Les indicateurs de durabilité ou comment caractériser la ... · V. Solubilité des hydrates : la...

CONCEVOIR, CONSTRUIRE ET GERER DES STRUCTURES DURABLES EN BETONApproche performantielle et évolutions normatives

Les indicateurs de durabilité ou comment caractériser la durabilité des bétons ?

Concevoir, construire et gérer des structures durables en bétonApproche performantielle et évolutions normatives

Toulouse - 9 décembre 2014

I. IntroductionII. Caractérisation des solides poreuxIII. Transfert sous gradient de pressionIV. Transfert sous gradient de concentrationV. Solubilité des hydratesVI. Les indicateurs de durabilité spécifiquesVII. Conclusion

�

Plan de la présentation



Dégradation du béton Dégradation de l’acier

2

I. Introduction



BETON

Granulats (60 à 70% de V)

+ Acier « Barrière physique » : la porosité

+ Ciment (7 à 14% de V)

+ Eau (14 à 22% de V)

+ Adjuvants (< de 2% de V)

- la perméabilité

« Barrière chimique »- la diffusivité

+ Additions minérales (5 à 20% de V)

Utilisation du

matériau dans son

environnement

- l’absorptionBETON ARME

ouBETON PRECONTRAINT

- la solubilité- la réactivité

+ Air (1 à 6% de V)

Le matériau « béton » dans son environnement.



Les indicateurs de durabilité : paramètres fondamentaux pour la

prédiction de la durabilité

Les indicateurs généraux : valables pour la plupart des dégradations

Les indicateurs spécifiques relatifs à certaines dégradations du matériau dans son environnement.

Les indicateurs de durabilité généraux

(Baroghel-Bouny, 2008)

–- Porosité accessible à l’eau (NFP 18 459)

- Absorption par capillarité (AFPC-AFREM, 1998)

- Perméabilité aux gaz (AFPC-AFREM, 1998)

- Coefficient de diffusion des Cl- (NTBuild492)

- Teneur en Ca(OH)2 (LCPC M48)

Les indicateurs de durabilité spécifiques

(Rosière et Cussigh, 2009)

- Résistance aux cycles de gel-dégel (LCPC M22)

- Résistance aux attaques sulfatiques (LCPC M59, Messad 2009)

- Résistance à la carbonatation (NFP18B, AFPC-AFREM, 1998).

- …

Aisément mesurables à partir d’essais de laboratoire reproductibles et selon des modes opératoires

clairement définis



II. Caractérisation des solides poreux : la porosité

Vs = volume du solide

V = volume des vides = vo + vf

Va = volume apparent = vs + v

a

f

f V

v=p

a

oo

V

v=p

Les porosités

fo

a

ppV

vp +==

II.1. Béton, un matériau poreux.

La porosité ouverte + La porosité fermée La porosité totale

Méthode retenue = Porosité accessible à l’eau

Schématisation d’un matériau poreux



II.2. Le protocole (NFP 18 459).

Porosité accessible à l’eau : po

- saturation sous vide 48 heures avec P=25 mBar,

- pesée : msat

- mesure du volume apparent par pesée hydrostatique: Va

- séchage à 105°C : ms

Gamme de mesures : qques % à 25% à 0,1% près,

Mesure très reproductible et répétable,

vo dépend de la phase de saturation,

Autre méthode pour la porosité totale : le broyage.

Dispositif de saturation.a

ssat

a

oo

V

mm

V

vp

−==

Quelques résultats: Gamme de valeurs pour différents bétons.



II.3. Résultats: Etudes sur une béton de pieux.

Chantier: Réhabilitation de la Mosquée Hassan II de Casablanca.

Utilisation: Béton de structure BHP (420 < L < 450kg/m3 dont 5%FS et 5% CV).

Suivi d’étude: LPEE.

Objectif: Autocontrôle de qualité.

Suivi de l’évolution de p0 sur 5 mois d’exécution.

4 échéances (de 7 à 90j).



II.4. Les limites de cet indicateur.



III. Transfert sous gradient de pression : la perméabilité

III.1. Définition de la perméabilité.La perméabilité « k » d’un matériau caractérise son aptitude à se laisser traverser par un fluide sous un gradient de pression.

Bétondx

p

p+dp

q,µ

A

dx

dpA

µ

kq −=

III.2. Loi de Darcy.k est homogène à une aire et s’exprime en m2 dans le SI.k est une caractéristique intrinsèque du matériau.

La loi de Darcy suppose un écoulement laminaire et permanentPas d’interaction fluide / béton (Pb avec l’eau et le CO2 de l’air)

Avec:

q: débit de fluide,

k: perméabilité,

µ: viscosité du fluide percolant,

A: section de l’échantillon,

dp: variation de pression,

dx: épaisseur de l’échantillon.

Perméabilité en m2



III.3. L’essai: Perméamètre Cembureau (Grandubé, 2007).Béton = Matériau « peu perméable » � Utilisation des gaz avec de faibles viscosités pour la

mesure.

Mesure de perméabilité au gaz (dans ce cas O2) sur 3 disques (�15×h5)cm3

Schématisation du dispositif expérimental. Schématisation de la cellule d’essai.

Perméamètre à charge

constante Cembureau.

