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Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 André Orcesi / Mickaël Thiery André Orcesi / Mickaël Thiery IFSTTAR Mercredi 9 mai 2012 Stratégies de maintenance d’ouvrages dégradés par carbonatation JOA Sourdun Mercredi 9 et Jeudi 10 mai

Stratégies de maintenance d'ouvrages dégradés par carbonatation

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Page 1: Stratégies de maintenance d'ouvrages dégradés par carbonatation

Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012

André Orcesi / Mickaël Thiery

André Orcesi / Mickaël Thiery IFSTTAR Mercredi 9 mai 2012

Stratégies de maintenance d’ouvrages dégradés par carbonatation

JOA Sourdun Mercredi 9 et Jeudi 10 mai

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André Orcesi / Mickaël Thiery

Carbonatation : couplage chimie-transport

• Diffusion du CO2 dans la zone d'enrobage

• Réactions chimiques hydrates / CO2

• Corrosion des aciers - Formation de rouille - Coulées inesthétiques à la surface du béton - Fissures, épaufrures - Réduction de la section des armatures

Chute pH 13-14 →9

Point de vue des matériaux cimentaires - Réduction de porosité (effet colmatage) - Libération d'eau Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O - Influence de l'humidité externe HR (optimum 50%-70%) - humidification / séchage

Modèles physico-chimiques

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Contexte/objectifs de l’étude

• Comment déclencher une action de maintenance préventive ? – pour éviter l’apparition de pathologies – pour prolonger la durée d’utilisation de l’ouvrage

• Réduction de l’impact environnemental via l’utilisation de

matériaux de substitution (projet SBRI) – principes d’éco-conception et d’éco-gestion (OR 11L094)

13 9

Acier

CO2

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

Sain (pH

=13)

Carbonaté (pH

=9)

Phénolphtaleine

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• Laitiers de haut fourneau • Cendres volantes • Fumées de silice

• Métakaolin

• Influence sur la carbonatation?

Matériaux de substitution

Al2Si2O5(OH)4

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Fully-carbonated area Non-carbonated area

CO2

CO2

Depth of carbonationXC

Modèle de Papadakis (1989)

Hypothèses - Front de carbonatation raide (réactions chimiques à l'équilibre) - Diffusion du CO2 à travers un milieu complètement carbonaté - Etat hydrique uniforme et stabilisé

Carbonatation partielle (9<pH<12)

Inconvénients - Les cycles d'humidification séchage ne sont pas pris en compte - Front de carbonatation raide Avantages - Relation analytique - XC est cohérente avec la profondeur mesurée par projection de phénolphtaléine

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Influence des cycles d’humidification-séchage

-Optimum de carbonatation HR 50-70 % - Un niveau plus élevé de sécurité doit être assuré : ■ pour un environnement à HR modérée (50-70%) ■ pour un environnement avec des cycles d'humidification-séchage entre HR=100% et une humidité intermédiaire - Nécessité de disposer de modèles capables de prendre en compte les transferts hydriques, les variations climatiques et le rôle de HR sur la cinétique de carbonatation

Water inhibits the CO2-diffusion

CO2 cannot be dissolved

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Modèle de Bakker

td tw

Drying-wetting cycles not taken into account

Depth ofdrying Xd

Depth ofcarbo. XC

max. depth of drying

Hypothèses - Le séchage progresse plus vite que la carbonatation -Le front de carbonatation est raide : -XC=a √t - Humidification instantanée (absorption) (tw = durée de chaque phase d'humidification) - La carbonatation est stoppée quand le béton est humide - Cinétique de séchage : Xd=d√t (td = durée de la période de séchage)

- Choix d'une humidité relative seuil au delà de laquelle la carbonatation est bloquée HRlim=80 %

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Caractéristiques des béton

Béton C1

C35/45 C2

C35/45 C3

C50/60 COV (%)

C [kg.m−3] 300 223 350

FA [kg.m−3] 95 80

w/b [-] 0.62 0.52 0.36

Rc28 [MPa] 41 48 58

Ф[%] 14.4 13.9 11.5 6.5%

-log(Kl) [m2] 19.5 19.9 20.2 3%

n0 [mol.L−1] 1.25 0.91 0.72 10%

λ [-] & μ [-] 9.5/0.45 8.2-0.44 7.5/0.44 10%

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Caractéristiques des mortiers

Mortier M1 M2 M3 COV (%)

C [kg.m−3] 492 757 528

FA [kg.m−3] 160

w/b [-] 0.38 0.34 0.67

Rc28 [MPa] - ++ +

Qualité environnementale

+ - ++

Ф[%] 20.1 18.3 16.1 6.5%

-log(Kl) [m2] 18.5 18.8 19.5 3%

n0 [mol.L−1] 1.85 2.31 1.05 10%

λ [-] & μ [-] 12.1/0.44 8.1/0.48 3.8/0.5 10%

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Indicateurs de performance - bétons

