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Les collections de l’Ifsttar Novembre 2017 - page 1 Les collections de l’Ifstta

Les collections de l’Ifsttar Novembre 2017 - page 1 Les collections de l’Ifsttar DIAGNOSTIC DE L’ÉTAT DES MATÉRIAUX BÉTON D1-2 DIAGNOSTIC DE LA GÉLIVITÉ D’UN BÉTON CONTEXTE Généralités Un béton exposé à des cycles de gel/dégel peut subir deux types de dégradation : la fissuration interne et l’écaillage. Ces deux modes de dégradation ne suivent pas les mêmes mécanismes. Ils n’apparaissent pas nécessairement en même temps, ni sur les mêmes bétons. Dans les deux cas, les détériorations du béton sont fonction de l’environnement dans lequel il est situé. Certains paramètres ont une influence notable comme les cycles de gel/dégel (nombre, amplitude, vitesse de refroidissement, etc.), les conditions de saturation en eau et la présence de sels de déverglaçage. Le gel interne se traduit par un gonflement et une micro-fissuration dans la masse du béton. Des fragments de pâte cimentaire se détachent ensuite de la masse, engendrant une perte de cohésion du matériau. Apparaît alors une érosion rapide de la matrice cimentaire, éventuellement accompagnée de déchaussements des granulats. Cette détérioration conduit rapidement à une diminution des performances mécaniques et réduit la durée de vie de la structure en altérant la qualité du béton d’enrobage des armatures et la résistance à la pénétration des agents agressifs. L’écaillage est un mode de détérioration de surface qui se produit en présence de sels de déverglaçage. Des fragments de pâte cimentaire se désolidarisent de la surface du béton exposé. Ce phénomène est localisé. Une fois amorcé, il se propage en surface et en profondeur. L’épaisseur de la détérioration peut atteindre quelques centimètres, conduisant ainsi au déchaussement de granulats. Cette dégradation présente surtout dans un premier temps un impact esthétique. Elle conduit cependant à terme à la réduction de l’épaisseur d’enrobage des armatures. La sécurité des usagers peut également être impactée en cas de chute de matériaux sur voie circulée. Mécanismes de gel Les caractéristiques micro-structurales de la pâte cimentaire, couplées avec les propriétés thermodynamiques de la phase liquide confinée, ont permis d’élaborer des modèles de dégradation. Leur confrontation avec l’expérience a révélé le rôle majeur du réseau de bulles d’air entraînées dans le béton durci, en particulier dans le cas du gel interne. Le réseau poreux de la pâte cimentaire peut être classé en 3 grandes familles, selon le diamètre des pores, Dpore : − −les pores de gel de C S H : 10-3 m < Dpore < 10-2 m − −les pores capillaires : 10-2 m < Dpore < 1 m − −les vides d’air entraîné : 5 m < Dpore La température de solidification de l’eau dans le réseau poreux s’abaissant avec le diamètre des pores (phénomène de surfusion capillaire), il en résulte que l’eau contenue dans les pores de gel de C S H ne peut pas geler aux températures considérées. Les vides d’air ne contiennent quant à eux que très peu d’eau, même dans le cas d’un béton saturé. La phase liquide susceptible de se transformer en glace se situe donc dans les pores capillaires. Le gel provoque des circulations d’eau au sein du réseau poreux. Les pressions induites engendrent des efforts de traction sur la matrice cimentaire et sont à la source de la détérioration de la pâte cimentaire. Dès les années 1930, le rôle protecteur des vides d’air entraîné a été reconnu : ces cavités non saturées peuvent recevoir l’eau en excès et ainsi limiter les contraintes dans la matrice cimentaire. Une grande quantité d’air entraîné ne suffit cependant pas à augmenter la résistance au gel d’un béton : le nombre de bulles d’air entraîné et leur espacement maximal sont des caractéristiques majeures. Ces aspects ont conduit à l’élaboration de différents modèles relatifs aux mécanismes de détérioration par le gel interne. Le premier d’entre eux, la théorie des pressions hydrauliques, a été établi par Powers [1] en 1949. Powers et Helmuth [2] en 1953 ont ensuite développé une théorie basée sur les pressions osmotiques, afin de pallier les limites du premier modèle. Les principes de ces deux modèles sont brièvement expliqués ci-dessous. Certains modèles complexes, intégrant des principes de micro-poromécanique et de thermodynamique comme la cryo-succion, sont actuellement en cours d’étude. D’autres mécanismes ont été proposés pour l’étude de l’écaillage. Ces modèles ne permettent cependant pas d’expliquer l’apparition d’écaillage en présence d’agents non cristallisant tels que l’alcool. Théorie des pressions hydrauliques Ce modèle prend en compte l’augmentation de volume de 9% due à la transformation graduelle de l’eau libre en glace dans les capillaires, depuis les plus gros vers les plus petits. La concentration ionique s’élève dans la phase liquide restante et la température de