III.4. Résultats et contraintes.a. Influence de la pression d’essai

A partir d’une pression d’essai (Pe), on mesure le débit du fluide percolant de sortie afin de calculer la perméabilité apparente ka.Or ka dépendante de la pression d’essai � Réalisation d’au moins 3 essais à des Pe différentes.

ka

=2µQ

sP

sL

A Pe

2 −Ps

2

Avec:

ka: perméabilité apparente, Pe: variation de pression,

Qs: débit de sortie, Ps: pression de sortie (Pathm)

µ: viscosité du fluide percolant, L: épaisseur de l’échantillon.

A: section de l’échantillon,



b. La perméabilité et la saturation du matériau.

La perméabilité mesurée dépend aussi de l’état de saturation du matériau.

Etat sec Etat saturé Etat intermédiaire

Influence du préconditionnement (BHP2000)



III.5. Le protocole AFPC AFREM (Grandubé, 2007).

3 éprouvettes (�15×5)cm3

- Gaz : O2, N2, air,- Étanchéité latérale- Suivi des masses :

-6 jours de séchage à 80°C + 1 jour à 20°C en sac étanche: 1ère mesure de perméabilité,-20 jours de séchage à 80°C + 1 jour à 20°C en sac étanche: 2ème mesure de perméabilité,-Séchage à 105°C jusqu’à masse constante: 3ème mesure de perméabilité.

Calcul des taux de saturation après 6 et 26 jours de séchage.Gamme de mesures : 10-20 à 10-15 m²

Quelques résultats.

�� Pour comparer des matériaux, il faut fixer un état de saturation et une pression d’essai



IV.1. Définition de la diffusion A l’échelle microscopique: transfert aléatoire des particules.

A l’échelle macroscopique: transport d’une espèce généré par un gradient de concentration.

Transport d’espèces � de la région de forte concentration vers les régions à concentration plus faible.

IV.2. Loi de Nernst-Planck en conditions saturées : description du transport

de chaque espèce ionique présente dans la solution interstitielle

Diffusion

( ) ( ) ψ grad c RT F n

) (grad γ c c (grad i i

i i i i + + - = D J i

Diffusion Activité Migration

)

MigrationActivité

IV.3. Plusieurs méthodes expérimentales.

Essai en diffusion pure en régime permanent.

Essai en diffusion naturelle en régime transitoire par

immersion (NTB492)

Essai de migration en régime permanent.

Essai de migration en régime transitoire (NTBUILD492)

Cellules de diffusion.

IV. Transfert sous gradient de concentration : la diffusion des ions chlore



IV.4. Migration en régime transitoire (NTBUILD492)Méthode la plus employée à l’heure actuelle.

L’essai se déroule sur un jour.

La DDP appliquée est de 12 à 30V pour un échantillon de (�11×h5)cm3.

Pour la mesure, l’échantillon est rompu par fendage et chaque face obtenue est vaporisée avec une

solution de nitrate d’argent (AgNO3), ce qui permet d’obtenir la profondeur de pénétration des Cl- notée

xd.



IV.5. Corrélations entre coefficient de migration et la porosité.Chantier: Pont Hassan II de Rabat. Période d’essai: 2008-2011

Contexte: Contrôle qualité. Laboratoire: LPEE.

Dans le temps (de 7 à 90j), la diffusivité diminue tandis que la porosité caractérisant le volume global poreux reste stable � Effet de la structuration dans le temps du réseau poreux (variation de l’hydratation de la matrice) avec l’évolution du réseau capillaire, la connectivité, la tortuosité.



V.1. La matrice cimentaire.La poudre de ciment, composé initialement anhydre (CLa poudre de ciment, composé initialement anhydre (C33S, CS, C22S, CS, C33A, CA, C44AF, gypse), réagit en présence d’eau pour AF, gypse), réagit en présence d’eau pour

former des hydrates.former des hydrates.

Par simplification, Ciment Portland + Eau → C-S-H + Ca(OH)2 + CxAHy + …

Portlandite:

- 20 à 25% des hydrates,- Basique: pH >12, - Soluble: 1,2 g/l.

Gel tobermoritique:

- 60 à 70% des hydrates,-Structure résistante,-Structure poreuse.

Aluminates de Calcium

Hydratés

Observation au MEB d’une pâte de ciment:

2- Portlandite

3- EttringiteEcriture des cimentiers:

C = CaO F = Fe2O3

S = SiO2 H = H2O

A = Al2O3 S (barre)=SO3

V. Solubilité des hydrates : la teneur en Portlandite.

Mesure de la perte de masse en fonction de l’élévation de la température et selon les températures

(Leas, 2001): - déshydroxylation des hydrates : Ca(OH)2 � CaO + H2O entre 450°C et 550°C

- décarbonatation de phases.

V.2. Méthode de mesure.

Une des méthodes de détermination expérimentale Une des méthodes de détermination expérimentale �� Analyse Thermique Gravimétrique (ATG) et sa

courbe dérivée (LCPC M48)..

Echantillonnage du béton

�

Poudre (80μm) + séchage à 80°C�



VI. Les indicateurs de durabilité spécifiquesIndicateurs spécifiques associés à une dégradation.

Environnement donné � Dégradation spécifique du matériau.

�

Utilisation d’essai de dégradation accélérée conduisant au même mécanisme pathologique.

�

Plusieurs exemples :

Gel/Dégel Carbonatation Réaction Sulfatique Externe



VII. Conclusion



Les principaux projets en cours

Les indicateurs de durabilité ou comment caractériser la ... · V. Solubilité des hydrates : la...

Documents

Transcript of Les indicateurs de durabilité ou comment caractériser la ... · V. Solubilité des hydrates : la...