Construction de maçonnerie par temps froid

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Digeste de la construction au Canada, 1974-02

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Construction de maçonnerie par temps froid

Digeste de la Construction au Canada

Division des recherches en construction, Conseil national de

recherches Canada

CBD 123F

Construction de maçonnerie par

temps froid

Veuillez noter

Cette publication fait partie d'une série qui a cessé de paraître et qui est archivée en tant que référence historique. Pour savoir si l'information contenue est toujours applicable aux pratiques de construction actuelles, les lecteurs doivent prendre conseil auprès d'experts techniques et juridiques.

La construction d'ouvrages en maçonnerie constituait autrefois une activité saisonnière à laquelle on ne se livrait que durant les périodes de temps favorable, entre le printemps et l'automne. De nos jours, on exécute ce genre de travaux pendant les douze mois de l'année. Dans le cas de travaux de grande envergure, il est courant de voir les maçons, dans des abris chauffés, travailler en bras de chemise malgré les températures inférieures à zéro qui règnent à il extérieur. Sur des projets de moindre importance, il se peut que l'ampleur des ouvrages en maçonnerie à réaliser ne justifie pas les frais qu'entraînerait la construction d'un enclos approprié. En pareil cas, les maçons travaillent souvent sans protection et procèdent selon des techniques prévues pour temps froid; elles comprennent l'emploi de mortier chaud et d'éléments de maçonnerie secs.

Les abris chauffés, qui ont résolu bon nombre des problèmes posés par la construction hivernale, permettent de se conformer, totalement aux réglementations de la plupart des codes de construction régissant les travaux de maçonnerie exécutés par temps froid; celles-ci stipulent que l'on est tenu de maintenir 40°F la température minimale du mortier, de l'eau et des éléments de maçonnerie secs pendant la pose et de protéger l'ouvrage contre le gel pendant les prochains 48 heures, au cas où la température quotidienne moyenne sur le chantier descendait en dessous de 40°F.

On a également obtenu d'excellents résultats en procédant selon des méthodes conçues pour temps froid mais ne tenant pas compte des exigences précitées relatives à la température. Elles respectent, par contre, scrupuleusement les prescriptions suivantes: "on ne fera usage d'aucun matériau gelé ou d'aucun matériau contenant de la glace" et "à l'exclusion des périodes ou le travail est en cours d'exécution, on recouvrira complètement d'un matériau imperméable adéquat la surface supérieure des ouvrages en maçonnerie inachevés et exposés aux intempéries".

Les températures froides mettent les ouvriers dans l'impuissance de fournir la production optimale et ce fait constitue le principal problème auquel ont à faire face tous les corps de

métier du domaine de la construction. La technique des abris chauffés (CBD 7F) permet de résoudre au mieux nombre de problèmes engendrés par le temps froid; c'est également la meilleure méthode d'améliorer l'efficacité des ouvriers opérant dans des endroits soumis à des conditions atmosphériques rigoureuses.

La congélation de l'eau constitue un second problème. Mais le nombre des corps de métier obligés d'en tenir compte est moindre, étant limité à ceux qui utilisent des procédés à base d'eau comme c'est le cas, par exemple, dans les domaines de la maçonnerie, du béton et du plâtre. Le fait de ne pas comprendre la nature de ce problème peut entraîné de sérieux désordres, et les frais requis pour leur rectification peuvent, en outre, se révéler considérablement plus élevés que le prix d'aménagement utilisant des procédés appropriés au tout début. L'étude qui suit, portant sur l'effet du gel dans le cas de la maçonnerie exécutée par temps froid, illustre la nécessité d'observer certaines précautions; elle explique également le succès remporté par des méthodes qui ne sont pas encore acceptées par tous les codes de la construction.

Structure Interne de la Maçonnerie

La maçonnerie comprend toutes les constructions composées d'éléments de maçonnerie (pierre, brique d'argile, blocs en béton, etc....) et de mortier. La pose des éléments se fait à l'aide d'un mortier plastique; à mesure qu'il durcit (sèche), il lie ensemble tous les éléments pour former une structure monolithe. Lorsque la prise du mortier s'est effectuée convenablement, elle confrère généralement à la maçonnerie une solidité lui permettant de supporter durant de nombreuses années une exposition à des conditions atmosphériques normales. Quels que soient les problèmes qui interviennent dans la construction de maçonnerie exécutée par temps froid, ils prennent naissance entre le moment de la pose du mortier plastique dans le mur et celui auquel il acquiert une résistance suffisante pour ne pas réagir sous les effets préjudiciables du gel.

