DURABILITÉ, ENTRETIEN, RÉPARATION ET ADAPTATION DES INFRASTRUCTURES

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1 La vie scientifique et technique: organisation et principaux résultats Chapitre DURABILITÉ, ENTRETIEN, RÉPARATION ET ADAPTATION DES INFRASTRUCTURES VIEILLISSEMENT ET DURABILITÉ DES MATÉRIAUX ET DES STRUCTURES La durabilité du béton armé ( ENCADRÉ C ) Cette opération comporte plusieurs aspects : la mise au point d indicateurs de durabilité. À ce titre, le LCPC participe à deux groupes de travail AFGC et met au point avec cert a i n s laboratoires régionaux des méthodes d essai p e rtinentes pour déterminer les indicateurs r e t e n u s ; l étude de l influence sur la durabilité des conditions de séchage (effets sur l hydratation et le retrait), de la microstructure d un béton p a rtiellement carbonaté et de la micro-fissuration (influence sur les propriétés de transfert) ; les conditions de formulation de BHP résistant au gel/dégel sans entraîneur d air et le comportement au vieillissement des BHP ; quarante-six corps d épreuve sont placés dans quatre sites naturels différents, dont un au Canada, et comparés avec des essais accélérés réalisés sur éprouvettes conservées en laboratoire ; Essai de durabilité. Dispositif de mesure des déformations axiale et radiale d une éprouvette cylindrique en cours de séchage,développé par le LCPC. l étude du comportement du béton à haute température : trois projets, relatifs aux conséquences des élévations de température dans les structures de stockage des déchets radioactifs. La durabilité de certains matériaux évolutifs Cette opération comporte trois volets : le vieillissement des liants bitumineux : il s agit de mieux connaître le vieillissement des conditions d enrobage des granulats des BMP d une part, e t des liants eux-mêmes d autre part. Des essais rhéologiques sont prévus en 1 sur des liants extraits de vieux enrobés ; l étude du vieillissement des géosynthétiques, e n utilisant deux nouvelles méthodes d essai : par c a m é r a IR et par un appareil prototype d éclatement et poinçonnement (CER). Pa r a i l l e u rs, on poursuivra la recherche sur les i n d i c a t e u rs de vieillissement à partir du recensement des pathologies ; l étude de l évolution des sols traités utilisés en remblai (cf. guide technique «Étanchéité par géomembrane des ouvrages pour les eaux de ruissellement routier» ). Ce guide technique s adresse aux bureaux d études, maîtres d œuvre et d ouvrage concernés par la c o n c e p t i o n,la réalisation et la maintenance de dispositifs d étanchéité par géomembrane des ouvrages pour les eaux de ruissellement routier. Les grands types de dispositifs utilisables sont précisés ainsi que les critères à prendre en compte pour établir le projet, les spécifications relatives aux différents composants et le libellé des garanties. Des recommandations sont données pour la mise en œuvre des dispositifs et l organisation de la démarche qualité ainsi que pour leur entretien et leur réhabilitation. Des textes types sont proposés pour aider à la consultation des entreprises et la préparation des pièces de marché. 1

2 Chapitre La vie scientifique et technique : organisation et principaux résultats ENCADRÉ C À l'origine du montage de ce thème de recherche en 1995, résidait la volonté de mener une action coordonnée entre le réseau des laboratoires des Ponts et Chaussées, les laboratoires universitaires ou du CNRS et l'industrie en pointe dans ce domaine, afin de parvenir à quantifier l'aptitude aux transferts, sous forme liquide ou gazeuse, des bétons, pour mieux comprendre les processus de carbonatation ou de pénétration des chlorures, causes majeures de la corrosion des