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LE PHÉNOMÈNE DE POURRISSEMENT DES DALLES

DE TABLIER DE PONTS Ir PIERRE GILLES

Ing ERIC DONDONNE SPW - Direction de l’Expertise des Ouvrages

Résumé

Depuis 1995, un nouveau phénomène,

dénommé « pourrissement de dalles de

tablier de ponts », est observé sur plus de

70 ponts en Région Wallonne. Il se traduit

par différents types de dégradation

conduisant à terme au percement de la

dalle de tablier.

Les résultats de la recherche entreprise

ont montré que la dégradation du béton

est provoquée par une réelle interaction

entre trois processus d’altération :

réactions alcalis-granulats, attaque par les

chlorures et cycles gel-dégel.

Des indicateurs de pourrissement sont

définis.

En outre, un essai de vieillissement

accéléré est proposé.

L’étude a aussi mis en évidence la

migration des alcalins depuis le haut vers

le bas de la dalle, entraînant une

réalcalinisation du béton en sa face

inférieure.

Samenvatting

Sinds 1995 wordt een nieuw fenomeen

vastgesteld op ongeveer 70 bruggen in

Wallonië. Het zogenoemde “rotten van de

brugdekplaten” waarbij verschillende types

beschadigingen leiden tot gaten in het

brugdek.

De resultaten van het onderzoek hebben

aangetoond dat de beschadiging van het

beton veroorzaakt wordt door een

combinatie van drie oorzaken: alkalisilicaat

reactie, aantasting door chloorionen en

vorst-dooicycli.

Een aantal indicatoren m.b.t. het rotten

wordt beschreven.

Een versnelde verouderingsproef wordt

voorgesteld.

Het onderzoek heeft ook aangeduid dat

alkalische ionen van boven naar beneden

in de brugdekplaat migreren, zodat een

realkalisatie van het beton op het onderste

vlak plaatsheeft.

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1. Introduction

Une nouvelle forme de dégradation du béton des dalles de tabliers de ponts est observée

depuis 1995 : elle est inhabituelle en regard des processus de dégradation connus tels que

la corrosion des aciers ou encore la carbonatation. Plus de 70 ponts sont affectés par cette

pathologie en Région Wallonne : la majorité de ces ouvrages sont des ponts à poutres

(figure 1). Le tablier de ces ponts est composé, de bas en haut : d’une dalle de béton

d’approximativement 18 cm d’épaisseur, d’une couche d’étanchéité, d’une couche de

protection et de couches de revêtement en hydrocarboné. Les entraîneurs d’air ne sont pas

admis dans ces bétons compte tenu de l’importante diminution de résistance du béton en

compression qu’ils entraînent ; conséquence de la présence de nombreuses bulles d’air

(ref.1).

Figure 1 – Exemple de pont à poutres atteint de pourrissement de la dalle de tablier

2. Observations

Le pourrissement de dalle de tablier peut présenter différentes formes de dégradation (réf.2).

Il progresse généralement du haut vers le bas de la dalle, mais la présence d'une prédalle

peut modifier cette progression.

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Chape

Dalle

Prédalle

Désagrégation Délamination Faïençage

Revêtement

Figure 2 - Différentes formes de dégradations liées au pourrissement

Les différentes formes de dégradations décrites à la figure 2 sont :

• Désagrégation du béton en face supérieure, parfois à l'interface dalle/prédalle, et plus

rarement en face inférieure du tablier : seul subsiste le squelette granulaire. Les

armatures observées dans ces zones peuvent être caractérisées par des traces de

corrosion ponctuelles (morsures par les chlorures) et par un aspect brillant. Ce

dernier provient du frottement des débris de béton sur l’armature – figure 3 ;

Figure 3 - Corrosion des armatures par les chlorures

Figure 4 - Fissuration et délamination de la dalle

• Délamination du béton: le béton se dégrade en feuillets de quelques millimètres

d'épaisseur, souvent en face supérieure de la dalle. Cette délamination n’a pas de

lien direct avec la position des armatures et avec leur éventuelle corrosion – figure 4 ;

• Microfissuration multidirectionnelle du béton qui affecte toute l'épaisseur de la dalle,

cas rarement rencontré.

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Figure 5 - Trou dans une dalle

Figure 6 - Taches en face inférieure de dalle

Cette pathologie peut conduire dans certains cas à l’apparition d’un trou (photo 5) dans le

tablier provoquant ainsi l’effondrement du revêtement.

