Intervenant - date

Plateforme de modélisation en vue de la prédiction de la durée de vie des bétons vis-à-vis de la pénétration d’agents agressifs (CO

2, chlorures)

THIERY M., BAROGHEL-BOUNY V., A. MORANDEAU,X. WANG, B. WANG, Z. ZHANGMAT (Paris)

DANGLA P.Navier (Champ-sur-Marne)

ORCESI A.SOA (Paris)

CREMONA C.Setra

Intervenant - date

Enjeux : prédiction de la durabilité des structures en béton armé (BA)

- Coût de réparation des structures en BA : 50%-100% des dépenses par rapport aux constructions nouvelles (Europe)

- Coût annuel des réparations des structures : équivalent à 10 % du PIB (Europe)

Approches prescriptives : les critères portent sur les moyens (formulation, enrobage, etc.) → innovation limitée (nouveaux liants ?, durée de vie 50 ans, optimisation en terme d’éco-conception, flexibilité des marges de sécurité)

Approche performantielle / outils prédictifs : ↑ durée de vie (100 ans)

Intervenant - date

Approche performantielle / outils prédictifs :-Plus grande souplesse pour faciliter l’emploi de liants respectueux de l’environnement (identification d'indicateurs pertinents)-Lien "Formulation" / "Performances"

Les modèles prédictifs :

Objectif 0 : compréhension des mécanismes de dégradation et identification des paramètres de durabilité par analyse inverse

Objectif 1 : évaluation de la durabilité potentielle durant la phase de conception (formulation d’un béton pour une durabilité pré-définie, qualification d’une formulation, prédiction de la durée de vie)

Objectif 2 : quantification de la durée de vie résiduelle des structures existantes (aide au diagnostic, stratégie de maintenance et de réparation)

Guide AFGCBaroghel-Bouny et al.

Enjeux : prédiction de la durabilité des structures en béton armé (BA)

Approche multi-niveaux

Intervenant - date

Modèles physico-chimiques prédictifs

- Modèles physico-chimiques (pré-requis : connaissance des mécanismes)

Données d’entrée : indicateurs de durabilité (souplesse, accessibilité)Données de sorties : témoins de durée de vie (profils de pénétration et cinétiques de dégradation)

- Cadres déterministes ou probabilistes

Différents niveaux de sophistication(suivant les objectifs, le niveau de précision et les données disponibles)

Recherche de la simplicité avant tout(limitation des données d'entrée et des paramètres à identifier)

Intervenant - date

Identification desdonnées d'entrée(analyse inverse)

Transferts hydriques

Modèles prédictifs(multi-niveaux)

Intervenant - date

Identification desdonnées d'entrée(analyse inverse)

Transferts hydriques

Modèles prédictifs(multi-niveaux)

Intervenant - date

Identification desdonnées d'entrée(analyse inverse)

Transferts hydriques

Modèles prédictifs(multi-niveaux)

Intervenant - date

Alimentation des modèles prédictifs

Intervenant - date

HydratationConstitution de la microstructure

Mise en relation de l’évolution de la composition chimique du matériau (hydratation du clinker et réactions des additions minérales) avec la nano-micro-structuration du matériau

Eau

Grains anhydres de ciment Produits d’hydratation (CH + C-S-H)

Structuration du matériau

Intervenant - date

Développement de modèles semi-analytiques quantifiant les paramètres fondamentaux caractérisant l’hydratation (teneurs en hydrates, degré d’hydratation, etc.) et la microstructure du matériau (porosité)

Teneurs en hydrates Porosité vs. degré d’hydratation

A distinguer des modèles de type « béton numérique »(Description « géométrique »)µic (EPFL)

HydratationConstitution de la microstructure

Intervenant - date

Hydratation → Microstructure → Propriétés de transferts

Microstructure Perméabilité K

HydratationPropriétés de transfert

Degré d'hydratation

[Nguyen, 2009]

Perméa

bilité

Porosité

Intervenant - date

Le béton est un matériau en interactions physico-chimique avec son environnement

- Eau- Ions (Cl-, SO

4

2-, Na+, K+, ...)