armatures du béton armé. L'approche adoptée comporte deux étapes-clés : ➊ l'analyse et la compréhension des mécanismes physiques et chimiques en jeu, en étudiant de façon très fondamentale les mécanismes de séchage du béton, ❷ la détermination des propriétés de transfert (perméabilité, diffusivité), susceptibles d'être qualifiées d'indicateurs de durabilité et des méthodes d essais permettant de les mesurer. Interactions physico-chimiques mises en évidence L'hydratation du ciment et le séchage du béton interviennent de façon concomitante dès le décoffrage de la plupart des structures en béton. Une analyse précise des interactions existant entre ces deux processus a donc été réalisée. Ces interactions se traduisent par une hydratation gênée par le séchage dans la zone proche de la surface des structures. De même, les interactions physico-chimiques entre les ions chlorure et la matrice ciment (cf. figure sur la schématisation des interactions chlorures-matrice dans le béton, ci-dessous), Schématisation des interactions chlorures-matrice dans le béton. LCPC APPORTS DU THÈME DE RECHERCHE TRANSFERTS DANS LES BÉTONS ET DURABILITÉ DES OUVRAGES [C1 - liés] [C1 - libres] qui dépendent de la composition chimique de la solution en contact avec le matériau et de celle du ciment, sont à prendre en considération dans la détermination expérimentale du coefficient de diffusion des chlorures en régime transitoire, ainsi que dans la modélisation. Approche en conditions non saturées : étude des mécanismes de séchage du béton On imagine aisément l'intérêt de l'approche en conditions non saturées en constatant qu'in situ les structures sont soumises en permanence à des cycles d'humidification-séchage. Dans un premier temps, il apparaissait donc essentiel de résoudre correctement le problème des transferts d'humidité dans les bétons en cours de séchage. À cette fin, une modélisation des transferts hydriques isothermes a été réalisée sur la base d'une approche macroscopique continue des transferts de masse en milieu poreux. Un éclairage nouveau a été apporté sur l'importance relative des différents modes de transport de l'humidité au cours du séchage d'un matériau peu perméable. En particulier, on a montré que seuls les mouvements d'humidité sous forme liquide selon la loi de Darcy contribuent significativement aux transferts, à moyen et long terme. Dans le cas de la pénétration des chlorures, un modèle macroscopique de transfert couplé d'eau liquide et de sel a également été développé. Les résultats numériques ont été confrontés à l'expérience pour des cycles d'imbibition-séchage. Retombées des travaux réalisés Les travaux menés dans le cadre du thème de recherche ont permis d améliorer les méthodes d essais existants et de préconiser de nouveaux essais, complémentaires ou comparatifs. Le réseau des laboratoires des Ponts et Chaussées s'est ainsi équipé en stations d'essais de carbonatation, de diffusion des chlorures, de perméabilité, etc. Les essais comparatifs de carbonatation ont ainsi montré que le front net observé par pulvérisation d un indicateur coloré, généralement la phénolphtaléine, permettait de suivre de façon simple la cinétique de carbonatation (cf. figure sur les cinétiques de carbonatation de pâtes de ciment de différents rapports E/C, à HR = 71, %, ci contre). De plus, les résultats expérimentaux ont mis en évidence dans ce cas une cinétique plus lente à long terme par rapport à la loi en racine de t communément admise sur la base d'un mécanisme de diffusion. Enfin, des analyses plus poussées ont permis de quantifier la calcite formée lors des réactions de carbonatation et de montrer qu un profil de carbonatation existait au sein du matériau.

