avantages et inconvénients du bhp en tunnel - aftes · les hautes performances du bhp sont...

TECHNIQUES

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 2008 127

1 - PRÉSENTATIONDans le cadre du projet BHP2000, leCentre d’Etudes des Tunnels (CETU), viasa Centrale d’Inspection, la DDE 25, leLRPC d’Autun et le LCPC ont réalisé unecampagne d’expérimentation sur le tunnelde la Crête de Fontain, à Besançon. Elle apermis de comparer les deux types derevêtement utilisés dans les deux tubes dece tunnel : le béton ordinaire (BO) et lebéton à hautes performances (BHP) nonarmés.

Ainsi, il a été décidé de réaliser chacundes deux tubes avec l’une des deux solu-tions, BO et BHP, tout en évaluant toutesles données déterminantes pour le choixd’une technique :

• intérêt économique,• délais de mise en œuvre,• durabilité.

Le projet était particulièrement adapté àune étude comparative, car les deux tubessont similaires, représentatifs d’un projetde tunnel courant (revêtement en bétonnon armé dans un terrain rocheux relative-ment stable) et l’ouverture du tunnel à lacirculation, conditionnée par la suite de l’i-tinéraire (un autre tunnel et un viaduc),n’est prévue que plusieurs années aprèssa réalisation.

2 - DESCRIPTION DESBETONSLe béton hautes performances utilisé àFontain ne correspond pas rigoureuse-ment à la définition du BHP, qui désignetraditionnellement les bétons de résis-tance en compression supérieure à60MPa. Cependant , en comparaison desbétons couramment employés en tunnel,le B50 peut être considéré comme BHPpour cette application.

Le tableau ci-dessous rappelle les formu-les des deux bétons utilisés :

Avantages et inconvénientsdu BHP en tunnel

Céline Féron, Christian ChoquetCentre d’Etudes des Tunnels (Lyon)

Dans le cadre du projet BHP2000,cet article permet de comparer les deux types de revêtement desdeux tubes non armés d’un mêmetunnel réalisés avec du béton ordinaire (BO) et avec du béton à hautes performances (BHP) .Cet ouvrage est un tunnel courantet très représentatif : revêtementen béton non armé dans un terrainrocheux relativement stable etouvert à la circulation. L'article traite des avantages et desinconvénients en termes d’intérêtéconomique, de délais de mise en œuvre et de durabilité.

Abstract:Advantages and drawbacks ofHPC in tunnelsAs part of the HPC 2000 researchprogramme, this paper allows tocompare the two types of coating,one with ordinary concrete (OC),the other with high performanceconcrete (HPC) tested in the twotubes of a same representativeand classical road tunnel openedto traffic, located in a rather stable rock and coated with a non-reinforced concrete. The paperanalyses the advantages anddrawbacks in terms of cost,operation time and durability.

Les caractéristiques géométriques desdeux tubes sont les suivantes :

• Tube Nord : BO, longueur 248 m

• Tube Sud : BHP, longueur 238 m

Le rayon intérieur des deux tubes revêtus estde 5,06 m.

Le revêtement est réalisé par plots d'une dou-zaine de mètres de béton coulé non armé.

Figure 1 : Profil en travers

Tableau 1 : Formules des bétons

Béton BétonHaute Ordinaire

PerformanceB50 B25

Ciment 450 330Sable concassé 0/4 365 450Sable roulé 0/5 365 450Gravillon roulé 5/15 565 500Gravillon concassé 10/20 415 400Entraîneur d’air 0,1% 0,07%Superplastifiant 1,7% 0Plastifiant 0,4% 0,25%Eau 175 200Eau/ciment 0,39 0,61

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Les hautes performances du BHP sontobtenues traditionnellement par diminu-tion du E/C (augmentation du dosage enciment C et diminution de l’eau efficace E),et utilisation d’un superplastifiant pourconserver la fluidité.

Les consistances visées sont très plastiquepour le BO et fluide pour le BHP. Sur chan-tier le slump moyen des 80 gâchées debéton ordinaire est de 11 cm. Celui des 87gâchées de BHP est de 23 cm. On verracependant que la meilleure ouvrabilité duBHP n’a pas débouché sur un gain impor-tant de délai de mise en œuvre.

