STABILISATION DE LA CORROSION DE CABLES DE PRECONTRAINTE PAR INJECTION D INHIBITEURS DE CORROSION UTILISANT LA TECHNOLOGIE DES ULTRASONS DE PUISSANCE RETOUR D EXPERIENCE DUBOIS Pierre-Marie, MICHAUX Daniel PMD-ATEAV Systems sprl - Prestressed concrete repair, Rue les Culots 37, 1421 Ophain- Bois-Seigneur-Isaac, Belgique Email : pmd@skynet.be Résumé : Un procédé développé par les sociétés PMD et ATEAV permet de stabiliser durablement la corrosion de câbles de précontrainte de manière peu intrusive. Il consiste à saturer le coulis de protection des câbles, déficients ou non, par une solution inhibitrice, en utilisant une pompe alternative à ultrasons. L application du procédé permet de dresser une cartographie des défauts d injection du coulis de ciment existant, en vue de procéder à une réinjection complémentaire à l aide de microcoulis de ciments. La première application sur une travée d un viaduc de cinq travées date de 1995. L altération des travées non traitées a conduit à son remplacement. Le viaduc a été démoli début 2012. La travée traitée en 1994 a été démontée par sciage de telle sorte que chaque poutre a été tronçonnée en plusieurs éléments. Les observations effectuées au démontage et les investigations effectuées sur un tronçon de poutre permettent de confirmer l efficacité du procédé après 18 ans et donc aussi la durabilité du traitement. Mots clefs : Béton précontraint, corrosion, méthodes de revalidation, ultrasons de puissance, cartographie des défauts de coulis d injection. 1 TRAITEMENT DE LA CORROSION DES CABLES DE PRECONTRAINTE ADHERENTE 1.1 Origine du procédé La précontrainte adhérente par câbles constitue l application de la précontrainte la plus fréquemment rencontrée dans les ouvrages anciens. Le traitement de la corrosion de ces câbles se heurte à de nombreuses difficultés. En effet, ces câbles sont noyés dans la masse de béton des poutres. Ils sont donc peu accessibles d autant Journées Câbles 2012 27-28 Novembre 2012, Nantes Page 1
que, étant enfilés dans une gaine métallique, aucune intervention du type protection électrochimique ne peut être envisagée. Les auteurs ont alors imaginé de suivre une autre voie qui consiste à saturer le coulis de ciment d injection de protection par un inhibiteur de corrosion adéquat et ensuite de réinjecter un microcoulis de ciment dans les défauts d injection trouvés. Le procédé de revalidation des câbles de précontrainte ainsi imaginé a été mis au point en 1994, à titre de test, sur une travée d un viaduc composé de cinq travées type VIPP, situé au Grand Duché de Luxembourg à Lultzhausen près du grand barrage d Esch-sur-Sûre. 1.2 Principe général L originalité du procédé consiste à avoir recours aux propriétés énergétiques des ultrasons pour imprégner le milieu environnant des câbles de précontrainte par la solution d inhibiteur. L action des ultrasons sur la solution inhibitrice induit principalement un état de cavitation en phase vapeur. L énergie libérée par la cavitation permet de dégager efficacement les macropores du coulis en contact avec le câble de précontrainte, ouvrant ainsi un accès direct de la solution inhibitrice vers les aciers de précontrainte à protéger. Le chemin ainsi ouvert est en fait le même chemin que celui qui a été suivi pendant les dizaines d années de la vie de l ouvrage pour amener les agents agressifs (eau, oxygène et chlorures) jusqu aux aciers pour exercer leur œuvre de corrosion à ceci près que grâce aux ultrasons, ce chemin est parcouru en quelques heures. L état de cavitation en phase vapeur est généré par une pompe alternative à ultrasons de puissance qui se dilate et se contracte en créant des surpressions et des dépressions alternatives à la fréquence ultrasonore d environ 23.000 Hertz. (Figure 1). L imprégnation du milieu environnant des câbles par la solution inhibitrice qui en résulte, est réalisée à basse pression. Figure 1 - Principe de fonctionnement général de la pompe à ultrasons. La solution inhibitrice choisie est une solution de nitrite de calcium dont l efficacité, avec ou sans présence de chlorures, est démontrée par plusieurs travaux et par les résultats pratiques depuis près de trente ans. Le nitrite de calcium fait passer les oxydes ferreux perméables vers l état d oxydes ferriques imperméables restaurant ainsi la couche de passivation naturelle de l acier dans un béton sain sans autre effet secondaire sur le comportement des aciers. Journées Câbles 2012 27-28 Novembre 2012, Nantes Page 2
