Présentation de cas concrets

Colloques les matériaux « intelligents »

Polytech Marseille Luminy – 3 octobre 2017

Investigations en laboratoire en expertise judiciaire

LERM ARLES – 29 novembre 2017

Caractérisation d’un matériau composite ciment verre

3 >

Objectif et Programme de l’étude

MatériauxC

ime

nt

Sa

ble

Pig

me

nt

Po

lym

ère

Ea

u *

Su

pe

rpla

sti

fia

nt

Ac

cé

léra

teu

r

Fib

res

To

tal

Dosage (kg)

Dosage (l)

Composition du matériau

gâché (%)

Composition comparée des matériaux

Caractérisation de la microstructure

4 >

- description et examen macroscopique et mésoscopique à la loupe binoculaire

- examen d'une section polie du matériau en microscopie optique en lumière réfléchie

- détermination de la teneur en zirconium (ZrO2) et approche de la teneur en fibres

- dosage en ciment par la méthode de la silice soluble comprenant :

o la détermination de la teneur en silice soluble

o la détermination de la masse volumique et de la porosité

o la détermination de la proportion de résidu insoluble

- analyse thermogravimétrique

- détermination de la teneur en titane (TiO2) et approche de la teneur en pigment

- observation du matériau au microscope électronique à balayage couplé à l'analyse

qualitative élémentaire par spectrométrie X à dispersion d'énergie. Caractérisation de

la microstructure et recherche d'anomalie

- cartographie de répartition élémentaire par spectrométrie X à dispersion d'énergie

associée au microscope électronique à balayage

Objectif et Programme de l’étude

5 >

Examens macroscopiques et mésoscopiques

Tranche convexe

Tranche concave

6 >

Examens macroscopiques et mésoscopiques

Photographie à la loupe binoculaire. Face inférieure

Aspect du matériau (section polie)

7 >

Examens microscopiques

8 >

Analyses physico-chimiques

Analyse thermogravimétrique couplée à l’analyse thermique différentielle

9 >

Analyses physico-chimiques

Dosage en ciment et

rapport Eeff/C

10 >

Examens au MEB

11 >

Conclusions

Aucune anomalie en ce qui concerne la

composition du matériau

Absence de pathologie en relation avec des

néoformations mais microstructure

hétérogène

Désordres affectant le revêtement de sol d’une usine

agroalimentaire

Cartographie de l’humidité

ha

ute

ur

ap

pro

xim

ati

ve

en

cm

longueur approximative en cm

Cartographie %eau avec approx linéaire des Ncarbures

11-12

10-11

9-10

8-9

7-8

6-7

5-6

4-5

3-4

2-3

1-2

0-1 Fig. 1 : Mesure en surface dans la zone N°3

ha

ute

ur a

pp

ro

xim

ativ

e e

n c

m

longueur approximative en cm

Cartographie %eau avec approx linéaire des Ncarbures

11,0-12,0

10,0-11,0

9,0-10,0

8,0-9,0

7,0-8,0

6,0-7,0

5,0-6,0

4,0-5,0

3,0-4,0

2,0-3,0

1,0-2,0

0,0-1,0

Fig. 2 : Mesure en profondeur dans la zone N° 3

haut

eur a

ppro

xim

ativ

e en

cm

longueur approximative en cm

Cartographie %eau avec approx linéaire des Ncarbures

11-12

10-11

9-10

8-9

7-8

6-7

5-6

4-5

3-4

2-3

1-2

0-1

LEGENDE

Surface

~ 10 cm

Mesure en profondeur

Ten

eu

r en

eau

cro

issan

te

Humidité homogène

en surface sans

rapport avec les

désordres

Gradient

d’humidité

décroissant en

profondeur

0

15 %

Examens à la loupe binoculaire numérique

Comptage des grains

affleurant la surface

Aspect jaunâtre de la résine

Microorganismes en surface

Microscopie électronique à balayage

Support béton exempt

de pathologie notable

Etat de surface

localement microfissuré,

présence d’anfractuosités

Microscopie électronique à balayage

Aspect des filaments organiques

Microscopie électronique à balayage

Aspect général en surface

1 = grain de quartz, 2 = matrice microfissurée en surface

Microscopie électronique à balayage

Aspect de la matrice du béton

1 = C-S-H, 2 = fissure, 3 = ettringite

Etude stratigraphique d’un revêtement de sol scellé (au sens du DTU 52.1) et caractérisation du mortier de joint dit « anti acide »

Recherche de la présence de liants polymériques Identification, état de la structure moléculaire…

Analyse thermiqueProportion de fraction organique, de charges minérales, teneur en eau...

