Projet de Fin d Etudes Spécialité Génie Civil Diagnostic de structures existantes Du relevé visuel au confortement des ouvrages en passant par les moyens d investigations des structures en béton. Auteur : Valentine RINCKER INSA STRASBOURG, Spécialité Génie Civil, 5 ème année Tuteur Entreprise : Jean-Michel ROUQUET / Emmanuelle HARDY Directeur Région Est / Chargée d affaire Structure-Pathologie Tuteur INSA Strasbourg : Cyrille CHAZALON Professeur de Génie Civil à l INSA Strasbourg Juin 2009
Sommaire Introduction... - 5-1 Le diagnostic de structures existantes... - 6-1.1 Durabilité d une structure... - 6-1.2 Gestion des ouvrages existants... - 7-1.2.1 Domaine public... - 7-1.2.2 Domaine privé... - 7-1.3 Les principales étapes d un diagnostic... - 7-2 Dégradations affectant le béton armé : comment les reconnaître et les qualifier?...- 10-2.1 Attaque chimique et réaction interne du matériau béton... - 10-2.1.1 Environnement et type de structure concernée... - 10-2.1.2 Le processus gel/dégel... - 11-2.1.3 Les réactions de gonflement interne... - 12-2.1.4 Les attaques chimiques... - 13-2.1.5 Exemple : Analyse des dégradations sur un silo à maïs et à herbe...- 14-2.2 Corrosion des aciers d armature... - 18-2.2.1 Phénomène de corrosion des armatures... - 18-2.2.2 Désordres dus à la corrosion... - 19-2.2.3 Moyens de caractériser l état de corrosion de la structure...- 20-2.2.4 Exemple : Diagnostic de corrosion... - 23-2.3 Dégradation d ordre mécanique... - 26-2.3.1 Moyens de détermination de l origine des fissures... - 26-2.3.2 Exemple de reconnaissance de structure sur un bâtiment...- 27-2.4 Un moyen d investigation passée à la loupe : l auscultation ultrasonique...- 39-2.4.1 Rédaction du guide d utilisateur... - 39-2.4.2 Principe de fonctionnement de l appareil... - 41-2.4.3 Dépouillement et interprétation des résultats pour les mesures en transparence...- 43-2.4.4 Dépouillement pour les mesures en surface... - 49-2.4.5 Dans quels cas et comment utiliser l auscultation sonique?...- 53-2.4.6 Conclusion sur l utilisation de l auscultation ultrasonique... - 57-3 Objectifs du diagnostic... - 58-3.1 Détermination de la capacité portante d une structure... - 58-3.1.1 Mission du CEBTP :... - 58-3.1.2 Hypothèses prises pour le calcul :... - 59-3.1.3 Calcul de la dalle :... - 60-3.1.4 Calcul des poutres simples :... - 61 - Projet de Fin d Etudes 2009-2 -
3.1.5 Conclusion :... - 61-3.2 Réparation de la structure... - 62-3.2.1 Qu est ce que la mission de Maîtrise d œuvre?... - 62-3.2.2 Mission confiée... - 62-3.2.3 Descriptions des travaux... - 63 - Conclusion... - 66 - Bibliographie... - 67 - Projet de Fin d Etudes 2009-3 -
Remerciements Effectuer mon Projet de Fin d Etudes au sein de l entreprise CEBTP, dans l agence de Nancy a été une expérience très instructive, c est pourquoi je tiens à remercier les personnes grâce à qui cela a été possible. Je remercie tout d abord mon tuteur d étude, Monsieur Cyrille Chazallon, professeur à l INSA de Strasbourg au sein du département Génie Civil, pour son aide. Mes plus chers remerciements vont à ma tutrice en entreprise, Madame Emmanuelle Hardy, Ingénieur chargé d affaires du service Structure Pathologie de l agence GINGER CEBTP de Nancy. Je la remercie tout d abord pour sa grande disponibilité, son attention, sa rigueur et ses nombreux conseils. Je la remercie également pour ses qualités humaines, son accueil, ça a été un réel plaisir d apprendre à ses côtés. Je remercie Monsieur Jean-Michel Rouquet, directeur de la région Est GINGER CEBTP, pour m avoir permis d effectuer ce PFE au sein de l entreprise GINGER CEBTP. Je tiens à remercier Madame Martine Pasquignon, Ingénieur chargé d affaires du service Structure Pathologie de l agence GINGER CEBTP de Nancy, pour sa disponibilité, ses conseils et particulièrement pour l aide qu elle m a apportée sur l étude de l auscultation ultrasonique. Merci à Monsieur François Seranne, directeur de l agence GINGER CEBTP de Nancy pour m avoir accueilli au sein de son agence. Je tiens également à remercier chaleureusement l ensemble de l équipe avec qui j ai travaillé durant vingt semaines pour leur soutien et leur bonne humeur. Projet de Fin d Etudes 2009-4 -
Introduction Le béton armé est un matériau de base de structures largement utilisé depuis plus d un siècle, aussi bien dans le génie civil que dans le bâtiment. Il peut se dégrader sous l influence de causes liées à sa qualité originelle ou à des sollicitations d exploitation ou d environnement. Des pathologies apparentes ou cachées peuvent survenir. Afin de connaître leur nature, leur étendue et leur potentialité d évolution, on établit un diagnostic nécessaire pour la prise des décisions relatives à la maintenance de l ouvrage concerné. Au cours du travail de PFE, j ai été amenée à réaliser de nombreux diagnostics sur des structures en béton armé. Ce rapport a pour but de présenter le déroulement d un diagnostic ainsi que les moyens techniques à notre disposition pour caractériser les désordres. Cette étape est capitale pour préconiser des réparations adaptées et durables. L objet du PFE a également été l occasion d analyser une technique d investigation plus en détails : l auscultation ultrasonique, dans le cadre de la rédaction d un guide d utilisateur. Ce travail est exposé dans ce rapport en suivant les différentes étapes de l auscultation d une structure en béton armé du diagnostic au confortement et se divise en 3 parties. Le premier chapitre rappelle les diverses étapes d un diagnostic et sa finalité. La stratégie de la surveillance et le financement de la réparation des ouvrages construits y sont abordés. L objectif du second chapitre est de présenter un ensemble non exhaustif de moyens et de techniques pour caractériser l origine et l étendue des désordres. Ces techniques sont présentées en fonction des désordres observés sur la structure et leur utilisation est illustrée par un exemple. La dernière partie de ce chapitre est consacrée à l étude détaillée d un appareil permettant de caractériser la qualité du béton : l ausculteur ultrasonique développé par le CEBTP. Cette partie expose le principe de fonctionnement de l appareil, l interprétation des résultats, les limites de cette technique et dans quels cas il est pertinent de l utiliser. Le troisième et dernier chapitre est consacré à l étude de la finalité d un diagnostic, à savoir d une part la détermination de la capacité portante de la structure et d autre part la détermination des travaux de réparation / renforcement si les dégâts affectant la structure le nécessite. Ces deux missions sont illustrées premièrement par un exemple de calculs de structure et deuxièmement par un exemple de confortement de deux châteaux d eau étudié dans le cadre d une mission de maîtrise d œuvre. Projet de Fin d Etudes 2009-5 -
