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AFGC

Groupe de travail

"Conception des bétons pour une durée de vie donnée des ouvrages - Indicateurs de durabilité"

Documents scientifiques et techniques

CONCEPTION DES BÉTONS POUR UNE

DURÉE DE VIE DONNÉE DES

OUVRAGES

Maîtrise de la durabilité vis-à-vis de la corrosion des armatures et de l'alcali-réaction

Etat de l'art

et

Guide pour la mise en oeuvre d'une approche

performantielle et prédictive sur la base d'indicateurs de durabilité

Juillet 2004

AFGC Conception des bétons pour une durée de vie donnée des ouvrages 2

Maîtrise de la durabilité vis-à-vis de la corrosion des armatures et de l'alcali-réaction

3 Le présent document a été préparé dans le cadre du groupe de travail de l'Association Française de Génie Civil (AFGC) : "Conception des bétons en vue d'une durée de vie donnée des ouvrages - Indicateurs de durabilité". La rédaction du document a été réalisée par l'animateur du groupe :

Véronique Baroghel-Bouny (LCPC - Paris)

et par les membres du groupe : Carmen Andrade (CSIC - Institut E. Torroja - Madrid - Espagne) Marta Castellote (CSIC - Institut E. Torroja - Madrid)

Didier Brazillier (DDE de l'Yonne - Auxerre)

Jean-Louis Costaz (EDF-SEPTEN - Villeurbanne, puis en retraite)

René Couty (ESPCI - Paris)

Robert Degeimbre (Université de Liège - Belgique)

Loïc Divet (LCPC - Paris)

Bruno Godart (LCPC - Paris)

Gilbert Grimaldi (LREP - Melun, puis CETMEF - Aix-en-Provence)

Sylvine Guedon-Dubied (LCPC - Paris)

Lotfi Hasni (CEBTP - Saint Rémy-lès-Chevreuse) Hugues Hornain (LERM - Arles, puis Matériaux Conseil International - Arles)

Catherine Larive (LCPC - Paris, puis CETU - Bron)

André Le Roux (LCPC - Paris)

Lionel Linger (VINCI Construction Grands Projets - Rueil Malmaison) Pierre Monachon (VINCI Construction Grands Projets - Rueil Malmaison, puis en retraite)

Micheline Moranville-Regourd (ENS - Cachan)

Ilie Petre-Lazar (EDF R&D - Les Renardières)

Daniel Poineau (SETRA - Bagneux, puis en retraite)

Nourreddine Rafaï (LERM - Arles)

Patrick Rougeau (CERIB - Epernon)

Géraldine Villain (LCPC - Paris)

Marie-Pierre Yssorche-Cubaynes (LMDC-INSA-UPS Toulouse) Ont également contribué à l'élaboration de ce document :

Jacques Baron (ATILH - Paris la Défense)

Patrick Belin (LCPC - Paris)

Thierry Chaussadent (LCPC - Paris)

François Cussigh (GTM Construction - Nanterre)

Pascal Fasseu (LRPC Lille)

Frédéric Guimbal (BOUYGUES Travaux Publics - Saint-Quentin-en-Yvelines, puis

LAFARGE LCR - L'Isle d'Abeau)

Dominique Henry (LCPC - Paris)

Pierre Kalifa (CSTB - Grenoble)

Frédéric Skoczylas (Ecole Centrale de Lille - Villeneuve d'Ascq)

Mickaël Thiery (LCPC - Paris)

AFGC Conception des bétons pour une durée de vie donnée des ouvrages 4

Ce document a également été relu par :

Stéphanie Bonnet (IUT de Saint-Nazaire)

Bruno Capra (OXAND S.A. - Avon)

Danièle Chauvel (EDF-SEPTEN - Villeurbanne)

Christian Cremona (LCPC - Paris)

Michel Delort (ATILH - Paris-La-Défense)

André Raharinaivo (LCPC - Paris)

Guy Taché (CEBTP - Saint Rémy lès Chevreuse) et par le Comité Scientifique et Technique de l'AFGC La coordination a été assurée par Jocelyne Jacob (SETRA), Responsable des publications au sein de l'AFGC et Véronique Baroghel-Bouny (LCPC), Animateur du groupe de travail.

