Revêtements intérieursen mortier de ciment pour tuyaux de fonte ductile

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HistoriqueES PREMIERS TUYAUX D’AQUEDUCEN FONTE (fonte grise) ne compor-taient ni enduits extérieurs ni revête-ments intérieurs, mais ils étaient instal-lés dans l’état où ils se trouvaient à la

sortie du moule après nettoyage. Après plusieursannées, il est devenu évident que l’intérieur dutuyau pouvait être affecté par certains types d’eau.On a alors proposé d’utiliser des revêtements bitu-mineux, et la plupart des tuyaux de fonte grisevendus pour des réseaux d’aqueduc après 1860,environ, comportaient des revêtements intérieuret extérieur bitumineux, appliqués à chaud. Engénéral, il s’agit de goudron de houille fondu.Dans ces réseaux où l’eau était relativement dureet légèrement alcaline, les revêtements intérieursbitumineux étaient généralement satisfaisants.Cependant, lorsque l’eau était douce et/ou acide,on rencontrait des problèmes comme de l’eaudevenant rouge ou rouillée et une diminutiongraduelle du débit dans le tuyau. L’eau agressivepénétrait dans les piqûres de l’enduit de goudronet de la tuberculisation s’ensuivait. La nécessitéd’obtenir un meilleur revêtement intérieur pourcombattre la tuberculisation a mené à des expéri-ences et des recherches considérant les mortiersde ciment comme revêtement intérieur.

En 1922, le premier tuyau de fonte grise àrevêtement intérieur en ciment a été installé dansun réseau de distribution d’eau à Charleston, enCaroline du Sud. Le revêtement intérieur étaitappliqué au moyen d’un projectile tiré au traversdu tuyau. Des essais de débit par friction menésen 1999 montrent que ces tuyaux de fonte griseoriginaux à revêtement intérieur en ciment ontconservé un coefficient Hazen-Williams (valeur «C ») de 130.

Depuis 1922, plusieurs améliorations ont étéapportées à la production de tuyaux de fonte àrevêtement intérieur en ciment. Les tuyaux àrevêtement intérieur en mortier de ciment sontrevêtus par centrifugation à l’usine pour veiller àce que le meilleur contrôle de la qualité possiblesoit maintenu et qu’une épaisseur uniforme demortier soit répartie sur toute la longueur dutuyau. Les revêtements en ciment empêchent latuberculisation en créant un pH élevé à la paroidu tuyau, et finalement en offrant une barrièrephysique à l’eau. Les revêtements intérieurs enciment sont aussi lisses, ce qui occasionne descoefficients de débit élevé. Le tuyau de fonte duc-tile aujourd’hui installé dans les systèmes d’aque-duc est fourni avec revêtement intérieur enmortier de ciment à moins d’indications con-traires de la part de l’acheteur. Pour ce qui estdes tuyaux de fonte grise existants sans revête-ment intérieur, il est possible de procéder au net-toyage et à l’application du revêtement intérieursur place et économiquement faisable de le fairepour restaurer la capacité hydraulique.

Élaboration de normesDe 1922 à 1929, plusieurs installations ont étéréalisées selon divers devis de fabricants. En1929, le Comité de division A21 de l’ASA portantsur le tuyau de fonte a émis une norme provi-soire pour les revêtements intérieurs en mortieren ciment. Cette norme a été publiée par l’AWWAcomme norme provisoire en 1932. Après divers-es révisions et améliorations, elle a été officielle-ment adoptée par l’ASA en 1939 sous la désigna-tion A21.4 (AWWA C104) « Specifications forCement-Mortar Lining for Cast Iron Pipe andFittings » Entre autres choses, la norme pre-scrivait que le ciment à utiliser soit du ciment dePortland, désignation C-9 de l’ASTM.

Au cours de la période de 1940 à 1952, denombreuses recherches ont été effectuées surdivers types de ciment, méthodes de fabrication,et méthodes de séchage du mortier de cimentpour améliorer la qualité des revêtementsintérieurs de mortier de ciment.Conséquemment, une édition révisée de lanorme de 1939 a été approuvée et émise en 1953.

Le procédé de centrifugation pour l’applica-tion du revêtement intérieur a été amélioré entre1940 et 1952 de façon à donner les méthodes decontrôle et les techniques nécessaires pourassurer une épaisseur uniforme sur toute lalongueur du tuyau. Une autre révision impor-tante figurant dans l’édition de 1953 était lareconnaissance de la capacité de l’enduit asphal-tique d’assurer un séchage contrôlé du mortier.L’utilisation de cette méthode a été autorisée entant que substitut au processus de cure en milieuhumide.

