Durabilité

Causes de dégradation des bétons

Corrosion des armatures

Gel / dégel(freeze / thaw)

RAGréaction alcali granulat(alakli silica reaction

ASR)

Attaquesulfatique(externe)

+ Usure mécaniqueAttaqueacide

Carbonatation

Pénétration des ions chlores

L’eauliquide

Gel Dégel

La glace

∆V

Augmentation du volume ~ 9%

Pâte avec des pores saturés

Gel = Rupture de la pâte

Loi Kelvin-Laplace

0.1 µm

99 % RH

Pâte avec des pores partiellement saturés

Gel = pas d’endommagement

Effet de l’humidité relative sur la quantité d’eau en fusion

-3.5

-3

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

-50 -30 -10

temperature Tsp [°C]

Cp

A c

orr

[J

/gK

]

saturated

97% RH

94% RH

90% RH

70% RH

thawing

Joseph KaufmannEMPA

Pour les dalles

l’eau en surface peut saturer la couche près de la surface

l’écaillage

Pour éviter l’endommagement

Introduction de vides d’air - ~ 6 – 8 %Par utilisation des entraîneurs d’air, adjuvants liquides.

Taille ~50 µm (difficile à saturer).

L’eau dans les pores de la pâte peut «s’échapper »dans ces vides, s’il y a un gel.

Espacement des vides <0.2 mm

Réaction alcali granulat RAGAlkali aggregate reaction AARAlkali silica reaction ASR

Granulatscontenants

du silice amorpheou mal

crystallisé

Solution poreuse de pH élevé

+L’eau

“gel”, forte teneure

en eau gonflement

Manifestation microscopique:

Manifestation macroscopique:

Misalignment (Distorsion)Misalignment (Distorsion)

ASR

Distribution des Fissures Distribution des Fissures –– ““Map CrackingMap Cracking””

Cl - Gel CO2

La fissuration peut augmenter les autres formes de dégradations

Effet d’ASR sur les propriétés mécaniques

• Réduction de la résistance en compression.

• Baisse du module(de Young)

• Augmentation du fluage

Pas endommagé Expansion faible

(0.04 - 0.06%)forte expansion

(> 0.10%)

Développement de la fissuration

Les mécanismes de la réaction

La silice cristallisée est composée de tétraèdres ordonnés

++ +----

Les tétraèdres incomplets à la surface sont chargés

++ +----

H2OOH-

H+

OH- OH-OH-

H+H+ H+

H+

En présence d’eau, les ions sont adsorbés à la surface

H2OOH-

H+

H+

OH-

H+H+ H+

OH-OH-

OH-

H+

OH-

H+H+ H+

OH-OH-

Na+Na+ Na+Na+

OH-

OH- OH-

En solutions alcalines, les ions métalliques adsorbent

OH-OH-

OH-

Na+Na+Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

Na+

OH- OH-

Na+

OH-

Na+

Na+

Na+Na+

Na+

Na+

H2OH2O

H2OH2O

Si-O-Si + 2OH- + 2Na+ → 2(Si-O-Na) + H2O

Ceci conduit à la rupture des liaisons silanol

Dans les roches bien cristallisées, ceci apparaît seulement à la surface

+

+

+-

-

-

-

+

+

+

+

-

-

-

-

+

++

+--

-

- -

-

--

+

+

+

Dans les silices amorphes ou cristallisée les hydroxydes alcalins peuvent pénétrer dans le cristal

+

+

+-

-

-

-

+

+

+

+

-

-

-

-

+

++

+--

-

- -

-

--

+

+

+

Na+ Na+

OH-

OH-

Na+

OH- Na+

Na+

OH-

OH-

Na+

OH-

Na+

OH-

Na+OH-

Na+OH-

Na+

OH-

Na+

OH-

Na+

OH-

Na+ OH-

Na+

OH-Na+

OH-

Na+

OH-

Na+

OH-

Na+OH-

Na+

OH-

Na+OH-

+

-

-

-

-

-

-

+

+--

- --

+

+Na+

Na+

OH-

OH-

Na+

OH-

Na+

Na+

OH-

Na+

OH-

Na+

OH-

Na+

OH-

Na+

Na+

OH-

Na+

OH-

Na+

OH-

Na+

Na+

OH-Na+

OH-

Na+

OH-

Na+

OH-

Na+

Na+

OH-

Na+

OH-

H2OH2OH2O

H2OH2O

H2O

Na+

Plusieurs liaisons silanol rompues et l’eau entrante, signifie que la silice disloquée a un volume plus grand > EXPANSION

+

-

-

-

-

-

-

+

+-

--

+

+

Na+

Na+

OH-

OH-

Na+ Na+

Na+

OH-

Na+

OH-

Na

+

OH-

Na+

OH-

Na+

Na+

OH-

Na+

OH-

Na+

OH-

Na+

OH-

OH-

Na+

OH-

Na+

OH-

Na+OH-

H2O

OH-

Na+

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

OH

-

Na+

Na +

-

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

Le solubilité dépendde la structure minérale et du pH.

