Intervenant - date

Plate forme de modélisation en vue de la prédiction de la durée de vie des bétons vis-à-vis de la pénétration d’agents agressifs

- THIERY M., BAROGHEL-BOUNY V., A. MORANDEAU,B. WANG, Z. ZHANGMAT (Paris)

- DANGLA P.Navier (Champ-sur-Marne)- ORCESI A.SOA (Paris)

Phase d'initiation de la corrosion vis-à-vis de la

pénétration d'agents agressifs (CO2, Cl-)

Intervenant - date

Estimation / Prédiction de la durabilité des structures en béton armé (BA)

- Les dépenses pour les réparations des structures en béton constituent entre 50%-100% des dépenses par rapport aux constructions nouvelles (pays développés)

- Le coût annuel des réparations des structures est équivalent à 10% du PIB (Europe)

Approches prescriptives (EN206) : les critères portent sur les moyens (formulation, enrobage, etc.) → limitations de l’innovation (nouveaux liants ?, durée de vie 50 ans, optimisation en terme d’éco-conception ?)

Approche performantielle / outils de prédiction : ↑ durée de vie (100 ans)

Intervenant - date

Estimation / Prédiction de la durabilité des

structures en béton armé (BA) Approche performantielle / outils de prédiction :-Plus grande souplesse pour faciliter l’emploi de liants respectueux de l’environnement (identification des indicateurs pertinents)-Lien "Formulation" / "Performances de durabilité"

Les modèles prédictifs :

Objectif 1 : évaluation de la durabilité potentielle durant la phase de conception (formulation d’un béton pour une durabilité pré-définie, qualification d’une formulation, prédiction de la durée de vie)

Objectif 2 : estimation (in situ) et quantification de la durée de vie résiduelle des structures existantes (stratégie de maintenance et de réparation)

MDM : guide AFGCBaroghel-Bouny et al.

Intervenant - date

Modèles physico-chimiques de prédiction de la durée de vie- Restriction à la phase d’initiation (incubation) de la corrosion

- Modèles physico-chimiques (pré-requis : analyse des mécanismes)

Données d’entrée : indicateurs de durabilité (souplesse, accessibilité)Données de sorties : témoins de durée de vie (profils de pénétration et cinétiques de dégradation)

- Modèles déterministes et probabilistes

Différents niveaux de sophistication (différents objectifs, sélection suivant le niveau de précision et les données disponibles)

Recherche de la simplicité avant tout(limitation des données et paramètres d’entrée à identifier)

Intervenant - date

Données d'entrée

Transferts hydriques

Modèles prédictifs

Intervenant - date

Intervenant - date

Compréhension des mécanismesHydratation / Constitution de la microstructure

Mise en relation de l’évolution de la composition chimique du matériau (hydratation du clinker et réactions des additions minérales) avec la nano-micro-structuration du matériau

Eau

Grains anhydres de ciment Produits d’hydratation (CH + C-S-H)

-Prise-Structuration du matériau-Constitution d’une microstructure "cohésive"

Intervenant - date

Compréhension des mécanismesHydratation / Constitution de la microstructure

Développement de modèles semi-analytiques prédisant les paramètres fondamentaux caractéristant l’hydratation (teneurs en hydrates, degré d’hydratation) et la microstructure du matériau (porosité)

Teneurs en hydrates Porosité vs. degré d’hydratation

Modèles de type "béton numérique"(Description géométrique de l’hydratation) ...

Nanocem

Intervenant - date

Compréhension des mécanismesHydratation / Constitution de la microstructure

Hydratation ⇔ Microstructure ⇔ Propriétiés de transferts

Microstructure Permeabilité

Intervenant - date

Le béton est un matériau en constante interaction physico-chimique avec son environnement

-Eau-Ions (Cl-, SO

4

2-, Na+, K+, etc.)

-Gaz (CO2)

La connaissance des interactions est cruciale pour prédire avec précision la pénétration des agents

délétères au sein de la microstructure

Compréhension des mécanismesInteractions physico-chimiques

Intervenant - date

Compréhension des mécanismesInteractions eau / matrice

Eau libre – Eau adsorbée(rôle de l’humidité et de la finesse

de la microstructure)

Courbe d’interactionVapeur d’eau (HR) – Teneur en eau

Intervenant - date

Compréhension des mécanismesInteractions eau / matrice

- Modélisation des courbes d’interactions(adsorption - désorption - cycles)

- Variables : porosité capillaire + degré d’hydratation

Hystérésis

Intervenant - date

Compréhension des mécanismesInteractions chlorures / matrice

Une partie des ions chlorure est libre (mobiles) et une autre partie est fixée sur la matrice cimentaire (chimiquement et par adsorption). Relation s

Cl = f(c

Cl)

Intervenant - date

Compréhension des mécanismesInteractions CO

2 / matrice

Quantification de la quantité de matière carbonatable pat ATG et par Spectrométrie de Masse

Quantification du degré de carbonatation en fonction de la formulation du matériau, de la nature des hydrates et de la concentration en CO

2

Spectrométrie de masse

Intervenant - date

Effet des interactions sur la pénétration des agents agressifs

Synthèse : les différentes formes d’interactions

Intervenant - date

Effet des interactions sur la pénétration des agents agressifs

La nature des interactions joue un rôle fondamental sur la forme du front de

carbonatation

Intervenant - date

Compréhension des mécanismesInteractions CO

2 / matrice

Evolution de la microstructure (porosité) en fonction du niveau de carbonatation des hydrates (portlandite et C-S-H)

Matériaux à base de ciment CEM I

Matériaux à base de ciment CEM I + additions

Intervenant - date

Intervenant - date

Modélisation des couplagesChimie - Transport

Chimie

- Interactions chimiques en solution aqueuses (homogènes)

- Interactions hétérogènes

+Réactions chimiques (ions-matrice) : équilibre ?