1.3 Processus opératoire Le traitement se fait en trois étapes. 1ère étape : Placement des injecteurs Après localisation précise des câbles de précontrainte, des perçages de l enrobage de béton sont pratiqués jusqu au niveau des aciers. Ils sont réalisés, à espacements réguliers de l ordre de 50 cm, le long de la gaine de précontrainte (Figure 2-1). Une buse d injection est placée au niveau de chacun de ces perçages. Buses d injection Figure 2-1 Après perçage et mise en place des buses d injection. Figure 2-2 Injection de la solution inhibitrice au moyen du transducteur ultrasonore. 2ème étape : Injection de l inhibiteur de corrosion Dans un deuxième temps, l inhibiteur de corrosion est injecté au niveau de chaque buse à l aide d une pompe spécifique utilisant les ultrasons (Figure 2-2). La progression de la solution inhibitrice à l intérieur de la gaine est vérifiée au niveau des perçages réalisés de part et d autre. Lorsque la solution apparaît dans les orifices voisins, l injection est arrêtée et la pompe est transférée au point suivant. Au cours du traitement, le temps de progression de l inhibiteur d un perçage à l autre est mesuré. Une cartographie des temps de migration est alors obtenue, fournissant des informations sur la qualité de remplissage du coulis. En effet, un temps de migration important correspondra à un coulis compact avec peu de défauts. Au contraire, un temps de migration très court permettra de détecter une zone peu remplie (Figure 3). Journées Câbles 2012 27-28 Novembre 2012, Nantes Page 3
N Gaine 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 8 7 6 5 4 3 2 1 Pas d'injecteur 15 mn pour D11 1 2 3 4 5 6 7 8 7 6 5 4 3 2 1 270 mn pour E8 Pas d'injecteur 180 mn pour E7 CULEE 6 7 8 9 10 11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 PILE Figure 3 Cartographie des temps de migration de la solution inhibitrice. Les points d injection sont indiqués par les flèches. Exemple : Poutre IV de la travée 1 du viaduc de Lultzhausen composée de 11 câbles type 12 diamètres 7 mm Cette cartographie quantifie et localise l importance des défauts d injection rencontrés dont la visualisation est reprise sur la figure 4 pour un câble type 12 diamètres 7 mm. > 120min > 60 min <6 0 min < 30 min < 15 min Figure 4 Visualisation des défauts d injection (Câble type 12 diamètres 7 mm) 3ème étape : Comblement des défauts du coulis Après injection de la solution inhibitrice et à partir de la cartographie précédemment obtenue, les buses sont réutilisées pour l injection d un microcoulis très fluide à base de ciment Portland. En cas de vide complet d injection sur de grandes longueurs, on fait usage d un coulis d injection classique. Journées Câbles 2012 27-28 Novembre 2012, Nantes Page 4
1.4 Validation du procédé Le procédé a été appliqué pour la première fois en 1994 à titre de test sur une travée du viaduc de Lultzhausen situé au Grand Duché de Luxembourg. Il a ensuite été validé par le Centre Scientifique de la Construction (CSTC) en Belgique entre 2000 et 2008 [1]. Une communication détaillée a été publiée dans le bulletin du SETRA n 59 de novembre 2008 [2]. D autres communications ont été présentées au congrès Structural Faults and Repair à Edingburgh en juin 2008 et au Colloque Le Pont à Toulouse en 2005[4] et 2008 [5]. Une dernière phase de validation s est présentée à l occasion du remplacement du viaduc de Lultzhausen, décidé suite à une évolution rapide mettant en cause la stabilité de certaines poutres des travées non traitées en 1994. La démolition de l ouvrage a été exécutée en avril 2012. La travée traitée en 1994 a bénéficié d une procédure de démolition douce. Elle a été mise sous échafaudage et ensuite débitée en tronçons. Les coupes des nombreux tronçons ont ensuite été examinées visuellement, en détail. Un tronçon a été choisi pour procéder à une campagne d essais en laboratoire. Au moment de la rédaction du présent document, les essais étaient toujours en cours mais ils démontrent, d ores et déjà et sans ambigüité, l efficacité et la durabilité du procédé. Les résultats de ces analyses sont commentés ci-après. 