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www.developpement-durable.gouv.fr Ministère de l'Écologie, du Développement durable, des Transports et du Logement Crédit photo : Arnaud Bouissou/MEDDTL Approche performantielle des bétons Doublement du viaduc de Volesvres Christophe Aubagnac CETE de Lyon – DL Autun 15 novembre 2011

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Ministère de l'Écologie, du Développement durable,des Transports et du Logement

Crédit photo : Arnaud Bouissou/MEDDTL

Approche performantielle des bétons

Doublement du viaduc de Volesvres

Christophe Aubagnac

CETE de Lyon – DL Autun

15 novembre 2011

Journée COTITA_AFGC CE - Volesvres - CA - 15 novembre 2011

Approche performantielle des bétons du viaduc de Volesvres

Remerciement aux contributeurs du CETE de Lyon à cette démarche:

Marjorie Rabasse,

Pascal Bligny,

Benoît Clément du DL Autun

et :

Bruno Boulet du DL Clermont-Ferrand

Journée COTITA_AFGC CE - Volesvres - CA - 15 novembre 2011

Approche performantielle des bétons du viaduc de Volesvres

Forte motivation de la DIR Centre Est pour tester l'application de la démarche d’approche performantielle sur les bétons d'ouvrages d'art et la rendre contractuelle « à terme ».

Motivation surtout liée à ses missions d'exploitant d'un réseau routier : recherche de la plus grande « durée d'utilisation » des ouvrages avec le moins d'interventions de maintenance possible.

Une première expérience lors de la construction du pont sur le Cher, où l'approche performantielle a été rendue contractuelle pour certains bétons.

Opportunité de la construction de l'ouvrage de doublement du viaduc de Volesvres…

Journée COTITA_AFGC CE - Volesvres - CA - 15 novembre 2011

Approche performantielle des bétons du viaduc de Volesvres

Construction de l’ouvrage de doublement du viaduc de Volesvres (71) dans le cadre de la mise à 2 x 2 voies de la RN 79 (RCEA)

Maître d'Ouvrage: DREAL Bourgogne

Maître d'Oeuvre: DIR Centre Est

Marché attribué au groupement d'entreprises CBR-TP (mandataire), SNCTP et IOA Construction + ZM pour le lot « charpente métallique »

5 travées continues de 32 à 52 mètres de portée (long. totale 206 m)

Tablier en caisson mixte de hauteur constante :

- caisson métallique ouvert, avec âmes inclinées

- hourdis supérieur constitué par une dalle en béton armé d’environ 0,30 m d'épaisseur moyenne

Culées enterrées en Béton Armé, fondées sur pieux

Piles architecturées en Béton Armé, fondées sur pieux

Journée COTITA_AFGC CE - Volesvres - CA - 15 novembre 2011

Journée COTITA_AFGC CE - Volesvres - CA - 15 novembre 2011

Approche performantielle des bétons du viaduc de Volesvres

Prescription des bétons suivant l'approche prescriptive classique (NF EN206-1 + F65 du CCTG de décembre 2008, dont préventions RAG, RSI, Gel interne et écaillage).

Décision de tester sur cet ouvrage, de façon volontaire et non contractuelle, l'application des Recommandations provisoires « Maîtrise de la durabilité des ouvrages d’art en béton – Application de l’approche performantielle » du LCPC de mars 2010 sur le béton des appuis et le béton du hourdis du tablier en ossature mixte (classes d'exposition XC4/XF1).

Démarche soutenue par l’IFSTTAR.

Sensibilisation des acteurs du chantier (entreprises, fournisseur de bétons : société BCMC « Béton Contrôlé Montceau le Creusot ») àcette démarche.

Association de la profession (ATILH, SNBPE et CIMBéton) dès le démarrage des travaux.

