viaduc d'echinghen : application du capteur...
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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
CABLES 2012 – Nantes – 27&28 Novembre 2012
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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 .
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La Structure des Ouvrages
Structure mixte avec âmes ajourées composées de
bracons métalliques , et précontrainte extérieure 19T15 .
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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• 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 3CP
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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
Capteur capacitif 3CP
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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.
Capteur capacitif 3CP
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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
Capteur capacitif 3CP
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Evolution de la conception: d'un système à pinces, vers un système à sangles =>
Capteur capacitif 3CP
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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)
Capteur capacitif 3CP
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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
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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
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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.
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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)
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Merci de votre attention
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