+Réactions chimiques (entre les phases solides)

⇒ modèle de solution solide

Transports

- Phase gazeuse : vapeur d’eau et air sec

- Phase liquide : eau liquide, espèces ioniques

Transport par électro-diffusion / advection

Nanocem

Intervenant - date

Intervenant - date

Intervenant - date

Reactions chimiques homogènes en solution aqueuse

Effets cinétiques

Modèlede solution solide

Equations chimiques⇒ de fortes non-linéarités

Intervenant - date

Equations hydriques

Courbes de sorption

MDM + Navier +Nanocem

Intervenant - date

Equations de transportPhases gazeuse et liquide

Transport par advection et diffusion

MDM + Navier +Nanocem

Intervenant - date

Equations de transportMDM + Navier +Nanocem

Intervenant - date

Equations de bilan

Bilans sur les éléments chimiques

MDM + Navier +Nanocem

Intervenant - date

Simulations de la carbonatation atmosphérique (conditions accélérées)

Intervenant - date

Simulations de la carbonatation atmosphérique (conditions accélérées)

-Description correcte de la "chimie" de la solution interstitielle en fonction du niveau de carbonatation

-Evolution de l’assemblage minérale en fonction de la concentration en CO2

Intervenant - date

Simulations de la carbonatation atmosphérique (conditions accélérées)

-Profil de teneur en portlandite à différentes échéances

-Profils de pH à différentes échéances (cf. rôle des alacalins)

-Crucial pour l’estimation du risque de corrosion des armatures

Intervenant - date

Intervenant - date

Simulations probabilistes de la pénétration de la carbonatation

Abaissement du niveau de raffinement du modèle pour prendre en compte la variabilité des paramètres d’entrée du modèle-Incertitude des données d’entrée du modèle (mesures des indicateurs de durabilité)-Variabilité sur la formulation et les conditions de mise en oeuvre-Variation stochastique des conditions d’exposition (HR, CO2, etc.)etc.

Calcul d’une probabilité de défaillance ou d’un

indice de fiabilité

Intervenant - date

Simulations probabilistes de la pénétration de la carbonatation

Indice de fiabilité=Distance entre l’état limite (XC=E) et le point de fonctionnement (point "moyen")

Intervenant - date

Simulations probabilistes de la pénétration de la carbonatation

Intervenant - date

Intervenant - date

Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions saturées, lab.)

Essai de diffusionExploitation du profil à une échéance donnée et une CL fixéePrédictions à d'autres échéances et/ou des CL différentes

Chlorures totaux

Chlorures libres

Fixation

Wang, 2012

Intervenant - date

Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions saturées, in situ)

Wang, 2012

Intervenant - date

Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions saturées, in situ)

Wang, 2012

Intervenant - date

Intervenant - date

Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions non-saturées)

Cas du "wick-action test"Forts couplages entre les transferts hydriques et les mouvements ioniquesExposition en zone de marnage

Profils de taux de saturation(état hydrique)

Baroghel-Bouny & Thiery, 2011

Intervenant - date

Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions non-saturées)

Profils ioniques à différentes échéances

Accumulation des ions au niveau d'un front du front de séchage

35 jours35 jours

4 mois

Baroghel-Bouny & Thiery, 2011

Intervenant - date

Conclusion

• Plateforme de modélisation et de prédiction de la durée de vie (agressions ioniques + CO2 / transferts hydriques)

• Multi-phases, multi-espèces, multi-physiquesFondements physico-chimiques / Souplesse(cohérence avec l’approche performantielle)

• Différents niveaux de raffinement :-Ingénieurs (modèles probabilistes)-Analyse inverse des données d’entrée-Compréhension des mécanismes

Intervenant - date

Perspectives de recherche

-Interactions alcalins / matrice (cas des matériaux fortement dosés en additions)

-Prise en compte dans les modèles des phénomènes d’hystérésis (humidification – séchage) : influence sur la pénétration d’agents agressifs

-Problématique du décoffrage des bétons fortement dosés en additions minérales (cendres volantes, laitiers, etc.)-Modélisation des couplages transferts hydriques - réactions chimiques(à court terme)-Simulation de la dégradation des propriétés de durabilité de la zone d’enrobage-Accroissement de la sensibilité à la carbonatation

Intervenant - date

temps

HydratationSéchage et carbo.

Longue phase de cure(essais accélérés)

CEM I

CEM I

Déco

ffra

ge

temps

Hydratation

Courte durée de cure (bétons à base de CEM I)

Déco

ffra

ge

temps

Hydratation

CEM I CV

Déco

ffra

ge

Séchage et carbo.

Séchage et carbo.

Courte durée de cure (bétons à base de CEM I + CV)