Soutenance mémoire
Le béton armé est le matériau de construction le plus utilisé dans le monde. Les ouvrages en béton sont conçus et construits pour durer. Pourtant, il existe des situations dans lesquelles ils se dégradent plus vite ou plus sévèrement que prévu à cause de l’agressivité de l’environnement auquel ils sont exposés. Parmi les mécanismes de détérioration du béton armé liés à l’environnement, la corrosion des armatures occupe une place centrale, étant la cause de dégradation la plus répandue. Elle concerne les ouvrages exposés aux ions chlorures (environnement marin, sels de déverglaçage sur les ouvrages routiers) et les ouvrages exposés à une atmosphère chargée en CO2 comme dans les milieux urbains ou industriels (phénomène de carbonatation). Elle est à l’origine de nombreux défauts apparents qui, s’ils n’engendrent pas de pertes de capacité portante de la structure, se révèlent nuisibles à l’exploitation de l’ouvrage. Ces désordres dus à la corrosion peuvent avoir des conséquences économiques importantes : les coûts de maintenance et de réparation qu’ils entraînent sont en général très élevés. La compréhension de ce mécanisme et la prise en compte des différents facteurs qui le conditionnent, notamment les facteurs environnementaux, demeurent donc d’une importance primordiale.
Les facteurs environnementaux liés à la corrosion ne se limitent pas aux agents polluants. Les caractéristiques climatiques, en particulier l’humidité relative et la température, contribuent aussi à l’évolution de la corrosion en favorisant la pénétration des agents agressifs au sein du béton ou en favorisant les réactions chimiques. Bien que les effets de ces deux paramètres sur le mécanisme de corrosion soient prouvés, ils ne sont pas pris en compte par les normes de conception comme des facteurs agressifs, surtout vis-à-vis de la corrosion induite par les chlorures. Leur intégration dans l’évaluation des risques de corrosion et dans la définition des classes d’exposition des ouvrages permettrait d’améliorer la durabilité des bétons situés dans un environnement corrosif.
Corrosion induite par les chlorures
Lorsqu’une structure est mise en service, elle subit des mécanismes de dégradation dont l’origine peut être physique, chimique ou mécanique. La durée de vie des structures en béton armé est conditionnée par la réponse à ces agressions et par la capacité des matériaux constitutifs à se protéger contre ces attaques. Les facteurs chimiques sont souvent les plus importants, puisque le béton peut se dégrader par réaction (dissolution, gonflement) de ses constituants propres. L’air, l’eau et le sol sont connus comme étant des agents favorisant la migration d’agents polluants dans le béton, en entrant dans les pores du béton et en modifiant ainsi ses caractéristiques, en particulier la composition chimique de la solution interstitielle. Parmi les nombreux agents agressifs auxquels les ouvrages peuvent être exposés, le dioxyde de carbone et les chlorures sont des plus importants. Ces agents sont responsables de l’un des principaux mécanismes de dégradation des ouvrages existants : la corrosion des armatures. Ces phénomènes sont respectivement identifiés par la corrosion due à la pénétration de chlorures et par la corrosion par carbonatation due à l’action du dioxyde de carbone dissous dans l’eau interstitielle.
La corrosion des aciers dans le béton est l’une des principales pathologies des ouvrages de génie civil. Pour cela, ce phénomène a reçu une attention croissante durant ces trente dernières années à cause de sa fréquence et des coûts élevés des réparations. Elle est la cause essentielle de dégradation des ponts routiers en béton armé partout dans le monde [Ollivier et al., 2008], par exemple :
– aux États-Unis, parmi 586 000 ponts autoroutiers surveillés, 15 % sont considérés comme structuralement déficients, essentiellement pour des raisons de corrosion avancée ;
– en Amérique du Nord, le coût total des dégradations de l’infrastructure en béton liées à la corrosion par les sels de déverglaçage est estimé à 150 milliards de dollars;
– au Royaume-Uni, le département des transports estime que le coût de réparations des ponts routiers endommagés par la corrosion s’élève à environ 900 M€.
En outre, la corrosion des armatures est la première cause de désordre affectant le domaine du bâtiment. Les manifestations de ce mécanisme ne remettent généralement pas en cause la stabilité du bâtiment mais engendrent une forte détérioration de l’aspect. La corrosion des armatures est, dans ce cas, principalement due à la carbonatation du béton, l’influence des chlorures ne concernant généralement que les ouvrages en milieu marin ou exposés aux sels de déverglaçage. Pour cela, nous nous intéressons dans ce chapitre à l’étude et à la modélisation physique de ce mécanisme. Une attention particulière est portée à l’effet des paramètres climatiques qui influencent sur la corrosion. Ce chapitre se divise en deux grandes parties, la première concerne la corrosion induite par les chlorures. La deuxième est dédiée à la corrosion par carbonatation.