Une troisième édition révisée a été approu-vée et émise en 1964. La norme de 1964 a réduitl’épaisseur minimale permise du revêtementintérieur. La réduction était basée sur plus de 20ans d’études menés par le Cast Iron PipeResearch Association (CIPRA) portant sur descanalisations expérimentales à revêtementintérieur en mortier de ciment de 1/32 po à 1/4po d’épaisseur, sur des essais sur place menéssur des revêtements de cette épaisseur en serv-ice depuis plus de 30 ans, et sur l’assurance del’uniformité de l’épaisseur dû à des améliorationsdu processus d’application par centrifugation durevêtement intérieur. Depuis lors, la durée de vieen service d’innombrables autres installations adémontré l’efficacité du revêtement intérieur enmortier de ciment de ces épaisseurs. La révisionde 1964 exigeait aussi que le ciment respecte lesexigences de la norme ASTM C150, «Specification for Portland Cement. »

La révision de 1971 a incorporé un essai stan-dard de toxicité du matériau formant l’enduitasphaltique. Dans la révision de 1974, des modi-fications importantes ont été apportées à la sec-tion visant la qualité du revêtement intérieur. Larévision de 1980, qui comprenait les conversions

métriques de toutes les dimensions et exigencesmatérielles, comportait aussi la méthode par pro-jection comme méthode permise d’application durevêtement intérieur des tuyaux et raccords. Iln’y a pas eu de révision majeure dans les éditionsde 1985 et 1990.

La révision de 1995 a élargi la section visantle ciment pour inclure des types de ciment autresque le ciment de Portland, a étendu la gammedes diamètres pour inclure les tuyaux de 3pouces à 64 pouces, a laissé au fabricant le choixde fournir le revêtement intérieur en mortier deciment avec ou sans enduit asphaltique à moinsd’indications contraires, et supprimer l’optiond’utiliser des matériaux pour enduits asphal-tiques autres qu’un matériau bitumineux.

La révision de 2003 a supprimé l’exigencevoulant que l’épaisseur du mortier de ciment soitmesurée quand le mortier est humide.

Enduits asphaltiquesL’utilisation d’un enduit asphaltique a d’abord étéintroduite dans la version 1953 de la normeANSI/AWWA C104/A21.4. Des recherchesmenées par le Cast Iron Pipe ResearchAssociation (CIPRA) de 1940 à 1952 ont montréqu’une mince couche de peinture asphaltique,appliquée sur le revêtement intérieur en mortierde ciment nouvellement mis en place, réduiraitgrandement la perte d’humidité durant l’hydrata-tion, résultant en une cure contrôlée du mortier.Ainsi, cette méthode a été admise comme solu-tion de rechange au processus de cure par voiehumide. L’expérience a par la suite montré quel’enduit asphaltique offrait aussi alors un avan-tage secondaire en tant que revêtement barrière,il contribuait à retarder le lessivage du cimentpar des eaux douces, agressives.

De 1953 à 1995, la norme ANSI/AWWAC104/A21.4 a exigé que le revêtement intérieuren mortier de ciment soit recouvert d’un enduitasphaltique à moins d’indications contraires. Laversion 1995 de la norme, cependant, a étérévisée pour laisser au fabricant le choix defournir un revêtement intérieur en mortier deciment avec ou sans enduit asphaltique à moinsd’indications contraires.

Une des principales raisons justifiant lechangement était de réduire au minimum l’utili-sation d’un enduit asphaltique et par le fait mêmecontribuer à réduire la pollution de l’air. L’enduitasphaltique utilisé pour les tuyaux et les raccordsde fonte ductile est une peinture asphaltique àbase de solvant qui renferme des composésorganiques volatiles (COV). Cela n’est pas préoc-cupant du point de vue des effets sur la santéassociés aux composantes de l’enduit asphal-tique en contact avec l’eau potable. Toutes lescomposantes de l’enduit asphaltique présente-ment utilisé dans les tuyaux et raccords de fonteductile ont été testées et certifiées conformes à la

Revêtements intérieursen mortier de ciment

pour tuyaux de fonte ductilepar Richard W. Bonds, P.E.

Directeur technique, recherche DIPRA

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norme ANSI/NSF 61 « Drinking Water SystemComponents – Health Effects ». Cependant, lesémissions de COV en cours d’application et deséchage de l’enduit asphaltique sont une préoc-cupation. Le « Clean Air Act » a émis des restric-tions sévères au sujet de l’émission de nombreuxpolluants atmosphériques, incluant les COV. À lalumière de cela, les fabricants et utilisateurs derevêtements développent continuellement desrevêtements de rechange qui contiennent peu oupas de COV. En tenant compte des alternativesoffertes, de même que du fait qu’il existe d’autrestechniques de fabrication pour faire sécher lemortier, on a adopté l’option d’éliminer l’enduitasphaltique.

De plus, l’application d’un enduit asphaltiquesur les revêtements intérieurs en mortier deciment dans les tuyaux et raccords en fonte duc-tile est une pratique qui est un peu unique auxÉtats-Unis. Ailleurs, dans le monde, les tuyaux etraccords en fonte ductile avec revêtementsintérieurs en ciment sont fournis sans enduitasphaltique. Seuls quelques endroits au pays ontdes eaux suffisamment agressives pour justifierl’utilisation d’un enduit asphaltique. Dans cesquelques endroits, les lessivats provenant durevêtement intérieur en ciment non revêtu peu-vent occasionner une hausse indésirable du pHde l’eau particulièrement sous faible débit dansdes tuyaux de petit diamètre. C’est pour cette rai-son qu’on a conservé l’enduit asphaltique commeexigence facultative dans la norme.

L’examen de nombreux revêtementsintérieurs en ciment après plusieurs années deservice avec divers types d’eau montre que descaractéristiques de débit élevées ont été main-tenues dans les deux cas, soit le revêtementintérieur avec ou sans enduit asphaltique.

