pathologie durabilité et protection du béton armé...–catalogue des défauts apparents des...

Pathologie

durabilité

et protection

du béton armé

ENPC, MPREP

Bruno GODART

08/03/2021 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 »

08/03/2021 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

08/03/2021 5

Défauts apparaissant dès la

construction

❖ Bullage

– origines possibles :

»béton pas ouvrable

»coffrage inadapté

»vibration inadaptée

08/03/2021 6


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

08/03/2021 7


construction

❖ Fuites de laitance


»mauvaise

étanchéité des

coffrages (joints

mal étanchés)

08/03/2021 8


construction

❖ Variations de teinte


» reprises de bétonnage

avec modifications des

constituants du béton

ou des conditions de

mise en œuvre

» ragréages

» impuretés dans le

béton

08/03/2021 9


construction

❖ Pommelages


» différence de densité

entre gravillons et

autres constituants du

béton

» variations du taux

d’hydratation du

ciment en surface

08/03/2021 10


construction

❖ Fissures de retrait


» dessiccation en surface

» retrait différentiel gêné

08/03/2021 11

Défauts d ’aspect dus à

l ’environnement

❖ Epaufrures


» choc

mais autre origine possible : suite

de l ’écaillage (traduit une

dégradation du béton armé)

08/03/2021 12


l ’environnement

❖ Salissures


» pollution (fixation de

poussières)

» graffitis

08/03/2021 13


l ’environnement

❖ Recouvrements

biologiques


» développements

biologiques

influencés par :

– température

– humidité

– luminosité

08/03/2021 14


l ’environnement

❖ Aspect grenu


» érosion éolienne

» pluies

08/03/2021 15

Effets des circulations d’eau

dans le béton

❖ Efflorescences


» béton poreux soumis

à l ’humidité

– mécanismes :

» humidité entraîne sels

solubles du cœur du

béton vers la surface

où ils cristallisent

08/03/2021 16

Effets des circulations d’eau dans

le béton

❖ Stalactites


» 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

08/03/2021 17

Effets des circulations d’eau dans

le béton

❖ Suintements


» mauvaise évacuation

des eaux

08/03/2021 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

08/03/2021 19


béton armé

❖ Corrosion des

armatures


» insuffisance

d ’enrobage

» béton poreux

» béton fissuré

» carbonatation du

béton d ’enrobage

» pénétration d’agents

agressifs (cl-)

08/03/2021 20


béton armé

❖ Ecaillage


» corrosion des armatures

» béton gélif

» gonflement du béton

08/03/2021 21


béton armé

❖ Faïençage


» retrait de surface

» gonflement du béton

08/03/2021 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

08/03/2021 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

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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

08/03/2021 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

08/03/2021 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


❖ effet du gel-dégel + sels de déverglaçage

❖ réaction internes

– alcali-réaction

– réactions sulfatiques

08/03/2021 28

Autres causes de dégradation

Eau de mer

Incendie

Effet du retrait

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Processus de dégradation

2 phases :

– incubation (latence)

» altération lente sans effet visible

– développement

» dégradations observables

ex. : cas de la


Attention au béton apparemment sain !

Stade d’incubation

béton altéré rouillebéton sain

Stade de développement

fissure

08/03/2021 30

Etude de chaque phénomène

de dégradation

08/03/2021 31

Plan adopté dans cet exposé

pour chaque phénomène, sont traités :

▪manifestations

▪ description du phénomène

▪moyens et essais pour établir le diagnostic

▪ traitements

▪ prévention

08/03/2021 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)

08/03/2021 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

08/03/2021 34

Carbonatation

H2OCO2 CO2

ec

ee

f

e

e = enrobage; ec = carbonaté; eef = enrobage efficace

Photo G. Grimaldi

08/03/2021 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




fissure

08/03/2021 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

08/03/2021 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

08/03/2021 38

Carbonatation

Ø>3D (5cm)

e

Ph > 9

Photo G. Grimaldi

08/03/2021 39

Carbonatation❖Traitement

– 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

08/03/2021 40

Carbonatation

❖Prévention

– Phénomène de vieillissement naturel

– pour le ralentir :

