Concevoir, construire et gérer des structures durables en béton

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1 Concevoir, construire et gérer des structures durables en béton Approche performantielle et évolutions normatives Evaluation de la durée de vie résiduelle d un ouvrage en service par la mesure des indicateurs de durabilité et des témoins de durée de vie Gilles Givry 28 novembre 2013 CETE Méditerranée d Aix-en-Provence Au 1 er Janvier 2014, les 8 CETE, le Certu, le Cetmef et le Sétra fusionnent pour donner naissance au Cerema

2 Le référentiel 2

3 Contexte et enjeux Un parc important d ouvrages d art en BA et BP 3

4 Contexte et enjeux Problématique : Patrimoine vieillissant qui se dégrade plus ou moins rapidement selon les propriétés intrinsèques du matériau, la qualité de mise en œuvre à la construction, l entretien, les conditions d exposition. 4

5 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) Evaluer l efficacité des réparations éventuelles Application de l approche performantielle sur des ouvrages en service 5

6 La méthodologie du diagnostic Dégradations du béton : Corrosion des armatures (Cl - et CO 2 ) Alcali-réaction Réaction Sulfatique Interne (RSI) Gel/dégel Objectifs : Evaluer l état de la structure vis-à-vis de la dégradation Pronostiquer l évolution de la dégradation 6

7 Durée de vie résiduelle La durée de vie résiduelle à un instant to (ouvrage en service) vis-àvis d un phénomène de dégradation correspond à la durée d incubation restante de ce phénomène. Durée au bout de laquelle la propagation du phénomène s amorce. 7

8 Durée de vis résiduelle vis-à-vis de la corrosion 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. 8

9 La méthodologie du diagnostic Indicateurs de durabilité Caractérisent les propriétés du béton vis-à-vis d une dégradation donnée Essais en laboratoire sur éprouvette Témoins de durée de vie Evaluent l avancement du processus de dégradation Essais in situ ou sur prélèvements 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+ t Evaluation de la durée de vie résiduelle 9

10 La méthodologie de diagnostic Indicateurs de durabilité Témoins de durée de vie Porosité accessible à l eau : P eau Profondeur de carbonatation : Xc Coeff. De diffusion des Cl - : D app Position du front de Cl - : Xd Perméabilité au gaz : K gaz Profil de pénétration des Cl - Teneur en portlandite : Ca(OH) 2 Résistivité électrique : ρ Données de conception réalisation Enrobage des armatures (e) Fissuration, hétérogénéités Données environnementales Exposition du béton : Humidité Sels marins ou de déverglaçage Milieu agressif 10

11 La méthodologie du diagnostic Exemple pour le phénomène corrosion Principale cause de dégradation des structures en béton : Carbonatation Pénétration des ions chlorures Dioxyde de carbone CO2 Chlorures Cl- Fissure Porosité ouverte Porosité ouverte Armature Porosité fermée 11

12 La méthodologie du diagnostic Exemple pour le phénomène corrosion Les indicateurs de durabilité : 1. Porosité accessible à l eau Peau, 2. Coefficient de diffusion apparent des chlorures Dapp 3. Perméabilité au gaz Kgaz 4. Résistivité électrique, 5. Teneur en portlandite Ca(OH)2 12

13 La méthodologie du diagnostic Exemple pour le phénomène corrosion Les témoins de durée de vie : 1. Profondeur de carbonatation Xc, 2. Position du front de chlorures Xd 3. Profil de pénétration des chlorures 13

14 La méthodologie du diagnostic Exemple pour le phénomène corrosion Témoins de durée de vie Détermination de la profondeur de carbonatation (Xc) par méthode colorimétrique (phénol-phtaléine) 14

15 La méthodologie du diagnostic Exemple pour le phénomène corrosion Témoins de durée de vie Détermination de la position du front de chlorures par la méthode colorimétrique (nitrate d argent) 15

16 La méthodologie du diagnostic Exemple pour le phénomène corrosion Profil de pénétration des chlorures dans l enrobage 16

17 La méthodologie du diagnostic Exemple pour le phénomène corrosion Profil de pénétration des chlorures dans l enrobage 17

18 La méthodologie du diagnostic Exemple pour le phénomène corrosion Concentration critique d initiation de la corrosion : concentration à partir de la laquelle s initie la corrosion 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). 18

19 La méthodologie du diagnostic Exemple pour le phénomène corrosion Pour un béton non carbonaté : [Cl - ]/[OH - ] = 0,6 [Cl - ] = 0,4% (% en masse de ciment) 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/m 3 Et sur la teneur en ciment du béton kg/m 3 La concentration critique d amorce de la corrosion est : [Cl - ] cr 0,06 % (% en masse de béton) 19

20 La méthodologie du diagnostic Exemple pour le phénomène corrosion Profondeur de front de chlorures Xd 20

21 La méthodologie du diagnostic Exemple pour le phénomène corrosion Distribution des enrobages 21

22 La méthodologie du diagnostic Exemple pour le phénomène corrosion Profils de pénétration des chlorures 22

23 La méthodologie du diagnostic Exemple pour le phénomène corrosion Détermination de Xd pour chaque carotte 23

24 La méthodologie du diagnostic Exemple pour le phénomène corrosion Profil de pénétration des chlorures et distribution des enrobages 24

25 Mesure des indicateurs de durabilité Indicateurs de durabilité Porosité accessible à l eau P eau (%) Coefficient de diffusion des chlorures D app (10-12.m 2.s -1 ) Résistivité électrique (Ω.m) Classe de durabilité potentielle Très faible Faible Moyenne Elevée Très élevée > à à 14 9 à 12 6 à 9 > à 50 5 à 10 1 à 5 < 1 < à à à 1000 > 1000 Indicateurs de durabilité Porosité accessible à l eau P eau (%) Coefficient de diffusion des chlorures D app (10-12.m 2.s -1 ) Résultat des essais Classe durabilité potentielle Durée de vie 13,1 Moyenne < 30 ans 2,6 Elevée 50 à 100 ans Résistivité électrique (Ω.m) 325 Elevée 50 à 100 ans 25

26 Estimation de la durée de vie résiduelle Objectif : Pour les armatures en phase d incubation, savoir en combien de temps la corrosion s initiera Choix d un modèle de prédiction Approche classique : diffusion selon lois de Fick Obtention d une fonction C(x,t) Avec C : concentration des chlorures X : profondeur d enrobage T : temps 26

27 Estimation de la durée de vie résiduelle Différents faciès de pénétration des chlorures 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 27

28 Estimation de la durée de vie résiduelle 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 to Soit t1 le temps au bout duquel le front de chlorures aura atteint la nappe d armatures Xd(t1) = e La durée de vie résiduelle est t = t1 t0 dans l exemple ci-dessus t 35 ans 28

29 Estimation de la durée de vie résiduelle 29

30 Conclusions L 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 différentes parties de la structure Estimer la proportion d armatures en phase d incubation ou de propagation de la corrosion Indicateurs de durabilité Evaluer les propriétés de durabilité du béton vis-à-vis de la corrosion des armatures Estimer la durée de vie résiduelle du béton pour chaque partie de la structure Orienter le gestionnaire dans la prise de décision sur le devenir de l ouvrage 30

31 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 du béton Perspectives : 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 31

32 Merci de votre attention Au 1 er Janvier 2014, les 8 CETE, le Certu, le Cetmef et le Sétra fusionnent pour donner naissance au Cerema