3 - CONCEPTION

3.1 - DIMENSIONNEMENTLe dimensionnement des voûtes en bétonnon armé des tunnels se fait à l’aide de laméthode des réactions hyperstatiques etune vérification des efforts selon les recom-mandations du GT7 de l'AFTES [1]. A l'ELU,la vérification consiste à vérifier que lasection n’est pas fissurée sur plus de lamoitié de son épaisseur, et que l’effortnormal ne dépasse pas sa valeur ultimedans la section restante. A l'ELS, on vérifieque la contrainte ne dépasse pas le tiers dela résistance en traction et la moitié de larésistance en compression. La résistanceen compression est rarement totalementmobilisée. Ainsi c'est surtout l'augmenta-tion corollaire de la résistance en tractiondes BHP qui permet de réduire l’épaisseur.Dans notre application à Fontain, on a pupasser d’une épaisseur théorique de 35 cmà 18.5 cm.

Remarque : Une application numérique àun ouvrage de grande ouverture (R=9,60m, étude du tunnel à grand gabarit sur pro-jet de canal Rhin-Rhône dans le Doubs) aégalement montré un gain théoriqueimportant possible sur l'épaisseur (1,40 men B35 à 1 m en B80).

3.2 - EPAISSEUR NOMINALEEn pratique, les recommandations del'AFTES indiquent des épaisseurs minima-les pour le revêtement. Pour des raisons demise en œuvre, on exclut de descendre endeçà de 20 cm pour une ouverture demoins de 10 m, et de 30 cm pour uneouverture de plus de 10 m. En effet, l’irré-gularité des hors profils conduit à unevoûte dont l’épaisseur est très variable, etcela a un impact sur la répartition desefforts. De plus, un décalage du coffrage

peut parfois conduire à des sous-épais-seurs. Aussi, l’épaisseur nominale retenuefinalement a été de 25 cm pour le BHP etde 35 cm pour le BO. Pour des raisons demise en oeuvre, la réduction d’épaisseurnominale permise par le BHP n’est pas tota-lement exploitable, puisqu’on retient unminimum de 25 cm alors que le dimension-nement théorique permettrait de descendreà 18,5 cm.

De plus, l’excavation a produit à Fontaind’importants hors-profils. L’épaisseurmoyenne effectivement mise en place àl’issue du bétonnage est de 54 cm pour leBO et 55 cm pour le BHP. Pour une excava-tion traditionnelle à l’explosif, la réductiond’épaisseur rendue possible par l’utilisationde BHP reste extrêmement tributaire de laqualité du découpage; en pratique, cetteréduction peut s'avérer faible voire nulledans certains cas.

3.3 - BILAN ÉCONOMIQUE Le coût au m3 des deux formules est lesuivant :

BO : 108 ee/m3

BHP : 178 ee/m3

L'écart pourrait se resserrer sur un ouvragede très grande longueur (>1000m) en rai-son de la part du coût fixe des études deformulation.

Pour compenser le surcoût du BHP, on doitpouvoir miser sur une économie de maté-riau, une diminution de la section excavéeet donc du volume des déblais à gérer, etsur une réduction du délai de mise enœuvre. Malheureusement, au tunnel deFontain, aucun de ces paramètres n’a puêtre suffisamment maîtrisé.

3.3.1 - MatériauComme nous l’avons vu plus haut, aucuneéconomie de matériau n’a été possible àFontain. Évaluons tout de même à partir dequel gain d’épaisseur la solution aurait puêtre intéressante.

Le volume mis en place par mètre linéairede tunnel est calculé à partir du rayon de lavoûte, de l’épaisseur du revêtement et dela hauteur des piédroits.

Vol/ml : (p(Ri+ep/2)+2*Hp)*ep

Ri=5,06m, rayon intérieur de la voûteHp=2m, hauteur des piédroitsep variable, épaisseur du revêtement

On présente dans le tableau 2 le produitdu volume par le coût, ce qui indique lapart du matériau dans le prix au mètrelinéaire.

On voit donc que la réalisation en épais-seur nominale n’aurait cependant pas suffià compenser le surcoût du matériau. Seulel’épaisseur théorique de dimensionnementdu BHP aurait rendu la solution économi-quement avantageuse, mais elle est excluedu fait des aléas de la mise en œuvre.