Journée COTITA_AFGC CE - Volesvres - CA - 15 novembre 2011

Approche performantielle des bétons du viaduc de Volesvres

Etablissement d'un programme de contrôle, se conformant aux préconisations des Recommandations provisoires du LCPC, basésur le planning général prévisionnel des travaux hors intempéries

Journée COTITA_AFGC CE - Volesvres - CA - 15 novembre 2011

Approche performantielle des bétons du viaduc deVolesvres

Implication des départements laboratoires d'Autun et de Clermont-Ferrand du CETE de Lyon, ainsi que les laboratoires centraux des cimentiers Calcia CTG et Lafarge LCR.

Prélèvements des 4 laboratoires réalisés :

- sur les mêmes fournitures de béton, pour pouvoir comparer les résultats d'essais et estimer la reproductibilité des essais,

- sur des fournitures différentes de béton, pour pouvoir avoir un plus grand nombre de résultats d'essais et donc une meilleure connaissance de la dispersion inhérente à la production du béton,

- à la livraison sur le chantier ou sur le site des centrales BPE.

Etablissement par le CETE de Lyon d’un document « modes opératoires communs - Essais de Porosité accessible à l'eau et de Résistivité électrique sur bétons »

Echange d’expérience, essais croisés avec les laboratoires centraux des cimentiers associés

Journée COTITA_AFGC CE - Volesvres - CA - 15 novembre 2011

Approche performantielle des bétons du viaduc de Volesvres

Caractérisation par l'essai de porosité accessible à l'eau et l'essai de perméabilité aux gaz + mesure de résistivité électrique

Modes opératoires d'essais conformes à l'annexe 1 du guide LCPC: « Modes opératoires simplifiés : Résistivité électrique et migration des ions chlorure sous champ électrique. Porosité à l’eau. Perméabilité au gaz CEMBUREAU »

07/11/11

Porosité accessible à l’eau

Protocole : étape 1, saturation sous vide (24h => 72h (*)…)

- Mise sous vide (sans eau) à 0,025 bar pendant 4h ( ± ± ± ±0,005 bar)

- Injection d’eau en conservant le vide

- Maintenir le vide pendant 20h => 68h (*)…

(*) Possibilité d’allonger la durée de saturation en fonction de la nature du béton et/ou de son état hydrique initial dans le cas des carottes (annexe 1 du guide LCPC…)

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Approche performantielle des bétons du viaduc deVolesvres

Prévention de la Réaction Sulfatique Interne

Résultats obtenus sur la formule de béton appuis (330 kg CEMIII/A52,5 L CE PM ES CP1 NF; Eeff/Leq = 0,47)

Semelles : niveau de prévention Ds (catégorie III et XH3), ie Tmax < 75°C avec ciment ES

Epreuves d’étude :

- Estimation de l’élévation de température par la méthode simplifiée des recommandations LCPC d’août 2007 : delta T = 46°°°°C, soit limite de la température initiale béton frais T0 à 29°C

- Suivi des températures sur un cube de béton d’1 m3:

T0 = 37°C, Tmax = 53°C (< 75°C) soit delta T = 16°°°°C…

Méthode simplifiée des recommandations LCPC inadaptée

pour les CEMIII???

Journée COTITA_AFGC CE - Volesvres - CA - 15 novembre 2011

Approche performantielle des bétons du viaduc de Volesvres

Prévention de la Réaction Sulfatique Interne

Résultats obtenus sur la formule de béton appuis (330 kg CEMIII/A52,5 L CE PM ES CP1 NF; Eeff/Leq = 0,47)

Epreuves de contrôle :

- Suivi des températures de la semelle P4 (15 au 18/10/2010) : Text = 4 à 6°C, T0 = 13°C, Tmax = 51,1°C (< 75°C) soit delta T = 38°°°°C

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Épreuve d’étude

Mesure des indicateurs de durabilité (spécifiés au marché) à 90j :� Confection de 3 éprouvettes 11X22 (NF EN12390-2)

