Les indicateurs de durabilité Essais et seuils. David CUVELIER

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1 Essais et seuils David CUVELIER

2 SOMMAIRE DE LA PRESENTATION 1. Les différents indicateurs 2. Les essais 3. Les seuils retenus 2

3 1. Les différents indicateurs 3

4 Les dégradations du béton : - Corrosion des armatures - Les réactions de gonflements internes (RSI & RAG) - Les effets du gel 4

5 NF EN Les dégradations du béton : - Corrosion des armatures - Les réactions de gonflements internes (RSI & RAG) - Les effets du gel + Recommandations pour la prévention des désordres dus à l'alcali-réaction LCPC Recommandations pour la prévention des désordres dus à la réaction sulfatique interne LCPC 2007 XC (1 à 4) XS (1 à 3) XD (1 à 3) ABC As Bs Cs Ds XF (1 à 4) XD (3) 5

6 La corrosion des armatures : - Pénétration de l'eau (H2O) - Pénétration de l'air (O2 et CO2) - Pénétration des chlorures (Cl-) H2O +CO2 H+ + HCO3- Fe Fe e4 H+ + O2 + 4 e- 2 H2O Fe2+ + HCO3- Fe(HCO3)2 4 Fe(HCO3)2 + O2 2 Fe2O3 + 4 H2O + 8 CO2 6

7 La corrosion des armatures : Les indicateurs correspondants : - Pénétration de l'eau (H2O) - Porosité accessible à l'eau (Peau) - Pénétration de l'air (O2 et CO2) - Perméabilité au gaz (Kgaz) - Pénétration des chlorures (Cl-) - Coefficient de diffusion des chlorures (Dapp) - Mesure de la résistivité électrique (ρ) 7

8 Les réactions de gonflements internes : - RAG Alcalins, réactivité granulats (NR PR PRP) - RSI Température élevée au jeune âge 8

9 Le phénomène d'alcali-réaction des granulats : Pour les ouvrages courants (niveau de prévention B) : - Granulats qualifiés NR - Granulats qualifiés PR avec bilan des alcalins équivalents [Na2Oeq] - Granulats qualifiés PR avec essai de performance en déformation suivant la norme NF P et le fascicule FD P

10 Le phénomène de réaction sulfatique interne : Pour les ouvrages courants : - Niveau de prévention compris entre Bs et Ds - Températures Tmax atteintes au cœur de la pièce - Essai de performance en déformation suivant la méthode LPC n 66 10

11 Les effets du gel : - Expansion de l'eau quand elle passe de l'état liquide à l'état solide - Action renforcée par la présence des sels de déverglaçage (choc thermique en surface ) 11

12 Les effets du gel : correspondants : - Teneur en air occlus (tair) - Facteur d'espacement du réseau de bulle d'air (Lbar) - Mesure de la masse écaillée sous facteurs agressifs (Ec) - Essai de performance vis-à-vis du gel interne (Δε) - Résistance à la compression (Rc à 28 jours) 12

13 2. Les essais 13

14 2. Les essais 2.1 Essais vis-à-vis de la corrosion des armatures 14

15 Fabrication des corps d'épreuve : - Moulage (NF EN ) dimensions 11x22 cm - Carottage (NF EN ) diamètre 100 mm 10 mm de bord à exclure Perméabilité au gaz (50 mm) Résistivité électrique et migration des ions (50 mm) Porosité à l'eau (50 mm) 10 mm de bord à exclure 15

16 La porosité accessible à l'eau : Peau NF EN Essai pour béton durci - Essai de porosité et de masse volumique Objectif : Mesurer le pourcentage de vide connecté à la surface du béton 16

17 Préparation des corps d'épreuve : - Mise sous vide de la cloche pendant 4h (pression 25 mbar) - Aspiration de l'eau grâce au vide (recouvrir les corps d'épreuve par 20mm d'eau mini.) - Saturation sous vide pendant 72h 17

18 Mesures effectuées : - Pesée hydrostatique, Meau - Pesée dans l'air de l'éprouvette saturée d'eau, Mair - Pesée dans l'air de l'éprouvette sèche, Msec Séchage = étuve 105 C jusqu'à obtenir une masse constante (ie : Masse ne varie pas de plus de 0,05% entre deux pesées espacées de 24h) 18

19 Calcule de la porosité accessible à l'eau : Mair - Msec Peau = x 100 Mair - Meau Pourcentage à 0,1 point près 19

20 La perméabilité au gaz : Kgaz Méthode LPC n 58 Objectif : Mesurer le flux de gaz traversant un corps d'épreuve soumis à un gradient de pression constant (CEMBUREAU) 20

