Pathologie durabilité et protection du béton armé

Pathologie durabilité et protection du béton armé ENPC, MPREP Brigitte MAHUT

Diagnostic d une structure matériaux distinction structure dans la réalité avec le temps : interaction objectif du diagnostic : => déterminer cause et étendue des problèmes => et leur évolution probable 15/03/2017 2

Généralités sur les altérations visibles du béton armé «Tour d horizon»

Défauts apparents classification adoptée pour la présentation : défauts apparaissant dès la construction» en général sans conséquence importante défauts d aspect dus à l environnement» en général sans conséquence importante effets des circulations d eau défauts liés à une dégradation du béton armé 15/03/2017 4

Défauts apparaissant dès la construction Bullage origines possibles :» béton pas ouvrable» coffrage inadapté» vibration inadaptée 15/03/2017 5

Défauts apparaissant dès la construction Nids de cailloux origines possibles :» problème de mise en œuvre béton mal vibré ferraillage trop dense hauteur de chute du béton dans coffrages trop élevée 15/03/2017 6

Défauts apparaissant dès la construction Fuites de laitance origines possibles :» mauvaise étanchéité des coffrages (joints mal étanchés) 15/03/2017 7

Défauts apparaissant dès la construction Variations de teinte origines possibles :» reprises de bétonnage avec modifications des constituants du béton ou des conditions de mise en œuvre» ragréages» impuretés dans le béton 15/03/2017 8

Défauts apparaissant dès la construction Pommelages origines possibles :» différence de densité entre gravillons et autres constituants du béton» variations du taux d hydratation du ciment en surface 15/03/2017 9

Défauts apparaissant dès la construction Fissures de retrait origines possibles :» dessiccation en surface» retrait différentiel gêné 15/03/2017 10

Défauts d aspect dus à l environnement Epaufrures origines possibles :» choc mais autre origine possible : suite de l écaillage (traduit une dégradation du béton armé) 15/03/2017 11

Défauts d aspect dus à l environnement Salissures origines possibles :» pollution (fixation de poussières)» graffitis 15/03/2017 12

Défauts d aspect dus à l environnement Recouvrements biologiques origines possibles :» développements biologiques influencés par : température humidité luminosité 15/03/2017 13

Défauts d aspect dus à l environnement Aspect grenu origines possibles :» érosion éolienne» pluies 15/03/2017 14

Effets des circulations d eau dans le béton Efflorescences origines possibles :» béton poreux soumis à l humidité mécanismes :» humidité entraîne sels solubles du cœur du béton vers la surface où ils cristallisent 15/03/2017 15

Effets des circulations d eau dans le béton Stalactites origines possibles :» circulation d eau dans pores ou fissures du béton mécanismes :» humidité entraîne sels solubles vers la surface où ils cristallisent si couleur rouille : corrosion des armatures 15/03/2017 16

Effets des circulations d eau dans le béton Suintements origines possibles :» mauvaise évacuation des eaux 15/03/2017 17

Défauts liés à une dégradation du béton armé Fissures (autres que de retrait) origines possibles» problème de structure défaut de fonctionnement, choc...» Problème de dégradation du béton armé corrosion des armatures gel gonflement du béton 15/03/2017 18

Défauts liés à une dégradation du béton armé Corrosion des armatures origines possibles :» insuffisance d enrobage» béton poreux» béton fissuré» carbonatation du béton d enrobage» pénétration d agents agressifs (cl-) 15/03/2017 19

Défauts liés à une dégradation du béton armé Ecaillage origines possibles :» corrosion des armatures» béton gélif» gonflement du béton 15/03/2017 20

Défauts liés à une dégradation du béton armé Faïençage origines possibles :» retrait de surface» gonflement du béton 15/03/2017 21

Récapitulatif influence des défauts d exécution» mauvaise disposition armatures : enrobage insuffisant, nids de cailloux» mauvaise formulation : porosité élevée» mauvaise exécution coffrages : fuites de laitance, nids de cailloux» mauvaise conditions de transport : risque de ségrégation ou de raidissement du béton» mauvaise mise en œuvre (vibration) : défauts de bétonnage» mauvaise manutention d éléments : épaufrures» mauvaise étanchéité : efflorescences, stalactites 15/03/2017 22

Défauts apparents Référentiel Catalogue des défauts apparents des ouvrages d art en béton ( Ministère Equipement) Défauts d aspect des parements en béton ( Guide LCPC) Les altérations visibles du béton - définitions et aide au diagnostic - Cahier technique du Cercle des Partenaires du Patrimoine Manuel d identification des réactions de dégradation interne du béton dans les ouvrages d art 15/03/2017 23

Généralités sur la durabilité du béton et ses pathologies

Rappel sur les bétons Granulats enrobés de pâte de ciment pâte contient des vides» de 10-8 m : pores capillaires» à 10-3 m :bulles vides contiennent solution aqueuse» équilibre chimique avec constituants du ciment Réaction constituants du ciment - eau interstitielle 15/03/2017 25

Généralités sur durabilité et dégradations du BA Béton sain : durable tenue mécanique absence de risque vis-à-vis de la sécurité bon aspect protection des armatures Béton dégradé : n assure plus ses fonctions 15/03/2017 26

Principales causes de dégradation du BA pénétration des agents agressifs dioxyde de carbone (CO2) : carbonatation chlorures contenus dans les eaux ou sels de déverglaçage corrosion des armatures effet du gel-dégel + sels de déverglaçage réaction internes alcali-réaction réactions sulfatiques 15/03/2017 27

