Construire des Ouvrages d'Art en Béton - cotita.fr · 3 3 Durabilité du béton armé Phénomène de carbonatation le CO2 présent dans l’air pénètre dans le béton par le réseau

Construire des Ouvrages d'Art en Béton

Durabilité du béton armé

M. Dierkens (DLL)

19-20 janvier 2011

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La définition et les spécifications des bétons sont fixées par le prescripteur ; elles doivent entre autre prendre en compte :

les agressions liées à la carbonatation et à lapénétration des chlorures (en présence de sels),

la prévention des désordres dus aux gonflements internes du béton (alcali-réaction et réaction sulfatique interne),

la durabilité des bétons durcis soumis au gel en présence ou non de sels de déverglaçage.

Les caractéristiques induites sont à contrôler à l’exécution pour assurer la durabilité de l’ouvrage.

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Durabilité du béton arméPhénomène de carbonatation le CO2 présent dans l’air pénètre dans le béton par le réseau

poreux et les fissures et, en présence d’eau dans les pores, abaisse le pH (initialement de 13) de la solution interstitielle du béton à 9 par réaction avec la pâte de ciment hydratée et notamment la portlandite :

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

au fur et à mesure de la progression du front de

carbonatation, les armatures initialement protégées par une couche d’oxyde de fer (liée à l’alcalinité de la solution interstitielle) sont alors dépassivées et le phénomène de corrosion s’initie.

pH<9

Progression carbonatation

XC

pH>9

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Phénomène de carbonatation (suite) la carbonatation est maximale lorsque l’humidité

relative est modérée (cycle séchage/humidité).

après environ 30 ans, la profondeur de carbonatation dans un béton d’ouvrage peut varier de 1 à 30 mm suivantla compacité du béton, la fissuration de peau et le milieu environnant.

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La corrosion induite par carbonatation est donc fonction de : l’exposition des parements au CO2 et à l’eau

→ liée au choix de la classe d’exposition XC

la qualité du béton en place (compacité) et notamment en parement avec l’absence de ségrégation, de bullage ou de fissuration (retrait gêné, dessiccation)

→ liée à la qualité de formulation et d’exécution

l’enrobage du premier lit d’armature → lié à la valeur spécifiée et à son respect lors de l’exécution

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Phénomène de pénétration des chlorures en pénétrant dans le béton par diffusion, les chlorures

réagissent avec les hydrates (Ca(OH)2 notamment) de la pâte de ciment, ce qui conduit à la dépassivation et à la corrosion des armatures.

la pénétration des chlorures est favorisée par des cycles séchage/humidité également.

distinction entre chlorures libres sous forme ionique dans la solution interstitielle (extractibles à l’eau) et chlorures totaux (extractibles à l’acide).

seuls les chlorures libres (solubles dans l’eau) peuvent diffuser et jouer un rôle actif dans le processus de corrosion des armatures.

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Phénomène de pénétration des chlorures (suite)

on définit un seuil critique [Cl-libres]critique = 0,4% par rapport à la masse de ciment soit 0,04 à 0,1% par rapport à la masse de béton.

lorsque [Cl-libres] > [Cl-libres]critique au voisinage des armatures, le phénomène de corrosion s’initie.

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Durabilité du béton arméLa corrosion induite par la pénétration des chlorures est donc fonction de : la quantité initiale de chlorures dans le béton → liée au choix de la classe de chlorures du béton

l’exposition des parements aux chlorures et à l’eau→ liée au choix de la classe d’exposition XD ou XS,

la qualité du béton en place (compacité), et notamment en parement avec l’absence de ségrégation, de bullage ou de fissuration (retrait gêné, dessiccation)

→ liée à la qualité de formulation et d’exécution

l’enrobage du premier lit d’armature → lié à la valeur spécifiée et à son respect lors de l’exécution.

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1010


La corrosion s’accompagne généralement d’un gonflement des armatures qui génère une fissuration accrue et des éclatements du béton en parement, ce qui accélère le processus de dégradation.