Le mortier plastique se compose de matériaux à base de ciment, d'agrégats et d'eau. Le sable tient couramment lieu d'agrégat et ses particules dans le mortier durci se trouvent agglutinées par les matériaux à base de ciment, tout comme les éléments sont liés entre eux par le mortier dans le mur en maçonnerie. Les matériaux à base de ciment comprennent du cement Portland ou de la chaux ou l'une des nombreuses combinaisons de ces matériaux. Le ciment durcit par hydratation en présence d'eau (CBD 116F). Les produits de l'hydratation adhèrent les uns aux autres et aux particules d'agrégat (sable) pour transformer le tout en mortier durci offrant une résistance relativement élevée à la compression. Au cours du processus de prise du composant à base de ciment, la résistance augmente, tandis que le nombre et la grosseur des interstices diminuent; l'eau étant absorbée par la réaction d'hydratation, la teneur en eau s'abaisse également. Cette réaction se produit plus lentement par basses températures et ce fait constitue l'un des problèmes posés par la maçonnerie exécutée par temps froid; la période de prise initiale, durant laquelle le mortier est vulnérable en raison de sa faible résistance, est plus longue par temps froid à cause de l'hydratation plus lente du ciment.

La prise de la chaux est due à un processus de carbonatation impliquant le gaz carbonique de l'air. Il est beaucoup plus lent que la réaction d'hydratation du ciment. La cure complète peut exiger de nombreux mois et la résistance définitive est de beaucoup inférieure à celle qu'acquiert le ciment. La gamme des résistances minimales exigées par la norme A 179 de l'A.N.C. illustre d'ailleurs ce qui précède; les valeurs de cette gamme s'étendent en effet de 75 lpc pour le mortier à base prédominante de chaux (Type K) à 2500 lpc pour le mortier à base prédominante de ciment (Type M). La porosité des mortiers à la chaux est aussi plus prononcée que celle des mortiers au ciment. La carbonatation de la chaux, processus très lent sous conditions optimales, se trouve, à l'instar de l'hydratation du ciment, ralentie par les températures hivernales.

L'eau joue un double rôle dans les mortiers de maçonnerie. Sa présence est indispensable à l'hydratation du ciment et elle confère au mortier l'ouvrabilité requise lui permettant de pénétrer dans toutes les fissures et crevasses de l'élément et ainsi assurer une adhérence optimale. Il faut d'ailleurs une plus grande quantité d'eau pour offrir une bonne ouvrabilité que

pour la réaction d'hydration. Ainsi, après leur mise en place dans un mur, les mortiers de maçonnerie présentent une résistance faible et une teneur en eau élevée. Les températures basses ralentissant le processus de séchage, la durée de cette période critique est plus longue en hiver.

La pierre naturelle, la brique et la tuile d'argile, la brique et le bloc de béton son tous poreux et, dès leur entrée en contact avec le mortier, commencent à en extraire de l'eau par aspiration capillaire. La quantité d'eau ainsi soustrait du mortier dépend de la porosité totale de l'élément ainsi que des dimensions et de la forme de ses pores. Un élément contenant une grande quantité de petites pores peut absorber plus d'eau qu'un autre ayant une plus grande capacité provenant de pores plus grosses. Les caractéristiques d'absorption de l'élément détermineront la qualité définitive de son adhérence au mortier. Par temps chaud d'été, il peut arriver que les pertes d'eau, dues à la fois à un élément à forte aspiration et à l'évaporation, soient suffisantes pour réduire l'ouvrabilité du mortier au point d'empêcher qu'il n'adhère uniformément aux surfaces qu'il est destiné à liaisonner. Il se forme, en pareil cas, des zones non liés correspondant à autant de canaux ouverts favorisant l'infiltration de l'eau de pluie vers l'intérieur. Il se peut aussi que le même élément fournisse un rendement satisfaisant par temps froid, ses caractéristiques lui permettant de réduire la teneur en eau d'un mortier à un niveau favorable pendant la période relativement courte précédant le gel.

Nature des Dommages Infligés au Mortier par le Gel

Les problèmes les plus sérieux qui découlent de l'exécution de maçonnerie par temps froids résultent de la congélation de l'eau. Donner à des éléments de maçonnerie, mouillés et gelés au moment de leur utilisation, une adhérence satisfaisante au mortier est difficilement réalisable; bâtir un mur d'aplomb et de niveau dans ces conditions est tout aussi difficile à réussir par suite de la tendance qu'ont les éléments à glisser dans le mortier.

