2-Durabilité BA.pdf

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www.setra.developpement-durable.gouv.fr

Date : 13 janvier 2010 Lieu : CETE Méditerranée

Journées techniques

« Construire des Ouvragesd’Art en Béton »

Prescriptions sur le matériau bétonet contrôles d’exécution

des travaux

Durabilité du béton arméC. CORDIER (LRPC Aix)

Service d’études sur les transports, les routes et leurs aménagements

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Départementaux


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Journées techniques “Construire des Ouvrages d’Art en béton”

13 et 14 janvier 2010

Durabilité du béton armé

La définition et les spécifications des bétons sont

fixées par le prescripteur; ces dernières doivent

entre autre prendre en compte : les agressions liées à la carbonatation et à la

pénétration des chlorures (en présence de sels),

la prévention des désordres dus aux gonflementsinternes du béton (alcali-réaction et réaction sulfatique

interne),

la durabilité des bétons durcis soumis au gel en présence

ou non de sels de déverglaçage.

Les caractéristiques induites sont à contrôler à

l’exécution pour assurer la durabilité de l’ouvrage …


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Phénomène de carbonatation

le CO2 présent dans l’air pénètre dans le béton par le

réseau poreux et les fissures et, en présence d’eaudans les pores, abaisse le PH (initialement de 13) de la

solution interstitielle du béton à 9 par réaction chimique

avec la pâte de ciment hydratée et notamment la

portlandite (réserve basique) :Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

(hydroxyde de calcium ou portlandite) (carbonates de calcium)

au fur et à mesure de la progression du front decarbonatation, les armatures initialement protégées par

une couche d’oxyde de fer (liée à l’alcalinité de la

solution interstitielle) sont alors dépassivées et lephénomène de corrosion s’initie.


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Phénomène de carbonatation (suite)

la carbonatation est maximale lorsque l’humidité

relative est modérée (cycle séchage/humidité). après environ 30 ans, la profondeur de carbonatation

dans un béton d’ouvrage peut varier de 1 à 30 mm

suivant la compacité du béton, la fissuration de peau et

le milieu environnant.


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La corrosion induite par carbonatation est donc

fonction de :

l’exposition des parements de la partie d’ouvrageau CO2 et à l’eau

→ liée au choix de la classe d’exposition XC,

la qualité du béton en place (compacité), et

notamment en parement avec l’absence de

ségrégation ou de bullage et de

fissuration (retrait gêné, dessiccation)

→ liée à la qualité de formulation et d’exécution, l’enrobage du premier lit d’armature

→ lié à la valeur spécifiée et à son respect lors de

l’exécution.


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Phénomène de pénétration des chlorures

en pénétrant dans le béton par diffusion, les

chlorures réagissent avec les hydrates (Ca(OH)2notamment) de la pâte de ciment, ce qui conduit à la

dépassivation et à la corrosion des armatures.

il convient de distinguer les chlorures libres sous

forme ionique dans la solution interstitielle(extractibles à l’eau) et les chlorures totaux

(extractibles à l’acide).

seuls les chlorures libres (solubles dans l’eau)peuvent diffuser et jouer un rôle actif dans le

processus de corrosion des armatures.


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Phénomène de pénétration des chlorures (suite)

on définit un seuil critique [Cl-libres]critique = 0,4% par

rapport à la masse de ciment soit 0,04 à 0,1% parrapport à la masse de béton.

lorsque [Cl-libres] > [Cl-libres]critique au voisinage des

armatures, le phénomène de corrosion s’initie.


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La corrosion induite par la pénétration des

chlorures est donc fonction de :

la quantité initiale de chlorures dans le béton→ liée au choix de la classe de chlorures du béton,

l’exposition des parements de la partie d’ouvrage aux

chlorures et à l’eau→ liée au choix de la classe d’exposition XD ou XS,

la qualité du béton en place (compacité), et notamment

en parement avec l’absence de ségrégation ou de

bullage et de fissuration (retrait gêné, dessiccation)

→ liée à la qualité de formulation et d’exécution,

l’enrobage du premier lit d’armature

→ lié à la valeur spécifiée et à son respect lors del’exécution.