21 Préparation des corps d'épreuve : - Étancher le pourtour de l'éprouvette - Placer le corps d'épreuve dans la cellule et gonfler la chambre à air à une pression mini de 8 bars - Établir la pression de gaz 1 bar - Attendre d'obtenir une pression constante (30 minutes consécutives sans écart supérieur à 0,01 MPa ~ 0,1 bar) - Mesurer le débit Q traversant l'éprouvette (1 mesure toutes les 15 minutes tant que l'écart entre deux mesures n'est pas inférieur à 3%) 21

22 Calcul de la perméabilité apparente au gaz : Kgaz = 2.Q.Patm.L.μ A.(P² Patm²) Loi de Hagen-Poiseuille Avec : Q = mesure du flux du gaz traversant l'éprouvette Patm = la pression atmosphérique de sortie P = la pression d'entrée appliquée L = épaisseur du corps d'épreuve (mesurée en 4 points, 0,1mm près) A = section du corps d'épreuve (issue de la mesure du diamètre effectuée en 3 points, 0,1mm près) μ = la viscosité dynamique du gaz (fonction du gaz utilisé) 22

23 Kgaz = f(taux de saturation du béton) i.e. : avant chaque mesure on relève : Mx = Pesée du corps d'épreuve dans l'air avant mesure (après 24h à 20 C +/- 2) Msec = Pesée dans l'air de l'éprouvette sèche Menr = Pesée dans l'air de l'éprouvette saturée d'eau avec enrobage (aluminium autocollant ou résine époxy) Taux de saturation du béton = (Mx-Msec)/(Menr-Msec) 23

24 Coef. de diffusion apparent des chlorures : Dapp XP P Essai pour béton durci - Essai accéléré de migration des ions chlorure en régime non-stationnaire Objectif : Mesurer le front de pénétration des chlorures 24

25 Préparation des corps d'épreuve : - Mise en place du corps d'épreuve dans le tube d'essai - Fermeture du tube pour assurer l'étanchéité - Remplir le tube côté anode de solution sodée - Remplir le tube côté cathode de solution saline sodée - Mettre en place le circuit électrique Générateur (20-30V), voltmètre (0,1V près), ampèremètre (1mA près), thermomètre (0,1 C près) 25

26 Mesure de la pénétration des chlorures : Après une durée d'essai telle que : 3.10^5 A.s.m-² < I x Δt/S < 9.10^5 A.s.m-² Avec - I = intensité moyenne du courant (A) - S = surface du corps d'épreuve en contact avec la solution (m²) - Δt = durée de l'essai (s) - Retirer le corps d'épreuve et réaliser un essai de fendage - Application d'une solution de nitrate d'argent (AgNO 3) sur les tranches fendues du corps d'épreuve 26

27 Mesure de la pénétration des chlorures : Profondeur (mm) Position sur x (cm) Sens de migration des ions chlorures Dapp = f(profondeur, Δt, V) 27

28 Mesure de la résistivité électrique : ρ Objectif : Observer la porosité du béton en mesurant la conductivité électrique d'un corps d'épreuve saturé en eau sodée Plus le béton est poreux Plus il contient du liquide Plus sa conductivité électrique est grande Plus la résistance mesurée est faible 28

29 Préparation des corps d'épreuve et mesures réalisées : - Placer le corps d'épreuve entre deux éponges saturées de soude et reliées à un pont RLC - Mettre une charge (2kg) sur le dispositif pour s'assurer du bon contact - Effectuer la mesure après stabilisation de l'affichage - Effectuer une deuxième mesure sans le corps d'épreuve 29

30 Calcul de la résistivité électrique : ρ = (I Iv) x S / L Avec : ρ : la résistivité électrique du corps d'épreuve (Ω.m) I : l impédance mesurée du corps d'épreuve (Ω) Iv : l impédance mesurée à vide (Ω) S : la section du corps d'épreuve (m²) L : épaisseur du corps d'épreuve (m) 30

31 2. Les essais 2.2 Essais vis-à-vis des risques de gonflement 31

32 RAG - L'essai de performance suivant la norme NF P : Objectif : Accélérer le phénomène de gonflement du corps d'épreuve pour mesurer son expansion - Dopage du ciment en alcalins - Conservation à 60 C et 100% HR - Durée : de 3 à 12 mois 32

33 RAG - L'essai de performance suivant la norme NF P : Eprouvettes 70x70x282 avec plots de mesure en acier inoxydable L Déformation = LXmois x 100 / Li Avec : LXmois : Longueur de l'éprouvette au bout de X mois Li : Longueur initiale de l'éprouvette 33