Maîtrise de la durabilité vis-à-vis de la corrosion des armatures et de l'alcali-réaction

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SOMMAIRE

RÉSUMÉ

PRÉAMBULE

1. PROCESSUS DE DÉGRADATION DES OUVRAGES EN BÉTON

(ARMÉ) TRAITÉS DANS LE PRÉSENT DOCUMENT

2. INTÉRET D'UNE DÉMARCHE PERFORMANTIELLE CONTEXTE ET

CONSTATATIONS

2.1. Constatations : cas des ouvrages d'art

exemple des ouvrages routiers du réseau national

2.2. Constatations : spécificités du bâtiment

2.3. Constatations : nécessité d'une démarche performantielle

2.4. Recensement des grands projets incluant des critères performantiels

relatifs aux propriétés de durabilité

3. DURABILITÉ, DURÉE DE VIE ET ÉTATS LIMITES DE DURABILITÉ

3.1. La durabilité du matériau

3.2. La durabilité des structures en béton (armé ou précontraint)

4. DESCRIPTION ET CONDITIONS D'APPLICATION DE LA

DÉMARCHE PERFORMANTIELLE PROPOSÉE

4.1. Objectifs généraux de la démarche performantielle proposée

et principe adopté pour son élaboration

4.2. Indicateurs de durabilité et autres paramètres - définitions

4.3. Déroulement de la démarche performantielle proposée

4.4. Problèmes soulevés par la démarche performantielle proposée

4.5. Conclusions pour l'application de la démarche performantielle proposée

5. CORROSION DES ARMATURES ET ALCALI-RÉACTION :

MÉCANISMES PHYSICO-CHIMIQUES MIS EN JEU

5.1. Corrosion des armatures et processus initiateurs

5.2. Alcali-réaction

5.3. Effet des additions minérales

6. INDICATEURS DE DURABILITÉ : SÉLECTION ET JUSTIFICATION

6.1. Indicateurs de durabilité sélectionnés et autres paramètres

6.2. Justification du choix des indicateurs de durabilité généraux

et des paramètres complémentaires

6.3. Justification du choix des indicateurs de durabilité

spécifiques a l'alcali-réaction

6.4. Justification du choix pour quelques indicateurs de substitution

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AFGC Conception des bétons pour une durée de vie donnée des ouvrages 6