Extérieurement, des signes avant-coureurs sont généralement observés avant ce stade

ultime :

• En face inférieure, des taches claires et/ou foncées apparaissent et persistent quelles

que soient les conditions climatiques (photo 6). Des dégradations sont

systématiquement observées au droit de ces taches, mais aussi parfois en dehors de

celles-ci.

• En face supérieure, lorsque le béton commence à se désagréger, il produit une fine

poussière (photo 7) qui peut remonter au travers du revêtement, souvent dégradé à

cet endroit. De telles remontées de fines particules constituent un autre signe avant-

coureur.

• Enfin, le béton de la dalle se désagrégeant, le revêtement se disloque par déficience

de sa fondation et des nids de poules apparaissent (figure 8). Les réparations de ces

derniers se caractérisent par leur faible durabilité.

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Figure 7 - Remontée de fines poussières de ciment au travers du revêtement

Figure 8 - Nid de poule dans le revêtement

3. Mécanisme du pourrissement

Dans un premier temps, cette forme de dégradation a été étudiée en interne au sein de

l’Administration.

Compte tenu de l’importance des dégradations et de leur nombre croissant, une recherche a

été initiée en collaboration avec :

• le Laboratoire des Matériaux de Construction de l'Université de Liège (LMC),

• le Laboratoire du Génie Civil de l'Université catholique de Louvain (LGC),

• l'Institut Scientifique de Service Public (ISSeP),

• le Laboratoire de Recherche de l'Industrie cimentière (CRIC) et

• la Fédération de l'Industrie cimentière belge (FEBELCEM).

Cette recherche a permis de constater que le pourrissement de dalles de tablier était une

réelle interaction (et non une juxtaposition) entre une réaction alcali-granulat, une sensibilité

aux cycles de gel-dégel et l’attaque par les chlorures.

Le mécanisme suivant est proposé.

Au début de la vie de l’ouvrage, la face inférieure de la dalle se carbonate entraînant une

baisse du pH. Avec les années, la couche d’étanchéité commence à présenter des

défectuosités permettant à l’eau de s’infiltrer dans la dalle. L’hétérogénéité de la localisation

des défauts d’étanchéité induit des variations dans le taux de dégradation du béton. A ce

gradient horizontal, s’ajoute un gradient vertical provoqué par la propagation de différents

ions (chlorures, alcalis) du haut en bas dans la dalle sous l’action de l’eau infiltrée.

Vu la présence simultanée d’eau, de granulats réactifs et d’alcalis (provenant du ciment mais

aussi des sels de déverglaçage - NaCl), une réaction alcali-granulat (RAG) modérée peut se

développer. Cette réaction entraîne un début de fissuration de la dalle de tablier. L’action du

gel (température < 0°C) sur le gel (produit amorphe ) produit par la RAG renforce l’action de

fissuration du béton par les cycles de déshydratation/réhydratation que les températures

alternants autour de 0°C provoquent sur le gel de R AG. Compte tenu de la géométrie de la

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dalle (élément mince) la fissuration se développe principalement horizontalement. Cette

ouverture du système augmente les infiltrations d’eau parfois chargée en sels de

déverglaçage.

La circulation d’eau peut aussi provoquer la dissolution de sulfates présents dans la pâte de

ciment (sous forme d’ettringite primaire, …). Ceux-ci peuvent alors se reprécipiter ailleurs

dans la dalle, en particulier dans les fissures nouvellement créées, sous forme d’ettringite

secondaire ou de gel ettringitiques. La pollution par les chlorures amenés par les sels de

déverglaçage peut aussi devenir importante et des cristaux de Chloroaluminate de Calcium

sont observés.

Si l’ettringite secondaire sous forme d’aiguilles et les cristaux de Chloroaluminate de Calcium

sont inoffensifs pour le béton, le gel ettringitique peut avoir une action fissurante comme le

gel de RAG.

Figure 9 – Gel de RAG fissuré dans une bulle d’air. Vue sur lame mince sous lumière

polarisée (photo ISSeP).

Figure 10 - Aiguilles d'ettringite secondaire. Vue au microscope électronique (photo ULg-

LMC).

Tous les alcalis mobilisés par l’eau ne sont pas nécessairement impliqués dans une RAG.

