Durabilité des ponts en béton

1

Colloque sur les Ouvrages d�ArtToulouse les 9 et 10 octobre 2002

Durabilité des ponts en béton -l�approche performantielle

Daniel Poineau

9 et 10 octobre 2002 Colloque sur les ouvrages d'art 2

Durabilité des ponts en béton Sommaire� Avertissement.� Constatations � Conséquences - Les causes et les

mécanismes de la corrosion.� Notions de durée de vie.� La lutte contre la corrosion - Les méthodes classiques.� La lutte contre la corrosion � « La démarche

performantielle » :� Principes.� Indicateurs de durabilité et témoins de durée de vie.� Le suivi des ouvrages en construction et en service.� Les limites de la démarche.

� Conclusions.

2


Avertissement� Les critères performantiels en matière de durabilité avec la fixation

d�une durée de vie de 100 ans ou plus vis-à-vis de la corrosion des armatures, de l�alcali-réaction�sont utilisés depuis quelques années dans les grands projets (Pont Vasco de Gama, port de la Condamine, viaduc de la Medway�).

� Le présent exposé traite uniquement de la démarche perfor-mantielle vis-à-vis de la corrosion des armatures de BA.

� Se reporter aux travaux du groupe AFGC de Mme Baroghel (LCPC) auquel je participe. En effet, je ne souhaite pas rentrer dans les détails de la démarche afin de respecter le travail de chacun des rédacteurs.


1/3 Constatations : nombre d�ouvrages en BA et BP présentent des désordres

Aciers apparents et corrodés

Coulures d�eau

Danger

chutes de morceaux de béton

3



??



Pont en bord de mer

Encorbellement Avant

Peu de temps après !

4


1/1 Conséquences : la purge des parements, les réparations complexes et coûteuses

Les purges

Avant la projection du béton

� Préparation des surfaces : purge du béton pollué, décapage des aciers, dépoussiérage et nettoyage.

� Passivation des aciers et reconstitution du béton d�enrobage des aciers.

� Mise en place d�un produit de protection sur tous les parements traités ou non.


1/3 Causes de la corrosion des armatures de béton armé

� Défauts d�exécution :porosité et perméabilité du béton, défauts d�enrobage, fissures�

� Agents agressifs : pénétration du CO2 et/ou des chlorures (salage, embruns) avec réduction du pH.

5


2/3 Les mécanismes de la corrosion des armatures de béton armé

� Cas du béton non fissuré :� Les agents agressifs pénètrent. Les aciers se dépassivent

progressivement. Le temps nécessaire à la dépassivation est « la période d�incubation ». Le pH passe de 13 à 9.

� Ensuite, c�est « la période de propagation » la corrosion se développe sans désordres apparents. Puis, surviennent les désordres (fissures, éclatements�).(�)

� Cas du béton fissuré :� Les agents agressifs pénètrent par les fissures, il y a début de

corrosion puis les produits de la corrosion arrêtent le dévelop-pement du phénomène c�est « la période dormante ».

� Ensuite le phénomène se poursuit comme pour le béton non fissuré.

(�) Le gestionnaire ne constate le problème que lorsqu�il devient visible.

Cas des fissures actives ?


3/3 Les mécanismes de la corrosion des armatures de béton armé

Diagramme de Pourbaix

Corrosion généralisée avec dissolution des armatures

Début de corrosion = piqûres

6


1/1 Notions sur la durée de vie d�un matériau et d�une structure

� Les durabilités : � Du matériau.� De la structure (si matériau durable + si dispositions constructives

respectées + si mise en �uvre correcte + si entretien� !).

� Ne pas confondre la durée de vie :� Exigée par le maître d��uvre (100, 120 ans).� Estimée par les études et modèles (probable).� Réelle sur le terrain (vérifier la conformité du modèle à la réalité).

� Définition de la durée de vie :� Pour une structure, c�est « la durée de service » sans précautions

spéciales ni réparation importante.� Pour le BA, c�est « la durée de la période d�incubation ».


