque des contraintes de pression. Elles restent cependant limitées parce que le béton jeune ne possède pratiquement pas encore de rigidité. Après plusieurs jours, le développement de chaleur diminuera et le béton se refroidira et voudra se contracter. Si ce retrait est empêché, cela peut provoquer une fissuration. Il peut s’agir d’une déformation interne ou externe empêchée. Un exemple classique de déformation externe empêchée est une paroi de béton qui est coulée sur une dalle déjà durcie (Figure 7). Comme la paroi ne peut pas bouger librement au niveau de la dalle, le risque existe que la résistance à la traction du béton soit dépassée lors du refroidissement. La déformation empêchée interne a surtout lieu dans les structures massives. Dans ces dernières, les augmentations de température par la chaleur d’hydratation sont souvent considérables. Aussi longtemps que le coffrage reste en place, les différences de température dans la section resteront limitées. Lorsque le coffrage est enlevé, l’extérieur du béton se refroidira et voudra se contracter. Ce retrait est empêché par le noyau de la structure. Une différence maximale de température de 20 °C entre le noyau et l’extérieur de la structure en béton est souhaitable. Un phénomène similaire peut se manifester en conditions estivales, lorsque le séchage de la couche extérieure fait baisser sa température en dessous de celle du béton sous-jacent. Ce gradient de température provoque des contraintes de traction dans la surface qui peuvent donner lieu à une fissuration. Le même effet est provoqué par la baisse de la température dans une structure de béton qui durcit pendant la première nuit après la coulée. Les périodes critiques de ce point de vue sont le printemps et l’automne, où les différences entre les températures diurnes et nocturnes peuvent être considérables. Pour le durcissement accéléré dans l’industrie de la préfabrication, il faut également tenir compte du risque de gradients de température dans le béton.

On peut employer un coffrage isolant pour limiter les gradients de température et la baisse de température dans le béton jeune. Il peut être nécessaire de poser un recouvrement isolant sur les surfaces de béton fraîchement coulées pendant les périodes critiques. Le moment où le coffrage est enlevé est lui aussi important. Tout comme pour le retrait de séchage, l’ingénieur en conception peut limiter la fissuration en prévoyant une armature suffisante ou des joints de retrait aux endroits appropriés. De son côté, le technologue du béton peut veiller à ce que le développement de chaleur reste limité. Les facteurs qui y tiennent un rôle important sont la température initiale du mélange de béton, la teneur en ciment et le type de ciment.

Le craquelé

Le facteur eau/ciment de la surface du béton peut être localement beaucoup plus élevé par une faible ségrégation, par exemple par sédimentation. Mais un compactage peu soigneux, par exemple contre la face interne d’un coffrage en acier, peut entraîner un excédent local de pâte de ciment, de sorte que la qualité du béton y sera moindre en comparaison avec le reste de la structure. Dans ce cas, la qualité ne sera certainement pas suffisante en l’absence d’un post-traitement approprié. Les différences de température et le séchage peuvent provoquer un motif de fissures irrégulier (Figure 8). Bien qu’elles soient peu esthétiques au point de vue visuel, les petites fissures peu profondes n’ont que peu d’importance.

L’ingénieur en conception ne peut pas faire grand-chose pour éviter le craquelé. Le technologue du béton peut réduire le risque de craquelé en gardant la consistance du béton la plus faible possible. Il réduit ainsi le risque de ségrégation. Pour la même raison, il peut accroître la cohésion du mélange par une granulométrie optimale et l’utilisation d’un entraîneur d’air. Pendant l’exécution, il faut veiller à un compactage et un post-traitement corrects et soigneux. Un coffrage en bois est moins sensible au craquelé qu’un coffre fermé et lisse en acier. Lorsqu’un coffrage en acier est mis localement en vibration par les aiguilles vibrantes, cela peut entraîner une ségrégation superficielle.

La fissuration sous corrosion

Lorsqu’une structure en béton est bien conçue et exécutée, la couverture de béton protègera suffisamment l’armature contre la carbonatation (la pénétration de dioxyde de carbone – CO2) et la pénétration de chlorures. Dans le cas contraire, l’armature peut se corroder après un certain temps. Cette corrosion s’accompagne d’une augmentation de volume, ce qui provoquera une fissuration, suivie par le soulèvement de la couverture de béton.

Pour prévenir la fissuration par corrosion de l’armature, l’ingénieur en conception doit savoir à quel environnement ou milieu sera exposée la structure en béton. Sur cette base, il sélectionne la classe de milieu ou d’environnement appropriée. Il fixe ainsi la couverture minimale de béton sur l’armature, ainsi que le facteur maximal eau/ciment, la teneur minimale en ciment, la qualité maximale du béton et la teneur maximale en chlorure de la composition du béton. Pendant la production, le technologue du béton veillera sur ces valeurs admissibles. Les valeurs concernant la composition du béton sont fixées dans les NBN EN 206 et NBN B 15-001, tandis que la couverture de béton est fixée par NBN EN 1992-1-1 + ANB. Pendant l’exécution, il faut en premier lieu respecter la couverture minimale de béton. En outre, un bon post-traitement du béton doit assurer un recouvrement de béton avec une structure fermée.