Dissolved Silica – ASTM C 289(Grattan-Bellew, 1989)

OPAL

CHALCEDONY

RHYOLITE

QUARTZITE

QUARTZ SAND

Dissolved silica

Dis

solv

ed s

ilica

Courbe de solubilité pour silice amorphe

pH9 10 11 1213

Note historique

• Première identification de la RAS en Californie par Stanton dans les années 1940

• Au début, seules les roches en silice peu cristalline – telles que l’opale- ont été crues réactives

• Durant les 60 dernières années, de plus en plus de roches se sont avérées réactives

• Des cas ont été identifiées presque dans tous les pays

Caractérisation du ciment

Analyse oxyde (XRF)

0,3 (0,2-0,4)resid insol

1 (0,5-1,5)CaO libre

1 (1-2)PaF(LO)I

0,2 (0,2-0.5)Na2O0,5 (0,3-1)K2O2,8 (2,5-3,2)SO3

1,2 (1-4)MgO64 (62-65)CaO2,5 (2-3)Fe2O3

6 (4-7)Al2O3

20,5 (19 – 21)SiO2

+Mn2O3, TiO2, P2O5, CO2

Na2O(eq) = Na2O + 78/94 K2O

Poids molaireNa2O

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

2 3 4 5 6

Alcali dans le béton (kg/m3 Na2Oe)

Expa

nsion

à1

an (%)

275300350400450

Effet des alcali du béton sur l’expansion

Contenu du ciment(kg/m3)

Granulat silico-calcaire

Effet des alcalis du ciment sur lEffet des alcalis du ciment sur l’’expansionexpansion

250

350

450

550

0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

Alcalis dans le ciment (% Na2Oe)

Cont

enu

du c

imen

t (k

g/m

3 )gonflant

Nongonflant

Alcalis dans le Béton =3.0 kg/m3 Na2Oe

Seuil pour ASR ~ 3kg/m3 Na2Oe

Ciment à basse teneur en alcali: Na2Oe < ~ 0.7 %

MAIS: il y a évidence maintenant que cette approche n’est pas fiable

Méthodes de prévention

• Eviter les granulats réactifs

• (Utiliser le ciment à basse teneur en alkali)

• Utiliser du ciment avec des cendres volantes ou (à voir prochainement)

Mais des fois la réaction se manifeste seulement après 30 / 40 ans

• Cosmétique ou structurelle?

• Remplacer ou réparer?

• Des fois des mesures drastiques sont nécessaire

Dans les barrages le l’expansion peut engendre des problèmes structuraux avant la fissuration ou la perte de performance mécanique:

• Pas d’armatures

• Structure en compression

Slot Cutting

Providesstress relief

Diamondwire cutting

Barrage de Chambon, France

Attaque sulfatique

+ (eau de mer)

SO42-

~1 µm

C-S-H + calcium aluminate monosulfate

SO42-

C-S-H + calcium aluminate trisulfate, ETTRINGITE

OHCaSOOAlCa

OHSOCa

OHCaSOOAlCa

24623

22

42

24623

32.3.

2022

12..

⇒+++ −+

Augmentation du volume ⇒ gonflement

Prendre de calcium du C-S-H ⇒ softening

Necessité d’avoir une dispersion fine de monosulfo dans le C-S-H

géneration de pression de crystallisation

Comment éviter

• Moins de monosulfate pour la transformation

• Ciment avec teneur basse en C3A

• Limiter le rapport e/c

12.3 % C3A

w/c =0.50, 21 years in 50,000 ppm MgSO4

Concrete: Effect of C3A in Portland Cement

3.5 % C3A 7.1 % C3A

(Saw Cut cylinders on right side)

Brown, Hooton and Clark, 2003

Effect of W/C: USBR 40-Year Data (C3A = 0-8%)

Monteiro and Kurtis, 2003

Photo J. Marchand, 2000

Degradation of concrete by sulfate attack

Poorly produced concrete is not durable.

Causes de dégradation des bétons

Corrosion des armatures

Gel / dégel(freeze / thaw)

RAGréaction alcali granulat(alakli silica reaction

ASR)

Attaquesulfatique(externe)

+ Usure mécanique

Attaqueacide

Carbonatation

Pénétration des ions chlores

Processus de transport

Les processus de pénétration des ions

• Béton saturé, sans différence de pression:

– Diffusion

• Saturé, avec différence de pression

– Advection, flux de liquide

• Non saturé

– Absorption

• Une face saturé, un face sèche

– “wick action”

