(COTITA-2011) Présentation VBB (13-11-11) (V)

1V. Baroghel-Bouny (IFSTTAR) Journée COTITA, 15 nov. 2011, Lyon, France

Approche performantielle et prédictive dela durabilité des structures en béton (armé)

fondée sur les indicateurs de durabilité

Véronique Baroghel-BounyAdjoint au Chef du Département Matériaux - Chef du Groupe "MDM"

Université Paris Est - IFSTTARParis - France

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Journée COTITA Centre-Est "Approche performantielle et évolutions normatives"

15 nov. 2011, Lyon, France


1 - Introduction : nouvelle approche de la durabilité

2 - Indicateurs de durabilité : définitions, caractéristiques et pertinence

3 - Classes associées aux indicateurs de durabilité - Exemples d'évaluation de la durabilité "potentielle" (vis-à-vis de la corrosion des armatures)

4 - Spécifications performantielles, en fonction du type d'environnement et de la durée de vie exigée

5 - Prédiction de la durée de vie des structures : témoins de durée de vie et modélisation "multi-niveaux"

6 - Conclusion : boîte à outils pour l'évaluation et la prédiction de la durabilité

Plan


1 - EXEMPLES DE DÉGRADATIONS DE STRUCTURES EN BÉTON (ARMÉ)

Corrosion

Alcali-réaction

Pont en bord de mer

Ecaillage

Corps d'épreuve exposé au gel et aux sels

[Baroghel-Bouny, TI, 2005]

[AFGC, 2004][Baroghel-Bouny et al., BLPC, 2004]

la durabilité ... question essentielle !


matériau Évaluation de la durabilité "potentielle" d'un béton armésur la base de mesures sur éprouvettes de laboratoire + d'unsystème de classes comparaison et classement de bétons

( sélection ou optimisation de formules, contrôle qualité, ...)

1

1 - LES DIFFÉRENTS OBJECTIFS DE L'ÉVALUATION DE LA DURABILITÉ


Évaluation de la durabilité "potentielle" d'un béton armésur la base de mesures sur éprouvettes de laboratoire + d'unsystème de classes comparaison et classement de bétons


1

2


Conception de bétons pour une durabilité prédéfinie Qualification de formules de béton pour une structure donnée

sur la base de critères performantiels (spécifications) cahiers des charges, règlements de conception, normes, ...


Prédiction de la durée de vie d'une structure (phase de concept.) Diagnostic et prédiction de la durée de vie résiduelle

de structures existantes (éventuellement dégradées) contrôle in situ décision de réparation ou d'extension de la durée de service

Conception de bétons pour une durabilité prédéfinie Qualification de formules de béton pour une structure donnée

sur la base de critères performantiels (spécifications) cahiers des charges, règlements de conception, normes, ...

Évaluation de la durabilité "potentielle" d'un béton armésur la base de mesures sur éprouvettes de laboratoire + d'unsystème de classes comparaison et classement de bétons


1

2

3


Approche multi-niveaux

Modèle

s prédic

tifs


Équivalence de performance (approches intermédiaires) CEN/TC104/SC1/TG17: "the impossible European consensus story !"

Approches prescriptives (normes actuelles) : classes d'expo., obligationmoyens (E/L max., teneur ciment min., enrobage min., ouverture fissure max., ...) formules à haute teneur en add. ? nouveaux matériaux ? innovation ? NON flexibilité sur les marges de sécurité ? optimisation éco.? NON durée de vie ? 50 ans fondements ? empiriques

1 - ÉVALUATION DE LA DURABILITÉ : OUTILS DISPONIBLES / REQUIS

Approche performantielle et prédictive

EN 206-1

Besoins actuels : durabilité à (très) long terme (ouvrages spéciaux) renforcer le lien entre formulation & durée de vie (structure) faciliter l'utilisation de bétons "verts" + assurer la durabilité aider au diagnostic et optimiser le suivi des structures

ACV

CEN FNTP Pas de détermination directe !

Applications limitées !


1 - APPROCHE FONDÉE SUR LES INDICATEURS DE DURABILITÉ

Référence : document AFGC (état de l'art + guide) [AFGC, 2004], [AFGC, 2007]"Conception des bétons pour une durée de vie donnée des ouvrages"

Principaux objectifs et applications : évaluation de la durabilité "potentielle" conception de bétons pour une durée de vie donnée de l'ouvrage prédiction de la durée de vie / suivi des structures existantes

Boîte à outilsDurabilité

approche globale, performantielle, multi-niveaux & prédictive de la durabilité

durabilité à (très) long terme (ouvrages spéciaux) renforcer le lien entre formulation & durée de vie (structure) faciliter l'utilisation de bétons "verts" + assurer la durabilité aider au diagnostic et optimiser le suivi des structures

ACV


1 - APPROCHE FONDÉE SUR LES INDICATEURS DE DURABILITÉ

Référence : document AFGC (état de l'art + guide) [AFGC, 2004], [AFGC, 2007]"Conception des bétons pour une durée de vie donnée des ouvrages"

Principaux objectifs et applications : évaluation de la durabilité "potentielle" conception de bétons pour une durée de vie donnée de l'ouvrage prédiction de la durée de vie / suivi des structures existantes

approche globale, performantielle, multi-niveaux & prédictive de la durabilité

"Maîtrise de la durabilité des ouvrages d’art en béton - Application de l’approche performantielleRecommandations provisoires "

guide pour l'application aux ouvrages d'art courants

[LCPC, 2010]


1 - AVANTAGES DE LA NOUVELLE APPROCHE DE LA DURABILITÉ DANS LE CONTEXTE DU DÉVELOPPEMENT DURABLE

Viser des niveaux de performance à atteindre permet de tirer pleinement parti des possibilités désormais offertes par les

nouveaux concepts de formulation (B(T)HP, BAP, forts % d'add. minérales, combi. d'add.),sortant du champ couvert par les normes usuelles

solutions innovantes (matériaux et structures "verts" & éco., composites, ...)

plus de liberté pourle concepteur






Approche globale prise en compte de la durabilité (matériau + structure) à long terme (durée de

vie), dès la phase de conception prévision & réduction coûts (gros entretien, réparation, ...), ...

prise en compte de critères éco., sociaux, environnementaux, esthétiques, ... gain au niveau de la qualité de vie, de l'insertion dans site nat. ou tissu urbain

durée de vie spécifiée










Spécifications performantielles relatives à la durabilité prise en compte de l'aspect "durabilité" dans les textes et projets matériaux (et structures) optimisés pour répondre à un cahier des charges durée de vie + longue, nouveaux types de projets, architecture de demain, ... garantie de durée de vie (& sécurité) avec des ss-produits et sans surcoût

Contribution au développement durable











Spécifications performantielles relatives à la durabilité prise en compte de l'aspect "durabilité" dans les textes et projets matériaux (et structures) optimisés pour répondre à un cahier des charges durée de vie + longue, nouveaux types de projets, architecture de demain, ... garantie de durée de vie (& sécurité) avec des ss-produits et sans surcoût

Retour sur investissement supérieur




Coût ?