1/1 La lutte contre la corrosion � Les méthodes classiques en France

� Jusque vers les années 1990/2000 (cf. le fascicule 65 pour le BA, les règles de calcul du BA et du BP�) :� Fort dosage en ciment (350 kg/m3 en BA à 400 kg/m3 en BP).� Béton compact.� Enrobage des aciers suivant l�agressivité du milieu (1, 2 voire 4 cm).

� Note : certains pays (Norvège) n�exigeaient que la résistance minimale avec pour conséquences des corrosions très rapides.

� Depuis les années 1990/2000 (cf. fascicule 65A, NF P 18-305, BAEL 91 et BPEL 91, ENV 206�) :� Prise en compte de l�environnement pour définir les caractéristiques du

béton (dosage en ciment, rapport E/C�).� Augmentation de l�enrobage de 2 à 3 cm et de 3 à 4 cm�

7


1/14 La lutte contre la corrosion � La démarche performantielle et ses origines

� Nombreuses études sur la durabilité du béton armé et les phénomènes de corrosion� en France comme à l�étranger :� Travaux de la commission V du CEB, normalisation européenne.� Travaux de l�IREX, du CEFRACOR, de l�AFGC, du LCPC, du LMDC de

Toulouse, projet Kronos 1�� Amélioration des bétons courants et nouveaux bétons :

� Augmentation de la résistance et la compacité des bétons courants en OA (B40, B50�).

� BHP, BTHP, BAP, BFUP.� Nouveaux besoins et optimisation des investissements :

� Exigence de durée de vie minimale pour les grands projets (concessions).� Besoin d�une durée de vie de plusieurs siècles pour le stockage de

certains déchets radioactifs�


2/14 La lutte contre la corrosion � La démarche performantielle et ses principes

� Outre les caractéristiques de base du matériau (résistance à la compression�).

� Identifier les paramètres « indicateurs de durabilité » qui :� permettent l�évaluation et la prévision de la durabilité du matériau

béton armé vis-à-vis de la corrosion des armatures.� doivent être quantifiables à l�aide d�essais de laboratoire souvent

accélérés.� Fixer les valeurs limites (classes) de ces paramètres qui

permettront d�obtenir la durabilité du matériau et de la structure en fonction :

� De l�environnement (industriel, mer�Cf. EN 206) dans lequel se trouvera la structure ou une partie de la structure (pile, tablier�)

� De la durée de vie exigée.� Mettre au point des formules de béton qui devront satisfaire aux

critères fixés (respect des valeurs fixées).

8


3/14 La lutte contre la corrosion � La démarche performantielle et ses principes

� Vérifier et qualifier les formules par des essais en laboratoire sur éprouvettes. Respect des valeurs spécifiées pour « les indicateurs de durabilité ».

� Quantifier la durée de vie par des « témoins de durée de vie » :

� Sans chlorures : durée de carbonatation de l�enrobage.� Avec chlorures : durée pour que la teneur en chlorures (Cl-libres)

atteigne une valeur critique au droit du 1er lit d�armatures.� Tester les formules sur « des modèles prédictifs » (calculs) :

� Données d�entrée : « les indicateurs de durabilité ».� Données de sortie : « les témoins de durée de vie » (évolution en

fonction du temps).� Définir le suivi des ouvrages (mesures des indicateurs et des

témoins de durée de vie�).


4/14 La lutte contre la corrosion � La démarche performantielle et les indicateurs de durabilité

� Les caractéristiques de base :� La résistance à la compression du béton fc 28 voire fc 90 (si forts

pourcentages en laitiers ou pouzzolanes).

� Les indicateurs de durabilité :� La porosité du béton.� Le coefficient de diffusion des ions Cl.� La perméabilité aux gaz (CO2) et aux liquides (eau�).� La résistivité électrique du béton saturé en eau.� La teneur en portlandite Ca(OH)2 [chaux].

