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Diffusion de gaz et durabilit du bton arm

Autor(en): Houst, Yves F. / Wittmann, Folker H.

Objekttyp: Article

Zeitschrift: IABSE reports = Rapports AIPC = IVBH Berichte

Band (Jahr): 57/1/57/2 (1989)

Persistenter Link: http://dx.doi.org/10.5169/seals-44202

PDF erstellt am: 14.03.2016

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Diffusionde gaz et durabiGasdiffusionund Dauerhafti

Diffusionof Gas and Durability

Yves F. HOUSTChimiste

Ecole Polytechnique FederaleLausanne, Suisse

jMK f r

WW 7

FolkerH. WITTMANNProfesseur

Ecole Polytechnique FederaleZrich, Suisse

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140 DIFFUSIONDE GAZET DURABILITEDU BETONARME J%,

1 INTRODUCTIONLa carbonatation du beton arme et ses consequences sur la corrosion des armatures est un phenomeneconnu depuis longtemps A titre d'exemple, on peut citer un article de B Zschokke datant de 1916 [1] quidecnt dej les causes de carbonatation du beton, la corrosion des armatures et les precautions prendrepour limiterles degts Jusqu'au moins au debut des annees soixante, les problemes lies la carbonatationdu beton et la corrosiondes armatures n'ont

que peutouche les

Ingenieursconstructeurs

quise sont plutt

concentres sur de nouvelles methodes de construction Toutefois, ces deux dernieres decennies,Paugmentation tres rapide des degts, le cot des reparations et de l'entretien [2, 3] ont cr de teile fagonque de nombreuses personnes ont commence s'occuper du comportement long terme du beton arme etprecontraintDe nombreuses publicationstraitentde la carbonatation Recemment, Parrott [4] a compileune bibliographiesur la carbonatation du beton arme et recense 182 articles datant essentiellement des vingt dernieresannees Cependant, tous ces efforts ont certainement permis de mieux comprendre le phenomene de lacarbonatation et les facteurs qui Pinfluencent, mais par contre les methodes de previsionde la duree de viedes constructions nouvelles ou existantes ne sont actuellement pas fiables Ainsi, il n'est pas possible deconcevoir, entretenir ou reparer les structures avec toute Pefficacite souhaitable Cette Situation exige unerecherche detaillee des differentsprocessus impliquesJusqu' mamtenant, l'essentiel des recherches a porte sur l'etude phenomenologiqueet empinque de partiesd'un probleme tres complexe Les methodes traditionnellesne permettent pas de faire la Synthese de toutesles connaissances acquises et de developper ainsi des methodes capables de prevoir la duree de vie desstructures de fagon realiste Le developpement de nouvelles methodes devrait permettre de decrirequantitativement les effets de l'humidite,de la teneur en dioxyde de carbone, de la temperature, deschlorures, de la eure, du type de ciment, de la composition du beton, de revetements protecteurs sur lacarbonatation et la vitesse de corrosionde l'acierd'armatureActuellement, la Simulation numerique permet de traiter quantitativement des processus interactifscomplexes C'est ce que nous allons tenter de montrer dans cet article, en deenvant bnevement quelquesmodeles On montrera egalement qu'il est necessaire d'etudier certaines proprietes des materiaux etdonnera titre d'exemple, la mesure du coefficientde diffusionde l'oxygene et du dioxyde de carbone atravers des ptes de cimenten fonetionde l'humidite

