Concevoir, construire et gérer des structures durables en ...
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Évaluation de la durée de vie résiduelle d’un ouvrage en service
Alexandre PAVOINE
ENPC Marne-la-Vallée - 23 octobre 2014
Concevoir, construire et gérer des structures
durables en béton
Approche performantielle et évolutions normatives
Remerciements à C.Aubagnac et B. Thauvin (Cerema) pour leur contribution à l’exposé
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Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage Référentiel
Concevoir, construire et gérer des structures durables en bétonApproche performantielle et évolutions normatives
3Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
Les enjeux� Anticiper l’apparition des dégradations:
� Surveiller les structures en béton (armé)
� Évaluer l’avancement des phénomènes de dégradation
� Pronostiquer l’échéance d’apparition des dégradations
� Programmer des actions de maintenance préventive
� Évaluer l'efficacité des réparations éventuelles
Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage Contexte et enjeux
Le contexte� Importance du patrimoine des ouvrages d’art en béto n
� Vieillissement, dégradation (corrosion, gel interne et écaillage, RGI…)
Concevoir, construire et gérer des structures durables en bétonApproche performantielle et évolutions normatives
4Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
Dégradations du béton :
Corrosion des armatures (Cl- et CO2)
Alcali-réaction
Réaction Sulfatique Interne
Gel/dégel
Objectifs :
Évaluer l’état de la structure vis-à-vis de la dégradation
Prédire/pronostiquer l’évolution de la dégradation
Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage La problématique
Concevoir, construire et gérer des structures durables en bétonApproche performantielle et évolutions normatives
5Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
DégradationsDégradationsDégradationsDégradations
TempsTempsTempsTemps0000
PropagationPropagationPropagationPropagationConceptionConceptionConceptionConceptionFormulationFormulationFormulationFormulation IncubationIncubationIncubationIncubation
Gestion des ouvrages par le maître d’ouvrage ou le gestionnaire
État limite
to
Durée de vie résiduelle
Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage La problématique
Concevoir, construire et gérer des structures durables en bétonApproche performantielle et évolutions normatives
6Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
PropagationPropagationPropagationPropagationConceptionConceptionConceptionConceptionFormulationFormulationFormulationFormulation
CorrosionCorrosionCorrosionCorrosion
TempsTempsTempsTemps0000
IncubationIncubationIncubationIncubation
« Durée de vie résiduelle » du béton armé vis-à-vis d e la corrosion des armatures (phase d’incubation) :Temps au bout duquel le front de chlorures et/ou le front de carbonatation atteint les armatures
to
« Durée de vie résiduelle »
Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage « durée de vie résiduelle » vis à vis de la corrosion
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7Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
Indicateurs de durabilité
Témoins de durée de vie
Caractérisent les propriétés du béton vis à vis d’une
dégradation donnée
Évaluent l’avancement du processus de dégradation
Essais en laboratoire sur éprouvettes
Essais in situ ou sur prélèvements
Évaluation de l’état de la structure à un instant t0
Prédiction/pronostic de l’état de la structure à t0 + ΔtÉvaluation de la « durée de vie résiduelle »
Données de conception/réalisationDonnées environnementales
Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage Méthodologie de diagnostic
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8Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
Indicateurs de durabilité
Témoins de durée de vie
Données de conception et de réalisation
�Porosité accessible à l’eau (Peau)�Coef. de Dif. des chlorures (Dapp)�Perméabilité au gaz (Kgaz)
�Teneur en portlandite (Ca(OH)2)
�Résistivité électrique (⍴)
�Profondeur de carbonatation (Xc)�Position du front de chlorures �Profil de pénétration des chlorures (Xd)
Exposition du béton :� humidité� sels marins ou de déverglaçage� milieu agressif