Les revêtements intérieurs en mortier deciment sont généralement acceptables pour des

températures de service allant jusqu’au pointd’ébullition de l’eau, toutefois, en raison du pointde ramollissement de l’enduit asphaltique, lestempératures de service pour les revêtementsintérieurs portant un enduit asphaltique nedoivent pas dépasser 150ºF. Ces limites de tem-pérature sont prévues pour servir de lignesdirectrices générales et pourraient ne pas s’appli-quer dans toutes les conditions. Si on prévoit destempératures de service plus élevées, il faut con-sulter le fabricant pour connaître ses recomman-dations spécifiques.

Application desrevêtements intérieurs Les procédés d’application des revêtementsintérieurs en mortier de ciment par centrifuga-tion ou projection sont tous les deux utilisés àl’heure actuelle. Le fait d’utiliser ces méthodespermet de conserver un excellent contrôle de laqualité du mortier de ciment et du procédé d’ap-plication. Les revêtements intérieurs produitssont lisses, informes et répondent aux exigencesstrictes de la norme ANSI/AWWA C104/A21.4, «Cement-Mortar Lining for Ductile Iron Pipe andFittings for Water .» L’épaisseur des revête-ments intérieurs pour le tuyau et les raccords,selon cette norme, ne doit pas être inférieure à1/16 pouce pour les tuyaux de 3 à 12 pouces; à3/32 pouce pour les tuyaux de 14 à 24 pouces; etde 1/8 pouce pour les tuyaux de 30 à 64 pouces.Des revêtements double épaisseur soit mesurantdeux fois les épaisseurs précisées ci-dessus peu-vent être fournis si précisés par l’acheteur sur lebon de commande.

Le procédé d’application du mortier par cen-trifugation à l’intérieur d’un tuyau de fonte duc-

tile consiste en la distribution uniforme du morti-er sur toute la longueur du tuyau grâce à unelance mobile placée dans le tuyau qui tourne àune vitesse relativement basse. La méthode parprojection consiste en la vaporisation ou lelançage de mortier uniformément sur la paroi dutuyau au moyen d’une tête mobile tournanteinsérée au centre du tuyau stationnaire.

Une fois que le mortier est appliqué par unedes méthodes ci-dessus, il peut être lissé et com-pacté par une des deux méthodes ci-après, selonle diamètre du tuyau et l’équipement utilisé. Letuyau peut être tourné à une vitesse élevéeaccompagnée d’une vibration afin de produire unrevêtement dense qui adhère bien à la paroi dutuyau. La révolution à haute vitesse amène l’eauet les fines particules de ciment à la surface durevêtement qu’il faut ensuite laver pour les retir-er. Inversement, le tuyau peut révolutionner àbasse vitesse et être aussi soumis à une vibrationqui permet de lisser et compacter le revêtementintérieur. Cette vitesse de révolution n’est passuffisante pour ramener le surplus d’eau et lesfines particules de ciment à la surface; de sortequ’il n’est pas nécessaire de laver le revêtementintérieur comme c’est le cas du procédé cen-trifuge à haute vitesse.

Les revêtements intérieurs produits par cha-cune de ces méthodes sont denses, lisses, etoffrent une très faible résistance de frottementen rapport avec le débit d’eau. Le revêtementintérieur est appliqué par projection ou à la maindans les raccords.

Afin d’assurer la cure appropriée des revête-ments intérieurs en ciment dans les tuyaux enévitant que le taux d’humidité du mortier nebaisse trop rapidement, le revêtement intérieurpeut (a) être entreposé sous atmosphère humidepour une certaine période (b) être placé dans un« tunnel de cure » sous haute température pour

Il y a deux méthodes d’applicationdu revêtement intérieur en cimentdans les tuyaux de fonte ductile.Dans la méthode par projection,illustrée ici, le mortier est vapor-isé sur la paroi du tuyau par unetête à révolution rapide inséréedans le centre d’un tuyau station-naire. Par la suite, on fait tournerle tuyau lentement et on le faitvibrer pour lisser le revêtementintérieur.

Sylvia Caswell

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en accélérer la cure, ou (c) être revêtu immédi-atement d’un enduit asphaltique. L’adhérence durevêtement intérieur en ciment à la paroi dutuyau est telle que le tuyau peut être coupé etpercé sans que l’on doive se préoccuper d’en-dommager le revêtement.

Propriétés des revêtementsintérieurs en cimentLes propriétés de protection des revêtementsintérieurs en ciment sont dues à deux propriétésdu ciment. La première est la réaction chimiquealcaline du ciment et la seconde la réductiongraduelle de la quantité d’eau en contact avec lafonte. Lorsqu’un tuyau à revêtement intérieur enciment est rempli d’eau, l’eau filtre au travers despores du revêtement, libérant ainsi une grandequantité d’hydrate de calcium. L’hydrate de calci-um réagit avec le bicarbonate de calcium contenudans l’eau pour précipiter le carbonate de calci-um, qui tend à boucher les pores du mortier etempêcher le passage ultérieur de l’eau. La pre-mière eau qui entre en contact avec la fonte entraversant le revêtement intérieur dissous un peude fonte, mais la chaux libre tend à précipiter lafonte sous forme d’hydroxyde de fer, qui fermeégalement les pores du ciment. Les sulfates sontaussi précipités sous forme de sulfates de calci-um. Par ces réactions, le revêtement intérieuroffre une barrière physique et chimique à l’eaucorrosive.1

