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Les indicateurs de durabilité

SOMMAIRE DE LA PRESENTATION

1. Les différents indicateurs2. Les essais3. Les seuils associés

1. Les différents indicateurs

Les dégradations du béton :

- Corrosion des armatures

- Les réactions de gonflements internes (RAG & RSI)

- Les effets du gel

Les dégradations du béton :

- Corrosion des armatures

- Les réactions de gonflements internes (RAG & RSI)

- Les effets du gel

NF EN 206-1 (+ F65 du CCTG)+ Recommandations pour la prévention des désordres dus à l'alcali-réaction – LCPC 1994+ Recommandations pour la prévention des désordres dus à la réaction sulfatique interne – LCPC 2007

XC (1 à 4)XS (1 à 3)XD (1 à 3)

Niveaux A, B, CNiveaux As, Bs, Cs, Ds

(suivant catégorie partie d’ouvrage et classe exposition

–XH pour RSI –)

XF (1 à 4)(XD 3)

Mécanisme de corrosion électrochimique :• pile électrochimique : eau, oxygène , anode, cathode• anode : dissolution du métal : Fe => Fe2+ + 2 e-

• cathode : réduction de l’oxygène : H2O + ½ O2 + 2 e- => 2 OH-

• puis anode : Fe2+ + 2 OH- => Fe(OH)2 (= rouille expansive )

Mécanisme de corrosion électrochimique en présence de chlorures :• ions Cl- = catalyseur de la réaction• diminution de la résistivité de la solution électrolytique• dépassivation couche superficielle par dissolution couche protectrice

Fe + 3 Cl- => FeCl3- + 2 e-

FeCl3- + 2 OH- => Fe(OH)2 + 3 Cl-

La corrosion des armatures :

- Porosité accessible à l'eau (Peau)

- Perméabilité au gaz (Kgaz)

- Coefficient apparent de diffusion des ions chlorure (Dapp)

- Mesure de la résistivité électrique ( ρ)

- Pénétration de l'eau (H2O)

- Pénétration de l'air (O2 et CO2)

- Pénétration des chlorures (Cl-)

Les indicateurs correspondants :La corrosion des armatures :

Les réactions de gonflements internes :

Silice des granulats, chaux et alcalins du ciment

Aluminates et sulfates du ciment + chaleur élevée aux jeunes âges

Les indicateurs de durabilitéLe phénomène d'alcali-réaction des granulats :

Pour les ouvrages courants hors éléments facilement remplaçables (catégorie II, niveau de prévention B) :

- Granulats qualifiés NR

- Granulats qualifiés PR avec bilan des alcalins équivalents [Na2O eq] = [Na 2O] + 0,658 [K 2O]

- Granulats qualifiés PR avec essai de performance en déformation suivant la norme NF P 18-454 et le fascicule FD P 18-456

Les indicateurs de durabilitéLe phénomène de réaction sulfatique interne :

Pour les ouvrages courants (catégorie II) :

- Niveau de prévention: (As éléments facilement remplaçables), Bs ou Cs

- Suivi des températures Tmax atteintes au cœur de l'ouvrage

- Essai de performance en déformation suivant la méthode LPC n°66

- Expansion de l'eau quand elle passe de l'état liquide à l'état solide

- Action renforcée par la présence des sels de déverglaçage (choc thermique en surface dû à la fusion rapide de la glace: perte de -4°C / minute au lieu de -4°C / heure)

Les effets du gel :

- Teneur en air occlus (tair)- Facteur d'espacement du réseau de bulle d'air (Lbar)- Mesure de la masse écaillée sous facteurs agressifs (Ec)- Essai de performance vis-à-vis du gel interne (∆ε)- Résistance à la compression (Rc à 28 jours)

Les effets du gel :Les indicateurs de durabilité correspondants :

2. Les essais

2. Les essais2.1 Essais vis-à-vis de la corrosion des

armatures

Les indicateurs de durabilitéFabrication des corps d'épreuve :

- Moulage (NF EN 12390-2) dimensions 11x22 cm

- Carottage (NF EN 12504-1) diamètre 100 mm

10 mm de bord à exclure Perméabilité au gaz (50 mm) Résistivité électrique et diffusion des ions Cl- (50 mm) Porosité à l'eau (50 mm) 10 mm de bord à exclure

