Armatures alternatives pour le renforcement du béton en ......Stonecutter Bridge à Hong Kong...

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Bétons en environnement marin- Application aux Energies Marines Renouvelables

Armatures alternatives pour le renforcement du béton en milieu marin

IFSTTAR / Dépt MAST : S. Chataigner, L. Gaillet, M. Quiertant, V. Bouteiller, T. Chaussadent, K. Benzarti

Autres Contributeurs : Ph. Jandin (CEREMA), E. Chauveau (UGITECH), Y. Tardivel (CEREMA), P. Corfdir (CEREMA), A. Rolland (CEREMA)

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Contexte

• Le béton n’est jamais seul, il est en général armé, voire précontraint (présence d’armatures métalliques).

• Principale pathologie des ouvrages en béton armé: Corrosion des armatures

Béton

Acier

d’armature

ISIS Canada • Deux possibilités pour y remédier:

– Protection des armatures (revêtements, enrobage: type de béton, épaisseur, …)

– Utilisation d’autres types d’armatures: inox, composites, …

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Plan

I) Les armatures en acier inoxydable

II) Les armatures en matériaux composites

III) Conclusion

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I) Les armatures en acier inoxydable

Acier inoxydable ?

Acier dont la composition contient des teneurs en

Chrome > 10,5% et en Carbone < 1,2%

Différentes microstructures métallurgiques :

austénitiques, ferritiques, austéno-ferritiques

(duplex) et martensitiques

Avantages:

Maintenance réduite (>> 0)

Durabilité élevée en choisissant une

bonne nuance

Coûts de cycles de vie compétitifs

Inconvénients :

Coût initial (3 à 5 fois / armatures au carbone)

Choix des parties d’ouvrages à traiter

À comparer aux coûts d’entretien globaux

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Intérêt :

Ouvrages en site maritime ou exposés aux sels

de déverglaçage (zones de marnage, pieds de

piles )

Parties d’ouvrages difficilement accessibles

Ouvrages sur axes stratégiques, avec

contraintes d’exploitation

Choix de la nuance d’acier inoxydable :

Classes d’exposition de l’ouvrage / parties

d’ouvrage

Forme de corrosion la + problématique :

Corrosion localisée

+ PREN est élevé, + la nuance est résistante

vis-à-vis de la corrosion par piqûres

PREN = indice de résistance à la corrosion par piqûres, fonction du % de Cr et Mo

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Exemples de projets R&D

1. Corrosion de corps d’épreuve en zone de marnage (Port

de La Rochelle, Avril 2013).

1. Acier Carbone FeE500 + Inoxydable1.4362 (23%Cr 4%Ni)

2. Observations visuelles, courant de corrosion (µA/cm2) et

potentiel de corrosion (mV/ECS)

2. Corrosion de prismes en vieillissement accéléré en

enceinte climatiques à 45°C et 92% HR.

Acier Carbone FeE235, Inoxydable martensitique 1.4021

(12%Cr), Lean Duplex 1.4062 (22%Cr 2%Ni), Lean Duplex

1.4362 (23%Cr 4%Ni) et Duplex 1.4462 (22%Cr 5%Ni 3%Mo)

Observations visuelles, potentiel de corrosion, courant de

corrosion (résistance de polarisation, impédance)

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Exemples de projets R&D

3. Corrosion sous contrainte de fils de précontrainte en

acier inoxydable (Thèse B. Grimault).

Aciers Lean Duplex 1.4362 et Austénitique 1.4310

Solution simulant un milieu béton dégradé (pH = 8,([Cl] = 17,5

g/l)

Essai de corrosion, essai de corrosion sous contrainte

classique (NH4SCN suivant ISO 15630-3) et essai de traction

lente (vitesse de déformation 10-8 à 10-6 s-1

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Exemples d’application

Quelques exemples de structures Génie Civil utilisant des armatures inox en substitution totale ou

partielle des aciers au carbone :

Tablier de pont près de Trenton, New Jersey (1985) : armatures en 1.4301 (AISI 304) en première nappe,

aucune trace de corrosion observée

Tablier de pont sur Interstate Highway I-696 près de Detroit, Michigan (1985) : aucune corrosion observée

Stonecutter Bridge à Hong Kong (2010) : Pont haubané autoroutier à pylônes mixtes en béton armé

d’inox 304 (1.4301) en partie inférieure et enserrés dans une coque en inox duplex 2205 (1.4462) en

partie haute.

Mosquée de Casablanca, Maroc : Réparation de la digue de soutènement (2008) avec armatures en

duplex 1.4462. 1500 tonnes d’armatures Inox.

Etc….