La diminution du volume de béton seule nesuffisant pas à compenser le surcoût dumatériau, il faut donc étudier les autres fac-teurs avantageux.

3.3.2 - ExcavationLa possibilité d'économiser sur le volumeexcavé est tributaire de la qualité d'exécu-tion et de la nature du terrain (maîtrise duprofil dérocté). Elle est d'autant plus inté-ressante qu'elle peut s'accompagner d'uneéconomie sur le soutènement liée à laréduction de section.

Si la mise en oeuvre avait permis de réduirel'épaisseur du revêtement de 10 cm, ladiminution du volume de la section auraitété, pour un rayon creusé Rc de l'ordre de5,7m :

VBO= πRc2/2+2Hp*Rc=73,8 m3

VBHP= π(Rc-0,1)2/2+2Hp*(Rc-0,1)=71,7 m3

Comme il est difficile de donner une valeur" standard ", nous avons fait l'applicationnumérique avec le prix du m3 excavé issud'un exemple, celui du Bois de Peu, tunnelvoisin situé sur l'itinéraire.

Dans cet exemple, le prix du m3 excavéétait de 40 ee/m3. S'il avait été possible deréduire le rayon creusé de 10cm, on auraitpu économiser 80 ee/ml. Cela réduit l'écartentre les deux solutions à 50 ee/ml, mais nepeut s'obtenir que dans des conditions trèsfavorables.

TECHNIQUES Avantages et inconvénients du BHP en tunnel

TUNNELS ET OUVRAGES SOUTERRAINS - N° 206 - MARS/AVRIL 2008128

Effective Nominale Théorique

ep. prix (EE/ml) ep. prix (EE/ml) ep. prix (EE/ml)

BO 0,54 1210 0,35 773 0,35 773

BHP 0,55 2032 0,25 903 0,185 665

Tableau 2 : Prix de revient des solutions BO et BHP

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3.3.3 - ConclusionPour compenser le surcoût du matériau, etprofiter pleinement du gain d'épaisseuroffert par l'emploi du BHP, l'épaisseureffective de BHP mise en œuvre ne doitpas s'écarter de l'épaisseur théoriquerésultant du dimensionnement. Cela ne seproduit généralement que pour des tun-nels de très grande ouverture (rayon del'ordre de 10m), qui restent des ouvragesexceptionnels. Pour des ouvrages d'ouver-ture courante, la différence de coût au m3entre les matériaux pourrait être atténuéesur un ouvrage de très grande longueur(>1000m).

4 - MISE EN ŒUVRE

4.1 - BÉTONNAGEMalgré sa plus grande fluidité (affaisse-ment moyen de 23 cm contre 11 cm pourle BO), le BHP n’a pas permis d’accélérer lacadence de bétonnage. En effet, le BHPs’est avéré difficile à pomper, et a été quali-fié de " collant " . Cela est dû au fortdosage en superplastifiant qui rend lebéton très visqueux. En conséquence, lebétonnage s’est vu ralenti par plusieursbouchages de pompe, d’où une cadencemoyenne inférieure à celle du béton ordi-naire. Les autres étapes du bétonnage(étanchéité du joint d’about, vibration)n’ont pas généré de différences significati-ves, bien qu’on ait noté des pertes de lai-tance pour le BO et que le suivi de la vibra-tion fût plus rigoureux pour le BHP.

4.2 - DÉCOFFRAGEIl serait intéressant de pouvoir raccourcir ledélai de décoffrage. Dans le cadre du tun-nel de Fontain, le délai minimum était de12 h. Dans d’autres cas, le délai est fixé parune résistance minimum à atteindre, del’ordre de 8 à 10 MPa, qui peut être éva-luée par suivi maturométrique.

Même si la résistance minimum visée peutêtre atteinte avant 12 h par un BHP, onpeut craindre une fissuration thermique

(due à l’auto-échauffement) plus impor-tante si le décoffrage intervient pendant laphase d’échauffement et provoque unchoc thermique, accentué par le fort cou-rant d'air présent en tunnel.