34 RSI - L'essai de performance suivant la méthode LPC n 66 : Objectif : Accélérer le phénomène de gonflement du corps d'épreuve pour mesurer son expansion - Éprouvettes 11x22 ou 7x7x28 avec plots de mesure en acier inoxydable - Après fabrication des corps d'épreuve, traitement thermique en enceinte climatique et en humidité proche de 100% (suivant le cycle thermique que subit le béton en usine ou sur site) - Cycles humidification/séchage 34

35 RSI - L'essai de performance suivant la méthode LPC n 66 : Éprouvettes conservées en eau à 20 C L Déformation = L12mois x 100 / Li Avec : L12mois : Longueur de l'éprouvette au bout de 12 mois Li : Longueur initiale de l'éprouvette 35

36 2. Les essais 2.2 Essais vis-à-vis des effets du gel 36

37 Mesure de l'air occlus suivant la norme NF EN : Essai sur béton frais méthode de la compressibilité Lecture directe de la teneur en air 37

38 Mesure du facteur d'espacement suivant la norme ASTM C 457 : Lbar - Confection d'éprouvettes 16x32, - Découpe des éprouvettes et polissage, - Mesure optique de l'espacement entre les bulles d'air (comptage) Mesure des plus petites distances entre chaque bulles d'air 38

39 Mesure de la masse écaillée sous facteurs agressifs (écaillage) suivant la norme XP P : Ec - Confection d'éprouvettes 15x15x15 recoupées ENCEINTE CLIMATIQUE - Cycle Gel/Degel en contact avec une solution saline (-20 C / +20 C) SAUMURE EPROUVETTE - Durée de l'essai = 3 mois (56 cycles de 24h) Mesure de la masse de matière écaillée 39

40 Essai de performance vis-à-vis du gel interne suivant la norme NF P ou NF P : Δε - Eprouvettes 10x10x40 cm cycles de gel/dégel (-18 C/+9 C, cycle de 4 à 6h) NF P : Gel dans l'eau / Dégel dans l'eau NF P : Gel dans l'air / Dégel dans l'eau Mesure de la déformation longitudinale ΔL/L 40

41 Mesure du rapport des carrés des fréquences de raisonnance suivant la norme NF P : f²/f0² - Eprouvettes 10x10x40 cm cycles de gel/dégel (-18 C/+9 C) Mesure de la fréquence de résonance «f» f²/f0² 41

42 Mesure de la résistance à la compression suivant la norme NF EN : RC à 28 jours - Eprouvettes cylindriques ou cubiques - Surfaçage au souffre ou abrasif Mesure directe de la force fc28 A convertir en MPa pour obtenir Rc28 42

43 3. Les seuils retenus 43

44 3. Les seuils retenus 3.1 Les seuils vis-à-vis de la corrosion des armatures 44

45 TABLEAU PAGE 9 45

46 Pour ouvrage soumis à la carbonatation uniquement : Si Cmin,dur > 30 mm Application directe des critères du Tableau I (sécuritaire) Si Cmin,dur < 30 mm Plusieurs options : - Imposer Cmin,dur = 30 mm et appliquer Tableau 1 - Définition de seuils plus sévères (cf. guide AFGC) - Revenir à une approche prescriptive essentiellement basée sur la résistance du béton - Utilisation d'armatures à protection améliorée (ex : inox) 46

47 Pour ouvrage exposé à la pénétration des chlorures : Si Cmin,dur > 50 mm Application directe des critères du Tableau I (sécuritaire) Si Cmin,dur < 50 mm Plusieurs options : - Imposer Cmin,dur = 50 mm et appliquer Tableau 1 - Définition de seuils plus sévères (cf. guide AFGC) - Revenir à une approche prescriptive essentiellement basée sur la résistance du béton - Utilisation d'armatures à protection améliorée (ex : inox) 47

48 3. Les seuils retenus 3.2 Les seuils vis-à-vis des risques de gonflement 48

49 RAG : - Caractérisation des granulats (NR, PR) - Bilan des alcalins équivalents - Déformation des éprouvettes < 0,02% RSI : - Température maximale atteinte au cœur du béton - Déformation des éprouvettes < 0,04% 49

50 50

51 3. Les seuils retenus 3.3 Les seuils vis-à-vis des effets du gel 51

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54 Merci de votre attention Centre d'études techniques de l'équipement de l'est Ministère de l'écologie, du Développement durable, des Transports et du Logement 54