Les indicateurs de durabilité ou comment caractériser la durabilité des bétons?

Transcription

1 CONCEVOIR, CONSTRUIRE ET GERER DES STRUCTURES DURABLES EN BETON Les indicateurs de durabilité ou comment caractériser la durabilité des bétons?

2 Plan de la présentation I. Introduction II. Caractérisation des solides poreux III. Transfert sous gradient de pression IV. Transfert sous gradient de concentration V. Solubilité des hydrates VI. Les indicateurs de durabilité spécifiques VII. Conclusion

3 I. Introduction 2 Dégradation du béton Dégradation de l acier

4 Le matériau «béton» dans son environnement. Granulats (60 à 70% de V) + Ciment (7 à 14% de V) + Additions minérales (5 à 20% de V) + Eau (14 à 22% de V) + Adjuvants (< de 2% de V) + Air (1 à 6% de V) Utilisation du matériau dans son environnement BETON + Acier «Barrière physique» : la porosité BETON ARME ou BETON PRECONTRAINT - l absorption - la perméabilité - la diffusivité «Barrière chimique» - la réactivité - la solubilité

5 Les indicateurs de durabilité : paramètres fondamentaux pour la prédiction de la durabilité Les indicateurs généraux : valables pour la plupart des dégradations Les indicateurs spécifiques relatifs à certaines dégradations du matériau dans son environnement. Les indicateurs de durabilité généraux (Baroghel-Bouny, 2008) - Porosité accessible à l eau (NFP ) - Absorption par capillarité (AFPC-AFREM, 1998) - Perméabilité aux gaz (AFPC-AFREM, 1998) - Coefficient de diffusion des Cl - (NTBuild492) - Teneur en Ca(OH) 2 (LCPC M48) Les indicateurs de durabilité spécifiques (Rosière et Cussigh, 2009) - Résistance aux cycles de gel-dégel (LCPC M22) - Résistance aux attaques sulfatiques (LCPC M59, Messad 2009) - Résistance à la carbonatation (NFP18B, AFPC- AFREM, 1998). - Aisément mesurables à partir d essais de laboratoire reproductibles et selon des modes opératoires clairement définis Concevoir, construire et gérer des structures durables en béton

6 II. Caractérisation des solides poreux : la porosité II.1. Béton, un matériau poreux. Schématisation d un matériau poreux Les porosités V s = volume du solide V = volume des vides = v o + v f V a = volume apparent = v s + v La porosité ouverte + La porosité fermée La porosité totale p o = v V o a p f = v V f a v p = = po + V a p f Méthode retenue = Porosité accessible à l eau

7 II.2. Le protocole (NFP ). Porosité accessible à l eau : p o - saturation sous vide 48 heures avec P=25 mbar, - pesée : m sat - mesure du volume apparent par pesée hydrostatique: V a - séchage à 105 C : m s p o v = V o a = m sat m V a s Dispositif de saturation. Gamme de mesures : qques % à 25% à 0,1% près, Mesure très reproductible et répétable, v o dépend de la phase de saturation, Autre méthode pour la porosité totale : le broyage. Quelques résultats: Gamme de valeurs pour différents bétons.

8 II.3. Résultats: Etudes sur une béton de pieux. Chantier: Réhabilitation de la Mosquée Hassan II de Casablanca. Utilisation: Béton de structure BHP (420 < L < 450kg/m 3 dont 5%FS et 5% CV). Suivi d étude: LPEE. Objectif: Autocontrôle de qualité. Suivi de l évolution de p 0 sur 5 mois d exécution. 4 échéances (de 7 à 90j).

9 II.4. Les limites de cet indicateur. Concevoir, construire et gérer des structures durables en béton

10 III. Transfert sous gradient de pression : la perméabilité III.1. Définition de la perméabilité. La perméabilité «k» d un matériau caractérise son aptitude à se laisser traverser par un fluide sous un gradient de pression. III.2. Loi de Darcy. k est homogène à une aire et s exprime en m 2 dans le SI. k est une caractéristique intrinsèque du matériau. La loi de Darcy suppose un écoulement laminaire et permanent Pas d interaction fluide / béton (Pb avec l eau et le CO 2 de l air) q,µ q Perméabilité en m 2 = k dp A µ dx p p+dp Béton A dx Avec: q: débit de fluide, k: perméabilité, µ: viscosité du fluide percolant, A: section de l échantillon, dp: variation de pression, dx: épaisseur de l échantillon.

11 III.3. L essai: Perméamètre Cembureau (Grandubé, 2007). Béton = Matériau «peu perméable» Utilisation des gaz avec de faibles viscosités pour la mesure. Mesure de perméabilité au gaz (dans ce cas O 2 ) sur 3 disques ( 15 h5)cm 3 Schématisation du dispositif expérimental. Schématisation de la cellule d essai. Perméamètre à charge constante Cembureau.