Réparation autogèneDes fissures et la perte d’adhérence du revête-ment intérieur dans les tuyaux et les raccords ontparfois été détectées avant l’installation. Ces situ-ations peuvent se produire en raison du retraitdes revêtements intérieurs, des variations detempérature et d’une mauvaise manutention.Dans certains cas, on s’est inquiété à savoir si lerevêtement assurerait bien la protection pourlaquelle il avait été prévu ou s’il pourrait êtredélogé par l’écoulement d’eau. Aucune de cespréoccupations n’est justifiée. Les essais menéspar Wagner et signalés dans l’article publié dansle Journal de l’AWWA de juin 1974 montrent queles fissures dans le revêtement, formées en coursd’entreposage, se répareraient d’elles-mêmesune fois en contact avec de l’eau qui s’écoule ounon.2 Des revêtements intérieurs en mortier deciment ont été appliqués dans des tuyaux defonte grise et de fonte ductile depuis plus de 82ans. DIPRA n’a pas eu connaissance d’un prob-lème de rendement suite à des fissures ou desrevêtements en mortier de ciment lâche, pourvuque le revêtement ait été intact avant la mise enservice de la canalisation.

Des fissures dans les revêtements intérieursen ciment sont généralement de deux types. Le

premier consiste en des craquelures superfi-cielles se présentant sous la forme d’une grille oud’un réseau de microfissures capillaires. Cescraquelures superficielles ne se produisent quedans le sable fin et les particules de ciment quicouvrent la couche homogène du mortier dense.Cette couche extérieure est la première exposéeà l’hydratation et par conséquent, peut former unréseau de fines fissures superficielles. Ces fis-sures capillaires n’affectent que la surface et nesont pas nuisibles à la durabilité à l’usage durevêtement intérieur. La norme ANSI/AWWAC104/A21.4 autorise ce type de fissures sans lim-ite. L’autre type de fissures est une fissure circon-férentielle ou longitudinale. La fissure circon-férentielle peut faire le tour complet du tuyau etentraîner un léger décollement du revêtementintérieur. Bien que la norme permette des fis-sures circonférentielles de n’importe quellelongueur, elle impose une limite pour les fissureslongitudinales. La norme permet des zones où lemortier de ciment est plus lâche tant et aussilongtemps que le revêtement intérieur est intact.

Lorsqu’un tuyau avec revêtement intérieuren mortier de ciment est mis en service, et rem-pli d’eau, une partie de l’eau est absorbée par lerevêtement. L’eau est absorbée, non seulementpar les pores et les vides du mortier, mais aussipar les canaux capillaires du gel de silicate de cal-cium. Le résultat final de cette absorption d’eauest que le revêtement intérieur gonfle pouratteindre environ son volume initial. Ainsi, lerevêtement revient en contact serré avec la paroidu tuyau et les fissures dans le revêtement se fer-ment. Puisque ce gonflement se fait relativementlentement, cela peut prendre plusieurs semainespour que le revêtement ne revienne entièrementà son volume initial.

Non seulement les fissures vont se fermer, etle revêtement devenir plus serré, après une péri-ode d’exposition à l’eau, mais aussi le cimentrefera corps à nouveau. Cette situation se produitgrâce à un processus appelé la réparation auto-gène, un phénomène connu depuis longtempspar l’industrie du béton, qui se produit suite à laformation de carbonate de calcium et l’hydrata-tion continue des grains de ciment contenus dans

le revêtement intérieur. Toutes les fissures quipourraient rester légèrement ouvertes en raisond’un gonflement inadéquat sont par la suite fer-mées grâce à la formation de carbonate de calci-um.

Réparation sur le chantierdes revêtements intérieursen cimentLes revêtements intérieurs en ciment peuventsupporter une manutention normale; néanmoins,il peut parfois arriver que les revêtementsintérieurs des tuyaux et raccords soient endom-magés et doivent être réparés avant d’être mis enservice.

La norme ANSI/AWWA C104/A21.4 prévoitque les revêtements intérieurs endommagéspuissent être réparés, et recommande la procé-dure de réparation suivante :1. Découper la partie du revêtement endom-

magée jusqu’au métal de sorte que les bords du revêtement qui reste en place soientperpendiculaires ou légèrement biseautés.

2. Nettoyer la partie endommagée et le revêtement connexe.

3. Préparer un mortier rigide à partir d’un mélange de ciment, de sable et d’eau. Le mortier de ciment doit au moins contenir 1 partie de ciment et 2 parties de sable, parvolume. (L’expérience pratique a démontré qu’un rapport un/un de ciment et de sable donnent d’excellents résultats.)

4. Bien mouiller la zone découpée et le revêtement environnant.

5. Appliquer le mortier et le lisser à la truelle à égalité avec le revêtement environnant.

6. Il faut maintenir la partie réparée humide en fixant un canevas ou de la jute humide sur les extrémités du tuyau ou du raccord pendant au moins 24 heures. (Si la surfaceréparée est de petite taille, elle peut être recouverte d’un chiffon humide.) Comme solution de rechange, la surface réparée peut

On voit ici des tuyaux de fonteductile sans enduit asphaltique

prêts pour livraison. L’éliminationde l’enduit asphaltique est main-

tenant au choix du fabricant, àmoins d’indications contraires.

