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techniques et méthodes des laboratoires des ponts et chaussées Méthodes d’essai des lpc n°62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie ISSN 1167-489X

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techniques et méthodesdes laboratoires des ponts et chaussées

Méthodes d’essai des lpc n°62

Présentationdes techniques de diagnostic

de l’état d’un bétonsoumis à un incendie

ISSN 1167-489X

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Méthodes d’essai n° 62

Décembre 2005

Laboratoire Central des Ponts et Chaussées58, bd Lefebvre, F 75732 Paris Cedex 15

Présentation des techniques de diagnostic

de l’état d’un béton soumis à un incendie

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Ce document a été rédigé par :

Loïc Divet (LCPC), animateurSylvie Arnaud (LRPC de Lyon),Xavier Derobert (LCPC),Pascal Fasseu (LRPC de Lille),René-Michel Faure (CETU),Catherine Larive (CETU),Bernard Naquin (LRPC de Lyon),Gérard Olivier (LREP, Centre de Melun).

Ce document a également été relu par :

Odile Abraham (LCPC),Mikaël Dierkens (LRPC de Lyon),Bruno Godart (LCPC),Thierry Kretz (LCPC),Brigitte Mahut (LCPC),Gérard Platret (LCPC).

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En couverture : Dégradation du béton du tunnel sous la Manche après l’incendie du 18 novembre 1996.

Ce document est propriété du Laboratoire Central des Ponts et Chaussées et ne peut être reproduit, même partiellement, sans l’autorisation de son Directeur général

(ou de ses représentants autorisés)

© 2005 - LCPCISSN 1167-489X

ISBN 2-7208-0423-1

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Présentation 5

Généralités 7La démarche de diagnostic 9

Évolution des propriétés des bétons avec la température 10

Observations et mesures in situ 15Méthode 62.1 Inspection de l’ouvrage 17

Méthode 62.2 Essai de dureté de surface au scléromètre 21

Méthode 62.3 Auscultation sonique 25

Méthodes d’essai de laboratoire 37Méthode 62.4 Le prélèvement de carottes in situ 39

Méthode 62.5 Simulation de l’incendie par échauffement du bétonen laboratoire 43

Méthode 62.6 Caractérisation du béton par profil sonique 47

Méthode 62.7 Détermination du profil de module d’élasticité dans dubéton durci par la méthode de fréquence de résonance 55

Méthode 62.8 Estimation des températures atteintes dans les bétons par microscopie électronique à balayage 61

Méthode 62.9 Estimation des températures atteintes dans les bétons par analyses thermiques 69

Méthode 62.10 Estimation des températures atteintes dans les bétons par diffractométrie des rayons X 77

Partie 3

Partie 1

Partie 2

Sommaire

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Retour d’expériences sur d’autres méthodes 85Méthode 62.11 La réfraction des ondes de compression 87

Méthode 62.12 La méthode radar 91

Méthode 62.13 Traitement d’image appliqué à un faïençage de parementde béton après un incendie 95

Méthode 62.14 La colorimétrie des bétons 99

Méthode 62.15 Forages destructifs avec enregistrement des paramètrespour la détermination de la profondeur de béton endommagé après un incendie 103

Méthode 62.16 Évaluation de l’échauffement du béton par thermoluminescence 107

Méthode 62.17 Les ondes de surface (Masw, Park et al., 1999) 109

Méthode 62.18 La méthode MASW (Modal Analysis of Surface Waves) 111

Partie 4

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Présentation

Les dégradations de béton par incendie sont relativement rares pour les ouvrages d'art etaffectent davantage les bâtiments. Il existe néanmoins quelques cas d'incendie de camionssous des ponts en béton qui ont provoqué un endommagement significatif du matériau. Onpeut également citer cinq incendies importants dans les tunnels (tunnel sous la Manche -1996, tunnel du Mont-Blanc - 1999, tunnel de Tauern en Autriche - 1999, tunnel duGothard en Suisse - 2001, tunnel de Fréjus - 2005).L'évaluation précise des caractéristiques du béton des parties d'ouvrage restant aprèsincendie constitue évidemment un préalable indispensable à toute ébauche de projet deréparation. Dans ces conditions, il est nécessaire de pouvoir évaluer les caractéristiquesmécaniques résiduelles du béton ainsi que de connaître la profondeur de l'endommagementdans le but d'optimiser les travaux de réparation.Lors de nombreuses missions d'expertise et au cours de travaux de recherche, le réseau desLaboratoires des Ponts et Chaussées ainsi que le Centre d'Études des Tunnels (CETU) ontacquis des connaissances et des compétences dans le diagnostic de l'état d'un béton soumisà un incendie. Par ailleurs, les Laboratoires des Ponts et Chaussées disposent d'unepanoplie complète de méthodes pertinentes de mesure et d'essais de terrain et delaboratoire.Le présent recueil a pour objectif d'établir les capacités et les limites des méthodes dediagnostic de l'état d'un béton soumis à un incendie. Mais, dans le cas d'une structureincendiée, il est aussi fondamental de s'intéresser à l'état des aciers car ceux-ci sont trèssensibles à la chaleur. Ce recueil est destiné aux donneurs d'ordre pour les aider à formulerleur demande d'études ainsi qu'aux techniciens (futurs utilisateurs de ces méthodes,laboratoires souhaitant s'équiper, etc.). Ce document est structuré en quatre parties :

Partie 1 : Généralités.Partie 2 : Observations et mesures in situ.Partie 3 : Méthodes d’essai de laboratoire.Partie 4 : Retour d'expériences sur d'autres méthodes.

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La partie 1 rappelle quelques généralités sur l'évolution du matériau béton sous l'effetde la température (microstructure, propriétés mécaniques, déformation thermique etdégradation par écaillage ou éclatement) et donne des notions sur la démarche à mettre enœuvre pour réaliser un diagnostic fiable et pertinent.

La partie 2 concerne les observations et les mesures que l'on peut effectuer in situ(essai de dureté de surface au scléromètre et auscultation sonique).

La partie 3 rassemble les méthodes de mesure et d'essais de laboratoire disponibles dansle réseau des Laboratoires des Ponts et Chaussées et pour lesquelles il existe une longueexpérience. L'évaluation de l'endommagement du béton se fait par la détermination descaractéristiques du béton par profil sonique et par la mesure du module d'élasticité à l'aidede la méthode de fréquence de résonance. Les températures maximales atteintes dans lebéton et le profil de diffusion de la chaleur peuvent être estimés par trois méthodes : lamicroscopie électronique à balayage, l'analyse thermique et la diffractométrie desrayons X.

La partie 4 présente certaines méthodes de mesure et d'essai en cours dedéveloppement, mais qui paraissent prometteuses (réfraction des ondes de compression,méthode radar, analyse d'images, colorimétrie, forage avec enregistrement des paramètres,thermoluminescence, ondes de surface et méthodes MASW).

Enfin, il est apparu opportun de faire apparaître, pour chacune des méthodes décrites, lescoordonnées des interlocuteurs du réseau du Laboratoire des Ponts et Chaussées ainsi quedu CETU susceptibles de renseigner efficacement les personnes intéressées.

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Partie 1Généralités

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PARTIE 1 - GÉNÉRALITÉS

LA DÉMARCHE DE DIAGNOSTIC

Les qualités de résistance mécanique, de facilité d'utilisation et de durabilité font dubéton un matériau de construction par excellence. Une autre de ses propriétés non moinsappréciable est son excellente tenue au feu ce qui, par exemple, conduit à le préférer àtout autre matériau dans la construction d'immeubles de grande hauteur. Excellente nesignifie pas pour autant totale. Soumis à un incendie, le béton se dégrade régulièrementde l'extérieur vers le cœur pendant toute la durée de l'échauffement. Cependant, ceprocessus de dégradation est suffisamment lent et progressif pour permettre un maintiende la stabilité des structures pendant un laps de temps le plus souvent suffisant àl'évacuation des personnes, mais aussi, pour permettre de retrouver après extinction del'incendie un ouvrage endommagé mais réparable.Cette réparation doit être précédée d'une phase d'étude comprenant une expertise de lastructure en place. L'objectif de cette investigation est d'établir un relevé quantitatif desdégâts occasionnés par l'incendie en termes de surface atteinte, de profondeurd'altération (éclatement, écaillage, fissuration, modifications physico-chimiques, etc.) etde déformations. Un recensement des autres dommages (équipements, superstructures,etc.) doit être réalisé. Des informations en termes de diminution des caractéristiques(module d'élasticité, résistance mécanique) des matériaux restés en place doiventégalement être apportées ce qui est plus complexe. Ces informations sont notammentdéterminantes pour définir d'une part, l'épaisseur de béton à dégager et, d'autre part, lestechniques à mettre en œuvre pour reconstituer le béton disparu. Il s'agit d'élémentsd'information qui conditionnent directement les délais et le coût des travaux.La difficulté pour les intervenants dans ce type d'expertise est de mettre au point rapidementun programme pertinent d'investigations sur le terrain et sur échantillons en laboratoire. Cesinvestigations mettent en œuvre des méthodes souvent peu courantes et complexes menéespar des spécialistes d'horizons variés. Le choix des différentes prestations est conditionnéessentiellement par l'ampleur du sinistre, l'importance de l'ouvrage mais aussi, le plussouvent, par les délais disponibles. Intervient également la nécessité de recouper et decalibrer les résultats donnés par certaines méthodes d'essai indirectes.Avant toute autre opération, il est indispensable de procéder à une inspection détaillée del'ouvrage incendié. Celle-ci aura pour objet de relever et de quantifier les dégâts apparentsaffectant la structure. Elle permet d'évaluer l'étendue des désordres. C'est aussi à partirdes résultats de cette inspection et, en particulier d'un classement en zones d'égal niveaude dégradations, que l'on pourra décider du choix, du nombre et de la localisation desautres investigations à mener, directement sur le site mais également en laboratoire surles prélèvements qui seront effectués par carottage sur la structure. Pour ce qui concerne les mesures in situ, et notamment dans le cas de dégâts de grandeampleur, les essais non destructifs sont à privilégier grâce à leur facilité de mise en œuvreet à leur cadence élevée. Parmi ceux-ci, deux méthodes sont intéressantes : la mesure dedureté superficielle au scléromètre et l'auscultation sonique.La sclérométrie ne requiert qu'un matériel léger et sa mise en œuvre est rapide et simple.Elle nécessite toutefois d'être menée avec beaucoup de soin et dans le strict respect desprocédures (préparation des surfaces notamment) afin de fournir des données fiables etexploitables. Les inconvénients de cette méthode sont la faible profondeur investiguée etla sensibilité à l'état de surface.L'auscultation sonique exige un matériel plus sophistiqué et une plus grande expériencedans la pratique de la mesure et dans l'interprétation de ses résultats. Les cadences demesure sont plus faibles, mais les résultats obtenus sont plus fiables. Par ailleurs, laprofondeur d'investigation est plus grande et les données restituées plus diverses(hétérogénéités, délaminages, profondeur des fissures, etc.).

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D'autres campagnes de mesures in situ complémentaires renseigneront sur la profondeurd'altération du béton comme par exemple des forages destructifs avec enregistrement desparamètres de forage, des reconnaissances au radar géotechnique ou des mesures soniques parondes de surface. Des recoupements d'autres essais peuvent également, dans certains cas,être apportés par le traitement numérique des images des parements incendiés.Les investigations in situ peuvent ensuite être complétées par une étude en laboratoire surdes prélèvements carottés. Cette étude comprend une campagne d'essais mécaniquesclassiques de détermination de la résistance à la compression et à la traction, de mesure de moduled'élasticité et de vitesse du son. Ces essais standards permettent, entre autres, de valider et decalibrer les mesures non destructives sur ouvrage. Ces essais portent sur des éprouvettes dedimension d'élancement deux qui ne permettent cependant pas de caractériser finement lavariation de dégradation suivant la profondeur. Pour cela, on peut recourir à deux méthodesde mesure : le relevé de profils soniques sur carottes ou la détermination de profils de moduled'élasticité par la mesure de fréquence de résonance sur disques minces découpés dans lescarottes.Enfin, à ces essais de base peuvent s'ajouter des examens plus approfondis apportant desinformations complémentaires (températures atteintes à différentes profondeurs del'ouvrage, comportement du béton et de ses constituants à la chaleur, composition ethomogénéité du béton initial, etc.) mais utiles par la redondance des renseignementsfournis. Ceci permet alors de confirmer les résultats d'autres essais ou d'en éliminer lesartefacts. Les méthodes disponibles à cette fin sont nombreuses et variées : simulation del'incendie par échauffement en laboratoire, analyses chimiques et pétrographiques, examen aumicroscope électronique à balayage, analyses thermiques, diffractométrie des rayons X, étude parthermoluminescence ou colorimétrie. Certaines de ces méthodes peuvent cependant serévéler inadaptées au béton à étudier. De plus, leur délai d'exécution est en général assezimportant. La stratégie de leur choix est donc fonction des circonstances et des nécessitésparticulières du chantier. Elle implique donc une concertation étroite entre les différentsacteurs du projet.

ÉVOLUTION DES PROPRIÉTÉS DES BÉTONSAVEC LA TEMPÉRATURE

L'élévation de la température du béton entraîne un certain nombre de transformationsphysico-chimiques et microstructurales qui vont alors conduire à un changement despropriétés mécaniques et de transfert. Dans les pages suivantes, nous allons présenter lesprincipales évolutions des propriétés du béton sous l'effet de la température.

1. Effets sur la microstructure

Au cours d'une élévation de température, les différentes catégories d'eau du béton (eaulibre, eau liée) sont successivement éliminées en fonction de leur énergie de liaison. Demême, les granulats peuvent subir des transformations en fonction de la nature desminéraux constitutifs. Les principales réactions physico-chimiques dans le béton au coursde son échauffement sont regroupées dans le tableau I.

Ces transformations physico-chimiques, en particulier le départ de l'eau chimiquementliée, se traduisent par une augmentation considérable de la porosité du béton (Fig. 1 etFig. 2) qui entraîne alors un changement des propriétés mécaniques du matériau ainsique de ses propriétés de transfert.

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PARTIE 1 - GÉNÉRALITÉS

TABLEAU ILes principales réactions physico-chimiques dans le béton en fonction de la température

Température Phénomène

Jusqu'à 80 °C Départ de l'eau libre.

À partir de 80 °C Une partie de l'eau adsorbée s'échappe du béton. Début de la perte de l'eau de constitution de certains hydrates (notamment l'ettringite). L'eau liée chimiquement commence donc à s'évaporer du béton.

Jusqu'à environ 300 °C Première étape de déshydratation des silicates de calcium hydratés (C-S-H).

Entre 450 et 550 °C Décomposition de la portlandite en chaux libre selon la réaction : Ca(OH)2 ⇒ CaO + H2O.

573 °C Transformation allotropique du quartz α en quartz β accompagnée d'un phénomène de dilatation (fissuration des granulats siliceux).

600 - 700 °C Décomposition des phases C-S-H et formation de β-C2S. Il s'agit de la deuxième étape de déshydratation des C-S-H qui produit une nouvelle forme desilicates bicalciques (C2S).

700 - 900 °C Le carbonate de calcium se décompose en libérant de la chaux : CaCO3 ⇒ CaO + CO2 (décomposition des calcaires).

À partir de 1100 - 1200 °C Formation de wollastonite β (CaO.SiO2). Début de la fusion de certains agrégats et de la pâte de ciment. Remplacement au cours de l'échauffement des liaisons hydrauliques par des liaisons céramiques (phénomène de frittage).

Figure 1 Aspect normal d’une pâte de ciment n’ayant passubi d’échauffement.(Image obtenue par microscopie électronique à balayage avec un grossissement de 400).

Figure 2Matrice cimentaire vitreuse présentant une macro-porosité très importante. Ce phénomène se produitau-delà de 1000 °C et provient de la fusion puis durefroidissement de la pâte de ciment.(Image obtenue par microscopie électronique àbalayage avec un grossissement de 150).

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Après refroidissement du béton, certaines phases minérales de la pâte de ciment, tellesque la chaux vive (CaO) ou l'anhydrite (CaSO4) peuvent se réhydrater lors d'un apportd'eau et produire éventuellement un gonflement.

2. Évolution des propriétés mécaniques

La résistance en compression après échauffement dépend de la composition du béton(nature de ses constituants, teneur en eau, porosité), de son âge, des formes et dimensionsdes éléments de structure et de l'état de contrainte du béton lors de l'incendie. La vitessede montée en température et le temps de chauffe ont aussi une influence sur la résistanceen compression.

D'une manière générale, on observe (Fig. 3) une chute significative de la résistance encompression autour de 200 °C qui peut être attribuée à une modification de la structuredu béton (due aux différents coefficients de dilatation thermique, à l'augmentation de laporosité et à l'apparition de microfissures).

0

10

20

30

40

50

0 200 400 600 800 1000

Résistance à la compression (MPa)

Béton de la zone IBéton de la zone II

Température (°C)

Figure 3Évolution de la résistance en compression desbétons du tunnel du Mont-Blanc en fonction de latempérature (cf. fiche simulation de l’incendie paréchauffement du béton en laboratoire).

Enfin, de nombreuses études ont également montré une diminution graduelle du moduleélastique et de la résistance en traction avec la température (cf. fiche simulation del'incendie par échauffement du béton en laboratoire).

3. Déformation thermique

La déformation totale d'une éprouvette de béton non chargée lors d'une élévation de latempérature est due :

à l'expansion thermique des différents constituants du béton ;au retrait du béton lié à l'évaporation de l'eau libre ;aux transformations chimiques ;aux fissurations ;à la détérioration physique des divers constituants.

4. Phénomène d'écaillage et d'éclatement du béton

La dégradation des bétons se caractérise par le détachement d'écailles d'une épaisseurallant de quelques millimètres à quelques centimètres ou bien par l'éclatement d'éléments

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PARTIE 1 - GÉNÉRALITÉS

de structure (Fig. 4). Ce comportement est fonction de la sollicitation thermique (vitessed'échauffement et température atteinte), de la forme de l'élément, de la densitéd'armatures et de la porosité du béton.

Figure 4 Dégradation du béton du tunnel du Mont-Blancaprès l’incendie du 24 mars 1999.

Les deux grands processus contribuant à la dégradation du béton lors d'une sollicitationthermique sont associés d'une part aux gradients de dilatation thermique dans l'élément(appelé processus thermomécanique), d'autre part à l'établissement de gradients depression de vapeur dans le réseau poreux (appelé processus thermohydrique). Cesprocessus sont contrôlés par les propriétés et caractéristiques microstructurales dumatériau. Ainsi, l'éclatement est le résultat de processus chimiques, thermiques,hydriques et mécaniques couplés par le biais des caractéristiques microstructurales, cesdernières évoluant au cours de la sollicitation thermique.

4.1. Dilatations thermiques différentiellesLe processus thermomécanique est directement associé à l'établissement d'un champ detempérature dans l'élément. Le gradient de température induit dans l'élément ungradient de dilatation thermique : la face chauffée subit une dilatation plus grande que laface froide, ce qui génère des composantes de cisaillement et de traction. Le gradient esttrès important au voisinage de la surface chauffée.

4.2. Gradients de pression de vapeur dans le réseau poreuxLe processus thermohydrique est associé aux mouvements d'eau sous forme liquide etvapeur dans le réseau poreux. Cette eau est celle présente initialement dans le réseauporeux, mais aussi celle provenant de la déshydratation de la matrice cimentaire.

Lorsque la température augmente, l'eau qui se trouve dans le matériau (sous forme libreou liée) s'évapore. Une partie de cette eau vaporisée s'évacue vers la surface chauffée, une

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autre migre vers l'intérieur (où la température est encore faible) et se condense. Elle formeainsi une zone quasi-saturée qui joue le rôle d'une membrane étanche à la vapeur d'eau.C'est à proximité de cette zone que la pression atteint son maximum, induit descontraintes importantes, ce qui conduit à un écaillage du béton.

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Partie 2Observationset mesures in situ

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PARTIE 2 - OBSERVATIONS ET MESURES IN SITU - MÉTHODE 62.1

INSPECTION DE L’OUVRAGE

OBJECTIF

L'objectif de l'inspection d'un ouvrage en béton ayant été soumis aux effets d'un incendieest de relever et de classer l'étendue, l'intensité et le type des dégâts apparents subis parles différentes parties de l'ouvrage.

PRINCIPE

Après un incendie, la quantité de débris et le noircissement de la structure peuventdonner une impression exagérée de la gravité des dégradations, notamment dans le casd'un incendie violent. À l'inverse, lorsque la température atteinte n'a pas été élevée maiss'est maintenue longtemps, la profondeur d'endommagement peut être sous-estimée.

Dès qu'il est possible d'accéder sur le site, il est important de pouvoir évaluer le niveaud'endommagement de la structure pour s'assurer de la sécurité de sa stabilité et dedéterminer la suite à donner au sinistre : démolition partielle ou totale, confortation etréparation. Le diagnostic nécessite une évaluation aussi précise et exhaustive quepossible du niveau de la perte de la résistance mécanique du béton, de l'état résiduel desarmatures et de la profondeur d'endommagement. La procédure mise en œuvrecomprend en premier lieu une inspection visuelle détaillée de l'ouvrage qui conduiraensuite à fixer le programme d'essais non destructif in situ ainsi que des prélèvements etanalyses d'échantillons.

Selon la durée de l'incendie, les dégâts apparents sur un élément en béton prennentsuccessivement les aspects suivants :

un écaillage superficiel de profondeur centimétrique se propageant plus ou moinsprofondément jusqu'aux armatures ;

une chute des caractéristiques mécaniques des armatures de surface, leur dilatation etses conséquences : perte d'adhérence et éclatement du béton d'enrobage ;

une décohésion généralisée du béton et la ruine totale de l'ouvrage.

Avant que les premiers dégâts visibles n'apparaissent, l'échauffement du béton luioccasionne des transformations physico-chimiques délétères. L'eau libre se vaporise,créant ainsi des surpressions internes, la portlandite se décompose en chaux qui serapotentiellement expansive à terme, les hydrates de calcium de la phase liant sedécomposent et font ainsi chuter la résistance mécanique du béton, les granulats calcairesse décarbonatent ce qui entraîne leur désagrégation.

MÉTHODOLOGIE

L'examen d'un ouvrage en béton affecté par un incendie révèle en général la présenced'une multitude de faciès de dégradation, ceux-ci pouvant s'étager depuis l'absence totale

MÉTHODE

62.1

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de dégradations visibles jusqu'à la disparition totale du béton. Afin de faciliterl'interprétation des investigations et d'en rationaliser la mise en œuvre, il est nécessaired'établir un recensement exhaustif des différentes zones dégradées de l'ouvrage et de lesclasser selon des critères objectifs prédéfinis. Le tableau II propose des éléments declassement pour une poutre en béton armée mais ceux-ci sont transposables à d'autrestypes de structure (poteaux, voiles, dalles, etc.).