Le motif familier, de patte-d'oie, apparent à la surface d'un joint au mortier, est une preuve de gel. Il résulte de la formation de cristaux de glace et de leur fonte après laquelle il subsiste. Son existence ne signifie cependant pas qu'il s'est produit une détérioration. On a récemment examiné un joint au mortier sur lequel apparaît distinctement un motif patte-d'oie. Il est en état parfaitement sain après trente ans de service.

L'exfoliation de la surface de la mortier et la désagrégation ou l'effritement général du mortier prouvent un état de détérioration avancée due au gel. L'expulsion de "doigts" gelés de mortier constitue l'un des désordres les plus spectaculaires et résulte du gel de mortiers à la chaux faibles et à prise lente. Il se peut aussi que des murs de maçonnerie, qui ont été gelés, se déforment ou s'arquent sous l'effet du soleil chaud de la fin de l'hiver. On pense que ce phénomène est dû à la dilatation thermique et au dégel que subit un seul côté du mur. Il est de pratique courante, dans les pays scandinaves, de poser sur les murs des bâches visant à empêcher le dégel différentiel par les jours ensoleillés de la fin de l'hiver.

Autres Problèmes Hivernaux

Le gel n'est pas la seule cause des problèmes qui se posent en hiver. On a relevé une importante corrosion des attaches métalliques et de l'acier d'armature; elle est imputable au chlorure de calcium que l'on utilise dans le but d'accélérer, en périodes froides, le temps de prise des mortiers.

La production d'efflorescence (CBD 2F) sur les murs de maçonnerie culmine généralement durant les derniers mois de l'hiver. Le basses températures, normales à cette époque, créent des conditions qui provoquent la migration de l'eau à la surface de la maçonnerie suivie de sa transformation en vapeur (phénomène d'évaporation); les sels qu'elle pouvait contenir en solution se déposent alors sur le mur. La maçonnerie achevée en période de froid y est particulièrement sensible parce que l'eau utilisé durant la construction s'évapore lentement à la fin de l'hiver.

Le mécanisme principal des dommages causés au mortier est celui qui résulte de la dilatation de l'eau au moment de sa transformation en glace sous l'effet du gel. Cette dilatation se traduit par une augmentation volumétrique de 9 pour cent. Aussi les interstices du mortier, s'ils sont remplis d'eau à plus de 91 pour cent, se trouvent ils dans l'impossibilité de contenir le volume excédentaire dû à la formation de la glace; cette situation peut alors engendrer des pressions excédant la résistance d'un mortier frais. Ces forces expansives sont susceptibles de briser l'adhérence entre le mortier et l'élément de maçonnerie entraînant des problèmes d'infiltration de pluie; aussi peuvent-elles rompre l'adhérence entre liant et granulat, causant l'effritement total (désagrégation) du mortier.

On a suggéré que la formation des lentilles de glace, le mécanisme qui provoque le soulèvement des sols à grain fin, pourrait endommager le mortier. Cette théorie est possible, mais improbable. Un mortier frais qui ne s'est pas hydraté pourrait donner naissance à des lentilles de glace à la condition qu'il soit saturé et que soit maintenu dans sa masse un certain gradient de température. On peut toutefois s'assuré, grâce aux précautions normales, que le mortier n'atteindra pas le point de saturation et qu'il n'existera aucun gradient thermique continue dans sa masse pendant la période de construction de la maçonnerie. Si l'hydratation du mortier en est à un stade déjà avancé, sa nature s'est modifiée de telle manière que l'on ne peut considérer la formation de lentilles de glace comme une cause majeure de détérioration, même sous conditions favorables d'humidité et de température. Dans tous les cas où intervient la formation de lentilles de glace, elle semble constituer un mécanisme destructeur secondaire qui prend naissance après la fissuration, ou désagrégation, du mortier causée par l'action normale du gel ou par quelqu'autre mécanisme. Il n'existe aucune observation faisant état de la formation de lentilles de glace dans une mortier sain et dense.