Les indicateurs de durabilitéLa porosité accessible à l'eau : Peau

NF P18-459 Essai pour béton durci - Essai de porosité et de masse volumique (mars 2010)+ annexe 1 des Recommandations LCPC: « Modes opératoires simplifiés : Résistivité électrique et migration des ions chlorure sous champ électrique. Porosité à l’eau. Perméabilité au gaz Cembureau »

Objectif : Mesurer le pourcentage de vide connecté à la surface du béton

Préparation des corps d'épreuve :- Mise sous vide (sans eau) à 0,025 bar (±±±± 0,005 bar)pendant 4 h- Injection d’eau en conservant le vide (recouvrir les corps d'épreuve par 20 ml d'eau minimum)- Maintenir le vide pendant 44 h => 68 h (*)

(*) 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 des Recommandations LCPC…)

Remarque: NF P18-459 (mars 2010):44 h de maintien du vide avec eau

Les indicateurs de durabilitéMesures effectuées :

- Pesée hydrostatique, Meau

- Pesée dans l'air de l'éprouvette saturée d'eau, Mair

- Pesée dans l'air de l'éprouvette sèche, MsecSéchage = étuve 105 +/- 5°C jusqu'à obtenir une mas se constante (ie : masse ne variant pas de plus de 0,05 % entre deux pesées espacées de 24 h)

Les indicateurs de durabilitéCalcul de la porosité accessible à l'eau :

Pourcentage à 0,1 point près

Mair - Msec

Mair - MeauPeau = x 100

Les indicateurs de durabilitéLa pénétrabilité au gaz : Kgaz

Méthode LCPC n° 58.7, XP P18-463 Essai de perméabil ité au gaz (novembre 2011)+ annexe 1 des Recommandations LCPC: « Modes opératoires simplifiés : Résistivité électrique et migration des ions chlorure sous champ électrique. Porosité à l’eau. Perméabilité au gaz Cembureau »

Objectif : Mesurer le flux de gaz traversant un corps d'épreuve soumis à un gradient de pression constant (CEMBUREAU)

- Etancher le pourtour de l'éprouvette

- Placer le corps d'épreuve dans la cellule et gonfler la chambre à air à une pression mini de 8 bars

- Etablir la pression de gaz (recommandé 0,2 MPa absolue)

- Attendre d'obtenir une pression constante (30 minutes consécutives sans écart supérieur à 0,01 MPa)

- Mesurer le débit Q traversant l'éprouvette (débimètre à bulle de savon) (1 mesure toutes les 15 minutes tant que l'écart entre deux mesures n'est pas inférieur à 3 %)

Préparation des corps d'épreuve :

Les indicateurs de durabilitéCalcul de la perméabilité apparente au gaz :

Kgaz = Loi de Hagen-Poiseuille

Avec :Q = mesure du flux du gaz traversant l'éprouvettePatm = la pression atmosphérique (pression de sortie)P = la pression d'entrée appliquée (recommandé 0,2 MPa absolue)L = épaisseur du corps d'épreuve (mesurée en 4 points, 0,1 mm près)A = section du corps d'épreuve (issue de la mesure du diamètre effectuée en 3 points, 0,1 mm près)µ = la viscosité dynamique du gaz (fonction du gaz utilisé: azote, oxygène ou air)

2.Q.Patm.L.µ

A.(P² – Patm²)

Les indicateurs de durabilitéKgaz = f(taux de saturation du béton)

=> Pré-conditionnement de l’éprouvette : * saturation en eau sous vide pendant 72 heures* enrobage de l’éprouvette (aluminium autocollant ou résine époxy)

Menr = Pesée dans l'air de l'éprouvette saturée d'eau a vec enrobage

* séchage en étuve ventilée à T = 80 ± 5 °C

Mx = Pesée du corps d'épreuve dans l'air avant mesure (après 7 et 28 jours de séchage et retour à l’équilibre thermique: 24 +/- 4 h à 20 +/- 2°C)

* séchage en étuve ventilée à T = 105 ± 5 °C

Msec = Pesée finale dans l'air de l'éprouvette « sèch e » (après la dernière mesure et séchage)