Il est souhaitable que l'intervention sur le site soit préparée à l'avance en réunissant et enexaminant les données disponibles sur l'ouvrage : plans de coffrage, de ferraillage, decâblage, inspections antérieures, nature des bétons ainsi que toutes informations utilesconcernant l'incendie lui-même : durée, nature des matières enflammées, moded'extinction, etc. Une visite préliminaire du site peut être également utile afind'appréhender les sujétions d'accès et de sécurité de l'inspection proprement dite. Lessupports d'examen sont aussi à préparer à l'avance, ceux-ci peuvent être constitués pardes copies de fonds de plans d'origine ou des schémas type des différentes parties del'ouvrage.

Les éléments à relever et à positionner sur le support d'examen sont, par ordre croissantde gravité :

Dépôts de suies ;Zones de coloration, couleurs ; Écaillage : profondeur moyenne et maximale, étendue relative ;Fissures : faciès, orientation, densité, ouvertures moyenne et maximale ;Zones de béton sans cohésion ou/et désolidarisé du cœur (repérage au marteau) -

profondeur moyenne et maximale ;Zone d'armatures apparentes : profondeur moyenne et maximale, étendue relative,

état des armatures ; Perte totale de béton : profondeur moyenne et maximale, présence et état des

armatures ;Déformations rémanentes.

Ces relevés seront complétés par des clichés photographiques d'ensemble et de détail(placer un repère d'échelle dans le champ de prise de vue).

D'autres informations peuvent être collectées lors de la visite d'inspection, en particuliercelles se rapportant à la nature du béton (type et origine des granulats, type de ferraillage,position des sources d'incendie, etc.). Les schémas du tableau II illustrent les différents faciès de dégradation et proposent unindice de classement en terme de gravité. Les figures 5a - 5b, 6 et 7 montrent quelquesexemples de faciès.

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PARTIE 2 - OBSERVATIONS ET MESURES IN SITU - MÉTHODE 62.1

Classe dedésordres

Vue enélévationd’une poutresous dalle

Coupe

Désordresobservés

Aucun.État de référencede béton sain

Dépôts de suies,coloration,traces demicrofissuresnon orientées (faïençage)

Écaillage superficiel(0 à 10 mm)(figures 1 et 2).Fissures nettes etorientées (> 0,5 mm)

Disparition dubéton d’enrobage.(fig. 3).Les armaturessont visibles.Le béton sous-jacentest légèrementfeuilleté.

Les armatures sonttotalement dégagéeset présentent desdéformationsplastiques.Une forte épaisseurde béton a disparuou est feuilletéeet a perdusa cohésion(figure 4)

TABLEAU IIClassification des dégradations d’ouvrage en béton par incendie

Figures 5a et 5b Exemples de désordres de classe 2 sur une voûtede tunnel : écaillage superficiel partiel, vuegénérale et détail.

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Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

Figure 6Exemple de désordres de classe 4. Les armatures sont totalement dégagées et retiennent des éclats de béton en feuillets.La perte de l’épaisseur de béton atteint localement 50 %.

Figure 7Exemple de désordres de classe 3 .Disparition du béton d’enrobage des armatureselles-mêmes plus ou moins affaiblies.

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PARTIE 2 - OBSERVATIONS ET MESURES IN SITU - MÉTHODE 62.2

21

ESSAI DE DURETÉ DE SURFACEAU SCLÉROMÈTRE

OBJET DE LA MESURE ET DOMAINE D'APPLICATION

Sous l'effet d'un incendie, le béton perdant ses caractéristiques mécaniques, la mesure dela dureté de la surface d'un parement varie lorsque le béton a dépassé en surface unecertaine température.

Les mesures sur l'ensemble d'une zone permettront donc de délimiter des zones de bétonà réparer pour garder une homogénéité du parement.

Cet essai repose sur la norme NF EN 12504-2 [1] qui spécifie une méthode permettant dedéterminer l'indice de rebondissement d'une surface de béton durci, à l'aide d'un marteauen acier projeté par ressort.

Cette méthode n'a pas été conçue pour des bétons dont la résistance en compressiondépasse 70 MPa. Néanmoins, elle peut être utilisée dans le cadre de mesurescomparatives au-delà de cette valeur.

PRINCIPE

Une masse propulsée par un ressort projette une tige de percussion au contact de lasurface. Le résultat de l'essai est exprimé par la mesure de la distance de rebondissementde la tige. Cette distance est d'autant plus grande que la dureté de surface est élevée.

L'indice sclérométrique Ism est l'indication fournie par un scléromètre correspondant àcette distance de rebondissement.

APPAREIL

L'appareil utilisé est un scléromètre Schmidt modèle N standard qui permet de faire desmesures sur des bétons dont les résistances sont comprises entre 10 et 70 MPa (Fig. 8).

Il existe deux autres types de scléromètre :le premier de type P pour des produits dont les résistances sont comprises entre 5 et

25 MPa (revêtements, enduits) ;le second de type PT pour des produits (plâtre, mousse ou béton jeune) dont les

résistances sont comprises entre 0,5 et 5 MPa.

MÉTHODE

62.2

Page 25: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

MÉTHODOLOGIE

L'essai de la mesure de la dureté de surface à l'aide d'un scléromètre se déroule selon troisétapes :

1. Vérification du bon fonctionnement de l'appareil.

2. Établissement de la valeur de référence du béton avant qu'il ne subisse un incendie.

3. Exécution de l'essai suivant le mode opératoire et établissement de la cartographie dela zone de béton altéré.

1. Vérification du bon fonctionnement de l'appareil

La vérification du bon fonctionnement de l'appareil est effectuée sur une enclume en acierd'une dureté minimale de 52 HRC et d'une masse de 16 ± 1 kg et d'un diamètre d'environ150 mm.

2. Établissement de la valeur de référence

Des mesures seront réalisées sur des parties de l'ouvrage situées de part et d'autre del'incendie et ayant été coulées avec un béton identique.

La valeur médiane de ces mesures servira de référence pour l'indice sclérométriqueauquel seront comparées les valeurs mesurées sur les zones ayant subi l'incendie.

3. Mode opératoire

Les essais seront réalisés suivant des lignes s'éloignant du centre des zones visuellementdégradées par l'incendie.

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

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Figure 8Mesures sclérométriques avec un enregistreur.

Page 26: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 2 - OBSERVATIONS ET MESURES IN SITU - MÉTHODE 62.2

Chaque point fera l'objet de neuf mesures. C'est la valeur médiane qui constituera lerésultat pour ce point.

L'espacement entre les points de mesure sera d'environ 0,20 m. Cet espacement pourraêtre adapté suivant le degré et l'étendue des désordres.

À noter que si des essais doivent être réalisés sur une surface talochée, il conviendra demeuler, avec une pierre prévue à cet effet, le béton, avant de faire des mesures.

EXPLOITATION DES RÉSULTATS

Le résultat de l'essai est la valeur médiane de l'ensemble des neuf mesures réalisées surune zone. Ces valeurs peuvent être corrigées afin de prendre en compte l'orientation dumarteau conformément aux instructions données par le fabricant. La valeur médiane estexprimée sous forme de nombre entier. Si plus de 20 % de l'ensemble des lectureseffectuées sur une zone d'essai diffèrent de la valeur médiane de plus de six unités,l'ensemble des mesures doit être écarté.

L'ensemble des résultats permet de délimiter la zone altérée par l'incendie, zone où lesrésultats sont inférieurs à l'indice Ism de référence. De plus, il est possible de tracer descourbes d'iso-dureté à l'aide des différentes mesures Ism (Fig. 9).

23

Zone 1

Zone 2

Points de mesure Ism

Zone�visuellement�

dégradée

Limite de la�zone dégradée

Lignes de mesures

Zone 1 : Ism inférieur à Ism référence�Zone 2 : Ism égal à Ism référence

EXEMPLE D'UTILISATION DE LA MÉTHODE

Un exemple d'application est donné lors du diagnostic du béton de revêtement à la suitede l'incendie du tunnel sous la Manche en 1996 [2]. De nombreuses mesures ont étéeffectuées à l'aide du scléromètre sur les zones incendiées ainsi que de part et d'autres enzones saines. Des carottages et des essais de compression sur carotte ont parallèlementété réalisés dans ces mêmes zones. Les résultats de l'indice scléromètrique ont été ensuiteexprimés en résistance du béton après un étalonnage fiable.

Les zones 3 et 4 sont les zones les plus dégradées où la perte d'épaisseur du revêtementvarie de 50 à 90 %. Les zones 2 et 5 sont moyennement dégradées pour lesquelles la perte

Figure 9Schéma d’implantation des mesures.

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d'épaisseur du béton se situe entre 20 et 50 %. Les zones 1 et 6 ne présentent qu'unedégradation superficielle (perte d'épaisseur < 5 %). Le tableau III résume les résultats desmesures obtenues dans les différentes zones du tunnel sous la Manche.

TABLEAU IIIIncendie du tunnel sous la Manche.Mesures in situ au scléromètre et résistances à la compression sur carottes

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

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Zones incendiées Résistance estimée Résistance mesuréeau scléromètre sur carotte

Zones 1 à 6 : faiblement dégradées et saines 81,5 MPa 86 MPa

Zones 2 à 5 : moyennement dégradées 74,4 MPa 84,8 MPa

Zones 3 et 4 : fortement dégradées 59,3 MPa 74,4 MPa

On constate que les résistances mécaniques diminuent sensiblement avec l'intensité desdégradations, mais ce phénomène est plus accentué avec les mesures au scléromètre. Cecis'explique par le fait que les mesures sclérométriques caractérisent l'état de surface dubéton (altéré ici par l'incendie) alors que les essais de compression sont réalisés sur toutela profondeur du voussoir comportant une partie non soumise à un échauffement.

L'intérêt de la campagne de mesure de dureté de surface est donc de faciliter lalocalisation des zones de faible qualité résiduelle de surface. Elle permet alors dedéterminer rapidement les zones à réparer grâce à la possibilité de cadences élevées demesure in situ. Néanmoins, des essais sur carottes sont indispensables pour valider lesmesures au scléromètre afin de vérifier entre autres le caractère superficiel des désordresdans les zones altérées.

RÉPÉTABILITÉ DE LA MESURE AU SCLÉROMÈTRE

Des essais de répétabilité ont été menés sur une dalle en béton armé. La mesure auscléromètre a été réalisée dix fois par le même opérateur dans une même zone de la dalle.Pour un indice sclérométrique moyen de 30, l'écart type est alors de 5.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] Norme NF EN 12504-2, Essais pour béton dans les structures - Partie 2 : essais non destructifs -Détermination de l'indice de rebondissement, 2003.

[2] DEMORIEUX J.-M., L'incendie du tunnel sous la Manche - Diagnostic des dommages et inventaire desdonnées nécessaires à la mise au point du projet de réparations, Annales du bâtiment et des travauxpublics, pp. 43-65, septembre 1998.

CONTACT

Gérard OLIVIER 01 60 56 64 75 [email protected]

LRPC de l'Est Parisien - Centre de Melun

Fax : 01 60 56 64 01

Page 28: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 2 - OBSERVATIONS ET MESURES IN SITU - MÉTHODE 62.3

AUSCULTATION SONIQUE

OBJET DE LA MESURE ET DOMAINE D'APPLICATION

L'objectif de ces essais et mesures est d'obtenir le maximum d'informations sur la qualitédes bétons soumis à une élévation de température par les méthodes non destructivesd'auscultation sonique telles que décrites dans les normes NF P 18-418 [1] de 1989 etEN 12504-4 de 2005 [2], complétées par des essais mécaniques classiques.

Les paramètres mesurés sont la vitesse et l'atténuation sonique des ondes de compression(ondes longitudinales) se propageant dans le béton.

Ces méthodes sont applicables aux contrôles non destructifs par ultrasons [3 à 8]. Ellespermettent de déterminer des caractéristiques mécaniques du milieu ausculté et d'enapprécier l'homogénéité (en détectant des vides, délaminages et micro-fissurations), decaractériser un béton dont le rapport E/C est incorrect, ou ayant subi une modificationstructurelle (cas des bétons gelés ou incendiés).

Les mesures sont réalisées in situ comparativement sur zone saine et sur zone incendiéeet en laboratoire sur des carottes prélevées dans ces zones. Les informations collectéespermettent de dresser une cartographie de l'étendue du sinistre sur l'ouvrage et d'endéterminer la gravité et la profondeur affectée.

PRINCIPE

La vitesse sonique et l'atténuation sont deux paramètres qui permettent d'obtenir uneinformation qualitative sur le matériau et sur la structure. La vitesse sonique des ondeslongitudinales est en relation avec le module d'élasticité et la résistance à la compressionaprès étalonnage.

L'atténuation donne un complément d'information estimatif sur la cohésion, la compacitéainsi que sur l'hygrométrie du milieu de propagation. Sa mesure et son exploitation sontcomplexes du fait du grand nombre de paramètres qui entrent en jeu (température,humidité, qualité de l'état de surface et du couplage des transducteurs).

Dans le cas d'un béton soumis au feu, l'élévation de température provoque unemodification physico-chimique du matériau. L'auscultation sonique, basée sur desmesures de temps de parcours et d'énergie transmise, est une méthode particulièrementbien adaptée à ce type d'investigation.

MÉTHODE

62.3

25

Page 29: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL

Un dispositif commun aux mesures soniques in situ et aux essais de laboratoire dénomméAVSP 2000 est disponible dans le réseau des LRPC. Il est constitué :

d'un ensemble émetteur et récepteur d'ultrasons couplés physiquement à la structureen béton,

d'un boîtier électronique de conditionnement et de traitement du signal,d'un oscilloscope pour visualiser et analyser les signaux reçus,d'une unité de stockage du signal,d'un micro-ordinateur et de logiciels usuels de traitements de données (statistiques et

graphiques).

Il existe dans le commerce des appareillages similaires qui n'exploitent pas l'amplitude del'onde et qui ne possèdent pas de sortie signal. La lecture du temps se fait sur afficheursnumériques* et dans le meilleur des cas via un traitement automatisé du signal.

On trouve de nombreuses variantes dans le conditionnement et la restitution du signal etdans les caractéristiques des capteurs (forme, surface, mode d'excitations, de couplage etfréquences de travail).

Les figures 10 et 11 donnent un aperçu du boîtier électronique de la chaîne AVSP 2000,conçue au CECP de Rouen et une vue des capteurs à pointe.

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

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* La mesure du temps de trajet se fait par un afficheur numérique à déclenchement sur seuil de tension (immunité auxparasites) qui donne une valeur acceptable dans le cas de bétons homogènes.Il existe également des capteurs plans, couplés par collage ou à la graisse, qui sont plus énergétiques que les capteurs àpointe mais sont moins précis en terme de positionnement. Le couplage manuel des pointes ou des capteurs plans à lagraisse est sujet aux fluctuations de la force d'appui.Les meilleurs résultats sont obtenus avec un émetteur plan couplé à la colle (énergie plus élevée, meilleure stabilité) unrécepteur à pointe à fort gain (facile à positionner sur tout type de surface) et un oscilloscope numérique à mémoire pourle stockage et le traitement des signaux.

Figure 10Boîtier d’auscultation sonique AVSP 2000

distribué dans le réseau.

Figure 11 Capteurs à pointes pour surfaces rugueuses.

Récepteur à pointe

Émetteur à pointe

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PARTIE 2 - OBSERVATIONS ET MESURES IN SITU - MÉTHODE 62.3

L'AVSP 2000 possède une sortie signal analogique, une sortie à puissance variable pourl'émission, un préamplificateur immunisé aux bruits, un afficheur numérique et unealimentation autonome.

La chaîne de mesure se compose d'un micro-ordinateur et d'un oscilloscope. Les mesuresde temps et d'amplitude se font sur le site : toutes les mesures sont saisies sur le micro-ordinateur et les courbes temps-distance-amplitude s'affichent en temps réel au fur et àmesure du déplacement du récepteur.

En cours d'essai, les signaux issus de la chaîne de mesure sont obligatoirement visualiséssur l'oscilloscope et enregistrés sur l'unité de sauvegarde.

Les figures 12 et 13 donnent une vue de l'oscilloscope et du micro-ordinateur. Ils sontutilisés sur le terrain pour la saisie et l'exploitation automatique des données et enlaboratoire pour l'analyse des signaux et l'exploitation finale des résultats.

La figure 12 donne la photo d'un oscilloscope numérique. Deux unités de sauvegarde(disquette et disque dur) permettent de conserver l'intégralité des signaux présentant dessingularités pour une analyse de signal a posteriori en laboratoire et de constituer une basede données de défauts caractéristiques.

La figure 13 donne la photo du micro-ordinateur. Les mesures de temps, distance etamplitudes sont saisies sur micro-ordinateur et les courbes temps/distance etatténuation/distance s'inscrivent en temps réel au fur et à mesure de l'avancement durécepteur et de la saisie de la mesure. Ces opérations sont réalisées sur site.

En fin de mesure, les résultats bruts (vitesse, atténuation, coefficients de corrélation desparamètres temps et amplitude) s'affichent sur l'écran du micro-ordinateur.

27

Figure 12 Oscilloscope numérique (visualisation et stockage des signaux).

Figure 13 Micro-ordinateur (affichage temps réel des courbes).

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MÉTHODOLOGIE

La méthodologie s'appuie sur la norme européenne EN 12504-4, dans le choix desméthodes et des modes opératoires.

Choix des méthodesIl existe trois méthodes :

La méthode indirecte (séries de mesures ponctuelles à partir d'une seule face accessiblesur laquelle sont positionnés l'émetteur et le récepteur). Cette méthode, par sa facilité demise en œuvre et la qualité du diagnostic, est la plus utilisée en contrôle sur ouvragecomme en expertise.

La méthode directe (mesures unitaires ponctuelles par transparence avec émetteur etrécepteur en vis-à-vis, sur chacune des faces de la structure). Cette méthode s'applique encomplément d'information sur une partie d'ouvrage présentant deux faces disponibles oubien sur des carottes en laboratoire (cf. fiche « Caractérisation du béton par profilsonique »).

La méthode semi-directe (mesures unitaires ou séries de mesures ponctuelles par semi-transparence : émetteur et récepteur positionnés sur des faces adjacentes). Cette méthodene fait pas l'objet d'une fiche spécifique puisque seule la position de l'émetteur diffère.Elle est plutôt destinée à ausculter un volume de béton qu'un état de surface (recherchede défauts internes qui s'apparente à la tomographie sonique). Elle peut être utilisée encomplément d'information de la méthode indirecte.

Toutes ces méthodes permettent d'ausculter des dimensions variant entre 0,10 et 2 m,voire plus. La méthode directe dite « en transparence », permet en laboratoire d'analyserdes profondeurs de dégradation de l'ordre du centimètre.

Pour les méthodes semi-directe et indirecte, on réalise en règle générale un maillageconstitué d'une ligne de 1 m à 1,50 m tous les 2 m2. Cette surface peut varier selon leniveau de précision souhaité et l'étendue de la zone auscultée.

Trois zones d'investigation sont définies : l'une au centre du foyer, la seconde en zonesaine et la dernière en zone intermédiaire (béton noirci non éclaté).

Les mesures sont réalisées selon des lignes droites constituées d'une douzaine depoints espacés de 20 cm (l'espacement des points peut varier selon le niveau de précisionsouhaité). L'émetteur est positionné en bout de la ligne pour la méthode indirecte ou surla face adjacente pour la méthode semi-directe. Le récepteur est déplacé sur cette ligne demesure.

Compte tenu de l'endommagement du béton et des variations d'amplitude du signal, ilest indispensable de réaliser la mesure avec un oscilloscope, quelle que soit la méthodeemployée.

Préparation des essais et réalisation des mesuresAprès avoir choisi les zones à ausculter et tracé les lignes de mesure, pour chacune deslignes et à chacun des points :

1 - On note la position exacte du récepteur et sa distance par rapport à l'émetteur (Fig. 14).

2 - On mesure sur l'oscilloscope le temps de propagation de la première arrivée d'onde etson amplitude (Fig. 15).

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

28

Page 32: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 2 - OBSERVATIONS ET MESURES IN SITU - MÉTHODE 62.3

3 - On relève toutes les observations visuelles faites sur le signal (forme, changements dephase, fréquence, etc.), ainsi que celles concernant l'état de surface associé au point de lamesure.

Toutes les valeurs de distance, temps et amplitude sont notées à chaque point de mesuresur un support papier et entrées dans un tableau préparé pour le chantier (Fig. 16).

29

Figure 14Exemple de chantier en tunnel : ligne de 1 msituée dans une zone peu affectée. L’émetteur(E) est positionné en bout de ligne, le récepteur(R1 à R5) est déplacé tous les 20 cm.

Figure 15Oscillogramme obtenu dans la zone donnéedans l’exemple de la figure 14.

Figure 16Tableau de mesures pour une ligne de 1600 mm.

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Les courbes vitesse et atténuation sont tracées sur l'écran du micro-ordinateur durant laprogression des mesures.

Lorsque le résultat d'une mesure semble erroné (cas d'un signal trop faible ou bien suiteà une erreur de positionnement du récepteur), elle est immédiatement recommencée. Cetraitement en temps réel est appréciable car il évite les erreurs de saisie imputables à lamanipulation.

EXPLOITATION DES RÉSULTATS

Les principaux indicateurs qui interviennent dans l'analyse sont :la vitesse sonique issue du temps de propagation dans le béton ;l'amplitude de l'onde ultrasonore reçue après passage dans le béton, donc son

atténuation ;les coefficients de corrélation des paramètres temps et amplitude ;l'observation visuelle du signal (forme, phase, fréquence, etc.).

Les résultats bruts issus du tableur sont exprimés en km/s pour la vitesse et en dB/m pourl'atténuation. Leur validité est conditionnée par le coefficient de corrélation des droites derégression temps et atténuation.

Analyse statistique des vitesses

Les vitesses varient de 1000 m/s pour un béton très affecté à 4500 m/s et plus pour unbéton sain.

Une première approche de terrain consiste à valider tous les résultats assortis d'unebonne corrélation.

Les autres, c'est-à-dire ceux qui présentent des écarts de temps élevés dans leurprogression sur la ligne de mesure, sont rejetés et analysés ultérieurement.

Il faut avoir alors recours à l'exploitation graphique. Celle-ci permettra de distinguer :le béton en tant que « matériau », on parlera alors de célérité* des ondes dans le

matériau ;la « structure » de l'ouvrage dans sa globalité, y compris la micro-fissuration dans le

cas d'un béton altéré et les aciers dans le cas d'un béton armé, on parlera alors de vitesseapparente* dans la structure.

L'exemple graphique (Fig. 17) montre sur la droite une partie rectiligne constituée de sixpoints suivie de deux points dispersés.

Si l'on effectue un carottage dans la zone correspondant à la partie rectiligne, onconstatera que la célérité des ultrasons mesurée sur carotte est conforme à celle calculéesur la portion de droite.

Si l'on effectue un carottage sur le défaut, dans la zone située au-delà du sixième point,on rencontrera une valeur de célérité plus faible que celle donnée par la droite formée parles six premiers points.

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

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* Ces nuances dans la terminologie visent à apporter à la fois plus de commodité de langage et plus de précision dans leterme générique « vitesse sonique » des ondes de compression.