Durabilité ?

Cycles de gel-dégel + sels

• Pénétration des Cl-• Carbonatation

• Alcali-réaction• Réactions sulfatiques

Corrosion des armatures

+ dégradations du béton

• Gonflement• Ecaillage

Gonflement + fissuration

Cycles d'humidification-séchage

++ …

+ …dégradations

1 - LA DURABILITÉ : PROBLÉMATIQUE GÉNÉRALE

processus physico-

chimiques(couplés)

[Baroghel-Bouny, OA 63, 2008]


Coût ?




Propriétés de transport+ interactions fluide-matrice




++ …

+ …dégradations


Microstructure

Durabilité ?



processus physico-

chimiques(couplés)










++ …

+ …dégradations


Coût ?

Microstructure

Durabilité ?



Indicateurs de durabilité

processus physico-

chimiques(couplés)










++ …

+ …dégradations

processus physico-

chimiques(couplés)


Témoins de durée de vie


Coût ?

Microstructure

Durabilité ?











Plan


Pertinence théorique paramètres-clés (matériau) pour laquantification (équations) et la prédiction (modèles) de la durabilité

Détermination fiable et facile au moyen d'essais de laboratoire validés(précision, reproductibilité, ..., adéquates), sur éprouvettes de laboratoireou sur prélèvements

indicateurs généraux (universels) valables pour différents types de dégradation

2 - INDICATEURS DE DURABILITÉ : DÉFINITIONS ET CARACTÉRISTIQUES

1





teneur (initiale) en portlandite Ca(OH)2

porosité (accessible à l'eau) coef. de diffusion (app. ou eff.) des ions (Cl-) perméabilité à l'eau liquide perméabilité aux gaz

1


propriétés de transport

Selection

[AFGC, 2004]





indicateurs spécifiques à un processus de dégradation donné (alcali-réaction, dégradations dues au gel, ...)

1

2







paramètres complémentaires (optionnels)

1

2


3

seuls quelques paramètres sont requis ...






paramètres complémentaires (optionnels)

1

2


3

le même panel est utilisé pour différents objectifs


2 - PERTINENCE THÉORIQUE DE LA TENEUR EN Ca(OH)2

Agressions chimiques d'origine externeCa(OH)2 forte solubilité très sensible aux agressions chimiques externes (attaques acides) lixiviation (effet négatif)

Alcali-réactionCa(OH)2 source d'ions Ca++

rôle important dans la précipitation de produits expansifs (effet négatif)

Corrosion des armaturesDans un matériau sain : NaOH + KOH + Ca(OH)2 pH 13,5Réserve de Ca(OH)2 effet tampon (pH = 12,4) dans solution interstitielle maintien d'un pH basique assurance et maintien de la passivation des armatures (effet positif)or Ca(OH)2 est le ppal produit d'hydratation touché par la carbonatation teneur en Ca(OH)2 donnée d'entrée des modèles de carbonatation

teneur en Ca(OH)2 : indicateur de durabilité général(mesurée par ATG [LPC n°58, 2002])


2 - PERTINENCE DE LA POROSITÉ ACCESSIBLE À L'EAU

Évaluation de la qualité générale du matériau (paramètre global)

Contrôle de la production de bétons ayant des caractéristiques prédéfinies

Calcul d'autres indicateurs de durabilité

Spécifications de durabilité limitées à des seuils sur ce paramètre dans lecas [formule simple + ouvrage-type + environnement peu agressif + durée de vie courte]

Prédiction de la durée de vie (données d'entrée de tous les modèles, ...)

Détermination facile : pesée hydrostatique [NF P18-459]


2 - PERTINENCE DE LA POROSITÉ ACCESSIBLE À L'EAU

Évaluation de la qualité générale du matériau (paramètre global)

Contrôle de la production de bétons ayant des caractéristiques prédéfinies

Calcul d'autres indicateurs de durabilité

Spécifications de durabilité limitées à des seuils sur ce paramètre dans lecas [formule simple + ouvrage-type + environnement peu agressif + durée de vie courte]

Prédiction de la durée de vie (données d'entrée de tous les modèles, ...)

Détermination facile : pesée hydrostatique [NF P18-459]

100(sat)M(sat)M

(sec)M(sat)MPeauair

airaireau

Peau (en %)

calcul de la porosité

Peau : indicateur de durabilité général


2 - COEFFICIENTS DE DIFFUSION DES IONS Cl- : PERTINENCE THÉORIQUE

paramètres-clés dans les lois décrivant la pénétration des ions Cl-Deff : "pure" propriété de transport (1ère loi de Fick ou éq. de Nernst-Planck)Dapp : prend en compte les interactions (2ème loi de Fick) description réaliste

modèles physiques

modèles empiriques



Relation théorique entre les coefficients "effectif" et "apparent" :

Peau : porosité à l'eau : masse volumique

Deff et Dapp : indicateurs de durabilité

le choix entre Dapp et Deff dépendra de l'objectif de l'investigation et de l'utilisation que l'on souhaite faire de ce paramètre dans la pratique

appf

beff Ddc

dmρPD eau

[Cl- "libres"]

[Cl- liés]

"isotherme" d'interaction




Relation théorique entre les coefficients "effectif" et "apparent" :

