Viaduc d'Echinghen : Application du capteur …cables2012.ifsttar.fr/reserve/docs/1.10_Aubagnac_Tessier...CABLES 2012 – Nantes – 27&28 Novembre 2012 Intervenants : C.AUBAGNAC

CABLES 2012 – Nantes – 27&28 Novembre 2012

Intervenants : C.AUBAGNAC / C.TESSIER / E.DELAHAYE / Y.JEANJEAN

Viaduc d'Echinghen :

Application du capteur capacitif et

autres techniques pour la

précontrainte extérieure



Présentation des viaducs du Boulonnais

• Les Viaducs du Boulonnais :

3 ouvrages d’art exceptionnels

sur A16 construits par voussoirs

Préfabriqués .

• Herquelingue : 260 m

• Quehen : 475 m

• Echinghen : 1290 m avec

15 travées dont 5 de 110 ml .



La Structure des Ouvrages

Structure mixte avec âmes ajourées composées de

bracons métalliques , et précontrainte extérieure 19T15 .



La problématique

- Structure très tendue _ rayon de cintrage de 2,50 m pour les câbles

19T15 les plus courts ,

- Environnement difficile : proximité mer , venteux ,

- Vibration de câbles sous action du vent ,

- Février 2012 : détection d’une gaine déchirée ,

- Interrogation sur origine désordre , conséquence pour le câble , et

extension éventuelle à d’autres câbles de l’ouvrage ,

Déchirure centrée sur

rainures intérieures



Constat Initial et 1ère analyse

Intervention SNCF IGOA en charge du suivi renforcé de

l’ouvrage _ 1ers constats :

Corrosion foisonnante du

Toron au contact de la gaine Dégradation locale

du coulis par éclatement

dû à poussée corrosion

Coloration blanchâtre

du coulis en génératrice

supérieure



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Elaboration du programme

• Problème d'enfilage des torons lors de la

construction, récurrent et pouvant provoquer

les mêmes désordres ailleurs ?

• Qualité de la gaine ?

• Parcours de l'humidité ? (Depuis le

point haut mal étanché ? Pénétration eau de

ruissellement par fissure ? Présence

d'humidité au dessus et au dessous de la

blessure ?)

• Présence de corrosion fissurante ?

• Coloration blanchâtre du coulis en

génératrice supérieure

Présence de veinule

Qualité de l'injection ?



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Programme

PHASE INSPECTION PREALABLE Intervention Intervenant(s) Contenu

Examen visuel des

câbles

Lille Détecter la présence d'éventuelles fissures débouchantes ou de

blessures significatives.

Portée de l'inspection :

-tout le câble concerné par la déchirure

-tout le câble choisi côté terre

-toutes les parties hautes rendues accessibles par l'échafaudage en

place

-en complément prioritaire, et selon le temps disponible pendant la

semaine d'inspection, les autres parties des câbles concernés, et

quelques sondages

Sondage au

marteau

Lille Portée : Idem ci-dessus

Examen au

capteur capacitif

Autun Portée : idem ci-dessus

Détection de la présence de vides ou de pâte blanche.

Préparation : ponçage des excroissances

Peut aboutir à la précision de l'emplacement des fenêtres de

prélévement, ou à la détermination de nouvelles fenêtres à pratiquer.



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Programme

PHASE EXAMENS ET

PRELEVEMENTS Intervention Intervenant(s) Contenu

Ouverture de

fenêtres

Lille+IFSTTAR Ouvertures des gaines de PEHD, d'environ 30 cm de long, sur un peu moins que la demi-

circonférence de la gaine.

Emplacement des fenêtres :

-au droit de la déchirure (ouverture déjà pratiquée par la SNCF),

-en génératrice basse de la gaine sous la déchirure

-sur le même câble, en partie haute, immédiatement sous le joint avec ruban adhésif, qui sera

enlevé

-sur le même câble, en partie basse à proximité du déviateur bas.

-sur le câble choisi côté terre, en partie haute, immédiatement sous le joint avec ruban adhésif,

qui sera enlevé.