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PARTIE 2 - OBSERVATIONS ET MESURES IN SITU - MÉTHODE 62.3

Cette distinction est fondamentale dans l'analyse, notamment pour la courbed'étalonnage Vitesse/Résistance établie à partir des carottages. Ceux-ci doivent êtreimplantés sur la zone la plus représentative de la droite, en toute connaissance de cause.

Analyse statistique des atténuations

Les atténuations se situent entre 10 et 80 dB/m et voire plus, en fonction del'endommagement du béton.

La démarche est identique à celle appliquée à la vitesse mais s'agissant plutôt d'unindicateur confirmant les mesures précédentes (absence de courbe d'étalonnage), elle serésume à donner les valeurs caractéristiques observées sur la courbe (Fig. 18)

31

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,80

100

200

300

400

500

Distance (m)

Temps (μs)

y = 325,5x - 26,6R2 = 0,9712

Figure 17Détermination de la vitesse sonique sur une ligne demesure.On distingue deux résultats :

1. L’un, donné par l’inverse de la pente de la droite derégression (pointillés), concerne la vitesse soniqueapparente dans la globalité de la structure.

2. L’autre, donné par l’inverse de la pente de la droite reliantles six premiers points, caractérise la célérité des ondesdans le matériau.

Distance (m)

y = -14,85x + 36,07R2 = 0,41

0 0,5 1 1,5 20

102030405060708020 log A (dB) Figure 18

Détermination de l’atténuation d’amplitude sur une lignede mesure.On distingue deux résultats :

1. L’un, donné par la droite de régression (pointillés) concernel’atténuation de l’onde dans la globalité de la « structure ».

2. L’autre, donné par la droite reliant les quatre premiers pointscaractérise l’atténuation de l’onde avant l’atténuation de lastructure.

Les valeurs d'atténuation et la corrélation des mesures sont affectées par :Les caractéristiques internes du matériau (porosité, rigidité) liées par exemple à la

pulvérulence de la pâte, au décollement des agrégats et à la micro-fissuration.La qualité du couplage entre la structure et le capteur (transmission de l'énergie liée à

l'état de surface).

L'analyse fine des évolutions des temps et des amplitudes sur la ligne d'auscultation et ladistribution des résultats (valeur, corrélation) permettent de connaître la localisation desdésordres et le niveau d'endommagement.

Histogramme des vitesses

L'histogramme des vitesses est une représentation statistique utile qui permet dequantifier l'état de dégradation. L'exemple donné par le graphique suivant permet deconstater que les mesures se situent pour la plupart vers 3100 m/s et que la dispersion est

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élevée. La qualité originelle du béton n'est retrouvée que dans 1 % des mesures.L'élévation de température n'a pas affecté une grande superficie de l'ouvrage. Celui-ciprésentait à l'origine un béton très micro-fissuré sans relation avec l'incendie (Fig. 19).

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

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02468

101214

2400

2480

2560

2640

2720

2800

2880

2960

3040

3120

3200

3280

3360

3440

3520

3600

3680

3760

3840

3920

4000

Vitesses soniques (m/s)

Nombre de mesures

Histogramme des vitesses

0

2

4

6

8

10

12

1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500Vitesses (m/s)

Nombre de mesures

Histogramme de l’ensemble des valeurs(béton sain, incendié et micro-fissuré).

On observe essentiellement deux famillesdistinctes : 2100 m/s (béton incendié) et

4100 m/s (béton sain). Les vitesses au-delà de 4800 m/s sont entachées d'une

mauvaise corrélation malgré leur vitesseélevée. Les vitesses intermédiaires (3100-

3300 m/s) constituent à elles seules unefamille de béton peu endommagé par

l'incendie mais néanmoins altéré par lamicro-fissuration existante. Cette repré-

sentation est moins fiable que laprécédente du fait de l'interpolation qui

suggère des valeurs pour des zones non auscultées.

Figure 19 Histogrammes et courbe des vitesses.

Tableaux récapitulatifs

Les tableaux de résultats comportent toutes les valeurs de vitesse (vitesse apparente etcélérité), les valeurs d'atténuation et les coefficients de corrélation.

Les résultats peuvent s'organiser de manière à faire des tris sur les valeurs d'atténuation,de vitesse et les coefficients de corrélation, toutes les combinaisons pouvant s'observerentre ces données (vitesses élevées et corrélations faibles, vitesses basses et bonnescorrélations etc.).

EXEMPLES D'UTILISATION DE LA MÉTHODE DE MESURE

Cartographie en vitesse

La cartographie permet d'avoir une bonne information sur l'étendue del'endommagement. Elle est déterminante pour le choix des prélèvements par carottagedans le cas ou l'on recherche les profondeurs de dégradation dues au feu et des résultatsd'essais mécaniques (modules et résistance mécanique). Elle est utile également pourl'établissement des courbes d'étalonnage vitesse/résistance.

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PARTIE 2 - OBSERVATIONS ET MESURES IN SITU - MÉTHODE 62.3

On attribue généralement une nuance de gris ou une couleur par classe de 500 m/s pourles vitesses et par classe de 20 dB/m pour les atténuations.

La cartographie complétée par les caractéristiques mécaniques obtenues sur carottes (ouextrapolées à partir de la courbe d'étalonnage) est une représentation quantitative etqualitative des résultats.

Les mesures soniques en surface (méthode indirecte) comme en transparence (méthodedirecte) ont mis en évidence des zones très affectées mais néanmoins de superficierestreinte. Les vitesses les plus basses, proches du foyer, étaient de l'ordre de 900 m/s. Onobserve une augmentation des vitesses soniques et une diminution de l'atténuation dusignal au fur et à mesure que l'on s'éloigne du foyer (Fig. 20)

33

Exemple de l'incendie d'un camion sous un passage supérieur à l'autoroute : l'incendie aété provoqué par un camion transportant des pneumatiques venu se réfugier sous letablier. La durée de l'incendie a été limitée dans le temps à 1 heure environ, mais le feu aété attisé par un fort vent du Nord. Les dégradations ont plus affecté la pile que le tablier.

L'exemple de cartographie donné en page suivante est établi à partir des mesures brutesde vitesse, c'est-à-dire celles données par la droite de régression, puisqu'on ne cherchepas à qualifier le béton mais la structure. La validité des valeurs de vitesse sur lacartographie est donc fonction du coefficient de corrélation.

La partie en rouge correspond à la zone qui a été la plus longtemps soumise à l'élévationde température due à l'incendie. C'est également la zone dans laquelle cette températurea été la plus élevée. En général, des dégradations structurelles importantes sont visibles(éclats importants désolidarisés du béton, aciers apparents, etc.).

Les parties de couleur orange et beige correspondent à des zones qui s'éloignent du foyeret pour lesquelles on rencontre un béton altéré (pulvérulence du béton, désolidarisationdes agrégats et éclats de peau) (Fig. 21).

Les parties d'ouvrage situées entre le beige et le rouge (vitesse inférieure à 2500 m/s) sonten général éliminées par piquage jusqu'aux aciers, voire au-delà pour réparation oureconstruction.

La profondeur d'investigation (10 cm en moyenne) dépend de la longueur de la ligne(0,60 m à 1,60 m). Les lignes de mesure sont implantées en diagonale pour éviter lesarmatures. La densité des lignes est plus élevée dans les zones douteuses et plus faibledans les endroits sains. Les lignes en zone fortement altérées ont une longueur parfoistrès réduite à cause de la perte rapide de signal (forte atténuation).

Figure 20Incendie d’un camion sous un ouvrage autoroutier.

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Un schéma représentant des zones de 1 à 2 m² de côté est en général suffisant. Pour avoirune meilleure résolution on peut faire un lissage par interpolation en augmentant ladensité de mesures à condition de faire des points de transparence par la méthode directepour délimiter les zones : deux lignes au m² juxtaposées ou en croix sont suffisantes.L'interpolation donnant un rendu lissé aux contours est d'un aspect plus « esthétique »,un ensemble « pixellisé » (une représentation en petits carrés) refléterait tout aussi bienl'état de surface.

Cartographie en atténuation (Fig. 22)

Les mesures d'amplitude et la détermination de l'atténuation sont réalisées commeprécédemment. Les carottages sont choisis sur les zones les plus représentatives des deuxcartographies précédentes. Comme pour les vitesses, il s'agit des atténuations brutes, quisont le reflet de la structure. Les classes de couleur sont échelonnées entre 20 dB/m et80 dB/m.

En pratique, quatre à cinq classes sont suffisantes. La cartographie en atténuationconfirme le résultat obtenu en vitesse sonique mais elle est également très représentativedes dégradations superficielles. Un étalonnage en énergie n'est pas réalisable à l'heureactuelle (sauf pour un état de surface et une qualité de couplage rigoureusementidentiques en tout point).

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

34

> 4500 m/s

< 1500 m/s

1500-2000 m/s

2000-2500 m/s

2500-3000 m/s

3000-3500 m/s

3500-4000 m/s

4000-4500 m/s

Figure 21Profil des dégradations :cartographie iso-vitesses.

Signification des couleurs :Les parties de couleur jaune correspondent aux zones noircies sans dégradation visuelle importante et pour lesquelles l'élévationest restée modérée en durée et/ou en niveau de température atteinte. Les zones de couleur pâle allant du vert au bleu, donc versles couleurs froides, sont des zones qui s'éloignent du foyer et qui retrouvent progressivement une vitesse sonique conforme àcelle du béton sain pour lesquelles aucun traitement spécifique n'est envisagé (hormis un ragréage éventuel ou une protection desurface). Les parties présentant les couleurs les plus froides (bleu sombre) n'ont pas été affectées par l'élévation de température etprésentent des vitesses élevées.

Page 38: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 2 - OBSERVATIONS ET MESURES IN SITU - MÉTHODE 62.3

RÉPÉTABILITÉ ET REPRODUCTIBILITÉ DE LA MESUREPAR AUSCULTATION SONIQUE

Des essais de répétabilité et de reproductibilité ont été menés sur une dalle de bétonrecouverte d'une peinture époxy et comportant une zone hétérogène due à un ragréage. Laligne de mesure tracée comportait 9 points distants de 20 cm. Un émetteur était positionnéà une extrémité de la ligne et le récepteur était déplacé tous les 20 cm sur cette ligne.

Pour l'étude de la répétabilité, un opérateur a déplacé le récepteur et un autre opérateura réalisé les mesures de temps et d'amplitude sur l'oscilloscope. Les mesures ont étérépétées 4 fois dans les mêmes conditions d'essais par le même opérateur ce qui a donné36 mesures de temps et 36 mesures d'amplitude. Pour une vitesse sonique moyenne desondes de compression de 4343 m/s, l'écart type est alors de 4,9 m/s. Pour une atténuationsonique de 18 dB/m, l'écart type s'élève à 1 dB/m.

Pour l'étude de la reproductibilité, les mesures ont été réalisées par 4 opérateursdifférents sur la même ligne. Le nombre de mesure a été inchangé : 36 mesures de tempset 36 mesures d'amplitude. Pour une vitesse sonique moyenne des ondes de compressionde 4321 m/s, l'écart type est alors de 47 m/s. Pour une atténuation sonique de 19 dB/m,l'écart type s'élève à 2 dB/m.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] Norme NF P 18-418, Béton - Auscultation sonique - Mesure du temps de propagation d'ondessoniques dans le béton, décembre 1989.

[2] Norme EN 12504-4, Essais pour béton dans les structures - Partie 4 : détermination de la vitesse depropagation du son, mai 2005.

35

<20 dB/m�

>80 dB/m�

70-80 dB/m�

60-70 dB/m�

50-60 dB/m�

40-50 dB/m�

30-40 dB/m�

20-30 dB/m�

Figure 22Profil des dégradations :cartographie iso-atténuation.

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[3] CANNARD G., CARRACILLI J., PROST J., VENEC Y., Auscultation dynamique des superstructures par lesméthodes classiques, Rapport de recherche n° 34, LCPC Paris, 132 pages, avril 1974.

[4] CANNARD G., Propagation d'ondes mécaniques dans les solides, Comptes-rendus de travail FAER1.65.09 - 1.65.13 - 1.69.10, CETE Lyon, dossier E6413, 31 pages, octobre 1985.

[5] CANNARD G., PROST J., Caractéristiques de la dégradation des matériaux, Compte-rendu de travailFAER 1.30.35, CETE Lyon, 1987.

[6] CANNARD G., Synthèse des résultats du Laboratoire Régional de Lyon sur le contrôle des bétons parultrasons, CETE Lyon, Dossier E6413, 39 pages, décembre 1989.

[7] JONES R., Les essais non destructifs des bétons, Éditions Eyrolles, 165 pages, 1967.

[8] GARNIER V., CHAIX J.-F., CORNELOUP G., Caractérisation non destructive du béton par analysesd'ondes ultrasonores, Bulletin des laboratoires des Ponts et Chaussées, 239, juillet-août 2002.

CONTACTS

Sylvie Arnaud 04 72 14 32 16 [email protected]

Bernard Naquin 04 72 14 32 35 [email protected]

CETE de Lyon LRPC de Lyon Groupe Ouvrages d'art Section « Construction et durabilité des ouvrages en béton »Fax : 04 72 14 30 35

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

36

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Partie 3Méthodesd’essaide laboratoire

37

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Page 42: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

39

PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.4

LE PRÉLÈVEMENT DE CAROTTESIN SITU

OBJET ET DOMAINE D’APPLICATION

Certains essais, destinés à analyser les modifications des propriétés du béton ainsi que lesprofondeurs de dégradation, ne peuvent être réalisés in situ. En conséquence, il convientde prélever des échantillons sur le lieu de l'incendie et de les rapporter dans unlaboratoire. Dans le cas d'un incendie, les essais nécessitant le prélèvement de carottessont les suivants :

essais mécaniques ;simulation en laboratoire de l'échauffement du béton ;détermination du profil des caractéristiques soniques ;détermination du module d'élasticité par résonance ;estimation des températures atteintes dans les bétons par microscopie à balayage ou

par analyses thermiques ou par diffractométrie des rayons X ;essai de thermoluminescence ;essai de colorimétrie.

MÉTHODOLOGIE

1. Choix de la zone de prélèvement

Le choix des zones de prélèvement ainsi que du nombre de prélèvements est fonction descaractéristiques que l'on veut mettre en évidence et de l'étendue du sinistre.

Une zone saine sera choisie pour servir de référence. Une zone dégradée permettra dequantifier les propriétés résiduelles du béton ainsi que la profondeur atteinte par lesdégradations. À noter que les armatures devront être repérées avant le carottage, pouréviter autant que faire se peut de récupérer des éprouvettes de béton avec des armatures.

Le carottage ne doit pas porter atteinte à la stabilité ou à la résistance structurelle del'ouvrage.

MÉTHODE

62.4

Page 43: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

2. Vitesse de rotation du carottier

La vitesse de rotation du carottier est fonction du diamètre du carottier et de la qualité dubéton. Un béton dur nécessite une faible vitesse de rotation alors qu'un béton abrasifnécessitera une vitesse plus élevée.

3. Vitesse d'avancement du carottier

La vitesse d'avancement du carottier est fonction de la dureté du béton, ainsi que del'usure de la couronne du carottier.

4. Examen des trous de carottage

Les trous decarottage doivent être examinés de façon à apporter des informationssupplémentaires sur la qualité du béton (endoscope et photographies).

5. Stockage des éprouvettes

Le stockage des carottes est conforme à la norme NF EN 12504-1 [1]. Les carottes doiventêtre protégées contre la dessiccation et pour ce faire, mises dans un sac en plastique ferméà chacune de ses extrémités.

6. Dimensions des carottes

Les dimensions minimales des carottes sont fonction des essais auxquels elles sontdestinées.

Pour les essais mécaniques : le diamètre doit être au moins égal à 3 D (D = dimension duplus gros granulat). Un élancement de 2 est souhaitable.

7. Rebouchage des trous de carottage

Il est recommandé de reboucher les trous des carottages à l'aide d'un mortier à retraitlimité.

MATÉRIEL

L'ensemble du matériel est constitué d'un bâti, d'un moteur et d'un carottier. Lerefroidissement de ce dernier peut se faire soit avec de l'eau, soit avec de l'air dans le casd'un carottage à sec. La fixation du bâti se fait par chevillage dans le béton (Fig. 23).

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

40

Page 44: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.4

INFORMATIONS DANS LE PROCÈS-VERBALDE PRÉLÈVEMENT

Le procès-verbal des carottages devra comporter au moins les éléments suivants :les références de l'ouvrage ;l'emplacement des carottages sur l'ouvrage ou la partie d'ouvrage ayant subi un

incendie ;la date des carottages ;le diamètre et la longueur de chaque carotte ;des photographies ou une description de chaque carotte.

Toutes autres informations pouvant apporter un éclairage sur les dégradations observées(Fig. 24).

41

Figure 23 Mise en place d’un carottier à la surface d’une paroien béton.

Figure 24 - Exemple de fiche d’enregistrement d’une carotte de béton.

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RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] Norme NF EN 12504-1, Essais pour béton dans les structures - Partie 1 : carottes, prélèvement,examen et essais en compression, août 2000.

[2] MÉNOU J., Projet de recommandations techniques pour l’extraction des carottes, LCPC Nantes,novembre 1994.

[3] MAQ du réseau LPC « Études et expertises » O.A. - Évaluation en place de l'état du béton armé ounon - Prélèvement d'échantillons de béton par carottage - Réf. : EDOA - Fe 2.1, avril 2000.

[4] Norme pr EN 13791 - Estimation de la résistance à la compression du béton dans les structures ou leséléments structuraux, juillet 2003.

CONTACT

Gérard OLIVIER 01 60 56 64 75 [email protected]

LRPC de l’Est Parisien - Centre de MelunFax : 01 60 56 64 01

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

42

Page 46: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.5

SIMULATION DE L’INCENDIEPAR ÉCHAUFFEMENT DU BÉTONEN LABORATOIRE

OBJET DE LA MÉTHODE ET DOMAINE D’APPLICATION

Les dégradations subies par le matériau béton lors d'un incendie sont fonction descaractéristiques de l'échauffement (en particulier, la température atteinte, la durée et lacinétique de montée en température). L'ensemble des techniques d'évaluation descaractéristiques du béton soumis à un incendie nécessite un étalonnage et/ou unevalidation par échauffement maîtrisé en laboratoire.

PRINCIPE

Des échantillons de béton sain prélevés dans l'ouvrage faisant l'objet du diagnostic sontplacés dans un four de laboratoire et y subissent un traitement thermique. Un cycle detempérature est programmé. Une connaissance des caractéristiques générales del'incendie (durée, intensité) permet de déterminer le cycle optimal à appliquer.

Toutefois, ce principe ne permet pas de réaliser une simulation réelle de la diffusion de lachaleur obtenue lors de l'incendie. En effet, les conditions de celui-ci ne sont pasparfaitement reproduites (influence des conditions aux limites, de la taille de l'échantillonnotamment). Il s'agit donc d'un traitement thermique conventionnel.

Il est possible cependant de recréer les transformations physico-chimiques du matériaudues à l'élévation de température. Il faut donc chercher à atteindre des paliers detempérature dans des conditions de vitesse réalistes. La durée du palier est fonction de ladurée de l'incendie, qui est déterminante dans la réalisation des réactions detransformation des constituants du béton.

APPAREILLAGE

L'appareil utilisé est un four de laboratoire équipé d'un système de programmation (cf.modèles de four, figures 25a et 25b).

Le module de programmation et de régulation doit permettre de régler :la vitesse de montée en température (de 30 à 700 °C/h) ;la durée des paliers ;la température maximale à atteindre (au moins jusqu'à 1000 °C).

43

MÉTHODE

62.5

Page 47: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

CONDITIONS D'ÉCHAUFFEMENT

Le cycle appliqué au béton des échantillons carottés doit permettre de recréer au mieuxles conditions d'échauffement subies par le béton de l'ouvrage incendié.

Les conditions d'échauffement des échantillons ont des influences différentes sur lescaractéristiques à déterminer après traitement. Les caractéristiques mécaniques sontimpactées notamment par la taille des échantillons et par la vitesse de montée entempérature qui ont un effet direct sur la micro-fissuration (transformationss'apparentant à des chocs thermiques). En revanche, ce sont les températures atteintes etla durée des paliers qui importent pour obtenir les transformations chimiques etminéralogiques. Il est nécessaire, dans un premier temps, de rechercher toutes lesdonnées relatives à l'incendie (durée, températures atteintes, matériaux ayant brûlé, etc.).Les carottes auront un diamètre minimal de 80 mm et de trois fois la taille du plus grosgranulat. Les paliers de température seront suffisamment longs pour obtenir lestransformations chimiques et minéralogiques.

EXEMPLE D'APPLICATION

Après l'incendie du tunnel du Mont-Blanc, on a cherché à caractériser les dégradationsdu béton à partir des différentes méthodes présentées dans ce guide (détermination desmodules et caractérisation minéralogique).

Les traitements thermiques ont été réalisés sur des échantillons carottés de béton n'ayantpas subi d'échauffement lors de l'incendie (dans des zones saines proches du lieu dusinistre ou en profondeur au niveau de l'incendie). Les paliers atteints étaient de : 200,400, 600, 800 et 1000 °C. La vitesse de montée en température était de 50 °C / heure à partirde la température ambiante (environ 20 °C), le palier durait 15 heures, le retour àtempérature ambiante a été obtenu four éteint et fermé.

Les essais réalisés sur béton sain comprenaient le traitement thermique du béton àdifférentes températures puis la détermination de la résistance à la compression(Fig. 26a), du module (Fig. 26b) et des caractéristiques chimiques et minéralogiques(Fig. 27).

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

44

Figures 25a et 25bModèles de fours utilisés.

a b

Page 48: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.5

La résistance à la compression du béton sain n'évolue qu'après 200 °C, et sa décroissanceest alors brutale. La valeur du module chute dès que le béton monte en température, sonévolution est très sensible jusqu'à 400 °C.

Le palier de 600 °C, a été retenu comme un seuil au-delà duquel les résultats des essaisréalisés ne semblent plus discriminants. L'évolution du module au Grindo-sonic n'estalors plus significative. Les valeurs mesurées mécaniquement (module statique etrésistance mécanique) sont significatives tant que l'essai est possible.

Jusqu'à 600 °C, il est possible d'établir un lien entre la température de cuisson et la valeurdes caractéristiques mécaniques (module d'élasticité et résistance à la compression). Letracé de l'évolution du module d'élasticité du béton incendié permet de déterminer uneprofondeur approximative au-delà de laquelle le béton n'a pas été dégradé par l'incendie.

CONTACTS

Sylvie Arnaud 04 72 14 32 16 [email protected]

Bernard Naquin 04 72 14 32 35 [email protected]

CETE de Lyon - LRPC de LyonGroupe Ouvrages d’art - Section « Construction et durabilité des ouvrages en béton »Fax : 04 72 14 30 35

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Figure 26aÉvolution de la résistance à la compression en fonction de latempérature du traitement thermique.

Figure 27Photos de rondelles de carotte ayant subi unéchauffement variant de 100 à 800 °C : Évolutionsensible de l’aspect (couleur, cohésion).

