Hydratation du ciment et hautes températures dans les fondations d'éoliennes terrestres

Les fondations d'éoliennes terrestres sont de grandes structures en béton coulé en place. Une caractéristique clé qui distingue le béton de masse des autres types de béton est son comportement thermique. Cela vient principalement du caractère exothermique de la réaction entre le ciment et l'eau, connue sous le nom d'hydratation du ciment.

Comment la taille d'un élément en béton influence l'évolution de la température

Lorsque le ciment est mélangé à de l'eau, l'hydratation commence. Cette réaction exothermique génère de la chaleur et produit de nouveaux composés qui forment une structure solide. Avec le temps, ces composés continuent à se développer et à s'imbriquer, rendant le mélange dur et résistant.

Mais dans les grandes masses de béton, la chaleur générée par cette réaction ne se dissipe pas rapidement. Cela peut entraîner une élévation importante de la température à l'intérieur du béton.

L'évolution de la température dans un élément en béton dépend fortement de sa taille. Plus le volume est grand, plus il y a de matière qui isole le cœur, ce qui ralentit la dissipation thermique et favorise l'accumulation de chaleur au fur et à mesure que le ciment réagit avec l'eau. À mesure que l'hydratation du ciment progresse, la production de chaleur finit par diminuer, et la température interne baisse progressivement.

L'animation ci-dessus a été générée à l'aide d'un logiciel développé en interne pour analyser les problèmes de transfert thermique par la méthode des différences finies. Elle montre l'évolution de la température du béton aux jeunes âges dans des blocs de différentes tailles : 1x1 m, 3x3 m et 6x6 m.

Au début de l'hydratation du ciment, la température monte rapidement. Ensuite, lorsque la majorité du ciment a réagi, la production de chaleur ralentit, ce qui fait baisser la température progressivement, tendant vers la température ambiante.

On observe des différences notables d'évolution thermique entre les trois blocs. Plus le bloc est grand, plus la température maximale est élevée et plus le refroidissement vers la température ambiante est lent. Dans cet exemple, les températures maximales dans les blocs les plus grands peuvent atteindre entre 70 et plus de 80 ºC, ce qui correspond à une zone à risque comme nous allons le voir ensuite.

Formation différée d'ettringite (DEF)

La formation différée d'ettringite (delayed ettringite formation, DEF, en anglais) est une réaction chimique qui se produit dans le béton durci, entraînant des gonflements et des fissurations. L'ettringite, un sulfoaluminate de calcium hydraté, se forme normalement aux premiers stades de l'hydratation du ciment.

Cependant, dans le cas de la DEF, cette formation se produit de manière différée, bien après la prise et le durcissement du béton. Cette formation retardée est souvent provoquée par des températures élevées (au-dessus de 70 à 80 °C) pendant la cure, qui empêchent la formation normale d'ettringite au début de l'hydratation.

Les conséquences de la DEF incluent des fissures visibles, des déplacements et un risque accru d'autres formes de dégradations secondaires, comme le gel-dégel ou la corrosion des armatures. Bien que la DEF ne provoque généralement pas l'effondrement des structures, elle compromet fortement leur durabilité et leur intégrité.

La DEF a été observée aussi bien dans des éléments préfabriqués durcis à chaud que dans de grandes structures en béton coulé en place, où la chaleur d'hydratation peut s'accumuler au début de la vie de l'ouvrage.

Exemple de chaleur d'hydratation du ciment dans une fondation d'éolienne

Les fondations d'éoliennes terrestres sont généralement constituées de grandes semelles en béton, atteignant souvent 3 à 4 mètres de profondeur au centre.

D'après l'évolution des températures observée dans l'exemple précédent, on peut s'attendre à ce que les températures maximales dans les fondations d'éoliennes se situent entre celles des blocs de béton 3x3 et 6x6.

Voici un exemple d'analyse de transfert thermique réalisée sur une fondation réelle d'éolienne. Comme on le voit, les températures atteignent presque 80 ºC, ce qui correspond à une zone critique pouvant favoriser l'apparition de DEF.

Les fondations d'éoliennes peuvent être sensibles à la DEF dans certaines conditions. Pour l'éviter, il est essentiel de maîtriser la température interne du béton pendant la cure. Plusieurs normes béton recommandent de ne pas dépasser 70 °C lors des premières phases, afin de limiter le risque de DEF.

Il existe différentes méthodes pour maintenir des températures suffisamment basses, selon les caractéristiques du projet et les contraintes spécifiques. Si vous vous demandez si la DEF peut poser problème sur votre projet et ce que vous pouvez faire pour l'éviter, n'hésitez pas à nous contacter 📧.