Le bétonnage sous-marin, terme désignant la mise en œuvre du béton sous la ligne de flottaison, est une technique fondamentale dans la construction d'ouvrages hydrauliques. Bien que les résultats de ces coulées soient visibles au quotidien, le processus sous-jacent reste méconnu du grand public. Cette méthode, bien que présentant des défis uniques par rapport au bétonnage sur sol sec, offre des avantages économiques et pratiques significatifs, notamment lorsqu'il s'agit de travailler dans des environnements aquatiques où l'assèchement serait trop coûteux ou techniquement irréalisable. La demande croissante pour des coffrages de haute qualité et des méthodes de mise en œuvre fiables souligne l'importance de maîtriser cette technique.
Les Défis Spécifiques du Bétonnage Sous-Marin
La mise en œuvre du béton sous l'eau introduit une série de complications qui nécessitent des adaptations significatives par rapport aux pratiques conventionnelles. L'un des problèmes majeurs réside dans le risque de modification des proportions des ingrédients du mélange de béton par l'eau environnante. L'ajout d'eau au mélange peut entraîner le lessivage du ciment, compromettant ainsi l'intégrité et la durabilité du béton final. De plus, contrairement au bétonnage en milieu aérien où le séchage est un facteur clé, le béton immergé retient l'humidité de manière beaucoup plus efficace, ce qui a une incidence sur le processus de prise et de durcissement.
Le compactage ou la vibration du béton, généralement essentiel pour obtenir une bonne compacité et éliminer les vides d'air, est rarement possible dans le contexte du bétonnage sous-marin. Cela impose une formulation spécifique du béton, conçue pour atteindre une auto-compaction et une fluidité adéquates, souvent sans intervention mécanique. Les opérations de coffrage, de mise en place des armatures et de bétonnage sont fréquemment réalisées "en aveugle", nécessitant une confiance accrue dans les procédures et, si possible, l'assistance de plongeurs pour la validation des étapes critiques.
L'acheminement du béton jusqu'au point de mise en œuvre représente une autre difficulté majeure. Ce processus peut être source de ségrégation, c'est-à-dire la séparation des différents composants du béton, ou de modifications indésirables de ses propriétés. Si le béton est mis en œuvre dans une zone où l'eau est en mouvement, sous l'effet par exemple de la houle ou des vagues, des mesures supplémentaires sont indispensables pour prévenir le délavage du béton frais. La communication entre les équipes sous l'eau et celles en surface peut également être rendue complexe, limitant les échanges vocaux directs.
Formulation et Spécificités du Béton Sous-Marin
Pour garantir la durabilité et la performance du béton immergé, un mélange spécifiquement optimisé est utilisé. L'un des aspects les plus cruciaux est la nécessité pour le béton sous-marin de présenter une cohérence élevée et une fluidité appropriée. Cette formulation doit concilier deux exigences apparemment contradictoires : une grande fluidité et maniabilité pour une mise en œuvre aisée, souvent sans vibration, permettant une bonne compacité par simple gravité ; et une cohésion élevée pour résister au risque de délavage au contact de l'eau, ainsi qu'aux risques de ségrégation et de ressuage.
La fluidité est généralement obtenue grâce à l'utilisation d'adjuvants superplastifiants. Pour assurer la cohésion, la granulométrie du béton est ajustée pour être riche en éléments fins, constituant une pâte visqueuse et cohérente. Les éléments fins nécessaires doivent représenter une quantité minimale, souvent autour de 425 kg/m³. L'ajout d'un agent colloïdal peut également améliorer la résistance à la ségrégation et réduire le ressuage.
Le béton utilisé pour le bétonnage sous-marin est un béton hydraulique, souvent de type XV, formulé avec des adjuvants spécifiques tels que des agents anti-lessivage et superplastifiants. Ces adjuvants réduisent au maximum la perte de masse due au lessivage. Le béton de type XV présente un ratio ciment/eau plus élevé et utilise une granulométrie plus fine, avec une proportion significative de granulats fins, garantissant une meilleure cohésion. Les armatures utilisées sont généralement similaires à celles des ouvrages conventionnels.
