Avant-propos Le béton des ouvrages en site maritime subit des agressions spécifiques qui entrainent des dégradations parfois sévères: - des altérations d'origine physico-chimiques sur les armatures (corrosion) ou le béton (essentiellement la pâte de ciment) - des altérations d'origine mécanique du béton (abrasion, chocs), - des sollicitations mécaniques des ouvrages en béton au delà de leurs états limites (de service, voire ultimes). Ce document fait une synthèse à destination des praticiens des connaissances sur les causes de ces altérations, leurs manifestations, les processus de leur développement et les techniques d'investigation disponibles pour les diagnostiquer et de la bibliographie francophone disponible pour approfondir. Il est finalisé et diffusé par le CETMEF (centre d'études techniques maritimes et fluviales) sur la base de rapports d'étude confiées au CETE de l'ouest. Le CETMEF remercie particulièrement l'équipe qui a réalisé cette étude, dont la rédaction de ce rapport est directement issue, et en particulier : B. Thauvin, M. Menguy, N. Rouxel (CETE Ouest LRPC de Saint-Brieuc) ; S. L'Hermite, J. Billon (CETE Ouest DIE/GOA à Nantes) ; S. Lefebvre, B. Bérenger (CETE Ouest LRPC d'angers). Véronique Bouteiller et Bruno Godart de l'ifsttar en tant que relecteurs CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-3
Sommaire 1. L'environnement maritime...5 1.1 L'agressivité physico-chimique de l'eau de mer...5 1.2 L'action mécanique de la mer...5 1.3 L'exploitation des infrastructures...6 2. Les principales manifestations des altérations du béton en site maritime...7 3. Les causes d'altération du béton en site maritime...13 3.1 La corrosion des armatures...13 3.1.1 Le processus...13 3.1.2 Détermination de l'avancement du phénomène de corrosion...15 3.1.3 Prédiction de la durée d'initiation de la corrosion des armatures...17 3.2 Les agressions chimiques sur le béton seul...18 3.3 Les sollicitations mécaniques...19 4. Annexes...21 4.1 Annexe 1 : Zones d'exposition du béton...22 4.2 Annexe 2 : Étapes du processus de corrosion des armatures...24 4.3 Annexe 3 : Processus de corrosion des armatures Sélection des techniques d'investigation26 4.4 Annexe 4 : Calcul de la durée de vie résiduelle d'un ouvrage en béton armé dont le béton d'enrobage contient des chlorures provenant de l'eau de mer...28 4.5 Annexe 5 : Techniques d'investigation...43 4.6 Annexe 6 : Évolution dans l'histoire des caractéristiques des bétons...63 5. Bibliographie...67 6. Index...69 4 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
1. L'environnement maritime Le milieu portuaire et plus généralement maritime est un milieu très fortement agressif pour les structures en béton, que ce soit pour des causes environnementales ou d'exploitation. 1.1 L'agressivité physico-chimique de l'eau de mer Le béton est tout d'abord très sensible à l'agressivité physico-chimique de l'eau de mer. Cette action physico-chimique est plus ou moins prononcée selon l'exposition de la structure à l'environnement marin. L'eau de mer contient une diversité importante d'ions et ceux-ci sont présents dans des proportions variables. A titre indicatif, le chlorure de sodium NaCl (le sel) représente 85 % (en masse) des ions. La salinité de l'océan Atlantique ou de la Manche varie entre 33,5 et 37,4 g/l et celle de la Méditerranée est comprise entre 38,4 et 41,2 g/l. L'agressivité de l'eau de mer est donc variable en fonction de la localisation géographique des ouvrages. La salinité de l'eau de mer augmente avec la température (meilleure dissolution). Les zones estuariennes peuvent présenter des concentrations en chlorure variables dans le temps et dans l'espace. Les espèces ioniques principales qui peuvent interagir avec le béton armé ou non armé sont les suivantes : les chlorures, les sulfates et dans une moindre mesure le magnésium. Soit elles altèrent le béton seul, soit elles provoquent la corrosion des armatures, ou les deux conjugués. D'une manière générale, pour caractériser la sensibilité du béton vis-à-vis de l'environnement marin, on définit quatre zones d'exposition principales (cf. annexe 1) : zone exposée aux embruns, zone exposée aux aspersions, zone de marnage, zone constamment immergée. Ces expositions sont partiellement reprises dans différents documents réglementaires et normatifs, notamment la norme NF EN 206-1 [5] et ses normes associées. L'apparition, l'étendue et l'intensité des processus physico-chimiques d'altération sont ainsi intimement liées aux conditions d'exposition du béton à l'eau de mer. 1.2 L'action mécanique de la mer Les infrastructures portuaires et maritimes subissent également les actions mécaniques de la mer, particulièrement pendant les périodes de tempête. Les ouvrages «extérieurs» sont plus exposés à la houle que les ouvrages «intérieurs». La houle génère des actions importantes sur les structures qu'il convient de prendre en compte dans le diagnostic et la réparation des ouvrages. Pour les ouvrages «intérieurs» comme «extérieurs», la houle peut par exemple provoquer l'endommagement de blocs préfabriqués en béton sur le talus d'une digue ou d'une berge par choc entre eux. Dans les zones géographiques au climat très froid, le gel de l'eau peut être à l'origine de désordres sur les structures. CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-5
La mer charrie dans ses mouvements du sable et peut générer des mouvements de galets ou d'enrochements, ce qui lui confère un caractère abrasif non négligeable. Selon sa nature, le béton armé ou non armé peut être plus ou moins sensible à ce type d'agression. 1.3 L'exploitation des infrastructures Pour la pérennité des structures en béton armé ou non armé, la nature de l'exploitation des infrastructures est également fondamentale : importance des sollicitations mécaniques (amarrage, accostage, engins de manutention, stockage, etc.), augmentation de ces sollicitations pendant la durée de vie de l'ouvrage du fait de l'évolution rapide des conditions d'exploitation (taille des navires, engins de manutention, etc.), agressivité chimique de produits stockés sur certains terminaux portuaires. 6 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
2. Les principales manifestations des altérations du béton en site maritime Efflorescences et stalactites Description Les efflorescences sont des dépôts irréguliers de teinte claire blanchâtre. Elles sont essentiellement constituées par des microcristaux de carbonate de calcium provenant de la dissolution des constituants du béton (ciment essentiellement). Elles apparaissent en général au niveau des fissures, des joints de construction et des reprises de bétonnage. Sur les parements verticaux elles se présentent sous forme de coulures. En sous-face de dalle, ces microcristaux de carbonate de calcium peuvent se rencontrer sous forme de stalactites. Figure 1 : Efflorescences Origines possibles : circulation d'eau à travers le béton, condensation. Causes possibles ou éléments déclencheurs : défaut d'étanchéité de la structure, défaut de ventilation et/ou d'aération, reprise de bétonnage. Facteurs aggravants : traces de rouille, caractère actif de l'efflorescence, localisation des efflorescences. CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-7
Faïençage et réseau de fissures Description Le faïençage est une fissuration du béton selon un maillage plus ou moins anarchique. La fissuration peut être fine (micro-fissuration) ou importante (jusqu'à plusieurs millimètres). Elle peut concerner des zones plus ou moins étendues de la structure. La maille peut aller de quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres selon l'origine, l'intensité et l'avancement de la pathologie. Lorsqu'elles atteignent quelques dizaines de centimètres, on parle de réseau de fissures. Figure 2 : Faïençage Origines possibles : réaction de gonflement interne (alcali-réaction [23] ou réaction sulfatique interne [3]), attaque sulfatique externe, retrait du béton au jeune âge, gel interne, dessiccation. Causes possibles ou éléments déclencheurs : formulation du béton (dosage et nature des constituants), conditions de mise en œuvre (cure insuffisante, bétonnage par temps chaud). Facteurs aggravants : efflorescences, traces de rouille, caractère évolutif du phénomène, déformations ou déplacements anormaux de la structure. 8 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
Fissuration selon le plan de ferraillage Description Fissuration du béton à tendance rectiligne s'organisant selon la maille du ferraillage. La fissuration peut être fine (micro-fissuration) ou importante (de l'ordre du millimètre). Elle peut concerner des zones plus ou moins étendues de la structure. Sur les poutres, elle se présente généralement verticalement sur les âmes et longitudinalement sur les talons de poutre. Figure 3 : Fissurations Origines possibles : foisonnement de l'acier dû à la corrosion des armatures, tassement du béton à la mise en œuvre dû au ressuage ou à un excès de vibrations. Causes possibles ou éléments déclencheurs : corrosion normale des armatures due à la pénétration des agents agressifs (chlorures et dioxyde de carbone), enrobage insuffisant dû à un mauvais positionnement de la cage d'armatures, défaut de compacité du béton (porosité, nid de cailloux), mauvaise formulation du béton (excès d'eau, ségrégation), vibration insuffisante du béton lors de sa mise en œuvre (défaut de serrage), vibration excessive du béton lors de sa mise en œuvre (retrait au droit des aciers). Facteurs aggravants : efflorescences, traces de rouille, désordres structurels (déformations anormales, fissures d'effort). CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-9