Autres causes de dégradation Eau de mer Incendie Effet du retrait 15/03/2017 28

Processus de dégradation 2 phases : incubation (latence)» altération lente sans effet visible développement» dégradations observables béton sain béton altéré rouille fissure ex. : cas de la corrosion des armatures Stade d incubation Stade de développement Attention au béton apparemment sain! 15/03/2017 29

Etude de chaque phénomène de dégradation 15/03/2017 30

Plan adopté dans cet exposé pour chaque phénomène, sont traités : manifestations description du phénomène moyens et essais pour établir le diagnostic traitements prévention 15/03/2017 31

Carbonatation Manifestations rien de visible de manière directe au niveau du béton on ne voit au bout d un certain temps que les conséquences : corrosion des armatures (coulures de rouille, armatures apparentes, fissures au niveau des armatures sous l effet de la corrosion) 15/03/2017 32

Carbonatation Phénomène Pénétration du CO 2 dans le béton» transformation des hydroxydes (chaux) en carbonate Ca(OH) 2 + CO 2 Ca CO 3 portlandite calcite baisse du PH (13 9)» conséquences : pas de pb pour le béton très néfaste pour les armatures : dépassivation et corrosion 15/03/2017 33

Carbonatation H 2 O CO 2 CO 2 e c e e e f e = enrobage; e c = carbonaté; e ef = enrobage efficace 15/03/2017 34 Photo G. Grimaldi

CORROSION des ARMATURES dans les BETONS Cl - CORROSION CO 2 Couche d oxydes protectrice Rouille Béton sain (ph 13) Acier passivé Béton carbonaté (ph < 9) Acier dépassivé béton sain béton altéré rouille fissure 15/03/2017 Stade d incubation Stade de développement 35

Carbonatation Phénomène inéluctable vitesse décroît avec le temps (loi en racine de t)» vitesse dépend du béton porosité nature ciment,... de l humidité relative max à 60% HR après 30 ans : 1 à 30 mm 15/03/2017 36

Carbonatation Moyens de diagnostic Phénolphtaléine» réactif coloré : incolore sur béton carbonaté rose sur béton sain» mesure sur une surface interne, fraîche de béton en // mesure enrobage armatures» position du front de carbonatation => pronostic 15/03/2017 37

Carbonatation Ø>3D (5cm) e Ph > 9 15/03/2017 38 Photo G. Grimaldi

Carbonatation Traitement plusieurs possibilités à considérer:» front de carbonatation loin des armatures : on peut attendre» front proche mais sans avoir atteint les armatures : protection préventive du béton (voir en fonction vitesse progression)» front ayant atteint les armatures et armatures pas encore corrodées : protection sur parement béton» front ayant atteint les armatures et corrosion amorcée : méthodes particulières : méthodes électrochimiques (réalcalinisation), purge de tout le béton pollué, inhibiteurs de corrosion 15/03/2017 39

Carbonatation Prévention Phénomène de vieillissement naturel pour le ralentir :» béton compact (faible porosité et perméabilité)» respect des enrobages 15/03/2017 40

Enrobage Principe : variation électro-magnétique due à la présence d armatures Détecteur d armature : position direction enrobage (épaisseur) diamètre (barre isolée) 15/03/2017 41

Enrobage 0 100 Réponse de l indicateur fonction de la densité d acier 15/03/2017 42 Centre d Etudes Techniques Maritimes Phto G. Grimaldi Et Fluviales Agence d Aix en Provence

Matériel Photo 1 Photo 2 Ferroscan Moniteur et scanner dans sa mallette de transport 15/03/2017 43 Centre d Etudes Techniques Phto Maritimes G. Grimaldi Et Fluviales Agence d Aix en Provence

Exemple d image obtenue par le Ferroscan 15/03/2017 44 Centre d Etudes Techniques Maritimes Et Fluviales Photo G. Agence Grimaldi d Aix en Provence

Pénétration des chlorures Manifestations rien de visible au niveau béton on ne voit au bout d un certain temps que les conséquences : corrosion des armatures (coulures de rouille, armatures apparentes, fissures au niveau des armatures sous l effet de la corrosion) 15/03/2017 45

Pénétration des chlorures Phénomène origine des cl-» eau de mer» solutions de sels de déverglaçage pénétration» sous l effet de l eau» dépend de cycle humidification/séchage, durée, conditions climatiques perméabilité du béton» par diffusion due au gradient de concentration de cl- entre surface et coeur» => profils cl- 15/03/2017 46

Pénétration des chlorures Moyens de diagnostic Dosage des cl-» 2 possibilités : prélèvement de carottes prélèvement de poudres» obtention de profils découpage de l échantillon en tranches de 1 cm et dosage des cl- dans chaque tranche 15/03/2017 47

Prélèvement de poudre béton Guide Trépan Ø25 Perceuse Poudre Sachets e1, e2, en 15/03/2017 48 Photo G. Grimaldi

Pénétration des chlorures si concentration cl- > 0,1 % du poids de béton, au niveau des armatures : risque de corrosion» cette valeur dépend teneur en oxygène ph du béton en // mesure enrobage armatures => risque de corrosion [Cl]% 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0-0,05 0 5 10 15 20 25 30 p ro fon d eu r (m m ) 15/03/2017 49