Au delà des 12 h minimum fixées àFontain, il n’a pas été observé de relationentre le délai de décoffrage et la fissura-tion. On peut penser que la fissurationdiminue quand le délai de décoffrage aug-mente, puis se stabilise au delà d’un certaindélai. Cette absence de lien entre la fissu-ration et le délai de décoffrage au delà de12 heures donne à penser que les 12 heu-res se situent au delà du seuil critique dedélai. Le seuil de stabilisation est sansdoute inférieur pour le BHP que pour leBO, mais les deux étant inférieurs à 12 h,cet avantage n’a pas pu être exploité àFontain, comme l’illustre le graphe suivant(figure 2).

Pourtant les courbes de températuresmesurées dans les coffrages montrent queles 12 heures se situent dans la phaseascendante de l’échauffement voire aupalier, ce dernier étant en moyenne à 61°C(figure 3). Bien que ce délai de décoffragesoit a priori le plus défavorable en terme

de choc thermique, l’augmenter n’a appa-remment pas eu d’effet visible sur la fissu-ration. Ajoutons que le bétonnage ayanteu lieu en hiver, des bâches de fermeturedu tunnel avaient été mises en place(Photo 1). Ceci a pu permettre de ralentir lerefroidissement par échanges convectifs etne pas superposer un séchage trop rapideau retrait thermique.



Tableau 3 : Délais de mise en œuvre

Comparaison Décoffrage/ Coffrage Total Avant Cadence Age du béton

des cycles translation (h) h bétonnage(h) bétonnage (m3/h) au décoffrage

Fontain BO 5,5 5 10,5 22 12h

Fontain BHP 4,25 5,5 9,75 17 12h

Figure 2

Photo 1 : Bâche de protection contre le froid installéeau milieu du plot 23 en BHP, le 27 octobre 1998

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Finalement on peut retenir que le délai dedécoffrage est limité par :

• la montée en résistance pour les BO

• la montée en température pour les BHP

Si l’on vise uniquement une résistanceminimum, le délai de décoffrage peut êtreréduit pour les BHP, mais il doit alors êtrecompensé par des précautions vis à vis duchoc thermique et du séchage car l’ampli-tude du gradient thermique entre le bétonet l’air ambiant doit encore passer par sonmaximum, et la résistance en traction estencore faible, ce qui accroît les risques defissuration (figure 4).

5 - EFFETS DU RETRAIT

5.1 - CONDITIONS D'OBSERVATIONLe suivi des revêtements a été réalisé par lacentrale d’inspection du CETU, plus préci-sément par son responsable qui a participéà chacune des visites. L’éclairage et l’accèsà la voûte étaient fournis par le camionnacelle du CETU, utilisé pour les inspec-tions détaillées des tunnels en exploitation(Photo 2).

Dix inspections ont été effectuées entremai 1998 et mars 2004. Le chantier degénie civil s’étant terminé en février 1999,le choix des premières dates d'inspectiona été fait de façon à permettre l’observa-tion d’anneaux juste décoffrés ; à chaquevisite, la totalité des anneaux coffrésdepuis l’origine était examinée et la fissu-ration mesurée.

Ensuite, les intervalles entre visites ont étéaugmentés, sauf entre les deux dernières,espacées de seulement 8 mois, de façon àpouvoir mettre en évidence l’influence dela température sur la structure.

Des points systématiquement observés oumesurés à chaque visite, les suivants ontété retenus pour la présente étude :

Sur les plots :Fissures : Les longueurs, ouvertures, désaf-fleurements ont été relevés. Les ouverturesétaient évaluées à l’œil, après un étalon-nage au début de chaque mission à l’aided’une réglette transparente (jaugeSaugnac). Une fissure est notée dès lorsqu’elle est visible par un observateur situéà une distance de 2 à 3 m du parement,dans de bonnes conditions d’éclairement.



Figure 3 : Suivi de la température des plots en BHP

Figure 4

4.3 - PRESSIONS SUR LES COFFRAGESLes pressions du BHP sur le coffrage sontun peu plus élevées que pour le BO, maiselles restent très faibles (70kPa maximum)et les déformations restent faibles et symé-triques. Il n'y a donc pas de précaution par-ticulière à prendre pour le coffrage desBHP en regard du coffrage des BO en cequi concerne les pressions.

Photo 2 : Inspection de la voûte du tube en BHP,avec le camion nacelle du CETU, le 1er juillet 2003

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On peut alors estimer que son ouverture estcomprise entre 0,1 et 0,5 mm. Le tracé desfissures a été dessiné sur un plan au 1/100représentant la développée de la voûte.