-sur le câble choisi côté terre, en partie basse à proximité du déviateur bas.

Examens

visuels suite

à l'ouverture

Lille+IFSTTAR Relever la présence :

-de fissures internes de la gaine

-d'eau ou d'humidité

-de pâte blanche, de veinule sur le coulis

-de traces de corrosion, piqûres ou fissure

Prélèvements

gaine/coulis

IFSTTAR/MAT IFSTTAR/MAT recueillera l'ensemble des éléments de gaine, et en choisira 4 pour analyse.

Prélever l'eau éventuelle. Mesure du pH.

Sur au moins 2 ouvertures : prélèvement d'une partie de coulis sain, d'une partie blanchâtre (si

présence) et de l'interface entre les deux.

Prélèvements

fils

IFSTTAR/SOA On visera le prélèvement de 2 à 3 fils (sur environ 30 cm) dans les parties corrodées présentes

au droit de la déchirure.

Prélèvements supplémentaires à envisager si nécessaire suivant les constats faits au droit des

autres fenêtres.

Capot

d'ancrage

IFSTTAR/SOA Démonter le capot d'ancrage en partie basse du câble présentant la déchirure pour repérer la

présence éventuelle d'eau et de corrosion.



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Programme

PHASE ANALYSES

Intervention Intervenant(s) Contenu

Eau IFSTTAR/MAT Caractérisation de l'eau éventuellement prélevée. Analyse chimique

élémentaire détaillée. Analyse oxygène dissous

Gaine IFSTTAR/MAT Au moins 2 échantillons à proximité de la déchirure, et 2 échantillons

sur l'autre câble.

- Caractérisation chimique (spectrométrie infra-rouge), physico-

chimique (calorimétrie différentielle à balayage – quantité de noir de

carbone par analyse thermogravimétrique – densité)

- Caractérisation morphologique (examen des fissures au microscope)

- Caractérisation mécanique (traction allongement)

Coulis, pâte blanche et

interface

IFSTTAR/MAT Caractérisation minéralogique.

Fils IFSTTAR/SOA Examens de laboratoire visant à repérer et caractériser les fissures

éventuelles et la profondeur des piqures (microscopie,

magnétoscopie,…). Essais de traction.



Intervention du CETE Nord-Picardie

- Inspection visuelle des gaines d’une demi-travée (entre piles P6 et

P7) et identification des défauts

Nombreux contacts entre

gaines et déviateurs

Bourrelet de la gaine

dû au contact avec le

déviateur

Raccord « bricolé »

traduisant des

problèmes d’étanchéité

lors de l’injection



Intervention du CETE Nord-Picardie

- Sondage au marteau pour repérage de vides (défauts d’injection),

- Identification des zones suspectes pour examen à la sonde

capacitive.

quelques zones localisées

une zone étendue de plus de deux

mètres de longueur



Sommaire

• La problématique

• Principe et historique du capteur capacitif

• Développement du matériel MLPC

• Application au viaduc d’Echinghen A16

Mise en œuvre du capteur capacitif 3CP

sur le viaduc d'Echinghen



Avant 2000, câbles de précontrainte extérieure protégés par coulis à base de

ciment.

Ces dernières années, plusieurs ruptures de câbles observées, résultant de la

corrosion de câbles mal ou non protégés par le coulis de ciment (non détectable

visuellement lors des inspections; limites des sondages au marteau…).

50 franchissements « à risque » identifiés sur le Réseau Routier National non

concédé (évaluation mai 2009) et environ 150 ouvrages en France tous Maîtres

d'Ouvrage confondus.

<= Vue de l’intérieur d’un

conduit: toron + eau +

produit blanchâtre à la

surface du coulis

Vue de l’intérieur d’un

conduit après rupture

d’un câble =>

Capteur capacitif 3CP



• Principe physique

– principe de la méthode capacitive connu de longue date au LCPC (Tran, 1970 et 1972): mesure des variations de teneur en eau dans les sols non saturés et dans les matériaux ayant une surface plane (béton, maçonnerie)...