12 III.4. Résultats et contraintes. a. Influence de la pression d essai A partir d une pression d essai (P e ), on mesure le débit du fluide percolant de sortie afin de calculer la perméabilité apparente k a. Or k a dépendante de la pression d essai Réalisation d au moins 3 essais à des P e différentes. k a = 2µQ P L s s A P 2 2 e P s Avec: k a : perméabilité apparente, P e : variation de pression, Q s : débit de sortie, P s : pression de sortie (P athm ) µ: viscosité du fluide percolant, L: épaisseur de l échantillon. A: section de l échantillon,

13 b. La perméabilité et la saturation du matériau. La perméabilité mesurée dépend aussi de l état de saturation du matériau. Etat sec Etat intermédiaire Etat saturé Influence du préconditionnement (BHP2000)

14 III.5. Le protocole AFPC AFREM (Grandubé, 2007). Pour comparer des matériaux, il faut fixer un état de saturation et une pression d essai 3 éprouvettes ( 15 5)cm 3 - Gaz : O 2, N 2, air, - Étanchéité latérale - Suivi des masses : -6 jours de séchage à 80 C + 1 jour à 20 C en sac étanche: 1 ère mesure de perméabilité, -20 jours de séchage à 80 C + 1 jour à 20 C en sac étanche: 2 ème mesure de perméabilité, -Séchage à 105 C jusqu à masse constante: 3 ème mesure de perméabilité. Calcul des taux de saturation après 6 et 26 jours de séchage. Gamme de mesures : à m² Quelques résultats.

15 IV. Transfert sous gradient de concentration : la diffusion des ions chlore IV.1. Définition de la diffusion A l échelle microscopique: transfert aléatoire des particules. A l échelle macroscopique: transport d une espèce généré par un gradient de concentration. Transport d espèces de la région de forte concentration vers les régions à concentration plus faible. IV.2. Loi de Nernst-Planck en conditions saturées : description du transport de chaque espèce ionique présente dans la solution interstitielle i i - i (grad( c i ) + c i (grad γ i ) + c i grad ( ψ )) J = D Diffusion Activité IV.3. Plusieurs méthodes expérimentales. Essai en diffusion pure en régime permanent. Essai en diffusion naturelle en régime transitoire par immersion (NTB492) Essai de migration en régime permanent. Essai de migration en régime transitoire (NTBUILD492) n F RT Migration Concevoir, construire et gérer des structures durables en béton Cellules de diffusion.

16 IV.4. Migration en régime transitoire (NTBUILD492) Méthode la plus employée à l heure actuelle. L essai se déroule sur un jour. La DDP appliquée est de 12 à 30V pour un échantillon de ( 11 h5)cm 3. Pour la mesure, l échantillon est rompu par fendage et chaque face obtenue est vaporisée avec une solution de nitrate d argent (AgNO 3 ), ce qui permet d obtenir la profondeur de pénétration des Cl - notée x d. Concevoir, construire et gérer des structures durables en béton

17 IV.5. Corrélations entre coefficient de migration et la porosité. Chantier: Pont Hassan II de Rabat. Période d essai: Contexte: Contrôle qualité. Laboratoire: LPEE. Dans le temps (de 7 à 90j), la diffusivité diminue tandis que la porosité caractérisant le volume global poreux reste stable Effet de la structuration dans le temps du réseau poreux (variation de l hydratation de la matrice) avec l évolution du réseau capillaire, la connectivité, la tortuosité.

18 V. Solubilité des hydrates : la teneur en Portlandite. V.1. La matrice cimentaire. La poudre de ciment, composé initialement anhydre (C 3 S, C 2 S, C 3 A, C 4 AF, gypse), réagit en présence d eau pour former des hydrates. Par simplification, Ciment Portland + Eau C-S-H + Ca(OH) 2 + C x AH y + Gel tobermoritique: - 60 à 70% des hydrates, -Structure résistante, -Structure poreuse. Portlandite: - 20 à 25% des hydrates, - Basique: ph >12, - Soluble: 1,2 g/l. Aluminates de Calcium Hydratés Observation au MEB d une pâte de ciment: 2- Portlandite 3- Ettringite Ecriture des cimentiers: C = CaO F = Fe 2 O 3 S = SiO 2 H = H 2 O A = Al 2 O 3 S (barre)=so 3

19 V.2. Méthode de mesure. Une des méthodes de détermination expérimentale Analyse Thermique Gravimétrique (ATG) et sa courbe dérivée (LCPC M48). Mesure de la perte de masse en fonction de l élévation de la température et selon les températures (Leas, 2001): - déshydroxylation des hydrates : Ca(OH) 2 CaO + H 2 O entre 450 C et 550 C - décarbonatation de phases. Echantillonnage du béton Poudre (80μm) + séchage à 80 C

20 VI. Les indicateurs de durabilité spécifiques Indicateurs spécifiques associés à une dégradation. Environnement donné Dégradation spécifique du matériau. Utilisation d essai de dégradation accélérée conduisant au même mécanisme pathologique. Plusieurs exemples : Carbonatation Réaction Sulfatique Externe Gel/Dégel Concevoir, construire et gérer des structures durables en béton

21 VII. Conclusion Concevoir, construire et gérer des structures durables en béton

22 Les principaux projets en cours Concevoir, construire et gérer des structures durables en béton