Sur les joints :Ouvertures : Elles ont été mesurées vers labase des piédroits, au niveau de marquesfaites à la craie de façon à retrouver exacte-ment le même endroit à chaque campa-gne, et à l’aide de cales de réglage debougies de voitures, au 1/10 mm (photos 3& 4). La précision de mesure peut être éva-luée à 0,1 mm pour les ouvertures inférieu-res au mm, et à plus ou moins 10% de lavaleur donnée pour les valeurs supérieures.Le fait que ce soit le même opérateur quiait réalisé, ou parfois contrôlé, le mesuragede toutes les campagnes est un gage defiabilité de ces mesures.

5.2 - FISSURATION

5.2.1 - OriginesOn peut rappeler que le retrait du béton sedécline sous trois composantes, dont lesorigines et l'évolution dans le temps sontdifférentes :

• le retrait endogène : ce raccourcissementest dû aux réactions d'hydratation entre leciment et l'eau. Il s'observe donc durant lespremiers jours (période pendant laquelleles réactions sont intenses) puis se stabilise.Il est d'autant plus important que le E/C estfaible. En général il est négligeable pourun BO et relativement important (de l'ordrede 200 μm/m) pour un BHP.

• le retrait thermique : il est proportionnel àla baisse de température qui suit l'échauf-fement dû aux réactions d'hydratation. Ilcommence après un certain nombre d'heu-res selon la massivité de la pièce. Il aug-mente avec l'épaisseur des éléments et laquantité de ciment et est donc plus impor-tant pour un BHP que pour un BO.

• le retrait de séchage : l'eau excédentaireà l'issue des réactions d'hydratation s'éva-pore et provoque une contraction du maté-riau. Ce raccourcissement est d'autant plusimportant qu'il y a d'eau en trop, c'est àdire que le E/C est élevé. Le séchage estun phénomène très lent qui est très impor-tant pendant plusieurs mois et peut conti-nuer pendant des années pour des structu-res épaisses. Il est en général faible ou nulpour des BHP et fort pour des BO.

Lorsque le retrait, quel qu'il soit, est empê-ché, par des frottements ou des liaisons, oupar des gradients dans l'épaisseur de lastructure, cela revient à tendre l'élément etcela peut provoquer sa fissuration.

5.2.2 - ObservationsDès les premières campagnes d'observa-tions, on a pu relever que la fissuration deretrait était apparue beaucoup plus rapide-ment dans les plots en BHP que dans lesplots en béton ordinaire.

Dans le tube en BHP, sur les plots sanscure, elle est apparue dès 8 jours, (14 m delinéaire de fissures dans le plot n°14) et auplus tard dès 56 jours (8 m de linéaire defissure dans le plot n° 10).Comparativement dans le tube en BO, elleétait à peine amorcée après 150 jours(plots n°14 & 16, premiers fissurés).

Après quelques mois, une fissurationimportante est progressivement apparuedans les plots en BO, pour atteindre unelongueur cumulée comparable (Figure 5),qui présente la valeur moyenne de fissura-tion de tous les plots.

En fait le retrait total des deux bétons est dumême ordre, seule leur évolution dans letemps est différente (retraits chimique etthermique précoces pour le BHP, retrait deséchage lent pour le BO) : il en a été demême pour la fissuration. Il est malgré toutsurprenant de constater que la pente à longterme, due au séchage lent, est sensible-ment la même pour le BO et le BHP, alorsqu’elle devrait être plus faible pour le BHP.



Photo 3 : Jeu de cales pour mesure de l'ouverture des joints de bétonnage

Figure 5 : Evolution de la fissuration

Long

ueur

de

fissu

ratio

n cu

mul

ée p

ar p

lot (

m)

âge (années)

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L'analyse par plot met en évidence degrandes variations d'un plot à l'autre, quel'on attribue principalement au volumebétonné par plot variant avec les hors-pro-fils [2]. Cette analyse ne fait pas l'objet decet article, qui se limite à la comparaisondes deux types de béton.

On donne cependant figure 6 - ci-après –les histogrammes des longueurs totales defissuration par plots pour les deux tubes,qui donnent en outre l'extension dulinéaire propre à chaque visite.