Peau : porosité à l'eau : masse volumique

Deff et Dapp : indicateurs de durabilité

le choix entre Dapp et Deff dépendra de l'objectif de l'investigation et de l'utilisation que l'on souhaite faire de ce paramètre dans la pratique

appf

beff Ddc

dmρPD eau

[Cl- "libres"]

[Cl- liés]

"isotherme" d'interaction

Capacité de fixation des Cl-

paramètre complémentaire spécifique à la corrosion initiée par les Cl-



Migration en régime station. Deff (pente) ex. [NT Build 335, 1997] Dapp (time-lag)3 techniques : titrage "aval" ou "amont", conductivimétrie "aval"

Migration en régime non-station. Dapp + capacité de fixation + Peau Deff

ex. [NT Build 492, 1999]

Diffusion en régime non-station. Dapp + capacité de fixation + Peau Deff

ex. [LPC n°58, 2002], [XP CEN/TS 12390-11, 2010]2 méthodes : profil (prélèvements + extraction + dosage des Cl-) et colorimétrie (test AgNO3)

Mesure de la résistivité électrique (r) Deff = a / rex. [norme espagnole, recom. RILEM, ...]

2 - COEF. DE DIFF. DES Cl- : MÉTHODES DE DÉTERMINATION EN COND. SAT. [Baroghel-Bouny et al.,CCC, 2009]


Migration en régime station. Deff (pente) ex. [NT Build 335, 1997] Dapp (time-lag)3 techniques : titrage "aval" ou "amont", conductivimétrie "aval"

Migration en régime non-station. Dapp + capacité de fixation + Peau Deff

ex. [NT Build 492, 1999]

Diffusion en régime non-station. Dapp + capacité de fixation + Peau Deff

ex. [LPC n°58, 2002], [XP CEN/TS 12390-11, 2010]2 méthodes : profil (prélèvements + extraction + dosage des Cl-) et colorimétrie (test AgNO3)

Mesure de la résistivité électrique (r) Deff = a / rex. [norme espagnole, recom. RILEM, ...]

différentes méthodes sont à disposition(directes ou par l'intermédiaire d'autres paramètres)

indicateur de substitution

2 - COEF. DE DIFF. DES Cl- : MÉTHODES DE DÉTERMINATION EN COND. SAT.

R

2 kg

éprouvette

0 ?

[Baroghel-Bouny et al.,CCC, 2009]


Loi de Darcy (étendue)gradient de pression

viscosité dynamique du fluide

pS)(kv rl kliq

perméabilité relative

kliq : indicateur de durabilité général

taux de saturationmoy. de l'épr. de matériau

Vitesse de filtration

perméabilité "intrinsèque" du matériau (saturé)

2 - PERTINENCE THÉORIQUE DE LA PERMÉABILITÉ À L'EAU LIQUIDE




3 - Classes associées aux indicateurs de durabilité -Exemples d'évaluation de la durabilité "potentielle" (vis-à-vis de la corrosion des armatures)




Plan


Durabilité "potentielle" Indicateur général

Très faible (TF)

Faible

(F)

Moyenne

(M)

Elevée

(E)

Très élevée (TE)

Porosité accessible à l'eau Peau (%) > 16 14 à 16 12 à 14 9 à 12 6 à 9 Coef. de diffusion "effectif" des Cl- Deff (10-12 m2.s-1) > 8 2 à 8 1 à 2 0,1 à 1 < 0,1 Coef. de diffusion "apparent" des Cl- (mesuré par essai de migration) Dapp(mig) (10-12 m2.s-1)

1 à 5 < 1

Coef. de diffusion "apparent" des Cl- (mesuré par essai de diffusion ns) Dapp(dif) (10-12 m2.s-1)

> 50 10 à 50 5 à 10 < 5

Perméabilité "apparente" aux gaz Kapp(gaz) (10-18 m2) (à S=0) > 1000 300 à 1000 100 à 300 30 à 100 < 30

Perméabilité intrinsèque à l'eau liq. kliq (10-18 m2) (à S=1) > 10 1 à 10 0,1 à 1 0,01 à 0,1 < 0,01

Teneur initiale en Ca(OH)2 (% par rapport à la masse de ciment) < 10 10 à 13 13 à 20 20 à 25 25

3 - CLASSES ASSOCIÉES AUX INDICATEURS DE DURABILITÉ GÉNÉRAUX(PRÉVENTION DE LA CORROSION DES ARMATURES)

Coef. de diffusion des Cl-

[valeurs moy. - Mesures sur éprouv. conservées préalablement dans l'eau (âge 90 j)]

M.O.bien définis

avec

l'écart-type

adéquat

Évaluation de la durabilité "potentielle" d'un béton armé donné

[Baroghel-Bouny, RILEM, 2007][Baroghel-Bouny et al., ConcreteLife'06, 2006]




Très faible (TF)

Faible

(F)

Moyenne

(M)

Elevée

(E)

Très élevée (TE)


1 à 5 < 1


> 50 10 à 50 5 à 10 < 5






M.O.bien définis

qqs autres syst. de classes dispo. dans la littérature (basés sur des param. de labo. ou in-situ)[ASTM C 1202-94], [Nilsson et al., 1998], [Torrent, 1999], [Bamforth et al., 2002] RILEM Workshop 2006[Ferreira, 2003], [du Preez & Alexander, 2004] [Bickley et al. report, 2006]

[RILEM, PRO 41, 2007] Évaluation de la durabilité "potentielle" d'un béton armé donné

[valeurs moy. - Mesures sur éprouv. conservées préalablement dans l'eau (âge 90 j)]

avec

l'écart-type

adéquat





Très faible (TF)

Faible

(F)

Moyenne

(M)

Elevée

(E)

Très élevée (TE)


1 à 5 < 1


> 50 10 à 50 5 à 10 < 5




selon chaque indicateur déterminé1



Évaluation de la durabilité "potentielle" d'un béton armé donné[valeurs moy. - Mesures sur éprouv. conservées préalablement dans l'eau (âge 90 j)]






sur la base d'une appréciation globale2

selon chaque indicateur déterminé1

Évaluation de la durabilité "potentielle" d'un béton armé donné[valeurs moy. - Mesures sur éprouv. conservées préalablement dans l'eau (âge 90 j)]


Très faible (TF)

Faible

(F)

Moyenne

(M)

Elevée

(E)

Très élevée (TE)


1 à 5 < 1


> 50 10 à 50 5 à 10 < 5




complémentaritédes I.D.