Taux de saturation du béton = (M x-Msec)/(Menr-Msec)

Les indicateurs de durabilitéCoefficient de diffusion des chlorures : Dapp

XP P18-462 Coefficient de diffusion apparent des ions chlorures (juin 2012)+ annexe 1 des Recommandations LCPC: « Modes opératoires simplifiés : Résistivité électrique et migration des ions chlorure sous champ électrique. Porosité à l’eau. Perméabilité au gaz Cembureau »

Objectif : Mesurer le front de pénétration des chlorures suivant une durée déterminée

Les indicateurs de durabilitéPréparation des corps d'épreuve :

- Mise en place du corps d'épreuve dans le tube d'e ssai- Fermeture du tube pour assurer l'étanchéité- Remplir le tube côté anode de solution de soude- Remplir le tube côté cathode de solution saline s odée- Mettre en place le circuit électriqueGénérateur, voltmètre (0,01 V près), ampèremètre (0,1 mA près), thermomètre (0,1°C près)

Les indicateurs de durabilitéMesure de la pénétration des chlorures :

Après 24 h d'essai sous 20 +/- 5 V, une intensité I et une durée de l’essai ∆t telle que:3.105 A.s.m -2 < I x ∆t/S < 9.105 A.s.m -2

- Retirer le corps d'épreuve et réaliser un essai d e fendage

- Application d'une solution de nitrate d'argent (A gNO3) sur les tranches fendues du corps d'épreuve

I = intensité moyenne du courant (A) S = surface du corps d'épreuve en contact avec la solution (m²) ∆t = durée de l'essai (s)

Les indicateurs de durabilitéMesure de la pénétration des chlorures :Profondeur mesurée = valeur moyenne d'au moins 7 po ints

Dapp = f(profondeur Xd, ∆t, ∆V…)

Sens de migration des ions chlorures

Profondeur(mm)

Position sur x(cm)

Les indicateurs de durabilitéMesure de la résistivité électrique : ρAnnexe 1 des Recommandations LCPC: « Modes opératoires simplifiés : Résistivité électrique et migration des ions chlorure sous champ électrique. Porosité à l’eau. Perméabilité au gaz Cembureau »

Objectif : Observer la porosité du béton en mesurant la conductivité électrique d'un corps d'épreuve saturé en eau sodée (lorsque associé à la mesure de Dapp)

Plus le béton est poreux

Plus il contient du liquide

Plus sa conductivité électrique est grande

Plus la résistance mesurée est faible

Les indicateurs de durabilitéPréparation des corps d'épreuve et mesures réalisées :

- Placer le corps d'épreuve entre deux éponges satu rées de soude et reliées à un pont RLC- Mettre une charge (2 kg) sur le dispositif pour s 'assurer du bon contact- Effectuer la mesure après stabilisation de l'affi chage- Effectuer une deuxième mesure sans le corps d'épr euve

Les indicateurs de durabilitéCalcul de la résistivité électrique :

Avec :ρ : la résistivité électrique du corps d'épreuve (Ω.m)I : l’impédance mesurée du corps d'épreuve (Ω)Iv : l’impédance mesurée à vide (Ω)S : la section du corps d'épreuve (m²)L : épaisseur du corps d'épreuve (m)

ρ = (I – Iv) x S / L

2. Les essais2.2 Essais vis-à-vis des risques de gonflement

Les indicateurs de durabilitéRAG - L'essai de performance suivant la normeNF P 18-454 :

Objectif : Accélérer le phénomène de gonflement du corps d'épreuve pour mesurer son expansion

- Augmentation du taux d'alcalins (soude) (si néces saire)- Atmosphère saturée d'humidité- Température de 60 +/- 2°C- Durée généralement de 5 mois

Les indicateurs de durabilitéRAG - L'essai de performance suivant la normeNF P 18-454 :Eprouvettes 70 x 70 x 282 avec plots de mesure en acier inoxydable

Déformation = L 5mois x 100 / L i

Avec :L5mois : Longueur de l'éprouvette au bout de 5 moisLi : Longueur initiale de l'éprouvette