1 Le diagnostic de structures existantes L activité de diagnostic désigne toute démarche relative à la caractérisation de l état d une structure et de ses matériaux constitutifs. L ingénieur effectuant l examen d une structure existante est confronté à trois tâches principales : - La détermination de l origine des pathologies et des dégâts - La vérification de la sécurité de la structure : il s agit de déterminer dans un premier temps l état réel de celle-ci. Les actions sur les structures (qui peuvent être amenées à changer), ainsi que les résistances des matériaux doivent être actualisées. - L évaluation de la durabilité : il faut émettre un pronostic sur l évolution de l état de la structure et sur l efficacité des interventions éventuelles. Le défi posé à l ingénierie en structures existantes, est de vérifier que la sécurité structurelle soit suffisante et de répondre à des exigences nouvelles sans devoir faire appel à des interventions coûteuses (réparations, renforcements). Contrairement à la nouvelle construction, il faut dans le domaine de la maintenance limiter ou même éviter les interventions de construction. 1.1 Durabilité d une structure La notion de durabilité est le temps durant lequel l ouvrage rempli ses fonctions, ses exigences. Tous les ouvrages sont soumis à un processus de détérioration comprenant 2 phases : une phase d initiation et une phase de propagation comme représenté sur la figure Désordres DURABILITE Atteinte d un état limite Initiation Propagation Temps Figure 1.1.1: Processus de détérioration d un ouvrage Phase d initiation : aucun désordre n est visible, l élément perd d abord sa protection, il est ensuite exposé à des agents comme de l eau avec/sans substances chimiques qui pénètrent dans l élément. Ces matières en atteignant une certaine concentration rendent l élément vulnérable et le processus d endommagement réel débute. Phase de propagation : L élément est soumis à un processus d endommagement (exemple : corrosion des armatures) qui conduit à une capacité portante diminuée ou à une stabilité diminuée. Cette phase prend fin quand un état limite de sécurité structurale ou d aptitude au service est atteint. Les mesures à prendre pour réparer ou maintenir en fonctionnement une structure dépendent de la position à laquelle se situe la structure sur le diagramme endommagement-temps ci-dessus. Il est donc important d évaluer l état de la structure et l idéal serait d effectuer une surveillance suivie de celui-ci dès sa construction. Projet de Fin d Etudes 2009-6 -
1.2 Gestion des ouvrages existants Régulièrement, les financements pour l entretien des ouvrages font l objet de restrictions budgétaires. La question persiste «Entretenir les ouvrages, oui, mais à quel prix?». C est le grand défi auquel la collectivité est confrontée, et en particulier les ingénieurs. 1.2.1 Domaine public Les ponts ainsi que les ouvrages exceptionnels font partie du patrimoine construit public et sont gérés par l Etat. Ils sont soumis au texte de loi Instruction technique de surveillance et entretien des ouvrages d art (ITSEOA d octobre 1979) qui a été mis à jour en décembre 1995 et intitulé méthode IQOA : surveillance organisée et entretien courant formalisé. Selon ces textes de loi, les ouvrages doivent être inspectés tous les 3 ans, ce qui permet d intervenir déjà dans la phase d initiation en stoppant ou freinant la pénétration des agents agressifs. 1.2.2 Domaine privé Malheureusement les ouvrages privés ne sont pas soumis à cette loi et il n y a généralement pas de surveillance de l état de la structure. Actuellement, la gestion est du type "curatif". L intervention a généralement lieu à partir du moment où les désordres deviennent nettement visibles et que les morceaux de béton qui se détachent mettent en jeu la sécurité des usagers et des tiers. Les réparations à effectuer sont donc lourdes et coûteuses (élimination du béton pollué et reconstitution de l'enrobage des armatures par exemple). Le manque de moyens financiers alloués à l entretien des ouvrages a pour conséquence de repousser l auscultation et la réparation des ouvrages toujours plus tard. Or lorsque le moment opportun est passé, l entretien coûte souvent plus cher. L intervention du CEBTP est généralement sollicitée lorsque les désordres sur la structure sont visibles et alarment le gestionnaire, c est pourquoi il faut entreprendre un diagnostic et une simple surveillance ou visite ne permet pas de déterminer l état réel de l ensemble de la structure. La présentation de l activité de l entreprise CEBTP est donnée en Annexe 1. 1.3 Les principales étapes d un diagnostic Le diagnostic d une structure se compose de différentes étapes clés décrites ci-dessous. Une visite préliminaire Elle a pour objet d améliorer la compréhension de l état et du fonctionnement de la structure, de préciser les conditions environnementales, les désordres visibles, l accessibilité des parties dégradées. Suite à cette visite, l ingénieur chargé d affaire peut déjà se faire une idée de l origine des dégradations observées et peut ainsi proposer un programme d investigations à réaliser, son coût ainsi que sa durée. La détermination des surfaces inspectées plus en détails et les techniques d auscultation utilisées tiendront compte de l accès, de l environnement ainsi que des contraintes d exploitation de la structure. Collecte des documents Un maximum d informations concernant la structure doivent être récoltés, à savoir : - Date de construction afin de connaître le code selon lequel la structure a été calculée et les dispositions constructives de l époque. - L historique de la structure Projet de Fin d Etudes 2009-7 -