Données environnementales
�Enrobage des armatures (e)�Fissuration, hétérogénéités
(+ méthodes électrochimiques)
Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage Méthodologie de diagnostic
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9Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
Détermination de la profondeur de carbonatation (Xc) par méthode colorimétrique (phénol-phtaléine)
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Témoins de durée de vie
Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage Méthodologie de diagnostic
10Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
Témoins de durée de vie
Détermination de la position du front de chlorures par la méthode colorimétrique (nitrate d’argent)
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Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage Méthodologie de diagnostic
11Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 10 20 30 40 50 60
Profondeur en millimètres
Chl
orur
es li
bres
en
% d
u po
ids
de m
atér
iaux
sec
s
A2b-D33 sous radier Seuil d'initiation de l'enrouillement
enrobage mini des aciers passifs de la série
Profil de pénétration des chlorures dans l’enrobage
Poudre
Perceuse Trépan
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12Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
Témoins de durée de viePénétration des chlorures
Concentration critique d’initiation de la corrosion : Concentration à partir de laquelle s’initie la corrosion
Si béton non carbonaté :[Cl-]/[OH-] = 0,6 � [Cl-] = 0,4% (en % masse de ciment)
Initiation de la corrosion
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13Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
Témoins de durée de viePénétration des chlorures
Concentration critique d’initiation de la corrosion : Concentration à partir de laquelle s’initie la corrosion
[Cl]cr = 0,4% (% masse de ciment)
Profils chlorures : % masse de béton
Conversion de [Cl]cr
- Hypothèses sur masse volumique et dosage en ciment du béton…- Avec 2500 kg/m3 et 350-400 kg/m3 => ~ 0,06% (% masse de béton)
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14Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
Témoins de durée de vieProfondeur de front de chlorures Xd
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
0 1 2 3 4 5 6 7 8
Profondeur dans l'enrobage (cm)
Con
cent
rato
n en
chlor
ures
(% m
asse
bét
on)
Chlorures libresChlorures totaux
Concentration critique d’initiation de la corrosion : [Cl]cr
Position de l’armature
Xd
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15Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
Présentation de l’ouvrage
- travée isostatique (63 m)- 4 poutres longitudinales- 13 entretoises (tous les 5,25m)- construction en 1957-1958 par Campenon Bernard- zone de marnage, d’éclaboussures et d’embruns
Application à un ouvrage en environnement marin
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16Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
Indicateurs de durabilité
Témoins de durée de vie
�Porosité accessible à l’eau (Peau)�Coef. de dif. des chlorures (Dapp)
�Résistivité électrique (⍴)
�Profondeur de carbonatation (Xc)�Position du front de chlorures �Profil de pénétration des chlorures (Xd)
�Distribution statistique des enrobages (e) par technique RADAR
Données de conception et de réalisation
Données environnementales
�Prise en compte de l’exposition du béton dans le lotissement des investigations
Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage Méthodologie de diagnostic
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17Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
Les témoins de durée de vie sont directement liés à l’environnement du béton
Poutre extérieureFace exposée aux vents dominantsPlan d’échantillonnage « vertical » pour tenir compte du marnage
Nature de la donnée Nature de l’investigation Notatio n
Témoins de durée de vie
Profondeur de carbonatation
(carottage 50mm)
Pour une zone i:
3 prélèvements:
Cli1, Cli2, Cli3
Profils de pénétration des chlorures
(prélèvement de poudre)
Pour une zone i:
1 prélèvement:
Cai
Indicateurs de durabilité Peau, Dapp, ⍴
(carottage 100mm)
Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage Plan de prélèvements, échantillonnage