7. MÉTHODES DE DÉTERMINATION DES INDICATEURS DE

DURABILITÉ

7.1. Remarque préliminaire

7.2. Méthodes de détermination des indicateurs de durabilité généraux

7.3. Méthodes de détermination des indicateurs de durabilité spécifiques

à l'alcali-réaction

7.4. Méthodes de détermination d'indicateurs de substitution

7.5. Synthèse des méthodes disponibles pour la détermination des indicateurs

de durabilité

8. CLASSES ET VALEURS LIMITES RELATIVES AUX INDICATEURS DE

DURABILITÉ : ÉVALUATION DE LA DURABILITÉ "POTENTIELLE" D'UN

BÉTON DONNÉ

8.1. Classes et valeurs limites relatives aux indicateurs de durabilité

généraux et aux indicateurs de substitution

8.2. Evaluation de la durabilité "potentielle" d'un béton donné

9. SPÉCIFICATIONS RELATIVES AUX INDICATEURS DE

DURABILITÉ EN FONCTION DU TYPE D'ENVIRONNEMENT ET DE LA DURÉE DE VIE EXIGÉE : SÉLECTION OU QUALIFICATION DE

FORMULES DE BÉTON POUR UN OUVRAGE DONNÉ

9.1. Types d'environnement considérés

9.2. Spécifications-types pour la durabilité vis-a-vis de la corrosion

des armatures

9.3. Spécifications-types pour la durabilité vis-a-vis de l'alcali-réaction

9.4. Sélection ou qualification de formules de béton pour un ouvrage donné

10. PRÉDICTION DE LA DURABILITÉ (PHASE DE CONCEPTION) OU

ÉVALUATION DE LA DURABILITÉ RÉSIDUELLE DES OUVRAGES

10.1. Témoins de durée de vie

10.2. Modèles prédictifs : calcul des témoins de durée de vie

10.3. Prédiction de la durabilité d'un ouvrage neuf (phase de conception)

10.4. Diagnostic et évaluation de la durabilité résiduelle d'ouvrages existants

10.5. Application : stratégie de suivi des ouvrages - mesure des indicateurs de

durabilité et des témoins de durée de vie in situ à des échéances données

10.6. Illustration : le pont Vasco de Gama sur le Tage à Lisbonne (Portugal)

prédiction de la durabilité à partir du modèle du LERM et validation à partir des résultats des campagnes d'essais

11. REMARQUES FINALES ET PERSPECTIVES

12. TEXTES DE RÉFÉRENCE (NORMES, RÉGLEMENTS, GUIDES ET

RECOMMANDATIONS), MODES OPÉRATOIRES ET NOTICES DE

LOGICIELS

13. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

14. ANNEXES

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Maîtrise de la durabilité vis-à-vis de la corrosion des armatures et de l'alcali-réaction

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RÉSUMÉ

Ce document vise à une meilleure connaissance des propriétés relatives à la durabilité

du béton (armé) et de ses constituants, et à la mise en place de moyens pour maîtriser

cette durabilité. Il présente un état de l'art et propose une méthodologie pour la mise en

oeuvre d'une démarche performantielle , globale et prédictive de la durabilité des structures en béton (armé), basée sur la notion d'indicateurs de durabilité et combinant mesures en laboratoire et codes de calcul (modèles). Deux types de dégradation sont considérés, la corrosion des armatures (induite par la carbonatation ou la pénétration des chlorures) et l'alcali-réaction Ce document inclut notamment les éléments suivants : une description des mécanismes chimiques, physiques et mécaniques, et leurs couplages éventuels, à l'origine de la corrosion des armatures et des dégradations générées par l'alcali-réaction. Cette étape permet en outre d'identifier les indicateurs de durabilité, c'est-à-dire les paramètres fondamentaux qui influent sur ces mécanismes, dans un environnement donné, une présentation des méthodes d'essai (ou de calcul) à disposition pour quantifier les indicateurs de durabilité, une méthode d'évaluation de la durabilité "potentielle" sur la base de classes, des spécifications relatives aux indicateurs de durabilité, en fonction du type d'environnement et de la durée de vie exigée, une présentation de modèles de prédiction de la durée de vie, relatifs aux processus susceptibles d'engendrer la corrosion des armatures ou l'alcali-réaction, pour lesquels les données d'entrée incluent les indicateurs de durabilité sélectionnés et les "sorties" sont les témoins de durée de vie . Des méthodes de mesure des témoins de durée de vie, applicables en laboratoire sur éprouvettes ou sur prélèvements issus d'ouvrages, sont en outre proposées, une méthode de prédiction de la durabilité en phase de conception ou d'évaluation de la durabilité résiduelle des ouvrages existants. Des compléments théoriques, notamment sur les mécanismes, ainsi que des exemples de méthodes, de modèles, de validation (expérimentale ou numérique) des classes et des spécifications, ainsi que d'application partielle de la méthodologie et de cahiers des charges de projets d'ouvrages, sont rassemblés dans les annexes jointes au texte du guide. AFGC Conception des bétons pour une durée de vie donnée des ouvrages 8