1

1c

1a

1b

2

2c

2a

2b

3

3c

3a

3b

1a, 2a, 3a Perméabilité au gaz (Kgaz)

1b, 2b, 3b

Résistivité électrique (ρ )

Coef. de diffusion des chlorures (Dapp)

1c, 2c, 3c Porosité à l’eau (Peau)

� Jugement de la conformité : moyenne de 3 résultats (3 éprouvettes distinctes) à 90j

Kgaz (90j, épreuve d’étude) < Kgaz (marché)

Dapp (90j, épreuve d’étude) < Dapp (marché)

Peau (90j, épreuve d’étude) < Peau (marché)

Vis-à-vis du risque de corrosion des armatures

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Épreuve d’étude

En complément (perspective épreuve de convenance) :� Confection de 3 éprouvettes 11X22 (NF EN12390-2)

1

1c

1b

2

2c

2b

3

3c

3b

1b, 2b, 3b Résistivité électrique (ρ )

1c, 2c, 3c Porosité à l’eau (Peau)

� Moyenne de 3 résultats (3 éprouvettes distinctes) à 28j

- Peau (28j, épreuve d’étude)

- ρ (28j, épreuve d’étude)

Validation de l’épreuve de convenance

Vis-à-vis du risque de corrosion des armatures

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Épreuve de convenance

L’épreuve de convenance se limite à des mesures de porosité (Peau) et de résistivité (ρ) à 28j :� Confection de 3 éprouvettes 11X22 (NF EN12390-2)

� Résultats comparés à ceux de l’épreuve d’étude à 28j

L’épreuve de convenance est reconnue probante si :� Peau (28j, épreuve convenance) < 1,1.Peau (28j, épreuve d’étude)

� ρ (28j, épreuve convenance) > 0,8. ρ (28j, épreuve d’étude)

Vis-à-vis du risque de corrosion des armatures

Essai de porosité accessible à l’eau

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Épreuve de contrôle

Contrôles de conformité complétés par la mesure des indicateurs de durabilité spécifiés au marché :� Programme de contrôles

Vis-à-vis du risque de corrosion des armatures

Nature des indicateurs

Échéance des essais

Fréquence minimale des contrôles par formule

ρρρρ 28 joursUne mesure jusqu’à 100 m3 + une mesure par tranche de 100 m3 supplémentaire ou fraction restante

Peau

28 joursUne mesure jusqu’à 100 m3 + une mesure par tranche de 100 m3 supplémentaire ou fraction restante

90 joursUne mesure jusqu’à 500 m3 + une mesure par tranche de 500 m3 supplémentaire ou fraction restante

Kgaz et Dapp 90 joursUne mesure jusqu’à 500 m3 + une mesure par tranche de 500 m3 supplémentaire ou fraction restante

Si variations fortes constatées (consistance, résistance à la compression, etc.), le MOe pourra demander des mesures complémentaires d’indicateurs de durabilité.

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Épreuve de contrôle

Critères de jugement de la conformité :� A 28 jours :

- Peau (28j ; contrôle) < 1,1.Peau (28j ;épreuve étude)

- ρ (28j, contrôle) > 0,8. ρ (28j, épreuve d’étude)

� A 90 jours :

- Peau (90j ; contrôle) < Peau (marché)

- Kgaz (90j ; contrôle) < Kgaz (marché)

- Dapp (90j ; contrôle) < Dapp (marché)

+ Contrôles des enrobages

Vis-à-vis du risque de corrosion des armatures

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Approche performantielle des bétons du viaduc de Volesvres

Rappel: approche performantielle non contractuelle…

Pas d’épreuve d’étude spécifique aux essais performantiels vis à vis du risque de corrosion

Les premiers essais ont eu lieu à l’occasion des épreuves de convenance des bétons.