- Les plans de coffrage et de ferraillage - Les rapports d éventuelles études antérieures - L orientation de la structure Préparation de l intervention A partir de la visite sur site et de l étude des documents collectés on peut déterminer précisément le nombre et le type de mesures à réaliser pour répondre au mieux à la demande du client. Avant l intervention il faut déjà avoir déterminé quelles informations sont importantes pour réaliser la mission, quelles sont à priori les dégradations que l on veut mettre en évidence. «Il faut toujours savoir ce que l on cherche, afin d éviter de chercher à savoir ce que l on a trouvé» Inspection détaillée Une inspection visuelle de la totalité de la structure est mise en œuvre afin de détecter tous les signes de détérioration et d identifier toutes les sources potentielles de désordres tels que : - - la présence d anciens revêtements ou de produits d imprégnation, - - l apparence de la surface du béton, présence de stalactites, d efflorescences, de traces de rouille, - - la présence de fissures (avec leurs ouvertures et leurs orientations, réseau), - - les détériorations de la peau du béton (épaufrures, feuilletage, éclatements ), - - la détection des zones sonnant le creux, - - les zones où le béton et les armatures ont été désorganisés (cas d un incendie ), - - la présence d armatures (passives ou actives) apparentes, corrodées ou non, - - le relevé des déformations de la structure, - - la détection des traces d humidité, - - etc. Généralement il faut aussi relever la géométrie de la structure, espacement des éléments porteur, épaisseur de dalle, géométrie d un plancher hourdis par exemple. Dans de nombreux cas les structures diagnostiquées sont anciennes, de ce fait on ne dispose plus des plans. Suite à l inspection visuelle on choisit des zones représentatives des désordres observés sur lesquelles on va effectuer des mesures. Celles-ci peuvent être de type non destructif par exemple la détection de l enrobage des armatures par un procédé électromagnétique. Elles peuvent également consister en des prélèvements de carottes et d échantillons en vu d analyses en laboratoire. Les investigations destructives seront limitées au maximum pour ne pas endommager la structure. Essais en laboratoire Si des échantillons ont été prélevés dans les zones représentatives des états de dégradation, ceux-ci sont envoyés en laboratoire pour analyse chimique ou microstructurale afin de qualifier le béton. Lorsque des carottes ont été prélevées sur la structure elles sont écrasées afin de connaître la résistance à la compression du béton. Traitement des résultats L ensemble des résultats d analyse et des relevés des défauts sont récapitulés dans des tableaux ou sur des plans dans le rapport de diagnostic. Si l inspection de la structure était complète, il faudrait pour chaque type de désordres effectuer un linéaire en vue d une éventuelle réparation. Projet de Fin d Etudes 2009-8 -
Commentaires et avis de réparation A partir de tous les éléments dont il dispose, l ingénieur chargé d affaires doit indiquer dans son rapport : - L origine probable des désordres, leur étendue, et leur probable évolution - Si la structure garantit toujours la sécurité des personnes et des biens qu elle abrite (bâtiments) ou qu elle ne menace pas de s écrouler. - Les zones à traiter en priorité - Des conseils sur l exploitation de l ouvrage, maintien, renforcement ou suivi, conseil sur des éventuels compléments d étude - Des recommandations relatives aux éventuelles méthodes de réparation les mieux adaptées Il est à rappeler que le rapport de diagnostic doit être compréhensible pour un non initié. Projet de Fin d Etudes 2009-9 -
2 Dégradations affectant le béton armé : comment les reconnaître et les qualifier? Au cours du diagnostic la qualification des désordres est une étape capitale pour déterminer leur origine et ainsi préconiser les réparations les plus adaptées. Cette partie répertorie les principaux types de dégradations du béton armé qui peuvent être classés suivant 3 catégories : - Attaque chimique et réaction interne du matériau béton - Corrosion des armatures - Dégradation d ordre mécanique Après un rappel théorique concernant les désordres observés, nous allons étudier pour chaque catégorie : - Les milieux (classes d expositions) les conditions et le type de structure ou d exploitation qui favorisent l apparition de ces défauts - Les désordres typiquement observés sur les structures atteintes de ces dégradations. - Les moyens techniques d auscultation spécifique à l identification, à l évaluation de l étendue et de la gravité de chaque défaut. Chaque catégorie sera illustrée d un exemple d un diagnostic auquel j ai participé au cours de mon Projet de Fin d Etude effectué au CEBTP. Un moyen d investigation, l auscultation ultrasonique sera étudiée plus en détails. 2.1 Attaque chimique et réaction interne du matériau béton Cette catégorie regroupe les causes suivantes de dégradations du béton armé : - Processus gel/dégel et gel du béton frais - Réactions de gonflement interne : réaction alcali-granulats réaction sulfatique interne - Attaques chimiques telles que par exemple attaques sulfatiques, attaques acides 2.1.1 Environnement et type de structure concernée Les classes environnementales définies par la norme EN 206-1 concernant ces types d attaques sont les classes : - XF pour l attaque gel / dégel avec ou sans sels de déverglaçage - XA pour les attaques chimiques. Les structures concernées par une attaque gel/ dégel sont celles saturées en eau de manière modérée à élevée et situées en zone de gel. On peut citer comme exemple un ouvrage horizontal n ayant pas de pente d écoulement des eaux. Les ponts sont souvent soumis à ce type d attaque. La réaction alcali-granulats peut en principe apparaître dans tous les éléments en béton, mais surtout dans les éléments exposés à l eau, mur de soutènement et éléments de ponts, de même que les barrages. Projet de Fin d Etudes 2009-10 -