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être revêtue d’un enduit asphaltique du type cut-back. Elle peut être appliquée par vapo- risation ou au pinceau sur la surface dans les 5 à 30 minutes qui suivent l’application du mortier.

La période de cure du mortier utilisé pour laréparation est importante pour obtenir un morti-er bien hydraté qui sera dur et durable. Si la zoneréparée subit une perte d’humidité trop rapide enraison du temps chaud ou des vents élevés, lacure appropriée sera d’autant retardée. Partemps froid, la zone réparée doit être protégéecontre le gel.

Comportement en flexionDes essais d’effort de flexion annulaire ont étéexécutés sur des tuyaux à revêtements intérieursen mortier de ciment, pleine longueur, pour envérifier le comportement sous des charges deremblai.3 Ces essais ont révélé que le bris dumortier de ciment et l’écaillage qui s’ensuit sesont produits sur les côtés du tuyau (en desendroits situés à 3h et à 9h.) en raison de la com-pression avec déflexion de l’ordre de 6 à 12 pourcent par rapport au diamètre initial. La normeANSI/AWWA C150/A21.50 (Norme nationalepour le calcul d’épaisseur de tuyaux de fonte duc-tile) a limité la déflexion maximale permise de lasection annulaire du tuyau à 3 pour cent. Ce quirésulte en un facteur de sécurité d’au moins 2, etparfois même jusqu’à 4.

Résistance à l’abrasionLes paramètres qui composent le phénomèned’abrasion comprennent la vitesse d’écoulement;la teneur en particules solides; la taille, la formeet la dureté des particules; le type d’écoulement(turbulent ou laminaire); la rugosité et la duretéde la surface du revêtement intérieur; et le nom-bre de raccords au mille. Bien que l’influence rel-ative de ces facteurs puisse être évaluée d’unefaçon raisonnable, il n’existe aucune équationconnue capable de prédire la résistance à l’abra-sion des différents matériaux de fabrication destuyaux dans diverses situations. Inévitablement,l’abrasion se produira aux changements de direc-tion avant de se produire le long du fût du tuyau.

Les caractéristiques abrasives de l’eaupotable sont minimes puisque ce type d’eau ren-ferme des quantités limitées de solides et s’é-coule habituellement à une vitesse de 2 à 10 pi/s.Les tuyaux à revêtements intérieurs en mortierde ciment, utilisés dans des réseaux d’eaupotable depuis plus de 82 ans, ne montrent aucunsigne d’abrasion interne. En l’absence d’essais àlong terme en laboratoire, les documentsdisponibles précisent des rendements satis-faisants dans le cas de revêtements intérieurs enciment/ mortier de ciment pour des réseauxd’eau potable à vitesse d’écoulement de 20 à 40pi/s. Toutefois, il faut tenir compte du fait quetoutes les installations sont différentes. Diversesinstallations auront des configurations, angles decourbure, caractéristiques de débit différentes etdiverses teneurs en solides et formes de solides,etc. Si on prend une vitesse de 20 pi/s et qu’onapplique un facteur de sécurité de 2, en se rap-pelant que l’énergie cinétique d’une particule estfonction du carré de la vitesse, cela résultera enune vitesse de 14 pi/s. Cela devrait normalementconstituer une vitesse nominale maximale con-

servatrice en service continu pour la plupart desapplications. Veuillez communiquer avec lescompagnies membres de DIPRA lorsqu’onprévoit des vitesses supérieures à 14 pi/s.

La résistance à l’abrasion des revêtementsintérieurs en mortier de ciment est plus impor-tante dans les réseaux de drainage et d’égoutdans lesquels on retrouve des particules solides.Dans ces applications, la taille, la forme et ladureté des particules auront une grande influ-ence sur le taux d’abrasion. Une fois de plus, lestuyaux à revêtements intérieurs en mortier deciment ont un rendement satisfaisant dans cetype de service.

Résistance aux eauxdouces et acidesL’eau transporte des quantités variables dedivers ions ce qui résulte en la dissociation dessels solubles présents dans les sols. Les eaux quiont une très faible teneur en ions sont agressivespar rapport aux hydroxydes de calcium contenusdans les ciments hydratés en raison de la faibleteneur de l’eau en carbonates et bicarbonates.Les eaux douces peuvent aussi présenter des car-actéristiques acides en raison de la présence deCO2 libre.

Lorsque les revêtements intérieurs en morti-er de ciment sont soumis à des eaux très douces,l’hydroxyde de calcium CA(OH)2 est lessivé. Laconcentration en lessivats augmente en fonctionde l’agressivité de l’eau et de sa dureté résiduelledans le tuyau et est inversement proportionnelleau diamètre du tuyau. Ces eaux s’attaquerontaussi aux hydrates de silicate de calcium, qui for-ment la plus grande partie des hydrates duciment. Bien que les hydrates de silicate de calci-um soient presque insolubles, les eaux doucespeuvent les hydrolyser progressivement en gelde silice, résultant en une surface molle ayantune résistance mécanique réduite.