2 EFFETS DE LACARBONATATIONSUR LADURABILITEDU BETONARMELa carbonatation du ciment est la reaction de neutrahsation de ses composes basiques sur le dioxyde decarbone ou gaz carbonique present dans Pair Cette reaction atteint tous les composes hydrates a Pexceptiondu gypse. Dans certaines conditions, meme les composes anhydres peuvent reagir Du point de vuepratique, ce sont essentiellement Phydroxydede calcium, Ca(0H)2, et les Silicates de calcium hydrates quijouent un role important La carbonatation de ces derniers composes conduit la formationde carbonate decalcium (CaC03>, de silice (S1O2) et d'eau Les mecanismes chimiques sont decrits plus en detail dans uneautre communication ce meme Symposium [5] La carbonatation depend d'un grand nombre deparametres Les influences les plus importantes sont deentes dans la publicationde Parrott dej mentionnee[2]On trouve dans la htterature deux concepts de base qui deenvent mathematiquement Pavancement du

Processus de carbonatation La plus ancienne theorie est basee sur une loi en Vt qui est une Solution dePequation de diffusion Les valeurs empmques montrent toutefois que Pexposant du temps est un peuinferieur 0 5 et diminue legerement pour de longues durees Schiessl [6] a introduitun facteur deretardement qui conduit un maximumde profondeurde carbonatation finipour t 00 Cette conclusion nepeut etre absolument correcte Cette approche peut toutefois etre realiste pour des durees de vie desconstructionsde 80 100 ansLorsque le beton directement en contact avec les armatures se carbonate, l'eau des pores subit une fortebaisse du pH Dans ces conditionsnouvelles, l'acier ne beneficie plus de la protectionque lui assurait un pHeleve Dans certaines conditions, notamment avec une humidite relativementelevee, l'acier peut se corroder

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une vitesse qui depend de nombreux parametres [7]. II faut en particulieravoir dispositionsuffisammentd'oxygene qui doit egalement diffuserdepuis la surface du beton en contact avec Patmosphere. La presencede chlorures, provenant essentiellement des sels de deverglagage ou d'adjuvants, supprime la protectiondont beneficie l'acierdans un milieu pH eleve.

3. MODELISATIONLa modelisation de problemes de durabilitea ete etudiee au Laboratoire des Materiaux de Construction(LMC)de l'Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) selon plusieurs approches. Denarie [8] amontre comment developper une methode tenant compte des incertitudes inherentes au phenomene(approche probabiliste)qui permet d'evaluer l'etat present d'une construction et de calculer sa duree de vieprobable. Un processus stochastique a ete utilise pour evaluer la distribution de la profondeur decarbonatation dans le temps et une distributionnormale pour la couverture des armatures. La comparaisondes resultats obtenus par le calcul de la probabilitede defaillance, partir des distributions de valeurstheoriques et mesurees, montre le bien fonde des approximationsfaites. Enfin,cet auteur propose d'utiliserun Systeme expert de diagnostic et d'analyse pour reprendre la demarche effectuee afin de fournirdeveritables outils d'etude d'ouvrages endommages.Dans une premiere etude, Brieger et Wittmann [9] ont decrit le processus de carbonatation au moyen d'unSysteme d'equations aux derivees partielles, qui leur ont permis d'etudier les facteurs les plus importants,ainsi que divers mecanismes. La resolution des equations a ete effectuee par voie numerique. Une autreapproche a ete faite par Briegeret Bonomi [10] qui ont ete inspires de modeles de la dynamique des fluidespour construire un modele discret en temps et en espace d'automate cellulaireprobabiliste.Cette methodelaisse entrevoird'interessants developpements.Dans une premiere tentative, Houst et al. [11] ont tente d'etudier la carbonatation au moyen d'un modelenumerique. Tous les parametres utilises peuvent etre relies des proprietes mesurables qui sont definiespour une compositiondu beton et un environnement donnes. Cet exemple nous parait interessant, car ilpermet clairementde montrer le genre de parametre determiner experimentalement.Les equations (1), (2) et (3) suivantes permettent d'etudier Pinteraction mutuelle du sechage et de ladiffusiondu dioxydede carbone sur la carbonatation.Le beton jeune peut etre considere comme un materiau poreux sature d'eau. Le sechage peut etre decrit parune equation de diffusion. Pour un tel beton, la carbonatation se superpose au sechage. Pendant ceProcessus de l'eau est liberee dans le beton. II faut done ajouter un terme Pequation de diffusionpour tenircompte de la liberation d'eau :