Les attaques chimiques dépendent quant à elles uniquement de l environnement direct de la structure. Elles ont essentiellement lieu sur des structures industrielles abritant des activités chimiques ou métallurgiques, les stations d épuration, structures agricoles et les abords de routes. 2.1.2 Le processus gel/dégel Il faut distinguer 2 types de dégâts liés au gel : le processus gel/dégel intervenant au cours du vieillissement de la structure et le gel du béton au moment du coulage par faible température. L effet d éclatement provoqué par l eau entrain de geler est la cause principale des dégâts du béton dus au gel quand le degré de saturation dépasse 90%. Ce phénomène se produit lorsque le béton en surface, se gorge d eau et gèle de façon répétée. Les pores capillaires absorbent l eau de la surface du béton. Si l eau gèle, l accroissement de volume vaut 9% du volume d eau. Dans le cas d une formation de glace dans un pore complètement rempli, l accroissement de volume va générer une pression hydraulique qui va créer un éclatement du béton en surface. Influence combinée du gel est des sels de déverglaçage (ouvrages concernés : piles de ponts, talus) - La réaction du sel avec la glace est une réaction endothermique et créé un refroidissement plus rapide de la structure - Les sels de déverglaçage provoquent une absorption plus rapide de l eau - Le point de congélation de l eau dépend directement de la teneur en sel Le schéma. Illustre le phénomène découlant de ces 3 caractéristiques : Béton gelé Si le refroidissement se poursuit, la couche intermédiaire va également gelé mais la pression de congélation qui en résulte ne pourra pas s affaiblir dans les couches voisines déjà gelées et cela peut conduire à l éclatement de la couche superficielle. Les dégâts visibles dus au gel : Un faïençage superficiel Surface du béton Moyens d auscultation pour déterminer si le béton est gelé : Seule une analyse visuelle peut permettre de déterminer si un béton a été gelé. La matrice du béton est plus claire et on observe également une mauvaise interface granulat/matrice au MEB (Microscope à Balayage Electronique) et le béton est assez poreux. On peut en revanche déterminer la profondeur de béton gelé en effectuant un carottage ou si l on ne souhaite pas effectuer de sondage destructif ou les limiter, déterminer la profondeur et la surface sur 1 cm Figure 2.1.1:Schématisation de l influence combinée du gel et des sels de déverglaçage Concentration de chlorure la plus importante Zone où la température du béton est plus élevée que la température de congélation Béton gelant plus tard La T de congélation baisse à cette profondeur Projet de Fin d Etudes 2009-11 -
laquelle s étend le béton gelé par l auscultation ultrasonique. Cette technique sera développée au paragraphe 2.4. On conclue généralement à l attaque du gel par déduction lorsque les autres causes de dégradations ont été éliminées. Remarque : dans le temps le phénomène de gel/dégel était considéré comme le phénomène majeur de dégradation des structures, aujourd hui c est la corrosion des aciers. 2.1.3 Les réactions de gonflement interne 2.1.3.1 La réaction alcali-granulat La réaction alcali-granulats est une réaction chimique à évolution lente entre certains granulats dits «réactifs» et les alcalins normalement présents dans la solution interstitielle du béton ou amenés par des agents extérieurs. Cette réaction conduit à la formation d un gel de silicate suivie d un gonflement du béton qui provoque une fissuration importante et une perte de résistance considérable. Afin qu une réaction alcali-granulats ait lieu, les 3 conditions suivantes doivent être réunies mais ne donnent pas forcément lieu à la réaction : - Présence de granulats réactifs (silice mal cristallisée) - Milieu ambiant humide - Teneur suffisante en alcalins dans le béton (calcium, sodium) 2.1.3.2 La réaction sulfatique interne La réaction sulfatique interne résulte d une remobilisation des sulfates initialement contenus dans la matrice cimentaire qui, normalement, se transforment en ettringite primaire lors de la prise du béton. Si cette réaction ne peut avoir lieu, l ettringite secondaire (également dite différée) expansive peut se former ultérieurement dans le béton durci et provoque son gonflement et sa désorganisation. Cette remobilisation des sulfates nécessite une élévation de température notable et durable du béton pendant sa prise (par exemple, > 75 C pendant plus de 4 heures), la réaction se produit donc essentiellement dans des bétons étuvés ou des pièces massives (piles de pont de section importante par exemple). La réaction réclame de l eau et plus spécialement un environnement chaud et humide. 2.1.3.3 Les dégâts visibles dus aux réactions de gonflement interne Les dégâts visibles causés par ces 2 réactions sont similaires, du fait du gonflement qu elles provoquent, le béton se fissure et l on peut observer un faïençage à mailles plus ou moins larges ainsi que des «pop-outs» (éclatements localisés de la matrice cimentaire au droit du granulat). Pour la réaction alcali-granulat, les fissures peuvent contenir du gel de silice, comme illustré sur la figure 2.1.2. Figure 2.1.2: Dégâts dus à la RAG sur le couronnement d'un barrage Projet de Fin d Etudes 2009-12 -
2.1.3.4 Diagnostic d un ouvrage affecté par un gonflement interne Des carottes doivent être prélevées à des endroits représentatifs en vue d analyses en laboratoire. Ces analyses sont seules susceptibles de déterminer l'origine du gonflement. Le microscope électronique à balayage (MEB) est actuellement la seule technique permettant de caractériser, avec certitude, l'origine du gonflement : alcali-réaction ou/et réaction sulfatique (ettringite différée). L existence d un phénomène d alcalis-réaction est matérialisé par la présence de gels caractéristiques. L analyse au microscope à balayage électronique Grâce à sa profondeur de champ, le microscope électronique à balayage (M.E.B.) est particulièrement adapté à l examen des surfaces et fournit une vision tridimensionnelle de l échantillon sur une très large gamme de grandissements. Le MEB est couplé avec unspectromètre à sélection d énergie (EDS) qui, permettant de détecter les photons X émis, fournit une analyse élémentaire quasi ponctuelle du matériau ou une cartographie montrant la répartition des éléments chimiques dans la zone observée au microscope. 2.1.4 Les attaques chimiques Les principaux agents externes d agressions chimiques sont les suivants : - Les eaux pures et milieux acides Lorsqu ils entrent en contact avec le béton, ils dissolvent la chaux produite par l hydratation du ciment, faisant alors progressivement diminuer le ph et ils annihilent ainsi la passivation des aciers mais aussi la résistance du béton. Plus le ph est faible, plus l attaque est importante. On emploi le terme de lixiviation du béton. La présence de dépôts de calcite blanchâtre à la surface du béton est le signe d une telle attaque. Les attaques du béton peuvent être dues à des acides forts mais également à des acides acétiques, lactiques, butyriques ou formique en provenance de sucreries, laiteries, papeteries, tanneries L exemple traité dans le paragraphe suivant concerne une attaque acide. - Les eaux basiques - Les solutions salines ou les sols Entrent dans cette catégorie les sulfates, chlorures, nitrates, sulfures et le magnésium. Ils dissolvent partiellement les éléments calciques des ciments. Les chlorures sont à l origine de la corrosion des armatures que nous verrons dans le paragraphe 2.2. Les sulfates provoquent la formation de cristaux d ettringite et ainsi un phénomène d expansion. - L eau de mer - Les actions biochimiques Projet de Fin d Etudes 2009-13 -