Par la suite, on appliquera les critères de conformité de l’épreuve d’étude, aux résultats d’essais obtenus lors des épreuves de convenance…

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Approche performantielle des bétons du viaduc de Volesvres

Résultats obtenus sur la formule de béton appuis (330 kg CEMIII/A52,5 L CE PM ES CP1 NF; Eeff/Leq = 0,47)

Epreuves de convenance (2 centrales) (considérées comme épreuve d’étude…):

- Rc28 de 45,3 à 51 MPa (largement conforme pour un C30/37)

- Peau28 de 16,1 à 16,9%

- Peau90 de 14,5 à 16,5% > seuil d'acceptabilité de 13% pour XC4

- Résistivité28 de 235 (ohm.m)

- Résistivité90 de 287 à 369 (ohm.m)

- Kgaz90 de 77 à 92 (10-18 m²) < seuil d'acceptabilité de 150 pour XC4

- importantes dispersions observées pour certaines séries d’essais

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Approche performantielle des bétons du viaduc de Volesvres

Résultats obtenus sur la formule de béton appuis (330 kg CEMIII/A52,5 L CE PM ES CP1 NF; Eeff/Leq = 0,47)

Epreuves de contrôle (2 centrales):

- Rc28 de 53,7 à 61 MPa (largement conforme pour un C30/37)

- Peau28 de 12,8 (*) à 16% < 1,1 Peau28 « étude » - résultats d'essais contradictoires: écarts de 0,8 – 1,2 et 2,5 (*)% (en valeur absolue)

- Peau90 de 15 à 15,6% > seuil d'acceptabilité de 13% pour XC4 -résultats d'essais contradictoires: écarts de 0,1 – 1% (en valeur absolue)

- Résistivité28 de 256 à 312 (ohm.m) > 0,8 Résistivité28 « étude »

- Résistivité90 de 310 à 338 (ohm.m)

- Kgaz90 de 68 (10-18 m²) < seuil d'acceptabilité de 150 pour XC4

- importantes dispersions observées pour certaines séries d’essais

(*) valeur suspecte

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Approche performantielle des bétons du viaduc de Volesvres

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Approche performantielle des bétons du viaduc de Volesvres

Pour information, quelques résultats (très faible nombre de prélèvements – hourdis en cours de réalisation…)

formule de béton hourdis (350 kg CEMI 52,5 N CE CP2 NF; Eeff/Leq = 0,42):

- Rc28 de 51,3 à 57 MPa (largement conforme pour un C40/50)

- Peau28 de 13,7 à 14,6% - résultats d'essais contradictoires: écarts de 0,3 et 0,9% (en valeur absolue)

- Peau90 de 14,1 à 14,3% > seuil d'acceptabilité de 13% pour XC4) -résultat d'essais contradictoires: écarts de 0,2% (en valeur absolue)

- Résistivité28 de 52 à 81 (ohm.m) - résultat d'essais contradictoires: écart de 7 - 20 ohm.m (en valeur absolue)

- Kgaz90 de 71,4 à 93 (10-18 m²) < seuil d'acceptabilité de 150 pour XC4)

- importantes dispersions observées pour certaines séries d’essais

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Approche performantielle des bétons du viaduc de Volesvres

Pour information, quelques résultats (très faible nombre de prélèvements)

formule de béton fondations profondes (385 kg CEMI 52,5 N CE PM ES CP2 NF; Eeff/Leq = 0,48):

- Rc28 de 48 à 56 MPa (largement conforme pour un C30/37)

- Résistivité28 de 48 à 55 (ohm.m)

- Peau28 de 14,1 à 15,5% - résultat d'essais contradictoires: écart de 1% (en valeur absolue)

- Peau90 de 14,2 à 15,6% / seuil d'acceptabilité de 15% pour XC2 -résultat d'essais contradictoires: écart de 1,4% (en valeur absolue)

- importantes dispersions observées pour certaines séries d’essais

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Approche performantielle des bétons du viaduc de Volesvres

Pour information, premiers résultats (un seul prélèvement)

formule de béton « équipements G+S » (420 kg CEMI 52,5 N CE PM ES CP2 NF):