Pénétration des chlorures Traitement plusieurs possibilités à considérer: cl- n ayant pas encore atteint les armatures : on peut attendre cl- ayant atteint les armatures mais cl- < 0,1 % du poids de béton (et diagnostic sur l état de corrosion des armatures confirmant armatures pas corrodées) : protection du béton à titre préventif cl- ayant atteint les armatures et cl- > 0,1 % : méthodes particulières méthodes électrochimiques, déchloruration, inhibiteurs, enlèvement du béton pollué 15/03/2017 50

Pénétration des chlorures Prévention» béton compact (faible porosité et perméabilité)» respect des enrobages» protection à titre préventif des parties particulièrement exposées (exemples fûts de pile) 15/03/2017 51

Amorçage de la corrosion des aciers Manifestations aucune manifestation apparente (au début) fissures écaillage armatures apparentes 15/03/2017 52

Amorçage de la corrosion des aciers Phénomène Béton sain» formation de produits protecteurs à la surface de l acier Béton carbonaté ou contenant des chlorures» produits instables : dépassivation et amorce corrosion diminution progressive de la section des aciers gonflement des produits de corrosion béton sain béton altéré rouille fissure Stade d incubation Stade de développement 15/03/2017 53

Diagrammes de Pourbaix 15/03/2017 54

Amorçage de la corrosion des aciers Moyens de diagnostic 2 possibilités» si armatures apparentes diagnostic immédiat» pb : état des armatures dans les zones apparemment saines mesures de potentiel des armatures mesures de vitesse de corrosion (méthodes les plus courantes) 15/03/2017 55

Amorçage de la corrosion des aciers Mesures de potentiel principe de la mesure» différence de potentiel entre armature et électrode de référence interprétation des résultats (/électrode CuSO4)» si E < - 350 mv: enrouillement certain» si -350 < E < - 200 mv :» enrouillement possible» si E > - 200 mv passivation 15/03/2017 56

Mesure du potentiel d électrode Électrolyte Armature Ec (mv/cu.cuso4 sat) Zone anodique Zone cathodique Zone de passivation -200-300 Enrouillement probable Enrouillement certain Gradient (>8mv/cm) 15/03/2017 57 Photo G. Grimaldi

Mesure du potentiel d électrode gradient Ec (mv/cu.cuso4 sat) -200-300 zone anodique zone cathodique zone de passivation enrouillement probable enrouillement certain 15/03/2017 58 Photo G. Grimaldi

15m 14m 13m Nord Ouest Sud Est E c > - 320mV 12m 11m 10m Cartographie des potentiels 9m 8m 7m 6m - 450 / - 320 5m 4m 3m 2m Limite hautes eaux Limite coquillages Limite gros coquillages (moules, huîtres, etc ) - 600 / - 450 1m 0 Zone non découverte à marée basse E c > - 600mV 15/03/2017 59 Photo G. Grimaldi

Électrode Cu 1 15/03/2017 60 Photo G. Grimaldi

Potentiel 15/03/2017 61 Photo G. Grimaldi

15/03/2017 62 Photo G. Grimaldi

Amorçage de la corrosion des aciers Mesures de vitesse de corrosion» donne une information sur la vitesse d évolution de la corrosion (technique de la résistance de polarisation - application d un courant de faible intensité dans l armature et mesure des variations du potentiel) Rp = variation de potentiel/ courant appliqué Icorr = B/ Rp où B= cte Interprétation des mesures du courant de corrosion (µa/cm²)» Icorr inférieure à 0,2 : négligeable» comprise entre 0,2 et 0,5 : faible» comprise entre 0,5 et 1 : modéré» Icorr > 1 : élevé influence : Température, humidité 15/03/2017 63

Appareil de mesure et capteur 15/03/2017 64 Photo G. Grimaldi

Amorçage de la corrosion des aciers Remarque : pas de possibilité de mesurer la section résiduelle d une armature corrodée 15/03/2017 65

Amorçage de la corrosion des aciers Traitements» dépend du degré d importance de la corrosion et de la cause (par exemple si cl-)» Exemples de traitements dans des cas simples : cas des armatures dénudées : armatures totalement consumées par la corrosion ou rompues : remplacement d armatures armatures dénudées présentant une corrosion de surface : brossage et application traitement de passivation après brossage - cas d armatures dans un béton dégradé : purge du béton, passivation des armatures, reconstitution d un enrobage 15/03/2017 66

Amorçage de la corrosion des aciers Prévention» respect des enrobages» bonne compacité des bétons» protection préventive des parties de structures les plus exposées aux agents agressifs 15/03/2017 67

07/03/2005 66 Photo G. Grimaldi DIAGNOSTIC béton armé vis-à-vis corrosion béton (porosité, densité) profondeur de carbonatation mesures d enrobage 0,25 0,2 mesure de la concentration en cl- [Cl]% 0,15 0,1 0,05 0 0 5 10 15 20 25 30-0,05 profondeur (m m ) mesures de potentiel d armatures plus récent : mesures de vitesse de corrosion Appareil de mesure et capteur 15/03/2017 68

Quelques questions préalables au choix d une solution Pb de durabilité et/ou d esthétique? Protection ou réparation? quelle est la cause des dégradations? quel est l état de dégradation déjà atteint et son évolution probable? Quelle est la fonction principale attendue du traitement? Par exemple (protection contre l eau, le CO2, ) Quelles sont les solutions envisageables? application d un produit/système de protection en surface Diagnostic (imprégnations, lasure, peinture, revêtement, inhibiteurs) - choix du mieux adapté purge du béton, reconstitution de l enrobage (réparation + protection générale éventuelle) traitement électrochimique (élimination des chlorures, réalcalinisation, 15/03/2017 69