2.1.5 Exemple : Analyse des dégradations sur un silo à maïs et à herbe 2.1.5.1 Description de l affaire Dans le cadre d une expertise, le CEBTP a effectué des essais et analyses sur le béton de silos à maïs et à herbe afin de : - vérifier si le béton mis en place correspond au béton indiqué sur les bons de livraison - vérifier si le béton mis en place est adapté à son environnement - déterminer l origine probable des désordres Les silos sont horizontaux ; 3 voiles en béton armé d une épaisseur de 20 cm, d une longueur d environ 15 m et d une hauteur d environ 3 m forment 2 caissons dans lesquels sont entreposés du maïs et de l herbe. 2.1.3 : Photographie des silos auscultés Les désordres qui ont été visualisés sont les suivants : - Granulats apparents avec lixiviation du liant (figure 2.1.4) - Le liant est pulvérulent et se désagrège facilement en surface (figure 2.1.5) - On observe des fissures sur granulats Figure 2.1.4 : Granulats apparents, désagrégation du liant Figure 2.1.5 : Lixiviation du liant Afin de déterminer l origine de ces désordres, 3 carottes ont été prélevées dans les zones significatives sur lesquelles des analyses ont été réalisées. 2.1.5.2 Analyses effectuées Les analyses suivantes ont été effectuées : - Ecrasements en laboratoire pour estimation de la résistance à la compression - Dosage en ciment - Taux d hydratation afin d évaluer le rapport E/C Projet de Fin d Etudes 2009-14 -
Ces tests permettent de vérifier si le béton en place est conforme à celui indiqué sur les bons de livraison du béton. - Un MEB (microscope à balayage électronique) Afin d avoir une idée plus précise sur l origine des désordres. - Test de neutralisation de l alcalinité du béton à l aide de la phénolphtaléine Afin de déterminer si le ph a chuté 2.1.5.3 Caractérisation du béton Les analyses réalisées sur le béton prélevé par carottage sur le silo ont mis en évidence que : - le type de ciment, - le rapport E/C, - le dosage en ciment correspondent bien aux données indiquées sur les bons de livraison et requises pour un béton de classe environnementale 5b (milieux moyennement agressifs chimiquement selon la définition de la norme de l époque P 18-305 Bétons prêts à l emploi) Seules les valeurs de résistance à la compression (réalisées sur du béton localisé au cœur du voile) ont montré une qualité mécanique inférieure à celle annoncée (moyenne de 29.9 MPa au lieu de 35 MPa). Il est à noter que les valeurs brutes de résistance à la compression du béton obtenues par l écrasement des carottes doivent être affectées de coefficient de forme en fonction du diamètre et de l élancement de la carotte (1 ou 2) afin de pouvoir être comparées aux valeurs nominales de résistance à la compression. 2.1.5.4 Type de béton adapté à son environnement? La norme XP P 18-305 Bétons prêts à l emploi -, en vigueur lors de la réalisation de l ouvrage, fixe des résistances garanties et des dosages minimum en ciment ou liant équivalent en fonction des classes d environnement et du type de béton (béton armé BA / Béton non armé NA). Les recommandations pour les ouvrages agricoles soumis aux conditions les plus sévères sont résumées dans le tableau 2.1.1 : Ouvrages Fosses à lisier et à fumier Aires d ensilage Classes d environnement 5b* ou 5c* Types de béton NA/BA NA/BA Résistance caractéristique mini. 35 MPa 40 MPa Dosage mini en liant équivalent 350 ou 385 Nature du ciment ES ES 5b* BA 35 MPa 350 PM/ES Tableau 2.1.1 : Exigences pour le béton selon la norme XP P 18-305 * 5 a, b, c : milieux faiblement, moyennement et fortement agressifs chimiquement selon la norme XP18-305. NA : non armé ; BA : béton armé Dans les cas d aires d ensilage, on se situe bien dans une classe d environnement 5b. Mais l étude des normes fait apparaître que les textes règlementaires et normatifs en vigueur ne sont pas accordés sur la nature des prescriptions des formulations des bétons soumis à des environnements agricoles. Projet de Fin d Etudes 2009-15 -
Toujours selon la norme P18-305 : - les lisiers sont considérés comme des environnements également ou plus agressifs que les jus d ensilage. Pourtant, le ph des jus d ensilage est généralement inférieur à celui des lisiers compris entre 6 et 8. Selon la norme NF P 18-011 (datant de 1992) Bétons Classification des environnements agressifs -, qui définit les environnements agressifs pour les bétons en fonction de leur concentration en agents agressifs ou de leur ph : - les jus d ensilage peuvent correspondre à différentes classes d agressivité, correspondantes à des caractéristiques différentes du béton selon la valeur de leur ph (variant entre 3,5 et 5) : Classe d agressivité A2 moyennement agressif A3 Fortement agressif A4 très fortement agressif Agent agressif 4.5<pH<5.5 4<pH<4.5 ph<4 Choix du ciment CEM I à teneur réduite en C 3 S et C 3 A, CEM II avec éléments secondaires, CEM III/A, B, C, CEM V CEM III/B, C, Ciments alumineux, CEM V Idem A3 avec éventuellement une protection supplémentaire (enduit, peinture, revêtement) E/C 0.55 0.5 0,50 éventuellement Dosage en ciment (kg/m 3 ) 550/(D) 1/5 700/(D) 1/5 700/(D) 1/5 éventuellement (pour D max sur les 3 carottes prélevées=21mm, C=380kg/m 3 ) Tableau 2.1.2 : exigences pour le béton selon la norme NF P 18-011 Selon les classes d agressivité définies dans le tableau 2.1.2, la teneur en ciment du béton pourrait être légèrement insuffisante suivant le ph des jus d ensilage. Remarque : il aurait été intéressant de mesurer le ph des jus d ensilage présent dans les silos lorsque les carottes ont été prélevées. D après nos résultats, l expert doit conclure à la responsabilité ou non de l entreprise de construction pour une mauvaise mise en œuvre ayant entraîné les désordres observés. Au vu des analyses réalisées les caractéristiques du béton prélevé correspondent bien : - aux caractéristiques annoncées dans les bons de livraison à l exception de la résistance mécanique - à son environnement selon la norme XP P 18-305 Il est important de souligner que les résultats des investigations sont toujours à nuancer d après les incertitudes sur les résultats et les hypothèses prises. Par exemple, les résultats obtenus pour les ratios des oxydes traceurs par analyse chimique sont à nuancer dans la mesure où l analyse chimique ne permet pas de distinguer les quantités de Fe 2 O 3 issus du ciment et ceux extraits des granulats. Projet de Fin d Etudes 2009-16 -
