Evaluation de la «durée de vie résiduelle» d un ouvrage par la mesure des indicateurs de durabilité et des témoins de durée de vie

Transcription

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2 ouvrage par la mesure des indicateurs de durabilité et des témoins de durée de vie Christophe Aubagnac, Cerema Direction Territoriale Centre-Est DL Autun Remerciements à Benoît Thauvin du LR Saint-Brieuc de la Direction Territoriale Ouest du Cerema, pour sa généreuse contribution à l exposé.

3 ouvrage le référentiel

4 ouvrage contexte et enjeux Le contexte Importance du patrimoine des ouvrages d art en béton Vieillissement, dégradation (corrosion, gel interne et écaillage, RGI ) Les enjeux Anticiper l apparition des dégradations: Surveiller les structures en béton (armé) Evaluer l avancement des phénomènes de dégradation Pronostiquer l échéance d apparition des dégradations Programmer des actions de maintenance préventive Évaluer l'efficacité des réparations éventuelles

5 ouvrage la problématique Dégradations du béton : Corrosion des armatures (Cl - et CO 2 ) Alcali-réaction Réaction Sulfatique Interne Gel/dégel Objectifs : Évaluer l état de la structure vis-à-vis de la dégradation Prédire/pronostiquer l évolution de la dégradation

6 ouvrage la problématique Gestion des ouvrages par le maître d ouvrage ou le gestionnaire Dégradations Initiation État limite Conception Formulation Incubation to Propagation Temps Durée de vie résiduelle

7 ouvrage «durée de vie résiduelle» vis à vis de la corrosion Corrosion Conception Formulation Incubation to Initiation «Durée de vie résiduelle» Propagation Temps «Durée de vie résiduelle» du béton armé vis-à-vis de la corrosion des armatures (phase d incubation) : Temps au bout duquel le front de chlorures et/ou le front de carbonatation atteint les armatures

8 ouvrage la méthodologie de diagnostic Indicateurs de durabilité Caractérisent les propriétés du béton vis à vis d une dégradation donnée Essais en laboratoire sur éprouvettes Témoins de durée de vie Évaluent l avancement du processus de dégradation Essais in situ ou sur prélèvements Données de conception/réalisation Données environnementales Évaluation de l état de la structure à un instant t Prédiction/pronostic de l état de la structure à t + t Évaluation de la «durée de vie résiduelle»

9 ouvrage la méthodologie de diagnostic Indicateurs de durabilité Porosité accessible à l eau (P eau ) Coef. de dif. des chlorures (D app ) Perméabilité au gaz (K gaz ) Teneur en portlandite (Ca(OH) 2 ) Témoins de durée de vie Profondeur de carbonatation (X c ) Position du front de chlorures Profil de pénétration des chlorures (X d ) (+ méthodes électrochimiques) Résistivité électrique ( ) Données de conception et de réalisation Enrobage des armatures (e) Fissuration, hétérogénéités Données environnementales Exposition du béton : humidité sels marins ou de déverglaçage milieu agressif

10 ouvrage la méthodologie de diagnostic Témoins de durée de vie Détermination de la profondeur de carbonatation (X c ) par méthode colorimétrique (phénol-phtaléine)

11 ouvrage la méthodologie de diagnostic Témoins de durée de vie Détermination de la position du front de chlorures par la méthode colorimétrique (nitrate d argent)

12 ouvrage la méthodologie de diagnostic Perceuse Trépan Chlorures libres en % du poids de matériaux sec,3,25,2,15,1,5 Profil de pénétration des chlorures dans l enrobage enrobage mini des aciers passifs de la série Poudre Profondeur en millimètres A2b-D33 sous radier Seuil d'initiation de l'enrouillement

13 ouvrage la méthodologie de diagnostic Témoins de durée de vie Pénétration des chlorures Concentration critique d initiation de la corrosion : Concentration à partir de laquelle s initie la corrosion Initiation de la corrosion Si béton non carbonaté : [Cl-]/[OH-] =,6 [Cl-] =,4% (en % masse de ciment)

14 ouvrage la méthodologie de diagnostic Témoins de durée de vie Pénétration des chlorures Concentration critique d initiation de la corrosion : Concentration à partir de laquelle s initie la corrosion [Cl] cr =,4% (% masse de ciment) Profils chlorures : % masse de béton Conversion de [Cl] cr - Hypothèses sur masse volumique et dosage en ciment du béton - Avec 25 kg/m3 et 35-4 kg/m3 => ~,6% (% masse de béton)

