ENPC, MPREP - Educnet, Ressources pédagogiques … · Défauts liés à une dégradation du béton armé Corrosion ... tout le béton pollué, inhibiteurs de corrosion. ... 0,1 %

Pathologie

durabilité

et protection

du béton armé

ENPC, MPREP

Brigitte MAHUT

15/03/2017 2

Diagnostic d’une structure

distinction

matériaux structure

dans la réalité avec le temps : interaction

objectif du diagnostic :

=> déterminer cause et étendue des problèmes

=> et leur évolution probable

Généralités sur les altérations

visibles du béton armé

« Tour d ’horizon »

15/03/2017 4

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 5

Défauts apparaissant dès la

construction

Bullage

– origines possibles :

» béton pas ouvrable

» coffrage inadapté

» vibration inadaptée

15/03/2017 6


construction

Nids de cailloux


» problème de mise en

œuvre

béton mal vibré

ferraillage trop dense

hauteur de chute du

béton dans coffrages

trop élevée

15/03/2017 7


construction

Fuites de laitance


» mauvaise étanchéité des

coffrages (joints mal

étanchés)

15/03/2017 8


construction

Variations de teinte


» reprises de bétonnage

avec modifications des

constituants du béton ou

des conditions de mise en

œuvre

» ragréages

» impuretés dans le béton

15/03/2017 9


construction

Pommelages


» différence de densité entre

gravillons et autres

constituants du béton

» variations du taux

d’hydratation du ciment en

surface

15/03/2017 10


construction

Fissures de retrait


» dessiccation en surface

» retrait différentiel gêné

15/03/2017 11

Défauts d ’aspect dus à

l ’environnement

Epaufrures


» choc

mais autre origine possible : suite

de l ’écaillage (traduit une

dégradation du béton armé)

15/03/2017 12


l ’environnement

Salissures


» pollution (fixation de

poussières)

» graffitis

15/03/2017 13


l ’environnement

Recouvrements

biologiques


» développements

biologiques

influencés par :

– température

– humidité

– luminosité

15/03/2017 14


l ’environnement

Aspect grenu


» érosion éolienne

» pluies

15/03/2017 15

Effets des circulations d’eau

dans le béton

Efflorescences


» béton poreux soumis à

l ’humidité

– mécanismes :

» humidité entraîne sels

solubles du cœur du béton

vers la surface où ils

cristallisent

15/03/2017 16


dans le béton

Stalactites


» 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 17


dans le béton

Suintements


» mauvaise évacuation

des eaux

15/03/2017 18

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


gel

gonflement du béton

15/03/2017 19


béton armé

Corrosion des

armatures


» insuffisance d ’enrobage

» béton poreux

» béton fissuré

» carbonatation du béton

d ’enrobage

» pénétration d’agents

agressifs (cl-)

15/03/2017 20


béton armé

Ecaillage


» corrosion des armatures

» béton gélif

» gonflement du béton

15/03/2017 21


béton armé

Faïençage


» retrait de surface

» gonflement du béton

15/03/2017 22

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 23

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

Généralités

sur la durabilité du béton

et ses pathologies

15/03/2017 25

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 26

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 27

Principales causes de

dégradation du BA

pénétration des agents agressifs

– dioxyde de carbone (CO2) : carbonatation

– chlorures contenus dans les eaux ou sels de déverglaçage


effet du gel-dégel + sels de déverglaçage

réaction internes

– alcali-réaction

– réactions sulfatiques

15/03/2017 28

Autres causes de dégradation

Eau de mer

Incendie

Effet du retrait

15/03/2017 29

Processus de dégradation

2 phases :

– incubation (latence)

» altération lente sans effet visible

– développement

» dégradations observables

ex. : cas de la


Attention au béton apparemment sain !