Adjuvants Clés pour le Bétonnage Sous-Marin
Deux types principaux d'adjuvants jouent un rôle crucial dans la formulation des bétons sous-marins :
Adjuvants Anti-Lessivage : Il s'agit souvent d'adjuvants bi-polymères, liquides à base de cellulose, conçus pour les bétons et coulis destinés à un usage sous-marin. Ils augmentent la cohésion du mélange et confèrent au béton une viscosité contrôlée, facilitant les opérations de pompage et la pénétration dans les zones restreintes. Ces adjuvants améliorent également la résistance en compression et en flexion du béton et sont efficaces dans les eaux douces comme salées. La quantité à ajouter est généralement spécifiée par le fabricant, par exemple 2,58 L/m³ (630 mL/100 kg).
Superplastifiants : Ces adjuvants, souvent sans chlorure et à base de polynaphtalène sulfoné, sont des réducteurs d'eau performants. Ils retardent considérablement la prise du béton, lui permettant de conserver sa plasticité et sa fluidité pendant toute la durée du bétonnage, ce qui est essentiel pour les coulages complexes pouvant s'étendre sur plusieurs heures. Le mélange devient plus fluide, facilitant son pompage et son écoulement.
La formulation spécifique des bétons coulables sous l'eau dépendra du type d'ouvrage à réaliser (grand volume, géométrie complexe) et des techniques de mise en œuvre envisagées (pompage, trémie). L'objectif est d'éviter la séparation des éléments fins du squelette granulaire pour minimiser les risques de délavage. Pour les bétons destinés au pompage, des fuseaux granulométriques adaptés sont utilisés, privilégiant des granulats roulés et, en complément du ciment, des additions qui améliorent l'ouvrabilité. Les sables sont de préférence roulés avec une granulométrie continue, et le module de finesse se situe généralement entre 2,3 et 2,7. En milieu maritime, un ciment de type PM est souvent requis.
Techniques de Mise en Œuvre du Bétonnage Sous-Marin
Plusieurs techniques existent pour réaliser le bétonnage sous-marin, chacune nécessitant des équipements et des procédures spécifiques. L'objectif commun est de minimiser le contact du béton frais avec l'eau avant sa mise en place et d'assurer une coulée continue et homogène.
La Méthode de la Trémie (Tremie Pipe)
Cette technique utilise un tuyau de trémie étanche, surmonté d'un entonnoir. Un bouchon réglable est placé au bas du tuyau pour amorcer la coulée. La procédure consiste à descendre le tuyau jusqu'à ce que son extrémité inférieure soit immergée dans le béton fraîchement coulé. Le tuyau est ensuite progressivement soulevé au fur et à mesure que le béton remplit le volume à combler. Il est impératif que le trou inférieur du tuyau reste en permanence immergé dans le béton frais pour éviter l'entrée d'eau et le lessivage du ciment. L'alimentation du béton doit être continue. La partie supérieure du béton au contact de l'eau peut se délver légèrement et doit être éliminée une fois le bétonnage terminé.
La Méthode du Godet (Bottom-Dump Bucket)
Cette méthode consiste à utiliser un godet spécialement conçu pour le placement du béton à des profondeurs considérables. Le godet est doté d'un fond qui s'ouvre vers l'extérieur et d'un couvercle pour empêcher l'eau de pénétrer dans le béton pendant la descente. Une fois le godet positionné à l'endroit désiré, le fond s'ouvre pour libérer le béton. Cette technique, bien que plus simple en apparence, nécessite une grande précision pour éviter la ségrégation du béton lors de sa chute.
Le Bétonnage par Pompage
Le bétonnage par pompage est une technique couramment utilisée, considérée comme plus facile que d'autres méthodes. La ligne de pompage doit être maintenue pleine de béton et son extrémité doit rester immergée dans la masse de béton frais en tout temps. Cela évite le lessivage du béton. Le coulage doit se faire de manière continue. La ligne de pompage applique le béton fluide à travers un orifice du coffrage, tandis que l'eau est évacuée par un autre orifice. Pour éviter tout contact entre le béton et l'eau lors de la coulée, une boule est insérée dans la ligne de pompage. Cette boule est expulsée lorsque le béton est mis en place dans le coffrage. La densité de la balle est cruciale pour qu'elle conserve sa forme sous la pression, évitant ainsi l'infiltration d'eau. Des alternatives comme une plaque ou une trappe temporaire à l'extrémité de la ligne, maintenue par la pression de l'eau, peuvent aussi être utilisées. Une autre option consiste à remplir la ligne de pompage avant de la descendre dans l'élément à bétonner. Le surveillant de chantier doit s'assurer que la ligne est complètement déposée au fond de l'ouvrage avant de commencer la coulée.