PRÉAMBULE

Le présent document a été élaboré sur la base des connaissances scientifiques et techniques actuelles acquises en France et à l'étranger. L'état de l'art présenté est illustré par des exemples, que ce soit en termes de résultats expérimentaux ou de modélisation, tirés des recherches et des applications (constructions) les plus récentes, certains des travaux cités étant d'ailleurs en cours au moment de la rédaction de ce document. Ce guide a été écrit dans un but didactique, mais également dans un but de mise en application immédiate dans la pratique. Les recommandations proposées viennent en complément des règles de l'art habituelles qui permettent d'assurer la qualité du béton et contribuent à sa durabilité. Elles supposent notamment une application correcte des règles de conception et de réalisation des ouvrages. Le présent guide n'est pas un document supplémentaire venant s'ajouter à la collection existante ; il s'appuie en effet sur les documents disponibles sur le sujet (modes opératoires, recommandations, règlements, normes, ...) et les complète le cas échéant. La démarche proposée intègre donc ces documents existants. Toutefois, étant élaborée dans un cadre prénormatif, il est souhaitable que cette démarche serve également de base à l'évolution de certains textes, tels que les Recommandations pour la prévention des désordres dus à l'alcali-réaction [1] ou les normes relatives au matériau béton [2,3]. Par exemple, les exigences de moyens (dosage minimum, rapport E/C maximum, ...), prévalant à l'heure actuelle dans les textes normatifs, feraient place dans une certaine mesure à des critères (performantiels)

relatifs à des propriétés de durabilité. Ces critères seraient adaptés à la durée de vie

requise pour l'ouvrage considéré.

L'approche performantielle

proposée dans ce guide permet par exemple de qualifier une formule de béton pour la construction d'un ouvrage donné. Elle s'adresse en priorité aux ouvrages stratégiques ou aux ouvrages dont la durée de vie escomptée est supérieure à la durée de vie minimale de 50 ans pour laquelle les normes ont généralement été établies. On peut en effet considérer dans un premier temps que, pour les ouvrages courants, les documents réglementaires et normatifs existants suffisent. Toutefois, il paraît important de généraliser cette approche le plus rapidement possible à tous les ouvrages, selon un niveau d'exigence ad-hoc. En effet, une telle approche adaptée offre la possibilité de prendre en compte non seulement des paramètres techniques pertinents, mais également des paramètres socio-économiques (importance économique de l'ouvrage, impact sur l'environnement, insertion dans le tissu urbain, risques d'agression divers, durée de vie, ...). Les formules de béton considérées dans ce guide sont celles des ouvrages courants de bâtiment (B20 - B25) et de génie civil (B30 - B40), la gamme étant toutefois étendue aux

bétons à hautes performances (à partir des B60) tels qu'ils sont définis dans l'extension

du BAEL [37], et aux bétons à très hautes performances. Les bétons fibrés à ultra hautes performances (BFUP) font quant à eux l'objet d'un guide AFGC spécifique [18], établi selon l'approche adoptée dans le présent document. On notera en outre qu'il n'est pas fait référence à des exemples de bétons auto-plaçants par manque de données

Maîtrise de la durabilité vis-à-vis de la corrosion des armatures et de l'alcali-réaction

9 disponibles sur ces matériaux à la date de rédaction du guide. Toutefois, la démarche

proposée est parfaitement applicable à ces matériaux. Le lecteur pourra se référer à la

littérature existant sur le sujet, notamment aux résultats du Projet National "BAP" ou du groupe de travail AFGC "Bétons auto-plaçants", pour connaître les caractéristiques et les spécificités de ces matériaux [16].