2.1.5.5 Détermination de l origine probable des désordres Afin de pouvoir déterminer l origine probable des désordres, il est nécessaire de connaître les propriétés des produits stockés dans les silos. Propriétés des jus d ensilage Au cours de l ensilage, les sucres solubles du fourrage vert sont transformés en acide lactique principalement, et en acide acétique, en l absence d air et sous l action de bactéries fermentaires. Les réactions de transformation s accompagnent d une acidification, se manifestant par la chute du ph du milieu en dessous de 4. Celle-ci limite les fermentations indésirables (comme le développement de la flore butyrique) et assure la conservation de l ensilage. Les jus d ensilage contiennent principalement des acides lactique et acétique et ont un ph d une valeur moyenne d environ 4. Aux vues des propriétés de ces jus et de la documentation collectée sur internet au sujet du vieillissement des ouvrages agricoles en béton armé, il est fort possible que les dégradations aient pour origine une attaque des acides contenus dans les jus d ensilages. Les constatations sur des ouvrages similaires font état d une matrice cimentaire progressivement dissoute dénudant les granulats, ce qui concorde avec nos observations. Conclusion Les investigations menées nous amène à la conclusion que le béton a subi deux types d attaques : - une attaque acide engendrant une lixiviation du liant. L acide est très probablement organique (jus d ensilage). Ces acides peuvent présenter des valeurs de ph entre 3.5 et 5 qui conduisent à une augmentation de la porosité et une déstructuration surfacique du béton (profondeur de 1 cm à ce jour) mais ne laissent pas de traces chimiques. Ceci entraîne une modification des performances mécaniques du béton par rapport à ses caractéristiques d origine. - une carbonatation, réaction naturelle résultant de l action du CO 2 sur les phases hydratées du ciment. Cette réaction entraîne une altération du béton : béton moins compact et plus déstructuré qu à cœur observé à ce jour sur une profondeur de 3 à 5 cm). Ce phénomène n altère toutefois pas le béton de manière significative et ne remet pas en cause l intégrité de l ouvrage. A terme, si aucune mesure n est prise la dégradation du béton va continuer sous l attaque acide. Les agents extérieurs vont pouvoir atteindre les armatures qui ne seront plus protégées et le processus de corrosion risque de débuter. Ce type de dégradation est étudié dans le paragraphe suivant. Projet de Fin d Etudes 2009-17 -
2.2 Corrosion des aciers d armature Le phénomène de corrosion des armatures est probablement le phénomène de détérioration du béton armé le plus répandu. Pour que ce phénomène se développe il suffit que les éléments de structure soit exposés à l humidité. La corrosion opère d autant plus vite que l enrobage de béton est faible et que la structure est exposée aux chlorures. Elle peut donc se développer dans n importe quelle structure. L expérience a montré que les parties d ouvrages suivantes s sont très touchées par ce phénomène : - Dans les bâtiments, les balcons et acrotères sont souvent les plus touchés du fait, soit de leur minceur, soit de la difficulté à maintenir un enrobage suffisant et lié au fait qu ils soient plus exposés aux intempéries et à l humidité - Dans les parkings et bâtiments industriels, ce sont souvent les poteaux et les dalles les plus touchés (agents chimiques ou sels de déverglaçage) - Pour les ponts et ouvrages d art, les piles au voisinage des chaussées, les tabliers et les équipements de tablier car ces éléments sont en contact avec les sels de déverglaçage. - Les cheminées (industrielles) soumises à un environnement acide particulièrement - Les structures situées en bord de mer qui souffrent de l agression des chlorures 2.2.1 Phénomène de corrosion des armatures La durabilité des armatures du béton armé est assurée par leur enrobage de béton sain, c'est-à-dire contenant encore une réserve en ciment susceptible de libérer la chaux nécessaire au maintien du milieu basique (ph 12 à 13). Dès que cette condition n est plus remplie, l acier peut se corroder en formant une rouille gonflante (expansion pouvant atteindre 800 %) qui est capable de Pour que la corrosion des aciers d armatures puisse avoir lieu, les trois conditions schématisées sur la figure 2.2.1 doivent être réunies : Dépassivation de l'acier CORROSION Oxygène Elecrolyte (humidité) Figure 2.2.1 : Facteurs de corrosion Remarque : les structures en permanence dans l eau ou enterrées ne sont pas atteintes par la corrosion du fait qu il n y ait pas d oxygène. La dépassivation de l acier d armature peut être due à 2 causes : - La pénétration dans le béton de suffisamment d ions chlorures Cl jusqu à l armature - Lorsque le front de carbonatation du béton a atteint l armature Si l un de ces 2 phénomènes se produit, le ph du béton chute et l acier n est plus protégé. Une fois que l acier d armature est dépassivé et est en contact simultané avec de l oxygène et de l eau (humidité), la dissolution du métal a lieu ; corrosion sous la forme de formation de rouille, puis perte de section. Projet de Fin d Etudes 2009-18 -