Une partie de ces alcalis, provenant de la pâte de ciment (Na et K) mais aussi ceux (Na)

amenés en période hivernale par les sels de déverglaçage, vont migrer dans la dalle de

tablier. Il en résulte un gradient vertical en alcalis (K, Na). En partie inférieure de la dalle,

dans la zone carbonatée, ces alcalis peuvent réagir avec le carbonate de Calcium (produit

par la réaction de carbonatation) et produire des hydrocarbonates au pH plus élevé. Il en

résulte que la couche de béton préalablement carbonatée (donc impliquant une chute du pH

du 13 à moins de 9) en face inférieure de la dalle se réalcalinise et voit son pH réaugmenter

au-dessus de 9 qui est la limite de passivation des armatures vis-à-vis de la corrosion (réf.6).

Enfin, cette richesse en alcalis et autres ions de la face inférieure, va provoquer l’apparition

de taches en face inférieure ; taches dont la teinte est peu influencée par l’humidité

ambiante.

200µ

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4. Indicateurs de pourrissement

Sur base de cette recherche, plusieurs indicateurs permettant d’identifier le pourrissement

sont proposés (réf.7). Le diagnostic peut être établi lorsque plusieurs de ces indicateurs sont

rencontrés. A cette fin, il est nécessaire de prélever des échantillons tant dans les zones

reconnues comme dégradées que dans celles supposées saines.

• Observations macroscopiques :

o Présence de nids de poules dans le revêtement;

o Présence de taches blanches et/ou foncées en partie inférieure de la dalle;

• Caractéristiques physiques :

o Absorption d’eau par immersion > 6% poids;

o Masse volumique sèche < 2200 kg/m³ ;

o Vitesse des ultrasons < 3000 m/s ;

o Rapport entre les vitesses des ultrasons dans le sens vertical et horizontal

Vv/Vh < 1 ;

o Variation de perméabilité d’un facteur 10

• Caractéristiques mécaniques :

o Résistance à la traction directe (cohésion) < 2 N/mm²;

• Caractéristiques chimiques :

o [SO3]> 0,5 % (du poids de béton);

o [Cl-]> 0,06 % (du poids de béton);

o [Na2Oéq]> 0,3 % (du poids de béton);

o Réalcalinisation de la partie inférieure de la dalle préalablement carbonatée ;

• Microscopie (pétrographie et électronique):

o Nombreux sites de RAG;

o Autres produits de réactions secondaires (ettringite secondaire, gel

ettringitique, chloroaluminate de Calcium) ;

o Fissuration horizontale;

o Rapport E/C élevé > 0.50.

5. Essai de vieillissement

La recherche a aussi cherché à développer un essai de vieillissement accéléré permettant

d’évaluer la sensibilité d’un béton au mécanisme de pourrissement (réf.8).

Après plusieurs tentatives, un essai a été mis au point. Dénommé « GCG-DUG » (Gel-

dégel/Chlorures/Gonflement – version Duggan), cet essai permet de soumettre un

échantillon de béton à l’action combinée du gonflement RAG, des chlorures et des cycles de

gel-dégel.

L’échantillon est préparé comme dans l’essai Duggan modifié (3 jours dans l’eau distillée à

21°C, 1 jour à l’air à 82 °C, 1 jour dans l’eau dis tillée à 21°C et 3 jours à l’air à 82°C).

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Ensuite la carotte est soumise à 35 cycles journaliers :

• 8h à 9h : mesure de la vitesse des ultrasons V8, du gonflement l et de la masse m.

• 9h à 14h : exposition à l’air à -18 °C

• 14h à 16h : exposition à l’air à 20°C

• 16h à 16h30 : mesure de la vitesse des ultrasons V16

• 16h30 à 8h : exposition dans une solution individuelle de NaCl (30g/l) à 21°C

Durant les jours fériés, seule l’exposition à la solution de NaCl à 21°C est réalisée.

L’analyse des résultats de cet essai permet de confirmer la réelle interaction entre les

processus de dégradation (RAG, Chlorures, Gel-dégel).

Trois paramètres sont définis pour apprécier la sensibilité d’un béton au pourrissement :

• Variation de longueur à 35 jours ;

• Variation de la vitesse des ultrasons (V16) à 35 jours ;

• Rapport entre la variation de masse et la variation de longueur à 35 jours.