5.2.3 - Influence du produit decure sur le BHPLe produit de cure M 111, sans solvant, aété mis en oeuvre sur 3 plots; le produit M114, avec solvant, sur 10 plots, et 4 plotsn'ont fait l'objet d'aucun traitement.

Les résultats à long terme, c'est à direaprès environ 5 à 6 ans (2004), montrentque la fissuration est sensiblement moinsimportante sur les anneaux traités avec sol-vant (18,5 m en moyenne) que sur lesanneaux curés sans solvant (22,5 m), oun'ayant pas fait l'objet de cure (23 m). Il y acependant une assez forte dispersion selonles anneaux (voir figure 7), ce qui indiqueque les conditions locales de chaqueanneau (variations d'épaisseur) ont unegrande importance.

5.2.4 - Comparaison avec d'autrestunnels en B25 de dimensionssemblablesDeux tunnels construits une dizaine d'an-nées auparavant montrent une fissurationde retrait comparable à celle du tube enB25 de Fontain; cette fissuration de retraitatteint une longueur moyenne de 17m parplots après 5ans.

Le tube ouest du tunnel des TREIZE VENTSsur l'A 55, dont la développée est de 22 m(19 m à Fontain), et la longueur des plotsde 10 m (12 m à Fontain), est en B25 doséà 350 kg de CPA 55 prise mer. La fissura-tion moyenne par plot était de 30 m à lapremière inspection détaillée (2 ans aprèsconstruction) et de 39 m, 5 ans plus tard,soit sensiblement plus importante qu'àFontain.

5.3 - OUVERTURE DES JOINTSLes ouvertures des joints ont été mesuréesvers la base des piédroits, au niveau demarques faites à la craie, des deux côtés dela chaussée, dans les deux tubes, lors dechaque visite. La température de l'air dansle tunnel était également notée.

5.3.1 - Evolution avec le tempsdes ouvertures de jointsA Fontain, les joints sont " secs ", c'est àdire démunis de matériau intercalaire detype polystyrène. Juste après le bétonnagedu plot contigu, ils sont bord à bord, etprésentent donc une ouverture nulle. Lorsdes visites successives, on a pu constaterque les joints s'ouvrent, et que leurs ouver-tures s'accroissent assez rapidement audébut, puis de plus en plus lentement.

Le phénomène observé est lié au retrait dedessiccation. Plus tard, en période chaude,on a observé des fermetures liées à la dila-tation thermique.

Pour chacun des joints de chaque tube, ona mis en relation l'âge des plots contigusavec leur ouverture. Le graphe associémontre que l'augmentation des ouvertures(e) avec le temps (t) suit une loi logarith-mique de type : e = a Log (t) + b, avec unecorrélation relativement bonne. Ceci estvrai pour les deux tubes. La figure 8 illustrece comportement; elle représente l'évolu-tion de quelques joints du tube nord (BO),pour lesquels on disposait d'une continuitéde mesures depuis l'origine. On voit quel'amplitude finale du retrait varie sensible-ment selon les joints. Il est à noter que cegraphe utilise les mesures d'ouverturesbrutes, qui dépendent aussi de la tempéra-ture de la structure lors de la mesure. Onvoit en particulier que l'avant dernièremesure, faite par temps chaud en juillet2003, met en évidence pour les trois jointsune refermeture liée à la dilatation desplots. Lorsqu'on effectue une correctiondes ouvertures prenant en compte le coef-ficient de dilatation propre à chaque joint,calculé à partir des 2 campagnes (été 2003,hiver 2003-2004, voir 5.3.2), la corrélations'améliore.

5.3.2 - Évaluation d'un coefficientde dilatation thermiqueLe suivi de l'ouverture des joints dans letemps (5.3.1) a montré qu'après quelquesannées l'évolution due au retrait s'atténue,et que les variations d'ouverture sont alorsessentiellement liées aux fluctuations ther-miques.



Figure 6 : évolution de la fissuration par plot, en hautB25, en bas B50

Figure 7 : évolution de la fissuration BHP

Figure 8 : évolution des ouvertures de quelques joints (B25)

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Pour en quantifier les effets, deux campa-gnes de mesures ont été faites à 8 moisd'intervalle entre l'été 2003 et l'hiver sui-vant. La température de la structure a étémesurée en glissant la sonde dans desfourreaux électriques en attente de leuréquipement. Les résultats sont indiqués autableau 4.