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La corrosion

s’accompagne

d’un gonflement

des armaturesqui génère une

fissuration

accrue du bétonet des

éclatements du

béton en

parement, ce quiaccélère le

processus de

dégradation.


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Phénomène d’alcali-réaction

réaction entre les granulats (silice réactive) et les

alcalins (granulats, ciment, eau, adjuvants) enprésence d’humidité,

formation de gel,

propriété gonflante : détérioration interne du matériau

et des structures.


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La démarche préventive concernant l’alcali-

réaction (RAG) est définie dans les

recommandations LCPC de juin 1994 (rappeléesà l’article NA.5.2.3.4 de la norme NF EN 206-1).


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La démarche préventive concernant l’alcali-

réaction se fait en 2 temps :

détermination du niveau de prévention à atteindreparmi 3 niveaux (A,B ou C), le choix du niveau étant

fonction de :

la catégorie de l’ouvrage définie par le maître

d’ouvrage,

la classe d’exposition du béton à l’environnement

climatique.

orientation vers la (ou les) solution(s) possible(s) auregard des précautions liées au niveau de prévention

retenu.


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Catégorie d’ouvrage RAG (ou de partie

d’ouvrage)

I : - éléments non porteurs des bâtiments- ouvrages provisoires ou facilement remplaçables

- produits préfabriqués non structurels

II : la plupart des bâtiments et des ouvrages de génie civil

III : ouvrages de génie civil où le risque est inadmissible :centrale nucléaire, barrage, tunnel, pont ou viaduc

exceptionnel, monument ou bâtiment de prestige

Classe d’exposition RAG1 : sec ou peu humide (Hr < 80%)

2 : Hr > 80% ou en contact avec l’eau, avec ou sans gel

3 : Hr > 80% avec gel et fondants

4 : marin


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Détermination du niveau de prévention alcali-

réaction nécessaire (choix à spécifier par le

prescripteur) :

Classe d’exposition

Catégorie d’ouvrage

I

II

III

1 2 3 4

A A A A

A B B B

C C C C


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Niveaux de prévention alcali-réaction :

niveau A : pas de précaution particulière

niveau B : précautions particulières granulats NR (SiO2


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Bilan des alcalins satisfaisant si :

CEM I, CEM II et CEM V :

bilan des alcalins contenus dans l’ensemble desconstituants du béton :

Tmoy < 3,5 / (1+2Vc) kg/m3,

avec Vc

= coefficient de variation de teneur en alcalins du ciment

(écart type sur 12 mois)

et Tmax < 3,5 kg/m3,

Rq : en l’absence de données statistiques, on retiendra :

T moy < 3,0 kg/m3

et T max < 3,3 kg/m3

.

CEM III/A ou B : ciment contient plus de 60% de laitier etteneur en alcalins du ciment < 1,1%,

CEM III/C : ciment contient plus de 80% de laitier et teneur enalcalins du ciment < 2,0%.


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Phénomène de réaction sulfatique interne

réaction entre les ions sulfate (SO3) de la solution

interstitielle du béton et les aluminates (3CaOAl2O3 ouC3A) du ciment plusieurs mois voire plusieurs années

après la prise du ciment.

formation différée d’ettringite (trisulfoaluminate de

calcium hydraté).

propriété gonflante :

détérioration interne

du matériau et desstructures.


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Phénomène de réaction sulfatique interne (suite)

principaux paramètres de la réaction :

eau et humidité (réaction et processus de transfert),

température et durée de maintien lors de la prise et du

durcissement (fonction de la géométrie de la pièce),

teneur en sulfates et en aluminates du ciment,

teneur en alcalins du béton (rôle sur la solubilité de l’ettringite).

pièces critiques :

pièces massives pour lesquelles la chaleur dégagée n’est que

très partiellement évacuée vers l’extérieur et conduit à une

élévation importante de la température du béton,

pièces coulées en période estivale,

pièces préfabriquées ayant subi un traitement thermique très

élevé (étuvage).