0

10

20

30

40

50

0 200 400 600 800

Résistance à la compression (MPa)

1000Température (˚C)

Figure 26bVariation des modules statique et dynamique en fonction de latempérature par trois méthodes distinctes aux paliers retenus.

05

10152025303540

0 200 400 600 800 1000

Module (GPa)

SoniqueGrindo

Température (˚C)

Extensométrie

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Page 50: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.6

CARACTÉRISATION DU BÉTONPAR PROFIL SONIQUE

OBJET DE LA MESURE ET DOMAINE D'APPLICATION

L'objet de la méthode présentée ici est de caractériser l'épaisseur de béton affectée par unincendie. L'application de cette méthode s'inscrit dans les activités d'investigation etd'expertise d'ouvrages en béton endommagés par un incendie ou susceptibles de l'avoirété, en vue de leur réparation. Dans ces circonstances, la vérification de la capacitéportante résiduelle de la structure et l'établissement du projet de réparation imposent delocaliser et de quantifier aussi précisément que possible les parties endommagées debéton. Les mesures, réalisées sur des carottes prélevées dans l'ouvrage en zone incendiéepermettent de déterminer la dégradation des caractéristiques mécaniques du béton enplace.

Ces mesures peuvent être complétées, d'une part par des mesures soniques réalisées insitu (cf. fiche auscultation sonique) dans les zones citées précédemment et par ladétermination directe de caractéristiques mécaniques (modules et résistances à lacompression), d'autre part par des mesures réalisées en laboratoire sur des échantillonsissus de carottages en zone saine et traités en laboratoire (cf. fiche « Simulation del'incendie par échauffement du béton en laboratoire »).

PRINCIPE DE LA MESURE

Cette méthode est une application des lois de propagation des ondes soniques decompression dans les matériaux qui permet d'en déterminer les caractéristiquesmécaniques et d'estimer l'homogénéité du milieu de propagation, de déceler des vides,délaminages et micro-fissurations [1 à 8].

La dégradation du béton, lorsqu'il est soumis à un incendie, affecte ses propriétésmécaniques. Le niveau de cette dégradation peut être évalué grâce à la mesure de lavariation des caractéristiques de propagation des ondes de compression dans le béton.

Les vitesses soniques et les atténuations d'énergie sont deux paramètres qui permettentd'obtenir une information qualitative sur le matériau.

La vitesse sonique évolue en relation avec le module d'élasticité et la résistance à lacompression. L'atténuation donne un complément d'information estimatif sur la rigiditéet la compacité du milieu de propagation. La méthode ne nous autorise pas, à l'heureactuelle, à exploiter isolément l'amplitude ou l'atténuation du signal ultrasonore à causedu trop grand nombre de paramètres qui influencent la mesure (humidité, température,qualité de l'état de surface et du couplage aux transducteurs, etc.).

47

MÉTHODE

62.6

Page 51: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL

Le matériel se compose de :un matériel standard de carottage du béton en place ;un générateur et un récepteur d'ultrasons : palpeurs à pointe ayant une fréquence

propre de 35 kHz (un dispositif commun aux mesures soniques in situ et aux essais delaboratoire dénommé AVS 1500 est disponible dans le réseau des LRPC) ;

une chaîne de conditionnement et de traitement du signal ;un oscilloscope pour visualiser et analyser les signaux reçus (de préférence numérique

à mémoire, permettant de mesurer le 10e de microseconde et de stocker les signaux) ;un micro-ordinateur et des logiciels usuels de traitement de données (statistiques et

graphiques) ;un pied à coulisse et du matériel de traçage.

MÉTHODOLOGIE

Ces essais se déroulent en deux étapes :le prélèvement des carottes in situ ;la mesure des caractéristiques de propagation des ondes de compression.

Prélèvement des carottes

Les carottes, d'un diamètre généralement compris entre 80 et 100 mm, sont prélevéessuivant la procédure habituelle, au carottier diamanté et sous eau (cf. fiche prélèvementde carottes in situ).

Le nombre et l'implantation des carottages sont déterminés en fonction de l'importancedes investigations à réaliser et, en particulier selon le type d'ouvrage, le mode defonctionnement de la structure et l'étendue des dommages constatés.

Une localisation du ferraillage par méthode électromagnétique sera menée afin d'éviter laprésence d'armatures dans les carottes.

D'une manière générale les prélèvements sont répartis sur les différentes partiesd'ouvrage et, pour chacun d'eux, dans une zone indemne et dans plusieurs zonesendommagées à des degrés divers.

Mesure des caractéristiques soniques

La méthode utilisée est la méthode directe dans laquelle les capteurs se trouvent en vis-à-vis, l'onde traversant l'échantillon de part en part. Les palpeurs sont maintenus en placepar simple pression et assurent un couplage ponctuel précis. Toutes les mesures sonteffectuées à température ambiante sans sujétion particulière.

Deux types de mesures sont réalisés :des mesures suivant deux diamètres perpendiculaires sont réalisées avec un pas

centimétrique et permettent d'obtenir des profils d'évolution des caractéristiques enfonction de la profondeur ;

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

48

Page 52: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.6

une mesure suivant la longueur de la carotte, utilisée en complément d'information,donne une valeur intégrant les variations des caractéristiques du béton le long de la carotte.

La carotte est identifiée, un premier axe est matérialisé (Fig. 28, trait rouge), les mesuresde temps et d'amplitude se font avec un pas constant. Emetteur et récepteur sont situésen vis-à-vis sur le diamètre délimitant le plan de l'axe de mesure.

49

Figure 28Exemple du dispositif de mesure sur carotte enlaboratoire.

EXPLOITATION DES RÉSULTATS

L'exploitation est réalisée en reportant les paramètres soniques obtenus en fonction de laprofondeur de la carotte. Généralement, le diamètre de la carotte étant inférieur à deux fois la longueur d'onde,l'exploitation est réalisée en temps de propagation et non en vitesse de propagation.L'amplitude est également exploitée.Les valeurs de temps et d'amplitude ainsi que la profondeur correspondant aux points demesures sont reportées sur un graphe représentant le profil sonique de la carotte. Les dégradations s'atténuent progressivement depuis la face exposée au feu jusqu'àretrouver le béton sain à une profondeur qui est fonction des caractéristiques del'incendie.Le passage du profil sonique au profil dynamique peut être effectué dans le cas où lediamètre de la carotte est supérieur à deux fois la longueur d'onde. Le calcul du modulesonique selon la profondeur nécessite de réaliser un découpage de la carotte selon le pasde mesures et de déterminer la densité de chaque tranche sur la profondeur auscultée parpesée et calcul du volume unitaire. Une pesée hydrostatique est déconseillée (à cause dela porosité du béton altéré par la température). L'équation donnant le module exprimé engiga Pascal est donnée par la formule :

E= KρV2

dans laquelle ρ est la masse volumique du béton en kg/m3, V est la vitesse sonique del'onde longitudinale en m/s, et K, un paramètre fonction du coefficient de poisson ν estdonné par la relation :

(1 + v) (1 – 2v)(1 - v)

Le coefficient de Poisson peut être déterminé avec précision par la méthode sonique. Dans lapratique, on considère qu'il est de 0,2 pour des bétons ordinaires et 0,3 pour des bétons altérés.

Page 53: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

En prenant un coefficient de poisson ν de 0,2, K est alors proche de 1 et la relation devientE = ρV2.

L'estimation du module d'élasticité dynamique par cette méthode permet de caractériserdes éléments portés à des températures extrêmes tant que le béton conserve sa cohésion(alors que d'autres méthodes trouvent leur limite à 600 °C).

PRINCIPE DE RÉALISATIOND'UN PROFIL SONIQUE SUR CAROTTE (Fig. 29 et Fig. 30)

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

50

Figure 29Schéma de traçage et mesures - Exemple d’une carotte prélevée en zone incendiée.

Page 54: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

51

PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.6

Figure 30Schéma de traçage et mesures - Exemple d’une carotte prélevée en zone saine.

EXEMPLE D'UTILISATION DE LA MÉTHODE

Profil sonique réalisé avec un capteur à pointe de 35 kHz (Fig. 31)

Des carottes ont été prélevées en zone brûlée et en zone saine après l'incendie d'unvéhicule sous un ouvrage urbain. Le graphe ci-après représente l'évolution du temps depropagation selon la profondeur dans la carotte issue de la zone brûlée.

Page 55: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

On observe :une zone correspondant à l'hétérogénéité normale du béton, matérialisée par les

droites D1 et D2 ;la profondeur maximale de dégradation, située entre 87 et 100 mm de l'extrémité de la

carotte exposée au feu, valeurs minimale et maximale prenant en compte les écarts detemps dus à l'hétérogénéité naturelle du béton et à la précision des mesures.

La figure 32 donne le profil sonique d'une carotte prélevée en zone saine : l'évolution destemps de propagation se limite à des variations de quelques microsecondescorrespondant à l'hétérogénéité naturelle du béton et à la précision des mesures.

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

52

70

75

80

85

90

95

100

105

110

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34

Temps (µs)

P2P1

Hétérogénéiténaturelledu béton

D1

D2

Profondeur de la carotte (cm)

Face exposée à l'incendie Fond de la carotte

ÉVOLUTION DU TEMPS DE PROPAGATIONselon la profondeur de la carotte

Épaisseur de béton dégradé

Figure 31Cas d’un incendie d’un passageinférieur - Prélèvement en zoneincendié.

Figure 32Prélèvement en zone saine dans ladalle du passage inférieur incendié.

On observe un léger gradient de temps entre la face exposée et la face intérieure,correspondant à l'hétérogénéité normale du béton et à la précision des mesures, sansrelation avec l'incendie.

On note l'absence d'évolution significative des temps de propagation sur la face exposéeà l'incendie.

RÉPÉTABILITÉ ET REPRODUCTIBILITÉ DE LA MESUREPAR AUSCULTATION SONIQUE

Des essais de répétabilité et de reproductibilité ont été menés sur une dalle de bétonrecouverte d'une peinture époxy et comportant une zone hétérogène due à un ragréage.

70

75

80

85

90

95

100

105

110

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30Profondeur de la carotte (cm)

Temps (µs)

Face exposée à l'incendie Fond de la carotte

D1

D2

ÉVOLUTION DU TEMPS DE PROPAGATIONselon la profondeur de la carotte

Page 56: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.6

La ligne de mesure tracée comportait neuf points distants de 20 cm. Un émetteur étaitpositionné à une extrémité de la ligne et le récepteur était déplacé tous les 20 cm sur cetteligne.

Pour l'étude de la répétabilité, un opérateur a déplacé le récepteur et un autre opérateura réalisé les mesures de temps et d'amplitude sur l'oscilloscope. Les mesures ont étérépétées quatre fois dans les mêmes conditions d'essais par le même opérateur ce qui adonné trente-six mesures de temps et trente-six mesures d'amplitude. Pour une vitessesonique moyenne des ondes de compression de 4343 m/s, l'écart type est alors de 4,9 m/s.Pour une atténuation sonique de 18 dB/m, l'écart type s'élève à 1 dB/m.

Pour l'étude de la reproductibilité, les mesures ont été réalisées par quatre opérateursdifférents sur la même ligne. Le nombre de mesure a été inchangé : trente-six mesures detemps et trente-six mesures d'amplitude. Pour une vitesse sonique moyenne des ondes decompression de 4321 m/s, l'écart type est alors de 47 m/s. Pour une atténuation soniquede 19 dB/m, l'écart type s'élève à 2 dB/m.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] Norme NF P 18-418, Béton - Auscultation sonique - Mesure du temps de propagation d'ondessoniques dans le béton, décembre 1989.

[2] Norme EN 12504-4, Essais pour béton dans les structures - Partie 4 : détermination de la vitesse depropagation du son, mai 2005.

[3] CANNARD G., CARRACILLI J., PROST J., VENEC Y., Auscultation dynamique des superstructures par lesméthodes classiques, Rapport de recherche n° 34, LCPC Paris - 132 pages, avril 1974.

[4] CANNARD G., Propagation d'ondes mécaniques dans les solides, Comptes-rendus de travail FAER1.65.09 - 1.65.13 - 1.69.10, CETE Lyon, dossier E6413, 31 pages, octobre 1985.

[5] CANNARD G. et PROST J., Caractéristiques de la dégradation des matériaux, Compte-rendu de travailFAER 1.30.35, CETE Lyon, 1987.

[6] CANNARD G., Synthèse des résultats du Laboratoire Régional de Lyon sur le contrôle des bétons parultrasons, CETE Lyon, Dossier E6413, 39 pages, décembre 1989.

[7] R. JONES, Les essais non destructifs des bétons, Éditions Eyrolles, 165 pages, 1967.

[8] V. GARNIER, J.-F. CHAIX, G. CORNELOUP, Caractérisation non destructive du béton par analysesd'ondes ultrasonores, Bulletin des laboratoires des Ponts et Chaussées, 239, juillet-août 2002.

CONTACTS

Sylvie Arnaud 04 72 14 32 16 [email protected]

Bernard Naquin 04 72 14 32 35 [email protected]

CETE de Lyon - LRPC de LyonGroupe Ouvrages d’art - Section « Construction et durabilité des ouvrages en béton »Fax : 04 72 30 35

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DÉTERMINATION DU PROFIL DEMODULE D’ÉLASTICITÉ DANS DUBÉTON DURCI PAR LA MÉTHODEDE FRÉQUENCE DE RÉSONANCE

OBJET DE LA MESURE ET DOMAINE D'APPLICATION

L'objet de la méthode présentée ici est d'évaluer les caractéristiques mécaniquesrésiduelles du béton d'un ouvrage ayant été fortement échauffé à la suite d'un incendie.L'application de cette méthode s'inscrit dans les activités d'investigation et d'expertised'ouvrages en béton endommagés par un incendie ou susceptibles de l'avoir été, en vuede leur réparation. Dans ces circonstances, la vérification de la capacité portante résiduelle de la structure etl'établissement du projet de réparation imposent de localiser et de quantifier aussiprécisément que possible les parties endommagées de béton. Comme le béton se dégrade à partir de la surface exposée, la méthode habituelle decaractérisation de la résistance mécanique par essai sur carotte prélevée in situ estinadaptée car elle donne un résultat trop global concernant une épaisseur de béton égaleà la longueur de la carotte soit au minimum 50 à 100 mm. La procédure présentée icipermet d'estimer la résistance mécanique du béton en place par pas de 10 mm à partir dela surface.

PRINCIPE DE LA MESURE

La dégradation du béton affecte différents aspects de ses propriétés mécaniques (élasticitéet rupture). Le niveau de cette dégradation peut donc être évalué par la diminutionrelative de l'une de ces caractéristiques comme le module d'élasticité de flexion.Le principe de la mesure repose sur la détermination du module d'élasticité dynamiqueà partir de la mesure de la fréquence propre de résonance de disques obtenus par sciageen tranches successives de carottes prélevées dans l'ouvrage. Ces mesures, réalisées ainsià différentes profondeurs dans le béton prélevé, permettent de dresser son profil demodule d'élasticité, du parement jusqu'au cœur de la structure [1 à 2].

DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL

Le matériel se compose de :une scie à béton de précision pour la confection des disques. Il s'agit d'une machine

équipée d'une lame diamantée à jante continue d'une capacité de coupe adaptée aux

PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.7

MÉTHODE

62.7

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éléments à découper (découpe en une passe). Le porte échantillon est muni d'undispositif de bridage qui doit assurer un maintien strict des carottes, ainsi que d'une butéeamovible permettant le positionnement toujours identique de la carotte par rapport à lalame pour chaque coupe ;

une balance de précision 0,1 g ;un pied à coulisse d'ouverture minimale 250 mm et de précision 0,05 mm ;un analyseur de fréquence de résonance de pièces en béton de type « GRINDO-

SONIC » (Fig. 33) ou matériel équivalent permettant la détermination (analyseur despectre, etc.) ;

un marteau de mise en vibration des disques et un support des disques.

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

56

MÉTHODOLOGIE

Ces essais se déroulent en trois étapes :le prélèvement des carottes in situ (cf. fiche « Le prélèvement de carottes in situ ») ;la confection des disques à partir des carottes ;la mesure de fréquence de résonance des disques.

Prélèvement des carottes

Les carottes, d'un diamètre compris entre 80 et 100 mm, sont prélevées suivant laprocédure habituelle en la matière, c'est-à-dire au moyen d'un carottier diamanté et souseau (Fig. 34). Dans le cas de la présente application, la longueur des carottages sera fixéede manière à :

pouvoir étudier le profil de module sur une profondeur suffisante (de 50 à 100 mm) ;disposer d'une longueur excédentaire pour le maintien de la carotte pendant le

découpage des disques (50 à 70 mm selon le modèle de scie), et enfin, au besoin ; pouvoir en plus confectionner des éprouvettes pour essais mécaniques classiques (au

moins 100 mm).

Le nombre et l'implantation des carottages sont déterminés en fonction de l'importancedes investigations à réaliser et, en particulier selon le type d'ouvrage, le mode defonctionnement de la structure et l'étendue des dommages constatés. Une localisation duferraillage par méthode électromagnétique doit être menée afin d'éviter la présenced'armatures dans les carottes au moins dans les premiers centimètres.

Figure 33Mesure de la fréquence de résonance d’un disquede béton.

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PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.7

D'une manière générale, les prélèvements doivent être répartis sur les différents types departies de l'ouvrage et, pour chacun d'eux, dans une zone indemne et dans plusieurszones endommagées à des degrés divers. Sitôt les carottes extraites de l'ouvrage, celles-cisont rincées à l'eau claire, identifiées et immédiatement emballées dans un film étanche.

Confection des disques à partir des carottes

Préalablement au découpage des disques dans les carottes, on procède à toutes lesobservations, prélèvements et constatations utiles relatives à la nature du béton et à sonétat de dégradation apparent.

Les carottes sont ensuite essuyées puis revêtues sur leur périphérie d'une ou deuxcouches de feuille épaisse adhésive d'aluminium afin de limiter les risques d'épaufruresdes bords des disques lors de leur découpage.

Dans le cas où le parement extérieur est irrégulier (cf. Fig. 36) ou dégradé (écailles), unerectification de la surface concernée est opérée par meulage ou par découpe à la scie. Ondoit veiller cependant, dans ce cas, à limiter le plus possible la longueur de carotteéliminée.

Le réglage de la butée de positionnement longitudinal de la carotte est réalisé de manièreà découper des disques d'une épaisseur constante voisine du dixième du diamètre.

La carotte est mise en place et bridée sur le porte échantillon de la scie. La vitesse deprogression de la coupe est ajustée selon l'état du béton afin d'éviter toute détérioration,notamment en fin de coupe. Après découpe, chaque disque est ensuite rincé, débarrasséde son film d'aluminium, repéré (numéro du disque - référence carotte) puis stocké à l'airlibre en laboratoire.

Mesures de fréquence de résonance des disques

Après pesée et mesures dimensionnelles (diamètre et épaisseur), les disques sont placésà l'horizontale sur un support de mesure constitué de bandes de mousse disposées en

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Figure 34Prélèvement de carotte sur le revêtement d’un tunnel.

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croix. Le capteur de vibration est placé sur la couronne du disque entre deux supportspuis un coup de marteau est appliqué sur le bord du disque à l'opposé du capteur ou à90° de celui-ci (Fig. 35). Le chiffre indiqué par l'appareil est relevé et l'opération estrenouvelée jusqu'à ce qu'une même valeur se répète suffisamment fréquemment unedizaine de fois. La valeur stable finale est notée.

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

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Figure 35Procédure de mesure de la fréquence de résonance d’un disque de béton.

EXPLOITATION DES RÉSULTATS

La fréquence propre de résonance d'un corps dépend de sa forme, de ses dimensions, desa masse et de l'élasticité du matériau qui le constitue.

Pour un objet en forme de disque mince, ces paramètres sont liées par la formule :

Edyn = 5,2.103 m d2 / G2 e3

Avec : Edyn Module d'élasticité dynamique en GPam Masse du disque en g (à 0,1 g près)d Diamètre du disque en mm (à 0,1 mm près)e Épaisseur du disque en mm (à 0,1 mm près)G Affichage de l'appareil GRINDO-SONIC : double période de vibration

en μs (dans le cas d'un appareil qui fournit une valeur de fréquence f en Hz, G est donné par 2 × 106 / f).

Il est à noter que la valeur du module d'élasticité dynamique est généralement différentedu module d'élasticité dit « statique » que l'on détermine en mesurant la déformationd'un corps soumis à une charge donnée orientée dans la même direction que celle de lamesure dimensionnelle. Cet écart est dû à la différence du niveau de sollicitationmécanique des corps d'épreuve entre les deux méthodes. Dans le cas de la mesure parrésonance les efforts appliqués sont insignifiants, le module est alors donné par la pentede la tangente à l'origine de la courbe effort - déformation. Dans le cas du modulestatique, la charge d'essai est élevée, et, les déformations n'étant plus à ce stadeproportionnelles aux efforts, le module est donné par une droite sécante à la courbeeffort - déformation, c'est-à-dire qu'il est inférieur à la valeur du module dynamique.

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PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.7

Pour un béton de bonne qualité, l'écart entre les deux modules est de l'ordre de 7 GPa. Aubesoin, une corrélation précise peut être établie expérimentalement sur des carottesprélevées dans l'ouvrage étudié.

EXEMPLE D'UTILISATION DE LA MÉTHODE

Détermination du profil de module d'une paroi incendiée

Un exemple de calcul de modules dynamiques sur une série de six disques confectionnésdans une carotte prélevée sur un parement endommagé par un incendie est présentédans le tableau IV. On y retrouve la valeur du module dynamique de chaque disque, duplus proche au plus éloigné du parement, ainsi que le rapport de chaque valeur demodule avec la moyenne de l'ensemble des mesures. On peut donc constater que lemodule est plus faible pour les deux premiers disques, ce qui correspond à l'existenced'une zone de moindre qualité sur une épaisseur comprise entre 23 et 38 mm.

TABLEAU IVExemple de calcul des masses volumiques et des modules des disques Φ 4,5 mm selon la position par rapport au parement

5-1 8,8 161 94,5 11,6 1,98 368 35,4 82

5-2 23,4 182 94,5 11,7 2,22 356 41,6 96

5-3 38 196 94,5 11,6 2,41 362 44,5 102

5-4 52,6 198 94,5 11,8 2,39 350 45,7 105

5-5 67,2 197 94,5 11,6 2,42 354 46,8 108

5-6 81,8 199 94,4 11,8 2,41 347 46,6 107

Module dynamique moyen 43,4 100

Repère Profondeur Mesures sur disque Calcul Lecture Module Pourcentagecarotte- Centre de masse grindosonic dynamique de la valeurDisque gravité l Masse Diamètre Épaisseur volumique moyenne

parement totale d erestant(mm) (g) (mm) (mm) (g/cm3) G (μs) GPa (%)

Un autre exemple est présenté dans la figure 37 sous forme de graphes représentant, pourplusieurs prélèvements, la variation du module de chaque disque par rapport à lamoyenne de chaque prélèvement en fonction de la profondeur résiduelle. Ici encore, onobserve un affaiblissement systématique du module à proximité du parement surenviron 30 à 40 mm de profondeur.