Référentiel du maître d oeuvre Produits de réparation guide : «Choix et application des produits de réparation et de protection des ouvrages en béton» - LCPC-SETRA août 1996 référentiel pour les produits de réparation (produits inscrits à la marque NF) Peintures bétons guide «Mise en peinture des bétons de génie civil» - LCPC juin 1999 procédure de qualification pour les systèmes de peinture pour béton de génie civil (critères : adhérence, aspect, esthétique) Protection des bétons guide : «Protection des bétons par application de produits à la surface du parement» LCPC- SETRA décembre 2002 guide d application AFNOR GA P 18-902 Recommandations d application nationale pour la sélection des systèmes de protection de surface des bétons destinés aux ouvrages de Génie Civil ( EN 1504-2) Doc AFGC : «Réhabilitation du béton armé dégradé par la corrosion novembre 2003» 15/03/2017 70

Familles de produits / Fonctions attendues Produits -> applicables sur béton durci inhibiteurs de corrosion imprégnations lasures (épaisseur sèche 50 m) systèmes de peintures (épaisseur sèche 50 à 600 m) revêtements minces (épaisseur sèche 600 m à 3 mm) Protection contre la pénétration d eau, des chlorures, du CO2 les réactions de gonflement interne (alcali-réaction - réaction sulfatique) le gel et l écaillage les pressions d eau Rq : inhibiteurs contre la corrosion 15/03/2017 71

Inhibiteurs de corrosion produits appliqués en surface du béton et qui peuvent migrer jusqu aux armatures exemples: phosphates, amines épaisseur nulle à la surface du béton, mais leur migration à l intérieur du béton peut atteindre plusieurs cm. 15/03/2017 72

Produits d imprégnation imprègnent le support et peuvent former un film de très faible épaisseur hydrofuges ou minéralisateurs, à base de silicates, de siloxanes ou d acryliques épaisseur non mesurable mais leur pénétration dans le béton atteint au moins 5 mm. 15/03/2017 73

Lasures produits non opacifiants, fluides, transparents éventuellement colorés laissant apparaître la texture du support exemples: acrylique, polyuréthanne,... épaisseur: autour de 50 µm. 15/03/2017 74

Peintures Les peintures entrent dans la composition d un système comportant le plus souvent 3 couches: impression, intermédiaire et finition une peinture est opaque et filmogène exemples: acrylique, époxyde, polyuréthanne,ou encore liants hydrauliques modifiés (L.H.M.) épaisseur du système: 50 à 300 µm. 15/03/2017 75

Revêtements 1/2 Revêtements semi-épais de la norme XPT34-720 Revêtements Plastique Épais (RPE) des normes NFT 30-700 à 707 de type acrylique ou polyuréthanne Revêtements d imperméabilité des normes NF P 84-401 de type acrylique et XP 84-402 à 404 Revêtements à base de polyuréthane, métacrylique ou LHM. 15/03/2017 76

Revêtements 2/2 Les revêtements masquent complètement le support béton Ils nécessitent une couche d impression pour accrocher au support béton: systèmes Épaisseurs de 300 µm à 3 mm. 15/03/2017 77

Aide au choix du mode de traitement selon avancement dégradation (carbonatation et chlorures) 1 2 3 4 5 6 Aciers non atteints par la carbonatation et Cl - < 0,01% Aciers non atteints par la carbonatation et 0,01 <Cl - < 0,1% - Aciers non atteints par la carbonatation et Cl - >0,1% Aciers atteints et Cl - < 0,01% Aucune protection nécessaire sauf à titre préventif. Ralentir la pénétration des chlorures à l aide de : Peinture, revêtement ou inhibiteurs qualifiés. Idem mais après diminution du taux de Cl - par une technique d extraction appropriée. Corrosion forcément commencée. 1) Augmenter le PH par ré-alcalinisation ou inhibiteurs efficaces + revêtement imperméable aux gaz. 2) Ou, sous réserve d absence de conséquences structurelles, élimination et remplacement du béton atteint après traitement des aciers. Aciers atteints et actions 2 et 4 combinées 0,01 <Cl - < 0,1% - Aciers atteints et Cl - > 0,1% actions 3 et 4 combinées 15/03/2017 78 Cl- exprimé en % du poids de béton

Types de systèmes de protection/porosité < à 12% : tous les systèmes conviennent 12% < < 20% : peinture ou revêtement > à 20% : réparer d abord Une humidité trop élevée ou des venues d eau sont à traiter préalablement 15/03/2017 79

Type de systèmes / nature du défaut ProduitsLasuresPeinturesRevêtements Défauts Nids de sable ou de cailloux X (1) X (1) X (1) Variations de teintes Tâches noires Pommelages Ressuage Traces de rouille Bullage Fissures X X X X(2) (1) Après ragréage (2) Mais produits souples 15/03/2017 80