L’enduit asphaltique retardera le lessivage etles attaques en grande partie; cependant, commenous l’avons déjà mentionné, il n’existe que trèspeu d’endroits dans ce pays où les eaux sont suff-isamment agressives pour nécessiter l’utilisationd’un enduit asphaltique. De plus, de telles eauxagressives peuvent entraîner le lessivage demétaux toxiques de la tuyauterie aux maisonsprivées, rendant difficile la mise en application denormes de qualité de l’eau nécessitant des essaisde première main aux robinets du consomma-teur. Par conséquent, les normes de qualité del’eau qui exigent une chimie de l’eau équilibréepourraient pousser ces quelques communautés àtraiter leur eau, et ainsi réduire le recours à unenduit asphaltique.

Nous encourageons les services d’utilitéspubliques ou les municipalités qui s’inquiètent dufait que leur eau puisse être agressive pour lesrevêtements intérieurs en ciment s’il n’y a pasd’enduit asphaltique à respecter la marche à suiv-re précisée dans la Section II.A « Use of Seal-Coat », de la préface de la norme ANSI/AWWAC104/A21.4 intitulée « Standard to determine ifa cement-mortar lining, without seal-coat, willimpart objectional hardness or alkalinity to thewater ».

DIPRA n’a pas entendu parlé d’aucun sys-tème de distribution d’eau potable aux États-Unispour lequel un tuyau de fonte ductile à revête-

ment intérieur en ciment n’était pas appropriébien que quelques-uns pourraient nécessiter l’ap-plication d’un enduit asphaltique. Les tuyaux defonte ductile à revêtement intérieur en mortierde ciment sont généralement considérés appro-priés à une utilisation continue à un pH entre 4 et12 pour les revêtements recouverts d’un enduitasphaltique et entre 6 et 12 pour les revêtementssans cet enduit. Pour les installations dont le pHse situe hors de cette gamme, consultez les com-pagnies membres de DIPRA.

Résultats des essais d’é-coulement sur des tuyauxde fonte grise et ductile àrevêtement intérieur enmortier de cimentLa perte de charge par frottement ou baisse depression dans une canalisation est une préoccu-pation quotidienne pour l’ingénieur en réseauxd’aqueduc. Les calculs de perte de charge sontfondés sur des équations établies par desingénieurs en hydraulique suite à de nombreuxessais d’écoulement sur des canalisations d’aque-duc en service. Plusieurs formules ont étéélaborées par Darcy, Chezy, Cutter, Manning,Hazen-Williams et autres. Parmi celles-ci, les for-mules et les tableaux préparés par Hazen-Williams se sont avérés les plus populaires.

Pour donner des résultats satisfaisants, unrevêtement intérieur pour tuyaux doit assurer uncoefficient de débit « C » Hazen-Williams élevépour maintenir un coefficient de débit élevéaprès plusieurs années de service. À moins quele revêtement intérieur ne réponde aux exi-gences ci-dessus, ses autres propriétés,physiques ou chimiques, n’ont qu’une faibleimportance. Plusieurs essais d’écoulement ontété exécutés sur des canalisations en service àtravers les États-Unis pour déterminer jusqu’àquel point les revêtements intérieurs en mortierde ciment respectaient ces exigences de base.Des essais faits sur des canalisations principalesd’aqueduc, nouvelles et anciennes, ont permisd’établir une valeur « C » moyenne à laquelle onpeut s’attendre dans le cas des tuyaux de fonteneufs à revêtement intérieur en ciment. Cela aégalement fourni une mesure de l’efficacité con-tinue de tels revêtements sur de longues péri-odes de service.

Le tableau 1 présente les résultats obtenus àpartir d’un certain nombre d’essais de débit avecfrottement faits sur des tuyaux de fonte avecrevêtement intérieur en mortier de ciment, neufsou relativement neufs. Le coefficient « C »moyen pour un tuyau neuf de 4 à 36 pouces dediamètre a été établi à 144.

Au cours des années, DIPRA a mené unesérie d’essais d’écoulement sur des tuyaux defonte ductile et de fonte grise à revêtementintérieur en ciment sur des périodes prolongéesde service dans des systèmes de distributiond’eau dans le pays. Le but de ces essais étaitd’établir si le revêtement intérieur en ciment con-tinue d’assurer une protection contre la détério-ration de la capacité hydraulique des tuyauxaprès des périodes variables de service et dans

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des conditions de qualité de l’eau variables.Prenant pour acquis l’effet des inconnues

dans l’exécution de tels essais sur des réseaux enexploitation (par exemple, raccords, branche-ments de service, et autres obstacleshydrauliques), les résultats des essais indiquésau Tableau 2 montrent que le revêtementintérieur en mortier de ciment est un moyen effi-cace de protéger les tuyaux de fonte grise et duc-tile contre les effets des eaux agressives. Mêmeles tuyaux les plus vieux transportant les eaux lesplus agressives continuent d’exhiber un coeffi-cient « C » du même ordre que des tuyaux neufsà revêtement intérieur en ciment. Des résultatsd’essais récents confirment de nouveau les con-clusions de plusieurs séries de tests exécutés il ya 40 à 50 ans.