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RÉPÉTABILITÉ DE LA MESUREDU MODULE D'ÉLASTICITÉ DYNAMIQUE

Des essais de répétabilité menés sur une série de dix disques confectionnés dans unemême carotte extraite d'un matériau homogène (bloc de granite) conduisent à un écarttype 1,9 GPa pour un module d'élasticité dynamique moyen de 69 GPa.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] Cyril M. Harris, Charles E. Crede, Shock and vibrations handbook, Ed. Mc Graw - Hill BookCompagny, 1972.

[2] FASSEU P., Incendie du tunnel sous la Manche, Expertise des désordres et contrôle de la réparation,Monographies d'études et de recherches 1996-1997, Document LCPC, 1996.

CONTACT

Pascal Fasseu 03 20 48 49 49 [email protected]

LRPC de Lille - Unité Bétons et BâtimentsFax : 03 20 50 55 09

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

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Figure 36Aspect de l’une des carottes avant découpedes disques.À noter l’état dégradé de l’extrémité côtéparement (à gauche) empêchant la réalisationd’un disque à proximité immédiate de cetteextrémite.

Figure 37Courbes de variation du module selon laprofondeur pour divers prélèvements de bétondans le revêtement d’un tunnel.

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PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.8

ESTIMATION DES TEMPÉRATURESATTEINTES DANS LES BÉTONSPAR MICROSCOPIE ÉLECTRONIQUEÀ BALAYAGE

OBJET DE LA MESURE ET DOMAINE D’APPLICATION

L'objectif de cet essai, qui repose sur des examens au microscope électronique à balayage,est d'obtenir des informations sur les températures auxquelles les bétons ont été soumis.Ces informations sont obtenues sous forme de paliers détectés, soit par une modificationtexturale due par exemple à des phénomènes de retrait ou de dilatation des constituantsdu béton, soit par une transformation de certaines phases minérales due par exemple àdes recristallisations après un cycle de chauffage suivi d'une éventuelle ré-humidification. Ces modifications structurales se produisent à des températures connuesde sorte que cet essai répond comme un thermomètre à maxima.

Cette caractérisation peut être réalisée sur du béton provenant d'éprouvettes moulées(simulation des températures en laboratoire) ou sur des carottes prélevées sur ouvrage.Un profil de diffusion de la chaleur dans les bétons peut aussi être obtenu en examinantdes échantillons prélevés à différents niveaux de profondeur dans la carotte.

PRINCIPE

Le principe de la microscopie électronique à balayage consiste à déplacer un faisceaud'électrons de haute énergie et très focalisé (environ 50 mm de diamètre) suivant unesérie de lignes parallèles sur la surface de l'échantillon à analyser. L'interaction dufaisceau d'électrons avec la surface induit plusieurs phénomènes (Fig. 38) : absorptiond'électrons, rétrodiffusion et diffraction d'électrons, émission d'électrons secondaires etAuger, émission de photons X, UV et visibles (cathodoluminescence). Chacun de ceseffets peut donner lieu à la formation d'une « image », si l'on dispose du détecteurcorrespondant, capable de transformer l'effet obtenu en signal électrique.

MÉTHODE

62.8

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L'utilisation des électrons secondaires est le mode habituel de formation d'images pourles microscopes à balayage courants. Elle donne une information sur la topographie d'unéchantillon massif. En effet, la grande profondeur de champ et la haute résolutionpermettent la visualisation de détails très fins de la microstructure. Le contraste decomposition ou de numéro atomique peut être visualisé à partir des électronsrétrodiffusés. Par contre, cette technique nécessite de travailler sur des surfaces polies.Enfin, il est possible d'analyser, à l'aide d'un spectromètre, les photons X caractéristiquesde chaque élément entrant dans la composition chimique de l'échantillon.

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

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Échantillon

Faisceau d'électrons primaires

Zone d'échappéedes électrons secondaires

Zone d'échappéedes électronsrétrodiffusés

Zone d'échappéedes photons X

Pénétrationdu faisceau primaire

DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL

Le dispositif expérimental décrit ici est celui du LCPC. Il s'agit d'un microscopeélectronique à balayage PHILIPS XL 30. Il est composé d'une chambre à échantillon, d'unecolonne, d'un détecteur d'électrons secondaires, d'un détecteur d'électrons rétrodiffusés,de deux écrans de visualisation et d'un système de pompage destiné à assurer le videdans la colonne et la chambre. Enfin, le microscope est également équipé d'unemicrosonde EDAX DX 4i pour l'analyse en sélection d'énergie du spectre X émis (Fig. 39).

Figure 38Effets du bombardement électroniquesur la matière.

Figure 39Vue d’ensemble du microscope électronique àbalayage.

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PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.8

MÉTHODOLOGIE

Préparation des échantillons

Deux méthodes de préparation des échantillons sont nécessaires :des cassures fraîches obtenues par fracture au marteau afin de préserver l'apparence

et l'agencement des minéraux constitutifs du matériau ;des fragments de béton prélevés par sciage, imprégnés de résine puis polis jusqu'au

micromètre. Cette méthode de préparation permet notamment d'observer la micro-fissuration du matériau sans générer d'artefacts.

Dans le cas de l'établissement d'un profil de diffusion de la chaleur dans le béton, deséchantillons sont alors prélevés à différents niveaux de profondeur de la carotte.L'épaisseur et le nombre de rondelles à découper sont fonctions de la nature et de la duréede l'incendie.

Les échantillons doivent subir, après fracture et sciage, un traitement de dessiccation sousvide qui ne doit pas dépasser une température de 40 °C. Ensuite, les échantillons sontrevêtus d'un film conducteur. Dans le cas où la microanalyse par spectrométrie àdispersion d'énergie est utilisée, un dépôt de carbone, peu absorbant pour lesrayonnements X et permettant de s'affranchir de certaines interférences (entre Au et S parexemple) est préférable par rapport aux autres métaux conducteurs.

Conditions d'observations au microscope

Les microscopes électroniques permettant de travailler de manière courante et efficace àdes grandissements compris entre 10 et 10 000, la démarche logique à adopter est departir des échelles les plus grossières vers les échelles les plus fines. L'examenmicroscopique s'effectue alors selon la procédure préconisée dans le document« Méthodologie d'approche de la microstructure des bétons par les techniquesmicroscopiques » [1]. Les fractures fraîches sont observées en utilisant la technique desélectrons secondaires. Les surfaces polies sont examinées en employant la technique desélectrons rétrodiffusés.

EXPLOITATION DES RÉSULTATS

L'exploitation des images obtenues par microscopie électronique à balayage nécessite unpersonnel spécialisé possédant une bonne expérience de la physico-chimie des bétons etde leur microstructure.

Nous donnons dans les pages suivantes plusieurs exemples de photographies (Fig. 40 àFig. 52) qui illustrent bien les modifications texturales ainsi que les transformations decertaines phases minérales du béton se produisant à des températures connues. Lesexemples utilisés sont présentés en relation avec un accroissement de la température.

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Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

Figure 40Surface d'un béton ne présentant pas de faciès d'altération, enparticulier absence de fissure. Cet échantillon n'a pas subid'échauffement au-delà de 100 °C.(Surface polie, technique des électrons rétrodiffusés,grossissement × 60).

Figure 41Cristaux d'ettringite aciculaire dans une vacuole. L'ettringite(3CaO.Al2O3.CaSO4.32H2O) commence à perdre son eau deconstitution à partir de 80 °C et devient amorphe pour destempératures supérieures à 100 °C. La présence d'ettringiteatteste donc que le matériau n'a pas subi une élévation detempérature au-delà de 100 °C, sauf si un apport d'eau s'estproduit après l'incendie ayant permis alors une réhydratation. (Fracture fraîche, technique des électrons secondaires,grossissement × 100).

Figure 42Apparition de fissures au sein de la pâte de ciment dues audépart de l'eau. Phénomène observé pour des températuresvoisines de 200 °C.(Surface polie, technique des électrons rétrodiffusés,grossissement × 160).

Figure 43Recristallisation sous forme de « roses des sables » de laportlandite (Ca(OH)2) transformée en chaux vive (CaO) lors del'incendie. Phénomène observé pour des températures voisinesde 500 °C.(Fracture fraîche, technique des électrons secondaires,grossissement × 1220).

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PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.8

Figure 44Fractures transgranulaires d'un grain de quartz (SiO2). Cecicorrespond à la transformation allotropique du quartz α enquartz β qui se produit autour de 570 °C. Cette transformationréversible a des répercussions importantes sur les propriétésphysiques du quartz et induit en particulier une dilatation (0,8 %en volume).(Fracture fraîche, technique des électrons secondaires,grossissement × 150).

Figure 46Présence de concrétions de sulfate de calcium amorphe à lasurface de l'échantillon. À une température voisine de 1000 °C,la décomposition des sulfoaluminates de calcium hydratés(ettringite et monosulfoaluminate) conduit entre autres à laformation de produits anhydres tel que l'anhydrite (CaSO4).(Fracture fraîche, technique des électrons secondaires,grossissement × 2000).

Figure 47Mamelons d'anhydrite en surface de la matrice attestant que lebéton a atteint une température voisine de 1000 °C.(Fracture fraîche, technique des électrons secondaires,grossissement × 700).

Figure 45Fissuration en forme d'étoile d'un cristal de quartz (α) et jointsinter cristallins (flèches) attestant que le béton a atteint destempératures supérieures à 570 °C.(Surface polie, technique des électrons rétrodiffusés,grossissement × 800).

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Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

Figure 48Le faïençage observé traduit un début de décohésionintragranulaire du granite. Les minéraux du granite (feldspaths,quartz, micas) se comportent au feu par des variations de leursdimensions microstructurelles en fonction de la température. Cephénomène se produit pour des températures voisines de800 °C.(Surface polie, technique des électrons rétrodiffusés,grossissement × 30).

Figure 50Matrice cimentaire d'aspect vitreux et présentant unemacroporosité importante. La forte porosité provient de ladégradation des phases minérales présentes avant l'incendie(entre autres, vaporisation de l'eau de constitution deshydrates). Ce phénomène témoigne d'une élévation de latempérature au-delà de 1000 °C.(Fracture fraîche, technique des électrons secondaires,grossissement × 150).

Figure 51Densification et vitrification de la matrice cimentaire. Cecis'explique vraisemblablement par le remplacement au cours del'échauffement des liaisons hydrauliques par des liaisonscéramiques. Ce phénomène débute à partir de 1000/1100 °C.(Surface polie, technique des électrons rétrodiffusés,grossissement × 80).

Figure 49Décohésion généralisée des minéraux constitutifs du granulatgranitique. En effet, il se produit à haute température (vers1000 °C) un important retrait des minéraux qui engendre alorsune fissuration du granulat.(Surface polie, technique des électrons rétrodiffusés,grossissement × 100).

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PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.8

EXEMPLES D'UTILISATION DE LA MÉTHODE DE MESURE

À la demande d'ATMB (Autoroute du tunnel du Mont-Blanc), des échantillons de bétonprélevés dans le tunnel du Mont-Blanc après l'incendie du 24 mars 1999 ont étécaractérisés d'un point de vue physico-chimique afin de déterminer les températuresauxquelles ont été portés les bétons. Ces échantillons proviennent de différentes zones dutunnel qui ont été classées, lors de l'inspection, selon leur état d'endommagement :

zone en dehors de l'incendie : Gzone de feu intermédiaire : A', B et Ezone de feu intense : D et F

Les résultats présentés dans le tableau V ont été obtenus à partir du recoupement desinformations provenant de trois méthodes de caractérisation : la microscopie électroniqueà balayage, l'analyse thermique et la diffractométrie des rayons X. La température atteintea été estimée sur les parties superficielles de béton (entre 0 et 2 cm de profondeur)provenant des différentes zones du tunnel du Mont-Blanc.

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Figure 52Phase cristallisée en forme de bâtonnets et de compositionSiO2, CaO à la surface de la matrice. Il s'agit de la wollastonite β(CaO.SiO2). D'après le diagramme de phases CaO-SiO2, laformation de wollastonite ne peut arriver qu'à partir d'unetempérature supérieure à 1125 °C.(Surface polie, technique des électrons rétrodiffusés,grossissement × 200).

Par ailleurs, il est indispensable defaire appel à plusieurs méthodes decaractérisation complémentaires pourgarantir la plus grande fiabilité de lasynthèse finale. En effet, l'utilisationd'une seule méthode risque d'en-traîner une vision tronquée ouerronée de la microstructure du béton.Par conséquent, l'examen micros-copique devra très souvent êtrecomplété par des méthodes d'ap-proche plus globales telles que ladiffractométrie des rayons X et lesanalyses thermiques [2].

TABLEAU VEstimation des températures atteintes dans les parties superficielles du béton (0 à 2 cm de profondeur) du tunnel du Mont-Blanc, suite à l’incendie du 24 mars 1999

Références de la zone A’ A’ B B D D E

Température atteinte (°C) 200-400 200-400 200-400 200-400 700-800 800-900 200-400

Références de la zone E E E F F F G

Température atteinte (°C) 200-400 200-400 ≅ 570 ≅ 570 400-500 400-500 < 100

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Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

La zone D apparaît la plus affectée par l'incendie. En effet, le béton a subi une élévationde température proche de 900 °C. Il est vraisemblable que la partie superficielle du béton,qui était en contact direct avec le feu et qui s'est décrochée de la voûte (échantillon nonanalysé), ait dépassé cette température compte tenu de l'éclatement du matériau.

La zone F a également subi une zone de feu intense mais le béton a été porté à unetempérature moins élevée (au maximum 570 °C).

La zone E comporte un échantillon pour lequel la température du béton a égalementatteint 570 °C. Pour les autres échantillons de cette zone, l'incendie n'a pas engendré unéchauffement important du béton. Celui-ci se situe vers 200 °C - 400 °C. La pâte de cimentapparaît peu fissurée ce qui milite en faveur d'une température plus proche de 200 °C.Toutefois, nous ne pouvons pas définir plus précisément la fourchette de températureétant donné l'absence de modifications minéralogiques dans ce domaine detempératures.

Les bétons des zones A' et B ont été soumis à des températures similaires à la zone E,c'est-à-dire à une température comprise entre 200° et 400 °C.

Enfin, le béton de la zone G, prélevé en dehors de la zone d'incendie, n'a bien subi aucunéchauffement significatif.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] Mode opératoire de l'AFPC-AFREM, Méthodologie d'approche de la microstructure des bétons parles techniques microscopiques, 1998.

[2] PERSY J.-P., DELOYE F.-X., Investigations sur un ouvrage en béton incendié, Bulletin deslaboratoires des Ponts et Chaussées, 145, pp. 108-114, 1986.

CONTACTS

Loïc Divet 01 40 43 51 48 [email protected]

Thierry Berthelot 01 40 43 52 36 [email protected]

Laboratoire Central des Ponts et Chaussées - Service physico-chimie des matériauxSection Pathologie des bétons, Protection et ExpertiseFax : 01 40 43 65 14

Page 72: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.9

ESTIMATION DES TEMPÉRATURESATTEINTES DANS LES BÉTONSPAR ANALYSES THERMIQUES

OBJET ET DOMAINE D'APPLICATION

L'objectif de cet essai est d'obtenir des informations sur les températures auxquelles lesbétons ont été soumis. Cet essai permet d'identifier, voire de quantifier, des phases solidesprésentes dans le béton après une exposition à un incendie. Il peut s'agir alors deminéraux initialement contenus dans le béton ou de produits résultant de modificationschimiques et minéralogiques consécutives à une élévation de température. Dans les deuxcas, la présence ou l'absence de phases solides donne une indication sur la températureatteinte dans le matériau.

Ce mode opératoire décrit le déroulement d'une analyse thermique simultanée quicomprend une analyse thermogravimétrique (ATG) et une analyse thermiquedifférentielle (ATD), appliquées à un échantillon de béton. Un profil de diffusion de lachaleur dans les bétons peut aussi être obtenu en examinant des échantillons prélevés àdifférents niveaux de profondeur de la carotte. Enfin, il est souhaitable d'associer cet essaiavec une détermination de la silice soluble du béton afin de connaître précisément ledosage en ciment des échantillons. En effet, une hétérogénéité du matériau (en fonctionde la zone et de la profondeur analysées) peut entraîner des erreurs d'interprétation.

PRINCIPE

Le principe de l'analyse thermogravimétrique est de mesurer en fonction du temps ou dela température les variations de masse d'un échantillon soumis à un programme detempérature déterminé.

Le principe de l'analyse thermique différentielle est de mesurer, en fonction du temps oude la température, la différence de température entre un échantillon et une référenceprovoquée par toutes modifications physique et/ou chimique de l'échantillon lorsqu'ilssont soumis à une même loi de variation de température.

Ces deux méthodes permettent d'obtenir des données soit qualitatives soit quan-titatives [1].

La thermogravimétrie et sa dérivée, notée DTG, quantifient les diverses pertes ou reprisesde masse observées au cours de l'essai.

L'analyse thermique différentielle permet une identification des phases responsables desdifférentes pertes ou reprises de masse observées au cours de l'essai.

69

MÉTHODE

62.9

Page 73: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL

Le matériel disponible au LCPC est le suivant :une thermobalance ou analyseur thermique simultané (25 à 1200 °C) ;une balance permettant de mesurer la masse initiale de l'éprouvette avec une précision

de ± 0,1 mg ;des creusets de platine.

La figure 53 donne le principe de fonctionnement d'une thermobalance.

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

70

Four

QRQS

QR + QS

Balance

Système�d'évacuation

Capillaire pour�entrée des gaz

Porte-échantillon

Radiateurs

Tube de protection

Fermeture étanche

Capteur de�déplacement

Compensation�électromagnétique

Caisson étanche�au vide

Porte-échantillon DSC

Porte-échantillon TG

Figure 53Principe de fonctionnement d’une thermobalance.

Page 74: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.9

La figure 54 présente l’analyseur simultané utilisé au LCPC.

71

MÉTHODOLOGIE

Préparation de l'échantillon

L'échantillon de béton à analyser est fragmenté au concasseur de façon à obtenir unegranulométrie inférieure à 2,5 mm. Cette opération doit se faire en récupérantsoigneusement toutes les fines produites. Prélever au moins 100 g d'échantillon au moyend'un échantillonneur ou par quartage. Broyer l'échantillon pendant quelques secondespuis tamiser à 315 μm. Répéter l'opération « broyage plus tamisage » jusqu'à passagecomplet à 315 μm. Transférer l'échantillon dans un flacon propre et sec à fermeturehermétique, prendre soin de ne pas perdre de fines et agiter vigoureusement pourl'homogénéiser.

Enfin, une prise d'essai de l'ordre de 180 à 230 mg est placée dans un creuset en platine(préalablement calciné) compatible avec l'analyseur et pesée avec précision.

Paramètres de l'appareil

Tout appareil analytique nécessite des réglages ou des procédures de correction afin dedonner des résultats fiables et corrects.

Les étalonnages et les corrections des dérives de l'appareil portent sur :l'étalonnage en température ;l'étalonnage de la masse ;la correction de la poussée d'Archimède ou correction de la variation apparente de la

masse en fonction de la température.

Les méthodes utilisées varient en fonction du type de thermobalance et doivent êtreappliquées selon des procédures définies en accord avec les constructeurs des appareils.

L'étalonnage et la vérification de la masse peuvent s'effectuer soit par pesage de poidscalibrés soit par analyse thermogravimétrique de références (carbonate de calcium RP,oxalate de calcium RP).

Le creuset utilisé lors des analyses est calciné avant l'introduction de la prise d'essai et estmanipulé ensuite avec des pinces.

Figure 54Analyseur thermique simultané.

Page 75: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

Description de l'essai

Selon la nature du liant entrant dans la composition du béton à analyser, l'essai sedéroule, soit sous atmosphère inerte, soit sous air. Dans le cas d'un essai sous atmosphèreinerte, la thermobalance doit être dégazée, soit par mise sous vide suivie d'unremplissage par le gaz inerte, soit par un long balayage par le gaz inerte avant decommencer les mesures.

L'analyse thermique est conduite suivant le programme de température suivant :départ à la température ambiante (proche de 25 °C) ;chauffage linéaire depuis la température ambiante jusqu'à 1150 °C et à une vitesse de

10 °C/min selon les conditions suivantes :soit sous balayage d'azote (80 ml/min),soit sous balayage d'air (80 ml/min).

Remarque : Le débit du gaz de travail (azote ou air) doit rester constant tout au long del'essai.

EXPLOITATION DES RÉSULTATS

L'exploitation des courbes permet d'identifier, et parfois de quantifier, les phasesminérales contenues dans le béton. Leur présence ou leur absence est associée à des seuilsde température. Par exemple, la pâte de ciment soumise à une élévation de température,subit plusieurs évolutions. La plus connue concerne la déshydratation de la portlandite[Ca(OH)2 ⇒ CaO + H2O] qui se produit entre 450 °C et 540 °C. De même, les granulatssubissent aussi des modifications consécutives à une forte élévation de température. Parexemple, nous citerons le cas de la décarbonatation des granulats calcaires [CaCO3 ⇒CaO + CO2] qui se produit vers 800 °C [2].

La comparaison avec un échantillon, provenant d'une zone non soumise à un incendie,est indispensable. Elle donne ainsi des informations sur les températures auxquelles lesbétons ont été soumis. Ceci se traduit notamment par une diminution de la teneur en eauliée et/ou en gaz carbonique.

L'exploitation des courbes se fait suivant un protocole qui est fonction du logiciel del'appareil et doit respecter les points suivants selon les possibilités de chaque appareil :

axe des ordonnées en mg ou en pourcentage de variation de masse ;axe des abscisses en température (°C) ou en temps ;lissage de la courbe (fonction du logiciel) ;correction de la poussée d'Archimède (fonction du logiciel) ;calcul et affichage de la courbe dérivée (fonction du logiciel) ;calcul des différentes perte ou gain de masse ;calcul des températures des maximum des pics ATD.

1. Courbe thermogravimétrique (ATG)

La courbe DTG, permet de mieux calculer les divers pertes ou gains de masse en précisantavec netteté les températures de début et de fin de réaction donnant naissance aux diversaccidents enregistrés sur la courbe ATG. Un exemple est présenté dans la figure 55.

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

72

Page 76: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.9

La thermogravimétrie permet de déterminer :la teneur en eau liée aux hydrates (C-S-H, ettringite, etc.) ;la teneur en eau de la portlandite. Le départ de cette eau se produit entre 450 et 540 °C ;la teneur en eau correspondant aux groupements hydroxyle contenus dans certains

minéraux des granulats (départ à partir de 800 °C) ;la teneur en gaz carbonique CO2 provenant de la décomposition de la dolomite et/ou

de calcite des granulats et/ou de la calcite provenant de la carbonatation du liant ;la perte au feu totale de l'échantillon de béton.