15 ouvrage la méthodologie de diagnostic Témoins de durée de vie Profondeur de front de chlorures Xd,3 Concentraton en chlorures (% masse béton),25,2,15,1,5 Chlorures libres Chlorures totaux Position de l armature Concentration critique d initiation de la corrosion : [Cl] cr Xd Profondeur dans l'enrobage (cm)

16 ouvrage exemple d un ouvrage en environnement marin Présentation de l ouvrage - travée isostatique (63 m) - 4 poutres longitudinales - 13 entretoises (tous les 5,25m) - construction en par Campenon Bernard - zone de marnage, d éclaboussures et d embruns

17 ouvrage la méthodologie de diagnostic Indicateurs de durabilité Porosité accessible à l eau (P eau ) Coef. de dif. des chlorures (D app ) Résistivité électrique ( ) Données de conception et de réalisation Distribution statistique des enrobages (e) par technique RADAR Témoins de durée de vie Profondeur de carbonatation (X c ) Position du front de chlorures Profil de pénétration des chlorures (X d ) Données environnementales Prise en compte de l exposition du béton dans le lotissement des investigations

18 ouvrage plan de prélèvements, échantillonnage Les témoins de durée de vie sont directement liés à l environnement du béton Poutre extérieure Face exposée aux vents dominants Plan d échantillonnage «vertical» pour tenir compte du marnage Nature de la donnée Nature de l investigation Notation Témoins de durée de vie Profondeur de carbonatation (carottage 5mm) Profils de pénétration des chlorures (prélèvement de poudre) Pour une zone i: 1 prélèvement: Cai Pour une zone i: 3 prélèvements: Cli1, Cli2, Cli3 Indicateurs de durabilité P eau, D app, (carottage 1mm)

19 ouvrage distribution des enrobages 12% 8 1% 7 6 Pourcentage cumulé 8% 6% 4% Mini Enrobage (cm) Moyen Armatures verticales 3,3 2,5 5 Armatures horizontales 4 4,4 3 3, Maxi 5,3 2 7,8 2% Ecart type,5 1 1,1 % Classes d'enrobage en cm Distribution aciers verticaux Distribution aciers horizontaux Enrobage des aciers verticaux Enrobage des aciers horizontaux Enrobage Mini des Aciers Horizontaux Enrobage Mini des aciers verticaux Enrobage Moyen des aciers horizontaux Enrobage Moyen des aciers verticaux

20 ,6 Evaluation de la «durée de vie résiduelle» d un ouvrage profils de pénétration des chlorures [Cl-] Critique - C = 4 kg/m3 [Cl-] Critique - C = 35 kg/m3 Cl Bas,5 Cl Bas Teneur en chlorure (%),4,3,2,1 Cl Bas Enrobage Mini des aciers verticaux Enrobage Mini des aciers horizontaux Enrobage Moyen des aciers verticaux Enrobage Moyen des aciers horizontaux Cl Haut Cl Haut Cl Haut Cl Entretoise Cl Entretoise Cl Entretoise Cl Talon, Profondeur (cm) Cl Talon Cl Talon

21 Teneur en chlorure (%),6,5,4,3,2,1 Evaluation de la «durée de vie résiduelle» d un ouvrage profils de pénétration des chlorures Zone Haut Milieu Milieu [Cl-] Critique Profils - C = 4 kg/m3 [Cl-] Critique - C = 35 kg/m3 Cl Bas Cl Bas Cl Bas Enrobage Mini Cl2.3 des aciers verticaux <,5 Enrobage Mini Cl3.1 des aciers horizontaux,6 Enrobage Moyen Cl3.2des aciers verticaux <,5 Cl3.3 Enrobage Moyen des aciers horizontaux <,5 Cl Haut Cl Haut Cl1.3 Cl Haut Cl6.1 Cl Entretoise Talon Cl6.2 Entretoise Cl Entretoise Cl Entretoise Cl Talon Cl4.1 Cl4.2 Cl4.3 Cl2.1 Cl2.2 Cl1.1 Cl6.3 Cl5.1 Bas Cl1.2 4,2 Cl5.2 X d (cm) 4,3 <,5 <,5 1,7 2,3, Profondeur (cm) Cl Talon Cl Talon