0 20 40 60 80 1000

1

2

3

4

5

Indi

ce d

e fia

bilit

é β

Temps (années)

C1C2C3

βlim=1.0

• Méthode probabiliste État limite R ≥ S Variables aléatoires

Calcul probabiliste β = f(P(R ≥ S)) ≥ βlim

µR

σR R ~ Loi (µR;σR) S ~ Loi (µS;σS)

Marge de sécurité M = e-xc

2 2.5 3 3.5 4 4.5 50

0.5

1

1.5

2

2.5

3In

dice

de

fiabi

lité β

Enrobage e (cm)

C1C2C3

βlim=1.0

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André Orcesi / Mickaël Thiery

Indicateurs de performance - mortiers

0 20 40 60 80 1000

1

2

3

4

5

Temps (années)

Indi

ce d

e fia

bilit

é β

M1M2M3

• Méthode probabiliste État limite R ≥ S Variables aléatoires

Calcul probabiliste β = f(P(R ≥ S)) ≥ βlim

µR

σR R ~ Loi (µR;σR) S ~ Loi (µS;σS) Marge de sécurité M = e-xc

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Prise en compte des instants d’inspection

P (M(t) ≤ 0)

P( (H ≤ 0) ∩ (M(t) ≤ 0) )

P( (H > 0) ∩ (M1(t) ≤ 0) )

P( H ≤ 0 ∩ H0 ≤ 0 ∩ M0,0 (t) ≤ 0)

P( H ≤ 0 ∩ H0 > 0 ∩ M0,1(t) ≤ 0)

P( H > 0 ∩ H1 ≤ 0 ∩ M1,0(t) ≤ 0)

P( H > 0 ∩ H1 > 0 ∩ M1,1(t) ≤ 0)

ti1 ti2 ti3

Temps

• Marge d’évènement H = γe-xc – H ≤ 0 si seuil atteint, – H > 0 si seuil non atteint

Seuil atteint, Seuil non atteint

-

+

-

+

-

+

- +

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Utilisation d’arbres d’évènements

0 ≤ t ≤ ti1: Pf (t) = P (M(t) ≤ 0)

ti1 < t ≤ ti2: Pf (t) = P( (H ≤ 0) ∩ (M(t) ≤ 0) ) + P( (H > 0) ∩ (M1(t) ≤ 0) ) ti2 < t ≤ ti3: Pf (t) = P( H ≤ 0 ∩ H0 ≤ 0 ∩ M0,0 (t) ≤ 0) + P( H ≤ 0 ∩ H0 > 0 ∩ M0,1(t) ≤ 0) + P( H > 0 ∩ H1 ≤ 0 ∩ M1,0(t) ≤ 0) + P( H > 0 ∩ H1 > 0 ∩ M1,1(t) ≤ 0) 30 40 50 60 70 80 90 100

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Indi

ce d

e fia

bilit

é β

Temps (années)

M1M2M3

C2

C1

βmin

βmin

Instantsd'inspection auxannées 70 et 90

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Analyse économique

• Coût des inspections

• Coût des actions de maintenance

( )∑

0NI

tii=1

CCI =1+ r

( )∑

0Ni R

tii=1

p CCR =1+ r

ti1 ti2 ti3

Temps

Seuil atteint, Seuil non atteint

-

+

-

+

-

+

- +

Objectif: Minimiser CI+CR

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Cas d’étude

• Ouvrages de la famille A (Projet européen SBRI) – Longueur/largeur du tablier: 160 m / 12 m

• Diagnostic de durabilité – 8 détermination de profondeurs de carbonatation : 8x250 = 1600 € – 1 location de moyen d'accès : 250 € – Relevé des enrobages pour chaque partie d'ouvrage (1 pile, 1 culée, tablier) : 3X300 = 900€ – 1 synthèse : 1000 €

• Rechargement en mortier

– Mortier M1: 227€/m2

– Mortier M2: 227€/m2 ×757/492 – Mortier M3: 227€/m2 ×528/492

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Résultats

• Recherche de : – la qualité de mortier – le premier instant pour effectuer un diagnostic – l’intervalle entre chaque diagnostic

0.5 1 1.5 2 2.5 3x 105

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.41.5

Cins+repair (€)

Indi

ce d

e fia

bilit

é β

M3

M2

M1

Optimum

0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3x 105

1

Cins+repair (€)

Indi

ce d

e fia

bilit

é β

M3

M170 - 10

50 - 20

40 - 20

30 - 20

60 - 20

20 - 20

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Conclusions/perspectives

• Outil d’optimisation et d’organisation des programmes de maintenance préventive

• Approche probabiliste

• Perspectives: – utilisation d’autres matériaux de substitution – analyse économique à approfondir (recueil de données,…) – étude de sensibilité du modèle (différentes familles de béton, de

techniques de réparation, de classes d’environnement)

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Merci pour votre attention