Outre les textes de référence et les modes opératoires (liste numérotée donnée au § 12),

la littérature citée dans ce document (références listées par ordre alphabétique au § 13)

privilégie dans la mesure du possible les ouvrages et les articles de synthèse rédigés en

français et les contributions des groupes français, qui seront aisément accessibles par l'ensemble des lecteurs. AFGC Conception des bétons pour une durée de vie donnée des ouvrages 10

1. PROCESSUS DE DÉGRADATION DES OUVRAGES EN BÉTON

(ARMÉ) TRAITÉS DANS LE PRÉSENT DOCUMENT

Pour évaluer la durabilité "potentielle" d'un béton, il est nécessaire de connaître les

mécanismes susceptibles de conduire à sa dégradation, et d'étudier la résistance du matériau vis-à-vis de ces dégradations. Si l'on exclut, d'une part les événements accidentels, et d'autre part les effets à long

terme des sollicitations mécaniques, tels que la fatigue due à des sollicitations répétées

ou le fluage pouvant engendrer des pertes de précontrainte ou encore l'abrasion, la durée de vie des ouvrages en béton armé ou précontraint peut être limitée par : la pénétration d'agents agressifs qui peut conduire à l'amorçage (et au développement) du processus de corrosion des armatures, les réactions chimiques internes, mettant en jeu des espèces issues du milieu environnant ou déjà présentes dans le matériau, telles que l'alcali-réaction ou les attaques sulfatiques, sources de gonflement et de fissuration du béton, les cycles de gel-dégel qui entraînent gonflements et fissuration du béton par gel interne et un écaillage des surfaces exposées aux sels (de déverglaçage). La démarche proposée dans ce guide concernera deux types de processus de

dégradation, identifiés comme d'importance majeure en matière de durabilité (cf. § 2).

Ils seront résumés par les intitulés suivants : corrosion des armatures alcali-réaction Les attaques sulfatiques, les cycles de gel-dégel et les environnements chimiquement agressifs ne seront donc pas traités ici, bien que ces processus soient également susceptibles d'engendrer d'importantes dégradations sur les ouvrages. L'état des connaissances au moment de la rédaction du guide ne permet en effet pas de disposer de l'ensemble des paramètres prépondérants vis-à-vis de ces processus, ni de méthodes validées permettant de les quantifier, et donc des outils indispensables au développement d'une méthodologie générale. On notera, pour ce qui concerne les réactions sulfatiques, que l'AFGC et le Réseau de Génie Civil et Urbain (RGCU) ont lancé des travaux pour la mise au point de modes opératoires. Il reste toutefois à élucider certains points, en particulier vis-à-vis des réactions sulfatiques internes (formation d'ettringite différée) dues, d'une part, à une trop forte élévation de

température (supérieure à 65-70 °C) lors de la prise du ciment et, d'autre part, au choix

inadéquat des constituants du béton. Des travaux sont également menés sur les autres processus de dégradation évoqués (gel, attaques chimiques, ...). Des recommandations

ont d'ailleurs été proposées pour la durabilité des bétons durcis soumis au gel [25]. On peut

donc penser que, dans un avenir proche, une démarche analogue à celle proposée dans ce guide pour la corrosion des armatures et l'alcali-réaction pourra être mise en place pour les autres dégradations.

Maîtrise de la durabilité vis-à-vis de la corrosion des armatures et de l'alcali-réaction

11 On notera que l'effet des sollicitations mécaniques n'est pas pris en compte dans l'approche développée ici, bien qu'il ne soit certainement pas neutre dans le processus de dégradation. De plus, faute de données quantitatives précises en la matière et vu le caractère peu reproductible de la fissuration dans une épreuve de qualification de formules de béton, celle-ci ne sera pas non plus prise en compte explicitement dans les spécifications proposées dans ce guide. Il a en effet été montré que la fissuration fonctionnelle du béton armé n'influait pas de façon significative sur la durabilité de la structure (tant que l'ouverture des fissures restait inférieure à 0,5 mm) [FRAN 98]. Ce type de fissures n'est donc pas spécifiquement pris en considération dans ce guide. Toutefois, la

méthodologie proposée peut aussi bien s'appliquer à un béton fissuré (en tout cas dans