� Autre exemple : pour la résistance au gel, un des indicateur pourrait être le facteur d�espacement des bulles d�air.

9


5/14 La lutte contre la corrosion � La démarche performantielle et la justification des indicateurs de

durabilité

� Perméabilité et coefficient de diffusion :� La traversée du béton de couverture des armatures (enrobage) par le

front de carbonatation ou de chlorures est liée aux propriétés de transport du béton donc à ces deux indicateurs.

� Porosité à l�eau ou au mercure :� Cet indicateur est lié à la qualité du béton. Plus elle est faible, plus la

résistance augmente.� Résistivité :

� Si le béton se carbonate la résistivité de la solution interstitielle augmente. Elle diminue au contraire si le béton est pénétré par les chlorures.

� Teneur en Portlandite :� La réserve basique est liée à la teneur en Portlandite donc, cet indicateur

indique la capacité du béton à maintenir la passivation des armatures (attention à l�alcali-réaction).


6/14 La lutte contre la corrosion � La démarche performantielle et des exemples de valeurs limites

issues d�essais : la teneur en Portlandite

>2522-2513-2010-13<10Ca(OH)2 % par rapport au ciment

Très élevée

ÉlevéeMoyenneFaibleTrès faible !

Durabilité vis-à-vis de la corrosion

Classes et valeurs limitesDésignation

10


7/14 La lutte contre la corrosion � La démarche performantielle et des exemples de valeurs limites

mesurables : la teneur en Portlandite

8-12F

3-5TF

4-6TF

8-15F

15-18Moy

20Moy

13-20Moy

19-2222-25Élev

Teneur Portlan-dite % rapport ciment

CEM V/A

PM ES

CEM III/C

CEM III/B

CEM III/A

CEM II 32,5

CEM II 32,5

FS 5 à 12%

CEM II 32,5

CEM1 52,5

PM ES

Béton au laitierBéton+

Cend.

BHP BTHP

Béton sans addition

pouzzo-lanique

Type de

Béton

Teneur en Ca(OH)2 d�éprouvettes de béton de 90 jours conservées dans l�eau


8/14 La lutte contre la corrosion � La démarche performantielle. Un exemple de valeurs limites à fixer

à priori pour une durée de vie de ~100 ans

Sans objet <5.10-12 m².s-1< 14%Exposition embruns et sels sans contact eau de mer XD1 et

XD3 (chlorures)

< 200.10-18

m²Sans objet< 14%Cycles d�humidité et

séchage XC4 (carbonatation)

Perméabilité aux gaz10-18m²

Coefficient de diffusion apparent

(Cl)10-12m².s-1

Porosité à l�eau%

Type d�environ-nement et classe

EN 206

Cas d�un OA

11


9/14 La lutte contre la corrosion � La démarche performantielle. Suivi des ouvrages et mesures à

effectuer

� Il est indispensable de s�assurer que les exigences de durabilité sont satisfaites. C�est à dire que la structure se comporte comme les modèles.

� Il convient donc de mettre en place un suivi de l�ouvrage :� Pendant la phase d�exécution.� Pendant la vie de l�ouvrage :

� Plus soutenu pendant la période contractuelle.� Puis, périodique pour pouvoir faire un entretien préventif

avant tout début de corrosion.



effectuer pendant la construction de l�ouvrage

� Mesures en laboratoire des indicateurs de durabilité ( sur éprouvettes de 3 mois (*)) lors des épreuves d�étude et de convenance et pendant la phase d�exécution :� Résistance à 28 et 90 jours (pour mémoire).� Porosité (seule la mesure par le procédé BT-CRIS est possible in

situ).� Perméabilité.� Résistivité.� Coefficient de diffusion des chlorures.� Teneur en portlandite.

� (*) importance de la durée de conservation avant de procéder aux essais

12



effectuer pendant la construction de l�ouvrage

� Mesures sur l�ouvrage :� Des enrobages après décoffrage (pachomètre, Ferroscan�).� Perméabilité à l�air in situ (procédé BT-CRIS).