Le tableau 1 reprend les limites de ces trois paramètres pour définir trois classes de

sensibilité.

Tableau 1: essai GCG-DUG - Classes de sensibilité au pourrissement

Classes de sensibilité ∆L35 ∆V16,35 ∆m35/∆l35

% % - Faible < 0.3 > -10 > 3 Moyenne 0.3 to 1 -10 to -40 1.5 to 3 Forte > 1 < -40 < 1.5

6. Conclusions

Depuis 1995, plusieurs ponts en Région wallonne ont commencé à présenter de sérieuses

dégradations de leur dalle de tablier. Les observations macroscopiques telles que nids de

poules, désagrégation du béton sous forme de gravier, en partie supérieure de la dalle,

perforation de la dalle et taches en face inférieure de dalle, sont des indicateurs d’une

dégradation du béton dénommé « Pourrissement de dalles de tabliers de ponts ». Cette

pathologie complexe nécessite de l’eau et implique donc une déficience de la couche

d’étanchéité du tablier.

Face à l’importance des dégradations, une recherche a été menée par le SPW et différents

centres de recherches belges.

Les résultats de cette recherche ont mis en évidence que le pourrissement est le résultat

d’une réelle interaction entre la RAG, l’action des cycles de gel-dégel et l’attaque par les

chlorures.

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La réaction alcali-granulat a pu se développer à cause de l’utilisation de granulats (sables et

gravillons) réactifs, de la présence d’eau s’infiltrant au travers des défectuosités de la couche

d’étanchéité et de la teneur élevée en alcalis provenant d’une part du ciment et d’autre part

des sels de déverglaçage.

L’étude a également démontré qu’il existait une migration des alcalis de la partie supérieure

de la dalle vers sa partie inférieure, pouvant conduire à une réalcalinisation du la couche

inférieure de béton carbonaté.

Souvent, des teneurs en chlorures importantes sont observées en partie supérieure de la

dalle. Occasionnellement, des cristaux de Chloroaluminate de Calcium ont été observés

suite à ces teneurs élevées en chlorures mais sans signe d’activité fissurante sur le béton.

Des cristaux d’ettringite secondaire sont souvent observés dans les pores et les fissures de

la pâte de ciment. Mais à chaque fois, cette ettringite ne présente aucun aspect délétère ;

aucune trace de réaction sulfatique n’a été observée. Cependant, un gel ettringitique est

parfois observé et il pourrait intervenir dans la fissuration conduisant à la délamination.

La recherche a aussi mis en évidence que la corrosion des armatures n’était pas une cause

du pourrissement même si de forte corrosion sont observées dans les zones de béton

désagrégé.

Pour évaluer le degré de dégradation de la dalle de tablier, plusieurs indicateurs ont été

proposés comme l’absorption d’eau, la perméabilité, le rapport des vitesses des ultrasons

Vv/Vh, l’absence de cohésion, la profondeur de carbonatation et la réalcalinisation,

l’évaluation des gradients chimiques, la microscopie pour détecter la présence de réactions

secondaires (RAG, ettringite, gel ettringitique, chloroaluminate de Calcium).

Enfin un test de vieillissement a aussi été mis au point afin de déterminer la sensibilité d’un

béton au pourrissement.

7. Bibliographie

[1] CRR (2002) : Code de bonne pratique pour l’utilisation des entraîneurs d’air dans les

bétons routiers – Application, formulation et contrôle. Recommandation R 73/02 :pp 1-

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[3] Swamy R. N. (1992) : The alkali-silica reaction in concrete. Blackie, UK.

[4] Bérubé M.A., Carles-Gibergues A. (1992). La durabilité des bétons face à l’alcali-

réaction, pp 285-350 in La durabilité des bétons. Presses de l’Ecole nationale des Ponts

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[6] Darimont A, Degeimbre R, Gilles P, Dondonné E, Demars Ph, Mertens de Wilmars A,

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[7] Demars Ph, Gilles P, Dondonne E, Lefebvre G, Darimont A, Lorenzi G, Henriet G,

Marion AM (2008) : The degradation of the bridge deck slabs in Belgium mainly involves

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[8] Gilles P, Demars Ph, Dondonne E, Lorenzi G, Darimont A (2008) : A new test to assess

the concrete susceptibility to “the decay” of the bridge deck slabs. 13th ICAAR, 16-19

june, 2008, Trondheim, Norway.