2. Courbe d'analyse thermique différentielle (ATD)

Cette courbe (cf. Fig. 55) permet d'identifier les phases ayant provoqué des pertes ou desgains de masse par la température maximale des pics comme, par exemple :

110 - 130 °C : C-S-H et ettringite ;175 - 190 °C : monocarboaluminate de calcium hydraté ;230 - 240 °C : aluminate de calcium hydraté ;250 - 270 °C : géhlénite hydratée ;390 - 400 °C : brucite ;460 - 510 °C : portlandite ;575 - 579 °C : quartz (ici, il ne s'agit pas d'un gain ou d'une perte de masse, mais de

la transformation quartz α→β) ;650 - 750 °C : calcite de carbonatation ;780 - 800 °C : partie magnésienne de la dolomite ;900 - 930 °C : cristallisation de la wollastonite.

La présence ou l'absence de l'un de ces minéraux donne alors une information sur lestempératures auxquelles les bétons ont été soumis.

73

C-S-H + ettringite

Carboaluminate de calcium

Brucite

Portlandite

Calcite

Cristallisation wollastonite

0 200 400 600 800 1000 1200-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

TG

ATD

Quartz a b

C4AHn+/-CO2

116°

C 176,

5°C

491,

4°C

573,

1°C 773,

2°C 90

2,5°

C

234,

2°C

397,

2C

Signal ATD (μV)

Température (˚C)

Figure 55Courbes ATG et ATD types obtenues avec un échantillon de béton.

Page 77: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

EXEMPLES D'UTILISATION DE LA MÉTHODE

Les figures 56 et 57 présentent l'évolution de la microstructure du béton du tunnel duMont-Blanc en fonction de la température et, plus précisément à 200, 400, 600, 800 et1000 °C. En effet, une simulation en laboratoire des températures atteintes dans les bétonslors de l'incendie du 8 mars 1999 a été réalisée sur des disques de deux centimètresd'épaisseur issus de béton provenant de zones indemnes. Cette étude a permis dedéterminer les « traceurs de température » et de suivre également l'évolution de la teneuren eau dans le béton.

Pour cela, l'eau contenue dans la structure des bétons a été répartie en trois domaines :l'eau évaporée à des températures inférieures à 500 °C. Cette eau sera considérée

comme l'eau faiblement liée des hydrates du ciment et, en particulier des silicates decalcium hydratés (C-S-H). Cette eau sera dénommée « eau hydrates BT », BT pour bassetempérature ;

l'eau évaporée dans le domaine de température allant de 500 à 750-800 °C. Elle seraconsidérée comme étant l'eau fortement liée des C-S-H. Cette eau sera dénommée « eauhydrates HT », HT pour haute température ;

l'eau évaporée à partir de 850-900 °C qui correspond aux groupements hydroxylecontenus dans certains minéraux des granulats. Cette eau sera dénommée « eauhydroxilique des granulats ».

Les différentes teneurs en eau liée (Fig. 56) sont exprimées par rapport à la masse deciment anhydre, déterminée par analyses chimiques, afin de prendre en compte uneéventuelle hétérogénéité du béton et de mieux suivre spécifiquement le phénomène dedéshydratation de la pâte de ciment avec une élévation de température.

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

74

0

5

10

15

20

25

30

0 200 400 600 800 1000 1200

Eau hydrates BT Eau hydrates HT

% eau liée par rapport à la masse de ciment anhydre

Température imposée au béton (˚C)

Au-delà d'un échauffement de 600 °C, il ne reste plus d'eau liée aux hydrates du ciment.Entre 200 et 400 °C, il apparaît des changements dans la répartition de l'eau ditefaiblement (eau hydrates BT) et fortement (eau hydrates HT) liée aux hydrates indiquantdes modifications dans leurs microstructures.

Les teneurs en eau hydroxyle des granulats ainsi que les teneurs en gaz carbonique sontexprimés par rapport à la masse totale de béton (Fig. 57).

Figure 56Évolution de la teneur en eau des hydrates duciment en fonction de la température pour lebéton du tunnel du Mont-Blanc. Les résultatssont exprimés par rapport à la masse de cimentanhydre.

Page 78: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.9

Les résultats de l'analyse thermique montrent que le béton du tunnel du Mont-Blanccomporte très peu de calcite (CaCO3), de l'ordre de 1,6 %. Néanmoins, ce minéral, mêmeà de très faibles teneurs, reste un très bon « traceur de température » car il n'est plusdétecté à partir de 800 °C. Enfin, les minéraux des granulats perdent totalement leursgroupements hydroxyle à une température de 1000 °C. Il est important de rappeler quel'étude de l'évolution de la microstructure du béton avec la température a été réalisée àpartir de différentes rondelles d'échantillon de 2 centimètres d'épaisseur. Il en résultealors une faible hétérogénéité des minéraux contenus dans les granulats qui se traduit pardes variations de teneurs en groupements hydroxiliques (de 0,2 à 0,5 % par rapport à lamasse totale du béton).

La détermination des températures atteintes dans les bétons du tunnel du Mont-Blanc aété ensuite réalisée sur des carottes provenant de zones soumises à l'incendie. L'étude aété réalisée à partir de deux carottes, l'une prélevée dans une zone de feu intense et l'autreprovenant d'une zone de feu intermédiaire. Pour chaque carotte, neuf disques de bétond'épaisseur 2 centimètres ont été obtenus par sciage : 0-2 cm, 2-4 cm, 4-6 cm, 6-8 cm, 8-10 cm, 10-12 cm, 12-14 cm, 14-16 cm et 16-18 cm.

Dans un premier temps, nous avons vérifié l'uniformité de la qualité des bétons à partirdu dosage en ciment mesuré en fonction du niveau de profondeur (Fig. 58). Il apparaîtalors une variation importante du dosage en ciment (de 110 à 400 kg/m3). Ce changementde qualité de béton est localisé entre 11 et 13 cm de profondeur. Ceci est susceptibled'induire des difficultés d'interprétation pour mesurer l'endommagement du bétonconsécutif à l'incendie. C'est pourquoi, nous avons déterminé l'évolution des teneurs eneau liée en fonction de la profondeur par rapport à la masse de ciment anhydre.

75

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0 200 400 600 800 1000 1200

Eau hydroxilique granulats CO2

Température imposée au béton (˚C)

% eau hydroxilique et % CO2 par rapport à la masse totale de béton Figure 57Évolution de la teneur en CO2 et en eauhydroxylique des granulats en fonctionde la température pour le béton du tunneldu Mont-Blanc. Les résultats sontexprimés par rapport à la masse totale debéton.

Figure 58Dosage en ciment des bétonsprovenant de deux zones dutunnel du Mont-Blanc.

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0-2 2-4 4-6 6-8 8-10 10-12 12-14 14-16 16-18Profondeur (cm)

Dosage en ciment (kg/m3)

Zone de feu intense Zone de feu intermédiaire

Page 79: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

Les informations issues de l'analyse thermique ont été ensuite confrontées aux résultatsobtenus par microscopie électronique à balayage et par diffractométrie des rayons X, cequi nous a permis d'établir le profil de température au sein des deux carottes de béton.La nature du béton du tunnel du Mont-Blanc ne nous a pas permis d'obtenir un nombresuffisant de « traceurs » structuraux dans le domaine des températures inférieures à500 °C. C'est pourquoi, nous avons donné des plages de températures pour certainsniveaux de profondeur. Les résultats de l'estimation des températures auxquelles ont étésoumis les bétons sont rassemblés dans le tableau VI.

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

76

TABLEAU VIEstimation des températures atteintes en fonction du niveau de profondeur

Profondeur (cm) 0-2 2-4 4-6 6-8 8-10 10-12 12-14 14-16 16-18

Température dans lazone de feu intense ≈ 900 ≈ 600 600/400 400/200 400/200 < 200 < 100 < 100 < 100(°C)

Température dans lazone de feu intermé- ≈ 600 ≈ 400 ≈ 400 400/200 400/200 ≈ 200 < 100 < 100 < 100diaire (°C)

Les deux zones d'incendie étudiées se différencient principalement par la températureatteinte en surface, respectivement environ 900 °C pour la zone de feu intense et environ600 °C pour la zone de feu intermédiaire. Cet écart de température est observé jusqu'àenviron 6 centimètres de profondeur où la température a été estimée, pour les deuxéchantillons, proche de 400 °C. Cette étude montre également qu'au-delà de 12 centimètresde profondeur le matériau n'est pas altéré et n'a pas subi d'échauffement significatif.

RÉPÉTABILITÉ DE LA MESURE DE LA PERTE DE MASSEPAR ANALYSE THERMIQUE

Des essais de répétabilité ont été menés sur une série de dix prélèvements d'une poudre decalcite RP (pureté de 99 % minimum). La calcite ou le carbonate de calcium se décomposesuivant la réaction : CaCO3 CaO + CO2. La décomposition a lieu pour une températuresupérieure à 675 °C et se termine vers 920 °C. La teneur en CO2 est de 43,95 %. Les essaisde répétabilité conduisent à un écart-type de 0,30 % pour cette teneur en CO2.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] NF T 01-021, Analyse thermique : Vocabulaire - Présentation des résultats.

[2] PERSY J.-P., DELOYE F.-X., Investigations sur un ouvrage en béton incendié, Bulletin de liaison deslaboratoires des Ponts et Chaussées, 145, pp. 108-114, 1986.

CONTACT

Gérard Platret 01 40 43 51 47 [email protected]

Laboratoire Central des Ponts et Chaussées - Service physico-chimie des matériauxFax : 01 40 43 65 14

Page 80: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.10

ESTIMATION DES TEMPÉRATURESATTEINTES DANS LES BÉTONS PARDIFFRACTOMÉTRIE DES RAYONS X

OBJET ET DOMAINE D'APPLICATION

L'objectif de cet essai est d'obtenir des informations sur les températures auxquelles lesbétons ont été soumis. Cet essai permet d'identifier les minéraux cristallisés présents dansle béton après une exposition à un incendie. Il peut s'agir soit de minéraux initialementcontenus dans le béton, soit de produits résultant de modifications chimiques etminéralogiques consécutives à une élévation de température. Dans les deux cas, laprésence ou l'absence de phases solides donne une indication sur la température atteintedans le matériau.

Cette méthode permet d'obtenir des données qualitatives et semi-quantitatives sur lesminéraux présents. Une détermination quantitative peut être réalisée moyennant unétalonnage préalable sur une raie caractéristique du minéral étudié.

Ce mode opératoire décrit le déroulement d'une analyse par diffractométrie des rayons Xappliquée à un échantillon de béton. Un profil de diffusion de la chaleur dans les bétonspeut aussi être obtenu en examinant des échantillons prélevés à différents niveaux deprofondeur de la carotte issue de l'ouvrage.

PRINCIPE

Les rayons X sont des radiations électromagnétiques de très courtes longueurs d'onde (de0,1 à 10 Å). Les cristaux constituent des réseaux naturels dont les intervallescaractéristiques (intervalles entre plans réticulaires) sont du même ordre de grandeur quela longueur d'onde des rayons X. En conséquence, les rayons X sont diffractés par lescristaux comme la lumière l'est par les réseaux et donnent des phénomènesd'interférences identiques. Les conditions de diffraction d'un rayonnement X par unefamille de plans réticulaires sont définies par la loi de Bragg :

n λ = 2 d sinθ

oun = nombre entier désignant l'ordre de réflexion ;λ = longueur d'onde du rayonnement X ;d = distance entre les plans réticulaires d'une même famille (raie exprimée en Å) ;θ = angle de diffraction.

77

MÉTHODE

62.10

Page 81: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

Pour qu'il y ait diffraction, il faut que les ondes réfléchies par une famille de plansparallèles, d'intervalle d, soient en phase c'est-à-dire que la différence de chemin entre lesrayons passant par A et par A' soit égale à un nombre entier de longueurs d'onde n λ(Fig. 59).

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

78

A

A'

A1

dn m

θ

θ

(π')(π0) (π)

S

S0Figure 59

Démonstration de la loi de Bragg.

Chaque espèce minérale ayant un motif cristallin qui lui est propre, deux poudresd'espèces différentes donnent des spectres de diffraction différents sous le même faisceaude rayons X.

DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL

Le matériel disponible au LCPC est le suivant :un générateur de rayons X. Le rayonnement est émis par une anticathode de cobalt

bombardée par un faisceau d'électrons de haute énergie (environ 30 kV) ;une chambre de diffraction, comportant la fenêtre d'entrée des rayons X, le porte

échantillon et le compteur proportionnel qui se déplace sur le cercle goniométrique,(cercle gradué en degrés, de 0 à 108°, cf. Fig. 60) ;

une baie de mesure dans laquelle les impulsions du compteur sont amplifiées ettraduites en un signal analogique ;

un module informatique d'acquisition de signal analogique transmis et d'exploitationdes diagrammes de diffractométrie des rayons X. il s'agit d'une station de travail SUNutilisant des logiciels réalisés sous GKS développés au Laboratoire Central des Ponts etChaussées à partir des programmes de GOEHNER et GARBAUSKAS [1].

La figure 60 donne le principe de fonctionnement d'un diffractomètre à rayons X.

Foyer de tube�à rayon X

Échantillon

Détecteur

Enregistreur

θ

θ

θ

ω

2 ωFigure 60

Principe de fonctionnement d’un diffractomètre à rayons X.

Page 82: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.10

La figure 61 présente le diffractomètre à rayons X utilisé au LCPC.

79

Figure 61Vue d’ensemble du diffractomètre à rayons X.

MÉTHODOLOGIE

Préparation de l'échantillon

L'échantillon de béton à analyser est fragmenté au concasseur de façon à obtenir unegranulométrie inférieure à 2,5 mm. Cette opération doit se faire en récupérantsoigneusement toutes les fines produites. Prélever au moins 100 g d'échantillon au moyend'un échantillonneur ou par quartage. Broyer l'échantillon pendant quelques secondespuis tamiser à 315 ou 80 μm. Répéter l'opération « broyage plus tamisage » jusqu'àpassage complet à 315 ou 80 μm. Transférer l'échantillon dans un flacon propre et sec àfermeture hermétique, prendre soin de ne pas perdre de fines et agiter vigoureusementpour l'homogénéiser.

Enfin, une prise d'essai de l'ordre de 80 à 100 mg est placée dans la cavité du porteéchantillon (0,6 ml) et surfacée afin d'obtenir une surface bien plane pour éviter lesphénomènes d'exaltation de certaines raies de diffraction des rayons X.

Paramètres de l'appareil

Afin d'améliorer la qualité des enregistrements tant au niveau des tracés, de la symétrieet de la dimension des pics que de la stabilisation du bruit de fond, il est nécessaire detravailler avec :

une puissance appliquée au tube de rayons X ne dépassant pas 1500 watts ;un pas de comptage suffisamment lent ;des fentes à ouverture fine ;un couple vitesse de défilement - temps de comptage le plus approprié possible.

Description de l'essai

L'analyse par diffractométrie des rayons X est conduite selon le déroulement suivant :mise en fonctionnement du générateur de rayons X ;

Page 83: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

mise en place du porte échantillon ;choix du programme d'analyse (pas, temps de comptage, angle de départ et d'arrivée,

tailles des fentes) ;ouverture de la fenêtre des rayons X ;début des comptages ;à la fin de l'acquisition, l'exploitation des données enregistrées peut commencer.

Exploitation des résultats

Un exemple de diagramme de diffraction des rayons X est présenté dans la figure 62. Ledépouillement d'un diagramme de diffraction consiste à affecter à chaque raie observéerepérée par son angle θ, la distance inter-réticulaire correspondante en appliquant larelation de Bragg, puis à comparer les résultats avec ceux d'un fichier de données deréférence [2] indiquant pour chaque minéral la distance inter-réticulaire et l'intensiténormalisée des raies expérimentales. L'analyse successive des différents pics dudiagramme permet de détecter toutes les phases cristallisées présentes, de donner lanature minéralogique et, accessoirement une appréciation sur le degré de cristallinité (parla forme des raies de diffraction) des composants du matériau soumis à l'essai.

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

80

I N T E N S I T EN O R M A L I S E E

2 - T H E T A C o K A L P H A 1 - 3

0 .

1 0 .

2 0 .

3 0 .

4 0 .

5 0 .

6 0 .

7 0 .

8 0 .

9 0 .

1 0 0 .

4 . 0 1 1 . 0 1 8 . 0 2 5 . 0 3 2 . 0 3 9 . 0 4 6 . 0 5 3 . 0 6 0 . 0 6 7 . 0

1.686 C G H

1.727 D E G H J

1.795 B C E G H

1.821 B D E G H

1.926 A C E F

1.982 D F G H

2.022 G H I J

2.056 B E G H J

2.190 D F G J

2.283 A B F G

2.557 F G J

2.625 C F G J

2.671 E F H J

2.747 B D F G

2.779 E F G H J

2.967 F

3.030 A F G J

3.106 C F J

3.465 F H J

3.650 E F H J

3.865 A E F G J

4.011 D H J

4.398 F H J

4.691 F G H J

4.898 C G H J

5.587 F J

7.283 E J

7.585 H

8.870 J

9.654 J

Figure 62Diagramme de diffraction des rayons X d’une pâte de ciment durcie.

(Intensité en coups normalisés en fonction de 2 θ du Co kα 1-3, les raies sont exprimées en Å et correspondent à ladistance inter-réticulaire).

Page 84: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.10

L'exploitation de ces diagrammes permet d'identifier et d'évaluer de manière semi-quantitative les phases minérales contenues dans le béton. La présence ou l'absence del'un de ces minéraux donne alors une information sur les températures auxquelles lesbétons ont été soumis. Cette technique permet de donner de manière semi-quantitativeune teneur des minéraux constitutifs des granulats ainsi que de certains composéshydratés ou anhydres de la pâte de ciment. Par ailleurs, la présence de diverses argilesdans les matériaux apporte beaucoup de renseignements sur les températures atteintespar ces matériaux [3].Des informations peuvent être obtenues sur la transformation de ces minérauxconsécutive à l'élévation de température lors de l'incendie. Des produits néoformésrésultant des fortes températures subies par le béton peuvent ainsi être identifiés.Toutefois, cette technique ne permet pas l'identification de produits amorphes ou malcristallisés comme certains gels d'hydratation (silicates de calcium hydratés C-S-H) et salimite de détection est voisine de 0,5 % par rapport à la masse totale du matériau.La comparaison avec un échantillon, provenant d'une zone non soumise à un incendie,est indispensable. Elle donne des informations sur les minéraux présents dans le bétonn'ayant pas subi d'échauffement. En effet, chaque béton a sa propre minéralogie quidépend de la nature du ciment et des granulats utilisés dans sa formulation. Cettecomparaison permet de déterminer les phases minérales disparues ou apparues lors detransformations minéralogiques consécutives à l'incendie.

EXEMPLES D'UTILISATION DE LA MÉTHODE

L'évolution avec la température de la minéralogie du béton du tunnel du Mont-Blanc aété réalisée pour six températures : 25, 200, 400, 600, 800 et 1000 °C. Pour cela, unesimulation en laboratoire des températures atteintes dans les bétons lors de l'incendie du8 mars 1999 a été effectuée sur des disques de deux centimètres d'épaisseur issus de bétonprovenant de zones indemnes. Cette simulation a permis de déterminer les « traceurs »de température qui ont été ensuite utilisés pour estimer les températures atteintes dansles zones du tunnel soumises à l'incendie. Les différentes phases cristallines quidisparaissent ou apparaissent en fonction de la température sont regroupées dans letableau VII. Pour chaque minéral, la principale raie de diffraction est donnée.

81

Minéral25 °C 200 °C 400 °C 600 °C 800 °C 1000 °C

Température

Ettringite 9,7 Å n.e. n.e. n.e. n.e. n.e.Carboaluminate Ca 7,57 Å n.e. n.e. n.e. n.e. n.e.Géhlénite n.e. n.e. n.e. n.e. n.e. 2,84 ÅPortlandite 4,9 Å 4,9 Å 4,9 Å n.e. n.e. n.e.Calcite 3,03 Å 3,03 Å 3,03 Å 3,03 Å n.e. n.e.Muscovite 10 Å 10 Å 9,9 Å 9,9 Å 9,85 Å n.e.Leucite n.e. n.e. n.e. n.e. n.e. 3,26 ÅTrémolite 8,43 Å 8,43 Å 8,43 Å 8,43 Å 8,43 Å n.e.Chlorite 14,05 Å 14,05 Å 14,05 Å 13,5 Å n.e. n.e.

n.e. = non existence.

TABLEAU VIIÉvolution de la minéralogie des hydrates du ciment et des granulats du béton du tunnel du Mont Blanc

Page 85: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

Les principaux phénomènes marquants d'une élévation de la température sur laminéralogie du béton du tunnel du Mont-Blanc sont explicités ci-dessous.

Pour un faible échauffement (< 200 °C), la diffractométrie des rayons X détecte deschangements dans la minéralogie de la pâte de ciment et, plus précisément, la disparitiondes raies caractéristiques de l'ettringite et du monocarboaluminate de calcium hydraté.L'ettringite commence à perdre son eau de constitution à partir de 80 °C et devientamorphe pour des températures supérieures à 100 °C. Ceci la rend alors indétectable parcette technique. De même, le monocarboaluminate de calcium hydraté se déshydrate àpartir de 150 °C. Ceci explique ainsi la disparition de leur raie dans le tableau VI.

Entre 200 et 400 °C, la diffraction des rayons X ne met pas en évidence de changementcaractéristique.

Dans le domaine des températures comprises entre 400 et 600 °C, la principale raie situéeà 4,9 Å de la portlandite disparaît lors de la simulation à 600 °C. Ceci résulte de ladéshydratation de la portlandite qui se produit entre 450 et 540 °C.

À 600 °C, l'examen aux rayons X révèle la structure encore très bien cristallisée de lachlorite (silico-aluminate hydraté ferro-magnésien), avec néanmoins une modificationnotable du spectre par rapport à celui du béton initial. En effet, la raie principale de lachlorite située à 14 Å est déplacée vers 13,5 Å alors que la raie secondaire vers 7 Ådisparaît. La chlorite est un minéral qui subit parfois une diminution de l'intensité et undéplacement des raies de diffraction X lors d'un chauffage sans modification de sastructure cristalline. Ce phénomène se produit pour des températures voisines de 500 °C.L'échauffement du béton à 600 °C conduit également à de légères modificationsminéralogiques de la muscovite. La raie principale se déplace de 10 Å à 9,9 Å. Ce minéralse rencontre fréquemment dans les roches granitiques.

À 800 °C, la chlorite est décomposée et la raie de diffraction vers 13,5 Å disparaît dudiagramme. À 1000 °C, le diagramme de diffraction des rayons X subit des changementsencore notables. En effet, la raie principale de la muscovite située vers 9,8 Å disparaît. Lamuscovite perd son eau de constitution (libération des hydroxyles appartenant auréseau) vers 800-900 °C ce qui entraîne alors la destruction de la structure cristalline. À1000 °C, une nouvelle phase apparaît caractérisée par la raie située à 3,26 Å que l'on peutattribuer à la leucite. Par conséquent, on peut observer qu'à haute température, il peut yavoir non seulement disparition de minéraux, mais aussi formation de nouvelle phasesrésultant d'une cristallisation.