4

6

8

10

12

14

16

18

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130Résistance moyenne à la compression à 28 jours (MPa)

Poro

sité

acc

essi

ble

à l'e

au (%

) 28 jours45 jours56 jours90 jours

TF

F

M

E

TE

Corrélation entre porosité et résistance :Peau des B20 aux BHP avec FS tels que Rmoy.28 > 90 MPa (Peau<10%)

BHP durabilité "potentielle" élevée ou très élevée

3 - EXEMPLE : POROSITÉ ACCESSIBLE A L'EAU

BO BHP


âge

classes

Résultats obtenus par pesée hydrostatique sur éprouvettes de bétons (après conservation dans l'eau)

durabilité"potentielle"

[NF P18-459]

[AFGC, 2004]


0,0

0,1

1,0

10,0

100,0


Coef

. de

diff.

app

aren

t des

Cl-

(10-1

2 m2 .s

-1)

28 jours90 jours180 jours

M

F

E

TE

BHP

3 - EXEMPLE : COEFFICIENT DE DIFFUSION "APPARENT" DES Cl-

Résultats obtenus par essai de migration en régime non-stationnaire sur des bétons saturés (après conservation dans l'eau)

Âge

classes

Dns(mig) (3 ordres de grandeur) entre bétons bas de gamme (20-25 MPa)et BHP avec FS BHP durabilité "potentielle" élevée ou très élevée

mais déviation par rapport à une relation simple entre Dns(mig) et Rmoy.28


M120FS

M25 TF


0,0

0,1

1,0

10,0

100,0


Coef

. de

diff.

app

aren

t des

Cl-

(10-1

2 m2 .s

-1)

28 jours90 jours180 jours

M

F

E

TE

BHP

CV même durabilité "potentielle" que BHP

3 - EXEMPLE : COEFFICIENT DE DIFFUSION "APPARENT" DES Cl-

Résultats obtenus par essai de migration en régime non-stationnaire sur des bétons saturés (après conservation dans l'eau)

La résistance mécanique est insuffisante pour évaluer la durabilité"potentielle" d'un BA (notamment avec additions pouzzo.) et pour qualifier une formule pertinence d'une approche performantielle et des ID choisis

Âge

(20 à 30%)


M120FS

M25 TF


0,01

0,1

1

10

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130Average 28-day compressive strength (MPa)

Effe

ctive

Cl- d

if. co

ef. (

10-12

m2 .s-1 )

with FACEM III/AHPCs with SF

M

L

H

VH

HPCs

3 - EXEMPLE : COEFFICIENT DE DIFFUSION "EFFECTIF" DES Cl-

Résultats obtenus par essai de migration en régime stationnaire sur des bétonssaturés (après conservation dans l'eau)

classes

laitier(62%)

(20 à 35%)CV

formules avec CV (20 à 35%) ou laitier (62%) Deff + faible

pas d'effet pour 39% CV (âge=4m) effet faible pour 43% laitier (âge=8m)

CV (39%)

laitier(43%)

avec âge

conception de bétons

pour une durabilitéprédéfinie

bénéfice des add. àune Rmoy.28 donnée

Ajouterdes FS !

Coe

f. de

dif.

effe

ctif

des

Cl-

(10-

12m

2 .s-1

)

Résistance moy. à la comp. à 28 jours (MPa)

BHPM120FS

M25F

M

E

TEavec CVCEM III/ABHP avec FS

[Baroghel-Bouny et al., CCC, 2011]


0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

CFA (4-7m

)B30-

III/C BO-IIILR

77-3-II

IM30F

AB50F

AB60S

F-EALR

59-2b

M75-EAM75

LR59-

1-III

B80SF-S

M75SF

B80SF-CEf

fect

ive

Cl- d

if. c

oef.

(10-1

2 m

2 .s-1

) ss mig. testnss mig. test [kd=0]nss dif. testresistiv ity meas.

HPCs

Increasing 28-d c.s.

H

VH

0

1

2

3

4

5

6

M25(90d)

CFA (1-4m)

B30(3y)

B45(6m)

BO-I(8m)

BO-VB(2y)

M50(90d)

Effe

ctive

Cl- d

if. co

ef. (

10-12

m2 .s-1 ) ss mig. testnss mig. test [kd=0]nss dif. testresistivity meas.


M

L

des méthodes simples & rapides permettent de déterminer Deff avecune précision suffisante, même dans le cas des bétons avec additions

Résultats similaires (pour une large gamme de bétons) Même classe de durabilité "potentielle"

(excepté qd résultats très proches d'une limite entre classes)quelle que soit la méthode(différences acceptables / précisionde l'essai)

25 MPa 87 MPa


Comparaison entre différentes méthodes (bétons saturés après cons. dans l'eau)

Deff ≥ 1 (classes F & M) Deff < 1 (classes E & TE)

E

TE

F


BHP


0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

CFA (4-7m

)B30-

III/C BO-IIILR

77-3-II

IM30F

AB50F

AB60S

F-EALR

59-2b

M75-EAM75

LR59-

1-III

B80SF-S

M75SF

B80SF-CEf

fect

ive

Cl- d

if. c

oef.

(10-1

2 m

2 .s-1

) ss mig. testnss mig. test [kd=0]nss dif. testresistiv ity meas.

HPCs


H

VH

0

1

2

3

4

5

6

M25(90d)

CFA (1-4m)

B30(3y)

B45(6m)

BO-I(8m)

BO-VB(2y)

M50(90d)

Effe

ctive

Cl- d

if. co

ef. (

10-12

m2 .s-1 ) ss mig. testnss mig. test [kd=0]nss dif. testresistivity meas.