Bétonnage sous l eau
Dispositifs d'Amorçage et d'Alimentation
La technique généralement utilisée pour bétonner sous l'eau est dérivée de celle employée pour les bétons de fondations (pieux, parois moulées). Pour alimenter le béton, on utilise une goulotte composée d'une trémie de remplissage en partie supérieure, suivie d'un ou plusieurs tubes (conduites), et d'un tube de reprise de bétonnage et d'amorçage. Ce dernier dispositif permet d'évacuer l'air emprisonné sous le bouchon lors de l'amorçage. La base de la goulotte est descendue au fond de la zone à bétonner. Dès que le bétonnage commence, l'alimentation doit être continue. Le "bulbe" de béton qui se forme à la sortie de la goulotte grossit progressivement, remplissant le volume à combler.
Préparation du Chantier et Mesures de Sécurité
La préparation minutieuse du site de construction est primordiale pour assurer la sécurité des travailleurs et l'efficacité des opérations de bétonnage sous-marin. Le travail sous l'eau comporte des dangers et des difficultés inhérents.
Coffrages et Fixations
Les coffrages sont habituellement constitués de ferraillage soudé préfabriqué, mais peuvent également être réalisés en bois. Cependant, les coffrages en bois présentent des inconvénients en raison de leur flottabilité, nécessitant une fixation solide pour éviter qu'ils ne remontent à la surface. Pour gagner du temps, les coffrages peuvent être fabriqués hors de l'eau, puis immergés et mis en place à l'aide d'une grue. Une autre méthode consiste à fixer les coffrages directement dans l'eau par des plongeurs, mais cette approche est rarement utilisée en raison des difficultés d'exécution. Les mouvements en milieu sous-marin sont plus lents et physiquement exigeants.
Réduction du Courant et Sécurité des Plongeurs
Il est essentiel de placer un déflecteur pour réduire la vitesse du débit d'eau, facilitant ainsi la plongée et assurant la conformité aux normes de sécurité. Les plongeurs doivent être équipés de manière adéquate et suivre des procédures strictes pour garantir leur sécurité. La communication entre les plongeurs et les équipes en surface est un élément clé, souvent facilitée par des systèmes de communication radio ou des signaux conventionnels.
Utilisation d'Outils Sous-Marins
Des machines hydrauliques et pneumatiques spécifiques sont utilisées sous l'eau, telles que des perceuses, des meules et des tronçonneuses. Il est également possible de réaliser des opérations de soudure et de découpe d'acier sous l'eau grâce à une machinerie spécialisée.
Contrôle Qualité et Normes
Le contrôle qualité du bétonnage sous-marin est une étape critique, rendue complexe par les conditions d'exécution. Des tests sont réalisés sur le béton avant la coulée effective. Les spécialistes en laboratoire prélèvent un échantillon à la sortie de la pompe pour vérifier si le béton répond aux normes établies.
Compte tenu de la difficulté d'effectuer des contrôles directs sous l'eau, il est indispensable de réaliser une étude de convenance du béton qui simule les conditions de chantier. Ce béton est coulé "dans les mêmes conditions que l'ouvrage définitif", en utilisant le même matériel de pompage, à la même profondeur et dans des conditions d'agitation de l'eau similaires. Le béton anti-lessivage est défini par des normes spécifiques, comme la norme 3101 du Ministère des Transports.
Le béton hydraulique doit être mis en place à une température supérieure à 5°C. Si la température est inférieure, la coulée doit être reportée pour éviter que le processus d'hydratation ne soit compromis.
Le bétonnage en continu est privilégié pour éviter la formation de joints de reprise, qui peuvent constituer des points faibles dans la structure. Le béton, une fois mis en place, ne doit pas être manipulé.
Avantages Économiques et Pratiques
Malgré les coûts plus élevés associés aux bétons hydrauliques spécialisés et à la mise en œuvre plus complexe, le bétonnage sous-marin présente des avantages économiques significatifs par rapport aux méthodes traditionnelles.
Économies sur la Préparation du Chantier
L'un des principaux avantages réside dans les économies réalisées sur la préparation du chantier. La construction réalisée directement sous l'eau nécessite moins de préparation qu'un site qui doit être asséché. Cela évite le déploiement de moyens techniques importants pour vider une partie immergée, comme l'utilisation de palplanches ou de batardeaux. L'assèchement d'une zone de travail peut être coûteux et techniquement complexe, voire impossible dans certaines configurations.