3 La vie scientifique et technique : organisation et principaux résultats Chapitre Vue générale de l installation de migration des chlorures sous champ électrique en cours d essai au LREP. Relative weight loss (%) Profondeur de carbonatation (mm) 3,5 1,5 1, Illustration, pour un béton BO et une pâte de ciment CO, de la méthode d'évaluation de la perméabilité à l'eau liquide (K), combinant modèle et expérience. K = m Drying time (days) Cinétiques de carbonatation de pâtes de ciment de différents rapports E/C, à HR = 71, %. HR = 71,5 % E/C =,6 E/C =,45 E/C =,35 K = 1 1 m CO numerical CO experiment BO numerical BO experiment Racine de temps (j1/) Citons également une application originale et intéressante sur le plan pratique de travaux théoriques : on a montré que le modèle théorique de séchage permettait, moyennant la connaissance de la porosité du béton (mesurable facilement par ailleurs avec un porosimètre à mercure), de calculer la perméabilité à l'eau d un béton, moyennant la connaissance de l'isotherme de désorption de vapeur d'eau du matériau (cf. figure sur l illustration, pour un béton BO et une pâte de ciment CO, de la méthode d'évaluation de la perméabilité à l'eau liquide (K), combinant modèle et expérience, ci-contre). Il devient ainsi possible de déterminer cet indicateur de durabilité pour les BHP pour lesquels la mesure directe de cet indicateur de durabilité est impossible. Poursuite des travaux réalisés À l'issue des travaux du thème de recherche, les mécanismes de transfert et les indicateurs de durabilité sont beaucoup mieux connus. Mais il reste à spécifier des critères performantiels sur ces indicateurs et à développer des modèles de prédiction de la durée de vie. En outre, des mécanismes restent à élucider. Enfin, il restera à prendre en compte la (micro)fissuration dans les modèles. Ce thème de recherche a montré tout l'intérêt de développer des partenariats à la fois avec le milieu universitaire et les laboratoires privés. Il reste toutefois à élargir les collaborations avec des partenaires européens dans un projet futur. Il est certain que la France est susceptible de jouer un rôle moteur notamment dans le cadre de la prochaine révision de la norme européenne Béton EN6 pour y introduire les résultats de la recherche. Des éléments quantitatifs en termes de durabilité (spécifications et critères performantiels) pourraient à cette échéance être inclus dans le texte de norme. 3

4 Chapitre La vie scientifique et technique : organisation et principaux résultats LCPC L évaluation et la prévision de l état des ouvrages atteints de réactions de gonflements intern e s ( ENCADRÉ D ) Cette opération correspond à un thème ouvert en 1999 pour une durée de quatre ans. Son objectif est de définir une procédure d évaluation et de suivi des ouvrages atteints de réactions de gonflements i n t e rnes (résultant d une alcali-réaction ou d une réaction sulfatique intern e ), en faisant appel, a u b e s o i n,à une modélisation prévisionnelle de leur c o m p o rtement. Une première version du guide méthodologique p r ovisoire pour l évaluation des ouvrages d art dev r a i t être prête en 1, ainsi que l analyse de relev é s de mesures sur ouvrages à deux ou trois échéances. ENCADRÉ D VALIDATION SUR STRUCTURES ÉLÉMENTAIRES DES MODÉLISATIONS DE L'ALCALI-RÉACTION : MISE AU POINT DE MÉTHODES DE MESURE ORIGINALES La gestion d ouvrages en béton atteints de réactions de gonflement interne nécessite la mise au point de méthodes d analyse et de calcul spécifiques fiables, p e rmettant de prédire l effet des principaux paramètres (température, h u m i d i t é,résistance du béton) sur le fonctionnement ultérieur de l ouvrage. La validation de telles méthodes conduit à un i m p o rtant programme expérimental sur des poutres de 3 m de long, de section,5 m x,5 m, a rmées ou non, et soumises à des gradients d humidité relative, avec de nombreuses éprouvettes associées pour caractériser le matériau réactif et son comportement à échéances régulières, l ensemble des corps d épreuve étant placé à 38 C et à humidité contrôlée pour accélérer le développement des réactions chimiques. Ce programme constitue un partenariat important entre le LCPC et les différents serv i c e s d EDF compétents. L obtention de mesures fiables pour un suivi sur deux ans a nécessité le développement de moyens de mesure exceptionnels, notamment : banc de gammadensimétrie mobile et dynamomètre de précision pour le suivi local et global des teneurs en eau, témoins sonores sans raideur pour le suivi des défo rm a t i o n s,bâtis de fluage adaptés pour un suivi des défo rmations longitudinales et transversales avec et sans étreinte t r a n s v e rsale. Les corps d épreuve ont été fabriqués à partir de novembre. Schéma du dynamomètre de précision pour pesage des poutres: suivi des évolutions. 4