Les fissures de tractions

Ces fissures peuvent apparaître lorsque les structures ou éléments de béton sont fabriqués à l’aide d’un coffrage glissant. Lorsque le frottement entre le mélange de béton et le coffrage glissant produit des contraintes de traction qui dépassent la résistance à la traction du jeune béton plastique, le mélange de béton sera disloqué (Figure 9).

Pour obtenir une bonne couche de glissement, le béton humide doit contenir suffisamment de pâte de ciment. Une teneur trop élevée en pâte peut cependant entraîner une adhésion importante du mélange au coffrage, ce qui augmente le risque de fissures de traction. Un coffrage glissant encrassé provoque un frottement plus important entre le coffrage et le mélange de béton, et une prise trop rapide du béton peut entraîner l’adhésion du mélange de béton au coffrage.

Les fissures de traction présentent parfois une ouverture considérable. Il est souvent impossible de réparer les fissures. Le seul remède consiste souvent à arrêter la coulée et à remédier aux causes, plus à remplacer les tronçons défectueux.

Réparer ou pas ?

Les fissures visibles imprévues suscitent souvent des questions : «Une réparation est-elle indispensable ? » La décision de procéder à la réparation se base sur la distinction entre sécurité constructive, fonctionnalité et fonction esthétique. La sécurité constructive est-elle encore garantie ? La fonctionnalité est-elle devenue insuffisante ? La fonction esthétique ne satisfait-elle plus aux exigences ? Pour chacune de ces trois catégories, la durabilité est importante.

Si la fissuration expose une partie de l’armature, la sécurité constructive peut être mise en danger à terme, et une réparation s’impose généralement. Ce risque existe (pour les fissures traitées dans cet article) uniquement pour les fissures provoquées par la corrosion de l’armature, à condition que des mesures suffisantes aient été prises pour prévenir ou limiter les autres formes de fissuration. Si la fissuration ne permet plus de satisfaire aux exigences d’étanchéité, la fonctionnalité est insuffisante et une réparation sera nécessaire. Les fissures qui n’affectent pas la sécurité constructive et la fonctionnalité de la structure en réduisent souvent la valeur esthétique. Surtout au grand air, la fissure est souvent encrassée par des saletés entraînées ou du calcaire dissous provenant du béton. En outre, les saletés et les algues peuvent se fixer sur la zone continuellement humide autour de la fissure. Dans ces cas, il est donc parfois indiqué de procéder à une réparation. Attention, il est souvent impossible de réparer des fissures de manière invisible. Ce point est important pour le béton de parement ou les éléments préfabriqués en béton architectonique. Pour ce type de structures, une largeur de fissure de 0,2 mm est acceptable. En général, une réparation ne produira pas un meilleur résultat.

Suivant la situation, un conseil de réparation doit clairement établir la distinction entre les mesures visant à la réparation constructive et les mesures visant à combler la fissure. Dans les deux cas, il est possible de réparer les fissures en les remplissant ou en les injectant. Le remplissage se fait avec un mortier de réparation sans retrait. Pour les réparations par infection, on peut envisager des produits liés au ciment et une large gamme de résines artificielles (à base de polyuréthanne, d’époxy ou d’une combinaison des deux). Les fissures superficielles très fines ne peuvent pas être remplies ou injectées. Dans ce cas, il est recommandé de combler les fissures à l’aide d’un revêtement protecteur si cela s’avère nécessaire pour la durabilité. La plupart des produits de réparation sur le marché répondent aux prescriptions de la série de normes NBN EN 1504 – Produits et systèmes pour la protection et la réparation de structures en béton. Pour le choix du matériau de réparation, il est recommandé de demander conseil aux fabricants de ces produits.

Il ne faut pas se laisser effrayer par toutes les formes de fissuration citées plus haut. Il s’agit en effet de processus chimiques et physiques « normaux » qui sont indissociablement liés au choix du matériau, le béton. Opter pour des éléments en béton préfa est plus sécurisant pour l’entrepreneur, car les mesures de réduction de la formation de fissures sont bien mieux contrôlées en usine. Dans la plupart des cas, l’apparition de fissures dans une structure en béton ne constitue pas un danger pour la sécurité constructive, à l’exception de la fissuration par surcharge. En fonction de considérations de durabilité et d’esthétique, il faudra toujours évaluer si une réparation est indiquée ou pas. (BHE)

Bart Hendrikx est conseiller technique à la FEBE. Vous pouvez le contacter pour tous renseignements complémentaires. bhe@febe.be