Critères de choix d un système de protection classification selon guide AFNOR GA P 18-902, et en accord avec la démarche du guide protection Basée sur essais de l EN1504-2, 2 niveaux de performance propriétés de transfert (gaz, vapeur, eau,...) propriétés mécaniques (adhérence, fissuration,..) Fonction de base (Noyau dur) Protection contre l eau, la vapeur d eau, le gaz carbonique Perméabilité au CO2, perméabilité à la vapeur d eau,absorption capillaire et perméabilité à l eau,adhérence et compatibilité thermique,résistance au vieillissement, résistance chimique, aptitude à ponter les fissures =>exigence minimale pour tous les produits de protection Fonctions optionnelles : Protection contre la pénétration des chlorures Protection contre l écaillage dû au gel-dégel + sel (! : ne peut pas protéger contre le gel interne) Résistance à la fissuration Réactions de gonflement interne (! : ralentir en limitant les arrivées d eau et avec des produits résistant bien à la fissuration) Fonctions optionnelles complémentaires : Résistance au nettoyage à l eau sous-pression Résistance aux pressions d eau 15/03/2017 81

Contrôle de réception sur chantier Mesures d épaisseur de feuil Adhérence Perméabilité de surface Essais de colorimétrie Inhibiteurs : concentration de produits actifs correspond à ce qui est annoncé par le fournisseur 15/03/2017 82

Essai d adhérence Réf : Essai pratiqué sur peinture sur métal avec plots de 2 cm Adaptation : plots de 5 cm de diamètre sur béton 15/03/2017 83

Mesure de perméabilité de surface - Appareil BT Cris 15/03/2017 84

Principe général des garanties cas des lasures, peintures et revêtements Epaisseur sèche Fonction (s) principale (s) Décollement cloquage fissuration Uniformité et constance de la couleur 50 à 300 m 2 ans 2 ans (*) - 2 ans 300 m à 3 mm 10 ans 10 ans (*) 10 ans 2 ans (*) : commentaire pour le cas particulier des peintures par réf au fasc. 65 A Additif août 2000 15/03/2017 85

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Autres causes de dégradation gel Réactions de gonflement 15/03/2017 87

Gel-dégel + sels de déverglaçage Manifestations gonflements fissures ( en réseau) écaillage en surface désagrégation du béton 15/03/2017 88

Les dégradations dues au Gel 15/03/2017 89

Deux types de dégradation Le Gel interne : dans la masse Fissuration interne Gonflement du béton L écaillage : en surface Eclatement superficiel de la surface du béton exposée aux sels de déverglaçage, sous forme d écailles 15/03/2017 96

Gel-dégel + sels de déverglaçage Phénomène : gel interne Différentes théories :» Théorie des pressions hydrauliques de Powers (1949) la plus répandue 15/03/2017 97

Gel-dégel + sels de déverglaçage gel interne théorie des pressions hydrauliques :» étapes : eau gèle dans capillaire augmentation du volume de glace/ volume eau (9 %) chasse l eau vers pores qui servent de vase d expansion mouvement d eau pas encore gelée entraîne pression hydraulique si pression trop élevée / résistance du béton : fissuration, gonflement, éclatement pression avec distance à parcourir par l eau pour atteindre paroi d une bulle => intérêt d un réseau de bulle fines et bien réparties 15/03/2017 98

Gel-dégel + sels de déverglaçage écaillage :» cycles gel-dégel affecte surface du béton :» origine : phénomène complexe provoqués par causes physiques et chimiques éclatements superficiels sous forme d écailles 15/03/2017 99

Gel-dégel + sels de déverglaçage Influence de la température élévation rapide : risque d éclatement (vapeur) basse température : risque d éclatement (glace) 15/03/2017 100

Gel-dégel + sels de déverglaçage action des sels de déverglaçage Microfissuration du matériau résultant du choc thermique la fusion de la glace nécessite un apport de chaleur (environ 80 cal/g) cette chaleur est prise dans le support (couche supérieure du béton) cette couche se trouve soumise à une chute brutale de température, d où un gradient localement fort et proche d un choc écaillage des surfaces» du à augmentation des pressions osmotiques au voisinage surface en raison de l augmentation de la teneur en sel pénétration des cl- sur plusieurs centimètres => risque de corrosion attaque chimique par agents agressifs contenus dans sels (sulfates) 15/03/2017 101

Gel-dégel + sels de déverglaçage Moyens de diagnostic pré-diagnostic en général assez facile à établir d après les manifestations Investigations» prélèvements de béton essais de gel interne essais d écaillage comptage espacement des bulles d air 15/03/2017 102

La gélivité des granulats Autre facteur responsable de la gélivité d un béton Le rôle de la porosité d un granulat (volume et distribution des pores) est essentiel pour expliquer son caractère gélif. Les granulats gélifs ont généralement une forte porosité, formée de pores très fins. 15/03/2017 103

Gel Normes d essais P 18-424 (gel sévère) : essai de gel sur béton durci gel dans l eau - dégel dans l eau P 18-425 (gel modéré) : essai de gel sur béton durci gel dans l air - dégel dans l eau 15/03/2017 104 Photo G. Grimaldi

XP P 18-420 Configuration d un échantillon Saumure Couvercle Élément de mesure thermique Éprouvette de béton Solin de joint mastic Liaison par collage Isolation Étanchéité 15/03/2017 105 Photo G. Grimaldi

15/03/2017 106 d Etudes Techniques Maritimes Et Fluviales Agence d Aix en Provence

L ( L barre) Gel Dégel Pour la même quantité d'air plus de petites bulles que de grosses Facteur d espacement des bulles = ½ distance entre bulles L (L barre) Pour la même quantité d air plus de petites bulles que de grosses