M

L

BHP ou bétons avec add. (âge > 90 d) Deff très faible durabilité "pot." élevée ou très élevée

incorporation de FS dans les BHP Deff

bétons avec CV effet bénéfique avec l'âge (ex. CFA - 35% CV)

25 MPa87 MPa

Efficacité des BHP & bétons avec additions pour limiter le transport des Cl-

35% CV

Deff ≥ 1 (classes F & M) Deff < 1 (classes E & TE)

E

TE

F


Comparaison entre différentes méthodes (bétons saturés après cons. dans l'eau)

35% CV


BHPBHP ou bétonsavec additions


10

100

1000

10000


Perm

éabi

lité

appa

rent

e au

x ga

z (1

0-18 m

2 )

28 jours90 jours

TE

E

M

TF

F

Kapp(gaz)(à S=0) (de plusieurs ordres de grandeur) des bétons bas de gamme (20-25 MPa) aux BHP avec FS

3 - EXEMPLE : PERMÉABILITÉ AUX GAZ "APPARENTE"

Résultats sur bétons après conservation dans l'eau et étuvage à T= 105 ± 5 °C

BHPâge

Mode opératoire AFPC-AFREMS = 0

classes


[RGCU, 2007]

CVM120FS

M75

M25

(P = 0.2 MPa)

M75FS


10

100

1000

10000


Perm

éabi

lité

appa

rent

e au

x ga

z (1

0-18 m

2 )

28 jours90 jours

TE

E

M

TF

F

0

5

10

15

20

25

30

35

40

10 100 1000 10000 100000 1000000

Rayon des pores (Å)

V/

log(

r) (m

m3 .Å

-1.g

-1)

B80 avec FS

B80 avec FS et AE ... mais dispersion des résultats : par ex. influence négative sur les BHP de

présence d'AEA

3 - EXEMPLE : PERMÉABILITÉ AUX GAZ "APPARENTE"

Résultats sur bétons après conservation dans l'eau et étuvage à T= 105 ± 5 °C

Rayon des pores (Å)

BHP

28 jours

âge

[RGCU, 2007]

M120FS

M75

M25


connectivité du réseau des vides

AEA durabilité"potentielle" faible

AEA

(P = 0.2 MPa)Mode opératoire AFPC-AFREMS = 0

Distributions porales PIM

M75FS

M75-EAM75FS-EA

M75FSM75FS-EA


Bétons (classés selon

Rmoy.28)

E/C E/liant Rmoy.28

(MPa)

Peau ou PHg (%)

Kapp(gaz) (S = 0)

(10-18 m2)

Dns(mig) ou Dns(dif)

(*) (10-12 m2.s-1)

Durabilité "potentielle"

globale(1) M25CVEA 0,84 0,67 20,5 16,4 390 5,8 F M25CV 0,96 0,77 23,5 15,7 206 9,5 M M25 0,84 0,84 24,5 16,1 978 30,0 F M25EA 0,70 0,70 26,8 13,7 148 22,4 M B30 0,43 0,43 39,0 10,7(Hg) 270 17,5 M B32 0,44 0,44 46,5 11,8 217 8,6(*) M M30CV 0,74 0,52 48,5 12,8 54 1,7 E M50CVEA 0,45 0,36 49,0 14,3 271 1,5 M M50EA 0,39 0,39 49,5 13,3 272 5,5 M M50CV 0,56 0,45 53,0 15,0 89 1,8 M M50 0,48 0,48 55,5 14,7 69 8,7 M M75FSEA 0,34 0,32 67,0 10,3 347 0,7 M M75EA 0,27 0,27 68,5 10,7 782 3,5 M B60 0,34 0,34 68,8 10,1 196 1,2(*) E M75 0,32 0,32 75,0 11,4 106 5,6 M B70FS 0,37 0,35 84,0 7,6(Hg) 240 4,8 E M75FS 0,38 0,36 85,5 10,0 167 0,8 E B80FS 0,30 0,28 91,9 9,3 30 0,7(*) E M100FS 0,33 0,30 109,0 8,4 17 0,3 TE M120FS 0,26 0,23 127,5 7,4 43 0,04 TE

R

moy

28cr

oiss

ante

3 - DURABILITÉ "POTENTIELLE" SUR LA BASE D'INDICATEURS (MESURÉS À 28 JOURS)

BHP

(1): pondération identique pour chaque indicateur

BHP (avec FS et sans AEA) durabilité "potentielle" élevée ou très élevée


30% CV

R moy

.28cr

oiss

ante


( comparaison et classement de bétons) sélection ou optimisation de formules, ...

conservation 90 joursdans l'eau avant essai

Mesure en labo Base de donnéesou


comparaison

Évaluation de la durabilité "potentielle"

d'un BA donné

Classes proposées

- âge- C.I. et C.L. bien définis- mode opératoire

1

3 - APPROCHE PERFORMANTIELLE SUR LA BASE D'INDICATEURS DE DURABILITÉ

Méthodologie (1)








Plan


5 (expos ition aux se ls m arins )

T yp e d 'en viro n n em en t D u rée d e vie ex ig ée / N iveau d 'ex ig en ce 5 .1 5 .2

6 ( im m ers ion dans

l'eau de m er)

7 (zone de m arnage)

< 30 an s N iveau 1

•P eau < 16 •P eau < 14 •P eau < 15 •P eau < 14

d e 30 à 50 an s N iveau 2



•P eau < 14 •P eau < 11 •D app(m ig ) < 2 •k liq < 0 ,1

•P eau < 13 •D app(m ig ) < 7

•P eau < 11 •D app(m ig ) < 3 •k liq < 0 ,1



•P eau < 9 •D app(m ig ) < 1 •K app (gaz) < 30 •k liq < 0 ,01

•P eau < 12 •D app(m ig ) < 5

•P eau < 10

•D app(m ig ) < 2

•K app(gaz) < 100

•k liq < 0 ,05 > 120 an s N iveau 5

•P eau < 9

•D app (m ig ) < 10 •K app (gaz) < 30

•k liq < 0 ,01

•P eau < 9 •D app(m ig ) < 1 •K app (gaz) < 30

•k liq < 0 ,01

•P eau < 9

•D app(m ig ) < 1 •P eau < 9

•D app(m ig ) < 1

•K app(gaz) < 30

•k liq < 0 ,01

cahiers des charges, recommandations, règlements, normes, ...

