enpc, mprep - educnet, ressources pédagogiques … · défauts liés à une dégradation du béton...
TRANSCRIPT
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
Défauts apparaissant dès la
construction
Nids de cailloux
– origines possibles :
» problème de mise en
œuvre
béton mal vibré
ferraillage trop dense
hauteur de chute du
béton dans coffrages
trop élevée
15/03/2017 7
Défauts apparaissant dès la
construction
Fuites de laitance
– origines possibles :
» mauvaise étanchéité des
coffrages (joints mal
étanchés)
15/03/2017 8
Défauts apparaissant dès la
construction
Variations de teinte
– origines possibles :
» 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
Défauts apparaissant dès la
construction
Pommelages
– origines possibles :
» différence de densité entre
gravillons et autres
constituants du béton
» variations du taux
d’hydratation du ciment en
surface
15/03/2017 10
Défauts apparaissant dès la
construction
Fissures de retrait
– origines possibles :
» dessiccation en surface
» retrait différentiel gêné
15/03/2017 11
Défauts d ’aspect dus à
l ’environnement
Epaufrures
– origines possibles :
» choc
mais autre origine possible : suite
de l ’écaillage (traduit une
dégradation du béton armé)
15/03/2017 12
Défauts d ’aspect dus à
l ’environnement
Salissures
– origines possibles :
» pollution (fixation de
poussières)
» graffitis
15/03/2017 13
Défauts d ’aspect dus à
l ’environnement
Recouvrements
biologiques
– origines possibles :
» développements
biologiques
influencés par :
– température
– humidité
– luminosité
15/03/2017 14
Défauts d ’aspect dus à
l ’environnement
Aspect grenu
– origines possibles :
» érosion éolienne
» pluies
15/03/2017 15
Effets des circulations d’eau
dans le béton
Efflorescences
– origines possibles :
» 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
Effets des circulations d’eau
dans le béton
Stalactites
– origines possibles :
» 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
Effets des circulations d’eau
dans le béton
Suintements
– origines possibles :
» 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
corrosion des armatures
gel
gonflement du béton
15/03/2017 19
Défauts liés à une dégradation du
béton armé
Corrosion des
armatures
– origines possibles :
» insuffisance d ’enrobage
» béton poreux
» béton fissuré
» carbonatation du béton
d ’enrobage
» pénétration d’agents
agressifs (cl-)
15/03/2017 20
Défauts liés à une dégradation du
béton armé
Ecaillage
– origines possibles :
» corrosion des armatures
» béton gélif
» gonflement du béton
15/03/2017 21
Défauts liés à une dégradation du
béton armé
Faïençage
– origines possibles :
» 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
corrosion des armatures
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
corrosion des armatures
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
Stade d’incubation
béton altéré rouillebéton sain
Stade de développement
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
Centre d’Etudes Techniques Maritimes Et Fluviales Agence d’Aix en Provence
Matériel
Photo 1
Ferroscan
dans sa mallette de
transport
Photo 2
Moniteur et scanner
Phto G. Grimaldi
15/03/2017 44
Centre d’Etudes Techniques Maritimes Et Fluviales Agence d’Aix en Provence
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
Pénétration des chlorures
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
Pénétration des chlorures
Moyens de diagnostic
– 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
Pénétration des chlorures
– 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
Pénétration des chlorures
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
Pénétration des chlorures
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
Amorçage de la corrosion des
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
Stade d’incubation
béton altéré rouillebéton sain
Stade de développement
fissure
15/03/2017 54
Diagrammes de
Pourbaix
15/03/2017 55
Amorçage de la corrosion des
aciers
Moyens de diagnostic
– 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
Amorçage de la corrosion des
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
Amorçage de la corrosion des
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
Amorçage de la corrosion des
aciers
Remarque :
– pas de possibilité de mesurer la section
résiduelle d ’une armature corrodée
15/03/2017 66
Amorçage de la corrosion des
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
Amorçage de la corrosion des
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.
2 Aciers non atteints par
la carbonatation et
0,01 <Cl-< 0,1%
-
Ralentir la pénétration des chlorures à l’aide de :
Peinture, revêtement ou inhibiteurs qualifiés.
3 Aciers non atteints par
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.
5 Aciers atteints et
0,01 <Cl-< 0,1%
-
actions 2 et 4 combinées
6 Aciers atteints et
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
Les dégradations dues au Gel
15/03/2017 91
Les dégradations dues au Gel
15/03/2017 92
Les dégradations dues au Gel
15/03/2017 93
Les dégradations dues au Gel
15/03/2017 94
Les dégradations dues au Gel
15/03/2017 95
Les dégradations dues au Gel
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
Gel-dégel + sels de
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
Gel-dégel + sels de
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
Gel-dégel + sels de
déverglaçage
Influence de la température
– élévation rapide : risque d’éclatement (vapeur)
– basse température : risque d ’éclatement (glace)
15/03/2017 101
Gel-dégel + sels de
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
Gel-dégel + sels de
déverglaçage
Moyens de diagnostic
– 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
Gel-dégel + sels de
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
Gel-dégel + sels de
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
Gel-dégel + sels de
déverglaçage
15/03/2017 112
Gel-dégel + sels de
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
Gel-dégel + sels de
déverglaçage
15/03/2017 114
Gel-dégel + sels de
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)
L’essai d’expansion résiduelle
15/03/2017 131
L’essai d’expansion résiduelle
Mesure au rétractomètre
mécanique
15/03/2017 132
L’essai d’expansion résiduelle
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
L’essai d’expansion résiduelle
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
Réaction sulfatique
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
Réaction sulfatique
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
Réaction sulfatique
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
Réaction sulfatique
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
Réaction sulfatique
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
Réaction sulfatique
Moyens de diagnostic
– 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
Réaction sulfatique
Traitement
– si origine interne : aucun traitement
efficace
– si origine externe : produit de protection
pour limiter les arrivées d ’eau
15/03/2017 148
Réaction sulfatique
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
Le délaminage des tabliers
15/03/2017 152
Le délaminage des tabliers
15/03/2017 153
Le délaminage des tabliers
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
Dégradation du béton par
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
Dégradation du béton par
incendie
Moyens de diagnostic
– 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
Dégradation du béton par
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-,..