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Durabilité du béton arméPhénomène d’alcali-réaction réaction entre les granulats (silice réactive) et les alcalins

(granulats, ciment, eau, adjuvants) en présence d’humidité formation de gel propriété gonflante : détérioration interne du matériau et des

structures

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La démarche préventive concernant l’alcali-réaction (RAG) est définie dans les recommandations LCPC de juin 1994 (rappelées à l’article NA.5.2.3.4 de la norme NF EN 206-1).→ choix du prescripteur

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La démarche préventive concernant l’alcali-réaction se fait en 2 temps : détermination du niveau de prévention à atteindre parmi 3

niveaux (A,B ou C), le choix dépendant de : la catégorie de l’ouvrage définie par le maître d’ouvrage, la classe d’exposition du béton à l’environnement

climatique. orientation vers la (ou les) solution(s) possible(s) au regard

des précautions liées au niveau de prévention retenu.

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Durabilité du béton armé Catégorie d’ouvrage RAG (ou de partie d’ouvrage)

I : - éléments non porteurs des bâtiments - ouvrages provisoires ou facilement remplaçables - produits préfabriqués non structurels

II : la plupart des bâtiments et des ouvrages de génie civil

III : ouvrages de génie civil où le risque est inadmissible : centrale nucléaire, barrage, tunnel, pont ou viaduc exceptionnel, monument ou bâtiment de prestige

Classe d’exposition RAG

1 : sec ou peu humide (Hr < 80%)

2 : Hr > 80% ou en contact avec l’eau, avec ou sans gel

3 : Hr > 80% avec gel et fondants

4 : marin

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Détermination du niveau de prévention alcali-réaction nécessaire (choix à spécifier par le prescripteur) :

Classe d’expositionCatégorie d’ouvrage

I

II

III

1 2 3 4

A A A A

A B B B

C C C C

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Durabilité du béton arméNiveaux de prévention alcali-réaction : niveau A : pas de précaution particulière niveau B : précautions particulières granulats NR ou bilan des alcalins satisfaisant ou formulation avec références d’emplois ou formulation avec présence d’additions minérales

inhibitrices en proportion suffisante ou granulats PRP avec conditions particulières satisfaites ou essai de performance satisfaisant (NF P 18-454)

niveau C : précautions exceptionnelles granulats NR, ou granulats PRP avec conditions

particulières satisfaites, ou essai de performance satisfaisant

(NF P 18-454 et FD P 18 456).

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Durabilité du béton arméBilan des alcalins satisfaisant si : CEM I, CEM II et CEM V : bilan des alcalins contenus dans l’ensemble des constituants

du béton : Tmoy < 3,5 / (1+2Vc) kg/m3,

avec Vc = coefficient de variation de teneur en alcalins du ciment (valeurs sur 12 mois)

et Tmax < 3,5 kg/m3,

Rq : en l’absence de données statistiques (Vc), on retiendra :Tmoy < 3,0 kg/m3 et Tmax < 3,3 kg/m3 .

CEM III/A ou B : ciment avec plus de 60% de laitier et teneur en alcalins du ciment < 1,1%,

CEM III/C : ciment avec plus de 80% de laitier et teneur en alcalins du ciment < 2,0%.

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Phénomène de réaction sulfatique interne réaction entre les ions sulfate de la solution interstitielle du

béton et les aluminates du ciment plusieurs mois voire plusieurs années après la prise du ciment.

formation différée d’ettringite. propriété gonflante :

détérioration internedu matériau et desstructures.

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Durabilité du béton arméPhénomène de réaction sulfatique interne (suite) principaux paramètres de la réaction : eau et humidité (réaction et processus de transfert), température et durée de maintien lors de la prise et du

durcissement (fonction de la géométrie de la pièce), teneur en sulfates et en aluminates du ciment, teneur en alcalins du béton (rôle sur la solubilité de l’ettringite).

pièces critiques : pièces massives pour lesquelles la chaleur dégagée n’est que

très partiellement évacuée vers l’extérieur et conduit à une élévation importante de la température du béton,

pièces coulées en période estivale, pièces préfabriquées ayant subi un traitement thermique très

élevé (étuvage).

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La démarche préventive concernant la réaction sulfatique interne (RSI) est définie dans les recommandations LCPC d’août 2007.