5 La vie scientifique et technique: organisation et principaux résultats Chapitre APTITUDE AU SERV I C E, ENTRETIEN ET R É PA R ATION DES INFRASTRUCTURES L aptitude au service des ouvrages L objectif principal de l opération Aptitude au service des ouvrages d art est d'utiliser la théorie de la fiabilité pour vérifier la sécurité des ouvrages en service et mettre en place une large réflexion sur la définition de règles de vérifications adaptées. Sont étudiés les ponts à poutres en béton armé, les ponts mixtes (dans le cadre du PN MIKTI), la résistance résiduelle des câbles et l évaluation de la fiabilité d ouvrages faisant l objet d une télésurveillance en France et au Québec (partenariat avec le MTQ et l université de Laval). à un compte rendu de l état des connaissances et à un rapport relatif à l instrumentation d ouvrages renforcés dans la région toulousaine. Au cours de l année, ont été établis les cahiers des charges d essais sur poteaux frettés, de pressions localisées et d essais de pontage de fissures en fatigue. Les travaux antérieurs sur le frettage, qui se poursuivent encore aujourd hui (fluage d éprouvettes frettées), ont donné lieu à communications (Colloque international CADCOMP et Colloque national AMAC Délaminage). Par ailleurs le LAMI participe au projet Eureca relatif à la détermination de la résistance des câbles en composite (cf photo ci-dessous). Par ailleurs, une réflexion générale est initiée avec des partenaires extérieurs (maîtres d ouvrage, bureaux d études, laboratoires) sur la problématique de l évaluation des ouvrages existants. La conception et l optimisation des travaux d entretien de chaussées Il s agit de développer une méthodologie pour diagnostiquer l état résiduel des chaussées dégradées et concevoir des solutions d entretien adaptées. Le cahier des charges a été établi en. En 1, il est prévu de mettre au point les méthodes d établissement des diagnostics des chaussées bitumineuses épaisses et semi-rigides. Etude du fluage d'éprouvettes renforcées par matériaux composites. Le renforcement des structures par matériaux composites L objectif de ce thème, démarré en 1999, est d établir des recommandations pour le renforcement des structures par matériaux composites, en analysant les problèmes suivants : résistance mécanique à l ancrage, comportement au niveau des fissures, durabilité, conditions de mise en œuvre. Les travaux faits en et prévus en 1 aboutissent notamment 5

6 Chapitre La vie scientifique et technique : organisation et principaux résultats LCPC Le collage en génie civil L objectif de cette opération, démarrée en 1999, est de faire l état de l art des applications du collage en génie civil, de mettre en évidence les paramètres physico-chimiques clés de l interaction supports/adhésifs et de déterminer l influence de ces paramètres sur les propriétés mécaniques de l assemblage. Une première étape a notamment permis de mettre en évidence par microscopie à force atomique couplée à de la microanalyse thermique l effet de la surface (acier ou béton) sur les propriétés physico-chimiques des adhésifs. Il s agit également de rechercher des essais accélérés pour apprécier la durabilité de l assemblage. ENCADRÉ E PROJET SEMI : DIFFUSION DE LA TRANCHE 1 Le projet SEMI a pour objectif de développer un logiciel permettant l exploitation (traitement, tracé, introduction en banque de données, etc.) de tous les recueils d informations routières (mesures et saisies visuelles) exécutés par les laboratoires des Ponts et Chaussées (LPC). Ce développement, qui a été sous-traité à une société d informatique, CS-Systèmes d Informations, est réalisé sous assurance qualité. Le marché d exécution a été notifié à cette société le 16 Juin Il est organisé en une tranche ferme, représentant les deux tiers du marché, et deux tranches conditionnelles. Au sein des LPC, une «équipe Projet» est chargée du suivi du marché jusqu à la recette ; une «équipe