Des dommages imputables au gel peuvent survenir dans des éléments de maçonnerie. Ceux qu'on utilise aux fins de maçonnerie extérieure atteindront rarement un degré de saturation assez élevé pour occasionner des dommages dus au gel lors de construction par temps froid. Si la congélation se produisait, la résistance des éléments sera généralement suffisante pour leur permettre d'absorber ces forces expensives. Il se peut, par contre, que la résistance des éléments de remplissage atteigne des valeurs moins élevées et que ces éléments eux-mêmes aient à subir de basses températures lors d'une construction éxecutée en hiver. Au cas où ils atteindraient un degré de saturation élevé, il se pourraient qu'ils soient endommagés par le gel.

Teneur en Humidité du Mortier

On a récemment effectué en Scandinavie d'importantes recherches sur la maçonnerie exécutée par temps froid. Il en ressort que le gel n'est pas obligatoirement préjudiciable au mortier et que la teneur en humidité (eau) de celui-ci au moment de congélation constitue le facteur primordial. On a trouvé que l'emploi de briques dont le taux d'aspiration était suffisamment élevé, entraînait l'abaissement de la teneur en eau à un niveau permettant au réseau des pores du mortier d'accommoder le volume supérieur de la glace. Lors de la fonte de celle-ci, le processus d'hydratation reprend son cours et le résultat final égale, et parfois surpasse, la qualité des mortiers ayant subi un cure normale. La théorie qui précède est appuyée par de nombreux exemples de résistance supérieure à la compression pour des mortiers soumis au gel, puis au dégel, suivi d'une période normale de séchage.

Ces constatations expliquent le rôle joué par le mortier chaud et les éléments secs chauds dans la technique de la maçonnerie exécutée par temps froid. Le mortier chaud assure, avant que la température n'atteigne le point de congélation, un délai assez long pour permettre à la brique d'aspirer une quantité suffisante d'eau qu'il contient. Les briques doivent être sèches pour exercer leur action aspirante maximale; celle-ci est indispensable pour abaisser à un niveau satisfaisant, et dans le court laps de temps dont on dispose, la teneur en eau du mortier.

Rapport Mortier-Béton

Les recherches scandinaves font également ressortir l'existence d'une différence importante entre le mortier et le béton. Dès sa mise en place dans la maçonnerie, le mortier perd l'eau qu'aspirent les éléments. D'autre part, la mise en place du béton se fait dans des coffrages

métalliques non absorbants, ou en bois imbibé d'huile, de sorte que sa teneur en eau demeure élevée pour fins de cure. Ainsi un béton ayant un haut degré de saturation est plus susceptible d'être endommagé si sa congélation survient tôt après sa fabrication. Ceci a son importance car la plupart des réglementations relatives à la maçonnerie exécutée par temps froid, qui ont très peu changé au cours des années, avaient en effet pour bases primitives (en l'absence de données relatives au mortier) des études effectuées entre 1923 et 1935, et portant sur l'effet des basses températures sur le béton.

Résultat du Changement de Composition du Mortier

Il ressort de l'étude précédente que la résistance du mortier au ciment l'emporte en supériorité sur celle des mortiers à la chaux et que l'obtention d'une haute résistance initiale constitue en période de froid, un facteur d'importance; il est donc évident que certains changements dans la composition des mortiers destinés à des travaux à exécuter par temps froid seraient avantageux. L'incorporation de la chaux aux mortiers de maçonnerie a pour but d'améliorer leur capacité de rétention d'eau et leur ouvrabilité. Ces deux caractéristiques sont de la plus haute importance par temps chaud d'été alors que, en raison du séchage activité par l'évaporation et de la vitesse d'hydratation supérieure à la moyenne, l'ouvrabilité des mortiers, si essentielle pour une adhérence complète, tend à être moins satisfaisante. Il serait sage, à mesure du refroidissement saisonnier de la température, de remplacer une certaine proportion de la chaux par du ciment afin de provoquer la formation d'une plus haute résistance initiale, enfin de résister aux forces qui pourraient s'exercer si la congélation se produisait. Entraînant un ralentissement du séchage et de la vitesse d'hydratation, les basses températures minimisent le réduction de l'ouvrabilité. Ainsi, les maçons qui utilisant en été un mortier du type O (l partie de ciment pour 2 parties de chaux) passeront en hiver à l'emploi d'un mortier du type N (1 partie de ciment pour 1 partie de chaux). On pourra comparer, dans l'annexe B de la norme A 179 de l'A.N.C. Mortar for Unit Masonry, les compositions qui sont recommandées pour les mortiers destinés aux travaux d'été et d'hiver.