Stade d’incubation

béton altéré rouillebéton sain

Stade de développement

fissure

15/03/2017 30

Etude de chaque phénomène

de dégradation

15/03/2017 31

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 32

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 33

Carbonatation

Phénomène

– Pénétration du CO2 dans le béton

» transformation des hydroxydes (chaux) en carbonate

Ca(OH)2 + CO2 Ca CO3

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 34

Carbonatation

H2OCO2 CO2

ec

ee

f

e

e = enrobage; ec = carbonaté; eef = enrobage efficace

Photo G. Grimaldi

15/03/2017 35

Béton sain (pH 13)

Acier passivé

CORROSION des ARMATURES dans les BETONS

Cl -

CO2

CORROSION

Couche d’oxydes protectrice Rouille

Béton carbonaté (pH < 9)

Acier dépassivé




fissure

15/03/2017 36

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 37

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 38

Carbonatation

Ø>3D (5cm)

e

Ph > 9

Photo G. Grimaldi

15/03/2017 39

CarbonatationTraitement

– 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 40

Carbonatation

Prévention

– Phénomène de vieillissement naturel

– pour le ralentir :

» béton compact (faible porosité et perméabilité)

» respect des enrobages

15/03/2017 41

Enrobage

Principe :

variation électro-magnétique due à la présence

d’armatures

Détecteur d’armature :

position –direction

enrobage (épaisseur)

diamètre (barre isolée)

15/03/2017 42

Centre d’Etudes Techniques Maritimes Et Fluviales Agence d’Aix en Provence

Réponse de l’indicateur fonction de la densité d’acier

1000

Enrobage

Phto G. Grimaldi

15/03/2017 43


Matériel

Photo 1

Ferroscan

dans sa mallette de

transport

Photo 2

Moniteur et scanner

Phto G. Grimaldi

15/03/2017 44


Exemple

d’image

obtenue par le

Ferroscan

Photo G. Grimaldi

15/03/2017 45

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 46


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 47



– 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 48

Prélèvement de poudre béton

Perceuse

Guide

Poudre

Sachets e1, e2,…en

Trépan Ø25

Photo G. Grimaldi

15/03/2017 49


– 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

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 5 10 15 20 25 30

pro fondeur (m m )

[C

l]%

15/03/2017 50


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 51


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 52

Amorçage de la corrosion des

aciers

Manifestations

– aucune manifestation apparente (au

début)

– fissures

– écaillage

– armatures apparentes

15/03/2017 53


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




fissure

15/03/2017 54

Diagrammes de

Pourbaix

15/03/2017 55


aciers


– 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 56


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 57

Mesure du potentiel

d’électrode

Électrolyte

Armature

Zone

anodique

Zone cathodiqueEc (mv/Cu.CuSo4

sat)

-200

-300

Zone de passivation

Enrouillement certain

Gradient(>8mv/cm)

Enrouillement probable

Photo G. Grimaldi

15/03/2017 58

zone

anodique

zone cathodiqueEc (mv/Cu.CuSo4

sat)

-200

-300

zone de passivation

enrouillement probable

enrouillement certain

gradient

Mesure du potentiel

d’électrode

Photo G. Grimaldi

15/03/2017 59

Cartographie

des potentiels

0

15m

14m

13m

12m

11m

10m

9m

8m

7m

6m

5m

4m

3m

2m

1mZone non découverte à marée basse

Limite gros coquillages (moules, huîtres, etc…)

Limite coquillages

Limite hautes eaux

Nord Ouest Sud Est

E c> - 320mV

- 450 / - 320

- 600 / - 450

E c> - 600mV

Photo G. Grimaldi

15/03/2017 60

Électrode Cu1

Photo G. Grimaldi

15/03/2017 61

Potentiel

Photo G. Grimaldi

15/03/2017 62

Photo G. Grimaldi

15/03/2017 63


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 64

Appareil de mesure et capteur

Photo G. Grimaldi

15/03/2017 65


aciers

Remarque :