Caractérisation stratigraphiqueIdentification des différentes couches constitutives du complexe (binoculaire et µopt)

Pathologies (MEB)

Caractérisation chimique

Chromatographie ionique (sels,

présence éventuelle d’acides

organiques)

Méthodologie

Photographie à la loupe

binoculaire

Aspect de la stratigraphie

1 = carrelage de surface

2 = mortier colle

3 = décollement

4 = ancien carrelage

5 = joint de carrelage

Microscopie optique

en lumière réfléchie

Lumière naturelle

1 = clinker

2 = grain siliceux

Examens au MEB

Caractérisation de la fraction

polymérique du mortier

Ratio résine/durcisseur

Taux de réticulation

Dans ce cas absence de polymère…..

Analyse thermique

Proportion de fraction organique, taux

charges minérales, eau libre et liée aux

hydrates

1 7 . 0 0 1 7 . 5 0 1 8 . 0 0 1 8 . 5 0 1 9 . 0 0 1 9 . 5 0 2 0 . 0 0 2 0 . 5 0

0

1 0 0 0 0 0

2 0 0 0 0 0

3 0 0 0 0 0

4 0 0 0 0 0

5 0 0 0 0 0

6 0 0 0 0 0

7 0 0 0 0 0

8 0 0 0 0 0

9 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0 0

1 1 0 0 0 0 0

1 2 0 0 0 0 0

1 3 0 0 0 0 0

1 4 0 0 0 0 0

1 5 0 0 0 0 0

1 6 0 0 0 0 0

T i m e - - >

A b u n d a n c e

T I C : [ B S B 1 ] P Y 0 8 0 0 2 . D \ d a t a . m s

T I C : [ B S B 1 ] P Y 0 8 0 0 1 . D \ d a t a . m s ( * )

Caractérisation du mortier de joint dit « anti acide »

Apport des dosages en ciment

dans un contexte expertal

21

Calcul du dosage en liant et du rapport E/C

MICROSTRUCTURE

Identification du liant par

microscopie optique en

lumière réfléchie

Estimation de la teneur en

silice soluble (Sbéton) du liant

ESSAIS PHYSIQUES

Mesure des masses

volumiques réelle (rr) et

apparente (ra)

Mesure de la porosité

accessible à l’eau (mode

opératoire AFREM)

CHIMIE

Dosage de la silice

soluble (sciment) à HCl 1/50ème

Analyse

thermogravimétrique (teneur

en eau liée aux hydrates)

Dosage en ciment = (sciment/Sbéton).ra (en kg/m3)

Eau efficace = (rr – ra) + ra.Eauliée – air occlus – Eauabsorbée granulats

Solution de base : méthode de la silice soluble

Masses volumiques

Masse volumique réelle (kg/m3) 2330

Masse volumique apparente (kg/m3) 2170

Dosage en granulats

Estimation de la quantité de granulats (kg/m3) 1760

Détermination du dosage en ciment

Silice soluble du béton (% massique) 3,61

Silice soluble théorique du ciment (% massique) 24,3

Dosage en ciment (kg/m3 de béton) 320 ± 30

Détermination du dosage en eau de gâchage

Pourcentage d’eau liée (%) 4,4

Quantité d'eau liée du béton (kg/m3) 95

Quantité d'air occlus (kg/m3) 30

Quantité d'eau absorbée par les granulats (kg/m3) 26

Eau efficace de gâchage Eeff (kg/m3) 200

Estimation du rapport Eeff/C

Rapport Eeff/C 0,63 (0,57 à 0,69)