Coefficient d’écoule-ment dans un tuyaude fonte ductile àrevêtement intérieuren mortier de ciment Pour un débit laminaire pleinement développédans un tuyau, le frottement dépend du nombrede Reynolds (une fonction de la vitesse, dudiamètre intérieur du tuyau et de la viscositécinématique du fluide transporté). Il est intéres-sant de noter que la rugosité de la paroi du tuyaun’est pas prise en compte. La raison en est quepour le profil des vitesses du débit laminaireparabolique, une très faible partie du débit entreen contact avec les éléments rugueux de la paroi;les vitesses dans les environs de la paroi sontassez faibles. Lorsqu’un débit laminaire estprésent, le fluide semble s’écouler en plusieurscouches superposées. En raison de la viscositédu fluide, une contrainte de cisaillement estcréée entre les couches du fluide. Le fluide perdde l’énergie en tentant de surmonter l’effort defrottement produit par la contrainte de cisaille-ment.

Pour ce qui est d’un écoulement turbulentdans des tuyaux circulaires, il existe une couched’écoulement adjacente à la paroi du tuyauappelé film laminaire. Même dans les coucheslimites turbulentes, on retrouvera ce film là oùles effets laminaires prédominent. Dans le casd’un tuyau, plus grand est le numéro deReynolds, plus mince est le film laminaire. On adéjà noté que la rugosité n’a pas d’effet sur laperte de charge dans le cas d’un écoulement lam-inaire. Si le film laminaire est plus épais que larugosité de la paroi du tuyau, alors l’écoulementest libre du point de vue hydraulique et le tuyaua atteint la valeur ultime en matière d’efficacitéhydraulique. Si cet écoulement était représenté

sur le diagramme de Moody, il correspondrait àla courbe du « tuyau lisse ».

Peu de temps après l’introduction des revête-ments intérieurs en mortier de ciment pour lestuyaux en fonte grise, des essais ont été menésdans le laboratoire hydraulique de l’Université del’Illinois sur des tuyaux de fonte grise de 4, 6 et 8pouces. Les coefficients Hazen-Williams ont étécalculés pour chaque diamètre de tuyau et auxextrémités de la plage d’essai, soit 2 et 10pieds/sec. Les résultats desfaisaient mention de coefficients Hazen-Williamsde 150 à 157. En prenant ces résultats d’essais delaboratoire et en calculant le coefficient de frotte-ment Darcy-Weisbach pour définir les pointsextrêmes de la plage d’essai et en les reportantsur le diagramme Moody, les points obtenus sontgénéralement conformes à la courbe des «tuyaux lisses ». Cela démontre que le revête-ment intérieur en mortier de ciment appliqué parcentrifugation, depuis sa première insertion surle marché, a atteint la valeur ultime en matièred’efficacité hydraulique. Aucun tuyau « pluslisse » ne peut être produit. Pour suggérer qu’untuyau « plus lisse » est offert, il faut sortir deslimites de l’hydrodynamique moderne. Certainespersonnes peuvent avoir eu de la difficulté àaccepter ce fait car elles pensent en termes delisse au toucher plutôt que lisse du point de vuehydraulique. Tant que la « rugosité » de la paroidu tuyau reste bien immergée dans le film lami-naire, l’écoulement sera lisse du point de vuehydraulique.

DIPRA et son prédécesseur CIPRA, ontlongtemps préconisé un coefficient « C » Hazen-Williams de 140 dans le cas des tuyaux de fontegrise et ductile à revêtement intérieur en ciment.Cette recommandation d’un coefficient « C » de140 est approprié à des fins de calcul. Elle recon-naît le fait que le vrai monde des canalisations n’aqu’un lointain rapport avec la perfection descanalisations en laboratoire. De plus, les essaissur place menés en continu par DIPRA sur descanalisations en service ont démontré qu’uncoefficient « C » de 140 était réaliste et qu’il peutêtre maintenu sur de longues périodes – mêmes’il s’agit de transport d’eau très agressives.

La répercussion d’undiamètre intérieurplus grandCertains fabricants de tuyaux de remplacementrecommandent un coefficient Hazen-Williams deplus de 140 pour leurs produits. Tout ce que celaimplique est évident – un matériau de remplace-ment créera une moins grande perte de chargeque le tuyau de fonte ductile à revêtementintérieur en mortier de ciment. Rien n’est pluséloigné de la vérité.

Dans le cas de tous les diamètres normale-ment prescrits, le tuyau de fonte ductile à revête-ment intérieur en mortier de ciment a undiamètre intérieur plus grand que le diamètrenominal du tuyau. Dans le cas de la plupart desautres matériaux de tuyaux, le diamètre intérieurest égal au, ou dans certains cas même inférieur,au diamètre nominal du tuyau. La perte decharge relevée dans un réseau de canalisationsest beaucoup plus sensible au diamètre intérieurdisponible qu’aux coefficients d’écoulement nor-maux. Par exemple, 6 000 gal/min s’écoulantdans un tuyau de 24 po de diamètre, PVC DR 18(en supposant un coefficient « C » de 150)développera une perte de charge supérieure de37.6 pour cent à celle que l’on retrouve dans untuyau de fonte ductile à revêtement intérieur enmortier de ciment de classe pression 200 (ensupposant un coefficient « C » de 140).

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Le tuyau de fonte ductile à revêtementintérieur en mortier de ciment a un

coefficient « C » Hazen-Williams de140, une valeur réaliste qui est con-

servée avec le temps.

