concevoir, construire et gérer des structures durables en béton · béton armé en zone de...
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Concevoir, construire et gérer des structures durables en béton
Approche performantielle et évolutions normativesévolutions normatives
Evaluation de la durée de vie résiduelle d’un ouvrage en
servicepar la mesure des indicateurs de
durabilité et des témoins de durée de vie
www.cete-mediterranee.fr
Centre d'Études Techniques de l'Équipement Méditerranée
Au 1er Janvier 2014, les 8 CETE, le Certu, le Cetmef et le Sétra fusionnent pour donner naissance au Cerema
28 novembre 2013 – CETE Méditerranée d’Aix-en-Proven ce
Gilles Givry
Le référentiel
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Contexte et enjeux
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Un parc important d’ouvrages d’art en BA et BP
Contexte et enjeuxProblématique : Patrimoine vieillissant qui se dégrade plus ou moins
rapidement selon
• les propriétés intrinsèques du matériau,
• la qualité de mise en œuvre à la construction,• la qualité de mise en œuvre à la construction,
• l’entretien,
• les conditions d’exposition.
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Contexte et enjeux
Le gestionnaire a besoin d’informations fiables pour :
Anticiper l’apparition des désordres
• évaluer l’état de son patrimoine,
• évaluer l’état d’avancement des phénomènes de dégradation,
• pronostiquer l’échéance d’apparition des dégradations
Programmer des actions de maintenance préventives
• déterminer le moment optimum pour réaliser des actions de maintenance préventive (donc avant l’apparition de désordres)
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maintenance préventive (donc avant l’apparition de désordres)
Evaluer l’efficacité des réparations éventuelles
→ Application de l’approche performantielle sur des ouvrages en service
La méthodologie du diagnostic
Dégradations du béton : Corrosion des armatures (Cl- et CO ) Corrosion des armatures (Cl- et CO2)
Alcali-réaction
Réaction Sulfatique Interne (RSI)
Gel/dégel
Objectifs :
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Objectifs : Evaluer l’état de la structure vis-à-vis de la
dégradation
Pronostiquer l’évolution de la dégradation
Durée de vie résiduelle
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La durée de vie résiduelle à un instant to (ouvrage en service) vis-à-vis d’un phénomène de dégradation correspond à la duréed’incubation restante de ce phénomène.
Durée au bout de laquelle la propagation du phénomène s’amorce.
Durée de vis résiduelle vis -à-vis de la corrosion
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Durée de vie résiduelle du béton armé vis-à-vis de la corrosion des armatures : Temps au bout duquel le front de chlorures et/ou le front de carbonatation atteint les armatures.
La méthodologie du diagnosticIndicateurs de
durabilitéTémoins de durée
de vie
Caractérisent les Evaluent l’avancement Caractérisent les propriétés du béton
vis-à-vis d’une dégradation donnée
Evaluent l’avancement du processus de
dégradation
Essais en laboratoire sur éprouvette
Essais in situ ou sur prélèvements
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Propriétés de transfert du matériau
Evaluation de l’état de la structure à un instant to
Prédiction/pronostic de l’état de la structure à to+∆tEvaluation de la durée de vie résiduelle
La méthodologie de diagnostic
Indicateurs de durabilité Témoins de durée de vie
• Porosité accessible à l’eau : P • Profondeur de carbonatation : Xc• Porosité accessible à l’eau : Peau
• Coeff. De diffusion des Cl- : Dapp
• Perméabilité au gaz : Kgaz
• Teneur en portlandite : Ca(OH)2
• Résistivité électrique : ρ
• Profondeur de carbonatation : Xc
• Position du front de Cl- : Xd
• Profil de pénétration des Cl-
Données
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Données de conception réalisation
Données environnementales
• Enrobage des armatures (e)
• Fissuration, hétérogénéités
• Exposition du béton :
• Humidité
• Sels marins ou de déverglaçage
• Milieu agressif
La méthodologie du diagnosticExemple pour le phénomène corrosion Principale cause de dégradation des structures en béton :
Carbonatation
Pénétration des ions chlorures
Dioxyde de Dioxyde de carbonecarbone
CO2CO2
ChloruresCl-
Porositéouverte
Fissure
Porositéouverte
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Armature Porositéfermée
La méthodologie du diagnosticExemple pour le phénomène corrosionLes indicateurs de durabilité :1. Porosité accessible à l’eau Peau,2. Coefficient de diffusion apparent des 2. Coefficient de diffusion apparent des
chlorures Dapp3. Perméabilité au gaz Kgaz4. Résistivité électrique,5. Teneur en portlandite Ca(OH)2
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Les témoins de durée de vie :1. Profondeur de carbonatation Xc,2. Position du front de chlorures Xd
La méthodologie du diagnosticExemple pour le phénomène corrosion
2. Position du front de chlorures Xd3. Profil de pénétration des chlorures
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La méthodologie du diagnosticExemple pour le phénomène corrosion
Témoins de durée de vie
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Détermination de la profondeur de carbonatation (Xc) par méthode colorimétrique (phénol-phtaléine)
La méthodologie du diagnosticExemple pour le phénomène corrosion
Témoins de durée de vie
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Détermination de la position du front de chlorures par la méthode colorimétrique (nitrate d’argent)
Profil de pénétration des chlorures dans l’enrobage
La méthodologie du diagnosticExemple pour le phénomène corrosion
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La méthodologie du diagnosticExemple pour le phénomène corrosion Profil de pénétration des chlorures dans l’enrobage
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Concentration critique d’initiation de la corrosion : concentration à partir de la laquelle s’initie la corrosion
La méthodologie du diagnosticExemple pour le phénomène corrosion
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En fonction du rapport [Cl-]/[OH-], le film protecteur peut être détruit, même à pH >11,5
Le critère le plus défavorable est donc carbonatation + attaque des ions chlorures (en haut à gauche sur le graphe).