Aspect physico-chimique de la corrosion
Avant d’être placée dans le coffrage, une armature en acier est rouillée, parce qu’elle a d’abord été exposée à l’atmosphère. Lorsque le béton frais est mis en place autour de cet acier, l’eau de gâchage pénètre à travers les pores de la rouille, où elle forme progressivement de la ferrite de calcium hydraté (4CaO Fe2O3 13H2O). Mais surtout, cette eau réagit avec l’acier et forme sur celui-ci une fine couche d’hydroxydes de fer Fe(OH)2 et de calcium Ca(OH)2. Tous ces produits au voisinage de l’acier donnent à la solution interstitielle du béton un pH élevé, de l’ordre de 13 qui permet d’assurer la protection de l’acier par passivation. Une telle protection disparaît si la teneur en chlorure dépasse un certain seuil ou si la profondeur de carbonatation dépasse l’enrobage.
Phases de la corrosion
La durée de vie d’un ouvrage en béton armé vis-à-vis de la corrosion des aciers est souvent décrite à travers les étapes suivantes :
– phase d’initiation (ou d’incubation) : c’est le stade durant lequel les agents agressifs, tels que le dioxyde de carbone (CO2) ou les chlorures (Cl- ), présents dans le milieu environnant, pénètrent dans le béton ;
– phase de propagation : cette phase commence lorsque ces agents agressifs se trouvent à des concentrations fortes au niveau des armatures. Cette phase correspond à la croissance de la rouille, qui peut ensuite faire éclater le béton d’enrobage.
Ainsi, pour décrire la corrosion des aciers dans les bétons, il convient de préciser, d’une part, la pénétration des agents agressifs dans le béton et, d’autre part, les conditions de dépassivation de ces armatures, puis la vitesse de dissolution du métal et la croissance de la rouille. L’observation de la dégradation d’un ouvrage en béton armé intervient souvent au cours de la phase de propagation, lorsque les destructions deviennent visibles, c’est-à-dire bien souvent tardivement. Il devient alors très lourd de réparer l’ouvrage et il convient donc de prévoir les effets à long terme de ces agressions.