» béton compact (faible porosité et perméabilité)

» respect des enrobages

08/03/2021 41

Enrobage

Principe :

variation électro-magnétique due à la présence

d’armatures

Détecteur d’armature :

position –direction

enrobage (épaisseur)

diamètre (barre isolée)

08/03/2021 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

08/03/2021 43

Matériel

Photo 1

Ferroscan

dans sa mallette de

transport

Photo 2

Moniteur et scanner

08/03/2021 44

Exemple

d’image

obtenue par le

Ferroscan

Photo G. Grimaldi

08/03/2021 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)

08/03/2021 46


❖ 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-

08/03/2021 47



– 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

❑ dosage sur poudres

08/03/2021 48

Prélèvement de poudre béton

Perceuse

Guide

Poudre

Sachets e1, e2,…en

Trépan Ø25

08/03/2021 49


– 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]%

08/03/2021 50


❖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

08/03/2021 51


❖Prévention

»béton compact (faible porosité et perméabilité)

»respect des enrobages

»protection à titre préventif des parties

particulièrement exposées (exemples fûts de

pile)

08/03/2021 52

Amorçage de la corrosion des

aciers

❖Manifestations

1. aucune manifestation apparente (au début)

2. fissures

3. écaillage

4. armatures apparentes

08/03/2021 53


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




fissure

08/03/2021 54

❖Diagrammes de

Pourbaix

08/03/2021 55


aciers


– 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)

08/03/2021 56


aciers

❖ Mesures de potentiel

– principe de la mesure

» différence de potentiel entre armature et

électrode de référence

– interprétation des résultats selon

norme ASTM (/électrode CuSO4)

» si E < - 350 mV: enrouillement certain

» si -350 < E < - 200 mV : enrouillement

possible

» si E > - 200 mV passivation

08/03/2021 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

08/03/2021 58

zone

anodique

zone cathodiqueEc (mv/Cu.CuSo4

sat)

-200

-300

zone de passivation

enrouillement probable

enrouillement certain

gradient

Mesure du potentiel

d’électrode

08/03/2021 59

Cartographie

des potentiels

sur une pile de

pont en mer

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

08/03/2021 60

Électrode Cu1

08/03/2021 61

Potentiel

08/03/2021 62

08/03/2021 63


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

08/03/2021 64

Appareil de mesure et capteur

08/03/2021 65


aciers

❖ Remarque :

– pas de possibilité de mesurer la section

résiduelle d ’une armature corrodée

08/03/2021 66


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

08/03/2021 67


aciers

❖Prévention» respect des enrobages

» bonne compacité des bétons

» protection préventive des parties de structures les

plus exposées aux agents agressifs

08/03/2021 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

pro fondeur (m m )

[C

l]%

3

zone

anodique

zone cathodiqueEc (mv/Cu.CuSo4

sat)

-200

-350

zone de passivation

enrouillement probable

enrouillement certain

gradient

Mesure du potentiel d’électrodeMesure du potentiel d’électrode

Photo G. Grimaldi

07/03/2005 66

Appareil de mesure et capteurAppareil de mesure et capteur

Photo G. GrimaldiPhoto G. Grimaldi

08/03/2021 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

08/03/2021 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)

Guide AFGC : « Réhabilitation du béton armé dégradé par la corrosion –novembre 2003 »

08/03/2021 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

08/03/2021 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.

08/03/2021 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.

08/03/2021 74

Lasures

❖ produits non opacifiants, fluides, transparents

éventuellement colorés laissant apparaître la

texture du support

❖ exemples: acrylique, polyuréthanne,...

❖ épaisseur: autour de 50 µm.

08/03/2021 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.

08/03/2021 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.

08/03/2021 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.

08/03/2021 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.


la carbonatation et

0,01 <Cl-< 0,1%

-

Ralentir la pénétration des chlorures à l’aide de :

Peinture, revêtement ou inhibiteurs qualifiés.