Corrosion en présence de chlorures Les chlorures proviennent essentiellement de l eau de mer, de l environnement marin ou de l épandage des sels de déverglaçage sur les routes en hiver (ponts et tunnels). La surface du béton de la structure est alors en contact avec des ions chlorures (Cl ) dissous dans l eau ou présents dans l air. Ils pénètrent dans le béton d enrobage par divers mécanismes de transport et principalement par succion capillaire lors de précipitations. Au fur et à mesure de leur progression, un certain nombre de ces ions sont liés chimiquement par les composants de la pâte de ciment durcie. Seuls les chlorures libres présentent un danger pour la corrosion des barres d armatures. De plus les chlorures catalysent la réaction. Lorsqu un certain taux d ions chlorures est atteint, appelé taux critique, la couche passivée devient instable. Une valeur de 0,4 % par rapport au poids du ciment a été établie comme une limite de dépassivation de l acier. Cette valeur, largement utilisée dans la pratique, est considérée comme très conservatrice et dans de très nombreux cas, aucune corrosion n a fait son apparition pour une telle teneur en chlorure. Remarque : la valeur de 0,4 % est valable pour un béton contenant des armatures en acier ou de s pièces métalliques noyées selon la norme EN 206-1 : Elle varie en fonction du type de ciments et de la présence d armatures. Carbonatation La carbonatation peut se représenter par la réaction chimique suivante : La chaux présente dans le béton réagit avec le dioxyde de carbone et forme de la calcite. La vitesse de carbonatation dépend de l apport de CO 2. Le dioxyde de carbone ne peut pénétrer dans le béton qu en phase gazeuse. La réaction chimique du CO 2 avec les alcalins, en particulier avec la chaux, requiert la présence d eau. La carbonatation ne peut survenir que si l humidité relative de l air est comprise entre 40 % et 95 % environ. Cette réaction entraîne une chute du ph qui est de l ordre de 12,5 pour un béton sain et passe à 8,5 pour un béton carbonaté. 2.2.2 Désordres dus à la corrosion La corrosion des armatures a souvent pour conséquences des symptômes visibles sur le parement, tels que fissurations au droit des armatures, décollements de béton, éclats et épaufrures. Mais attention, d autres mécanismes peuvent être à l origine de ces dégradations. Les fissures créées par le gonflement de la barre consécutif à la formation de la rouille sont à différencier des fissures de retrait et des fissures de flexion ou d effort tranchant. Projet de Fin d Etudes 2009-19 -
Elles sont en général de 3 types comme illustré sur la figure 2.2.2 : - Une fissure au droit de la barre d armature - Deux fissures de part et d autre d une barre symbolisant le détachement d une bande à section trapézoïdale - La délamination d un pan de mur constitué du béton d enrobage Figure 2.2.2 : Type de fissures provoquées par la corrosion de l'armature Lorsque le stade de corrosion est avancé, les armatures corrodées sont souvent apparentes et des traces de rouille sont visibles. La forme, l étendue des désordres, leur intensité dépendant à la fois de la position des armatures (enrobage et espacement), de la qualité du béton d enrobage (compacité et homogénéité), et de l environnement (nature de l agent agressif). Ainsi, lorsqu une corrosion se manifeste, il est raisonnable de s attendre à ce que le processus de dégradation s étende au-delà de la dégradation visible. C est pourquoi des moyens d investigations capables de nous donner des informations sur l état des armatures dans les zones où celles-ci sont recouvertes de béton sont utilisés. Ceux-ci sont présentés dans le paragraphe 2.2.3. 2.2.3 Moyens de caractériser l état de corrosion de la structure 2.2.3.1 Mesure de l enrobage des armatures L objectif de ces mesures est de localiser géographiquement les armatures faiblement enrobées, d estimer les surfaces concernées et enfin d apporter des éléments quantitatifs pour une modélisation de l évolution possible des phénomènes, en relation avec la profondeur r de carbonatation (paragraphe 2.2.4.3). Pour mesurer l enrobage on utilise un appareil utilisant le principe physique de détection électromagnétique. La barre d armature métallique perturbe le champ magnétique produit par un électro-aimant. Figure 2.2.3 : Illustration des paramètres lors d un sondage pachométrique Les relations entre les grandeurs mesurées et les paramètres de l armature et la profondeur d enrobage, illustrés sur la figure 2.2.3, sont les suivantes : la réponse V de la sonde est V 0 en l absence d armatures. En un point distant de x d une armature le signal augmente de : Projet de Fin d Etudes 2009-20 -
Φ Avec et K une constante caractéristique de la sonde, le diamètre de la barre d armature et µ sa permittivité électrique. L appareil utilisé au CEBTP est le Ferroscan PS 200 développé par HILTI. Il s agit d un système multisonde placé sur rouleaux pour relever automatiquement la position des armatures sur une surface. Pour mesurer l enrobage des armatures, l appareil Ferroscan peut être utilisé en détection linéaire (mode de fonctionnement) : L appareil est déplacé suivant une ligne pouvant aller jusqu à 30 m de longueur à la surface du béton et permet uniquement de détecter les armatures perpendiculaires à la direction de détection. On l utilise par exemple pour déterminer l espacement des cadres d un poteau ou pour connaître rapidement l enrobage d éléments linéaires. La figure 2.2.4 illustre le dépouillement de mesures en mode détection linéaire avec le logiciel Ferroscan. Diamètre des fers si connu Epaisseur du support Détection de 2 armatures côte à côte Profondeur d enrobage Figure 2.2.4 : Dépouillement avec le logiciel Ferroscan d'une détection linéaire Les résultats sont les suivants : Enrobage maximal : 30 mm Enrobage minimal : 15 mm Enrobage moyen : 22 mm Ecart-type : 5 mm Espacement entre aciers En exportant les données sous Excel, on peut également déterminer l espacement entre les barres d armature. Projet de Fin d Etudes 2009-21 -
S il a été déterminé par sondage, ou que l on dispose des plans de ferraillage, le diamètre des fers détectés peut être entré dans le logiciel. Cela permet d obtenir une meilleure précision de la profondeur d enrobage. Si le parement en béton est irrégulier on peut par exemple déplacer le scanner sur une planche en bois maintenue contre l élément en béton. Dans ce cas, ou dans le cas de la présence d un revêtement (mortier hydraulique, chape, isolation, etc ), il ne faut pas oublier d indiquer l épaisseur de ce support afin de mesurer réellement l enrobage de béton autour des armatures. Lors du dépouillement il faut parfois supprimer manuellement certaines valeurs aberrantes. D autre part la détection de 2 armatures trop proches peut fausser la mesure de l enrobage. Comme tous les appareils de mesure cet appareil a ses limites : - Il ne détecte les aciers que sur une profondeur de 10-12 cm - 2 armatures ne peuvent être différenciées que si leur espacement est supérieur à leur enrobage - Les éléments métalliques présents dans le béton ou à proximité peuvent créer des interférences er rendre la mesure inexploitable. Par exemple des gaines coulées dans le béton ou la présence d un rail à la surface d une poutre. 