4 - SPÉCIFICATIONS RELATIVES AUX INDICATEURS DE DURABILITÉ EN FONCTION DU TYPE D'ENVIRONNEMENT ET DE LA DURÉE DE VIE EXIGÉE

Exemple : protection contre la corrosion initiée par les Cl- (enrobage = 50 mm) Nouveau !

Sélection ou qualification de formules de béton pour une structure donnée

avec

l'écart-type

adéquat [Baroghel-Bouny, TI, 2005]

EN 206-1


Mesure en labo Base de donnéesou


comparaison comparaison

Évaluation de la durabilité "potentielle"

d'un BA donné

Sélection/qualification de formules de béton pourune STRUCTURE donnée

Spécifications figurant dans le

Cahier des Charges

- âge- C.I. et C.L. bien définis- mode opératoire

Spécifications proposées

1 2

Classes proposées

Cahier des

Charges

Pont de Millau(France)

4 - APPROCHE PERFORMANTIELLE SUR LA BASE D'INDICATEURS DE DURABILITÉ

Méthodologie (2)








Plan


Hypothèse : restriction à la période d'incubation(état limite (E.L.) = dépassivation des armatures) sécuritaire, approche matériau, ...

Etat

de co

rrosio

n

Diffusion CO2, Cl- Incubation Propagation

Temps

dépassivation

E.L.

Ruine

Corrosion des armatures initiée par la carbonatation ou par les Cl-

5 - PRÉDICTION DE LA DURÉE DE VIE DES STRUCTURES SUR LA BASE D'I.D.

Méthodologie (3)

CO2Cl-

armature

bétonx = prof. de pénétration de l'espèce agressive

x = enrobage



Méthodologie (3)

données d'entrée du

modèle

Mesure des indicateurs in situ à des échéances données

Calibration des "lois" incluses dans le modèle


Modèle- équations d'état - équations de transport- C.I. et C.L. - "lois" de variation des indicateurs : f(t, T°, HR, x, …)

sortiesnumériques du modèle

Témoins de durée de vie calculés

Hypothèse : restriction à la période d'incubation

(cinétiques et/ou profils)x=x(t) c=c(x,t)

rôle central

Profondeur

temps Profondeur

Teneur



Méthodologie (4)

(cinétiques et/ou profils)

Témoins de durée de vie calculéssorties

numériques du modèle

Caractéristiques de la structure (enrobage, …)

comparaison

Prédiction de la durée de vie de la structure(phase de conception)

1



Méthodologie (4)




comparaison


Évaluation de l'état in situ(diagnostic)

2 1


Témoins de durée de vie mesurés in

situ(*) à des échéances données(*) : et/ou en laboratoire



Méthodologie (4)




comparaison comparaison

(*) : et/ou en laboratoire


Prédiction de la durée de vie

résiduelle de l'OA

Évaluation de l'état in situ(diagnostic)

et/ou 2ème phase de validation du modèle (ou recalage) en conditions naturelleset/ou 1ère phase de validation du modèle (ou recalage) en conditions de labo.

2 3 1


Témoins de durée de vie mesurés in

situ(*) à des échéances données


Environnement sans chlorure :- évolution de la profondeur carbonatée (i.e. zone où pH 9) en fonction dutps (cinétique)

- profil de teneur en CaCO3 (ou en Ca(OH)2 résiduelle) et évol en fct du tps

En présence de chlorures :- évolution de la profondeur de pénétration des Cl- (i.e. zone où [Cl-"libres"] [Cl-"libres"]crit) en fonction du tps (cinétique)

- profil de [Cl-"libres"] et évolution en fonction du tps

En conditions non saturées :- profil hydrique et évolution en fonction du tps

ou

ou

Témoins de durée de vie données pertinentes indispensables pour lesuivi in situ et la prédiction de la durée de vie (résiduelle) des OA en BA

Définitions (corrosion des armatures)

5 - TEMOINS DE DUREE DE VIE


Mesure des témoins de durée de vie

Cinétiques de pénétration des espèces agressives

0

5

10

15

20

25

30

35

0 1 2 3 4 5 6Racine de t (j0,5)

() CFA

M25BO


en laboratoire (1ère phase) et en environnement naturel (2ème phase)

0

10

20

30

40

0 2 4 6 8 10 12Square root of time (d0.5)

Pene

tratio

n de

pth

x d (m

m)

M25B35B35EABO

Prof

. de p

énét

. des

Cl- x

d(m

m)

Racine carrée du temps (j0,5)

loi en t

Chloruresxd


Prof

. car

bona

tée x

c(m

m)

loi en t

bétons Carbonatation Cl- "libres"pH < 9

xc

bétons

validation des modèles


0

5

10

15

20

25

30

35

0 1 2 3 4 5 6Racine de t (j0,5)

() CFA

M25BO

-0,5

0

0,5

1

1,5

2

0 10 20 30 40 50Profondeur (mm)

Pere

t rel

. de

mas

se (%

)


Humidité

temps

Profondeur (mm)

CO2

CO2

CO2Ca(OH)2

CaCO3

Profondeur (mm)

Teneur (%)

Relat

ive m

ass l

oss(

%)

chlorures "libres"

chlorures totaux

Cl-

Cl-Cl-

Profondeur (mm)

Teneur (%) Chlorures

Perte relative de masse (%)

en laboratoire (1ère phase) et en environnement naturel (2ème phase)

0

10

20

30

40

0 2 4 6 8 10 12Square root of time (d0.5)

Pene

tratio

n de

pth

x d (m

m)

M25B35B35EABO

Prof

. de p

énét

. des

Cl- x

d(m

m)


loi en t

Chloruresxd


Prof

. car

bona

tée x

c(m

m)

loi en t

bétons Carbonatation Cl- "libres"

xc

Carbonatation

bétons

pH < 9

Mesure des témoins de durée de vie

Cinétiques de pénétration des espèces agressives

Profils de concentration

validation des modèles


indicateurs de durabilité (+ param. complém.) données d'entrée témoins de durée de vie (cinétiques & profils) sorties fondés d'un point de vue physique et chimique cadre déterministe ou probabiliste flexibles et facilement accessibles

sélection d'un éventail de modèles validés ayant différents niveauxde sophistication

5 - MODÈLES PRÉDICTIFS

Caractéristiques requises

- carbonatation- pénétration Cl-- alcali-réaction

d'outils simples à des modèles physico-

chimiques dét./proba.