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.


0,01 <Cl-< 0,1%

-

actions 2 et 4 combinées


Cl- > 0,1%

actions 3 et 4 combinées

Cl- exprimé en % du poids de béton

08/03/2021 79

Types de systèmes de 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

08/03/2021 80

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,résistanceau 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

08/03/2021 81

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

08/03/2021 82

Essai d’adhérence

Réf : Essai pratiqué sur peinture sur métal

avec plots de 2 cm

Adaptation : ➔plots de 5 cm de diamètre sur

béton

08/03/2021 83

Mesure de perméabilité de surface

- Appareil BT Cris ou Torrent

08/03/2021 84

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

08/03/2021 85

08/03/2021 86

Autres causes de dégradation

Gel -dégel

Réactions degonflement

interne

08/03/2021 87

Gel-dégel + sels de déverglaçage

❖Manifestations

– gonflements

– fissures ( en réseau)

– écaillage en surface

– désagrégation du béton

08/03/2021 88

Les dégradations dues au Gel

08/03/2021 89


08/03/2021 90


08/03/2021 91


08/03/2021 92


Présence de craie dans

les calcaires

08/03/2021 93

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 formed’écailles

08/03/2021 94


❖ Phénomène : gel interne

– Différentes théories :

» Théorie des pressions hydrauliques de Powers

(1949) la plus répandue

08/03/2021 95


– 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 bulles d’air fines et bien réparties

08/03/2021 96


écaillage :» cycles gel-dégel affecte surface du béton :

» origine :

phénomène complexe provoqués par causes

physiques et chimiques

éclatements superficiels sous forme d ’écailles

08/03/2021 97


❖ 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)

08/03/2021 98



– 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

08/03/2021 99

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

08/03/2021 100

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

08/03/2021 101

XP P 18-420Configuration d ’un échantillon

Saumure Couvercle

Éprouvette de béton

Isolation Étanchéité

Élément de

mesure

thermique

Solin de joint

mastic

Liaison par

collage

08/03/2021 102

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

08/03/2021 104

Description de la mesuredes caractéristiques des bulles d’air

08/03/2021 105


❖Traitements

– gel interne : pas de traitement possible

– écaillage : amélioration de la tenue à l ’écaillage

par application de produit de protection

08/03/2021 106


❖Prévention

– vis-à-vis gel interne :

» obtenir un réseau de petites bulles d ’air fines et bien

réparties

❑ 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

Notion de facteur d ’espacement critique : demi-distance

moyenne entre 2 parois de bulles :

❑ valeurs préconisées :

facteur d ’espacement : 200 µm

diamètre : 50 à 200 µm

volume total : 5 à 7 %

08/03/2021 107

– 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


08/03/2021 108

– 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


08/03/2021 109

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)

08/03/2021 110

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

08/03/2021 111

» Fissuration orientée :

selon tracé des armatures de peau

cas des OA précontraints : fissures

longitudinales avec ouverture

suivante direction non précontrainte

Alcali-réaction

08/03/2021 112

» gonflements,

mouvements, déformations

de la structure

Alcali-réaction

tâches, colorations

08/03/2021 113

» pop-out

Alcali-réaction

ruptures

d ’armatures

08/03/2021 114

phénomènes aggravés

dans les zones humides

Alcali-réaction

08/03/2021 115

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 13

– certains granulats contiennent silice ( Si O2) mal cristallisée

ou amorphes (granulats siliceux ou silicatés ou même

certains calcaire)

08/03/2021 116

Alcali-réaction

Vue au microscope électronique à balayage d’un gel

d’alcali-réaction d’épaisseur 5 à 10 microns

08/03/2021 117

Alcali-réaction❖ Phénomènes (suite)

– en présence solution de pH voisin de 13

» silice + alcalins + ions calcium du ciment → Gel

– gel se forme où béton pas carbonaté et contient

beaucoup d ’eau :

» à cœur

» en présence d’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

08/03/2021 118

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)