Éclats de béton Description Les éclats de béton sont des départs superficiels de béton d'enrobage découvrant les armatures. Les éclats se font le plus souvent sous forme de «loupes» et de «délaminations». Pour les structures telles que les poutres, les éclats peuvent intéresser tout leur talon. Figure 4 : Éclats de béton Origines possibles : foisonnement des armatures oxydées. Causes possibles ou éléments déclencheurs : corrosion normale des armatures due à la pénétration des agents agressifs (chlorures et dioxyde de carbone), enrobage insuffisant dû à un mauvais positionnement de la cage d'armatures, défaut de compacité du béton (porosité, nid de cailloux). Facteurs aggravants : désordres structurels (déformations anormales, fissures d'effort), étendue du phénomène, perte de section et d'adhérence des armatures. 10 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
Fissuration localisée transversale à mi-travée d'une poutre ou d'une dalle ou au droit de l'encastrement d'un poteau ou d'un pieu Description Les fissures peuvent être plus ou moins ouvertes et régulièrement réparties. Elles sont localisées dans les zones tendues de la structure (à mi-travée d'une poutre, au niveau de l'encastrement d'un poteau par exemple). Figure 5 : Fissurations Origines possibles : insuffisance de la résistance à la flexion. Causes possibles ou éléments déclencheurs : sous-dimensionnement des armatures passives de reprise des efforts de flexion (armatures longitudinales), perte de section et d'adhérence des armatures due à la corrosion, modification des conditions d'exploitation de la structure (sollicitations excessives). Facteurs aggravants : efflorescences, traces de rouille, ouverture des fissures et répartition, caractère évolutif du phénomène, déformations anormales de la structure (flèche à mi-travée d'une poutre, inclinaison d'un poteau par exemple). CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-11
Fissuration localisée inclinée à proximité des appuis d'une poutre ou d'une dalle Description Les fissures peuvent être plus ou moins ouvertes. Elles sont localisées au droit des zones d'appui de la structure et sont inclinées à 45. Figure 6 : Fissuration inclinée Origines possibles : insuffisance de la résistance aux efforts tranchants. Causes possibles ou éléments déclencheurs : sous-dimensionnement ou absence (pour les structures les plus anciennes) des armatures passives de reprise des efforts tranchants (armatures transversales), perte de section et d'adhérence des armatures due à la corrosion, modification des conditions d'exploitation de la structure (sollicitations excessives). Facteurs aggravants : efflorescences, traces de rouille, ouverture des fissures et répartition, caractère évolutif du phénomène, déformations anormales de la structure (rejet au niveau des lèvres des fissures par exemple). Déformations anormales Description Il peut s'agir de flèche sur les poutres et les dalles, d'inclinaison ou de déformation des pieux et des poteaux, de basculement ou de défaut d'alignement en plan des soutènements. Figure 19 : déformation Figure 7 : Déformation Origines possibles : insuffisance de la résistance à la traction des armatures en acier, instabilité globale (renversement, glissement, tassement, poinçonnement, etc.), modification des conditions d'exploitation de la structure (sollicitations excessives). Facteurs aggravants : caractère évolutif du phénomène, désordres structurels localisés (faïençage, fissures d'effort par exemple). 12 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
3. Les causes d'altération du béton en site maritime Les infrastructures portuaires et maritimes sont fortement sollicitées du fait d'une part de la nature de leur exploitation et d'autre part de la nature de l'environnement. Elles sont soumises à trois principaux processus de dégradation 1 du béton : la corrosion des armatures [11], les agressions chimiques sur le béton seul [6], les agressions mécaniques. Les agressions sur le béton se conjuguent souvent, ce qui a pour conséquence d'accélérer la dégradation du béton. 3.1 La corrosion des armatures 3.1.1 Le processus L'annexe 2 présente les différentes étapes du processus de corrosion et leurs manifestations. Le béton constitue une protection naturelle des armatures contre la corrosion. Cette action protectrice est liée à sa forte alcalinité (12<pH<13). Dans ces conditions de ph, l'armature est protégée de la corrosion par une fine pellicule d'oxyde : l'acier est passivé. Si les conditions de stabilité de cette couche protectrice sont modifiées, les armatures ne sont plus passivées et la corrosion peut s'initier. Les produits issus de la réaction de corrosion apparaissent à la surface de l'armature. Ces produits étant expansifs, ils provoquent une altération progressive du béton d'enrobage : fissuration dans un premier temps puis éclatement dans un second temps. A terme, la corrosion peut réduire la capacité portante de la structure : réduction de la section d'armature et perte d'adhérence. A ce stade, la sécurité des usagers peut aussi être menacée. Deux agents extérieurs sont à l'origine de la corrosion des armatures : le dioxyde de carbone présent dans l'atmosphère et dans une moindre mesure dans l'eau de mer et les ions chlorure présents dans l'eau de mer et les embruns. Le dioxyde de carbone qui pénètre dans le béton consomme de la portlandite pour donner du carbonate de calcium. Cette réaction, appelée carbonatation, entraîne une diminution du ph (d'un ph voisin de 13 pour un béton sain à un ph voisin de 9 pour un béton carbonaté). Lorsque le front de carbonatation atteint les armatures, elles peuvent se dépassiver. La vitesse de pénétration du dioxyde de carbone dans l'enrobage dépend entre autres de la compacité du béton et de l'humidité. L'expérience montre que la profondeur de carbonatation est souvent très faible sur les ouvrages en bord de mer (rarement supérieure à 1 cm du fait de l'humidité du béton). 1 Les réactions de gonflement interne (alcali-réaction, réaction sulfatique interne) sont des attaques internes au béton qui sont moins spécifiques à l'environnement maritime. Elles ne font donc pas partie des processus de dégradation présentés dans le document de même que les attaques physiques (gel et feu). CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-13
Les ions chlorure présents dans l'eau de mer et les embruns pénètrent dans le béton d'enrobage. Cette pénétration peut être plus ou moins rapide selon la compacité et l'environnement du béton. Il résulte de cette pénétration que la teneur en chlorures dans le béton a un certain «profil». Il s'agit d'une courbe représentant la concentration en chlorures en fonction de la profondeur qui est strictement décroissante si les cycles d'alternance d'humidification et de séchage sont négligeables. Dans le cas contraire, ce profil n'est décroissant qu'à partir d'une profondeur où le béton est saturé en eau de façon permanente. Si les ions chlorure atteignent les armatures en quantité suffisante, appelée «concentration critique d'initiation de la corrosion» (en rouge sur l'exemple de profil), les aciers sont dépassivés et la corrosion peut s'initier. La concentration critique en chlorures libres 2 dépend de facteurs tels que la teneur en oxygène au niveau des armatures et le ph du béton. Couramment cette concentration critique d'initiation de la corrosion est prise égale à 0,4 % en pourcentage de la masse de ciment (elle est par exemple d'environ 0,065 % en pourcentage de la masse de béton pour un dosage de 400 kg/m 3 ) 3. Le dosage des chlorures est réalisé à partir de prélèvement de poudre effectué sur l'ouvrage conformément aux modes opératoires AFPC-AFREM [15]. ATTENTION : l'unité dans laquelle est exprimée la concentration critique d'initiation de la corrosion doit être clairement indiquée. En milieu maritime, la corrosion des armatures a pour origine principale la pénétration des chlorures dans le béton d'enrobage. Le processus de carbonatation est quasiment inexistant. La corrosion commence après une certaine durée nécessaire à la pénétration des agents agressifs, jusqu'à ce que les produits à la surface des armatures ne soient plus protecteurs. C'est la phase d'incubation. Une fois que la corrosion a démarré (initiation), elle se traduit généralement par l'apparition de fissures (car les produits d'oxydation du fer ont un volume supérieur à celui du fer), puis d'éclatement de béton et parallèlement une diminution progressive de la section des armatures et de l'adhérence entre les armatures et le béton. C'est la phase de propagation. Un certain nombre de paramètres peuvent influencer le phénomène de corrosion : L'exposition du béton C'est dans la partie haute de la zone de marnage que le processus de corrosion est le plus intense (voir l'annexe 1). On pourra noter également que la corrosion est plus active lorsque la température augmente et que les vitesses de corrosion peuvent être plus importantes sur le littoral méditerranéen que sur le littoral atlantique. Enfin, l'initiation de la corrosion est plus rapide dans les eaux à forte salinité. Le froid (gel) accélère l'amorçage de la corrosion (la pénétration des chlorures est accélérée par la micro-fissuration due au gel/dégel). On notera également que le phénomène de gel/dégel favorise le processus de corrosion en initiant la fissuration et l'écaillage du béton d'enrobage. 2 Les chlorures existent dans le béton sous deux formes : - les ions qui sont dissous dans l'eau interstitielle (chlorures libres), - les ions liés chimiquement au ciment hydraté ou aux minéraux des granulats (chlorures liés). 3 Le seuil d initiation dépend aussi du ph au niveau de l armature : voir l'annexe 4 14 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