2 ANALYSE DESTRUCTIVE DU PREMIER CAS D APPLICATION DU PROCEDE EN 1994 2.1 Description de l ouvrage traité en 1994 La plus ancienne application du procédé remonte à 1994 sur la première travée du viaduc de Lultzhausen près du grand barrage d Esch-sur-Sûre au Luxembourg. (Figures 5-1 et 5-2) Figure 5-1 Viaduc de Lultzhausen Localisation de la travée traitée en 1994 Figure 5-2 Vue sous tablier L ouvrage construit vers 1960 était constitué de 5 travées indépendantes à poutres précontraintes préfabriquées (VIPP). Journées Câbles 2012 27-28 Novembre 2012, Nantes Page 5
La portée des tabliers était de 35 mètres et chaque poutre comportait 11 câbles de précontrainte constitués de 12 fils de 7 mm de diamètre. (Figure 6) Figure 6 5 travées de 35 m composée de 4 poutres précontrainte VIPP Aucune étanchéité de protection du tablier n avait été prévue. C est d ailleurs ce défaut de protection qui a conduit l ouvrage vers sa mise hors service. Le site de l ouvrage se situant dans une zone de captage d eau, l épandage de sel de déverglaçage n est pas permis en période hivernale. Effectivement, les essais de contrôle n ont révélé pas ou peu de pollution par les chlorures. 2.2 Pathologie de la précontrainte mise en évidence en 1990 Les inspections faites en 1990 avaient mis en évidence la présence de nombreuses fissures qui longeaient les câbles de précontrainte avec passage d eau et exsudations calcaires (Figures 7 et 8). De nombreux câbles, pas ou mal injectés, présentaient des corrosions parfois avancées mais encore sans rupture, donc sans diminution de la capacité portante. Figure 7 Inspection de 1990 Fissures le long de la précontrainte Figure 8 - Inspection de 1990 - Fissures le long de la précontrainte et exsudations calcaires Journées Câbles 2012 27-28 Novembre 2012, Nantes Page 6
2.3 Traitement de la corrosion des câbles de précontrainte en 1994 L inhibiteur utilisé en 1994 était du nitrite de sodium dont l action inhibitrice est identique à celle du nitrite de calcium, préféré actuellement pour écarter tout risque d initier une réaction du type alcali-granulat dans le béton environnant des câbles traités. Le microcoulis utilisé était le microcoulis Polyment Micropress à base de ciment Portland. Ce microcoulis n est plus commercialisé actuellement Il est remplacé par un autre microcoulis aux propriétés proches. La figure 3 précédente montre la cartographie des défauts d injection de la 4ème poutre. Le tronçon de poutre analysé correspond à l extrémité droite. Elle montre l état désastreux des injections offrant un terrain propice à l installation de la corrosion. 2.4 Observations effectuées de 1994 à 2012 sur le comportement de la travée traitée La figure 9 montre, à titre d exemple, l obturation des fissures apparentes longeant la précontrainte par le microcoulis injecté depuis l intérieur des câbles. Cette obturation constituait un excellent témoin de fissuration en cas de reprise de la corrosion. Il n en a rien été car l état est resté immuable jusqu au moment de la démolition de l ouvrage. Figure 9 Obturation des fissures des talons 2.5 Choix et prise des éléments et échantillons à tester Le tablier du viaduc a été démoli pour être remplacé par un nouveau tablier début 2012. La première travée traitée en 1994 a bénéficié d une démolition douce illustrée sur les figures 10 et 11. Figure 10 Démolition par sciage Figure 11 Elément test Journées Câbles 2012 27-28 Novembre 2012, Nantes Page 7