Description de la mesure des caractéristiques des bulles d air 15/03/2017 108

Gel-dégel + sels de déverglaçage Traitements gel interne : pas de traitement possible écaillage : amélioration de la tenue à l écaillage par application de produit de protection 15/03/2017 109

Gel-dégel + sels de déverglaçage Prévention vis-à-vis gel interne» obtenir un réseaux de petite bulle d air fine et bien répartie formulation du béton adaptée par exemple pour bétons classiques : introduction d un adjuvant entraîneur d air dans le béton frais» choix des granulats :non gélifs (mais attention au risque décollement interface pâte granulats si trop poreux) 15/03/2017 110

Gel-dégel + sels de déverglaçage vis-à-vis de l écaillage» réseau de bulles d air optimal par introduction d un adjuvant entraîneur d air : pas suffisant» essais d écaillage sur béton 15/03/2017 111

Gel-dégel + sels de déverglaçage Prévention : précisions sur réseau de bulle dense Notion de facteur d espacement critique : demi-distance moyenne entre 2 parois de bulles» valeurs préconisées facteur d espacement : 200 m diamètre : 50 à 200 m volume total : 5 à 7 % 15/03/2017 112

Gel-dégel + sels de déverglaçage utilisation d un entraîneur d air :» mode d action» effet agent tension-actif : diminue la tension superficielle à l interface entre air et eau et permet ainsi de créer plus facilement de nouvelles interfaces stabilise l air entraîné au cours du malaxage : évite le regroupement des bulles d air lors de la mise en œuvre et du malaxage 15/03/2017 113

Gel-dégel + sels de déverglaçage Prévention» 2 ème élément :choix des granulats :non gélifs (mais attention au risque décollement interface pâte granulats si trop poreux) vis-à-vis de l écaillage» réseau de bulles d air optimal par introduction d un adjuvant entraîneur d air : pas suffisant» essais d écaillage sur béton 15/03/2017 114

Alcali-réaction Manifestations - nombreuses et de divers types selon structure et partie d ouvrage référentiel : Identification des désordres dûs à l alcali-réaction (Guide LCPC) 15/03/2017 115

Alcali-réaction Manifestations» Fissuration en réseau et faïençage: maillage qui se densifie avec des mailles souvent de plus en plus fines dans le temps fissures avec rejets souvent bordées d humidité 15/03/2017 116

Alcali-réaction» Fissuration orientée : selon tracé des armatures de peau cas des OA précontraints : fissures longitudinales avec ouverture suivante direction non précontrainte 15/03/2017 117

Alcali-réaction» gonflements, mouvements, déformations de la structure tâches, colorations 15/03/2017 118

Alcali-réaction» pop-out ruptures d armatures 15/03/2017 119

Alcali-réaction phénomènes aggravés dans les zones humides 15/03/2017 120

Alcali-réaction Phénomènes ph de la solution interstitielle dépend de» teneur en alcalins (calcium, sodium, potassium) du ciment alcalins proviennent aussi de :» adjuvants, granulats, environnements (remblais,..) dans béton à forte teneur en alcalins : ph voisin de 14 certains granulats contiennent silice ( Si O2) mal cristallisée ou amorphes (granulats siliceux ou silicatés ou même certains calcaire) 15/03/2017 121

Alcali-réaction Vue au microscope électronique à balayage d un gel d alcali-réaction d épaisseur 5 à 10 microns 15/03/2017 122

Alcali-réaction Phénomènes (suite) en présence solution de ph voisin de 13» silice et alcalins + ions calcium du ciment Gel gel se forme où béton pas carbonaté et contient beaucoup d eau :» à cœur» en présence arrivée d eau formation du gel gonflements puis fissuration fissuration facilité arrivée d eau alimente la réaction la dégradation continue et s amplifie voie ouverte à d autres agents agressifs 15/03/2017 123

Alcali-réaction Cinétique de la réaction se développe généralement assez lentement (premières manifestations au bout d environ 20 ans Paramètres extérieurs influençant la réaction : l eau : rôle primordial l humidité la température les alcalins extérieurs (par ex : eau de mer et sels de déverglaçage) 15/03/2017 124

Alcali-réaction Conséquences mécaniques pour le matériau» gel gonflant => pression, contraintes sur la matrice» => microfissuration ou décollement à l interface ciment-granulats» (observable au Microscope ou au MEB)» caractéristiques mécaniques : résistance traction, E, résistance compression peu affectée au début Conséquences mécaniques pour la structure» gonflement et fissures = > à terme : problèmes de durabilité problème de comportement structurel, capacité portante risque de contraintes excessives dans le béton de plastification des armatures de diminution de l adhérence acier/béton 15/03/2017 125

Alcali-réaction Moyens de diagnostic au niveau de la structure» suivi de l évolution de la fissuration (mesure de l indice de fissuration)» suivi de l effet du gonflement (par distancemétrie) 15/03/2017 126

Détermination de l indice de fissuration d un parement de béton Méthode d essai LPC n 47 Matériel et fournitures Gabarit de traçage des axes approprié. Fissuromètre de poche (réglette transparente portant des repères d épaisseur variant de 0,005 mm à 2 mm) Loupe micrométrique à réticule gradué (grossissement 10 à 20 X, micromètre gradué de 0,1 à 20 mm) Appareil photographique. Matériel de traçage adapté au support béton et résistant à l environnement de celui-ci (humidité, UV) : stylotube, craie grasse A 0 Mode opératoire C B 15/03/2017 127