Modélisation multi-niveaux

[ERLPC, 2008][AFGC, 2004]



sélection d'un éventail de modèles validés ayant différents niveauxde sophistication destinés à résoudre différents types de problèmes sélection selon précision requise, durée de vie visée, données disponibles, ...



Modélisation multi-niveaux

[ERLPC, 2008][AFGC, 2004]



incluant les couplages (physicochimiques, multi-espèces, …) applicables en conditions partiellement saturées :

• séchage naturel• cycles réels d'humidification-séchage

incluant les modifications microstructurales induites par les dégrad. :• espace poreux par carbonatation ou cristallisation de sels• porosité par lixiviation• modification de la structure poreuse par formation de sel de Friedel

si possible multi-échelles (du mat. à la structure)



[Maekawa & Ishida, 2001 2007]voir par ex.

modèles phys.-chim. sophistiqués

[ERLPC, 2008][AFGC, 2004]


4 niveaux de sophistication Niveau 1 - Modèle de diffusion des chlorures (cond. saturées)

diffusion des Cl- (en solution diluée) 1ère loi de Fick interactions Cl--matrice (globales) isoth. non lin. de Freundlich loi empirique Deff Cl- = f(cCl-)

Niveau 2 - Modèle de transport multi-espèces (cond. saturées) 4 ions + interact. électriques entre ions éq. de Nernst-Planck/Poisson interactions Cl--matrice ≠ options (description + détermination)

5 - CONCEPT MULTI-NIVEAUX APPLIQUÉ À LA MODÉLISATION DU TRANSP. ISOTH. DES Cl-

Plateforme multi-niveaux (modèle physique numérique 1-D) [Baroghel-Bouny et al.,CCC, 2009]

Approche multi-espèces

Nive

au d

e sop

hist

icatio

n cr

oiss

ant








Nive

au d

e sop

hist

icatio

n cr

oiss

ant

extension aisée : cadre probabiliste prédictions en termes d’indice de fiabilité () ou de probabilité de

défaillance (Pf) prise en compte des incertitudes relatives aux données d’entrée aide à la décision pour l’optimisation marges de sécurité appropriées bénéfices éco. & environ. !





Niveau 3 - Modèle physicochimique avancé (cond. saturées) 6 à 8 ions + 3 à 8 composés solides interactions Cl--matrice adsorption physique sur C-S-H + formation selde Friedel par réactions chimiques instant. (dissol./précip.) modif. microstructure et propriétés de transport (induites par précipitation sel de

Friedel, lixiviation, ...)

Niveau 4 - Modèle de transport combiné humidité-ions contribution de l'advection au transport ionique global transport vapeur d'eau ( 1ère loi de Fick) & eau liq. ( loi de Darcy) couplage eau/ions, variation des propriétés de transport vs. S



Couplage transport-chimie

Conditions non-saturées


Nive

au d

e sop

hist

icatio

n cr

oiss

ant

kliq requise !

transport

hydrique





Niveau 3 - Modèle physicochimique avancé (cond. saturées) 6 à 8 ions + 3 à 8 composés solides interactions Cl--matrice adsorption physique sur C-S-H + formation selde Friedel par réactions chimiques instant. (dissol./précip.) modif. microstructure et propriétés de transport (induites par précipitation sel de

Friedel, lixiviation, ...)

Niveau 4 - Modèle de transport combiné humidité-ions contribution de l'advection au transport ionique global transport vapeur d'eau ( 1ère loi de Fick) & eau liq. ( loi de Darcy) couplage eau/ions, variation des propriétés de transport vs. S



Couplage transport-chimie

Conditions non-saturées


Nive

au d

e sop

hist

icatio

n cr

oiss

ant

kliq requise !

transport

hydrique


Corps d'épreuve en BA sur le site de La Rochelle (zone de marnage)

Profondeur (m)[C

l- tota

l](m

ol/m

3de

bét

on)

enrobage(50 mm)

5 - PRÉDICTION DES PROFILS DE [Cl-] ET DE LA DURÉE DE VIE EN ENVIRONNEMENT MARIN PAR LE MODÈLE MULTI-ESPÈCES (NIVEAU 2)

Identification des données d'entrée (DCl, isotherme d'interaction, ...)par analyse inverse à partir d'un profil exp. de [Cl-tot]

(BHP)

Identification àt1 = 2 ans (mod.)

Cl-

(CEM I ; E/C=0,26 ; FS/C = 0,12 ; Rmoy.28 =127,5 MPa)M120FS

Méthode particulièrement appropriée au suivi de structures existantes

données souvent

disponibles

[Baroghel-Bouny et al., BLPC, 2004]

Profils [Cl -tot ]

analyse inverse

données exp.(prélèvements)


Depth x (m)

[Cl- to

t.](m

ol /

m3

of c

oncr

ete)

prediction at t2 = 4 & 10 years

cover thickness (50 mm)



Comparaison entre simulations numériques et mesures 2ème phase de validation (en environ. naturel) ou recalage du modèle

bonne concordance à t2 = 4 & 10 ans, excepté près de la surface

(BHP)

prédiction àt2 = 4 & 10 ans (mod.)

Cl-


données exp.(prélèvements)

enrobage(50 mm)

[Cl- to

tal]

(mol

/m3

de b

éton

)

(CEM I ; E/C=0,26 ; FS/C = 0,12 ; Rmoy.28 =127,5 MPa)Profils [Cl -

tot ]

M120FS

Profondeur (m)

cycles d'humidification-séchage


0



Calculs aux échéances ultérieures (ex. 50 & 100 ans)

(BHP)

Prédiction de l'évolution future de la structure (à long terme)[Baroghel-Bouny et al., MS&T'08, 2008]

Cl-

Durée de vie (période d'incubation) > 100 ans

Simulations niveau 2 Durée de vie = 170 ans (cCl-/cOH- = 0.6 au 1er lit armatures

prédiction àt2 = 50 & 100 ans (mod.)

enrobage(50 mm)


[Cl-tot.]crit

[Cl- to

tal]

(mol

/m3

de b

éton

)