- Rc28 de 40,2 MPa (largement conforme pour un C35/45)

A titre informatif (démarche non applicable à la classe d’exposition XF4), mais pour y penser…

- Résistivité90 de 47 (ohm.m)

- Peau90 de 15,7% (seuil d'acceptabilité à 11% pour XD3)

- Kgaz90 de 580 (10-18 m²) (seuil d'acceptabilité à 150 pour XD3)

- Dapp90 de 15,3 (10-12 m²/s) (seuil d'acceptabilité à 3 pour XD3)

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Approche performantielle des bétons du viaduc de Volesvres

Expérimentation simultanée de « kits capteurs de corrosion » de type électrochimiques, fabriqués par le LNEC du Portugal, partenaire de l’IFSTTAR:

- 2 capteurs de courant galvanique (mesures à 2 profondeurs dans l'épaisseur d'enrobage) ;

- 1 électrode de référence « longue durée de vie » MnO2 ;

- 2 capteurs de résistance électrique CER pour mesure de la résistivité du béton ;

- 1 sonde de température Pt100.

Une analyse de risques a permis d'identifier 4 + 1 zones à instrumenter :

- parement côté RD974 du fût de la pile P3 (risque de corrosion = carbonatation + projections d'eau chargée de sels de déverglaçage) et parement opposé (risque de corrosion = carbonatation) pour comparaison

- face avant du mur garde-grêve de la culée C0 (point bas du profil en long) et sous-face de l'encorbellement du hourdis béton côté TPC au droit de la pile P3 et de la culée C0 (risque de corrosion = carbonatation + ruissellements avec sels de déverglaçage).

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Approche performantielle des bétons du viaduc de Volesvres

Un relevé précis des enrobages est réalisé dans les zones d'emplacement des kits capteurs avant la mise en œuvre du béton.

Il est prévu la mise en place en fin de chantier d'un système d'acquisition de données, constitué de 2 centrales (1 sur la pile P3 et 1 sur la culée C0), avec modems et alimentation électrique par panneaux solaires, qui seront disposés en partie supérieure de l'ouvrage au droit du Terre Plein Central.

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Journée COTITA_AFGC CE - Volesvres - CA - 15 novembre 2011

Approche performantielle des bétons du viaduc deVolesvres

Premières conclusions sur la mise en œuvre de la méthode :

Les principes généraux du guide sont adaptés, mais nécessité d'accumuler de l'expérience => communication, diffusion de la méthode

Fiabiliser les modes opératoires d'essais (recommandations LCPC + normes…)

- NF P18-459 Porosité accessible à l’eau

- Pr XP P18-463 Essai de perméabilité au gaz

- Pr XP P18-462 Coefficient de diffusion apparent des ions chlorures et Pr XP P18-461 Coefficient de diffusion effectif des ions chlorures

Incertitudes d’essais?

Analyse des seuils proposés par le guide :

- influence des modes opératoires d’essais (porosité accessible à l’eau : pression et durée saturation sous vide), du type de ciment?

- calage sur plus de résultats

- optimum économique…

Préciser les conditions de réception (interprétation des épreuves de contrôle) : critères de conformité (dispersion maxi, critères sur valeurs individuelles et valeurs moyennes…)

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Approche performantielle des bétons du viaduc deVolesvres

Premières conclusions en termes d’impact sur les acteurs :

Bonne adhésion des acteurs, information préalable indispensable

Une nouvelle donne pour le couple « entreprise-BPE »

Trouver, collectivement, des pistes pour favoriser l‘optimisationtechnico-économique et environnementale des formules

Anticiper pour assurer la gestion des délais sur chantier (durée demurissement du béton de 90 jours préalable à la mesure desindicateurs de durabilité) et développer le recours à des formules régionales pré-qualifiées

Développer le nombre de laboratoires capables de réaliser les essais

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