Les coefficients de dilatation thermiqueapparents, α calculés sur une amplitude de18°, sont donnés pour chaque tube dans letableau suivant. On a sélectionné lesvaleurs correspondant aux ouvertures mini-male, maximale et moyenne.

Les valeurs maximales de α sont de l'ordrede grandeur de celles que l'on trouve dansla littérature (8 à 12 μm/m/°K), ou légère-ment inférieures. En laboratoire, la valeurdu coefficient de dilatation thermique duBHP a été mesurée. Une valeur de 7,4μm/m/°K a été trouvée, ce qui est assezproche de la valeur maxi déduite des ouver-tures de joints. Les valeurs moyennes, plusfaibles, traduisent le fait que les déforma-tions sont gênées au niveau de la fondationet du soutènement.

6 - AUTRES ASPECTS

6.1 - GELLe texte de référence est le guide tech-nique LCPC de décembre 2003 "Recom-mandations pour la durabilité des bétonsdurcis soumis au gel" [4]. La distinctionentre BHP et BO se fait dès 50 MPa. En

France dans les zones de gel sévère pourtout type de salage ou de gel modéré avecsalage fréquent, on exige des bétons G(salage peu fréquent) ou G+S (autres cas).La résistance à l'écaillage dû aux sels dedéverglaçage (critère S) se vérifie de lamême manière pour les BO et les BHP. Parcontre, la vérification de la résistance au gelinterne (critère G) implique des essais spé-cifiques au BHP. En effet, pour des bétonsordinaires, on a recours à des entraîneursd'air qui génèrent un réseau de bulles d'airdont on vérifie l'espacement. On peut diffi-cilement formuler un BHP avec de l'entraî-neur d'air car celui-ci diminue la résistancemécanique. Le critère sur le facteur d'espa-cement est donc remplacé pour ces bétonspar un essai de performance qui consiste àsoumettre une éprouvette à 300 cycles degel/dégel et à vérifier certains critères.

L'inconvénient est un allongement du délaides études pour les bétons G : l'essai deperformance dure 3 mois alors que lamesure du facteur d'espacement peut sefaire dès 15 jours. Il faut également antici-per les convenances qui doivent égalementêtres soumises à ces essais (minimum 3mois entre convenance et premier béton-nage, et solution à prévoir en cas d'échec).Pour les bétons G+S, ce délai est à prévoirdans les deux cas (BO ou BHP), car lesessais d'écaillage durent également 3mois.

A Fontain, le béton n'était pas spécifiéG+S. Les essais ont tout de même étéeffectués sur le BHP. Les essais de gelinterne et d'écaillage n'ont pas donné de

résultats satisfaisants, mais le béton deFontain n'avait pas non plus été formulédans cet objectif.

6.2 - QUALITÉ DE PAREMENTConcernant la qualité des parements lesobservations suivantes ont pu être faites. Ladifférence la plus apparente est la couleur :le BHP est plus foncé que le B25. Lesanneaux curés au Masterkure 114 présen-tent des coulures sombres inesthétiques. Lebullage est comparable dans les deuxtubes, il est de niveau moyen et localisé enpiédroit. La voûte en BHP présente unaspect particulièrement lisse.

6.3 - PERMÉABILITÉ À L’EAUSur les bétons de Fontain, on a comparé lecoefficient de Darcy mesuré en laboratoirepour les deux bétons :

• Pour le BO, k=2,7 10-9 cm/s

• Pour le BHP, k<5 10-12 cm/s

Il a été tenté de mesurer la perméabilité àl'eau in situ, mais le dispositif expérimentala été endommagé lors du bétonnage.

La perméabilité du BHP est très inférieure àcelle du BO ce qui présente un intérêt pourla durabilité des quelques plots armés.

6.4 - RÉSISTANCE AU FEUIl est avéré que les BHP présentent unrisque d’écaillage plus élevé que les bétonsordinaires. Ce phénomène s’est produittrès significativement lors de l’incendiedans le tunnel sous la Manche où 40 des45 cm initiaux de l’épaisseur des voussoirsont progressivement été éjectés sous formesd’écailles [6].