La norme NF EN 206-1 garantitla durabilité de la structurevis-à-vis des agressionsextérieures, donc de la RSE,via le choix des classesd’exposition mais pas de la RSI→ spécification complémentairepar le prescripteur.

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La démarche préventive concernant la réaction sulfatique interne se fait en 2 temps : détermination par partie d’ouvrage (notamment pour les

pièces critiques) du niveau de prévention à atteindre parmi 4 niveaux (As, Bs, Cs ou Ds), le choix du niveau étant fonction de : la catégorie de l’ouvrage définie par le maître d’ouvrage, la classe d’exposition vis-à-vis de la RSI.

orientation vers la (ou les) solution(s) possible(s) au regard des précautions liées au niveau de prévention retenu.

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Durabilité du béton armé Catégorie d’ouvrage RSI (ou de partie d’ouvrage)

I : conséquences faibles ou acceptables : éléments non porteurs des bâtiments, ouvrages provisoires ou facilement remplaçables, produits préfabriqués non structurels

II : conséquences peu tolérables : éléments porteurs des bâtiments et des ouvrages de génie civil, produits préfabriqués structurels

III : conséquences inacceptables : centrale nucléaire, barrage, tunnel, pont ou viaduc exceptionnel, monument ou bâtiment de prestige, traverse de chemin de fer

Classe d’exposition RSIXH1 : sec ou humidité modérée

XH2 : alternance d’humidité et de séchage, humidité élevée

XH3 : en contact durable avec l’eau

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Détermination du niveau de prévention concernant la réaction sulfatique interne nécessaire (choix à spécifier par le prescripteur) :

classe d’exposition

catégorie d’ouvrage XH1 XH2 XH3

Irisque faible ou acceptable

As As As

IIrisque peu tolérable

As Bs Cs

IIIrisque inacceptable

As Cs Ds

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Durabilité du béton arméNiveaux de prévention RSI : niveau As : Tmax < 85°C,

niveau Bs : Tmax < 75°Cou 85°C avec respect d’ 1 des 6 conditions suivantes : traitement thermique maîtrisé avec une durée de maintien de la

température du béton au delà de 75°C < 4 heures et avec alcalins du béton < 3 kg/m3 ,

ou pour les éléments préfabriqués, utilisation de ciment ES, avec alcalins du béton < 3 kg/m3 pour CEM I et CEM II/A

ou pour les bétons de pièces critiques coulés en place, utilisation de ciment ES, excepté les ciments CEM I, CEM II/A-L et CEM II/A-LL

ou utilisation de ciment non ES du type CEM II/B-V, CEM II/B-S, CEM II/B-Q, CEM II/B-M (S-V), CEM III/A ou CEM V dont C3A < 8% et SO3 < 3%,

ou utilisation de ciment CEM I dont C3A < 8% et SO3 < 3% avec au moins 20% de cendres volantes, de laitiers de haut fourneau moulus ou de pouzzolanes naturelles calcinées,

ou essai de performance satisfaisant (méthode d’essai lpc n°66).

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Niveaux de prévention RSI (suite) : niveau Cs : Tmax < 70°C

ou 80°C avec respect d’ 1 des 6 conditionsprécédentes en remplaçant 75°C ← 70°C,

niveau Ds : Tmax < 65°C de préférence

ou 75°C avec respect simultané des 2 conditions suivantes : pour les éléments préfabriqués, utilisation de ciment ES

avec avec alcalins du béton < 3 kg/m3 pourCEM I et CEM II/A,

pour les bétons de pièces critiques coulées en place, utilisation d’un ciment ES excepté les ciments CEM I, CEM II/A-L et CEM II/A-LL.

validation de la formulation par un laboratoire expert.

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Durabilité du béton arméPhénomène d’attaque gel-dégel avec ou sans sels de déverglaçage

présence d’eau non combinée dans le réseau de capillaires du béton.

gel de l’eau vers - 3 à - 4°C (gros capillaires). pression hydraulique sur l’eau des petits capillaires restée à

l’état liquide, du fait de l’augmentation de volume (9%) lors de la transformation d’eau en glace.

+ pression osmotique liée à la diffusion des sels de

déverglaçage dans le milieu interstitiel de la peau du béton.