La qualité du béton Plus le béton est «compact» plus il est capable de s'opposer à la pénétration des chlorures (on parle plus précisément des propriétés de transfert du béton). Par opposition, dans les zones où le béton est plus «poreux», au niveau des nids de cailloux, des fissures ou des reprises de bétonnage par exemple, les capacités du béton à s'opposer à la pénétration des chlorures sont réduites. La corrosion se développe donc préférentiellement dans ces zones. La qualité du béton dépend notamment de la formulation de ce dernier. Le choix d'une formule de rapport eau sur ciment (E/C) faible et de granulométrie adaptée permet en général d'obtenir une compacité suffisante. La sélection des constituants est également primordiale : la nature du ciment est par exemple un paramètre fondamental vis-à-vis de l'agressivité physico-chimique du milieu marin (NF P 15-317). L'apport en chlorures de chaque constituant doit également être limité. La qualité du béton dépend également beaucoup de sa mise en œuvre. Une mauvaise mise en œuvre peut, à elle seule, compromettre la qualité du béton : cure insuffisante, serrage inadapté, décoffrage trop rapide par exemple. L'épaisseur d'enrobage L'enrobage constitue une barrière protectrice des armatures contre les agents agressifs. Si l'enrobage est réduit (abrasion, choc, défaut de conception, défaut d'exécution), l'initiation de la corrosion se fera plus rapidement. A l'inverse, un enrobage excessif peut être à l'origine de fissures (dues au retrait) favorisant la pénétration des chlorures et donc la corrosion. Les contraintes dans le béton Des études récentes ont montré que dans les zones de traction la corrosion était plus importante que dans les zones comprimées : micro-fissuration du béton dans les zones tendues favorisant la pénétration des agents agressifs, sensibilité à la corrosion des armatures passives en traction. La prise en compte de l'environnement dans la formulation du béton et les modalités de mise en œuvre du béton ont un impact significatif sur la bonne durabilité du béton armé. 3.1.2 Détermination de l'avancement du phénomène de corrosion Le premier objectif du diagnostic de corrosion d'une structure en béton armé est de connaître l'avancement du phénomène : «état des lieux». Autrement dit, «la structure est-elle en phase d'incubation ou en phase de propagation?». La connaissance de cet avancement est fondamentale puisqu'elle permet de sélectionner et de dimensionner la technique de réparation. Dans le cas où des symptômes de corrosion sont visibles (fissuration, traces de rouille, éclats de béton), la structure est clairement en phase de propagation (cas B de l'annexe 3). La corrosion des armatures est en cours. Des investigations permettent de quantifier ce niveau de corrosion : potentiels d'armature, vitesse de corrosion, ouverture de fenêtre. Afin de préparer et de dimensionner les réparations, les investigations (mesure d'enrobage, profils de pénétration des chlorures) doivent notamment permettre de déterminer la profondeur de béton pollué par les chlorures. CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-15
Lorsque le parement extérieur de la structure est sain, il est possible que le béton d'enrobage contienne néanmoins des chlorures (cas A de l'annexe 3). En environnement marin, l'objectif est de déterminer la position du front de pénétration des chlorures (profondeur à laquelle la concentration en chlorures est supérieure à la concentration critique d'initiation de la corrosion). Selon la position de ce front par rapport à la position des armatures, on pourra statuer sur l'avancement du phénomène de corrosion : le front de pénétration des chlorures a dépassé les armatures : la phase de propagation est engagée, des techniques curatives sont à envisager ; le front de pénétration des chlorures n'a pas dépassé les armatures : le phénomène est en phase d'incubation, des techniques préventives sont envisageables pour prolonger la pérennité de la structure. On constate que la connaissance de l'enrobage est indispensable à un diagnostic. Sa mesure doit systématiquement être intégrée dans un programme d'investigations. Il est recommandé de réaliser un nombre suffisant de mesures afin d'obtenir une distribution statistique représentative de l'enrobage et ce dans différentes parties de l'ouvrage. 120% 250 100% 200 Pourcentage cumulé 80% 60% 40% 150 100 20% 50 0% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Classes d'enrobage en cm Distribution aciers verticaux Enrobage des aciers verticaux Enrobage Mini des aciers verticaux Enrobage Mini des Aciers Horizontaux Distribution aciers horizontaux Enrobage des aciers horizontaux Enrobage Moyen des aciers verticaux Enrobage Moyen des aciers horizontaux Figure 8 : Exemple de distribution statistique des enrobages des armatures 0 16 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
3.1.3 Prédiction de la durée d'initiation de la corrosion des armatures Pendant la phase d'incubation, les ions chlorures pénètrent progressivement dans l'enrobage des armatures. Pendant cette période, la concentration au droit de ces dernières reste inférieure au seuil d'initiation de la corrosion. Le principe de la prédiction repose sur l'évaluation de la durée de la phase d'incubation. La «vitesse» de pénétration des chlorures dépend de nombreux paramètres extérieurs (tels que la zone d'exposition et la température) et de propriétés intrinsèques au béton (compacité et épaisseur de l'enrobage). Le temps nécessaire à l'initiation de la corrosion dépend également de la teneur en chlorures au niveau de la surface du béton et donc de la salinité de l'eau de mer. La connaissance des propriétés du béton d'enrobage, que l'on appelle «propriétés de transfert», permet d'estimer la durée d'initiation de la corrosion : on parle alors de «prédiction de durée de vie vis-à-vis de la corrosion des armatures». Connaissant cette durée de vie résiduelle, le gestionnaire peut anticiper l'apparition des premières dégradations en programmant les actions préventives appropriées. Figure 9 : Progression théorique du front critique de chlorures dans différentes zones d'un ouvrage de 50 ans Les propriétés de transfert du béton d'enrobage sont évaluées par la mesure d'indicateurs dits «indicateurs de durabilité». Il en existe plusieurs. Vis-à-vis de la problématique de la corrosion des armatures en milieu maritime, on peut citer les indicateurs de durabilité principaux : la porosité accessible à l'eau, le coefficient de diffusion apparent des chlorures, la perméabilité à l'eau liquide, CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-17
la perméabilité au gaz. La connaissance de ces indicateurs permet d'évaluer la classe de durabilité potentielle du béton considéré. La connaissance du coefficient de diffusion apparent des chlorures permet en outre d'estimer la durée nécessaire à l'initiation de la corrosion. 