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18Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
1 2 3 4 5 6 7 8Classes d'enrobage en cm
Pou
rcen
tage
cum
ulé
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Distribution aciers verticaux Distribution aciers horizontaux Enrobage des aciers verticauxEnrobage des aciers horizontaux Enrobage Mini des aciers verticaux Enrobage Moyen des aciers verticauxEnrobage Mini des Aciers Horizontaux Enrobage Moyen des aciers horizontaux
Enrobage (cm)
Armatures verticales
Armatures horizontales
Moyen 3,3 4,4
Mini 2,5 3,0
Maxi 5,3 7,8
Ecart type 0,5 1,1
Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage Distribution des enrobages
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19Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0 1 2 3 4 5Profondeur (cm)
Ten
eur
en c
hlor
ure
(%)
[Cl-] Critique - C = 400 kg/m3
[Cl-] Critique - C = 350 kg/m3
Cl 1.1 - Bas
Cl 1.2 - Bas
Cl 1.3 - Bas
Enrobage Mini des aciers verticaux
Enrobage Mini des aciers horizontaux
Enrobage Moyen des aciers verticaux
Enrobage Moyen des aciers horizontaux
Cl 4.1 - Haut
Cl 4.2 - Haut
Cl 4.3 - Haut
Cl 5.1 - Entretoise
Cl 5.2 - Entretoise
Cl 5.3 - Entretoise
Cl 6.1 - Talon
Cl 6.2 - Talon
Cl 6.3 - Talon
Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage Profils de pénétration des chlorures
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20Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
0 1 2 3 4 5Profondeur (cm)
Ten
eur
en c
hlor
ure
(%)
[Cl-] Critique - C = 400 kg/m3
[Cl-] Critique - C = 350 kg/m3
Cl 1.1 - Bas
Cl 1.2 - Bas
Cl 1.3 - Bas
Enrobage Mini des aciers verticaux
Enrobage Mini des aciers horizontaux
Enrobage Moyen des aciers verticaux
Enrobage Moyen des aciers horizontaux
Cl 4.1 - Haut
Cl 4.2 - Haut
Cl 4.3 - Haut
Cl 5.1 - Entretoise
Cl 5.2 - Entretoise
Cl 5.3 - Entretoise
Cl 6.1 - Talon
Cl 6.2 - Talon
Cl 6.3 - Talon
Zone Profils X d (cm)
Haut
Cl4.1 > 4,5
Cl4.2 > 4,5
Cl4.3 4,3
Milieu
Cl2.1 < 0,5
Cl2.2 < 0,5
Cl2.3 < 0,5
Milieu
Cl3.1 0,6
Cl3.2 < 0,5
Cl3.3 < 0,5
Bas
Cl1.1 > 4,5
Cl1.2 4,2
Cl1.3 > 4,5
Talon
Cl6.1 > 4,5
Cl6.2 > 4,5
Cl6.3 > 4,5
EntretoiseCl5.1 1,7
Cl5.2 2,3
Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage Profils de pénétration des chlorures
Concevoir, construire et gérer des structures durables en bétonApproche performantielle et évolutions normatives
21Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
0%
20%
40%
60%
80%
100%
120%
1 2 3 4 5 6 7 8Classes d'enrobage en cm
Pou
rcen
tage
cum
ulé
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Zone Profils X d (cm)
Haut
Cl4.1 > 4,5
Cl4.2 > 4,5
Cl4.3 4,3
Milieu
Cl2.1 < 0,5
Cl2.2 < 0,5
Cl2/3 < 0,5
Milieu
Cl3.1 0,6
Cl3.2 < 0,5
Cl3.3 < 0,5
Bas
Cl1.1 > 4,5
Cl1.2 4,2
Cl2.3 > 4,5
Talon
Cl6.1 > 4,5
Cl6.2 > 4,5
Cl6.3 > 4,5
EntretoiseCl5.1 1,7
Cl5.2 2,3
Exploitation statistique:98% des armatures verticales en phase de propagation70% des armatures horizontales en phase de propagation
Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage Profils de pénétration des chlorures et distribution des
enrobages
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100% des armatures verticales et horizontales en phase d’incubation
22Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
Indicateurs de durabilité Résultats des essais
Porosité accessible à l’eau – Peau (%) 13,1
Coefficient de diffusion des chloruresDapp (10-12.m².s-1)
2,6
Résistivité électriqueρ (Ω .m) 325
Classes de durabilité potentielle
Indicateurs de durabilitéTrès faible Faible Moyenne Élevée Très
élevée
Porosité accessible à l’eauPeau (%) > 16 14 à 16 12 à 14 9 à 12 6 à 9
Coefficient de diffusion des chlorures Dapp (10-12.m².s-1) > 50 10 à 50 5 à 10 1 à 5 < 1
Résistivité électrique (Ω .m) < 50 50 à 100 100 à 250 250 à 1000 > 1000
Classe de durabilité potentielle
Moyenne
Élevée
Élevée
Durée de vie
< 30 ans
50 à 100 ans
-
Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage Mesure des indicateurs de durabilité
Concevoir, construire et gérer des structures durables en bétonApproche performantielle et évolutions normatives
23Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
Objectif:Pour les armatures en phase d’incubation, déterminer le temps au bout duquel la corrosion va s’initier.