Enfin, une cuisson à 1000 °C apporte aussi des modifications importantes au niveau de lapâte de ciment. En effet, la géhlénite est identifiée. À partir de 600 °C, les hydrates duciment contenant du laitier perdent totalement leur eau avec destruction du réseaudonnant un mélange d'alumine, de silice et de chaux amorphe qui se combinent à 1000 °Cet recristallisent lors du refroidissement en géhlénite. Elle devient même la deuxièmephase principale de la partie liante du béton.

Dans le cas d'un béton à base de ciment contenant essentiellement du clinker, vers1000 °C, apparaît la wollastonite qui cristallise à partir de la chaux et de la silice issues dela décomposition des C-S-H.

PRÉCISION DE LA MÉTHODE DE MESURE

L'identification par diffractométrie des rayons X des minéraux présents dans un matériaurepose sur la position des angles de diffraction exprimée en degré pour laquelle l'erreurrelative est de 0,25 degré.

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

82

Page 86: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 3 - MÉTHODES D’ESSAI DE LABORATOIRE - MÉTHODE 62.10

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] RAYMOND P., GOHNER and MARY F. GARBAUSKAS, PDIDENT-A, Set of programs for powderdiffraction phase identification, X-Ray Spectrometry, vol. 13, n° 4, pp. 172-179, 1984.

[2] Powder Diffraction File (PDF-1), édité par ICDD (International Centre for Diffraction Data),USA.

[3] HOLTZAPFFEL T., Les minéraux argileux, Société Géologique du Nord, Publication n° 12,136 pages, 1985.

CONTACT

Gérard Platret 01 40 43 51 47 [email protected]

Laboratoire Central des Ponts et Chaussées - Service physico-chimie des matériauxFax : 01 40 43 65 14

83

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Page 88: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

Partie 4Retourd’expériencessur d’autresméthodes

85

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Page 90: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 4 - RETOUR D’EXPÉRIENCES SUR D’AUTRES MÉTHODES - MÉTHODE 62.11

LA RÉFRACTION DES ONDESDE COMPRESSION

OBJECTIF

Dans sa forme la plus simple, cette méthode permet de mesurer les épaisseurs de couchesplanes ainsi que la vitesse de propagation des ondes de compression dans chacuned'entres elles. Un pré-requis incontournable est la croissance des vitesses en fonction dela profondeur.

Plus généralement, un protocole expérimental classique en géophysique permet de traiterle cas de couches non planes et donc de caractériser les variations d'épaisseur descouches [1].

PRINCIPE

La figure 63 explique le principe de la réfraction des ondes de compression dans le casd'interfaces planes pour un milieu avec trois couches (caractérisées par des vitesses desondes de compressions V0, V1 et V2 croissantes avec la profondeur et d'épaisseur e0, e1 ete2) reposant sur un milieu infini de vitesse V3 (le principe reste le même quel que soit lenombre de couches) [1].

87

MÉTHODE

62.11

CapteurSource

1/V0

V0

1/V1

V11/V2

V2

1/V3

V3

T0 xc

T1

T2

T3

e0

e1

e2

Distance source capteurs

Temps d’arrivée

Trajets des rayons directs et réfractés des ondesde compression dans le cas de marqueurs horizontaux

Figure 63Principe d’utilisation de la réfraction des ondes de compression.

Page 91: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

Pour déterminer les vitesses des ondes de compression en fonction de la profondeur,l'information retenue sur les signaux est un temps de trajet, celui de la première arrivée,entre un point source et plusieurs points de réception alignés. Proche de la source lapremière arrivée est celle de l'onde directe. Elle permet le calcul de la vitesse de lapremière couche V0. Ensuite les pentes des segments de droites correspondant à destrajets réfractés permettent de calculer V1, V2 et V3. L'intersection de ces droites avec l'axedes ordonnées, les intercepts T1, T2 et T3, donnent l'épaisseur des couches. Par exemple,

pour la première couche :

Le dispositif expérimental comporte donc au moins un point source et plusieurs pointsde réception alignés entre eux et avec la source. Le nombre de points de mesure et leuréloignement de la source dépendent de la profondeur d'investigation recherchée. Lespoints de brisure (abscisse des ruptures de pente de la courbe Temps d'arrivée en fonctionde la Distance source capteurs) donnent une idée de la taille du dispositif. Par exemple

l'abscisse du premier point de brisure est égale à :

Le dispositif doit donc être plus long et sur chaque portion de droite plusieurs points deréception sont nécessaires pour la détermination fiable des vitesses. Le principe peut êtreétendu à un milieu bi-dimensionnel : il convient alors de disposer d'au moins cinq pointssource : un à chaque extrémité de la ligne de capteur, un au milieu des capteurs et unpoint source éloigné de chaque coté.

EXEMPLE [2]

Les signaux enregistrés pour l'auscultation du tunnel du Mont-Blanc faisaient l'objet d'untravail de recherche sans rapport avec la méthodologie de mesure de géophysiqueappliquée utilisée classiquement en sismique réfraction. Ceci explique le grand nombrede données recueillies, qui n'est pas nécessaire pour une utilisation optimale de ceprincipe. L'objectif de ce paragraphe est donc d'illustrer le principe de la méthode décritplus haut et non de présenter une méthodologie optimale d'application.

Dans le cadre de la campagne de mesure dans le tunnel du Mont-Blanc, trois zones testsont été auscultées :

Une zone dite Non Endommagée (à côté du carottage G1 - PK7268.5) dénommée ci-après zone NE.

Une zone dite Moyennement Endommagée (à côté du carottage E1 - PK6680)dénommée ci-après zone ME.

Une zone dite Très Endommagée (à côté du carottage F1 - PK6898.5) dénommée ci-après zone TE.

Matériel utiliséLa source est une bille maintenue éloignée de la surface par un électroaimant et

couplée à un accéléromètre pré-amplifié pour le déclenchement de l'acquisition.Le système d'acquisition de transitoire possède 32 voies (ACQTRANS). La fréquence

d'échantillonnage utilisée est de 500 kHz par voie. 8192 points sont enregistrés.

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

88

)VV

cos(arcsinVe

T o

1

0

01

2= .

10

100c /VV1

/VV12ex

−+

= .

Page 92: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 4 - RETOUR D’EXPÉRIENCES SUR D’AUTRES MÉTHODES - MÉTHODE 62.11

Les capteurs sont 15 accéléromètres pré-amplifiés déplacés pour un même pointsource plusieurs fois afin d'obtenir en cinq séries une ligne de mesure de 1,5 m delongueur.Ce matériel peut être remplacé par le matériel utilisé en auscultation sonique.

Résultats

Les temps de propagation entre source et capteur sont pointés sur les signaux nonsommés bruts (Fig. 64).

89

Figure 64Temps d’arrivée en fonction de la distance source capteurs.

(À gauche : zone NE - Au milieu : zone ME - À droite : zone TE).

L'interprétation des courbes « Temps d'arrivée en fonction de la Distance sourcecapteurs » est restreinte à un milieu bicouche, par exemple avec comme inconnues : V0,e0, V1 (cf. Fig. 63). En effet, la géométrie du dispositif ne permettait pas de remonter avecassurance à un modèle plus détaillé du milieu ausculté [1]. Les résultats sont résumésdans le tableau VIII.

TABLEAU VIIIRésultat avec un milieu bi-couche

Zone V0 e0 V1

Non endommagée 2260 m/s 7 cm 3970 m/s

Moyennement endommagée 870 m/s 13 cm 3870 m/s

Très endommagée 1130 m/s 9 cm 3560 m/s

Page 93: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

Rappelons qu'un béton sain a, en général, une vitesse des ondes de compressionsupérieure à 3500 m/s.

La première information issue de ce tableau est que, quelle que soit la zone considérée,un béton de mauvaise qualité est présent en surface sur des épaisseurs centimétriques.

Ensuite, l'analyse des valeurs de V0 obtenues révèle que le béton de surface a descaractéristiques mécaniques, ou niveaux d'endommagement, très différents suivant lazone considérée. La zone ME apparaît comme plus endommagée que la zone TE, avecune vitesse très faible (870 m/s). La zone TE est elle-même nettement plus endommagéeque la zone NE. De surcroît, l'épaisseur de l'endommagement e0, calculée avec unehypothèse de milieu bicouche, est plus importante pour la zone ME que pour les zonesTE et NE.

Finalement, les valeurs de V1, notamment celles obtenues pour la zone TE, et l'allure descourbes « Temps d'arrivée en fonction de la Distance source capteurs » (sans doute plusde deux pentes 1/Vi visibles) suggèrent que le béton a été endommagé plusprofondément par l'incendie que sur l'épaisseur e0, et/ou avait des caractéristiquesmécaniques initiales faibles.

Dans le cas du tunnel du Mont-Blanc cette méthode permet donc de déterminerl'épaisseur de la première couche endommagée et de caractériser cet endommagementpar l'intermédiaire de la vitesse des ondes de compression dans cette couche.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] LAVERGNE M., Méthodes sismiques, Edition Technip, 1986.[2] ABRAHAM O., DÉROBERT X., Non-destructive testing of fired tunnel walls : the Mont-Blanc

tunnel case study, NDT&E Int., pp. 411-418, 36, 2003.

CONTACT

Odile Abraham 02 40 84 59 18 [email protected]

Laboratoire Central des Ponts et ChausséesDivision Reconnaissance et mécanique des sols Fax : 02 40 84 59 99

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

90

Page 94: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 4 - RETOUR D’EXPÉRIENCES SUR D’AUTRES MÉTHODES - MÉTHODE 62.12

LA MÉTHODE RADAR

OBJECTIF

Cette méthode de reconnaissance non destructive à grand rendement permet d'obtenirdes informations sur les géométries internes des structures de génie civil [1]. Suivant lechoix de la fréquence centrale utilisée, il est possible d'ausculter les structures ou les solsjusqu'à des profondeurs variant de quelques décimètres à quelques mètres. Son emploireste cependant limité à des matériaux électriquement résistants, laissant les ondes radarse propager.

Lorsque l'on cherche avec précision des épaisseurs, il est alors nécessaire de s'étalonnerlocalement dans le but d'obtenir la vitesse de propagation des ondes radar dans le béton.Pour cela, on peut soit utiliser un sondage destructif (réalisation d'une carotte), soits'appuyer sur des informations précises (épaisseur de béton connue, hétérogénéitéconnue à une profondeur connue).

Cette méthode est bien adaptée à des applications comme la localisation des armaturesdans du béton armé ou précontraint ou la mesure des épaisseurs des couches dechaussées (elle est actuellement employée par quatre Laboratoires Régionaux des Pontset Chaussées).

Concernant l'application des bétons incendiés, elle permet d'obtenir les épaisseursglobales de béton coffré, de localiser le renforcement s'il existe, et d'avoir une idée del'état de fracturation (fractures importantes supérieures au millimètre). Il est à noter quecette méthode manque de recul pour cette application.

PRINCIPE

La technique radar repose sur l'utilisation d'impulsions électromagnétiques émises parune antenne d'émission. Celles-ci se propagent en s'atténuant dans les matériaux et àchaque interface de deux matériaux électromagnétiquement différents, une partie del'énergie de l'impulsion est réfléchie vers la surface. Les échos successifs sont alorsenregistrés dans un signal temporel par l'antenne de réception. En général, les antennesémettrice et réceptrice se situent dans un même boîtier, ce qui correspond à uneconfiguration classique d'acquisition.

La juxtaposition des signaux temporels enregistrés lors du déplacement de l'antenneradar (émettrice-réceptrice) permet d'obtenir une coupe-temps, souvent présentée avecune échelle de couleurs (ou de niveaux de gris) corrélée aux amplitudes des signaux, etdonnant des informations géométriques sur la structure auscultée (Fig. 65).

91

MÉTHODE

62.12

Page 95: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

EXEMPLE [2]

Après l'incendie du tunnel du Mont-Blanc, la section Reconnaissance et Géophysique duLCPC a été amenée à réaliser des essais radar sur quelques zones tests : une zone saine,une zone moyennement endommagée et une zone très endommagée.

La figure 66 montre un exemple de profil, réalisé à 1500 GHz, sur la zone moyennementendommagée.

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

92

Figure 65Construction d’un profil radar surun bloc de béton.

Figure 66 Profil radar traité (1,5 GHz), réalisésur 10 mètres dans la zone trèsendommagée.

On note que le béton présente un niveau de fracturation important avec des interfacescorrespondant à de forts contrastes électromagnétiques, suggérant deux à trois natures dematériaux très différents. Le manque d'expérience n'autorise pas des interprétations plusavancées quant à l'origine de ce type d'échos (qui n'existent pas dans un béton sain,cf. Fig. 65).

Les conclusions partielles que l'on peut tirer de cet exemple portent à la fois surl'existence de plusieurs couches de matériaux électromagnétiquement différents dans lebéton (constat que l'on retrouve également sur les mesures de réfraction des ondesmécaniques - cf. exemple sur la fiche correspondante), et sur le fait que cette « structure »reste homogène sur les dix mètres auscultés et donc que les mesures de réfraction sontreprésentatives de tout ce linéaire.

L'avantage de cette méthode est de réaliser de grands linéaires, en amont de sondagesdestructifs ou de mesures locales non destructives, afin de les positionner au mieux pourqu'ils soient représentatifs de zones considérées comme homogènes. On valorise ainsi àla fois les sondages destructifs et l'interprétation radar qui peut être plus élaborée.

Page 96: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 4 - RETOUR D’EXPÉRIENCES SUR D’AUTRES MÉTHODES - MÉTHODE 62.12

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] DÉROBERT X., COFFEC O., Investigation radar de structure - Performances envisageables pourdes applications sur ouvrages d'art, Bulletin des laboratoires des Ponts et Chaussées, vol. 230,pp. 57-66, 2001.

[2] ABRAHAM O., DÉROBERT X., Non-destructive testing on fired tunnel walls. A case history: the Mont-Blanc tunnel, NDT&E, vol. 36, pp. 411-418, 2003.

CONTACTS

Xavier Dérobert 02 40 84 59 11 [email protected] Central des Ponts et Chaussées

Reynald Fahaut 02 96 78 93 00 [email protected] de Saint-Brieuc

Arnaud Rougé 03 85 86 67 67 [email protected] d’Autun

Alain Robert 05 56 70 66 33 [email protected] de Bordeaux

93

Page 97: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...
Page 98: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

95

PARTIE 4 - RETOUR D’EXPÉRIENCES SUR D’AUTRES MÉTHODES - MÉTHODE 62.13

TRAITEMENT D’IMAGE APPLIQUÉÀ UN FAÏENÇAGE DE PAREMENTDE BÉTON APRÈS UN INCENDIE

OBJET ET DOMAINE D’APPLICATION

Cette méthode est non destructive. Elle consiste à prendre des photographies duparement incendié et à déterminer par un traitement adapté certains paramètres desimages. Ceci permet de cartographier en zones homogènes une large surface de bétonaprès un incendie.

L'incendie peut générer un faïençage de surface ou en accroître un pré-existant. Laméthode de traitement des images du parement s'applique quand un faïençage est bienvisible, les lèvres des fissures étant soulignées par exemple par des dépôts de suie.

PRINCIPE

La méthode repose sur l'hypothèse que la géométrie du faïençage reflète la dégradationdu béton et dépend de l'intensité de l'incendie.

L'appareil photo est positionné par rayon laser au centre du cercle correspondant à l'arcde la voûte, les images sont ainsi toutes à la même échelle.

Un logiciel de traitement d'image, utilisable sur PC et disponible au CETU, a étédéveloppé pour analyser les clichés réalisés après incendie dans des zones faïencées. Uneprocédure de traitement a été adaptée à ce type d'images. Le logiciel permet de traiter ensérie toutes les images stockées dans un même répertoire. Les paramètres calculés (aire,périmètre, etc.) sont stockés dans un fichier exploitable sur tableur [1 et 2].

Les figures 67 et 68 montrent toutes les étapes de la procédure de traitement d'images.

La suie des fumées de l'incendie, poussée par un fort courant d'air, s'est déposée suivantune direction privilégiée, soulignant les lèvres des fissures.

MÉTHODE

62.13

Figure 67 Image initiale représentant une surface d’environ 1 m2.

Page 99: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

96

1. Passage en niveau de gris avec rehaussement des contoursà l’aide du modèle LIP (Logarithmic Image Processing).

4. Élimination de pixels isolés puis squelettisation et ébarbulage.

2. Filtre médian puis filtre moyenneur (Sobel). 5. Filtre de fermeture 31*31.

3. Seuillage par maximation d’entropie puis filtre de remplissage de trous.

6. Deuxième squelettisation puis second ébarbulage et reconnexion des points les plus proches.

Figure 68Séquence d’images détaillant les étapes du traitement.

Page 100: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

97

PARTIE 4 - RETOUR D’EXPÉRIENCES SUR D’AUTRES MÉTHODES - MÉTHODE 62.13

EXEMPLE

Après l'incendie du tunnel du Mont-Blanc, trente images présentant unfaïençage quantifiable ont été traitées.L'aire moyenne des cellules et lavariance de ce paramètre, permettantd'en exprimer la dispersion, ont étéretenues comme paramètres géo-métriques de chaque photographie.

Les valeurs centrées réduites calculéesà l'aide de la moyenne et de l'écart-type ont été utilisées afin d'enlevertoute dimension aux valeurs et d'enfaciliter les comparaisons.

Afin de valider l'hypothèse de laméthode (paramètres géométriquesreprésentatifs de la dégradation dubéton incendié), des corrélations ontété effectuées avec des mesures dedureté de surface, évaluées parsclérométrie dans la zone centrale dechacune des images (Fig. 69).

Dans cet exemple, la corrélation entreles aires moyennes et les résistancessclérométriques montre que l'airemoyenne des cellules de faïençage estd'autant plus faible que la résistancesuperficielle du béton après l'incendieest faible. La résistance diminuant avecla température, cela conforte l'idée quel'aire des cellules de faïençage pourraitêtre un indicateur pertinent pourévaluer les dommages engendrés parun incendie (Fig. 70).

La corrélation de la variance de l'aireavec les mêmes valeurs scléro-métriques apporte d'autres rensei-gnements : on remarque que plus ladureté superficielle du béton incendiéest faible, plus la variance de l'aire descellules (dispersion) est élevée. Lefaïençage semble être d'autant moinshomogène que le béton est fortementendommagé (peu résistant) aprèsl'incendie.

7. Carte des distances construite sur les lignes précédentes.

8. Extraction des cellules par l’opérateur appelé ligne de partage des eaux.

9. Élimination des cellules incomplètes ; on ne garde que les cellules complètes qui ne touchent pas les bords

(surlignées de rouge) afin de pouvoir calculer correctementaires, périmètres et coefficients de forme des cellules.

Page 101: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

98

Ces observations nécessitent une confirmation sur d'autres cas de bétons incendiés si l'onveut espérer pouvoir généraliser les résultats, les caractéristiques initiales du béton(résistance, porosité, etc.) risquant de modifier totalement la géométrie du faïençage.

L'intérêt de cette approche réside dans son aspect non destructif et sa possibilité de miseen œuvre simple et rapide. On peut pour l'instant envisager une recherche de corrélation« faïençage-résistance » dans une zone limitée et, en cas de succès, une application de laméthode de traitement d'images sur une zone plus étendue.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] MASTIER M., Traitement d'image appliqué au faïençage du béton, mémoire de DEA del'Université Jean Monet, 2001.

[2] GIROUD C., Traitement d'images numériques appliqué aux tunnels, Mémoire IUP GénieMathématique et Informatique, Grenoble, 2004.

CONTACTS

René-Michel Faure 04 72 14 34 81 [email protected]

Catherine Larive 04 72 14 34 38 [email protected]

Centre d’Études des Tunnels (CETU), 25 avenue François Mitterrand, case n° 169674 Bron cedexFax : 04 72 74 59 30

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

-2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5

Scléromètre (variable centrée réduite)

Aire

moy

enne

des

cel

lule

s (v

aria

ble

cent

rée

rédu

ite)

-1,5

-1

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

Scléromètre (variable centrée réduite)V

aria

nce

de l'

aire

moy

enne

des

cel

lule

s(v

aria

ble

cent

rée

rédu

ite)

-0,5-2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2

Figure 69Corrélation aire moyenne des cellules -

mesures sclérométriques.

Figure 70Corrélation aire variance des aires dans une image -

mesures sclérométriques.

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99

PARTIE 4 - RETOUR D’EXPÉRIENCES SUR D’AUTRES MÉTHODES - MÉTHODE 62.14

LA COLORIMÉTRIE DES BÉTONS

OBJET ET DOMAINE D’APPLICATION

On cherche à évaluer la température atteinte par un béton lors d'un incendie en utilisantcomme indicateur son changement de couleur avec la température. Cette méthodenécessite un étalonnage sur le même béton, chauffé en laboratoire.Le domaine d'application est limité aux bétons pour lesquels une élévation detempérature provoque un changement de couleur. Cette technique est doncparticulièrement tributaire de la nature des granulats, certains bétons pouvant ne paschanger de couleur.L'utilisation des mesures colorimétriques directement sur les parements incendiés estdéconseillée, les couleurs étant trop perturbées par les suies ou trop influencées par lenettoyage nécessaire avant la mesure.

PRINCIPE

La couleur dépend des interférences des différentes longueurs d'onde de la lumièreincidente quand celle-ci se reflète sur une surface aux motifs réguliers, comme celle d'uncristal. La variation des formes de cristallisation d'un béton se traduit donc par unecouleur différente. Comme cette cristallisation n'est pas réversible, le béton conserve lacouleur qui correspond à la plus forte température atteinte.

Diagramme L, a, b

MÉTHODE

62.14

Les couleurs sont en correspondance avec lecercle des teintes.

Une augmentation de a entraîne une teinteplus rouge, sa diminution une teinte plusverte.

Une augmentation de b entraîne une teinteplus jaune, sa diminution une teinte plusbleu.

Une augmentation de L entraîne une teinteplus claire, sa diminution une teinte plussombre.

Figure 71Diagramme L, a, b de colorimétrie.

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Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

100

Les coordonnées chromatiques fournies par un colorimètre sont au nombre de trois(Systèmes L-a-b, ou X, y, z ou R V B par exemple). Leur utilisation pratique peutnécessiter la définition d'une pseudo-norme pour n'avoir qu'une valeur représentant cettechromaticité, par exemple (L2 + a2 + b2)1/2.

L'usage de la colorimétrie devrait permettre de connaître la température maximale d'unbéton lors d'un incendie en appliquant les trois étapes suivantes :

Calibrage en laboratoire à l'aide d'échantillons de béton (de taille décimétrique), prisdans une zone hors incendie, chauffés uniformément dans un four pendant une duréesuffisante à température connue et dont on mesure la couleur à l'aide d'un colorimètreune fois l'échantillon revenu à température ambiante.

Mesure de la couleur du béton avec le même colorimètre sur des tranches de bétondécoupées dans une carotte prélevée dans la zone incendiée.

Utilisation de la courbe de calibrage obtenue lors de la première étape pour obtenir leprofil de température dans la carotte.

Une première application de ce principe sur le béton du tunnel du Mont-Blanc a révélécertaines difficultés, conduisant à prendre les précautions suivantes :

Il est recommandé de ne pas chauffer les échantillons à la flamme, de façon à mieuxmaîtriser la température et son uniformité. De plus, selon le mode de chauffe, la réponsecolorimétrique est différente.