3.2 Les agressions chimiques sur le béton seul Selon la nature du sol et/ou la nature des produits stockés, les eaux qui ruissellent ou qui stagnent sur les structures peuvent être chargées de sels minéraux plus ou moins agressifs pour le béton. Les milieux les plus agressifs pour le béton sont soit salins (chlorures, nitrates et surtout sulfates de sodium, de calcium et de magnésium), soit acides. Le fascicule de documentation FD P18-011 [6] et ses normes associées définissent les différents environnements agressifs et leurs modes d'action sur le béton. Pour les bétons en environnement marin, on peut retenir les éléments agressifs ci-dessous. L'action du dioxyde de carbone Le dioxyde de carbone soluble dans l'eau de mer est présent sous la forme d'un acide amphotère d'hydrogénocarbonate. Par réaction avec la portlandite, il se forme de la calcite insoluble ayant une fonction satisfaisante vis-à-vis de la durabilité puisque la formation de ce produit non expansif diminue la porosité accessible à l'eau. Le phénomène de carbonatation accroît donc la durabilité du béton vis-à-vis des agressions chimiques (sur le béton seul) d'origine externe. L'action des chlorures, des sulfates et du magnésium contenus dans l'eau de mer Dans l'eau de mer, les sels les plus néfastes sont les chlorures de magnésium et les sulfates de magnésium. L'ion chlorure, du fait de sa concentration élevée (ion majoritaire dans l'eau de mer) et de sa diffusion facilitée par une faible charge et un encombrement limité, peut réagir avec le matériau en profondeur. Les sels de chlorure présents naturellement dans l'eau de mer, notamment les chlorures de magnésium MgCl 2 et les chlorures de calcium CaCl 2 sont agressifs vis-à-vis du béton. Le chlorure de magnésium MgCl 2 réagit avec la portlandite Ca(OH) 2 et provoque la dissolution (ou lixiviation) du liant. Le chlorure de calcium CaCl 2 réagit avec l aluminate tricalcique C 3 A (provenant du clinker) et conduit à la formation d un chloro-aluminate de chaux puis d ettringite, voire même de thaumasite (en présence de silice dissoute et de carbonates), qui sont des gels expansifs pouvant générer des gonflements, des fissurations et des éclatements du béton. Les sulfates 4 forment des produits insolubles en présence d'aluminate et de chaux. Leur agressivité résulte essentiellement des contraintes de traction importantes développées par la formation d'ettringite (ou sel de Candlot). Ces sels à caractère expansif conduisent à un gonflement du béton et à sa fissuration. Les fissures produites sont généralement assez fines et surtout organisées sous forme de faïençage. L'intensité de l'attaque dépend de la concentration en sulfates en contact avec le béton (dans l'eau de mer cette concentration est modérée, voire élevée, de l'ordre de celle qui s'est révélée nuisible au béton dans les eaux 4 Ce processus de dégradation est à distinguer de la réaction sulfatique interne pour laquelle les sulfates sont d'origine interne. 18 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
souterraines) et du ciment (nature du ciment et rapport E/C). Dans les climats froids, l'agressivité des sulfates est accrue. Elle diminue légèrement dans les climats chaud, alors que l'intensité des autres attaques augmente. Au total, l'intensité de l'attaque par l'eau de mer des bétons est plus sévère dans les climats chauds. Dès les années 50, les premières réglementations en matière de protection des ouvrages contre l'attaque sulfatique recommandaient l'utilisation de béton à faible E/C, à taux de C 3 A limité, etc. L'objectif de ces recommandations était de limiter la quantité d'aluminates réactives et de ralentir la diffusion des sulfates depuis le milieu externe. A noter que les sulfates peuvent également provenir des sols en contact avec le béton (cas des fondations et des soutènements). Enfin, le magnésium réagit chimiquement avec les produits à base de calcium et se substitue à celui-ci, ce qui conduit à la formation de produit (brucite et M-S-H) n'ayant plus de propriétés liantes. Cette réaction chimique est lente mais peut aboutir à la perte de cohésion du liant et par conséquent à une diminution des propriétés mécaniques du béton (limitée à quelques centimètres de profondeur). Les autres attaques Les principaux agents agressifs sont les gaz d'origine industrielle (soufre, azote, vapeur de chlore, etc.), les liquides qui peuvent contenir des ions agressifs (chlorures, sulfates) et avoir un ph relativement faible (acide) et les solides (sols, résidus industriels). Dissolution, lessivage, lixiviation sont autant de mécanismes provoqués par ces produits. Ils se traduisent par une perte de cohésion du liant et par conséquent une diminution des propriétés mécaniques du béton et une altération des propriétés protectrices du béton d'enrobage des armatures. De par sa composition, le béton peut ainsi présenter une sensibilité vis-à-vis des solutions acides telles que notamment les eaux industrielles contenant des acides organiques. La probabilité d'occurrence de ce phénomène est directement liée à la nature de l'exploitation de l'infrastructure portuaire. Les risques sont ainsi plus élevés sur les ouvrages de chargement et de déchargement, de stockage de produits en vrac mais aussi sur les ouvrages en contact avec une eau polluée. Remarque : Le développement des algues et mollusques marins à la surface du béton est généralement considéré comme bénéfique. En effet il maintient une humidité qui s oppose à la pénétration des gaz et de l oxygène en particulier. Exceptionnellement, certains mollusques ayant une affinité particulière pour les marnes peuvent détruire les granulats qui en sont constitués (phénomène déjà rencontré dans la zone du golfe persique). 3.3 Les sollicitations mécaniques Les charges d'exploitation sur un quai sont souvent «agressives» mécaniquement et difficilement maîtrisées : grues sur rail, sur patins, sur pneus, stockage en vrac, stockage de conteneurs, amarrage, accostage de navires, chocs, etc. Les structures en béton armé sont dimensionnées de telle sorte que la fissuration du béton soit maîtrisée en limitant les contraintes de traction dans les armatures en acier. L'acier travaille donc en CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-19
dessous de sa limite élastique pour diminuer l'ouverture des fissures. La surexploitation des ouvrages peut donc ne pas se manifester par des désordres importants (déplacements, fracturation) mais accentuer la fissuration (nombre et ouverture des fissures) qui accélère la pénétration des agents agressifs (les chlorures par exemple) et diminue par conséquent la durée de vie de l'ouvrage. Le phénomène d'abrasion peut dans certains cas réduire significativement l'enrobage des armatures et donc favoriser le processus de corrosion des armatures. Les ouvrages extérieurs tels que les ouvrages de protection contre la mer (digues, brise-lames, etc.) sont exposés aux actions mécaniques de la mer : houles, abrasion. Remarque : l'évolution économique des ports peut entraîner une redistribution des contraintes de service (augmentation du trafic, augmentation des outillages) ainsi que des changements de type d'usage radical. Cette évolution de l'usage des structures peut être à l'origine d'apparition de dégradations affectant les matériaux et de désordres affectant les structures. 20 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
4. Annexes CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-21
4.1 Annexe 1 : Zones d'exposition du béton 22 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
4.2 Annexe 2 : Étapes du processus de corrosion des armatures
4.3 Annexe 3 : Processus de corrosion des armatures Sélection des techniques d'investigation
4.4 Annexe 4 : Calcul de la durée de vie résiduelle d'un ouvrage en béton armé dont le béton d'enrobage contient des chlorures provenant de l'eau de mer
L'initiation de la corrosion La concentration critique d initiation de la corrosion L'initiation de la corrosion a lieu lorsque la teneur en ions chlorure au droit des armatures atteint une valeur critique. Cette valeur est fonction du rapport entre la concentration en chlorures [Cl - ] et la concentration en hydroxydes [OH - ]. Dans un béton non carbonaté, le rapport [Cl - ]/[OH - ]=0,6 correspond à une teneur en chlorures de 0,4 % (en pourcentage de la masse de ciment). Cette teneur en chlorures est appelée «concentration critique d initiation de la corrosion». Elle est noté [Cl - ] cr. Dans la pratique, les ions chlorure sont dosés à partir de poudre de béton prélevée sur ouvrage par tranche. Le dosage de la teneur en chlorures des différentes tranches permet alors de tracer un profil de pénétration des chlorures. La concentration en chlorures est alors exprimée en pourcentage de la masse de béton. 0,300 Pro fil d e p énét rat io n des chlo rures Concentration en chlorures (% masse de béton) 0,250 0,200 0,150 0,100 0,050 0,000 Co ncent rat io n critiq ue d 'init iat io n d e la co rro sio n [C l-] cr 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 Profondeur dans l'enrobage (m ) Sur le graphique ci-dessus, on constate que la concentration critique d initiation de la corrosion est atteinte à 3,5 cm de profondeur («front critique des chlorures»). Si les armatures sont positionnées au-delà de cette profondeur, la corrosion n est pas initiée. A l inverse, si l enrobage des armatures est inférieur à 3,5 cm, on peut conclure que la corrosion est initiée. CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-29