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Table des matières
Introduction
I. Chapitre I : Synthèse bibliographique
1. Corrosion induite par les chlorures
1.1. Introduction
1.2. Aspect physico-chimique de la corrosion
1.2.1. Phases de la corrosion
1.2.2. Formes de la corrosion
1.2.3. Facteurs influençant la corrosion des armatures
1.2.3.1. Humidité relative
1.2.3.2. Enrobage
1.2.3.3. Température
1.2.3.4. Teneur en chlorure
1.2.3.5. Oxygène
1.2.3.6. Agents agressifs autres que les chlorures
1.2.4. Réactions de corrosion des aciers dans le béton
1.3. Phase d’initiation de la corrosion
1.3.1. Pénétration des ions de chlorures dans le béton
1.3.1.1. Modèle de Val et al.
1.3.1.2. Modèle de Vu et al.
1.3.2. Modèles du coefficient de diffusion des chlorures
1.3.2.1. Modèle de Matsumura et al.
1.3.2.2. Modèle de Saetta et al.
1.3.2.3. Modèle de Samson et al.
1.3.2.4. Modèle de Hobbs et al.
1.3.2.5. Modèle de Martin-Perez et al.
1.3.3. Temps d’initiation de la corrosion
1.3.4. Concentration critique en ions chlorures
1.3.5. Concentration en ions chlorures à la surface du béton
1.4. Propagation de la corrosion
1.4.1. Formation des produits de corrosion expansifs
1.4.1.1. Masse d’acier consommée
1.4.1.2. Surface d’acier consommée
1.4.1. Densité du courant de corrosion
1.5. Effets de la corrosion sur les propriétés mécaniques du béton armé
1.5.1. Dégradation du béton
1.5.2. Diminution de l’allongement à la rupture des sections d’aciers
1.5.3. Détérioration de l’adhérence entre l’acier et le béton
1.6. Conclusion
2. Carbonatation du béton
2.1. Introduction
2.2. Aspect physico-chimique
2.2.1. Les minéraux cimentaires
2.2.2. Le dioxyde de carbone
2.2.3. Carbonatation des hydrates du béton
2.2.4. Facteurs influençant la vitesse de carbonatation
2.2.5. Conséquences de la carbonatation sur le béton
2.2.5.1. Diminution de la porosité
2.2.5.2. Augmentation de la résistance mécanique du béton
2.2.5.3. Augmentation de la teneur en eau
2.2.5.4. Evolutions des propriétés de transfert
2.2.5.5. Retrait de carbonatation
2.2.5.6. Chute du pH de la solution interstitielle et corrosion des armatures
2.3. Modélisation de la carbonatation
2.3.1. Coefficient de diffusion du CO2 dans le béton
2.3.1.1. Modèle de Papadakis et al.
2.3.1.2. Modèle de Yoon et al.
2.3.2. Variation de la porosité avec la carbonatation
2.3.2.1. Expression de Meier et al.
2.3.2.2. Expression de Park
2.3.3. Profondeur de la carbonatation
2.3.3.1. Modèle Duracrete
2.3.3.2. Modèle de CEB
2.3.3.3. Capacité de liaison du CO2
2.3.4. Temps d’initiation de la corrosion
2.3.5. Propagation de la corrosion
2.4. Conclusion
II. Chapitre II : Modèles probabilistes des variables aléatoires
1. Introduction
2. Fiabilité et incertitudes
2.1. Définitions / terminologie en fiabilité
2.1.1. Scénarii et domaines de défaillance
2.1.2. Fonction d’état limite
2.1.3. Probabilité de défaillance
2.2. Calcul de la probabilité de défaillance
2.3. Incertitudes
3. Choix des variables aléatoires
3.1. Propriétés géométriques
3.1.1. Dimensions externes
3.1.2. Enrobage
3.2. Variables aléatoires relatives aux matériaux
3.2.1. Propriétés des barres d’armatures
3.2.1.1. Limite d’élasticité des armatures
3.2.1.2. Sections des armatures
3.2.1.3. Module d’élasticité de l’acier
3.2.2. Propriétés du béton
3.2.2.1. Résistance à la compression
3.2.2.2. Résistance à la traction
3.2.2.3. Module d’élasticité
3.3. Variables aléatoires relatives au chargement
3.3.1. Charges permanentes
3.3.2. Charges d’exploitations
3.4. Paramètres relatifs à l’environnement
3.4.1. La température
3.4.2. Humidité relative
3.4.3. Concentration des chlorures à la surface
3.4.4. Concentration critique en ions chlorures
3.4.5. Facteur de corrosion par piqûre
3.4.6. Coefficient de diffusion de référence
3.4.7. Concentration en CO2 dans l’air
3.4.8. Capacité de liaison du béton avec le gaz carbonique
3.4.9. Intensité du courant de corrosion induite par la carbonatation
4. Conclusion
III. Chapitre III : Applications numériques
1. Introduction
2. Cas étudié : poutre simplement appuyée
3. Corrosion induite par les chlorures
3.1. Étude paramétrique
3.1.1. Phase d’initiation
3.1.1.1. Effet de l’enrobage sur le temps d’initiation de la corrosion
3.1.1.2. Effet de la concentration critique en ions de chlorures
3.1.1.3. Effets du coefficient de diffusion de référence
3.1.1.4. Effets de la concentration des chlorures en surface
3.1.1.5. Comparaison des effets de e, Ccr , Cs
et Dc,ref sur la distribution de Tini
3.1.2. Phase de propagation
3.1.2.1. Effet de l’enrobage
3.1.2.2. Effet du facteur de la corrosion par piqûre
3.1.2.3. Effet de la charge d’exploitation
3.1.2.4. Synthèse
3.2. Effet du climat sur la corrosion induite par les chlorures
3.3. Fiabilité à l’état limite de service
3.3.1. Effet du diamètre des armatures sur la corrosion
3.3.2. Diamètre des armatures et ouverture de la fissure
4. Corrosion par carbonatation
4.1. Phase d’initiation
4.1.1. Effet de l’enrobage
4.1.2. Effet de la concentration en dioxyde de Carbone
4.1.3. Effet de capacité de liaison du béton avec le gaz carbonique
4.2. Phase de propagation
4.2.1. Effet de l’enrobage
4.2.2. Effet de l’intensité du courant de corrosion
4.2.3. Effet de la charge d’exploitation
4.2.4. Synthèse
Conclusion
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