Concevoir, construire et gérer des structures durables en béton · Béton armé en zone de...

Concevoir, construire et gérer des structures durables en béton

Approche performantielle et évolutions normativesévolutions normatives

Evaluation de la durée de vie résiduelle d’un ouvrage en

servicepar la mesure des indicateurs de

durabilité et des témoins de durée de vie

www.cete-mediterranee.fr

Centre d'Études Techniques de l'Équipement Méditerranée

Au 1er Janvier 2014, les 8 CETE, le Certu, le Cetmef et le Sétra fusionnent pour donner naissance au Cerema

28 novembre 2013 – CETE Méditerranée d’Aix-en-Proven ce

Gilles Givry

Le référentiel

Centre d'Études Techniques de l'Équipement Méditerranée 2

Contexte et enjeux


Un parc important d’ouvrages d’art en BA et BP

Contexte et enjeuxProblématique : Patrimoine vieillissant qui se dégrade plus ou moins

rapidement selon

• les propriétés intrinsèques du matériau,

• la qualité de mise en œuvre à la construction,• la qualité de mise en œuvre à la construction,

• l’entretien,

• les conditions d’exposition.


Contexte et enjeux

Le gestionnaire a besoin d’informations fiables pour :

Anticiper l’apparition des désordres

• évaluer l’état de son patrimoine,

• évaluer l’état d’avancement des phénomènes de dégradation,

• pronostiquer l’échéance d’apparition des dégradations

Programmer des actions de maintenance préventives

• déterminer le moment optimum pour réaliser des actions de maintenance préventive (donc avant l’apparition de désordres)


maintenance préventive (donc avant l’apparition de désordres)

Evaluer l’efficacité des réparations éventuelles

→ Application de l’approche performantielle sur des ouvrages en service

La méthodologie du diagnostic

Dégradations du béton : Corrosion des armatures (Cl- et CO ) Corrosion des armatures (Cl- et CO2)

Alcali-réaction

Réaction Sulfatique Interne (RSI)

Gel/dégel

Objectifs :


Objectifs : Evaluer l’état de la structure vis-à-vis de la

dégradation

Pronostiquer l’évolution de la dégradation

Durée de vie résiduelle


La durée de vie résiduelle à un instant to (ouvrage en service) vis-à-vis d’un phénomène de dégradation correspond à la duréed’incubation restante de ce phénomène.

Durée au bout de laquelle la propagation du phénomène s’amorce.

Durée de vis résiduelle vis -à-vis de la corrosion


Durée de vie résiduelle du béton armé vis-à-vis de la corrosion des armatures : Temps au bout duquel le front de chlorures et/ou le front de carbonatation atteint les armatures.

La méthodologie du diagnosticIndicateurs de

durabilitéTémoins de durée

de vie

Caractérisent les Evaluent l’avancement Caractérisent les propriétés du béton

vis-à-vis d’une dégradation donnée

Evaluent l’avancement du processus de

dégradation

Essais en laboratoire sur éprouvette

Essais in situ ou sur prélèvements


Propriétés de transfert du matériau

Evaluation de l’état de la structure à un instant to

Prédiction/pronostic de l’état de la structure à to+∆tEvaluation de la durée de vie résiduelle

La méthodologie de diagnostic

Indicateurs de durabilité Témoins de durée de vie

• Porosité accessible à l’eau : P • Profondeur de carbonatation : Xc• Porosité accessible à l’eau : Peau

• Coeff. De diffusion des Cl- : Dapp

• Perméabilité au gaz : Kgaz

• Teneur en portlandite : Ca(OH)2

• Résistivité électrique : ρ

• Profondeur de carbonatation : Xc

• Position du front de Cl- : Xd

• Profil de pénétration des Cl-

Données


Données de conception réalisation

Données environnementales

• Enrobage des armatures (e)

• Fissuration, hétérogénéités

• Exposition du béton :

• Humidité

• Sels marins ou de déverglaçage

• Milieu agressif

La méthodologie du diagnosticExemple pour le phénomène corrosion Principale cause de dégradation des structures en béton :

Carbonatation

Pénétration des ions chlorures

Dioxyde de Dioxyde de carbonecarbone

CO2CO2

ChloruresCl-

Porositéouverte

Fissure

Porositéouverte


Armature Porositéfermée

La méthodologie du diagnosticExemple pour le phénomène corrosionLes indicateurs de durabilité :1. Porosité accessible à l’eau Peau,2. Coefficient de diffusion apparent des 2. Coefficient de diffusion apparent des

chlorures Dapp3. Perméabilité au gaz Kgaz4. Résistivité électrique,5. Teneur en portlandite Ca(OH)2


Les témoins de durée de vie :1. Profondeur de carbonatation Xc,2. Position du front de chlorures Xd

La méthodologie du diagnosticExemple pour le phénomène corrosion

2. Position du front de chlorures Xd3. Profil de pénétration des chlorures



Témoins de durée de vie


Détermination de la profondeur de carbonatation (Xc) par méthode colorimétrique (phénol-phtaléine)




Détermination de la position du front de chlorures par la méthode colorimétrique (nitrate d’argent)

Profil de pénétration des chlorures dans l’enrobage



La méthodologie du diagnosticExemple pour le phénomène corrosion Profil de pénétration des chlorures dans l’enrobage


Concentration critique d’initiation de la corrosion : concentration à partir de la laquelle s’initie la corrosion



En fonction du rapport [Cl-]/[OH-], le film protecteur peut être détruit, même à pH >11,5

Le critère le plus défavorable est donc carbonatation + attaque des ions chlorures (en haut à gauche sur le graphe).