Effets des Adjuvants

Malgré certains des avantages qu'ils présentent lorsqu'ils sont judicieusement utilisés dans le cadre de certaines limites, on ne doit pas encourager l'emploi d'adjuvants visant à accélérer la prise (chlorure de calcium) et à abaisser la température de congélation (alcool propylique). Leur mésusage est susceptible de donner lieu à des effets secondaires indésirables (le chlorure de calcium, par exemple, contribue à la corrosion des attaches métalliques et de l'acier d'armature). Convenablement employés, les matériaux de base du mortier donnent d'excellents résultats; aussi l'usage d'adjuvants est-il superflu.

On doit mentionner ici les agents entraîneurs d'air, bien qu'ils n'appartiennent pas exactement à la catégorie des produits précités normalement ajoutés dans le malaxeur; ils sont intégrés aux ciments à maçonner que l'on emploie fréquemment dans la construction de maçonnerie exécutée en période de froid. L'effet favorable exercé par l'entraînement d'air sur la durabilité du béton durci (CBD 116F) est bien établi; on mentionne souvent aussi qu'il permettrait peut-être d'augmenter la protection des mortiers contre les dommages causés par le gel tôt après leur utilisation. Disons toutefois ici qu'il n'existe actuellement aucune preuve expérimentale permettant de confirmer le bien-fondé de cette opinion.

Méthode Recommandée

Des observations sur place à d'excellentes maçonneries construites sans protection contre les basses températures, jointes à des explications découlant d'études de recherche, conduisent de nombreux pays à réévaluer leurs réglementations. La Scandinavie qui, depuis nombre d'années, autorisait la construction de maçonnerie sans protection jusqu'à des températures minimales de 14 à 21°F, contemple la suggestion d'un adoucissement additionnel. Il a été établi que l'on pouvait exécuter des travaux de maçonnerie de manière satisfaisante par températures inférieures à celles auxquelles les maçons peuvent travailler sans protection. Le Structural Clay Products Institute des Etats-Unis a énoncé de nouvelles recommandations relatives à des méthodes de construction de maçonnerie exécutée sans protection jusqu'à

20°F. Elles conseillent l'emploi de mortiers à base de ciment-chaux appartenant aux types M, S et N et contenant du ciment à haute résistance initiale. Il est conseillé de faire usage d'un chauffage auxiliaire (salamandres) lorsque la température diurne moyenne se situe entre 20 et 25°F,et de coupe-vent lorsque la vitesse des vents dépasse 15 m/h. Il est également conseillé d'utiliser des abris chauffés si la température descend en dessous de 20°F. Le nouveau CSA Masonry Code of Practice comprend des recommandations analogues.

On ne réussira une maçonnerie de qualité qu'en se conformant avec soin aux recommandations. Les éléments de maçonnerie et les matériaux à mortier entreposés sur le chantier doivent être convenablement couverts de manière à les garder secs; commencer la journée de travail par une opération de dégel d'un tas de sable représente une perte de temps et une perte de production. Les matériaux à base de ciment, ensachés, doivent également être couverts et entreposés sur une plate-forme surélevée de manière à ce qu'ils n'absorbent pas l'humidité du sol; celle-ci pourrait en effet provoquer une réaction d'hydratation avec le ciment. Lors de la préparation d'un mortier chaud, il semble logique qu'en raison de sa chaleur spécifique élevée d'une part, et de la relative facilité de l'opération d'autre part, l'eau constitue le matériau à chauffer. On doit la chauffer jusqu'à une température s'échelonnant de 150 à 180°F. Lorsque la température est douce, cela suffit pour réchauffer le mortier; lorsqu'elle descend en dessous de 32°F, par contre, il est également nécessaire de réchauffer le sable. On considère que 70°F constitue une température satisfaisante. La température d'un mortier chaud doit se situer entre 70 et 120°F; au-dessus de ce maximum il y a danger de prise instantanée. Il est absolument essentiel, à la fin de la journée de travail, d'assurer à la maçonnerie inachevée une protection contre les intempéries.

Conclusion

Le fait de prévoir un abri chauffé demeure la méthode la meilleure pour éviter les difficultés qui interviennent dans la construction de maçonnerie par temps froid. A condition d'observer certaines précautions, les maçons travaillant sans protection peuvent cependant produire des ouvrages de qualité. Des recherches récentes ont corroboré l'efficacité de ces techniques et cette dernière se traduira en dernier lieu par un assouplissement des réglementations existantes. Ceci permettra d'exécuter de la maçonnerie par temps froid dans le cas de travaux peu importants ne justifiant pas les frais d'abris chauffés.