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La démarche préventive concernant la réaction

sulfatique interne (RSI) est définie dans les

recommandations LCPC d’août 2007.

La norme NF EN 206-1 garantit

la durabilité de la structurevis-à-vis des agressions

extérieures, donc de la RSE,

via le choix des classes

d’exposition mais pas de la RSI→ spécification complémentairepar le prescripteur.


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La démarche préventive concernant la réaction

sulfatique interne se fait en 2 temps :

détermination par partie d’ouvrage (notamment pour

les pièces critiques) du niveau de prévention à

atteindre parmi 4 niveaux (As, Bs, Cs ou Ds), le choix

du niveau étant fonction de :

la catégorie de l’ouvrage définie par le maîtred’ouvrage,

la classe d’exposition vis-à-vis de la RSI.

orientation vers la (ou les) solution(s) possible(s) auregard des précautions liées au niveau de prévention

retenu.


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Catégorie d’ouvrage RSI (ou de partie

d’ouvrage)

I : conséquences faibles ou acceptables : éléments nonporteurs des bâtiments, ouvrages provisoires ou facilement

remplaçables, produits préfabriqués non structurels

II : conséquences peu tolérables : éléments porteurs des

bâtiments et des ouvrages de génie civil, produits

préfabriqués structurels

III : conséquences inacceptables : centrale nucléaire, barrage,tunnel, pont ou viaduc exceptionnel, monument ou bâtimentde prestige, traverse de chemin de fer

Classe d’exposition RSIXH1 : sec ou humidité modérée

XH2 : alternance d’humidité et de séchage, humidité élevée

XH3 : en contact durable avec l’eau


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Détermination du niveau de prévention

concernant la réaction sulfatique interne

nécessaire (choix à spécifier par le prescripteur) :Classe

d’exposition

Catégorie d’ouvrage

XH1 XH2 XH3

I

Risque faible ou acceptableAs As As

IIRisque peu tolérable

As Bs Cs

III

Risque inacceptable

As Cs Ds


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Niveaux de prévention RSI :

niveau As : Tmax < 85°C,

niveau Bs : Tmax < 75°Cou 85°C avec respect d’ 1 des 6 conditions suivantes : traitement thermique maîtrisé avec une durée de maintien de la

température du béton au delà de 75°C < 4 heures et avec alcalins du

béton < 3 kg/m3

, ou utilisation de ciment ES, avec alcalins du béton < 3 kg/m3 pour

CEMI et II/A*,

ou utilisation de ciment CEM II/B ou III/A dont C3A < 8% et SO3 < 3%,

ou utilisation de ciment CEMI dont C3A < 8% et SO3 < 3% avec au moins20% de cendres volantes, de laitiers de haut fourneau moulus ou de

pouzzolanes naturelles calcinées,

ou essai de performance satisfaisant (méthode d’essai Lpc n°59),

ou, pour la préfabrication, couple béton/échauffement avec 5 références

d’emplois satisfaisants (antériorité de 10 ans) dans des lieux différents.


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Niveaux de prévention RSI (suite) :

niveau Cs : Tmax < 70°C

ou 80°C avec respect d’ 1 des 6 conditionsprécédentes en remplaçant 75°C ← 70°C,

niveau Ds : Tmax < 65°C de préférence

ou 75°C avec respect simultané des 2 conditions

suivantes :

utilisation de ciment ES, avec alcalins du béton < 3 kg/m3 pour

CEMI et II/A,

validation de la formulation par un laboratoire expert.