Les indicateurs de durabilitéRSI - L'essai de performance suivant la méthode LPC n°66 :

Objectif : Accélérer le phénomène de gonflement du corps d'épreuve pour mesurer son expansion

-Traitement thermique des corps d'épreuve après fabrication en enceinte climatique et en humidité p roche de 100% (suivant le cycle thermique que subit le béton en usine ou sur site)-Durée de 12 mois

Eprouvettes 110 x 220 ou 70 x 70 x 282 avec plots d e mesure en acier inoxydable

Les indicateurs de durabilitéRSI - L'essai de performance suivant la méthode LPC n°66 :

Déformation = L 12mois x 100 / L i

Avec :L12mois : Longueur de l'éprouvette au bout de 12 mo isLi : Longueur initiale de l'éprouvette

Eprouvettes 110 x 220 ou 70 x 70 x 282 avec plots d e mesure en acier inoxydable

2. Les essais2.2 Essais vis-à-vis des effets du gel

Les indicateurs de durabilitéMesure de l'air occlus suivant la norme NF EN 12350-7 :

Lecture directe de la teneur en air

Essai sur béton frais – méthode de la compressibilité

Les indicateurs de durabilitéMesure du facteur d'espacement suivant la norme ASTM C 457 : Lbar

Mesure des plus petites distances entre bulles d'air

- Confection d'éprouvettes 16 x 32,

- Découpe des éprouvettes et polissage,

- Mesure optique de l'espacement entre les bulles d'air (comptage)

Les indicateurs de durabilitéEssai de performance vis-à-vis du gel interne suivant la norme NF P 18-424 ou NF P 18-425 : ∆ε

Mesure de la déformation longitudinale∆L/L

- Eprouvettes 10 x 10 x 40 cm

- 300 cycles de gel/dégel(-18°C / +9°C)

NF P 18-424 : Gel dans l'eau / Dégel dans l'eauNF P 18-425 : Gel dans l'air / Dégel dans l'eau

Les indicateurs de durabilitéMesure du rapport des carrés des fréquences de résonance suivant la norme NF P 18-414 : f²/f0²

- Eprouvettes 10 x 10 x 40 cm

- 300 cycles de gel/dégel(-18°C / +9°C)

Mesure de la fréquence de résonance « f »f²/f 0²

Les indicateurs de durabilitéMesure de la résistance à la compression suivant la norme NF EN 12390-3 : RC à 28 jours

Mesure directe de la force F c28A convertir en MPa pour obtenir R c28

- Eprouvettes cylindriques ou cubiques

- Surfaçage au souffre ou abrasif

3. Les seuils retenus

3. Les seuils retenus3.1 Les seuils vis-à-vis de la corrosion des

armatures

TABLEAU PAGE 9

Les indicateurs de durabilitéSi ouvrage soumis à la carbonatation uniquement :

Si Cmin,dur > 30 mm => application directe des crit ères ci-avant (Tableau I des Recommandations provisoires de l’IFSTTAR de 2010)

Si Cmin,dur < 30 mm => plusieurs options :- imposer un enrobage de 30 mm- définition de seuils de durabilité plus sévères- revenir à une approche prescriptive basée sur la résistance du béton- utilisation d'armatures à protection améliorée (ex : inox)

Les indicateurs de durabilitéSi ouvrage exposé à la pénétration des chlorures :

Si Cmin,dur > 50 mm => application directe des crit ères ci-avant (Tableau I des Recommandations provisoires de l’IFSTTAR de 2010)

Si Cmin,dur < 50 mm => plusieurs options :- imposer un enrobage de 50 mm- définition de seuils de durabilité plus sévères- revenir à une approche prescriptive basée sur la résistance du béton- utilisation d'armatures à protection améliorée (ex : inox)

3. Les seuils retenus3.2 Les seuils vis-à-vis des risques de

gonflement

Les indicateurs de durabilitéRAG :

- Caractérisation des granulats (NR, PR)- Bilan des alcalins équivalents- Déformation des éprouvettes < 0,02 %

- Température maximale atteinte au cœur du béton- Déformation des éprouvettes < 0,04 %

3. Les seuils retenus3.3 Les seuils vis-à-vis des effets du gel

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