(CEM I ; E/C=0,26 ; FS/C = 0,12 ; Rmoy.28 =127,5 MPa)M120FS

Profils [Cl -tot ]

Profondeur (m)


5 (expos ition aux se ls m arins )

T yp e d 'en viro n n em en t D u rée d e vie ex ig ée / N iveau d 'ex ig en ce 5 .1 5 .2

6 ( im m ers ion dans

l'eau de m er)

7 (zone de m arnage)

< 30 an s N iveau 1





•P eau < 14 •P eau < 11 •D app(m ig ) < 2 •k liq < 0 ,1

•P eau < 13 •D app(m ig ) < 7




•P eau < 9 •D app(m ig ) < 1 •K app (gaz) < 30 •k liq < 0 ,01

•P eau < 12 •D app(m ig ) < 5

•P eau < 10

•D app(m ig ) < 2

•K app(gaz) < 100

•k liq < 0 ,05 > 120 an s N iveau 5

•P eau < 9

•D app (m ig ) < 10 •K app (gaz) < 30

•k liq < 0 ,01

•P eau < 9 •D app(m ig ) < 1 •K app (gaz) < 30

•k liq < 0 ,01

•P eau < 9

•D app(m ig ) < 1 •P eau < 9

•D app(m ig ) < 1

•K app(gaz) < 30

•k liq < 0 ,01

5 - SPÉCIFICATIONS RELATIVES AUX INDICATEURS DE DURABILITÉ EN FONCTION DU TYPE D'ENVIRONNEMENT ET DE LA DURÉE DE VIE EXIGÉE

Exemple : protection contre la corrosion initiée par les Cl- (enrobage = 50 mm)

Peau = 7,4% ; Dapp(mig) = 0,04·10-12 m2.s-1

Kapp(gaz) = 43·10-18 m2 ; kliq = 10-5·10-18 m2M120FS[Baroghel-Bouny et al., CCC, 2009]








Plan


6 - NOUVELLE APPROCHE DE LA DURABILITÉ FONDÉE SUR LES I.D.

Approche intégrée exp./mod. et "multi-niveaux"

Chaque outil a une fonction bien définie et intervient à une étape précise Indicateurs de durabilité Témoins de durée de vie mesures distinctes

Modèles Ppales entrées

2 étapes de validation (labo. + in situ) + étude de sensibilité(préalablement à toute prédiction)

Viser des niveaux de performance / durée de vie spécifiés plus grande liberté nouveaux concepts de formulation & matériaux high-tech, ..., dans le contexte du

développement durable

Indicateursde durabilité

(données pertinentes & facilt accessibles)


1 - Conception des bétons & ouvrages neufs Méthodologie générale et complète

2 - Suivi des ouvrages en BA existants

Évaluation et prédiction de la durabilité à l'aide d'un éventailde propriétés du matériau (signification physique précise + accessibilité par des méthodes bien définies & validées)

6 - BOÎTE À OUTILS POUR L'ÉVALUATION ET LA PRÉDICTION DE LA DURABILITÉ

méthodologie scientifiquement fondée ... mais facile à utiliser !

cycle de vie

Indicateurs de durabilité + Méthode(s) + Classes Spécifications performantielles Modèle(s) prédictif(s) Témoins de durée de vie + Méthode(s) (labo. / env. nat.)

Boîte à

outils


Indicateurs de durabilité sélectionnés + paramètres complémentaires optionnels + méthodes d'essais + incertitudes + classes

Spécifications performantielles relatives aux I.D.

Modèle(s) prédictif(s)

approche "multi-niveaux"

Témoins de durée de vie pertinents + méthodes d'essais (labo. / env. nat.)

6 - CONTENU ET UTILISATION DE LA BOÎTE À OUTILS

plusieursoptions

outils simples pour l'ingénieur

modèles sophistiqués pour prédiction fine

flexibilité

BOÎTE À OUTILSDurabilité

Guide

Modèle

exp. (essais labo.) respect des M.O. et des échéances recom. (démarrage à 90 j) analytiques num. (inverses)








plusieursoptions




flexibilité

pour chaque outil (hiérarchisation &) choix en fonction du cas(agressions potentielles, environnement, durée de vie spécifiée, modèle à utiliser, ...)

Guide


Modèle








plusieursoptions




flexibilité

outils susceptibles d'évoluer(en fct des progrès scientifiques & techniques, du retour d'exp. sur structures réelles, ..)

Guide


Modèle


6 - MISE EN PRATIQUE DE L'APPROCHE PROPOSÉE

Etablissement de cahiers des charges types ( CCTP) pour une utilisation systématique intégration de l'approche dans PETRA, guide "Bétons", ... (SETRA)

Mise à disposition de formules locales "clés en main", à durabilitéélevée, à faible coût, respectueuses de l'environnement (granulats locaux, utilisation d'additions minérales, …), et pré-caractérisées selon la nouvelle approche de la durabilité

Introduction de la méthodologie proposée (approche performantielle) en solution alternative (à l'approche prescriptive) dans les normes et règlements (norme européenne béton EN 206-1, fascicule 65A, Eurocode 2, ...)+ "exportation" de l'approche française évolution forte actuellement (nombreux nouveaux textes relatifs à la durabilité)

(1)


6 - MISE EN PRATIQUE DE L'APPROCHE PROPOSÉE

Appliquer la démarche proposée en amont de la construction dans le cas d'un ouvrage neuf (i.e. dès la phase de conception) prévoir le délai de préparation adéquat avant le démarrage des

travaux (temps nécessaire pour la réalisation des essais, l'évolution éventuelle des formules de béton, ...)

Appliquer avec la même rigueur les recommandations pour une mise en œuvre correcte du béton et le contrôle d'exécution optimisation des procédures de cure en fonction de [formule béton -

géométrie structure - cond. aux limites (i.e. environ.)] la qualité du béton d'enrobage y est hautement sensible !

(2)


6 - CONCLUSION

la durabilité, c'est pérenniser cela ...

Pont de Millau, 2004 (France)Durée de vie spécifiée = 120 ans

Pont de la Confédération, 1997 (Canada)Durée de vie spécifiée = 100 ans


Merci pour votre attention ...

Documents

(COTITA-2011) Présentation VBB (13-11-11) (V)