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Phénomène d’attaque gel-dégel avec ou sans

sels de déverglaçage

présence d’eau non combinée dans le réseau de

capillaires du béton.

gel de l’eau vers –3 à –4°C (gros capillaires).

pression hydraulique sur l’eau des petits capillairesrestée à l’état liquide, du fait de l’augmentation de

volume (9%) lors de la transformation d’eau en glace.

+

pression osmotique liée à la diffusion des sels de

déverglaçage dans le milieu interstitielle de la peau

du béton (phénomène amplifié en cas de choc

thermique lié à l’application des sels sur film de glaceen surface du béton).


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Phénomène d’attaque gel-dégel avec ou sans sels

de déverglaçage (suite)

lorsque les pressions hydrauliques et/ou osmotiques

deviennent supérieures à la résistance à la traction du

béton, celui-ci se fissure : fissuration dans la masse

(feuilletage parallèle aux faces) ou écaillage de surface.


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Des recommandations établies par le LCPC en

décembre 2003 sont établies pour les ouvrages

de génie civil (visées à l’article NA.5.3.1 de lanorme NF EN 206-1).

Ces recommandationsrenforcent

les prescriptions de la

norme NF EN 206-1

(classe exposition XF)

→ spécification complémentairepar le prescripteur.


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Les recommandations sont liées à la

classification de l’environnement qui dépend :

classe de gel

degré de saturation en eau du béton (humidité,

surface verticale/horizontale, exposition pluie)

exposition au salage


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XF1 (sans agent de déverglaçage)

Gel faible ou modéré :

XF2 (avec agent de déverglaçage)

XF3 (sans agent de déverglaçage)

Gel sévère :

XF4 (avec agent de déverglaçage)

Gel modéré ou sévère : suivant l'altitude

Station métérologique

Carte de gel (NA.4.1NF EN 206-1)

Carte de salage RecommandationsLCPC Gel –Guide SETRADOVH (itinéraires

structurants)


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Cases grisées : recommandations LCPC pour la

durabilité des bétons durcis soumis au gel

Autres cases : appliquer la norme NF EN 206-1sans exigence particulière.

Choix du type de béton

Type de gel

Modéré Sévère

Type desalage

Peu fréquent

(H1 ou n


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Ces recommandations (G ou G+S) portent sur :

prescription de moyens :

caractéristiques des constituants,

formulation du béton (Eeff/C et dosage en ciment

pour une bonne compacité, emploi d’un entraîneur

d’air pour créer un réseau de bulles d’air adapté pour

les bétons de classe de résistance < C50/60).

prescription d’objectifs de résultat :

caractéristiques de résistance mécanique,

résistance au gel interne (facteur d’espacement avec

air entraîné compris entre 4 et 8% ou essai de

performance),

résistance à l’écaillage.


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é h i “C i d O d’ bé ”


Ce qui se traduit en étude ou convenance par :Caractéristiques Béton G Béton G+S

Caractéristiques des granulats Adaptées Adaptées

Type et classe du ciment CEM I ouCEM II/A et B

sauf CV *

CEM I ouCEM II/A (S, D)

PM ou ES

Dosage minimal du ciment pour un béton armé ouprécontraint 0/20

385 kg/m3** 385 kg/m3**

Emploi entraîneur d’air Obligatoire pourbéton < C50/60

Obligatoire pourbéton < C50/60

Rapport Eeff/C (C = ciment ou liant recomposé pour lesbétons G)

≤ 0,50 ≤ 0,45

Résistance caractéristique en compression (cylindre) ≥ 30 MPa ≥ 35 MPa

Facteur d'espacement L (ASTM C 457)avec air entraîné compris entre 4 et 8%

≤ 250 µm ≤ 200 µm

Ecaillage (XP P 18-420) Sans objet ≤ 600 g/m²

Allongement relatif (NF P18-424 et NF P18-425) ≤ 400 µm/m ≤ 400 µm/m

Rapport des carrés des fréquences de résonance(P 18-414)

≥ 75 ≥ 75

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