Produit» prend ensuite le relais pour la diffusion au sein du réseau des LPC et la gestion des mesures d accompagnement (formation, club d utilisateurs, gestion des demandes d évolution, etc.). La première tranche a été remise au LCPC en juillet et sa recette s est achevée en décembre. Cette recette comprenait trois phases de contrôle : fournitures, conformité fonctionnelle et conformité opérationnelle. Ces trois phases ont été franchies avec succès dans les délais impartis. La première tranche a donc été livrée en janvier 1 à «l équipe Produit», qui prépare sa diffusion. Celle-ci devrait intervenir à la fin du premier semestre 1. Les agents chargés d utiliser SEMI seront conviés à des sessions de formation, planifiées en juin 1, à l issue desquelles leur laboratoire se verra remettre ce progiciel. Que permet de faire cette première tranche : essentiellement l exploitation de premier niveau de toutes les mesures routières. Par exploitation de premier niveau, on entend : le lissage, l agrégation, le calcul d histogrammes, le tracé de schémas d itinéraire standards ou personnalisés, la mise au standard de fichiers «.PRA» nécessaire à l introduction des informations dans la banque de données routières Visage, ce qui implique notamment le recalage entre le bornage relevé lors de la mesure et celui de la banque. Par mesures routières, on entend tous les recueils d informations routières exécutés à l aide d appareils de mesure physique comme les TUS, les Déflectographes, les APL, le SCRIM, les Rugolaser, Palas, etc. Cette tranche ne couvre pas l exploitation des saisies visuelles faites avec des systèmes comme DESY-route, qui fera l objet de la deuxième tranche du marché. En 1, cette première tranche de SEMI pourrait être utilisée pour exploiter une partie des mesures réalisées dans le cadre de l opération IQRN, en fonction de sa diffusion. La deuxième tranche du marché est entrée dans les phases de recette fin avril 1, et devrait être livrée en août 1. La troisième phase, qui devrait être lancée en mai 1, serait livrée à la fin de l année. 6

7 La vie scientifique et technique: organisation et principaux résultats Chapitre POLITIQUE D INSPECTION ET DE GESTION DES INFRASTRUCTURES Projet SEMI (progiciel d exploitation des mesures routières) SEMI est un progiciel d exploitation des mesures routières développé en liaison avec les CETE. Le développement informatique est sous-traité à une société privée. En, la tranche 1 a été réceptionnée de façon partielle. ( ENCADRÉ E «PROJET SEMI : DIFFUSION DE LA TRANCHE 1»). Gestion technico-économique des infrastructures Cette opération constitue la poursuite des projets nationaux et européens GIRR, PAVECO, FORMAT et des premières réflexions menées en sur l optimisation de l entretien d un réseau routier. Il est prévu en 1 de publier un modèle et un logiciel permettant d évaluer le coût des chantiers d entretien pour les usagers. La méthodologie GiRR (Gestion intelligente des réseaux routiers), constituant une première génération de systèmes d'aide à la gestion des routes résultant d'une action conjointe SETRA-CETE-LCPC, a été diffusée au plan opérationnel. PA R T E N A R I ATS MARQUANTS L aptitude au service des ouvrages L R P C, DOA du CETE de l EST, p a rtenaires du PN M I K T I, u n i v e rsité de Bordeaux, ministère des Tr a n s p o rts du Québec et université de Lav a l La conception et l optimisation des trav a u x d entretien de chaussées L R P C Le renforcement des structures par matériaux c o m p o s i t e s E D F, C E B T P, C E R M M O, LM LYO N, L R P C, L A M I Le collage en génie civil ENSCP Bordeaux, CUST Clermont Fe rr a n d,l M A M a rs e i l l e, L R P C, L A M I Le renforcement des sols sableux par injection C E R M M O - E N P C Projet SEMI C E T E Gestion technico-économique des infrastru c t u r e s Pa rtenariat européen (FORMAT ), ministère des Tr a n s p o rts du Québec, CETE Ouest et Sud-Ouest, L R P C. La durabilité du béton arm é L R P C, L E R M, et pour les recherches faites par le L A M I, C E A, A N D R A, u n i v e rsité de Marn e - l a - Va l l é e La durabilité de certains matériaux évolutifs L R P C, C E R L évaluation et la prévision de l état des ouvrages atteints de réactions de gonflements intern e s E D F, L R P C, S E T R A, DOA de CETE, u n i v e rsité de M a rn e - l a - Va l l é e,mit de Boston, C E R I B, AT I L H, L N E C de Lisbonne 7