Il est recommandé de réaliser un minimum de deux profils de pénétration des chlorures par zone d investigation. Les zones d investigation doivent être représentatives de la structure et de son exposition. Il est recommandé d effectuer les prélèvements de poudre par tranche au minimum jusqu aux armatures, l idéal étant de prolonger le prélèvement légèrement au delà de ces dernières (1 ou 2 cm). L épaisseur des tranches peut être variable, elle est à adapter en fonction de l épaisseur d enrobage. L interprétation du profil de pénétration des chlorures nécessite d exprimer [Cl - ] cr en pourcentage de la masse de béton. Pour un béton dosé à 400 kg/m 3, le seuil de 0,4 % (par rapport à la masse de ciment) correspond à un seuil de 0,064 % (par rapport à la masse de béton) : [Cl - ] cr (% masse béton) = x [Cl - ] cr (% masse ciment) [C] : dosage en ciment en kg/m 3 ρ béton : masse volumique du béton en kg/m 3 Dans le cadre d un diagnostic, une étude approfondie pourra donc nécessiter la réalisation d essais sur carotte pour déterminer la masse volumique du béton et sa teneur en ciment. L imprécision sur l unité des concentrations en chlorures est souvent source de confusion à l origine d erreurs d interprétation. Les chlorures libres et les chlorures liés Le seuil de 0,4 % (par rapport à la masse de ciment) est une concentration en chlorures libres. Les chlorures libres sont les chlorures provenant de l eau de mer qui pénètrent dans l enrobage des armatures par les interstices du matériau (porosité, micro-fissuration et fissuration) pour finalement atteindre les armatures. A l opposé, les chlorures liés sont les chlorures initialement contenus dans le béton. Ils ont pour origine les chlorures contenus dans les différents constituants du béton : granulats, sable, ciment, eau, adjuvants. Ces chlorures n interviennent pas dans le mécanisme d initiation de la corrosion car ils sont liés à la matrice cimentaire. La distinction entre les chlorures libres et les chlorures liés est fondamentale puisqu elle peut être source de confusion à l origine d erreurs d interprétation. Les dosages de chlorure pratiqués sur les prélèvements de poudre doivent permettre de doser les chlorures libres seulement. Le diagnostic L interprétation des profils de pénétration des chlorures consiste à analyser la concentration en chlorures au droit des armatures. Elle ne peut donc se faire sans avoir déterminé au préalable l enrobage des armatures. Le diagnostic doit donc comprendre un relevé des enrobages des armatures. Ce relevé est effectué dans les zones préalablement identifiées et sur une surface suffisamment grande pour obtenir une 30 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
distribution statistique représentative. On distinguera bien évidemment les armatures verticales des armatures horizontales (enrobage nominaux différents). 70 100,00% 60 80,00% Effectifs 50 40 30 20 10 D ist rib ut io n enro b ag e d es aciers vert icaux D ist rib ut io n enro b ag e d es aciers ho rizo ntaux Effectics cumulés verticaux Effectifs cumulés ho rizontaux 60,00% 40,00% 20,00% 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Enrobage des aciers (cm) Le graphique précédent montre l intérêt du relevé des enrobages des aciers verticaux et longitudinaux. Dans l exemple, on observe ainsi une différence d environ 1,5 cm.,00% L analyse croisée, par zone, des profils de pénétration des chlorures et de la distribution des enrobages permet de conclure sur le pourcentage d armatures pour lesquelles la corrosion est initiée. CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-31
Dans l exemple précédent (voir profil de pénétration des chlorures), la concentration critique d initiation de la corrosion est atteinte à 3,5 cm de profondeur. Le graphique précédent montre alors que la corrosion est initiée pour 5 % des aciers horizontaux et pour 55 % des aciers verticaux. 32 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
La pénétration des chlorures dans l enrobage La pénétration progressive des chlorures dans l enrobage des armatures est un processus physique relativement complexe qui dépend notamment de l exposition du béton (agressivité du milieu) et des propriétés intrinsèques du béton (propriétés de transfert). En zone constamment immergée La concentration en chlorures extérieure au béton est constante et le béton est constamment saturé. La pénétration des chlorures est assimilée à un phénomène de diffusion régi par la seconde loi de Fick : (1) C : concentration en chlorures dans le béton, dépendante de la profondeur x et du temps t D : coefficient de diffusion apparent des chlorures en mètre carré par seconde (m²/s) La solution de cette équation est de la forme suivante : C(x,t) = Co + (Cs Co).erfc( ) (2) Co: concentration initiale en chlorures dans le béton en pourcentage (%) Cs : concentration en chlorures à la surface du béton en pourcentage (%) t : temps en secondes (s) x : profondeur dans le béton en mètre (m) erfc : fonction mathématique Classiquement, on fait l hypothèse que «D» est indépendant du temps. Le béton ne contenant pas de chlorures initialement, on fait l hypothèse que Co est nulle. Enfin, en supposant la concentration en chlorures de l eau de mer constante, on fait l hypothèse que Cs est constante. Moyennant ces hypothèses, la solution de l équation devient : C(x,t) = Cs erfc( ) (3) CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-33
En zone de marnage, d éclaboussures et d embruns Le processus de pénétration des chlorures est plus complexe notamment parce que l apport en ions chlorures extérieurs est variable dans le temps et que le béton subit en surface un cycle plus ou moins intense d humidification et de séchage. Le béton en surface n est donc pas constamment saturé. Les chlorures pénètrent alors par convection et non plus uniquement par diffusion. Au delà d une certaine profondeur, le processus de pénétration par diffusion redevient prépondérant. La concentration en chlorures dans le béton est alors de la forme suivante : C(x,t) = 2. W.[ - 2.t.X².erfc(X)] (4) X = W: paramètre décrivant l exposition du béton quantité d ions chlorures accumulée en surface par unité de temps 34 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
L expression (4) est très difficile à utiliser notamment à cause du paramétrage de «W». Dans la pratique, la connaissance de l allure théorique de la concentration en chlorures dans la zone de convection n est pas fondamentale vis-à-vis de la problématique de corrosion des armatures puisque cette zone n est présente que sur le premier ou deuxième centimètre. De plus, il existe des modèles simplifiés qui modélisent uniquement l allure de la concentration en chlorures dans la zone de diffusion. On pourra par exemple utiliser le modèle suivant : C(x,t) = C(Δx, t).[1 erfc( )] (5) Δx : profondeur de la zone de convection en mètre (m) C(Δx, t) : concentration en chlorures à la profondeur Δx en pourcentage (%) CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-35
Sur le graphique ci-dessus, la zone de convection est présente sur les deux premiers centimètres de profondeur. On constate que le modèle théorique (4) se superpose bien avec le profil réel dans la zone de convection alors qu il s en éloigne très nettement dans la zone de diffusion. Le modèle théorique simplifié (5) se superpose plus ou moins bien avec le profil réel dans la zone de diffusion. Détermination du coefficient de diffusion des chlorures Le processus de pénétration des chlorures dans le béton est régi par le coefficient de diffusion apparent des chlorures «D» (seconde loi de Fick). Le coefficient de diffusion apparent des chlorures est un des indicateurs de durabilité du béton vis-à-vis de la corrosion des armatures. A l échelle macroscopique, le coefficient de diffusion est fonction de la porosité et peut être influencé par la fissuration. En conditions saturées, quand la concentration en ions chlorures est plus élevée à l extérieur que dans le béton, le gradient de concentration induit une pénétration des ions dans le matériau. Les ions chlorures transitent alors dans la phase interstitielle du béton par diffusion. Le coefficient de diffusion apparent des chlorures ne doit pas être confondu avec le coefficient de diffusion effectif des chlorures. Ce dernier régit une diffusion selon la première loi de Fick. Le coefficient de diffusion apparent des chlorures est déterminé à partir d un essai réalisé sur une carotte prélevée sur l ouvrage. Il existe différents modes opératoires d essai. On retiendra celui-ci : «Détermination du coefficient de diffusion des chlorures dans les bétons durcis en régime non stationnaire à partir d un essai de migration sous champ électrique externe». 36 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
L essai consiste à placer un échantillon cylindrique de béton au centre d une cellule constituée de deux compartiments : un compartiment aval exempt de chlorure et un compartiment amont I V Cathode Anode Chlorures Echantillon contenant une solution de chlorures de sodium. A l extrémité de chaque compartiment se trouve une électrode reliée à un générateur de tension. Une différence de potentiel est appliquée entre ces électrodes de sorte que les ions chlorures migrent en direction du compartiment aval. Au bout d une durée spécifique, l essai est arrêté et la profondeur de pénétration des chlorures est mesurée. Le coefficient de diffusion apparent des chlorures est une propriété intrinsèque du béton. Il est donc indépendant de l exposition du béton. Pour une structure constituée de plusieurs bétons, il est impératif de déterminer un coefficient de diffusion apparent des chlorures pour chaque béton. De la même façon, pour une structure présentant des zones de béton de qualités différentes (défaut d exécution par exemple), il est recommandé de déterminer un coefficient de diffusion par zone. Pour un béton donné, il est recommandé, pour des questions de représentativité, de déterminer le coefficient de diffusion sur deux ou trois échantillons distincts. Les échantillons de béton soumis à l essai doivent être exempts de chlorure. On évitera donc des échantillons issues du béton d enrobage, ce dernier pouvant être pollué par les chlorures. CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-37
