Evaluation de la durée de vie résiduelle d`un ouvrage en

Concevoir, construire et
gérer des structures
durables en béton
Approche performantielle et
évolutions normatives
Evaluation de la durée de vie
résiduelle d’un ouvrage en
service
par la mesure des indicateurs de
durabilité et des témoins de durée de vie
Gilles Givry
28 novembre 2013 – CETE Méditerranée d’Aix-en-Provence
Centre d'Études Techniques de l'Équipement Méditerranée
Au 1er Janvier 2014, les 8 CETE, le Certu, le Cetmef et le Sétra fusionnent pour donner naissance au Cerema
www.cete-mediterranee.fr
Le référentiel
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Contexte et enjeux
Un parc important d’ouvrages d’art en BA et BP
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Contexte et enjeux
Problématique : Patrimoine vieillissant qui se dégrade plus ou moins
rapidement selon
•
les propriétés intrinsèques du matériau,
•
la qualité de mise en œuvre à la construction,
•
l’entretien,
•
les conditions d’exposition.
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Contexte et enjeux
Le gestionnaire a besoin d’informations fiables pour :
Anticiper l’apparition des désordres
• évaluer l’état de son patrimoine,
• évaluer l’état d’avancement des phénomènes de dégradation,
• pronostiquer l’échéance d’apparition des dégradations
Programmer des actions de maintenance préventives
• déterminer le moment optimum pour réaliser des actions de
maintenance préventive (donc avant l’apparition de désordres)
Evaluer l’efficacité des réparations éventuelles
→ Application de l’approche performantielle sur des ouvrages en service
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La méthodologie du diagnostic
Dégradations du béton :
Corrosion des armatures (Cl- et CO2)
Alcali-réaction
Réaction Sulfatique Interne (RSI)
Gel/dégel
Objectifs :
Evaluer l’état de la structure vis-à-vis de la
dégradation
Pronostiquer l’évolution de la dégradation
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Durée de vie résiduelle
La durée de vie résiduelle à un instant to (ouvrage en service) vis-àvis d’un phénomène de dégradation correspond à la durée
d’incubation restante de ce phénomène.
Durée au bout de laquelle la propagation du phénomène s’amorce.
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Durée de vis résiduelle vis-à-vis de la
corrosion
Durée de vie résiduelle du béton armé vis-à-vis de la corrosion des
armatures : Temps au bout duquel le front de chlorures et/ou le front
de carbonatation atteint les armatures.
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La méthodologie du diagnostic
Indicateurs de
durabilité
Témoins de durée
de vie
Caractérisent les
propriétés du béton
vis-à-vis d’une
dégradation donnée
Evaluent l’avancement
du processus de
dégradation
Essais en laboratoire
sur éprouvette
Essais in situ ou sur
prélèvements
Propriétés de transfert
du matériau
Evaluation de l’état de la
structure à un instant to
Prédiction/pronostic de l’état de la structure à to+∆t
Evaluation de la durée de vie résiduelle
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La méthodologie de diagnostic
Témoins de durée de
vie
Indicateurs de durabilité
• Porosité accessible à l’eau : Peau • Profondeur de carbonatation : Xc
• Coeff. De diffusion des Cl- : Dapp
• Position du front de Cl- : Xd
• Perméabilité au gaz : Kgaz
• Profil de pénétration des Cl-
• Teneur en portlandite : Ca(OH)2
• Résistivité électrique : ρ
Données de conception
réalisation
Données
environnementales
• Exposition du béton :
• Enrobage des armatures (e)
• Fissuration, hétérogénéités
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•
•
•
Humidité
Sels marins ou de déverglaçage
Milieu agressif
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La méthodologie du diagnostic
Exemple pour le phénomène corrosion
Principale cause de dégradation des structures en béton :
Carbonatation
Pénétration des ions chlorures
Dioxyde de
carbone
CO2
Chlorures
ClFissure
Porosité
ouverte
Armature
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Porosité
ouverte
Porosité
fermée
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La méthodologie du diagnostic
Exemple pour le phénomène corrosion
Les indicateurs de durabilité :
1. Porosité accessible à l’eau Peau,
2. Coefficient de diffusion apparent des
chlorures Dapp
3. Perméabilité au gaz Kgaz
4. Résistivité électrique,
5. Teneur en portlandite Ca(OH)2
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La méthodologie du diagnostic
Exemple pour le phénomène corrosion
Les témoins de durée de vie :
1. Profondeur de carbonatation Xc,
2. Position du front de chlorures Xd
3. Profil de pénétration des chlorures
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La méthodologie du diagnostic
Exemple pour le phénomène corrosion
Témoins de
durée de vie
Détermination de la profondeur de carbonatation (Xc) par méthode
colorimétrique (phénol-phtaléine)
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La méthodologie du diagnostic
Exemple pour le phénomène corrosion
Témoins de
durée de vie
Détermination de la position du front de chlorures par la méthode
colorimétrique (nitrate d’argent)
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La méthodologie du diagnostic
Exemple pour le phénomène corrosion
Profil de pénétration des chlorures dans l’enrobage
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La méthodologie du diagnostic
Exemple pour le phénomène corrosion
Profil de pénétration des chlorures dans l’enrobage
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La méthodologie du diagnostic
Exemple pour le phénomène corrosion
Concentration critique d’initiation de la corrosion : concentration à
partir de la laquelle s’initie la corrosion
En fonction du rapport [Cl-]/[OH-], le film protecteur peut être détruit,
même à pH >11,5
Le critère le plus défavorable est donc carbonatation + attaque des
ions chlorures (en haut à gauche sur le graphe).