ConclusionLe tuyau de fonte ductile à revêtement intérieur en mortier de ciment a undossier de service inégalé dans l’industrie d’adduction d’eau. Depuis sa pre-mière application sur place dans des tuyaux de fonte grise en 1922, lerevêtement en mortier de ciment a subi de nombreuses améliorations dupoint de vue de la fabrication.

Aujourd’hui, le revêtement intérieur en mortier de ciment est appliquésoit par centrifugation soit par projection, ce qui permet de maintenir unexcellent contrôle de la qualité du mortier de ciment et de l’opération d’ap-plication du revêtement. Les revêtements intérieurs appliqués par ces méth-odes sont denses, lisses et offrent une très faible résistance de frottement àl’écoulement d’eau.

Le tuyau de fonte ductile à revêtement intérieur en mortier de ciment,assure un coefficient de débit Hazen-Williams ou un coefficient « C » de140 – une valeur réaliste qui est maintenue tout au long de la durée de viedu tuyau. Ce revêtement standard, fourni selon la norme ANSI/AWWAC104/A21.4, continue d’assurer un service fiable, sans problèmes.

Références1 Helton, B., « Cracks and Looseness in Cement Linings of Cast Iron and

Ductile Iron Pipe and Fittings, » non publié.2 Wagner, E.F., « Autogenous Healing of Cracks in Cement-Mortar

Linings for Gray-Iron and Ductile-Iron Water Pipe, » Journal de l’AWWA, juin 1974.

3 Kennedy, Jr. H., « The New Ductile Iron Pipe Standards, » Journal de l’AWWA, Novembre 1976.

Tableau 1Essais d’écoulement dans les tuyaux de fonte grise et ductile àrevêtement intérieur en mortier de ciment.

Hazen-Diamètre Longueur Âge Williams

Emplacement en pouces en pieds Années C

Alma, MO 6 23,800 1 137Birmingham, AL 6 473 nouveau 147Bowling Green, OH 20 45,600 1 143Casper, WY 12 500 nouveau 141Charleston, SC 6 300 nouveau 145Chicago, IL 36 7,200 1 147Cleveland, TN 20 31,400 2 144Colorado Springs, CO 20 7,000 3 137Concord, NH 14 500 nouveau 151Copperas Cove, TX 8 28,100 1 144Corder, MO 8 21,400 1 145Corpus Christi, TX 36 74,000 nouveau 145Fitchburg, MA 20 500 1 142Gary, IN 20 8,000 1 140Greensboro, NC 30 848 3 148Hartford, CT 16 800 1 149New Orleans, LA 12 37,300 1 141Newton, IA 20 27,300 1 144Safford, AZ 10 23,200 2 145Simpsonville, SC 16 27,700 1 137St. Louis, MO 30 17,700 nouveau 151Univ. of Illinois 6 400 nouveau 151Green Bay, WI 16 1,149 1 138

Tableau 2Essais d’écoulement dans les tuyaux de fonte grise et ductile àrevêtement intérieur en mortier de ciment après de longues péri-odes de service.

Hazen-Diamètre Longueur Âge Williams

Emplacement en pouces en pieds Années C

Baltimore, MD 12 909 18 136

Birmingham, AL 6 473 6 1416 473 14 1386 473 17 133

Catskill, NY 16 30,825 25 136

Champaign, IL 16 3,920 12 13716 3,920 22 13916 3,920 28 14516 3,920 36 130

Charleston, SC 6 300 12 1466 300 16 143

8 300 51 1318 300 69 1308 300 77 130

12 500 15 14512 500 25 136

Chicago, IL 36 7,200 12 151

Concord, NH 12 500 13 14312 500 29 14012 500 36 140

Danvers, MA 20 500 31 13520 500 38 133

Greenville, SC 30 87,400 13 14830 87,400 20 146

30 50,700 19 14830 50,700 25 146

Greenville, TN 12 500 13 13412 500 29 13712 500 36 146

Knoxville, TN 10 500 16 13410 500 32 13510 500 39 138

Manchester, NH 12 550 5 14212 550 21 135

12 1,955 45 133

Memphis, TN 10 1,070 31 135

Orange, CA 6 1,004 26 140

Safford, AZ 10 23,200 16 144

S. Burlington, VT 24 1,373 8 138

Seattle, WA 8 2,686 29 139

Tempe, AZ 6 1,235 24 144

Tacoma, WA 8 2,257 16 136

Wister, OK 18 3,344 30 139

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American Cast Iron Pipe CompanyP.O. Box 2727Birmingham, Alabama 35202-2727

Atlantic States Cast Iron Pipe Company183 Sitgreaves StreetPhillipsburg, New Jersey 08865-3000

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Clow Water Systems CompanyP.O. Box 6001Coshocton, Ohio 43812-6001

Griffin Pipe Products Co.1400 Opus Place, Suite 700Downers Grove, Illinois 60515-5707

McWane Cast Iron Pipe Company1201 Vanderbilt RoadBirmingham, Alabama 35234

Pacific States Cast Iron Pipe CompanyP.O. Box 1219Provo, Utah 84603-1219

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Une association regroupant des fabricants de qualité respectant les plus hautes normesen matière de tuyaux grâce à un programme de recherche continu.245 Riverchase Parkway East, Suite 0Birmingham, Alabama 35244-1856Tél. : 205 402-8700 Télec. : 205 402-8730http://www.dipra.org

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