– pas de possibilité de mesurer la section

résiduelle d ’une armature corrodée

15/03/2017 66


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 67


aciers

Prévention» respect des enrobages

» bonne compacité des bétons

» protection préventive des parties de structures les

plus exposées aux agents agressifs

15/03/2017 68

DIAGNOSTIC béton armé

vis-à-vis corrosion

béton (porosité, densité)

profondeur de carbonatation

mesures d ’enrobage

mesure de la concentration en cl-

mesures de potentiel d ’armatures

plus récent : mesures de vitesse de corrosion

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 5 10 15 20 25 30

p ro fondeur (m m )

[C

l]%

07/03/2005 66

Appareil de mesure et capteurAppareil de mesure et capteur

Photo G. GrimaldiPhoto G. Grimaldi

15/03/2017 69

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 atteintet 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

(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,

Diagnostic

15/03/2017 70

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 71

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 72

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 73

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 74

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 75

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 76

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 77

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 78

Aide au choix du mode de traitementselon avancement dégradation

(carbonatation et chlorures)

1 Aciers non atteints par

la carbonatation et

Cl- < 0,01%

Aucune protection nécessaire sauf à titre préventif.


la carbonatation et

0,01 <Cl-< 0,1%

-

Ralentir la pénétration des chlorures à l’aide de :

Peinture, revêtement ou inhibiteurs qualifiés.


la carbonatation et

Cl->0,1%

Idem mais après diminution du taux de Cl-

par une

technique d’extraction appropriée.

4 Aciers atteints et

Cl- < 0,01%

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.


0,01 <Cl-< 0,1%

-

actions 2 et 4 combinées


Cl- > 0,1%

actions 3 et 4 combinées

Cl- exprimé en % du poids de béton

15/03/2017 79

Types de systèmesde 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 80

Type de systèmes/ nature du défaut

Produits

Défauts

LasuresPeinturesRevêtements

Nids de sable

ou de caillouxX (1) X (1) X (1)

Variations de teintes

Tâches noires

Pommelages

Ressuage

Traces de rouille

X X

Bullage

Fissures

X

X(2)

(1) Après ragréage

(2) Mais produits souples

15/03/2017 81

Critères de choix d’un système de protectionclassification 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 carboniquePerméabilité 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 82

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 83

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 84

Mesure de perméabilité de

surface - Appareil BT Cris

15/03/2017 85

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 86

15/03/2017 87

Autres causes de dégradation

gel

Réactions degonflement

15/03/2017 88

Gel-dégel + sels de

déverglaçage

Manifestations

– gonflements

– fissures ( en réseau)

– écaillage en surface

– désagrégation du béton

15/03/2017 89

Les dégradations dues au Gel

15/03/2017 90


15/03/2017 91


15/03/2017 92


15/03/2017 93


15/03/2017 94


15/03/2017 95


15/03/2017 96

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 97


déverglaçage

Phénomène : gel interne

– Différentes théories :

» Théorie des pressions hydrauliques de Powers

(1949) la plus répandue

15/03/2017 98

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 99


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 100


déverglaçage

Influence de la température

– élévation rapide : risque d’éclatement (vapeur)

– basse température : risque d ’éclatement (glace)

15/03/2017 101


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 102


déverglaçage


– 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 103

La gélivité des granulats

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.

Autre facteur responsable de la gélivité d’un béton

15/03/2017 104

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

Gel

Normes d’essais

Photo G. Grimaldi

15/03/2017 105

XP P 18-420Configuration d ’un échantillon

Photo G. Grimaldi

Saumure Couvercle

Éprouvette de béton

Isolation Étanchéité

Élément de

mesure

thermique

Solin de joint

mastic

Liaison par

collage

15/03/2017 106

d’Etudes Techniques Maritimes Et Fluviales Agence d’Aix en Provence

FACTEUR D'ESPACEMENT DES BULLES

= 1 /2 DISTANCE ENTRE BULLESPour la même quantité d'air

plus de petites bulles

que de grosses

L ( L barre)

Gel - Dégel

Facteur d’espacement des bulles

= ½ distance entre bullesL (L barre)