3w 3 n 3w 3c /HVar 7Da5T + air (1)

Dans cette equation, w represente l'eau evaporable et Dw le coefficientde diffusionde vapeur d'eau. Cecoefficientdepend de la teneur en eau. c represente la quantite de carbonate forme et oci est un parametredu materiau qui tient compte du dosage en ciment et du rapport e/c. Dans l'etape suivante, il faut decrire lapenetration du dioxydede carbone dans le Systeme poreux du beton. En premiere approximation,on peut nouveau utiliser Pequation generale de la diffusion.La reaction de carbonatation consomme du dioxydedecarbone. En tenant compte de cette perte, on peut ecrire Pequation differentielle(2) suivante:

^9 - i_ d ^ - oc (2)at ax Dg ax a2 at wDans cette equation, Dg est le coefficientde diffusiondu CO2. II depend de la teneur en humidite. cc2 est nouveau un parametre du materiau qui depend essentiellement de la compositiondu beton.

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La vitesse de carbonatation depend du degre de carbonatation, de la concentrationen CO2 et fmalementdela teneur en eau du beton En admettant que l'on puisse combinerces trois influences majeures sous formede facteurs, on obtient

g-a3.f1(c)-f2(o)f3(w) (3)

(X3 est nouveau un parametre du materiau qui tient compte de la compositiondu beton et du degred'hydratation Un developpement plus detaillede ce modele est donne dans [11]En resolvant les equations (1), (2) et (3) on peut etudier Pinteraction mutuelledu sechage et de la diffusiondu CO2 sur la carbonatation Un modele numerique base sur ces trois equations a ete developpe et lamethode des differences finies utilisee pour resoudre les equations du modele numeriqueActuellement, les valeurs des parametres du modele sont loin d'etre toutes connues L'etude de cesparametres peut etre relativement complexe, comme Pexemple donne dans la partie suivante nous lemontreToutefois, soit l'aide de valeurs de parametres tirees de la litterature,soit estimees, une Solutionnumeriquedu Systeme de trois equations differentiellesdonne precedemment, a permis de determiner la profondeurdecarbonatation de deux types de beton en fonetion du temps Les resultats obtenus l'aide du modelemontrentqu'apres une carbonatation initialerapide, l'avancement de la carbonatation suit approximativementune loi en Vt Ces resultats, compares des mesures effectuees in situ, se sont averes tout fait realistes

4 MESUREDE LADIFFUSIOND'UNGAZ4 1 Preparation des echantillonsAfinde determiner le coefficientde diffusion Dg du modele decrit ci-dessus, nous avons ete amene preparer des echantillonsqui devaient etre suffisammentminces pour pouvoiretre completementcarbonateset equilibres differentes humidites relatives dans un temps relativement court Pour cela, nous avonsconfectionnedes cylindresde pte de cimentde diametre 160 mm qui apres au moins six mois de eure dansl'eau ont ete coupes en disques de 1 2 mm d'epaisseur Comme il n'est pas possible de varier le rapporteau/eiment de ptes de ciment de fagon notable sans avoir de decantation, nous avons du mamtenir lesgrains de cimenten Suspension en faisant tourner le cylindrejusqu' ce que la prise evite toute decantation,ce qui nous a permis de varier le rapport e/c entre 0 3 et 0 8 Pour cela, nous nous sommes inspires de lamethode decrite par Sereda et Swenson [12], mais nous avons du y apporter certaines modificationsetantdonne le grand diametre de nos echantillonspar rapport ceux de Sereda et Swenson (0 32 mm) Lors dela carbonatation naturelle le gaz diffuse dans un materiau carbonate Nous avons done carbonateartificiellementnos echantillons et les avons equilibres dans le climatcorrespondant Ph r laquelle nouseffectuons la mesure