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Normalisation

Normes européennes : • EN 10088-1:2014 « Aciers inoxydables - Partie 1 : liste des aciers inoxydables » • EN 10888-3:2014 « Aciers inoxydables - Partie 3 : conditions techniques de livraison pour les demi-produits,

barres, fils machines, fils tréfilés, profils et produits transformés à froid en acier résistant à la corrosion pour usage général »

• EN 10088-5:2009 « Aciers inoxydables - Partie 5 : conditions techniques de livraison pour les barres, fils tréfilés, profils et produits transformés à froid en acier résistant à la corrosion pour usage de construction ».

Norme française : • NF A-35014 « Aciers pour béton armé - Barres et couronnes lisses, à verrous ou à empreintes en acier

inoxydable », 4 classes de nuance (limite conventionnelle d’élasticité à 0,2%) : InE235, InE500, InE650 et InE800, Désignation numérique : exemple 1.4429 correspondant à un acier austénitique X2CrNiMo17-13-3, Diamètre de 5 à 50 mm

Recommandations • Béton armé d’Inox : Le choix de la durée. CIMBETON et I.D. INOX. T.81. Collection Technique Cimbéton • Guide méthodologique CEREMA-IFSTTAR en cours de rédaction « Utilisation d’armatures passives en acier

inoxydable dans les ouvrages d’art »

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II) Les armatures en matériaux composites • Armatures composites utilisées depuis le début

des années 90 d’abord au Japon, puis au Canada

et aux Etats-Unis:

- Fibre: Verre, Carbone, Aramide, Basalte, …

- Matrice: Epoxy ou Vinylester, …

• Leurs avantages:

- Durabilité (pas de corrosion),

- Légèreté,

- Amagnétique et faible conductivité thermique

pour certaines,

- Bonnes propriétés mécaniques.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

Axial strainA

xia

l s

tre

ss

, in

MP

a

Aramid FRP

Carbon FRP

Glass FRP

Steel rebar

Steel tendons

used for

prestressing

Pinzelli R., Fibres aramides pour matériaux composites,

Techniques de l’Ingénieur, A 3 985, 1994.

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• Microstructure des armatures: – Influence le comportement de l’armature (taux de fibres, adhésion fibre-matrice, …) – Importance de l’homogénéité de la section (variabilité des propriétés) – Comportement anisotrope de l’armature (faible raideur en cisaillement)

Les différentes sections, Ueda T., FRP for construction in Japan, CFRRRA

Une ligne de pultrusion, Gangarao and al., 2007

Rolland A. et al., 173, Const and Build

Materials, 2017

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Exemple d’observation au microscope d’une section d’armature composite à fibre de verre et sablée

Exemple d’observation au microscope d’une section d’armature composite à fibre de carbone et sablée

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• Principaux verrous identifiés: – Question du transfert entre béton et armatures (qualification par essais pull-out = aussi

efficace que les verrous des armatures HA si traitement de surface) – Question de la durabilité en milieu alcalin (Thèse A. Rolland, 2015) – Question de la tenue au feu (recommandations L. Bisby), – Question de l’ancrage dans le cas de précontrainte, …

• Applications: – Nombreuses en Amérique du Nord et au Japon

Source: Pr B. Benmokrane, Université de Sherbrooke (GFRP) Fondation de supercalculateur au Japon en AFRP

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• Certification: – ISIS Canada, Exigences pour l’homologation de barres d’armature en polymères

renforcés de fibres pour les structures en béton, Canada, 2006. – EOTA en cours de rédaction.

• Normalisation: – JSCE: recommandations sur la conception de béton armé renforcé par armatures

composites en 1996 (Japon) – ACI: recommandations sur la conception en 2001, guide sur la caractérisation des

armatures composites en 2004, guide sur la future certification de ces armatures en 2008 (US)

– CSA: recommandations sur la conception en 2002 (Canada)

• Recommandations: – Fib, FRP reinforcement in RC Structures, bulletin 40, Technical report, 2007 (Europe) – CNR-DT 203/2006, Guide for the design and construction of concrete structures

reinforced with fibre-reinforced polymer bars, National Research Council, Rome, 2007 (Italie)

– Groupe de travail de l’AFGC (Association Française du Génie Civil) démarré début 2018.

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Conclusion • Deux alternatives pour le béton en mer

Optimiser le béton, Utiliser des armatures moins (ou pas) sensibles à la corrosion.

• Acier inoxydable

Mise en oeuvre similaire à l’acier carbone, Choix de la nuance de l’acier, choix de la partie d’ouvrage à traiter.

• Matériaux composites Avantages des matériaux composites: légèreté, amagnétisme, … Spécificités en terme de mise en oeuvre (recherches en cours sur des matrices

thermoplastiques), Nombreuses applications en Amérique du Nord, et en Asie, Solution économiquement viable, si on raisonne à l’échelle de la structure.

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Merci de votre attention

Sylvain Chataigner ([email protected]) Laurent Gaillet ([email protected])

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

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