- Gaz (CO2)

La quantification des interactions est cruciale pour prédire avec précision la pénétration des agents 

délétères au sein de la microstructure

Interactions physico-chimiques

Intervenant - date

Effet des interactions sur le transport

La nature des interactions joue un rôle fondamental sur la forme du front de pénétration des agents agressifs

[Nilsson, 2010]

Intervenant - date

Eau libre - Eau adsorbée(humidité / finesse de la microstructure) Courbe d’interaction

Vapeur d’eau (HR) - Teneur en eau

Interactions physico-chimiquesEau - matrice

Intervenant - date

- Modélisation du comportement hydrique(adsorption - désorption - cycles)

- Variables : porosité capillaire + degré d’hydratation

HystérésisDésorption - adsorption

Interactions physico-chimiquesEau - matrice

Humidité relative

[Thiery, 2007]

[Nguyen, 2009]

Ten

eur en eau

Intervenant - date

Une partie des ions chlorure est libre et une autre partie est fixée sur la matrice cimentaire (chimiquement et par adsorption)Captage chimique / ralentissement

Interactions physico-chimiquesChlorures – matrice cimentaire

- Isotherme de type « double couche »ou Freundlich

sCl=N CSH f (cCl)+δN C 3A

eq

f(ccl) est une fonction intrinsèque

δ est un paramètre intrinsèque [Wang, 2012]

[Nguyen, 2007]

Intervenant - date

Prédiction de la capacité et de la cinétique de captation en fonction de la formulation du matériau, de la nature des hydrates et de la concentration en CO

2

Spectrométrie de masse

Les mécanismes de carbonatation sont différents suivant la nature des hydrates concernés : CH, C-S-H, AFm, AFt, etc.

Rôle sur le pH

[Thiery, 2011, 2012]

Interactions physico-chimiquesCO

2 - matrice

Intervenant - date

Evolution de la microstructure (porosité) en fonction du niveau de carbonatation des hydrates (CH et C-S-H)

Matériaux à basede ciment CEM I

Matériaux à base de ciment CEM I + additions (CV)

Interactions physico-chimiquesCO

2 - matrice

Lois de comportementpour les modèles

[Thiery, Morandeau, 2011, 2012]

Intervenant - date

Identification desdonnées d'entrée(analyse inverse)

Transferts hydriques

Modèles prédictifs(multi-niveaux)

Intervenant - date

Transferts hydriques

Intervenant - date

Transferts hydriques

Modèle multi-phasiqueEau liquide, vapeur eau, air sec

[Coussy, Baroghel-Bouny, Thiery, 1997-2012]

La séparation des modes de transfert hydrique est essentielle pour quantifier :- transports ioniques (chlorures)- impact du transfert hydrique sur le transport des gaz (CO

2)

Séchage : contribution du flux d'eau liquide par rapport au flux de vapeur d'eau (pâtes de ciment à base de CEM I)

Intervenant - date

Transferts hydriques et hydratation[Thiery, Nguyen, 2009-2012]

Surf

aceH2O

Eau indispensable pour l’hydratation

H2O

H2O

2C3S + 6 H2O → C3S2H3 + 3CH

etc. 2C2S + 4 H2O → C3S2H3 + CH

H2O

H2O

Ciment

H2O

Couplages entre hydratation et séchage à l'issue du décoffrage-Ralentissement des cinétiques d'hydratation-Mûrissement incomplet de la zone d'enrobage-Influence des conditions de cure / thermo-hygrométriques

Défauts de microstructureDurabilité réduite

Plus grande sensibilité des bétons fortement dosés en additions minérales

Intervenant - date

Transferts hydriques et hydratation[Thiery, Nguyen, 2009-2012]

Surf

aceH2OH2O

H2O

Pâtes de ciment soumises en laboratoire à une dessiccation précoce (24 h)E/C= 0.6 / 0.45 / 0.35

Séchage (53% HR)

Prédiction de la durée de cure nécessairepour limiter la dégradation de la durabilité d'un béton « vert »(béton M30CV, CV/C=0,4)

Por

osité

Por

osité

Intervenant - date

Identification desdonnées d'entrée(analyse inverse)

Transferts hydriques

Modèles prédictifs(multi-niveaux)

Intervenant - date

Modèles prédictifs

Intervenant - date

Modélisation carbonatationChimie - Transport

Chimie

- Interactions chimiques en solution aqueuse (homogènes)

- Interactions hétérogènes

+ Réactions chimiques (ions-matrice)