2.2.3.2 Mesures de potentiel Cette méthode permet de détecter les armatures corrodées et d évaluer leur risque de corrosion. Elle est non destructive. Le principe de cette technique est de mesurer la différence de potentiel entre l armature et l électrode de référence avec un potentiel constant et connu. Les barres d armature avec corrosion se distinguent des barres intactes par un potentiel qui est de plusieurs 100mV plus négatif. Les valeurs mesurées doivent toujours être comparées aux autres valeurs obtenues sur l ouvrage, il n y a pas de valeur absolue de référence. Les mesures effectuées sur des surfaces représentatives permettent d établir une cartographie des probabilités de corrosion et de localiser les zones à risque maximum. En pratique, la mesure nécessite la mise à nu d une armature, sa connexion à une borne d un multimètre à haute impédance, dont l autre borne est reliée à une électrode de référence placée sur le parement. Attention, en environnement chimique cette méthode ne fonctionne pas. Au CEBTP, l appareil Canin est utilisé. 2.2.3.3 Mesures de carbonatation La carbonatation est un des deux facteurs responsable de la dépassivation des armatures. Parmi les méthodes de mesure de la profondeur de carbonatation, celle qui est le plus simple à mettre en œuvre est le test à la phénophtaléine. Elle consiste à mesurer le front de coloration de ce colorant sensible au ph, que l on pulvérise sur une coupe fraîche de béton comme illustré sur la figure 2.2.5. Sondage 1 : Profondeur de carbonatation : 0 à 10 mm Sondage 2 : Profondeur de carbonatation : 0 à 25 mm Figure 2.2.5 : Test à la phénophtaléine sur un poteau Projet de Fin d Etudes 2009-22 -
La profondeur de carbonatation peut alors être comparée à la profondeur d enrobage des armatures. Lorsque la profondeur de carbonatation du béton est supérieure à la profondeur d enrobage des armatures, celles-ci sont dépassivées et sont potentiellement soumises à la corrosion. Dans l exemple de diagnostic de corrosion présenté au paragraphe suivant la comparaison entre la profondeur d enrobage et de carbonatation est étudiée. 2.2.4 Exemple : Diagnostic de corrosion 2.2.4.1 Description de l affaire Dans le cadre d une opération de maintenance, le client nous a demandé d effectuer un diagnostic des structures (poteaux, poutres et voiles) d un bâtiment servant actuellement de garage/ entrepôt. Le bâtiment de section rectangulaire est composé d une structure de type poteaux-poutres encastrés le tout en béton armé. Il compte 9 travées de 5.05m (axe à axe) soit une longueur totale de 45 m, et fait 12.50m de large. Les poteaux sont partiellement noyés dans les voiles à priori en agglos. Selon les renseignements du client, ce bâtiment daterait du début du XXème siècle. Le but de la mission étant également d étudier la faisabilité des réparations, il est important d effectuer un relevé quantitatif des résultats. Un relevé visuel du type de désordres affectant l ouvrage a donc été réalisé et pour chaque désordre observé le linéaire a été mesuré. Comme la mission n était pas de déterminer la capacité portante des éléments, les sections et la position des armatures n ont pas été relevées et la qualité mécanique du béton (écrasement d une carotte) n a pas été déterminée. 2.2.4.2 Résultats du relevé visuel Le relevé visuel nous a permis de définir des désordres ayant 3 origines différentes : Désordre de mise en œuvre Figure 2.2.6 : Photographie du bâtiment diagnostiqué Quelques zones de ségrégation ont été observées localement (voir figure 2.2.7). La ségrégation est due à une vibration insuffisante du béton lors du coulage de l élément qui engendre des caractéristiques physiques et mécaniques amoindries du béton (grande porosité, cohésion et résistance plus faible du béton ). De nombreuses zones de ragréage ont été relevées, principalement sur les arêtes de poteaux. Ces ragréages ont certainement été réalisés lors de la construction du bâtiment, suite à des défauts observés sur le poteau Figure 2.2.7 : Ségrégation observée sur un poteau Projet de Fin d Etudes 2009-23 -
après son décoffrage : ségrégation ou enrobage insuffisant. Désordre mécanique Des désordres dus aux dilatations thermiques différentielles entre béton et briques laitières situées en tête de poteaux ou entre briques laitières et enduit ont provoqué la création de fissures aux interfaces entre les deux matériaux comme illustré sur la figure 2.2.8. Figure 2.2.8 : Fissures à l'interface béton brique laitière De nombreuses fissures verticales ou biaises sont visibles aux angles inférieurs des fenêtres. Les fissures majoritairement traversantes, présentent parfois des ouvertures importantes supérieures au millimètre et des éclats. A l intérieur, la peinture est écaillée au droit de ces fissures, signe d humidité. Ces fissures doivent être dues à de légères déformations de la structure. Désordre pathologique Les désordres pathologiques principalement observés sont dus à la corrosion des armatures. Ce phénomène de corrosion des armatures, selon son stade d avancement, engendre différents stades de dégradation. Les photographies ci-dessous illustrent ces différents stades observés sur la même structure, et parfois sur le même élément. Ils sont classés dans l ordre progressif de détérioration d une structure. Figure 2.2.9 : Fissuration Figure 2.2.11 : Décollement du béton Figure 2.2.12 : Armatures apparentes corrodées Figure 2.2.10 : Armature foisonnante Lors du diagnostic les zones de décollements du béton sont purgées afin de garantir la sécurité des personnes. Il s agit de la première mesure de sécurité à entreprendre. De plus, cela permet de déterminer l étendue de la corrosion sous le béton. 2.2.4.3 Interprétation et mesures Dans un premier temps, il faut déterminer l origine de la corrosion des armatures, qui est le désordre le plus important observé sur la structure. Comme celle-ci ne se trouve pas en milieu marin et n est pas à proximité des épandages de sels de déverglaçages, on peut raisonnablement penser que c est le phénomène de carbonatation qui est à l origine de la dépassivation des armatures et non une attaque des chlorures. Une analyse chimique effectuée sur un prélèvement de béton permet de valider qu il n y a pas de chlorures présents dans le béton. Projet de Fin d Etudes 2009-24 -