les limites du BAEL 91 [26] ou de l'Eurocode 2 [27]). La microfissuration (formée sous l'action de sollicitations mécaniques, hydriques et/ou thermiques) est par contre susceptible d'influencer (accélérer) les dégradations. Si elle est importante, elle peut augmenter significativement certains coefficients de transport (cf. Annexe 2). Toutefois, dans bon nombre de cas, elle ne modifie pas les propriétés de durabilité du matériau, en particulier celles des BHP [YSSO 95b]. On notera en outre qu'un certain degré de microfissuration (résultant du retrait, des conditions de conservation, du prétraitement, ...) est inhérent au matériau béton et qu'expérimentalement le matériau est toujours implicitement testé dans cet état. AFGC Conception des bétons pour une durée de vie donnée des ouvrages 12

2. INTÉRÊT D'UNE DÉMARCHE PERFORMANTIELLE

CONTEXTE ET CONSTATATIONS

2.1. Constatations : cas des ouvrages d'art - Exemple des ouvrages

routiers du réseau national Le parc des ponts routiers du réseau national (autoroutes non concédées et routes nationales) s'est accru dans de fortes proportions depuis la fin de la seconde guerre mondiale (cf. Tableau 1).

Tableau 1

: Parc des ponts routiers du réseau national (les pourcentages ont été calculés par rapport à la totalité du parc et sont issus de l'enquête IQOA 2001)

Période de

construction Inconnue < 1950 1951 -> 1975 1976 -> 1995 > 1995

Nombre d'ouvrages (%)

Surface des ouvrages (%) 3

1 4,4 3 32 38 53
51 7
7 La totalité du patrimoine s'élève à (campagne d'évaluation IQOA 2001) : nombre total d'ouvrages : 23 204 u, surface totale : 8 389 406 m Si l'on excepte les ponts en maçonnerie, ceux entièrement métalliques et les buses métalliques, les chiffres deviennent : nombre total d'ouvrages : 16 176 u, surface totale : 7 440 406 m Les opérations de surveillance organisée de ces ouvrages montrent que de nombreux

ponts ou éléments de ponts en béton armé présentent des dégradations du matériau

dont les deux causes principales sont : la corrosion des armatures , initiée par une carbonatation du béton, ou par la pénétration des chlorures pour les ouvrages en milieu marin ou exposés aux sels (cf. Figure 1) l'alcali-réaction (cf. Figure 2). Les principales origines de la dégradation par corrosion sont : un enrobage (cf. Définition dans le BAEL 91 [26]) insuffisant, ou plutôt le non-respect lors du coulage du béton, de l'enrobage prévu, une qualité médiocre ou inadaptée du matériau, un environnement agressif.

Maîtrise de la durabilité vis-à-vis de la corrosion des armatures et de l'alcali-réaction

13 Le plus souvent, la corrosion des armatures commence à se manifester (par des traces de rouille, des fissures le long des armatures, des éclatements locaux du béton, ou encore des armatures corrodées apparentes) lorsque les ouvrages atteignent un âge compris entre 30 et 50 ans. Par exemple, sur un échantillon de 315 ponts du réseau national (hors ponts métalliques et ponts en maçonnerie), la base IQOA "pathologie" de

1997 indique que 89 d'entre eux sont atteints de corrosion des armatures, soit 28 % de

l'échantillon. La corrosion des armatures est également la principale cause de dégradation des ouvrages dans les autres pays d'Europe. Il est à noter que les opérations de surveillance ne prévoient pas pour l'instant la détection préventive du risque de corrosion. La corrosion n'est donc découverte que lorsqu'elle se manifeste au grand jour. Ceci oblige à des réparations lourdes, alors qu'un entretien préventif (mise en place d'un revêtement de protection, par exemple) aurait pu suffire. En France, les réactions de gonflement interne du béton (alcali-réaction ou attaque sulfatique) touchent, à des degrés divers, plus de 400 ouvrages de l'ensemble des réseaux routiers (Etat, Départements, ...) surtout situés en Bretagne et dans le nord. Ilquotesdbs_dbs14.pdfusesText_20

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