Pour un béton non carbonaté :

[Cl- ]/[OH-] = 0,6 [Cl-] = 0,4% (% en masse de ciment)


Les profils de chlorures sur béton sont donnés en % masse de béton


Les profils de chlorures sur béton sont donnés en % masse de béton

Soit en prenant une hypothèse sur la masse volumique du béton : 2500 kg/m3

Et sur la teneur en ciment du béton 350-400 kg/m3

La concentration critique d’amorce de la corrosion est :

[Cl-]cr ≈ 0,06 % (% en masse de béton)

Profondeur de front de chlorures Xd



La méthodologie du diagnosticExemple pour le phénomène corrosionDistribution des enrobages


Profils de pénétration des chlorures



Détermination de Xd pour chaque carotte



Profil de pénétration des chlorures et distribution des enrobages



Mesure des indicateurs de durabilité

Classe de durabilité potentielleIndicateurs de

durabilitéTrès faible Faible Moyenne Elevée Très élevée

Porosité accessible à l’eau – Peau (%)

> 16 14 à 16 12 à 14 9 à 12 6 à 9l’eau – Peau (%)

Coefficient de diffusion des chlorures – Dapp

(10-12.m2.s-1)> 50 10 à 50 5 à 10 1 à 5 < 1

Résistivité électrique (Ω.m)

< 50 50 à 100 100 à 250 250 à 1000 > 1000

Indicateurs de durabilitéRésultat des

essaisClasse durabilité

potentielleDurée de vie

Porosité accessible à l’eau –13,1 Moyenne < 30 ans


Porosité accessible à l’eau –Peau (%)

13,1 Moyenne < 30 ans

Coefficient de diffusion des chlorures – Dapp (10-12.m2.s-1)

2,6 Elevée 50 à 100 ans

Résistivité électrique (Ω.m) 325 Elevée50 à 100 ans

Objectif : Pour les armatures en phase d’incubation, savoir en combien de temps la corrosion s’initiera

Estimation de la durée de vie résiduelle

Choix d’un modèle de prédiction

Approche classique : diffusion selon lois de Fick


Obtention d’une fonction C(x,t)Avec C : concentration des chlorures

X : profondeur d’enrobageT : temps

Différents faciès de pénétration des chlorures



Ces différents faciès correspondent à des conditions d’exposition différentes du parement béton à l’agent agressif, exemple :

Béton armé immergé dans l’eau de mer

Béton armé en zone de marnage



Rappel : la corrosion d’initie lorsque le front de chlorures atteint les armatures.Soit Xd(to) la position du front de chlorures à l’instant toSoit t1 le temps au bout duquel le front de chlorures aura atteint la nappe d’armatures Xd(t1) = eLa durée de vie résiduelle est ∆t = t1 – t0 dans l’exemple ci-dessus ∆t ≈ 35 ans

ConclusionsL’approche perfomantielle est à la fois un outil de diagnostic et de pronostic.


• Formuler un diagnostic sur l’avancement de la corrosion dans les

Indicateurs de durabilité

• Formuler un diagnostic sur l’avancement de la corrosion dans les différentes parties de la structure

• Estimer la proportion d’armatures en phase d’incubation ou de propagation de la corrosion

• Evaluer les propriétés de durabilité du béton vis-à-vis de la


• Evaluer les propriétés de durabilité du béton vis-à-vis de la corrosion des armatures

Orienter le gestionnaire dans la prise de décision sur le devenir de l’ouvrage

• Estimer la durée de vie résiduelle du béton pour chaque partie de la structure

ConclusionsIntérêt de l’approche performantielle pour le diagnostic :

Méthodologie d’expertise

Rigueur scientifique

Indicateurs quantifiés

Précautions : Corrosion : phénomène électrochimique complexe

Incertitudes : méthodes de mesure, composition des bétons, seuil d’initiation…

Béton armé = matériau hétérogène : enrobage, qualité du béton…

Perspectives :


Développement de nouvelles méthodes pour déterminer les témoins de vie (MND)

Développement de nouveaux indicateurs de durabilité

Développement de nouveaux modèles de transfert, utilisation de modèle prédictif plus précis couplant les phénomènes qui interagissent

entre eux

Merci de votre

attention

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