Choix d’un modèle de « prédiction »
Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage Estimation de la « durée de vie résiduelle »
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24Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
En zone immergée:
En zone de marnage:
Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage Estimation de la « durée de vie résiduelle »
Concevoir, construire et gérer des structures durables en bétonApproche performantielle et évolutions normatives
25Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
En zone immergée:
Rappel:La corrosion s’initie lorsque le front de chlorures atteint les armatures.
Soit Xd(t0) la position du front de chlorures à l’instant t0Soit td le temps au bout duquel la corrosion s’initie
Xd(td) = e Δt = td – t0
Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage Estimation de la « durée de vie résiduelle »
Concevoir, construire et gérer des structures durables en bétonApproche performantielle et évolutions normatives
26Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
0,0000
0,0500
0,1000
0,1500
0,2000
0,2500
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Temps en année
Pos
ition
du
front
de
chlo
rure
s (m
)X
dÉvaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage
Estimation de la « durée de vie résiduelle »
Concevoir, construire et gérer des structures durables en bétonApproche performantielle et évolutions normatives
27Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
Zone Profils X d (cm)
Haut
Cl4.1 > 4,5
Cl4.2 > 4,5
Cl4.3 4,3
Milieu
Cl2.1 < 0,5
Cl2.2 < 0,5
Cl2/3 < 0,5
Milieu
Cl3.1 0,6
Cl3.2 < 0,5
Cl3.3 < 0,5
Bas
Cl1.1 > 4,5
Cl1.2 4,2
Cl2.3 > 4,5
Talon
Cl6.1 > 4,5
Cl6.2 > 4,5
Cl6.3 > 4,5
EntretoiseCl5.1 1,7
Cl5.2 2,3
Tém
oins
de
duré
e de
vie
Vert. Hor.
100% 75%
100% 75%
98% 70%
0% 0%
0% 0%
0% 0%
0% 0%
0% 0%
0% 0%
100% 75%
98% 60%
100% 75%
100% 75%
100% 75%
100% 75%
0% 0%
0% 0%
+ In
dica
teur
s de
dur
abili
té
Vert. Hor.
0 0
0 0
0 0
> 30 > 30
> 30 > 30
> 30 > 30
> 30 > 30
> 30 > 30
> 30 > 30
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 0
0 à 5 10 à 15
0 à 5 5 à 10
Pourcentage d’armatures en phase de propagation Durée de vie résiduelle
28Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
Témoins de durée de vie
Formuler un diagnostic sur l’avancement de la corrosion en fonction des différentes parties de la structure
Estimer la proportion d’armatures en phase d’incubation ou de propagation de la corrosion
Indicateurs de durabilité
Évaluer les propriétés de durabilité du béton vis-à-vis de la corrosion des armatures
Estimer la « durée de vie résiduelle » du béton pour chacune des parties de la structure
Orienter et aider le gestionnaire dans sa prise de décision sur le devenir de l’ouvrage
Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage Conclusions
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29Journée CoTITA_AFGC NP - Durée de vie résiduelle des ouvrages - CA - 16 octobre 2013
Précautions :
Corrosion : phénomène électrochimique complexeIncertitudes : méthodes de mesure, composition des bétons,
seuil d’initiation…Béton armé = matériau hétérogène : enrobage, qualité béton
Intérêt de l’approche performantielle pour le diagn ostic :Méthodologie d’expertiseRigueur scientifiqueIndicateurs quantifiés
- Probabilisation du diagnostic- Introduction de variables aléatoires (Xcr, e, Dapp, …)
Évaluation de la « durée de vie résiduelle » d’un ouvrage Conclusions
Concevoir, construire et gérer des structures durables en bétonApproche performantielle et évolutions normatives
Merci de votre attention
Concevoir, construire et gérer des structures
durables en béton
Approche performantielle et évolutions normatives