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La méthodologie du diagnostic
Exemple pour le phénomène corrosion
Pour un béton non carbonaté :
[Cl- ]/[OH-] = 0,6
[Cl-] = 0,4% (% en masse de ciment)
Les profils de chlorures sur béton sont donnés en % masse de béton
Soit en prenant une hypothèse sur la masse volumique du béton : 2500 kg/m3
Et sur la teneur en ciment du béton 350-400 kg/m3
La concentration critique d’amorce de la corrosion est :
[Cl-]cr ≈ 0,06 % (% en masse de béton)
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La méthodologie du diagnostic
Exemple pour le phénomène corrosion
Profondeur de front de chlorures Xd
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La méthodologie du diagnostic
Exemple pour le phénomène corrosion
Distribution des enrobages
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La méthodologie du diagnostic
Exemple pour le phénomène corrosion
Profils de pénétration des chlorures
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La méthodologie du diagnostic
Exemple pour le phénomène corrosion
Détermination de Xd pour chaque carotte
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La méthodologie du diagnostic
Exemple pour le phénomène corrosion
Profil de pénétration des chlorures et distribution des enrobages
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Mesure des indicateurs de durabilité
Classe de durabilité potentielle
Indicateurs de
durabilité
Très faible
Faible
Moyenne
Elevée
Très élevée
Porosité accessible à
l’eau – Peau (%)
> 16
14 à 16
12 à 14
9 à 12
6à9
Coefficient de diffusion
des chlorures – Dapp
(10-12.m2.s-1)
> 50
10 à 50
5 à 10
1à5
<1
Résistivité électrique
(Ω.m)
< 50
50 à 100
100 à 250
250 à 1000
> 1000
Indicateurs de durabilité
Résultat des
essais
Classe durabilité
potentielle
Durée de vie
Porosité accessible à l’eau –
Peau (%)
13,1
Moyenne
< 30 ans
Coefficient de diffusion des
chlorures – Dapp (10-12.m2.s-1)
2,6
Elevée
50 à 100 ans
Résistivité électrique (Ω.m)
325
Elevée
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50 à 100 ans
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Estimation de la durée de vie résiduelle
Objectif : Pour les armatures en phase d’incubation, savoir en combien
de temps la corrosion s’initiera
Choix d’un modèle de prédiction
Approche classique : diffusion selon lois de Fick
Obtention d’une fonction C(x,t)
Avec C : concentration des chlorures
X : profondeur d’enrobage
T : temps
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Estimation de la durée de vie résiduelle
Différents faciès de pénétration des chlorures
Ces différents faciès correspondent à des conditions d’exposition
différentes du parement béton à l’agent agressif, exemple :
Béton armé immergé dans l’eau de mer
Béton armé en zone de marnage
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Estimation de la durée de vie résiduelle
Rappel : la corrosion d’initie lorsque le front de chlorures atteint les armatures.
Soit Xd(to) la position du front de chlorures à l’instant to
Soit t1 le temps au bout duquel le front de chlorures aura atteint la nappe
d’armatures Xd(t1) = e
La durée de vie résiduelle est ∆t = t1 – t0 dans l’exemple ci-dessus ∆t ≈ 35 ans
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Estimation de la durée de vie résiduelle
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Conclusions
L’approche perfomantielle est à la fois un outil de diagnostic et de
pronostic.
Témoins de durée de vie
• Formuler un diagnostic sur l’avancement de la corrosion dans les
différentes parties de la structure
• Estimer la proportion d’armatures en phase d’incubation ou de
propagation de la corrosion
Indicateurs de durabilité
• Evaluer les propriétés de durabilité du béton vis-à-vis de la
corrosion des armatures
• Estimer la durée de vie résiduelle du béton pour chaque
partie de la structure
Orienter le gestionnaire dans la prise de
décision sur le devenir de l’ouvrage
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Conclusions
Intérêt de l’approche performantielle pour le diagnostic :
Méthodologie d’expertise
Rigueur scientifique
Indicateurs quantifiés
Précautions :
Corrosion : phénomène électrochimique complexe
Incertitudes : méthodes de mesure, composition des bétons, seuil
d’initiation…
Béton armé = matériau hétérogène : enrobage, qualité du béton…
Perspectives :
Développement de nouvelles méthodes pour déterminer les témoins de
vie (MND)
Développement de nouveaux indicateurs de durabilité
Développement de nouveaux modèles de transfert, utilisation de
modèle prédictif plus précis couplant les phénomènes qui interagissent
entre eux
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Merci de
votre
attention
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Au 1er Janvier 2014, les 8 CETE, le Certu, le Cetmef et le Sétra fusionnent pour donner naissance au Cerema
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