+ Réactions chimiques (entre les phases solides)

⇒ modèle de type « solution solide »

Transports

- Phase gazeuse : vapeur d’eau et air sec

- Phase liquide : eau liquide, espèces ioniques

Transport par électro-diffusion / advection 

Intervenant - date

Réactions chimiques homogènes en solution aqueuse

Carbonatation de la portlandite(cinétique)

Chimie⇒ de fortes non-linéarités

Modèle de solution solideDécalcification des C-S-H

Intervenant - date

Réactions chimiques homogènes en solution aqueuse

Carbonatation de la portlandite(cinétique)

Modèle de solution solideDécalcification des C-S-H

Chimie⇒ de fortes non-linéarités

Alcalins

Intervenant - date

Simulations de la carbonatation atmosphérique (conditions accélérées)

Description correcte de la « chimie » de la solution interstitielle en fonction du niveau de carbonatation des C-S-H

Evolution de l’assemblage minérale en fonction de la concentration en CO2

Pâte de ciment E/C=0.45 CEM I

Intervenant - date

Simulations de la carbonatation atmosphérique (conditions accélérées)

-Profil de teneur en CH à différentes échéances

-Profils de pH à différentes échéances (rôle des alcalins)

Pâte de ciment E/C=0.45 CEM ICarbonatation accélérée (CO2 = 50%)

Intervenant - date

Intervenant - date

Simulations probabilistes de la pénétration de la carbonatation

Abaissement du niveau de raffinement du modèle pour prendre en compte la variabilité des paramètres d’entrée du modèle-Incertitude des données d’entrée du modèle-Variabilité sur la formulation et les conditions de mise en œuvre-Variation stochastique des conditions d’exposition

Objectifs : calcul plus « juste » des marges de sécurité (sur-dimensionnement)

Calcul d’une probabilité de défaillance ou d’un

indice de fiabilité

Intervenant - date

Modèle de carbonatation probabilisé

33

td tw

Drying-wetting cycles not taken into account

Depth ofdrying Xd

Depth ofcarbo. XC

max. depth of drying

Hypothèses- Le séchage progresse plus vite que la carbonatation

- Le front de carbonatation est raide : XC=a√t

- Humidification instantanée (absorption)(tw = durée de chaque phase d'humidification)

- La carbonatation est stoppée quand le béton est humide

- Cinétique de séchage : Xd=d√t(td = durée de la période de séchage)

- Choix d'une humidité relative seuil au delà de laquelle la carbonatation est bloquée HRlim

= 80 %

Intervenant - date

Modèle de carbonatation probabilisé

34

Calcul de l'indice de fiabilité à différentes échéances(bétons du projet SBRI)

C1 : C35/45C2 : C35/45 (30% CV)C3 : C50/60 (20% CV)

-Calcul de l'enrobage optimal

-Comparaison avec EN 1992-1-1 prévoyant E=3,5 cm

-Surdimensionnement pour des bétons avec cendres volantes

Intervenant - date

Intervenant - date

Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions saturées, laboratoire)

-Essai de diffusion-Exploitation du profil à une échéance donnée et une CL fixée-Prédictions à d'autres échéances et/ou des CL différentes

Chlorures totaux

Chlorures libres

Fixation

Wang, 2012

Intervenant - date

Intervenant - date

Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions non-saturées)

« wick-action » testForts couplages entre les transferts hydriques et les mouvements ioniques

Profils de taux de saturation(état hydrique)

Baroghel-Bouny & Thiery, 2011

Intervenant - date

Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions non-saturées)

Profils ioniques à différentes échéances

Accumulation des ions au niveau du front de séchage

35 jours35 jours

4 mois

Baroghel-Bouny & Thiery, 2011

Intervenant - date

Conclusion

•  Plateforme de modélisation et de prédiction de la durée de vie (agressions ioniques + CO2 / transferts hydriques)

•  Multi-phasique, multi-espèces, multi-physiques(cohérence avec l’approche performantielle = souplesse)

•  Différents niveaux de raffinement :- Ingénieurs (modèles probabilistes)- Analyse inverse des données d’entrée- Compréhension des mécanismes

Environnement :bil (langage C, Navier, P. DanglaMatlab (dont ReliabTbx, C. Cremona)