Plate forme de modélisation en vue de la prédiction de la durée de vie des bétons vis-à-vis de la pénétration d agents agressifs

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1 Plate forme de modélisation en vue de la prédiction de la durée de vie des bétons vis-à-vis de la pénétration d agents agressifs Phase d'initiation de la corrosion vis-à-vis de la - pénétration d'agents agressifs (CO2, Cl ) - THIERY M., BAROGHEL-BOUNY V., A. MORANDEAU, B. WANG, Z. ZHANG MAT (Paris) - DANGLA P. Navier (Champ-sur-Marne) - ORCESI A. SOA (Paris)

2 Estimation / Prédiction de la durabilité des structures en béton armé (BA) - Les dépenses pour les réparations des structures en béton constituent entre 50%-100% des dépenses par rapport aux constructions nouvelles (pays développés) - Le coût annuel des réparations des structures est équivalent à 10% du PIB (Europe) Approches prescriptives (EN206) : les critères portent sur les moyens (formulation, enrobage, etc.) limitations de l innovation (nouveaux liants?, durée de vie 50 ans, optimisation en terme d écoconception?) Approche performantielle / outils de prédiction : durée de vie (100 ans)

3 Estimation / Prédiction de la durabilité des structures en béton armé (BA) Approche performantielle / outils de prédiction : -Plus grande souplesse pour faciliter l emploi de liants respectueux de l environnement (identification des indicateurs pertinents) -Lien "Formulation" / "Performances de durabilité" Les modèles prédictifs : Objectif 1 : évaluation de la durabilité potentielle durant la phase de conception (formulation d un béton pour une durabilité pré-définie, qualification d une formulation, prédiction de la durée de vie) Objectif 2 : estimation (in situ) et quantification de la durée de vie résiduelle des structures existantes (stratégie de maintenance et de réparation) MDM : guide AFGC Baroghel-Bouny et al.

4 Modèles physico-chimiques de prédiction de la durée de vie - Restriction à la phase d initiation (incubation) de la corrosion - Modèles physico-chimiques (pré-requis : analyse des mécanismes) Données d entrée : indicateurs de durabilité (souplesse, accessibilité) Données de sorties : témoins de durée de vie (profils de pénétration et cinétiques de dégradation) - Modèles déterministes et probabilistes Différents niveaux de sophistication (différents objectifs, sélection suivant le niveau de précision et les données disponibles) Recherche de la simplicité avant tout (limitation des données et paramètres d entrée à identifier)

5 Données d'entrée Transferts hydriques Modèles prédictifs

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7 Compréhension des mécanismes Hydratation / Constitution de la microstructure Mise en relation de l évolution de la composition chimique du matériau (hydratation du clinker et réactions des additions minérales) avec la nano-micro-structuration du matériau Eau Grains anhydres de ciment -Prise -Structuration du matériau -Constitution d une microstructure "cohésive" Produits d hydratation (CH + C-S-H)

8 Compréhension des mécanismes Nanocem Hydratation / Constitution de la microstructure Développement de modèles semi-analytiques prédisant les paramètres fondamentaux caractéristant l hydratation (teneurs en hydrates, degré d hydratation) et la microstructure du matériau (porosité) Teneurs en hydrates Modèles de type "béton numérique" (Description géométrique de l hydratation)... Porosité vs. degré d hydratation

9 Compréhension des mécanismes Hydratation / Constitution de la microstructure Hydratation Microstructure Propriétiés de transferts Microstructure Permeabilité

10 Compréhension des mécanismes Interactions physico-chimiques Le béton est un matériau en constante interaction physico-chimique avec son environnement -Eau -Ions (Cl-, SO42-, Na+, K+, etc.) -Gaz (CO2) La connaissance des interactions est cruciale pour prédire avec précision la pénétration des agents délétères au sein de la microstructure

11 Compréhension des mécanismes Interactions eau / matrice Eau libre Eau adsorbée (rôle de l humidité et de la finesse de la microstructure) Courbe d interaction Vapeur d eau (HR) Teneur en eau

12 Compréhension des mécanismes Interactions eau / matrice - Modélisation des courbes d interactions (adsorption - désorption - cycles) - Variables : porosité capillaire + degré d hydratation Hystérésis

13 Compréhension des mécanismes Interactions chlorures / matrice Une partie des ions chlorure est libre (mobiles) et une autre partie est fixée sur la matrice cimentaire (chimiquement et par adsorption). Relation scl = f(ccl)

14 Compréhension des mécanismes Interactions CO2 / matrice Quantification de la quantité de matière carbonatable pat ATG et par Spectrométrie de Masse Quantification du degré de carbonatation en fonction de la formulation du matériau, de la nature des hydrates et de la concentration en CO2 Spectrométrie de masse