22 ouvrage profils de pénétration des chlorures et distribution des enrobages Zone Profils X d (cm) Cl4.1 Haut Cl4.2 12% 8 Cl4.3 4,3 Cl2.1 <,5 Pourcentage cumulé 1% 8% 6% 4% 2% % Exploitation statistique: Cl6.1 7% des armatures horizontales en 2 phase de propagation Cl6.2 Talon 1 Cl6.3 1% des armatures verticales et horizontales en phase Classes d'enrobage en cm Entretoise Cl3.2 Cl3.3 Cl1.1 Cl5.1 <,5 <,5 Cl1.2 Bas 4,2 Cl2.3 98% des armatures verticales en phase de propagation d incubation Milieu Milieu Cl2.2 Cl2/3 Cl3.1 Cl5.2 <,5 <,5,6 1,7 2,3

23 ouvrage mesure des indicateurs de durabilité Classes de durabilité potentielle Indicateurs de durabilité Très faible Faible Moyenne Élevée Très élevée Porosité accessible à l eau P eau (%) > à à 14 9 à 12 6 à 9 Coefficient de diffusion des chlorures D app (1-12.m².s -1 ) > 5 1 à 5 5 à 1 1 à 5 < 1 Résistivité électrique (Ω.m) < 5 5 à 1 1 à à 1 > 1 Indicateurs de durabilité Résultats des essais Classe de durabilité potentielle Durée de vie Porosité accessible à l eau P eau (%) 13,1 Moyenne < 3 ans Coefficient de diffusion des chlorures D app (1-12.m².s -1 ) 2,6 Elevée 5 à 1 ans Résistivité électrique - (Ω.m) 325 Elevée -

24 ouvrage estimation de la «durée de vie résiduelle» Objectif: Pour les armatures en phase d incubation, déterminer le temps au bout duquel la corrosion va s initier. Choix d un modèle de «prédiction»

25 ouvrage estimation de la «durée de vie résiduelle» En zone immergée: En zone de marnage:

26 ouvrage estimation de la «durée de vie résiduelle» En zone immergée: Rappel: La corrosion s initie lorsque le front de chlorures atteint les armatures. Soit X d (t ) la position du front de chlorures à l instant t Soit t d le temps au bout duquel la corrosion s initie X d (t d ) = e t = t d t

27 Position du front de chlorures (m) X d,25,2,15,1,5 Evaluation de la «durée de vie résiduelle» d un ouvrage estimation de la «durée de vie résiduelle», Temps en année

28 Pourcentage d armatures en phase de propagation Durée de vie résiduelle Zone Profils X d (cm) Vert. Hor. Vert. Hor. Cl4.1 1% 75% Témoins de durée de vie Haut Milieu Milieu Cl4.2 Cl4.3 Cl2.1 Cl2.2 Cl2/3 Cl3.1 Cl3.2 Cl3.3 Cl1.1 Cl6.1 <,5 <,5 Cl1.2 Bas 4,2 Cl2.3 4,3 <,5 <,5 <,5,6 1% 98% % % % % % % 1% 98% 1% 1% 75% 7% % % % % % % 75% 6% 75% 75% Indicateurs de durabilité > 3 > 3 > 3 > 3 > 3 > 3 > 3 > 3 > 3 > 3 > 3 > 3 Cl6.2 Talon 1% 75% Cl6.3 1% 75% Cl5.1 1,7 % % à 5 1 à 15 Entretoise Cl5.2 2,3 % % à 5 5 à 1

29 ouvrage Conclusions Témoins de durée de vie Formuler un diagnostic sur l avancement de la corrosion en fonction des différentes parties de la structure Estimer la proportion d armatures en phase d incubation ou de propagation de la corrosion Indicateurs de durabilité Évaluer les propriétés de durabilité du béton vis-à-vis de la corrosion des armatures Estimer la «durée de vie résiduelle» du béton pour chacune des parties de la structure Orienter et aider le gestionnaire dans sa prise de décision sur le devenir de l ouvrage

30 ouvrage Conclusions Intérêt 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 béton - Probabilisation du diagnostic - Introduction de variables aléatoires (X cr, e, Dapp, )

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