Le colorimètre mesure une surface circulaire de 5 cm de diamètre. Il faut donc faireattention à l'homogénéité de cette zone en évitant, par exemple, qu'un gros granulat ne laremplisse. Une moyenne de cinq mesures permet de minimiser les hétérogénéités.

EXEMPLE

Cette méthode a été utilisée après l'incendie du tunnel du Mont-Blanc [1 et 2]. Lecolorimètre employé est le CR210 de Minolta, qui peut fournir les valeurs mesurées sousplusieurs formes. Les coordonnées L, a, b ont été retenues (Fig. 72).

Sur cet exemple, l'étalonnage n'a pu être réalisé dans des conditions satisfaisantes(Fig. 73). On note toutefois l'évolution des paramètres a et b en fonction de la profondeur.Le paramètre b semble particulièrement sensible. Les cinq centimètres de décroissancerapide correspondent à une profondeur de dégradation rencontrée dans de nombreuseszones du tunnel.

D'autres essais sont nécessaires afin de vérifier la pertinence des mesures colorimétriquespour évaluer la profondeur des zones dégradées par incendie.

Figure 72Exemple de découpage d’unecarotte de béton incendié. Lamesure colorimétrique est faite surchaque face de chaque tranche.

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101

PARTIE 4 - RETOUR D’EXPÉRIENCES SUR D’AUTRES MÉTHODES - MÉTHODE 62.14

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] FAURE R.-M., HÉMOND G., Reconnaissance de l'état du béton du tunnel du Mont-Blanc, aprèsl'incendie de mars 1999, Proc World Tunnel Congress, Milan 2001, Patron Editore, Bologna,pp. 555-562, 2001.

[2] FAURE R.-M., POZZI V., TRASINO C., HÉMOND G., Colour and speed drill measurement for riskmitigation of a lining after a fire, The experience of Mont-Blanc tunnel, Proc World Congress Tunnel,Sydney 2002, on CD rom, 2002.

CONTACTS

René-Michel Faure 04 72 14 34 81 [email protected]

Catherine Larive 04 72 14 34 38 [email protected]

Centre d’Études des Tunnels (CETU), 25 avenue François Mitterrand, case n° 169674 Bron cedexFax : 04 72 74 59 30

-2

-1

0

1

2

3

4

0 2 4 6 8 10 12 14x

a

b

Figure 73Mesures de deux coordonnées chro-matiques le long de la carotte.Abscisse : profondeur par rapport à lasurface de la voûte (en cm).Ordonnée : les paramètres a et b desmesures de chromaticité (le paramètre Ls'est avéré peu discrimant).

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PARTIE 4 - RETOUR D’EXPÉRIENCES SUR D’AUTRES MÉTHODES - MÉTHODE 62.15

FORAGES DESTRUCTIFS AVECENREGISTREMENT DES PARAMÈTRESPOUR LA DÉTERMINATION DE LAPROFONDEUR DE BÉTON ENDOMMAGÉAPRÈS UN INCENDIE

OBJET ET DOMAINE D’APPLICATION

L'utilisation de l'enregistrement des paramètres de forage est courante en géotechnique.Cette méthode peut être utilisée pour évaluer la dégradation des performancesmécaniques d'un béton suite à un incendie.

PRINCIPE

Le principe consiste à mesurer la vitesse de pénétration d'un foret, qui peut êtredirectement reliée à la résistance du milieu traversé.

EXEMPLE

Après l'incendie du tunnel du Mont-Blanc, plus de 500 forages destructifs avecenregistrement des paramètres ont été effectués dans la zone incendiée [1 et 2]. Fixant lesparamètres de la machine à une valeur nominale, les principaux paramètres de foragesont enregistrés (vitesse instantanée de pénétration, pression en tête, couple de rotation,pression du fluide et vitesse de rotation) (Fig. 74).

103

MÉTHODE

62.15

Figure 74Forage en voûte avec enregistrement des paramètres.Cinq forages en étoile ont été effectués par profil.

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104

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

La figure 75 montre les valeurs de la vitesse instantanée de pénétration dans différenteszones. Tous ces profils correspondent à une profondeur de foration de 45 cm.

Les trois premiers graphes traduisent l'effet de l'incendie qui altère les premierscentimètres de béton (vitesse de pénétration élevée puis nettement plus faible etrelativement homogène). Le profil 4 est celui d'un forage dans une zone non soumise àl'incendie (on retrouve une valeur stable comparable à celle des profondeurs nonaffectées des trois premiers profils). Le profil 5 correspond également à une zone nonincendiée mais dont le béton est de très mauvaise qualité (cas fréquent dans le tunnelsous le Mont-Blanc).

Une schématisation des ces courbes peut être faite suivant le schéma de la figure 76.

Figure 75Graphes d'enregistrement du paramètre vitesse instantanée de pénétration.

(Extraits du rapport « Évaluation des dommages », Société GEOS, mars 2000).

Profondeur

Vitesse de pénétration

Profondeur du bétonde très faible résistance P1

Profondeur du béton Intact P2

Toujours< 10cm

Toujours< 20cm

La première valeur (P1) correspond à une vitesse de pénétration rapide dans un béton detrès mauvaise qualité. La seconde (P2) est la profondeur au-delà de laquelle la vitesse eststable et une valeur relativement faible. Elle correspond à la profondeur au-delà delaquelle le béton a gardé ses caractéristiques initiales, sans avoir été perturbé par lachaleur.

Les profondeurs P1 et P2 ont été évaluées pour les 500 forages réalisés au Mont-Blanc. Lesvaleurs obtenues ont ainsi pu être cartographiées (Fig. 77).

Figure 76Schématisation des profils de mesure.

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PARTIE 4 - RETOUR D’EXPÉRIENCES SUR D’AUTRES MÉTHODES - MÉTHODE 62.15

Cette cartographie s'est heurtée à une difficulté liée au nombre de mesures nécessairespour obtenir des résultats vraiment représentatifs de l'ensemble d'une zone. Dans cetexemple, l'utilisation d'interpolations linéaires entre deux valeurs et l'espacementlongitudinal entre points de mesure rendent le résultat cartographique peu fiable.

On retient toutefois que les profondeurs dégradées ont été globalement assez faibles(béton intact après une vingtaine de centimètres). On peut penser que cette faibleépaisseur des dégradations est liée à l'absence de phénomène d'écaillage (béton trèsporeux), les premiers centimètres ayant limité la montée en température du béton enprofondeur.

Ces faibles valeurs ont été confirmées par d'autres méthodes d'investigation et par lesépaisseurs de réparation du béton dégradé mises en œuvre après destruction à l'hydro-fraise.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] FAURE R.-M., HÉMOND G., Reconnaissance de l'état du béton du tunnel du Mont-Blanc, aprèsl'incendie de mars 1999, Proc. World Tunnel Congress, Milan 2001, Patron Editore, Bologna,pp. 555-562, 2001.

[2] FAURE R.-M, POZZI V., TRASINO C., HÉMOND G., Colour and speed drill measurement for riskmitigation of a lining after a fire - The experience of Mont Blanc tunnel, Proc. World CongressTunnel, Sydney, on CD rom, 2002.

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Figure 77Cartographie des profondeurs de béton dégradé.

Portion de 150 m de tunnel avant le garage 21 en arrivant de France, zone la plus touchée.

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CONTACTS

René-Michel Faure 04 72 14 34 81 [email protected]

Catherine Larive 04 72 14 34 38 [email protected]

Centre d’Études des Tunnels (CETU), 25 avenue François Mitterrand, case n° 169674 Bron cedexFax : 04 72 74 59 30

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

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PARTIE 4 - RETOUR D’EXPÉRIENCES SUR D’AUTRES MÉTHODES - MÉTHODE 62.16

ÉVALUATION DE L’ÉCHAUFFEMENTDU BÉTONPAR THERMOLUMINESCENCE

OBJET ET DOMAINE D’APPLICATION

L'étude par thermoluminescence (TL) d'un objet minéral ancien ayant été échauffépermet d'évaluer l'époque de l'action thermique et la température maximale atteinte.

Cette méthode habituellement employée en archéologie pour la datation des terres cuites,peut s'avérer également utilisable pour expertiser des matériaux de construction, commepar exemple des structures en béton, qui ont subi l'agression d'un incendie [1 à 3].

PRINCIPE

Les cristaux présents dans les roches se transforment progressivement au cours du tempssous l'effet de la radioactivité naturelle de la terre. Or, si pour une raison quelconque, onapporte au cristal une certaine élévation de température, les modifications structuralesengendrées au cours du temps par la radioactivité naturelle disparaissent. L'énergieaccumulée par le « bombardement » radioactif est libérée sous l'action de la chaleur et semanifeste par une émission de lumière qui dure tout le temps nécessaire au retour à l'étatoriginel du cristal. Ce phénomène est appelé la radio-thermo-luminescence (Fig. 78 etFig 79).

107

MÉTHODE

62.16

Figure 78Exemple d'un étalonnage de la réponse de thermo-luminescence (abscisse) sur des échantillons chauffés enfour de laboratoire pendant 8 heures à des températurescomprises entre 100 à 350 °C (ordonnée) d’après [1].

Figure 79Résultat de l'évaluation par TL de la température (courbeinférieure) à une profondeur de 30 - 35 mm dans le béton d'untunnel incendié en fonction de la position par rapport àl'épicentre de l'incendie (ordonnée) d’après [1].

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EXEMPLE

Dans la pratique, pour l'expertise de béton incendié, on procède dans un premier tempsà un étalonnage du signal de TL sur des corps d'épreuve en béton issus de zonesindemnes de l'ouvrage soumises artificiellement à des échauffements à températurevariable mais de durée égale à celle subie par l'ouvrage (Fig. 78). Des mesures de TL sontensuite réalisées sur des échantillons provenant de zones incendiées de l'ouvrage et àdifférentes profondeurs dans le béton. La comparaison du signal de TL des éprouvetteschauffées en laboratoire avec celui obtenu sur les échantillons prélevés en zonesincendiées permet alors d'évaluer les températures atteintes par ces derniers (Fig. 79). Laqualité de la réponse de cette méthode dépend essentiellement du niveau du signal de TLque restituent les minéraux présents dans le béton et en particulier de l'état decristallisation de ces derniers. Dans des conditions favorables, il est possible d'obtenir unerésolution de 10 à 20 °C sur l'évaluation de la température atteinte par le béton résiduelde l'ouvrage.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] SANDERSON D.C.W., SPENCER J.Q., NAYLOR J.D., Storebaelt bored tunnel. Luminescence testing of firedamaged concrete. SURRC reports to Mott MacDonald, 1995.

[2] PLACIDO F., Thermoluminescence Testing for fire-damaged concrete, Mag. Concrete Res., 32, pp. 112-116, 1980.

[3] SPENCER J.Q., SANDERSON D.C.W., Mapping thermal exposure by luminescence thermometry,Radiation and Measurements, 23, 2/3, pp. 465-468, 1994.

CONTACT

Pascal Fasseu 03 20 48 49 49 [email protected]

LRPC de Lille - Unité Bétons et BâtimentsFax : 03 20 50 55 09

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

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PARTIE 4 - RETOUR D’EXPÉRIENCES SUR D’AUTRES MÉTHODES - MÉTHODE 62.17

LES ONDES DE SURFACE(MASW, Park ET al., 1999)

OBJECTIF

L'utilisation des ondes de surface permet la détermination d'un profil des vitesses de cisaillement du béton en fonction de la profondeur. Cette vitesse de cisaillement Vs est reliée au module de cisaillement dynamique Gmax par la relation suivante

où ρ est la densité.

Cette technique est à ce jour moins familière que la sismique réfraction car elle requièreun minimum d'expertise tant en propagation d'ondes guidées qu'en traitement du signalet en théorie des problèmes inverses.

PRINCIPE

Les ondes de surface ont une profondeur de pénétration voisine de leur longueur d'onde,leur comportement va dépendre de la fréquence. Les petites longueurs d'onde porterontdes informations sur le milieu proche de la surface tandis que les plus grandes longueursd'onde renseigneront sur le milieu plus en profondeur. Si les propriétés mécaniques dubéton varient en fonction de la profondeur, la vitesse des ondes de surface variera enfonction de la fréquence : l'onde est dispersive. Ce sont ces variations de la vitesse (dephase et ou de groupe) en fonction de la fréquence qui vont être utilisées pourreconstruire le milieu en résolvant un problème inverse.

Le dispositif expérimental pour enregistrer les ondes de surface appelé MASW secompose d'une source (impulsionnelle de type marteau ou entretenue de type potvibrant) et d'une série de capteurs non résonants alignés avec la source (Fig. 80). Commele problème inverse repose sur des hypothèses de champ lointain, la distance qui séparela source du premier capteur x1 doit classiquement être supérieure à la moitié de lalongueur d'onde maximale utilisée (et par extension supérieure à la profondeurmaximale d'investigation). Le milieu reconstruit est uni-dimensionnel : il s'agit d'unesuccession de couche. Un ordre de grandeur pour la première épaisseur e1 est la moitiéde la longueur d'onde minimale utilisable. Plus la résolution en épaisseur de la premièrecouche e1 est faible plus la longueur du dispositif total doit être réduite pour conserverdans les signaux les informations hautes fréquences.

L'espacement entre capteur doit être inférieur à la moitié de la longueur d'onde minimaleutilisée (Fig. 80).

109

MÉTHODE

62.17

ρ= maxs GV

Page 113: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

En déplaçant ce dispositif de mesure il est alors envisageable de remonter à unesuccession de profils unidimensionnels de vitesse de cisaillement le long d'une paroi debéton. Il est classique de représenter ces profils unidimensionnels bout à bout, mais cettereprésentation des résultats ne correspond pas une inversion bi-dimensionnel du milieu.

RÉFÉRENCE BIBLIOGRAPHIQUE

[1] PARK C.P., MILLER R., XIA J., Multichannel Analysis of Surface Waves, Geophysics, 64(3),pp. 800-808, 1999.

CONTACT

Odile Abraham 02 40 84 59 18 [email protected]

Laboratoire Central des Ponts et ChausséesDivision Reconnaissance et mécanique des solsFax : 02 40 84 59 99

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

110

Source Capteurs

Vitesse (m/s)

Fréquence (kHz)

Problème

inverse

zz

xe1

enVsn

Vs1

x1 > λmax/2

Figure 80Principe de la méthode MASW.

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PARTIE 4 - RETOUR D’EXPÉRIENCES SUR D’AUTRES MÉTHODES - MÉTHODE 62.18

LA MÉTHODE MASW(Modal Analysis of Surface Waves)

Mise au point à l'Université de Sherbrooke [1 à 4], cette méthode ne doit pas êtreconfondue avec une autre méthode MASW (Multichannel Analysis of Surface Waves).Cette méthode de l'Université de Sherbrooke sera indicée S par la suite.

DOMAINE D’APPLICATION

Pour le mécanicien des sols, il s'agit d'obtenir des valeurs quantitatives sur un sol nonremanié, pour une meilleure connaissance du sous-sol. La méthode MASWS permet aussid'atteindre le coefficient de Poisson, donc dans un sol, l'identification du niveaupièzométrique.

Pour le constructeur « béton », elle permet de connaître la qualité de la mise en place d'unbéton et les paramètres mécaniques de ce dernier. Suite à un incendie, le niveau dedégradation du béton peut être quantifié.

PRINCIPE

Les ondes de cisaillement utilisées intéressent le squelette solide et l'analyse est faite encontraintes effectives, alors que l'utilisation d'une onde de compression conduit souventdans un sol saturé à retrouver la vitesse de cette onde dans l'eau, soit environ 1500 m/s.L'analyse est faite en petites déformations et en élasticité.

La théorie montre que les ondes de surface (ondes de Raleigh) s'amortissentexponentiellement avec la profondeur. On admet qu'à une longueur d'onde deprofondeur, l'amplitude est suffisamment faible pour dire que la pénétration des ondesde surface est d'une longueur d'onde dans le milieu. Ceci va permettre de distinguer lesondes de différentes longueurs d'ondes.

Dans la méthode MASWS, l'ébranlement est réalisé par un choc, c'est-à-dire que le spectredes ondes émises est très large. Ce large spectre va permettre de différencier les niveauxdu milieu afin d'obtenir un profil de caractéristiques. Le choc initial génère aussi desmodes harmoniques qui pénètrent moins profondément que le mode fondamental etseront aussi utilisés dans l'analyse grâce à la puissance des calculateurs. La dispositionrégulière des seize des capteurs permet un traitement par décalage qui fournit unetomographie du milieu.

Les ondes de surface ainsi utilisées permettent d'obtenir une tomographie sur un profilen fonction de Gmax, donc une stratigraphie et les paramètres géotechniquescorrespondants : Id, s'p, etc. À l'aide de relations empiriques, il est même possible denormaliser les résultats pour une contrainte de confinement connue, par exemple100 kPa, ce qui est utilisé pour la détection des zones liquéfiables en cas de séisme.

111

MÉTHODE

62.18

Page 115: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

La profondeur de sol ausculté dépend de la force de l'impact. Avec une masse de 60 kgtombant de deux mètres, on atteint une profondeur auscultée de 15 m. Avec la chuted'une lame de D9, on passe à 60 m.

Rappelons que la méthode MASWS ne met pas en évidence les contacts que l'on voit parréflexion ou réfraction dans d'autres méthodes sismiques, mais évalue la qualité dumilieu traversé par les ondes de cisaillement, et que les limites des différentes couchesproviennent des différences de nature des matériaux.

MISE EN ŒUVRE DE LA MÉTHODE

Seize capteurs (accéléromètres BK) sont reliés à une carte d'acquisition et les signaux sontfournis à un calculateur portable qui en fait l'analyse.

Le résultat est présenté soit sous forme d'un profil de vitesses, soit sous forme de coupedu milieu, par interpolation entre profils (Fig. 81 et Fig. 82).

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

112

Source

16 m

Profil 1

Profil 2

Profil 3

Profil 4

Profil 5

MASW-1 MASW-2

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

50 150 250 350 450 550 650

Vitesse des ondes de cisaillement (m/s)

Roc

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6Coefficient de Poisson

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

100 200 300 400 500 600 700 800Vitesse de phase (m)

R-0R-1

R-2

R-3

R-4

R-5R-6

Profondeur (m)Longueur d'onde (m)

Modes expérimentauxModes théoriques

Figure 82Exemple d’identification des différents modes des ondes de Rayleigh.

Figure 81Exemple de configuration de laméthode MASWS.

Page 116: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

PARTIE 4 - RETOUR D’EXPÉRIENCES SUR D’AUTRES MÉTHODES - MÉTHODE 62.18

EXEMPLES

Le premier type d'application correspond à la tomographie d'un profil de sol. Celapermet de détecter les zones faibles (risque de liquéfaction, les vides plein d'eau ou d'air,etc.). L'information obtenue est une quantification mécanique et non pas géologique(Fig. 83).

113

Figure 83a. Contours de vitesse des ondes de cisaillement.

b. Contours de vitesses normalisées pour une contrainte effective de 100 kPa.

b

a

En 2000, comme second type d'application, la méthode MASWS a été, au tunnel du Mont-Blanc, utilisée pour la première fois sur du béton, pour évaluer l'épaisseur de béton plusou moins détruite par la chaleur. Des tomographies de 0,8m × 0,8m ont été faites. Lesrésultats ont été comparés aux nombreuses autres méthodes d'investigation et sont toutà fait concordants. Le contact béton - rocher a été clairement mis en évidence.

En 2004, au tunnel de Fontain lors d'une autre campagne, les anomalies de contact rocherevêtement ont été mises en évidence (Fig. 84).

Figure 84Tunnel de Fontain : mise en œuvre de la méthode(mars 2004) (16 capteurs collés au parement, lacentrale d'acquisition et le calculateur, alimentationpar un groupe 1,5 kW).

Page 117: Présentation des techniques de diagnostic de l'état d'un béton ...

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

[1] KARRAY M., LEFEBVRE G., Identification and Isolation of Multiple Modes in Rayleigh WavesTesting Methods, Use of Geophysical Methods in Construction, Proceedings of the sessionsof Geo-Denver 2000, ASCE, Denver, Colorado, USA, pp. 80-94, 2000.

[2] LEFEBVRE G., KARRAY M., New Developments in in-situ Characterization Using RayleighWaves, 51e Canadian Geotechnical Conference, Edmonton, Alberta, Canada, Vol. 2,pp. 821-828, 1998.

[3] LEFEBVRE G., KARRAY M., Utilisation des ondes de surface dans les investigationsgéotechniques pour une meilleure évaluation du risque en génie civil, Colloque Risque enGénie Civil, 9 p., Tunis, mars 2004.

[4] LEFEBVRE G., KARRAY M., FAURE R.-M., Results of surface waves testing in the investigationof the Mont-Blanc tunnel after the 1999 fire, Proc Int. site characterization, 9 p., Porto,sept. 2004.

CONTACTS

René-Michel Faure 04 72 14 34 81 [email protected]

Gilles Chatenoud 04 72 14 34 54 [email protected]

Centre d’Études des Tunnels (CETU), 25 avenue François Mitterrand, case n° 1, 69674 Bron cedex.Fax : 04 72 14 34 30

Méthodes d’essai n° 62 Présentation des techniques de diagnostic de l’état d’un béton soumis à un incendie

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Document publié par le LCPC sous le numéro J1050423Conception et réalisation LCPC-DISTC, Marie-Christine Pautré

Dessins LCPC-DISTC, Philippe CaquelardImpression Jouve - N° 387918 NDépôt légal 4e trimestre 2005

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Réf : ME 62Prix : 35 Euros HT

L'objet de ce document est de faire le point sur les techniques de diagnostic de l'état d'un bétonsoumis à un incendie. Il est structuré en quatre parties :- Partie 1 : Généralités- Partie 2 : Observations et mesures in situ- Partie 3 : Méthodes d'essai de laboratoire- Partie 4 : Retour d'expériences sur d'autres méthodes

La première partie rappelle quelques généralités sur l'évolution du matériau béton sous l'effet de latempérature et donne des notions sur la démarche à mettre en œuvre pour réaliser un diagnosticfiable et pertinent. La seconde partie concerne les observations et les mesures que l'on peuteffectuer in situ. La troisième partie rassemble les méthodes de mesure et d'essais de laboratoiredisponibles dans le réseau des Laboratoires des Ponts et Chaussées et pour lesquelles il existe unelongue expérience. La dernière partie présente certaines méthodes de mesure et d'essai en coursde développement, mais qui paraissent prometteuses.

The objective of this document is to describe diagnosis methods to investigate the condition ofconcrete subjected to fire. It is organised in four parts, as follows :- Part 1: General information.- Part 2: In situ observations and measurements.- Part 3: Laboratory testing methods.- Part 4: Experience feedback with others methods.

The first part is devoted to general information on the evolution of the properties of concrete with anincrease of the temperature and gives the concepts to carry out a reliable and relevant diagnosis.The second part describes observations and measurements which can be carried out in situ. Thethird part presents laboratory methods and tests, for which there is a long experiment in the LPCnetwork. The last part presents some measurement and test methods under development, but whichappear promising.