Pour un béton non carbonaté :
[Cl- ]/[OH-] = 0,6 [Cl-] = 0,4% (% en masse de ciment)
La méthodologie du diagnosticExemple pour le phénomène corrosion
Les profils de chlorures sur béton sont donnés en % masse de béton
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Les profils de chlorures sur béton sont donnés en % masse de béton
Soit en prenant une hypothèse sur la masse volumique du béton : 2500 kg/m3
Et sur la teneur en ciment du béton 350-400 kg/m3
La concentration critique d’amorce de la corrosion est :
[Cl-]cr ≈ 0,06 % (% en masse de béton)
Profondeur de front de chlorures Xd
La méthodologie du diagnosticExemple pour le phénomène corrosion
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La méthodologie du diagnosticExemple pour le phénomène corrosionDistribution des enrobages
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Profils de pénétration des chlorures
La méthodologie du diagnosticExemple pour le phénomène corrosion
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Détermination de Xd pour chaque carotte
La méthodologie du diagnosticExemple pour le phénomène corrosion
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Profil de pénétration des chlorures et distribution des enrobages
La méthodologie du diagnosticExemple pour le phénomène corrosion
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Mesure des indicateurs de durabilité
Classe de durabilité potentielleIndicateurs de
durabilitéTrès faible Faible Moyenne Elevée Très élevée
Porosité accessible à l’eau – Peau (%)
> 16 14 à 16 12 à 14 9 à 12 6 à 9l’eau – Peau (%)
Coefficient de diffusion des chlorures – Dapp
(10-12.m2.s-1)> 50 10 à 50 5 à 10 1 à 5 < 1
Résistivité électrique (Ω.m)
< 50 50 à 100 100 à 250 250 à 1000 > 1000
Indicateurs de durabilitéRésultat des
essaisClasse durabilité
potentielleDurée de vie
Porosité accessible à l’eau –13,1 Moyenne < 30 ans
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Porosité accessible à l’eau –Peau (%)
13,1 Moyenne < 30 ans
Coefficient de diffusion des chlorures – Dapp (10-12.m2.s-1)
2,6 Elevée 50 à 100 ans
Résistivité électrique (Ω.m) 325 Elevée50 à 100 ans
Objectif : Pour les armatures en phase d’incubation, savoir en combien de temps la corrosion s’initiera
Estimation de la durée de vie résiduelle
Choix d’un modèle de prédiction
Approche classique : diffusion selon lois de Fick
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Obtention d’une fonction C(x,t)Avec C : concentration des chlorures
X : profondeur d’enrobageT : temps
Différents faciès de pénétration des chlorures
Estimation de la durée de vie résiduelle
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Ces différents faciès correspondent à des conditions d’exposition différentes du parement béton à l’agent agressif, exemple :
Béton armé immergé dans l’eau de mer
Béton armé en zone de marnage
Estimation de la durée de vie résiduelle
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Rappel : la corrosion d’initie lorsque le front de chlorures atteint les armatures.Soit Xd(to) la position du front de chlorures à l’instant toSoit t1 le temps au bout duquel le front de chlorures aura atteint la nappe d’armatures Xd(t1) = eLa durée de vie résiduelle est ∆t = t1 – t0 dans l’exemple ci-dessus ∆t ≈ 35 ans
Estimation de la durée de vie résiduelle
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ConclusionsL’approche perfomantielle est à la fois un outil de diagnostic et de pronostic.
Témoins de durée de vie
• Formuler un diagnostic sur l’avancement de la corrosion dans les
Indicateurs de durabilité
• Formuler un diagnostic sur l’avancement de la corrosion dans les différentes parties de la structure
• Estimer la proportion d’armatures en phase d’incubation ou de propagation de la corrosion
• Evaluer les propriétés de durabilité du béton vis-à-vis de la
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• Evaluer les propriétés de durabilité du béton vis-à-vis de la corrosion des armatures
Orienter le gestionnaire dans la prise de décision sur le devenir de l’ouvrage
• Estimer la durée de vie résiduelle du béton pour chaque partie de la structure
ConclusionsIntérêt de l’approche performantielle pour le diagnostic :
Méthodologie d’expertise
Rigueur scientifique
Indicateurs quantifiés
Précautions : Corrosion : phénomène électrochimique complexe
Incertitudes : méthodes de mesure, composition des bétons, seuil d’initiation…
Béton armé = matériau hétérogène : enrobage, qualité du béton…
Perspectives :
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Développement de nouvelles méthodes pour déterminer les témoins de vie (MND)
Développement de nouveaux indicateurs de durabilité
Développement de nouveaux modèles de transfert, utilisation de modèle prédictif plus précis couplant les phénomènes qui interagissent
entre eux
Merci de votre
attention
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Au 1er Janvier 2014, les 8 CETE, le Certu, le Cetmef et le Sétra fusionnent pour donner naissance au Cerema
attention