Pour la même quantité d’air plus de petites bulles que de

grosses

Gel –Dégel

15/03/2017 108

Description de la mesuredes caractéristiques des bulles d’air

15/03/2017 109


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 110


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 111

– 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


déverglaçage

15/03/2017 112


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 : 200m

diamètre : 50 à 200 m

volume total : 5 à 7 %

15/03/2017 113

– utilisation d ’un entraîneur d ’air :

» mode d ’action

agent tension-actif : diminue la tension superficielle à

l ’interface entre air et eau et permet ainsi de créer plus

facilement de nouvelles interfaces

» effet

stabilise l ’air entraîné au cours du malaxage : évite le

regroupement des bulles d ’air lors de la mise en œuvre et

du malaxage


déverglaçage

15/03/2017 114


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 115

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 116

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 117

» Fissuration orientée :

selon tracé des armatures de peau

cas des OA précontraints : fissures

longitudinales avec ouverture

suivante direction non

précontrainte

Alcali-réaction

15/03/2017 118

» gonflements,

mouvements, déformations

de la structure

Alcali-réaction

tâches, colorations

15/03/2017 119

» pop-out

Alcali-réaction

ruptures

d ’armatures

15/03/2017 120

phénomènes aggravés dans les zones humides

Alcali-réaction

15/03/2017 121

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 122

Alcali-réaction

Vue au microscope électronique à balayage d’un gel

d’alcali-réaction d’épaisseur 5 à 10 microns

15/03/2017 123

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 124

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 125

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 126

Alcali-réactionMoyens 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 127

Détermination de l’indice de

fissuration d’un parement de

bétonMéthode 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

C

B

Mode opératoire

15/03/2017 128

Alcali-réactionMoyens 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 129

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

L’essai d’expansion résiduelle

15/03/2017 130

Stockage dans les conteneurs

et réacteur de NF P 18-585/7 (38°C)


15/03/2017 131


Mesure au rétractomètre

mécanique

15/03/2017 132


Exemple d’un béton qui présente un important potentiel d’expansion résiduelle

Expansion résiduelle Er = 1327um /m / an

Expansion (10 -6 )

2500

2000

1500

1000

500

0

Er

0 8 16 24 32 40 48 56

64

Valeur de l’expansion résiduelle

Ensemble mesures

15/03/2017 133

Interprétation


Valeur Er Qualification

< 100 µm/m

100 à 500 µm/m

> 500µm/m

Négligeable

Modérée

Importante

15/03/2017 134

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 135

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 136

Alcali-réactionmodalités 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 137

Alcali-réactionDétermination

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 138

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 139

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 140

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 141


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 142


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 143


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 144


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 145


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 146



– moyens identiques à ceux de l ’alcali-

réaction

– MEB pour déterminer présence d ’ettringite

– origine des sulfates (internes ou externes)

ne pouvant être déterminées que par

analyse minéralogique

15/03/2017 147


Traitement

– si origine interne : aucun traitement

efficace

– si origine externe : produit de protection

pour limiter les arrivées d ’eau

15/03/2017 148


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 149

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 150

Le délaminage des tabliers

15/03/2017 151


15/03/2017 152


15/03/2017 153


15/03/2017 154

Dégradation

par l ’eau de mer

Manifestations

– gonflements

– éclatements

15/03/2017 155

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 156

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 157

Dégradation

par l ’eau de mer

Traitements

– voir traitements proposés pour limiter la

pénétration des chlorures

15/03/2017 158

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 159

Dégradation du béton par

incendie

Manifestations

– microfissuration

– écaillage progressif à partir de la peau

– éclatements

15/03/2017 160

Désordres dus à l’incendie

15/03/2017 161

Désordres dus à l’incendie

15/03/2017 162


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 163


incendie


– 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 164


incendie

Traitement

– béton projeté (après diagnostic et

expertise complète)

15/03/2017 165

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 166

Effet du retraitManifestations

– 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 ’auto-

dessiccation, 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 167

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 168

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 169

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-,..

Documents

ENPC, MPREP - Educnet, Ressources pédagogiques … · Défauts liés à une dégradation du béton armé Corrosion ... tout le béton pollué, inhibiteurs de corrosion. ... 0,1 %