solidification de l’eau s’abaisse. La solution interstitielle restante est mise en pression par l’expansion de la glace. La pression hydraulique est fonction de la résistance à l’écoulement, décrite par Powers selon la loi de Darcy. Considérant que la pression pouvait être libérée lorsque l’eau trouve un exutoire (vide d’air), il a calculé la distance maximale (Lmax) que l’eau peut parcourir sans que la pression ne dépasse la résistance en traction de la matrice cimentaire. Les collections de l’Ifsttar Novembre 2017 - page 2 Ces travaux ont permis de définir théoriquement la demi-distance maximale entre deux vides d’air (notion de facteur d’espacement) permettant d’éviter la dégradation d’une pâte cimentaire sous l’effet du gel. Ils ne rendent cependant pas compte du gonflement des bétons soumis à des températures négatives en présence de liquides n’augmentant pas de volume en gelant (exemple du benzène). Théorie des pressions osmotiques L’eau contenue dans la phase interstitielle d’un béton n’est pas pure. Comme précédemment évoqué, la formation de glace induit une élévation de la concentration ionique de l’eau non gelée. Cette augmentation locale de la concentration crée un gradient de concentration et donc un mouvement d’eau depuis la solution la plus diluée (pores de gel de C-S-H) vers la plus concentrée (pores capillaires). Ce cheminement d’eau génère une pression osmotique. L’apport d’eau moins chargée en ions dilue la solution interstitielle et augmente la température de solidification de l’eau. Il y a formation de glace supplémentaire, accompagnée d’une expansion d’environ 9%, ce qui provoque une augmentation de la pression d’eau dans les pores capillaires. Paramètres influents Les « Recommandations pour la durabilité des bétons soumis au gel » de 2003 [3] fournissent des indications quant à l’influence de divers paramètres sur la résistance au gel et aux sels des bétons. S’ils permettent d’orienter le diagnostic, aucun d’entre eux n’est cependant suffisant pour identifier avec certitude la susceptibilité d’un béton à être dégradé par gel et/ou écaillage. La confirmation d’une telle possibilité requiert la réalisation d’essais de durabilité présentés ci-après. Influence des caractéristiques de composition Les principaux facteurs de risque sont résumés dans le tableau ci-dessous. Ces paramètres peuvent être facilement obtenus à partir des fiches de composition et des rapports d’essais relatifs aux bétons considérés. critère facteur de risque ciment classe vraie < 42,5 nature CEM III à CEM V dosage < 385 kg/m3 (pour des granulats avec Dmax=20 mm) addition nature présence de cendres volantes dans le ciment ou en addition1 granulats gélivité granulats gélifs2 sable teneur en fines >10%, en prenant en compte les additions utilisées comme correcteurs granulométriques adjuvant entraîneur d’air3 béton ordinaire (fc < 50 MPa) formulé sans utilisation d’agent entraîneur d’air ou ayant une teneur en air occlus inférieure à 4% porosité rapport Eeff/Leq gel interne > 0,50 écaillage > 0,45 performance mécanique résistance en compression gel interne < 30 MPa écaillage < 35 MPa essais de durabilité4 gel interne facteur d’espacement > 300 µm Δε > 500 μm/m et f²/f0² < 60% écaillage E > 750 g/m² Influence de l’environnement de la pièce Les pathologies liées au gel sont fortement dépendantes : − −des cycles de gel-dégel (amplitude, fréquence, vitesse de refroidissement, etc.) ; − −de la présence de sels de déverglaçage (salage de la route, ruissellements d’eau salée, projections de saumures par la circulation automobile, etc.) ; − −du degré de saturation en eau (humidité). D’un point de vue pratique, les deux premiers aspects peuvent être évalués à travers les notions de « niveau de gel » et de « niveau de salage ». Une prise de contact auprès des stations météorologiques de proximité et de l’organisme assurant la viabilité hivernale du secteur concerné peut être utile, notamment pour intégrer des particularités locales (micro-climats, effets de site), non prises en compte par les cartes telles que les cartes de zones de gel et de zones de salage de la norme NF EN 206/CN. Le degré de saturation en eau est apprécié qualitativement. 1 Du fait de la présence d’imbrûlés, l’utilisation de cendres volantes peut diminuer l’efficacité des adjuvants entraîneurs d'air. 2 Les critères sont définis dans les « Recommandations pour la durabilité des bétons soumis au gel ». 3 L’utilisation des adjuvants entraîneurs d’air ayant été systématisée à partir des années 1990, l’obtention de l’année de construction de l’ouvrage peut constituer une indication précieuse. 4 Ces seuils correspondent aux valeurs retenues pour la réalisation d’ouvrages neufs à partir d’essais de performance. En l’absence de recul sur des pathologies d’ouvrages dégradés, le franchissement de ces uploads/Ingenierie_Lourd/ fiched1-2-guide-auscultation-ouvrage-art-cahier-interactif-ifsttar.pdf