– dépôt de brevet (Dupas, 2001)

• Historique du CCCP

– année 2000: rupture de câbles de précontrainte du viaduc de Saint Cloud

– capteur capacitif « de 1ière génération » inventé par Jean-Pierre Sudret (LRPC Autun) en 2000-2001

– capteur capacitif « de 2ième génération » mis au point dans l'opération de recherche 11A021 du LCPC « Localisation des défauts et discontinuités » (responsables X. Derobert et JP. Sudret) (2002-2005): collaboration entre le LCPC-SMI (LM. Cottineau, J. Iaquinta puis F. Taillade) et le LR d’Autun (JP. Sudret)

• Principe du capteur

– 2 électrodes métalliques forment avec le milieu environnant (conduit PEHD et matériaux internes) un condensateur diélectrique (rayon d’influence de l’ordre de 30 mm)

– circuit oscillant dont la fréquence dépend de la valeur de la capacité du condensateur, laquelle dépend de la permittivité relative du milieu environnant




Capteur capacitif de 1ière génération – JP. Sudret 2000-2001

Capteur capacitif de 2ième génération – LCPC SMI - LRA 2002-2005

Trajet longitudinal sur un câble: mise

en évidence d'une zone de vide

sur les 4 premiers mètres testés




Développement d’un matériel MLPC

• Application du MMQ n°5

• Equipe projet constituée avec un responsable de projet et un métrologue qualifiés, le LCPC SMI

pour le développement de la partie « mécanique », le CECP de Rouen pour le développement de la

partie « électronique », le LRPC Autun représentant des utilisateurs

• Lancement officiel du Projet de Développement le 21 décembre 2006

• 10 réunions de l’équipe projet

• Déclaration de conformité du directeur du CECP de Rouen en date du 26 janvier 2009

• Courrier du LCPC/DQN en date du 10 septembre 2009 prononçant la qualification (n°37/09) du

prototype 3CP réalisé par le CECP de Rouen.




Synthèse du cahier des charges

• Détection et localisation « précise » (1%) des défauts d’injection au coulis de ciment des

conduits des câbles de précontrainte extérieure: présence de vide, de pâte blanchâtre

surmontant le coulis

• Compatibilité avec des conduits de 75 (7T15) à 140 mm (37T15) de diamètre

• Fréquence de fonctionnement de l’oscillateur (circuit électronique) de 30 MHz

• Bon contact entre électrodes et conduits y compris pour des géométries ovalisées à +/-10 voire

15%; capteur « autostable » une fois installé

• Encombrement « minimal » (80 mm « transversalement »)

• Enregistrement des données sur PDA, transmission sans fil

• Batterie amovible rechargeable, autonomie 8 h / jour avec 1 remplacement maxi

• Résister à l’environnement IP53

• Exploitations sur PDA et micro




Evolution de la conception: d'un système à pinces, vers un système à sangles =>




1,18E-08

0,000000012

1,22E-08

1,24E-08

1,26E-08

1,28E-08

0,000000013

1,32E-08

1,34E-08

0

1020

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

160170

180190200

210

220

230

240

250

260

270

280

290

300

310

320

330

340

350360

Air

Coulis

Air + Coulis

Air + Pate blanche + Coulis

Air + Acier

Coulis + Acier

Air + Coulis + Acier

Air + Pate blanche + Coulis + Acier

Trajets circulaires

Courbes types de capacité (1/f2)

en représentation polaire

(avec valeur centrale = 1 / f02)




Examen des conduits sélectionnés et sondés au marteau :

• Un seul conduit présentant des vides (n° 9 côté terre situé entre E.7.6.07 et E.7.6.09): « ce vide débute

à environ 2,10 m du déviateur E7.6.07 sur une longueur de 2,30 m environ, il est situé en fibre supérieure

légèrement décalé côté terre »; confirmé par l’ouverture du conduit.

• Le capteur capacitif n'a pas mis en évidence la présence de vide sur les autres zones « douteuses »

repérées lors du sondage au marteau.