4 2 Mesure des coefficientsde diffusionde 0^ et CO?Comme la disponible d'oxygene proximitede l'armature susceptible de se corroder est un facteurimportant et que la mesure de la diffusiond'oxygene n'entrainait pas de complicationparticuliere, nousavons developpe un Systeme de mesure Le coeur de ce Systeme est une cellule de mesure separee endeux chambres par le disque du materiau tester Avant les mesures, on purge les deux chambres avec dePazote pur contenant la quantite de vapeur d'eau necessaire Pobtention de Ph r desiree Au debut de lamesure, on fait penetrer dans la chambre superieure un melange de gaz artificiel(78% N2, 20% O2, 2%CO2) dont Ph r est la meme que celle de Pazote utilisepour la purge du Systeme Ce gaz est regulierementrenouvele dans la chambre superieure o la concentration des differentes especes est constante peu apresle debut des mesures Au cours du temps, on analyse la concentration en O2 et CO2 dans la chambreinferieurepar un analyseur en circuitferme Dans cette chambre, la concentration en O2 varie done de 0 20 % et celle en CO2 de 0 2 % Les coefficientsde diffusionde O2 et CO2 peuvent etre calcules partir

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des courbes de concentration de ces gaz en fonetion du temps Le Systeme a d'abord ete teste avec dubeton cellulaire autoclave Les resultats obtenus, ainsi qu'une description plus detaillee du Systeme demesure figurentdans [13]

5 RESULTATS ETDISCUSSIONLa diffusiondes deux gaz a ete mesuree travers des echantillons equilibres deux differentes h r Lesresultats sont donnes dans la table Les valeurs moyennes et Pecart type y sont indiques Le nombre demesures individuellesest donne par n Toutes les valeurs sont repnses dans la figureComme on pouvait s'y attendre le coefficient de diffusion augmente sensiblement avec le rapporteau/eiment Dans le domaine de nos mesures le coefficient dediffusionne depend pas de la teneur en eauDes mesures des h r plus elevees sont maintenant en route On peut s'attendre a ce que le coefficientdediffusiondiminue lorsque les capillairesde la pte de ciment durcie se remplissent progressivementd'eau

e/c 04 e/c 08Humiditerelative

Do2[cm2 s1] Dc02[cm2 s1] Do2[cm2 s1] Dco2[cm2 s1]

48% (7 6 2 1) 105(n 4) (5821) 105(n 4) (1805) 103(n 8) (1405) 103(n 8)55% (7 7 1 9) 10 5

(n 7)(5 6 1 6) 105(n 7)

(2 1 0 6) 103(n 6)

(1605) 103(n 6)

Table Coefficientde diffusionD de O2 et CO2 mesure sur deux ptes de ciment (e/c rapport eau/eimentlors du gchage, n= nombre de mesures)

~ TU dioxyde de carbonne

E0 10' I < E/C 08IXX> X

de

difusion

0 if+ E/C 04X

X

c0)U

> mX

1

50 55humidite relatiue [ % ]

10 2

10 3

Q> 10 4o

2 10 5_45

onygene

-E/C 08-

-E/C 04

> X

50 55humidite relatiue [ % ]

Fig Coefficientsde diffusionde C02 et 02 dans la pte de cimentdurcie mesures a 48 et 55 %

6 CONCLUSIONSNous avons developpe une methode qui nous permet de determiner le coefficientde diffusiondu gazcarbonique et de l'oxygene dans la pte de cimentdurcie en fonetion de la teneur en eauLe coefficientde diffusiondepend fortementdu rapport eau/eiment

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Dans le beton ce n'est que la pte de cimentdurcie qui subit la carbonatation. II est pratiquement impossiblecependant de mesurer les coefficientsde diffusiondirectementsur des echantillonsen beton. II faut encoredevelopper un modele d'un materiau composite qui permette de transposer les resultats obtenus et decritsiciau beton.

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