Perméabilité

Ax

hK

dt

dqp •

ƥ=

Flux

Coefficient de perméabilité

Gradient depression

aire

Loi de Darcy

Diffusion

dx

dcD

dt

dc•−=

Taux dediffusion

Coefficient de diffusion

Gradient deconcentration

Loi de Fick

D

pK Dépend des mêmesparamètres

Perméabilité augmente avec porosité

Coe

ffici

ent d

e pe

rméa

bilit

é, x

10-1

4 m/s

Rés

ista

nce

àla

com

pres

sion

, MP

a

Porosité capillaire, % vol

SELECTED DURABILITY PRESCRIPTIONS IN EN 206

Type of Corrosion

Environmental Conditions

Max. w/c

ratio

Min. cement content,

kg/m3

Strength Grade

Dry or Wet 0.65 260 C 20/25 Wet rarely dry 0.60 280 C 25/30 Mod. humidity 0.55 280 C 30/37

Carbonation

Cyclic wet/dry 0.55 300 C 30/37 Mod. humidity 0.50 300 C 30/37 Wet 0.45 320 C 35/45

Sea water chlorides

Cyclic wet/dry 0.40 340 C 35/45 Slight 0.50 320 C 30/37 Moderate 0.45 320* C 30/37

Aggressive chemicals

High 0.45 350* C 35/45 * Sulfate resistant cement

V. Baroghel-Bouny (LCPC)

• Exemple : coefficient de diffusion "apparent" des chlorures •(obtenu à partir d'essais de diffusion ou migration

sur des bétons âgés de 28 ou 90 jours)

0,01

0,1

1

10

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130Résistance moyenne à la compression à 28 jours (MPa)

Coe

f. de

diff

. "ap

pare

nt"

des

Cl- (1

0-12 m

2 .s-1

)

Dns(dif) 90jDns(mig) NTB492-90jDns(mig) NTB492-28jDapp(mig) time-lag-90j

E

BO BHP

TE

M

F

TF

CV

La résistance mécanique est insuffisante pour évaluer la durabilité "potentielle"

des bétons (notamment avec additions) et pour qualifier une formule

Effet de la Porosité

Porosité ElevéeRésistance au flux

plus basse

Porosité BasseRésistance au flux

plus haute

Effet de Connectivité

Pores connectésRésistance au flux

plus basse

Pores isolésRésistance au flux

plus haute

Effet de Resserrement

Un grand poreRésistance au flux plus basse

Plusieurs petitsporesRésistance au flux

plus haute

Effet de la tortuosité

Pore rectiligneFaible résistance

au flux

Pore tortueuxRésistance au flux

plus grande

Pour diminuer la perméabilitéd’un matériau poreux:

• Diminuer la porosité totale• Diminuer la connectivité• Diminuer la taille des pores• Augmenter la tortuosité

PermPermééabilitabilitéé éélevlevééee(Interconnection des pores capillaires)(Interconnection des pores capillaires)

Pores capillairesPores capillaires

Structure CStructure C--SS--HH

Neville

Pores capillairesPores capillaires

Structure CStructure C--SS--HH

Neville

Faible PermFaible PermééabilitabilitééPores capillaires segmentPores capillaires segmentéés et partiellement connects et partiellement connectééss

Impact des paramètres du béton

La plupart du transport se passe dans la pâte de ciment

Donc, pour diminuer la perméabilité, vous devez modifier la pâte.

Réduction de la quantité de pâte:Diminuer le rapport eau / cimentAméliorer la composition granulométrique

Améliorer la qualité de la pâte:Diminuer le rapport eau / cimentUtiliser SCM’s

A dosage en ciment constant,

la réduction du rapport eau / ciment

diminue la quantité de pâte, donc la porosité totale

Effet de la teneur en eau

2

4

6

8

100 120 140 160 180 200

Water Content (kg/m3)

Per

mea

bili

ty (

x 10

-17

m2)

Teneur en eau

E/C = 0.45E/C = 0.45

Perméabilité aux gaz

0

1000

2000

3000

4000

100 120 140 160 180 200

Teneur en eau (kg/m3)

RC

PT

(C

oulo

mbs

)

200 240 280 320Teneur en eau (pcy)

E/C = 0.45E/C = 0.45

Perméabilité aux “Chlorures”

Améliorer la répartition

granulométriquedes granulats

réduit le volume de la pâte, et donc la porosité totale.

Bonne granulométrie

Mauvaise granulométrie

Faibleperméabilité

Hauteperméabilité

Même teneure/c

Une diminution du rapport E/C améliore la qualité de la pâte, réduit la porosité totale, réduit

la connectivité, et augmente le

resserrement et la tortuosité.

Effet de E/C

2

4

6

8

0.3 0.4 0.5 0.6

Eau/Ciment

Per

méa

bili

té(x

10-1

7 m2 )

Perméabilité aux Gaz

0

1000

2000

3000

4000

0.3 0.4 0.5 0.6

Eau/CimentR

CP

T (

Cou

lom

bs)

Perméabilité aux “Chlorures”