Mise en œuvre du capteur capacitif 3CP

sur le viaduc d'Echinghen



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Examens sur site

• Les deux torons les plus proches de la déchirure et de la surface sont oxydés sur environ

15 cm.

• Oxydation localisée sur la génératrice présentant le plus faible enrobage des torons

•Pertes de section importantes sur tous les fils périphériques; corrosion par dissolution

Au droit de la déchirure



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Examens sur site

• Ouvertures de gaines en partie

courante et en jonction entre

éléments de gaine

• 5 autres ouvertures

• Aucune n'a révélé de trace de corrosion

des torons

• Pas de traces d'humidité

• Coulis sain

• Confirmation du manque de coulis détecté

par le capteur capacitif.

• Jonction entre éléments aux points hauts :

dégradation des couches périphériques

(émiettage du coulis, corrosion des frettes),

mais pas d'atteinte du cœur du câble

• Ouverture d'un ancrage bas : pas de trace

de corrosion ou d'humidité



23

Examens de laboratoire

• La corrosion se présente sous forme de cratères en début d’oxydation puis en

dissolution généralisée ensuite

• Coupe métallographique montrant une

microstructure classique de type perlitique tréfilée

avec un état inclusionnaire plutôt propre



24

Examens de

laboratoire

• Face fortement corrodée :

progression longitudinale de la

corrosion (microstructure de l'acier) et

aucun début de fissure orienté

transversalement à l’axe du fil.



25

coulis

• Analyse du coulis (risques vis-à-vis

de la corrosion)

• Très fines couches blanches

(plutôt effet de paroi, et non

ségrégation)

• pH corrects (rien au dessus de

13)

• D'une façon générale, les coulis

ne présentent pas de pathologie

particulière

E9 haut

Ancrage E11

Diagrammes DRX :

Phase principale : Portlandite

Phases secondaires : Ettringite et ciment

anhydre

(Travaux IFSTTAR/MAT -T. Chaussadent)



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Gaines

Gaines Temps d’induction à

l’oxydation

Pourcentage de

noir de carbone

Allongement à la

rupture (%)

234ECH12 +/- - +/-

236ECH12 + - +

237ECH12 - + +

238ECH12 - + +

• Oxydation très superficielle

• Caractéristiques très hétérogènes, sans corrélation multi-échelle

• TIO parfois inférieurs à 5 minutes (20 minutes demandées par l'ETAG13)

• Pourcentages de noir de carbone parfois inférieurs à 1,5% (2,3% demandés) (stabilisation

anti-UV ?)

• Allongements à rupture satisfaisants, sauf dans certains endroits de l'échantillon à

proximité de la déchirure

•Les caractéristiques inferieures peuvent être dues aux phénomènes de vieillissement et/ou

à de mauvaises caractéristiques initiales des matériaux.

(+)/(-) caractéristiques

obtenues par rapport à

celles exigées pour les

gaines « neuves » dans

la norme NF EN 12201-

2 et dans l’ETAG 13.

Référence Ifsttar Caractéristiques visuelles de l’échantillon

234 ECH12 Fissure 236 ECH 12 Rayure interne

237 ECH 12 Sans défaut apparent 238 ECH 13 Zone thermo-soudée (2 parties)

(Travaux IFSTTAR/MAT –L. Van Schoors)



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Interprétation et actions proposées

• Mode d'apparition du désordre : probablement par la pénétration d'eau

directement au droit de la blessure

• Injection : pas de problème détecté

• Acier : pas de problème détecté – pas de corrosion fissurante

• Gaines :

• Etat d’avancement de l’oxydation des torons → une durée d’exposition de

plusieurs mois à quelques années ( et non quelques semaines).

• Surveillance régulière des gaines pour vérifier une éventuelle progression de

l'oxydation (pour l'instant pas de problème d'oxydation) et la présence de

fissures

• Etanchéité des raccords de gaine à traiter (il est encore temps)



Merci de votre attention

Documents

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