08/03/2021 119

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

08/03/2021 120

Alcali-réaction


– 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)

08/03/2021 121

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

08/03/2021 122

Alcali-réaction❖ Moyens 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

08/03/2021 123

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

08/03/2021 124

Stockage dans les conteneurs

et réacteur de NF P 18-585/7 (38°C)


08/03/2021 125


Mesure au rétractomètre

mécanique

126


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

08/03/2021 127

Interprétation


Valeur Er Qualification

< 100 µm/m

100 à 500 µm/m

> 500µm/m

Négligeable

Modérée

Importante

08/03/2021 128

Alcali-réaction

❖ Traitement

– Absence de traitement curatif de l ’alcali-réaction

– traitements visent à ralentir le gonflement :

» limitation des arrivées d ’eau

08/03/2021 129

Alcali-réaction

❖ Prévention

– des granulats non réactifs

– peu d ’alcalins ou des ajouts minéraux adaptés

– un bon drainage des eaux

❖ Référentiel

– AFNOR FD P 18-464 + normes associées

– guide du dossier carrière

08/03/2021 130

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 : 3 classes d ’exposition

» 1 : environnement sec ou peu humide

» 2 : environnement humide ou au contact de l ’eau

» 3 : environnement humide avec apports d’alcalins

08/03/2021 131

Alcali-réactionDétermination

du niveau de prévention

Environnement

Catégorie d’ouvrage

XAR 1

(Sec ou peu

humide)

XAR 2

(HR > 80 %)

XAR3

(HR > 80 %

+ alcalins)

I A A A

II A B B

III C C C

08/03/2021 132

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

08/03/2021 133

Alcali-réaction

❑ Niveau B

– il faut répondre oui à au moins 1 des 5 questions :

» les granulats sont-ils non réactifs ?

» La quantité totale d ’alcalins est-elle inférieur à un seuil fixé ?

» La formulation satisfait-elle à un critère de performance ?

» Le béton contient-il suffisamment d ’additions minérales

inhibitrices ?

» Sommes-nous dans les conditions particulières d ’utilisation

des granulats PRP ?

08/03/2021 134

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

08/03/2021 135


❖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

08/03/2021 136


❖Phénomène

– réaction sulfatique résulte de la formation

différée 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 :

08/03/2021 137


❑ 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

08/03/2021 138


❑ 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

08/03/2021 139


❑ 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

08/03/2021 140


❖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

08/03/2021 141


❖Traitement

– si origine interne : aucun traitement efficace

– si origine externe : produit de protection pour

limiter les arrivées d ’eau

08/03/2021 142


❖Prévention» d ’après état des connaissances actuelles, les facteurs qui

favorisent le développement de la réaction sont

❑ température de cure trop élevée (supérieure à 65 °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

08/03/2021 143

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

08/03/2021 144

Le délaminage des tabliers

08/03/2021 145


08/03/2021 146


08/03/2021 147


08/03/2021 148

Dégradation

par l ’eau de mer

❖ Manifestations

– gonflements

– éclatements

08/03/2021 149

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,…).

08/03/2021 150

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

08/03/2021 151

Dégradation

par l ’eau de mer

❖ Traitements

– voir traitements proposés pour limiter la

pénétration des chlorures

08/03/2021 152

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)

08/03/2021 153

Dégradation du béton par incendie

❖ Manifestations

– microfissuration

– écaillage progressif à partir de la peau

– éclatements

08/03/2021 154

Désordres dus à l’incendie

08/03/2021 155

Désordres dus à l’incendie

08/03/2021 156

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

08/03/2021 157



– 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

08/03/2021 158


❖ Traitement

– béton projeté (après diagnostic et

expertise complète)

08/03/2021 159

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)

08/03/2021 160

Effet du retrait❖ Manifestations

– 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

08/03/2021 161

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,…)

08/03/2021 162

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

08/03/2021 163

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-,..

pathologie durabilité et protection du béton armé...–catalogue des défauts apparents des...

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