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Durabilité du béton arméPhénomène d’attaque gel-dégel avec ou sans sels de déverglaçage (suite) lorsque les pressions hydrauliques et/ou osmotiques

deviennent supérieures à la résistance à la traction du béton, celui-ci se fissure : fissuration dans la masse (feuilletage parallèle aux faces) ou écaillage de surface.

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Recommandations établies par le LCPC en décembre 2003 pour les ouvrages de génie civil (visées à l’article NA.5.3.1 de la norme NF EN 206-1). Ces recommandationsrenforcentles prescriptions de lanorme NF EN 206-1(classe exposition XF)→ spécification complémentairepar le prescripteur.

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Les recommandations sont liées à la classification de l’environnement qui dépend de : la classe de gel le degré de saturation en eau du béton (humidité, surface

verticale/horizontale, exposition pluie) l’exposition au salage

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Durabilité du béton arméCarte de gel (NA.4.1 NF EN 206-1 ; voir FD P 18 326)

sévère : plus de 10 jours par an avec température < -10°C

faible : moins de 3 jours par an avec température < -5°C : (non concerné par les recommandations)

modéré : entre faible et sévère

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Carte de salage

RecommandationsLCPC Gel –Guide SETRADOVH (itinéraires structurants)

H1 : salage peu fréquentH2 : salage fréquentH3 et H4 : salage très fréquent

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grisé : recommandations LCPC pour la durabilité des bétons durcis soumis au gel

autre : pas d’exigence complémentaire

choix du type de béton

type de gel

modéré sévère

type de salage

peu fréquent(H1 ou n < 10 j)

béton approprié(XF1)

béton G(XF3)

fréquent(H2 ou

10 j ≤ n < 30 j)

béton approprié(XD3)

+ teneur en air ≥ 4% pour les éléments très exposés (XD3+XF2)

béton G+S(XF4)

très fréquent(H3+H4

ou n ≥ 30 j)

béton G+S(XF4)

béton G+S(XF4)

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Ces recommandations (G ou G+S) portent sur : prescription de moyens : caractéristiques des constituants, formulation du béton (Eeff/C et dosage en ciment pour

une bonne compacité, emploi d’un entraîneur d’air pour créer un réseau de bulles d’air adapté pour les bétons de classe de résistance < C50/60).

prescription d’objectifs de résultat : caractéristiques de résistance mécanique, résistance au gel interne (facteur d’espacement si air

entraîné compris entre 4 et 8% ou essai de performance), résistance à l’écaillage.

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Durabilité du béton arméCe qui se traduit en étude ou convenance par :

caractéristiques béton G béton G+S

caractéristiques des granulats adaptées adaptées

type et classe du ciment CEM I ouCEM II/A et B

sauf CV

CEM I ouCEM II/A (S, D)

PM ou ESdosage minimal du ciment pour un béton armé ou

précontraint 0/20385 kg/m3 (*) 385 kg/m3 (*)

emploi entraîneur d’air obligatoire pour béton < C50/60

obligatoire pour béton < C50/60

rapport Eeff/C (C = ciment ou liant recomposé pour les bétons G)

≤ 0,50 ≤ 0,45

Résistance caractéristique en compression (cylindre) ≥ 30 MPa ≥ 35 MPa

facteur d'espacement L (ASTM C 457)avec air entraîné compris entre 4 et 8%

≤ 250 µm ≤ 200 µm

Ecaillage (XP P 18-420) sans objet ≤ 600 g/m²

allongement relatif (NF P18-424 et NF P18-425) ≤ 400 µm/m ≤ 400 µm/m

rapport des carrés des fréquences de résonance(P 18-414)

≥ 75 ≥ 75

(*) : peut être abaissé à 350 (G) et 370 (G+S) si essai de performance

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caractéristiques Béton G

type de ciment CEM III/A ou B

résistance caractéristique en compression (cylindre)

≥ 30 MPa

facteur d’espacement à déterminerutilisé pour le suivi du chantier

allongement relatif (NF P18-424 et NF P18-425)

≤ 400 µm/m

rapport des carrés des fréquences de résonance (P 18-414)

≥ 75

Cas des CEM III (Application de l’approche performantielle : Recommandations provisoires LCPC)


3636

FIN

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