Alcali-réaction Moyens de diagnostic au niveau du matériau :» (acétate d uranyl utilisé en prédiagnostic)» examen au MEB: seul moyen de confirmer RAG ou réaction sulfatique» analyses minéralogiques 15/03/2017 128

L essai d expansion résiduelle Méthode LPC 44 Carotte F 100 mm L 250 mm Collage de plots à 120 sur 3 niveaux séparés de 10 cm Emballage papier absorbant + film polyéthylène 15/03/2017 129

L essai d expansion résiduelle Stockage dans les conteneurs et réacteur de NF P 18-585/7 (38 C) 15/03/2017 130

L essai d expansion résiduelle Mesure au rétractomètre mécanique 15/03/2017 131

L essai d expansion résiduelle Expansion (10-6 ) Expansion résiduelle Er = 1327um /m / an 2500 2000 1500 1000 500 0 Er 0 8 16 24 32 40 48 56 64 Valeur de l expansion résiduelle Ensemble mesures Exemple d un béton qui présente un important potentiel d expansion résiduelle 15/03/2017 132

L essai d expansion résiduelle Interprétation Valeur Er Qualification < 100 µm/m 100 à 500 µm/m > 500µm/m Négligeable Modérée Importante 15/03/2017 133

Alcali-réaction Traitement Absence de traitement curatif de l alcali-réaction traitements visent à ralentir le gonflement :» limitation des arrivées d eau 15/03/2017 134

Alcali-réaction Prévention des granulats non réactifs peu d alcalins ou des ajouts minéraux adaptés un bon drainage des eaux Référentiel recommandations pour la prévention des désordres dûs à l alcali-réaction guide du dossier carrière 15/03/2017 135

Alcali-réaction modalités d application des recommandations classification des ouvrages : 3 catégories» I : ouvrages sans importance» II : cas général» III : ouvrages exceptionnels caractérisation de l environnement : 4 classes d exposition» 1 : environnement sec ou peu humide» 2 : environnement humide ou au contact de l eau (avec ou sans gel)» 3 : environnement humide avec gel et fondants» 4 : environnement marin 15/03/2017 136

Alcali-réaction Détermination du niveau de prévention Environnnement Catégorie ouvrage 1 2 3 4 I A A A A II A B B B II C C C C 15/03/2017 137

Alcali-réaction Niveau A pas de spécifications particulières Niveau C utiliser des granulats non réactifs ou granulats PRP si conditions satisfaites sinon faire étude expérimentale approfondie suivant recommandations 15/03/2017 138

Alcali-réaction Niveau B il faut répondre oui à au moins 1 des 6 questions :» les granulats sont-ils non réactifs?» La qté totale d alcalins est-elle inférieur à un seuil fixé dans les recommandations?» La formulation satisfait-elle à un critère de performance?» La formulation présente-t-elle des références d emploi convaincantes?» Le béton contient-il suffisamment d additions minérales inhibitrices?» Sommes-nous dans les conditions particulières d utilisation des granulats PRP? 15/03/2017 139

Réaction sulfatique Origine des sulfates dans le béton interne au béton» due au ciment par exemple» granulats contenant des pyrites mal cristallisées externe (sulfates dissous dans les eaux ou sols) :» eaux souterraines séléniteuses» eau de mer (2,2 g/l de MgSo4)» certains sols (par exemple schistes houillers souvent utilisés comme remblais dans certaines régions)» pluies acides 15/03/2017 140

Réaction sulfatique Manifestations si origine interne : identiques à celles de l alcali-réaction» gonflement» fissuration selon un maillage - si origine externe :» dégradation progressive» du béton de la surface» vers le coeur => désagrégation du matériau 15/03/2017 141

Réaction sulfatique Phénomène réaction sulfatique résulte de la formation d ettringite dans les bétons durcis ne pas confondre» ettringite primaire non expansive et normale qui se forme normalement lors de l hydratation des ciments pendant sa phase de prise et qui ne conduit pas à un gonflement du matériau :» ettringite mal cristallisée et expansive pouvant être due à : 15/03/2017 142

Réaction sulfatique oxydation des pyrites contenus dans les granulats libération tardive des sulfates du clinker dissolution puis reprécipitation de l hydratation normale des ciments actions des ions carbonates sur le monosulfoaluminate de calcium hydraté instabilité des sulfoaluminates en présence de solutions silico-alcalines résulatnt de l alcali-réaction formation différée d ettringite 15/03/2017 143

Réaction sulfatique conséquence au niveau du matériau (microstructure) cristallisation en aiguilles pression exercée en bout d aiguilles localisation :» autour des granulats» dans les pores» dans la pâte Cavité contenant des cristaux d ettringite 15/03/2017 144

Réaction sulfatique conséquences identiques à celles de l alcali-réaction ou décohésion du matériau phénomène aggravé par l eau remarque : réaction sulfatique et réaction alcali-granulat se rencontrent souvent simultanément 15/03/2017 145

Réaction sulfatique Moyens de diagnostic moyens identiques à ceux de l alcaliréaction MEB pour déterminer présence d ettringite origine des sulfates (internes ou externes) ne pouvant être déterminées que par analyse minéralogique 15/03/2017 146

Réaction sulfatique Traitement si origine interne : aucun traitement efficace si origine externe : produit de protection pour limiter les arrivées d eau 15/03/2017 147