Le choix du tronçon de poutre conservé pour analyse a été fait en fonction du souci de disposer d une longueur suffisante de câbles de précontrainte longitudinale traités ainsi que de câbles de précontrainte transversale non traités en 1994. Le choix s est ainsi porté sur le tronçon d extrémité de la poutre IV côté pile. Des carottes ont ensuite été prélevées sur l élément test en vue d analyses en laboratoire. (Figures 12 et 13) Figure 12 Prise d échantillons carottés de précontrainte longitudinale et transversale Figure 13 - Carottes 2.6 Programme d essais sur les échantillons prélevé Un programme d essais a été confié au Laboratoire des Matériaux de Construction de l Université de Liège [6]. Il comportait les investigations suivantes : 1. Description macroscopique 2. Détermination de la teneur en chlorures des coulis par titrage potentiométrique 3. Observations au microscope électronique de sections polies 4. Détermination semi quantitative de la teneur en nitrite par méthode colorimétrique avec bandelettes-test 5. Détermination de la teneur en ciment des coulis 6. Identification minéralogique par DRX 2.7 Observations effectuées in situ après démolition en 2012 L examen visuel des coupes sciées montre que la réinjection au microcoulis de ciment est excellente dans l ensemble (Figure 14). Le front de contact entre le coulis ancien (foncé) et le microcoulis de réinjection (blanc) est bien marqué. Journées Câbles 2012 27-28 Novembre 2012, Nantes Page 8
Figure 14 - Examen visuel des coupes La rentrée des fils qui a suivi la coupe est quasiment la même pour chaque câble. Cette constatation confirme l excellente qualité de la réinjection par le microcoulis. On aurait pu craindre que l action des nitrites puisse altérer l adhérence entre les aciers de précontrainte et les coulis anciens ou nouveaux. Il n en est rien et il n y a donc pas eu de modification de l état limite ultime (ELU). On peut donc conclure que le barrage d étanchéité entre les aciers de précontrainte et le milieu extérieur a été rétabli tout le long des câbles, écartant ainsi la venue de nouveaux agents corrosifs (eau, oxygène et chlorures). 2.8 Observations en laboratoire Les mesures de teneur en chlorures donnent environ 0.01 % de chlorures par rapport à la masse de coulis. Il n y a donc pas eu de pollution significative par les chlorures. Ces mesures sont cohérentes avec le fait que l ouvrage se trouve en zone protégée en principe sans salage en période hivernale. La détermination de la teneur en nitrite par la méthode colorimétrique avec bandelettes-test des câbles traités de la précontrainte longitudinale et des câbles non traités de la précontrainte transversale, démontre sans ambigüité l efficacité et la durabilité du procédé (Figure 15). L examen visuel montre, en effet, l absence de reprise de corrosion des câbles de précontrainte Journées Câbles 2012 27-28 Novembre 2012, Nantes Page 9
Précontrainte traitée Précontrainte non traitée Figure 15 Même si le test n est pas quantitatif, on constate qu après presque vingt ans, il reste une quantité importante de nitrites encore disponible en cas de venue accidentelle de nouveaux agents agressifs. La durabilité du traitement n est donc pratiquement pas limitée. Il faut aussi remarquer que la crainte que le nitrite de sodium utilisé induise une réaction du type alcali-granulat du béton environnant n était pas fondée même si certains indices ont laissé apparaître que ce béton était sensible à des phénomènes de déstructuration interne. 3 ACTION DU PROCEDE EN PRESENCE DE CHLORURES Les corrosions de câbles de précontrainte sont très souvent initiées par des pollutions avec chlorures. La présence de chlorures aggrave considérablement la vitesse des corrosions et la gravité des corrosions même si le ph environnant les câbles reste aux alentours de 11 à 12, valeurs qui sont en principe suffisantes pour inhiber les corrosions en l absence de chlorures. La particularité des nitrites est d avoir une action inhibitrice de corrosion particulièrement efficace en présence de chlorures, à conditions d être présents en quantité suffisante. Ce point Journées Câbles 2012 27-28 Novembre 2012, Nantes Page 10