15 Effet des interactions sur la pénétration des agents agressifs Synthèse : les différentes formes d interactions

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

17 Compréhension des mécanismes Interactions CO2 / matrice Evolution de la microstructure (porosité) en fonction du niveau de carbonatation des hydrates (portlandite et C-S-H) Matériaux à base de ciment CEM I Matériaux à base de ciment CEM I + additions

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19 Modélisation des couplages Chimie - Transport Nanocem Chimie - Interactions chimiques en solution aqueuses (homogènes) - Interactions hétérogènes +Réactions chimiques (ions-matrice) : équilibre? +Réactions chimiques (entre les phases solides) modèle de solution solide Transports - Phase gazeuse : vapeur d eau et air sec - Phase liquide : eau liquide, espèces ioniques Transport par électro-diffusion / advection

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22 Equations chimiques de fortes non-linéarités Effets cinétiques Reactions chimiques homogènes en solution aqueuse Modèle de solution solide

23 Equations hydriques MDM + Navier + Nanocem Courbes de sorption

24 Equations de transport Phases gazeuse et liquide Transport par advection et diffusion MDM + Navier + Nanocem

25 Equations de transport MDM + Navier + Nanocem

26 Equations de bilan Bilans sur les éléments chimiques MDM + Navier + Nanocem

27 Simulations de la carbonatation atmosphérique (conditions accélérées)

28 Simulations de la carbonatation atmosphérique (conditions accélérées) -Description correcte de la "chimie" de la solution interstitielle en fonction du niveau de carbonatation -Evolution de l assemblage minérale en fonction de la concentration en CO2

29 Simulations de la carbonatation atmosphérique (conditions accélérées) -Profil de teneur en portlandite à différentes échéances -Profils de ph à différentes échéances (cf. rôle des alacalins) -Crucial pour l estimation du risque de corrosion des armatures

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31 Simulations probabilistes de la pénétration de la carbonatation Abaissement du niveau de raffinement du modèle pour prendre en compte la variabilité des paramètres d entrée du modèle -Incertitude des données d entrée du modèle (mesures des indicateurs de durabilité) -Variabilité sur la formulation et les conditions de mise en oeuvre -Variation stochastique des conditions d exposition (HR, CO2, etc.) etc. Calcul d une probabilité de défaillance ou d un indice de fiabilité

32 Simulations probabilistes de la pénétration de la carbonatation Indice de fiabilité = Distance entre l état limite (XC=E) et le point de fonctionnement (point "moyen")

33 Simulations probabilistes de la pénétration de la carbonatation

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35 Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions saturées, lab.) Essai de diffusion Exploitation du profil à une échéance donnée et une CL fixée Prédictions à d'autres échéances et/ou des CL différentes Wang, 2012 Chlorures libres Chlorures totaux Fixation

36 Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions saturées, in situ) Wang, 2012

37 Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions saturées, in situ) Wang, 2012

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39 Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions non-saturées) Cas du "wick-action test" Forts couplages entre les transferts hydriques et les mouvements ioniques Exposition en zone de marnage Profils de taux de saturation (état hydrique) Baroghel-Bouny & Thiery, 2011

40 Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions non-saturées) Profils ioniques à différentes échéances Accumulation des ions au niveau d'un front du front de séchage Baroghel-Bouny & Thiery, mois 35 jours

41 Conclusion Plateforme de modélisation et de prédiction de la durée de vie (agressions ioniques + CO2 / transferts hydriques) Multi-phases, multi-espèces, multi-physiques Fondements physico-chimiques / Souplesse (cohérence avec l approche performantielle) Différents niveaux de raffinement : -Ingénieurs (modèles probabilistes) -Analyse inverse des données d entrée -Compréhension des mécanismes

42 Perspectives de recherche -Interactions alcalins / matrice (cas des matériaux fortement dosés en additions) -Prise en compte dans les modèles des phénomènes d hystérésis (humidification séchage) : influence sur la pénétration d agents agressifs -Problématique du décoffrage des bétons fortement dosés en additions minérales (cendres volantes, laitiers, etc.) -Modélisation des couplages transferts hydriques - réactions chimiques (à court terme) -Simulation de la dégradation des propriétés de durabilité de la zone d enrobage -Accroissement de la sensibilité à la carbonatation

43 Courte durée de cure (bétons à base de CEM I) Hydratation Décoffrage CEM I temps Séchage et carbo. Hydratation temps Décoffrage CEM I Courte durée de cure (bétons à base de CEM I + CV) Séchage et carbo. CEM I Décoffrage Longue phase de cure (essais accélérés) Hydratation CV Séchage et carbo. temps