� Réalisation de blocs témoins (même béton et même ferraillage, à placer dans le même environnement que l�ouvrage. Liaison électrique avec les aciers pour les mesures) : � Pour carottages destructifs et mesures (porosité,

perméabilité�en laboratoire).� Contrôle enrobages.� Perméabilité à l�air�



effectuer pendant la vie de l�ouvrage

� Sur les blocs témoins : � 1- Faire un état « zéro » au moment de la réception.� 2- Prévoir des campagnes de mesures fréquentes

pendant 10 ans pour confirmer les modèles.� 3- Ensuite prévoir des campagnes de mesures

régulières.

� Mesures :� Profil des chlorures. � Profondeur de carbonatation (mesure du pH).

13


13/14 La lutte contre la corrosion � La démarche performantielle et ses limites

� Le coût et la durée (~ 3 à 4 mois au minimum) d�une telle démarche font qu�elle n�est envisageable dans toute sa globalité que pour :

� Des besoins spécifiques (containeurs de produits radioactifs�)� Des grands projets (grands ponts et tunnels�).� Pour des études de formules de béton régionales adaptées aux

environnements...

� Les mesures des indicateurs de durabilité sont délicates.� Les essais accélérés et les modèles prédictifs sont approchés.� En outre, les condition d�exécution de la structure (dispositions

constructive, mise en place du béton, respect des enrobages, conditions de cure � ) jouent aussi un rôle important dans la durée de vie.


Non respect des enrobages prescrits

(contractuels)

Nids de cailloux

Entassement de cadres !

14/14 La lutte contre la corrosion � La démarche performantielle et ses limites

La qualité de l�exécution ! ! Défaut de

bétonnage

14


1/4 Conclusions� Dans la lutte contre la corrosion des armatures de

BA, la démarche performantielle va per-mettre :� d�une part, de mieux adapter les structures aux exigences de

durabilité des maîtres d�ouvrage.� D�autre part, de mieux suivre la pénétration des agents agressifs

donc de pouvoir programmer un entretien préventif (Par ex : extraction des chlorures, réalcalinisation, produit de protection�) beaucoup moins coûteux et traumatisant qu�une réparation avec enlèvement et reconstitution de la peau du béton.

� En attendant qu�elle se généralise sous sa forme globale�


2/4 Conclusions : sous une forme allégée, elle est immédiatement applicable !

� Mesures en laboratoire de certains des indicateurs de durabilité lors des épreuves d�étude et de convenance et pendant la phase d�exécution :� Porosité.� Perméabilité.

� Mesures sur l�ouvrage :� Des enrobages après décoffrage (pachomètre, Ferroscan�).� Perméabilité à l�air in situ (procédé BT-CRIS).

� Réalisation de blocs témoins pour mesures : � Pendant la construction.� Pendant la vie de l�ouvrage.

Il est anormal que l�enrobage des armatures ne fasse pas l�objet de contrôles systématiques !

15


3/4 Conclusions : et, c�est possible !Par exemple, la mesure de l�enrobage

Résultats du contrôle des enrobages


4/4 Conclusions : et, c�est possible !Par exemple, la teneur en chlorures

Zone de coulures

16


5/5 Conclusions : cette méthodologie est aussi à appliquer :

� Sur les ouvrages existants de 30 à 40 ans et au delà, en particulier s�ils présentent des désordres (chape non étanche, coulures, trace de calcite, aciers corrodés apparents�).

� Toujours prévoir la mesure :� de l�enrobage (> 2 cm ou ��).� de la profondeur de carbonatation.� des profils de chlorures.� du potentiel des armatures et l�ouverture de fenêtres. � de la vitesse de corrosion (si la mesure du potentiel indique une

corrosion probable).� Cela évite de découvrir lors de travaux que la corrosion est

généralisée ce qui remet en cause la réparation prévue !


Fin

Fin

Fin

Fin

Documents

Durabilité des ponts en béton