important est satisfait par l application du procédé car il imprègne à saturation le milieu environnant les câbles de précontrainte. Pour rappel, l emploi des nitrites dans les bétons a été développé dans les années 1970 comme agents inhibiteurs en milieu marin. A titre d exemple, l application test en 2005 au viaduc d Huccorgne de l autoroute de Wallonie en Belgique sur des poutres VIPP particulièrement endommagées, est convaincante. En effet, après huit années, la surface réparée qui constitue un excellent témoin de fissuration, ne montre aucune fissuration signe d une reprise de corrosion (Figure 16). Des tests de contrôle intrusifs confiment cette observation. Viaduc de Huccorgne (Autoroute de Wallonie, Belgique) - (Type VIPP) Construction : Vers 1968 Pathologie : Corrosion et ruptures de fils et défauts graves d injection et fortes pollutions locales des câbles par chlorures Date de réparation : 2005 Travaux : traitement de deux poutres de 30m fortement altérées comportant 12 câbles composés de 12 fils de 8mm Avant Figure 16 Viaduc de Huccorgne Etat actuel Depuis lors, le Service Public de Wallonie (SPW) a fait traiter la corrosion des câbles de précontrainte de plusieurs ouvrages importants d autoroute avec cette méthodologie. 4 CONCLUSIONS L efficacité et la durabilité du procédé de stabilisation de la corrosion des câbles de précontrainte sont largement confirmées et on dispose d un recul de presque 20 années. Il s agit dès lors d un procédé fiable qui prend place auprès des autres procédés de haute technologie comme la protection cathodique de bétons armés et des autres procédés électrochimiques. Il importe de souligner qu il ne nécessite aucun entretien et qu en cas de nécessité, il peut être renouvelé ou complété. Ce procédé s inscrit donc dans le contexte du développement durable car il prolonge de manière importante la vie des ouvrages d art précontraints menacés par la corrosion. Il importe aussi de souligner que l application du procédé a peu d influence sur le trafic car il est mis en œuvre le plus souvent au départ de l intrados des ponts. Journées Câbles 2012 27-28 Novembre 2012, Nantes Page 11
5 REMERCIEMENTS Le développement de ce procédé n a pu se faire que grâce à l aide active des services des Ponts et Chaussées du Grand-duché de Luxembourg, du SPW Direction de l expertise des ouvrages (Wallonie), du Centre Scientifique de la Construction (CSTC) et du Laboratoire des Matériaux de Construction de l Université de Liège. Qu ils en soient remerciés. Merci également à la Région wallonne pour son aide à la recherche et à Monsieur B. Godart, IFSTTAR, pour sa confiance et ses encouragements. Les travaux concernant le viaduc de Lultzhausen ont été réalisés sous la maîtrise d œuvre de l Administration des Ponts et Chaussées pour le compte du Ministère du Développement Durable et des Infrastructures du Grand Duché de Luxembourg. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES [1] Centre Scientifique et Technique de la Construction (CSTC), Rapport DE 61079/bis avril 2001, rapport DE 61079/2 octobre 2002, rapport DE 61079/3 novembre 2006, rapport DE 61079 27-11- 2006. [2] Bulletin du Centre des Techniques d Ouvrages d Art, SETRA n 59, novembre 2008, pp.8-19 [3] Cailleux E., Pollet V., Dubois P-M., Michaux D, A new corrosion treatment for prestressed rebars: the direct injection of a corrosion inhibitor by an ultrasonic pump, Structural Fault and Repair, Edinburgh, 2008. [4] Dubois P-M., Michaux D., Procédé de stabilisation de la corrosion de câbles de précontrainte, Colloque Le Pont, Toulouse, 2005. [5] Gilles P., Dubois P-M., Michaux D., Problématique des chlorures dans la postcontrainte - Exemple de traitement de la corrosion par le procédé PMD-ATEAV au viaduc de Courrière (Belgique), Colloque Le Pont, Toulouse, 2008. [6] Laboratoire des Matériaux de Construction de l Université de Liège (ArGEnCo), Rapport GMC/12/027, 30 octobre 2012. Journées Câbles 2012 27-28 Novembre 2012, Nantes Page 12