En conséquence, le dimensionnement desouvrages en BHP vis à vis du risque incen-die ne peut se faire par le calcul unique-ment, et le risque d’écaillage doit êtrequantifié par des essais. Pour les tunnelsroutiers du réseau national, réglementéspar la circulaire 2006-20 de mars 2006 [3],les BHP constitutifs d’ouvrages relevant desniveaux N1 et N2 doivent être testés enlaboratoire agréé [5]. Pour le revêtement dutunnel de Fontain, réalisé en terrain stable,l'exigence est simplement N0.

CONCLUSIONL'intérêt d'employer du béton hautes per-formances a été évalué par une étude com-parative sur un chantier d'application au



Date Température du béton (°C)

Tube sud (BHP) Tube nord (BO)

01/07/2003 19,7 19,0

02/03/2004 2,0 1,0

Tableau 4 : Evolution de la température du revêtement

Tableau 5 : Calcul du coefficent de dilatation thermique

Tube Ouverture (mm) Variation Côté et joint Coefficient α (μm/m/°K)d’ouverture concerné

07/2003 03/2004 (mm) α mini α maxi α moy

Nord (BO) 2,9 3,3 0,4 15/16 droit 1,9

3,6 5,4 1,8 9/10 droit 8,3

2,64 3,57 0,93 Sur 39 joints 4,3

Sud (BHP) 0 0,7 0,7 6/7 droit 3,2

0,6 2,1 1,5 12/13 droit 6,9

1,22 2,35 1,13 Sur 31 joints 5,2

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tunnel de Fontain, menée dans le cadre duprojet national BHP2000, en partenariatentre la DDE 25, le CETU, les LRPC d'Autunet de Lyon, le LCPC, et l'entreprise DGConstruction.

La faisabilité a été vérifiée, et aucunecontrainte supplémentaire liée à la mise enoeuvre du BHP n'a été relevée. Dans cetouvrage creusé dans un terrain stable et àl'excavation irrégulière, le gain en résis-tance n'a pas pu être mis à profit pour com-penser le surcoût lié au matériau. Les autresavantages potentiels (cadence de béton-nage, délai de décoffrage) n'ont pas pu être

exploités lors de ce chantier. La fissurationde retrait s'est avérée être aussi dévelop-pée dans les plots en BHP que dans ceuxen B25 ; même si l'on peut penser qu'elleévoluera moins à l'avenir dans le BHP quedans le B25, la fissuration n'a pas été signifi-cativement améliorée et ne constitue pasun critère discriminant.

A l'issue de cette étude, on peut retenir quepour un tunnel creusé traditionnel dedimension standard, le surcoût du matériauBHP n'est pas compensé par d'autres avan-tages, et que la qualification " hautes per-formances " ne s'applique pas au domaine

du feu. Des voies de rentabilisation ontcependant pu être mises en évidence. Uneréduction de l'épaisseur, donc de la quan-tité mise en œuvre, peut être escomptéepour des tunnels de grande ouverture. Lesdélais de décoffrage peuvent être réduitss'ils ne sont pas contraints par ailleurs,moyennant des précautions liées à la cure.Ces éléments réduisent le domaine d'em-ploi du BHP en tunnel à quelques applica-tions particulières. Largement employéactuellement dans les voussoirs des tunnelscreusés au tunnelier, des solutions reposantsur ce matériau pourraient également voirle jour dans le domaine de la réparation.


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RÉFÉRENCESRÉFÉRENCES ••••••••••••••••

[1] AFTES GT7, " Recommandations relatives à l’utilisation du béton non armé en tunnel ", Tunnels et ouvrages souterrains, n°149, septembre/octobre1998

[2] Poulain, Benoît : " Comparaison de la fissuration de deux types de revêtement définitif de tunnel : le béton à hautes performances et le béton ordi-naire ", Travail de Fin d'Etudes de l'ENTPE, juin 2003

[3] Circulaire interministérielle n°2006-20 du 29 mars 2006 relative à la sécurité dans les tunnels d'une longueur supérieure à 300m

[4] Guide technique LCPC, " Recommandations pour la durabilité des bétons durcis soumis au gel ", décembre 2003

[5] Les guides du CETU : “Comportement au feu des tunnels routiers ", mars 2005

[6] Ulm, F.J.; Acker, P.; Levy, M. : “The Channel fire II : analysis of concrete damage”, Journal of engineering mechanics, march 99

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