La durée de vie résiduelle Dans le cas où la corrosion n est pas initiée, l objectif du diagnostic est d estimer le temps au bout duquel la corrosion risque de s initier. On parle de durée de vie résiduelle. Dégradations Incubation Initiation t d : durée de vie t r : durée de vie résiduelle Propagation 0 t o Temps t r t d L estimation de cette durée de vie résiduelle nécessite au préalable de : disposer de profils de pénétration des chlorures ; connaître le coefficient de diffusion apparent des chlorures du béton ; sélectionner un modèle théorique de pénétration des chlorures en fonction de l exposition du béton (immergé, marnage, embruns) ; connaître l épaisseur d enrobage des armatures. La suite de la démarche présentée ci-après s inscrit dans le cas d un béton constamment immergé. En zone immergée, le modèle retenu est le suivant : C(x,t) = Cs. erfc( ) (1) 38 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
«Cs» (concentration en chlorures à la surface du béton) est déterminé à partir des profils de pénétration des chlorures réalisés sur l ouvrage. «D» (coefficient de diffusion apparent des chlorures) est déterminée sur la base d un essai réalisé sur des carottes prélevées sur l ouvrage. A partir de cette formule et si l on connaît le profil réel de pénétration des chlorures à l instant t o, on est alors capable de prédire l allure du profil à to + n. années. Le front critique de chlorures La profondeur à laquelle la concentration en chlorures est égale à la concentration critique d initiation de la corrosion ([Cl - ] cr = C cr ) est appelée position du front critique de chlorures et est notée X cr. On a donc : C(Xcr, t) = [Cl - ] cr = C cr (2) Les expressions (1) et (2) permettent d obtenir l expression de la position du front critique de chlorures en fonction du temps : X cr (t) = 2. (3) CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-39
Le graphique ci-dessus présente l avancée progressive théorique du front critique de chlorures dans l enrobage des armatures. En l occurrence, il s agit d un béton de très mauvaise qualité puisque le front critique de corrosion atteint les armatures au bout de 8 ans! Le graphique ci-dessus représente la prédiction de l avancée du front critique de chlorures pour différentes zones d un ouvrage. Le diagnostic a été effectué alors que l ouvrage avait 50 ans. On constate que dans certaines zones (2.1 2.2 2.3 3.1), le front critique n atteindra pas les armatures même au bout de 160 ans. En revanche, on constate que dans d autres zones (6.1 6.2 1.3 4.1 4.2), le front critique a déjà dépassé les armatures horizontales et verticales : la corrosion est initiée, elle est en phase de propagation. 40 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
La durée de vie résiduelle L objectif du diagnostic est de déterminer le temps au bout duquel le front critique de chlorures aura atteint les armatures. Soit «e» la position des armatures (autrement dit : «e» est l enrobage), la durée de vie «t d» satisfait alors l expression : X cr (t d ) = e C est à dire : t d = (4) Pour un ouvrage existant ayant un age «to», la durée de vie résiduelle «t r» est donc : C est à dire : tr = t d to t r = - to (5) t r = [ - 1].to (6) A l occasion d un diagnostic, il est recommandé de réaliser des relevés d enrobage permettant d obtenir une distribution statistiquement représentative de ce paramètre. Si c est le cas, on est alors en mesure d obtenir une distribution statistique des durées de vie résiduelle par zone d investigation. Le graphique ci-dessus présente la distribution des durées de vie résiduelles du béton armé d une CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-41
zone d ouvrage pour laquelle la position du front critique de chlorures est de 3,5 cm. On constate que statistiquement il est peu probable que la corrosion s initie avant 25 ans. Il est alors possible, à titre indicatif, de calculer une durée de vie résiduelle moyenne pondérée par zone d investigation. 42 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
4.5 Annexe 5 : Techniques d'investigation CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-43
FICHE DE MÉTHODE D'INVESTIGATION : Détection et localisation des armatures 1- Principe de la méthode C est une technique d investigation, non destructive, qui permet, grâce à un appareil portatif léger de type électromagnétique basse fréquence ou haute fréquence, de localiser des armatures dans le béton. Le principe de la mesure repose sur la variation d'un champ électromagnétique émis en présence d'éléments métalliques. Cette variation est fonction de l épaisseur du béton et du diamètre des barres. Cette technique est utilisable tant pour les parties aériennes qu'immergées (fonction des fournisseurs de matériel). 2- Domaine d'application Pour la plupart des appareils basse fréquence, la profondeur d investigation est limitée à 100 mm environ, ce qui est suffisant pour atteindre la première nappe d armatures passives. Pour des profondeurs supérieures, on doit avoir recours à la technique de détection haute fréquence (radar). 44 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
Applications possibles de la technique : vérifier que l enrobage des armatures correspond à l enrobage recommandé en fonction de l exposition et de la durée d utilisation de l ouvrage, déterminer la distribution des enrobages nécessaire à l'estimation de la durée de vie résiduelle du béton armé vis-à-vis de la corrosion des armatures, avoir des éléments sur les armatures (diamètre, nombre, positionnement), à défaut de plans de ferraillage présents dans le dossier d ouvrage, localiser des armatures préalablement à d autres investigations : carottages, perçages, réalisation de fenêtres, mesures de corrosion, etc Remarque : il est recommandé de valider les diamètres et enrobages par la réalisation d'un sondage destructif. 3- Mode opératoire et recommandations La méthode consiste à passer un appareil de type électromagnétique sur la surface de la pièce en béton armé à contrôler. Positionnement et nombre de mesures : Il est recommandé de détecter puis de tracer les aciers dans les deux directions perpendiculairement en indiquant à la craie la position de l axe des armatures. A partir de ce tracé des aciers, on établit le maillage des points de mesure, plus ou moins fin suivant la précision recherchée mais il est souhaitable, si l'on cherche à connaître l enrobage, d avoir un maillage de l ordre de 20 cm. Effectivement, lors du coulage d une partie d ouvrage, il est possible que les cages d armatures bougent. L enrobage peut donc être variable sur une même partie d ouvrage. On reporte sur un plan le tracé des aciers de la zone auscultée et le maillage des points de mesure. Pour certains appareils disposant d un enregistrement de données et d un logiciel de traitement pour PC, il est nécessaire d utiliser une trame quadrillée. Pour certains types de matériel, qui nécessitent de connaître le diamètre des barres, et si on n est pas certain de la valeur à prendre en compte, il y a lieu de la vérifier par sondage, en effectuant un carottage pour mesurer l épaisseur de l enrobage réelle. Attention : Des sources extérieures productrices de champs magnétiques (téléphone portable, poste VHF, etc.) ou des parties métalliques noyées dans le béton peuvent venir perturber les mesures. Les zones de recouvrement des barres et d intersection avec des armatures transversales peuvent également fausser la mesure. CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-45
4- Résultats attendus Précisions attendues : 5 mm sur la localisation des barres, 2 mm sur la mesure de l enrobage, 5 mm sur la mesure de diamètre (ou deux gammes près). D après l ensemble des mesures ponctuelles réalisées on établit deux populations d enrobage : l une sur les armatures horizontales, l autre sur les armatures verticales. Chaque population est caractérisée par sa distribution que l on considère comme normale (moyenne et écart- type). On examine avec attention les valeurs qui sont inférieures à l enrobage nécessaire et on les rapproche des autres investigations réalisées (profondeur de carbonatation, profil de pénétration des chlorures) pour formuler les conclusions. Exemple de distribution des enrobages Rendement Le rendement dépend du matériel utilisé. L'utilisation de matériel équipé de système d'acquisition augmente considérablement le rendement : Implantation et reconnaissance du plan de ferraillage: 2 m²/h Mesure d'enrobage: 10 ml/min Pour les matériels à lecture directe sans système d'acquisition, les rendements peuvent être divisés par 2. 46 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
5- Documents de référence Rapport de recherche n 2.43.04.6, 7, 8 du réseau des Laboratoires des Ponts et Chaussées «Métrologie sans contact appliquée aux ouvrages d art» Guide AFGC CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-47