Coût des Coffrages
Le coût de la construction des coffrages pour le bétonnage sous-marin est souvent moins élevé que celui des solutions employées pour travailler au sec. Bien que les coffrages sous-marins nécessitent une étanchéité parfaite et des méthodes de fixation robustes, ils évitent les dépenses liées à la construction d'ouvrages temporaires pour isoler la zone de travail de l'eau.
Rapidité de Mise en Œuvre
Dans certains cas, le bétonnage sous-marin peut permettre une mise en œuvre plus rapide, en particulier lorsque les conditions hydrologiques rendent les travaux d'assèchement particulièrement longs et complexes.
Application dans des Conditions Difficiles
Le bétonnage sous-marin est une solution indispensable pour la construction ou la réparation d'éléments d'ouvrages situés sous l'eau, tels que les fondations de ponts, les piles, les culées, les digues ou les structures portuaires. Il permet de réaliser des travaux dans des environnements où le bétonnage en milieu sec serait impossible ou prohibitif.
Un exemple concret est le pont de la rivière Petite Natashquan, où la construction de fondations dans le lit rocheux de la rivière a nécessité le bétonnage sous-marin. L'entrepreneur a utilisé des palplanches et a coulé un bouchon d'étanchéité en béton dans l'eau, au fond des palplanches, rendant le bétonnage à sec impraticable.
Limites et Inconvénients
Malgré ses avantages, le bétonnage sous-marin présente également des inconvénients qu'il convient de considérer.
Difficulté de Visualisation et de Contrôle
L'un des principaux inconvénients est la difficulté d'avoir une vue d'ensemble des opérations. Les plongeurs, travaillant dans des conditions de visibilité souvent réduites, ne peuvent pas appréhender facilement l'étendue de la construction. Cela peut nécessiter des repositionnements répétés des coffrages. Le contrôle de la qualité du fini de la surface du béton et de sa mise en place est également plus difficile à réaliser en raison de la vision trouble.
Débit d'Eau Élevé
Si l'eau présente un débit trop élevé, le béton a tendance à se laver, ce qui compromet sa qualité. De plus, les failles dans le roc sous-jacent peuvent être difficiles à percevoir, entraînant des fuites de béton dans l'eau.
Coût des Matériaux Spécialisés
Les bétons utilisés pour le bétonnage sous-marin, formulés avec des adjuvants anti-lessivage et superplastifiants, sont plus coûteux que les bétons à usage général. Ces adjuvants sont plus dispendieux car ils sont utilisés dans des applications plus spécialisées.
Main-d'œuvre Spécialisée
Les travailleurs impliqués dans le bétonnage sous-marin doivent posséder des compétences spécialisées en plongée, en bétonnage et en construction sous-marine. Leurs salaires sont généralement plus élevés que ceux des ouvriers travaillant sur des ouvrages terrestres.
Contraintes Temporelles
Certaines opérations, comme la fixation des coffrages, peuvent prendre plus de temps en milieu sous-marin, affectant le calendrier du projet.
Béton Autoplaçant (BAP) et Bétonnage Sous-Marin
Les bétons autoplaçants (BAP) présentent un intérêt particulier pour le bétonnage sous-marin. Leur formulation leur confère une très grande fluidité et une capacité à se mettre en place sans vibration, tout en maintenant une cohésion élevée pour résister au délavage et à la ségrégation. Ces propriétés font des BAP une solution performante pour de nombreuses applications sous-marines, notamment pour le remplissage de volumes complexes ou difficiles d'accès.
Conclusion
Le bétonnage sous-marin est une technique indispensable dans le domaine de la construction hydraulique, permettant la réalisation d'ouvrages dans des environnements aquatiques où les méthodes traditionnelles seraient impraticables ou excessivement coûteuses. Bien que présentant des défis uniques liés à la formulation du béton, à sa mise en œuvre et au contrôle qualité, les avancées technologiques et la maîtrise des adjuvants ont permis de développer des solutions fiables et performantes. Les avantages économiques, notamment en termes de préparation du chantier, font de cette technique une option de plus en plus privilégiée. La rigueur dans la préparation, le choix des matériaux et l'exécution des travaux sont les clés du succès pour garantir la durabilité et la sécurité des structures construites sous l'eau.