Réaction sulfatique Prévention» d après état des connaissances actuelles, les facteurs qui favorisent le développement de la réaction sont température de cure trop élevée (supérieure à 70 C - attention aux pièces massives) concentration en alcalins élevée dans la solution interstitielle du béton teneur en SO3 et Al2O3 élevées ( les ciments à faible teneur en C3A et SO3 tels que les liants pour travaux à la mer (PM) ou en eaux à haute teneur en sulfates (ES) ne devraient pas en principe poser de pb) des cycles d humidification/séchage ou des conditions d humidité relativement élevées 15/03/2017 148

Délaminage des tabliers de pont «DELAMINAGE» DES TABLIERS DE PONT Il résulte de l'action conjuguée: * des sollicitations climatiques (gel, ensoleillement) * des sels de déverglaçage * du trafic circulant directement sur le béton des hourdis * de la présence d eau qui imbibe le béton 15/03/2017 149

Le délaminage des tabliers 15/03/2017 150

Dégradation par l eau de mer Manifestations gonflements éclatements 15/03/2017 154

Dégradation par l eau de mer Phénomènes en immersion totale» attaque purement chimique en immersion alternée» favorise pénétration des agents agressifs» attaque physique supplémentaire (érosion due aux vagues, retraits dus à l absorption et l évaporation successive d eau, ). 15/03/2017 155

Dégradation par l eau de mer Phénomènes (suites) sels marins les plus agressifs :MgSO4 et MgCl2» le magnésium se substitue au calcium : C-S-H M-S-H qui n a plus de propriétés liantes» les sulfates engendrent la formation d ettringite» le chlore s insère dans le réseau C-S-H, fait disparaître les fibres et crée une structure alvéolaire de plus en plus lâche Cavité remplie de sels marins 15/03/2017 156

Dégradation par l eau de mer Traitements voir traitements proposés pour limiter la pénétration des chlorures 15/03/2017 157

Dégradation par l eau de mer Prévention utilisation d un ciment prise-mer dosage minimum en ciment bonne compacité du béton respect des enrobages des armatures (BAEL : 5 cm) bonne cure du béton (pour une bonne peau) 15/03/2017 158

Dégradation du béton par incendie Manifestations microfissuration écaillage progressif à partir de la peau éclatements 15/03/2017 159

Désordres dus à l incendie 15/03/2017 160

Désordres dus à l incendie 15/03/2017 161

Dégradation du béton par incendie Phénomène élévation rapide de la température» dans le talon d une poutre à 5 cm du parement» t = 30 mn = 150 C» t = 2h = 600 C» t = 4h = 850 C comportement des matériaux» = 110 C : hydrates de la pâte de ciment commencent à se décomposer» =573 C : point de fusion du quartz» =800 C : décarbonatation du CaCO3 libération de chaux vive décohésion des granulats calcaire conservation de 35 % environ du module d Young 15/03/2017 162

Dégradation du béton par incendie Moyens de diagnostic on sait généralement qu il y a eu incendie questions de l expertise :» incendie affecte-t-il la résistance de la structure» température atteinte pour le béton» état de la peau (scléromètrie,.)» température atteinte : possibilité de la reconstituer à partir analyse échantillon de béton 15/03/2017 163

Dégradation du béton par incendie Traitement béton projeté (après diagnostic et expertise complète) 15/03/2017 164

Effet du retrait Les différents retraits à court terme : Le retrait d auto-dessiccation qui résulte de l hydratation des grains de ciment qui s effectue avec une diminution de volume (contraction Le Chatelier) Le retrait thermique qui est lié à l exothermie des réactions d hydratation :» Existence de gradients thermiques entre le coeur et la peau d une même pièce pouvant entraîner des fissures de surface» Existence de différences de températures entres diverses parties d une même structure pouvant provoquer des fissures à leur jonction» Création d auto-contraintes qui se superposent à des contraintes déjà existantes Le retrait à long terme (ou retrait de dessiccation) 15/03/2017 165

Effet du retrait Manifestations fissures apparaissant 1 ou 2h après le bétonnage» relativement profondes et ouvertes (1 mm)» reproduisent souvent le tracé de la nappe supérieure» dues au tassement du béton frais et ressuage fissures apparaissant juste après le décoffrage» généralement fines et peu profondes si dues au retrait d autodessiccation, plus ouvertes si dues au retrait thermique et pouvant être traversantes dans le cas de pièces massives si ciment à forte chaleur d hydratation» maillage de quelques décimètres de côté fissures apparaissant plusieurs jours ou plusieurs mois après le décoffrage» dues au retrait à long terme 15/03/2017 166

Effet du retrait Prévention bon phasage de bétonnage existence de joints verticaux qualité de la cure bonne conception du ferraillage de peau choix de la composition du béton (E/C, chaleur d hydratation du ciment, ) 15/03/2017 167

Conclusions : Critères essentiels de durabilité du béton armé Respect des enrobages Choix de matériaux adaptés /environnement Bonne compacité et faible porosité du béton quantité de ciment suffisante diminution de la quantité d eau optimisation de la courbe granulométrique malaxage et vibration efficace empêcher la dessiccation durant les premiers jours 15/03/2017 168

Conclusions : Vers une démarche préventive Ouvrages existants : ne pas attendre qu une structure soit trop dégradée pour s en préoccuper Ouvrages neufs : définir des objectifs : indicateurs de durabilité faire un point zéro : état de référence suivi dans le temps : carbonatation, cl-,.. 15/03/2017 169