FICHE DE MÉTHODE D'INVESTIGATION : Détection et localisation des hétérogénéités 1- Principes des méthodes Ce sont des techniques d investigation, non destructives, qui permettent, grâce à des appareils légers portatifs, de détecter et localiser des hétérogénéités incluses dans le béton et de déterminer pour les méthodes radar et impact écho la géométrie des structures (épaisseurs). - Méthode radar : Le principe de la mesure repose sur l'émission d'impulsions électromagnétiques de fréquences appropriées et sur l'enregistrement d'un ensemble de réflexions qui se réfléchissent partiellement sur des hétérogénéités. - Méthode ultrasonor, essai de surface et essai en transparence: Le principe de la mesure repose sur l'émission d'une onde mécanique qui se propage à la surface du béton (essai de surface) ou au travers de la structure à ausculter (essai en transparence) et sur une analyse dans le domaine temporel de la vitesse de propagation et de l'amplitude de l'onde mécanique. Les ondes subissent des modifications de vitesse et d'amplitude selon la nature ou l'état du matériau. - Méthode tomographique : Le principe de la mesure repose sur l'émission d'une onde mécanique qui se propage dans le béton suivant des rais sismiques et sur une analyse dans le domaine temporel de la vitesse de propagation de l'ensemble des rais réceptionnées par plusieurs capteurs. - Méthode impact écho : Le principe de la mesure repose sur l'émission d'une onde de choc mécanique qui se propage dans le 48 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
matériau et sur l'analyse dans le domaine fréquentiel de la propagation du front d'onde qui se réfléchit partiellement sur des hétérogénéités. - Méthodes semi-destructives : Les méthodes semi-destructives sont des méthodes qui impliquent de réaliser soit des prélèvements (carottages) permettant de croiser les résultats obtenus soit d'effectuer des percements ou des entailles afin de réaliser l'essai. Ces méthodes sont utilisées en surface ou sur le premier centimètre du parement, elles permettent de caractériser la résistance du béton. Scléromètre : mesure du rebond d'un marteau en acier sur une tige de percussion, bien que cet essai n'entraîne pas la détérioration du béton de la zone contrôlée, cette méthode est considérée comme semi-destructive puisqu'elle implique le prélèvement de carottes pour réaliser des essais de compression afin de caler les résultats obtenus. Le pull-off : traction directe d'un disque de métal collé à la surface du béton. La méthode de pénétration : mesure de la pénétration d'un projectile propulsé à l'aide d'un pistolet. La méthode de libération de contrainte : mesure des contraintes localement libérée suite à la réalisation d'une entaille. Il est à noter que les points 2, 3 et 4 de cette fiche ne s'appliquent pas aux méthodes semi-destructives. 2- Domaines d'application Ces méthodes de détection et de localisation ne permettent pas de statuer sur la nature de l'hétérogénéité, elles sont une aide à la détection et à la localisation de zones ou d'objets pouvant présenter des caractéristiques mécaniques ou physiques différentes du reste de la structure. De plus ces quatre méthodes non destructives sont complémentaires et sont configurables en fonction de la problématique, elles doivent donc être utilisées suivant des objectifs précis. Les méthodes radar et impact écho autorisent des profondeurs d'investigation importantes pouvant répondre à des problématiques de recherche de la géométrie d'une structure (dans l'axe perpendiculaire de la zone expertisée). La méthode ultrasonor (ondes de surface) est limitée à des profondeurs d'investigations centimétriques (inférieures à la première nappe d'armature), elle permet de zoner des bétons de caractéristiques mécaniques et physiques différentes. CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-49
Applications possibles des techniques : Problèmatiques (détection et localisation) Méthodes Radar Ultrasonor Tomographie Impact écho Bétons de qualités différentes Détection de défaut de surface Détection d'objet ** Délaminage Géométrie Humidité Profondeur de fissuration Vides : Adapté : Peu adapté (vide) : Pas adapté ** : en transparence uniquement 3- Modes opératoires et recommandations - Méthode radar : La méthode consiste à passer un appareil de type électromagnétique sur la surface de la structure à contrôler. Le matériel est équipé d'un système de pointage (roue codeuse) permettant d'effectuer la cartographie de la zone. Positionnement et nombre de mesures : Il est nécessaire d utiliser une trame quadrillée, le nombre de profils de mesure étant fonction de la précision requise et de la dimension de la trame. Attention : Des sources extérieures de champs magnétiques ou des parties métalliques noyées dans le béton peuvent venir perturber les mesures. Les zones de recouvrement des barres et d intersection avec des armatures transversales peuvent également fausser la mesure. - Méthode ultrasonor : La méthode consiste à mesurer les vitesses de propagation entre une source émettrice et un récepteur piézoélectrique, en augmentant leur interdistance dans le cas de l'essai de surface et de part et d'autre de la structure à ausculter dans l'application transparence. Positionnement et nombre de mesures : Il est nécessaire de tracer une trame quadrillée sur la structure, la distance maximale acceptable entre l'émetteur et le récepteur est généralement de 1 mètre. Attention : La mesure s'effectue sur un parement propre et lisse. 50 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
- Méthode tomographique : La méthode consiste à mesurer les temps de propagation entre une source émettrice et un ensemble de récepteurs piézoélectriques. Positionnement et nombre de mesures : Il est nécessaire de tracer une trame quadrillée sur la structure et de respecter les distances entre les récepteurs. Attention : La mesure s'effectue sur un parement propre et lisse. - Méthode impact écho : La méthode consiste à mesurer la propagation d'une onde de choc mécanique émise par un générateur d'impact (billes en acier). Positionnement et nombre de mesures : Le nombre d'essais est fonction de la précision recherchée, la surface couverte par un essai est fonction du matériel utilisé et du nombre de capteurs. Attention : Le bruit sismique ambiant doit être faible. 4- Résultats attendus L'analyse des mesures effectuées permet de localiser les problématiques mais pas de déterminer systématiquement l'origine de celles-ci. Les désordres locaux (vides, objet, etc.) seront positionnés sur un plan ou un schéma de principe permettant de les localiser (éventuellement marquage sur la structure). Les anomalies affectant des surfaces plus importantes (bétons de qualités différentes, défaut de surface, etc.) seront reportées sous forme d'une cartographie «iso-valeur». CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-51
Isovaleurs de vitesse de propagation Précision attendue : Elle est fonction des pas de mesure retenus, de l'objectif recherché, de la profondeur d'investigation et du calibrage du matériel. Rendement : Le rendement dépend du matériel utilisé. L'utilisation de matériel équipé de système d'acquisition augmente considérablement le rendement. Méthode radar : 2 m²/h Impact echo : 2 ml/min Ultrasonor : 1 ml/min Pour les matériels à lecture directe sans système d'acquisition, les rendements peuvent être divisés par 2. 5- Documents de référence Norme EN 12504-3 et 4 : Mesure de la vitesse des ondes ultrasonores Norme EN 13791 : Évaluation de la résistance à la compression des structures Rapport de recherche n 2.43.04.6, 7, 8 du réseau des Laboratoires des Ponts et Chaussées «Métrologie sans contact appliquée aux ouvrages d art» Guide AFGC : Méthodologie d'évaluation non destructive de l'état d'altération des ouvrages en béton. 52 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
FICHE DE MÉTHODE D'INVESTIGATION : Dosage des chlorures libres dans le béton d enrobage 1- Principe de la méthode Cette investigation permettra de connaître le taux de chlorures libres présents à différentes profondeurs de l enrobage. Le profil de chlorures ainsi établi permettra de situer l ouvrage par rapport au phénomène de corrosion des armatures, sachant qu il y a trois cas possibles (voir annexe 2 «corrosion des armatures - Etapes du processus») : incubation, propagation, initiation de la corrosion. La méthode consiste à prélever de la poudre de béton, par tranche de 1 cm, et à réaliser des analyses chimiques sur chacune des tranches afin d extraire et de doser les chlorures libres (extrait à l eau). 2- Domaine d'application La technique de prélèvement de poudre à l aide d un trépan est la meilleure solution mais elle n est pas toujours réalisable pour des ouvrages maritimes, notamment dans les zones de marnage ou les parties immergées. Il est alors possible de réaliser des carottages pour ensuite y prélever de la poudre de béton. 3- Mode opératoire et recommandations Le choix de la zone du prélèvement, ainsi que le nombre et la profondeur des profils est à faire par le responsable du diagnostic en fonction des critères d homogénéité retenus. CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-53