23

Pour aller pour loin : estimation des paramètres de

formulation du béton à l’aide du logiciel Calcul

Minéraux LCPC

CHIMIE COMPLEMENTAIRE

Analyse chimique de la fraction solution du béton

• Permet d’estimer la composition initiale du ciment

• Puis de déterminer la formulation du béton

Avantage : plus précis qu’un dosage en ciment « classique »

Problématiques en lien avec la couleur

25

Béton architectural → défaut d’apparence du parement avec

différences de teintes prononcées en façade

Programme :

• Mesure de couleur au spectrocolorimètre

• Examens macroscopiques

• Examens au microscope électronique à balayage (MEB)

• Dosage chimique Fe, Ca et Si

Couleurs : problématique

26

Couleurs : résultats

RAL CCTP

27

Microstructure plus compacte

Teneurs en pigments (fer) et en

fines calciques (CaO) plus

importantes CaO (% massique) 50,86 48,68

Fe2O3 (% massique) 1,09 0,97

Couleurs : résultats

28

Hypothèse : vibration du béton

→ apparition du spectre des armatures par

résonnance liée à la ségrégation des fines

Couleurs : résultats

Diagnostic corrosion d’un pont en béton armé

OUVRAGE :

Pont sur le Rhône (30)

Pont bipoutre en béton armé

Contexte et objet de l’étude :

Réalisation d’une inspection détaillée faisant apparaitre des pertes de matières

sur les poutres (éclats de béton, nids de cailloux, aciers apparents)

Nécessité de réaliser un diagnostic du béton

Objectifs : Déterminer l’origine des pathologies

Programme technique :

- Détection, positionnement et mesure d’enrobage des armatures par réflectométrie radar (10 zones de mesure)

- Evaluation de l’activité de corrosion (10 zones de mesure)

- Prélèvements par carottage

INVESTIGATIONS SUR SITE

Programme technique :

- Dosage en ciment

- Analyse thermogravimétrique

- Mesure de profondeur de carbonatation

- Mesure de résistance mécanique

- Détermination de la teneur en chlorures libres

ESSAIS ET ANALYSES EN LABORATOIRE

Résultats IS : Enrobage des armatures

Globalement enrobage supérieur à 30 mm

Zone 8

Armatures verticales en âme de poutre

Cartographie d’enrobage

Zone 8

Âme de poutre

Localement enrobage insuffisants (2 zones / 10)

Répartition statistique des armatures

Enrobage (cm) :

Résultats IS : Mesure de probabilité d’activité de corrosion

Absence de probabilité de corrosion active excepté pour 1 zone

Zone 10

Âme de poutre

Cartographie de potentiel

Zone 5

Âme de poutre

1 zone avec probabilité de corrosion active

Corrosion en lien avec une écoulement d’eau sur l’âme de poutre depuis l’encorbellement

Potentiel (mV)

Absence d'activité

de corrosion

Forte probabilité

d'activité de corrosion

Cartographie de potentiel

Zone anodique

Résultats Analyses en laboratoire

setec Lerm

Résultats Analyses en laboratoire

Recherche de pathologie

- Carbonatation faible à l’exception d’une zone où elle atteint 27 mm (en lien avec la présence d’un nid de cailloux)

- Teneurs en chlorures libres faibles

Paramètres de formulation

- Paramètres de formulation corrects vis-à-vis des critères normatifs

Conclusions diagnostic béton

- Etat de conservation du béton satisfaisant

- Corrosion active très localement en lien avec des sous-enrobages, nids de cailloux, fissures

- Corrosion plus probable sur une zone – écoulement d’eau

- Paramètres de formulation corrects vis-à-vis des critères normatifs

- Pas de chlorures

- Carbonatation locale qui peut jouer dans l’initiation de la corrosion

- Préconisation de purge, passivation des aciers et ragréage des bétons

Merci de votre attention !

Contact Experts : dominique.rossini@lerm.setec.fr