En effet, ce sont les zones de marnage et les zones soumises aux projections et embruns où les chlorures pénètrent le plus (profondeur et concentration) mais des prélèvements dans d autres parties de l ouvrage peuvent être faits. 4- Résultats attendus Après l'extraction des chlorures (à l'eau distillée) présents dans l'échantillon de poudre, le dosage est effectué par précipitation à l'aide d'une solution de nitrate d'argent. Les résultats des analyses chimiques des différents prélèvements permettront d établir un profil de chlorures. Profils de chlorures Ces éléments permettront également de faire un pronostic sur la cinétique de dégradation de l ouvrage et ainsi, en déduire une durée vie résiduelle. Rendement : Le rendement ne concerne que le prélèvement des poudres. Prélèvement jusqu'à une profondeur de 5 cm suivant procédure : 1 heure par zone 54 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
5- Documents de référence Mode opératoire «Méthode de prélèvement d échantillons (poudres) pour la mesure de teneur en chlorures dans le béton» ( CR des Journées techniques AFPC AFREM Décembre 1997 Toulouse) Mode opératoire «Extraction et dosage des chlorures libres (extraits à l eau) et totaux dans le béton» ( CR des Journées techniques AFPC AFREM Décembre 1997 Toulouse) CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-55
FICHE DE MÉTHODE D'INVESTIGATION : Probabilité de corrosion par mesure du potentiel d'armature 1- Principe de la méthode La présente fiche décrit la méthode pour évaluer l état de corrosion des armatures du béton armé, à partir de l essai de mesure de potentiel d armature. Les armatures de béton armé sont protégées naturellement contre la corrosion. Cependant, cette passivation peut disparaître lorsque l enrobage du béton a subi des altérations, notamment d origine chimique (carbonatation, chlorures). On propose ici une méthode permettant de connaître ponctuellement l état de corrosion d un acier par la mesure des paramètres électrochimiques de l interface acier/pâte de ciment. 2- Domaine d'application Cette méthode s inscrit dans le cadre d un diagnostic de corrosion des armatures passives du béton armé. Les armatures des ouvrages en béton se trouvent en contact avec le liquide interstitiel contenu dans les pores du béton. Ce liquide peut être considéré comme un électrolyte fortement alcalin dont le ph se situe entre 12,5 et 13,5. Le début d une corrosion sur l armature provoque un phénomène électrochimique et la zone en cours de corrosion se comporte comme une anode génératrice d électrons et les zones passivées servent de cathode. Les variations de potentiels ainsi créées sur la longueur de l armature reflètent alors l avancement de la corrosion. L estimation du degré de corrosion des armatures est ainsi basée sur la mesure de ces potentiels. Les zones corrodées (anodiques) se signalent par un voltage négatif très élevé. Les variations du voltage sont en rapport direct avec les degrés de corrosion. 56 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
3- Mode opératoire et recommandations Généralités : Les mesures ne sont réalisables que sous certaines conditions : continuité électrique des armatures, continuité électrolytique du système qui suppose un béton humide et une absence de revêtement électriquement étanche (isolant). Conditions particulières : - Détection des armatures A l aide d un matériel du type électromagnétique on localise les armatures de la structure en béton armé que l on veut ausculter. On matérialise leur tracé à la surface du béton. - Préparation de la surface à examiner La surface à examiner doit être aussi propre que possible : surface exempte de toute salissure, peinture ou enduit gênant la conductivité du béton. - Réalisation de la prise de contact sur les armatures Pour réaliser cette prise de contact, on peut soit détruire, soit carotter ou percer le béton pour arriver au contact de l armature. Lorsque ce contact est réalisé, on peut faire un contrôle pour s assurer que l ensemble du système d armature est bien connecté électriquement ensemble. - Humidification du support Le béton doit être rendu humide par aspersion d eau avant la mesure. - Réalisation des mesures Le contact entre la contre-électrode et le béton doit être parfait. A cet effet, l éponge de la contre-électrode doit être légèrement comprimée sur l ensemble de sa surface. On procède alors aux mesures le long des armatures avec un pas adapté. Matériels : appareil de mesure de potentiel d armature (électrodes de références (type Cu/CuSO4 ou Ag/AgNO3), système de localisation des armatures, outils nécessaires au dégagement d une ou plusieurs armatures (perceuse, carotteuse), voltmètre haute impédance (10 Mohms minimum), éponge, mètre, décamètre, craies, appareil photo. Remarque : Selon la nature et la configuration de la structure à ausculter, il peut être nécessaire d utiliser des moyens d accès adaptés et spécifiques : Élévateur, CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-57
Passerelle négative, Bateau, Nacelle élévatrice. 4- Domaine de validité (sensibilité, précision, contre-indication) La présente méthode s applique sur des structures émergées ou en zone marnante. La norme ASTM C 876-91 propose 3 classes de probabilité de corrosion en fonction des potentiels mesurés : Potentiel d électrode Ev > -200 mv Probabilité de corrosion des armatures Faible -350 mv < Ev < -200 mv Incertaine Ev < -350 mv Forte En environnement maritime, la présence de chlorures dans le béton décale les plages présentées ci-dessus vers des potentiels plus négatifs. L interprétation est donc plus délicate et c est pourquoi les recommandations RILEM TC 154 préconisent d analyser les gradients de potentiel plutôt que les valeurs absolues de potentiel. Remarque : Adaptation aux parties immergées En zone constamment immergée, la mesure classique de potentiel d électrode ne peut s appliquer à cause du couplage électrolytique dû à l environnement aqueux. On emploie alors une technique brevetée LPC, qui consiste à produire, autour de l électrode de mesure, un vide d eau (cellule de mesure). L oxygénation de la zone de béton où est faite la mesure n étant pas instantanée, un appareillage spécifique permet de plaquer la ou les cellule(s) contre le parement et d effectuer la mesure en continu pendant le temps nécessaire. - Auscultations complémentaires: La méthode de mesures de potentiel d électrode est non-destructive (semi-destructive) ; il est donc conseillé de l associer à des techniques destructives qui permettent d étalonner les plages de probabilité de corrosion : mesure de profondeur de carbonatation, essais de teneur en chlorures, mesures d épaisseur d enrobage, dégagement d armature pour inspection visuelle. 5- Résultats attendus Les résultats sont donnés par zones auscultées. Le compte rendu de la mesure de potentiel d armature doit comprendre : la date de l intervention, conditions d intervention, l identification de l ouvrage ou de la partie d ouvrage et de la zone testée, les conditions (température, hygrométrie), 58 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF
l exposition et l environnement des zones auscultées, la localisation des dégagements d armature pour le contact électrique, un tableau indiquant le maillage des armatures et les valeurs du potentiel, représentation graphique sous forme d iso-potentiels pour la localisation des zones corrodées, estimation du pourcentage de surface entrant dans chaque domaine défini par la norme ASTM C 876-91. La méthode de mesure de potentiel d électrode permet d obtenir une cartographie de la probabilité de corrosion des armatures d une zone de béton armé donnée. Associée aux méthodes évoquées ci-contre elle permet de formuler un diagnostic fiable vis-à-vis des risques de corrosion du béton armé. Cartographie des potentiels Rendement Hors sujétion d'accès, le rendement de la méthode est de l'ordre de 1m²/h. 6- Documents de références Norme ASTM C 876-91 : Half-cell potentials of uncoated reinforcing steel in concrete RILEM TC 154: Electrochemical Techniques for Mesuring Corrosion of steel in concrete CETMEF Altération du béton en site maritime Octobre 2011-59
FICHE DE MÉTHODE D'INVESTIGATION : Diagnostic des réactions de gonflement interne 1- Principe de la méthode La méthode décrite ci-après synthétise le processus à suivre lorsque l'on se trouve face à un béton suspecté d'être atteint d'une réaction de gonflement interne (R.G.I.). L'ensemble de la méthodologie est explicitée de manière beaucoup plus complète dans le guide technique LCPC de novembre 2003 «Aide à la gestion des ouvrages atteints de réactions de gonflement interne». Le principe de la méthode repose sur un diagnostic adapté à l'état de l'ouvrage et à son évolution, il comprend : la réalisation d'une mesure d'indice de fissuration (IF). une instrumentation de suivi de déformation (distancemètre par fil invar, distancemètre infrarouge, extensomètre LCPC de 400 mm, pied à coulisse). Et si cela s'avère nécessaire, prélèvements d'échantillons pour : test par fluorescence des ions uranyles, examen au microscope électronique à balayage (MEB), essai d'expansion résiduelle sur béton durci. Les résultats obtenus à partir des deux premiers essais déterminent la marche à suivre pour la suite des investigations (fréquence des nouvelles mesures d'if et de suivi des déformations, passage aux essais destructifs ou non). En parallèle à ces essais, un suivi de la température et de l'hygrométrie est recommandé. 60 - Altération du béton en site maritime Octobre 2011 CETMEF