Approche performantielle de la durabilité des bétons

Approche prescriptive selon la norme NF EN 206-1 Obligation de moyens Approche normalisée : norme NF EN 206-1 Prescriptions de composition des bétons fonction de l’environnement auquel sera soumis l’ouvrage pendant sa durée d’utilisation Approche fondée sur un retour d’expérience de plusieurs décennies VALEURS LIMITES SUR LA COMPOSITION DU BÉTON OUVRAGE PARTIES D’OUVRAGE DURÉE D’UTILISATION DE PROJET CLASSES D’EXPOSITION

Approche prescriptive selon la norme NF EN 206-1 Valeurs limites applicables à la composition et aux propriétés des bétons La norme NF EN 206-1  Fixe dans une annexe informative les valeurs limites spécifiées, applicables à la composition du béton L’annexe nationale  Complète ces dispositions par des valeurs limites applicables en France et rend celles-ci normatives dans deux tableaux :  NA.F.1 : BÉTON BPE, BÉTON de CHANTIER, BÉTON PRÉFA  NA.F.2 : BÉTON PRÉFA Valeurs limites Rapport maximal eau efficace / Liant équivalent Classe de résistance minimale Teneur minimale en liant équivalent Teneur minimale en air dans le béton, le cas échéant

Approche prescriptive selon la norme NF EN 206-1 NA.F.1 : valeurs limites applicables en France pour la composition et les propriétés du béton en fonction de la classe d’exposition Voir page suivante

Approche prescriptive selon la norme NF EN 206-1 NA.F.1 : valeurs limites applicables en France pour la composition et les propriétés du béton en fonction de la classe d’exposition Extrait

Approche prescriptive selon la norme NF EN 206-1 Notion de liant équivalent Prise en compte possible des additions de type II et certaines additions du type I  Remplacer le terme « eau/ciment » par « eau/ciment + k.Addition » et l’exigence relative au dosage par la même exigence appliquée au liant équivalent Règle française du coefficient k E/C = Eeff/Ciment + k.A Liant équivalent = ciment + k.A Valeurs du coefficient k (NF EN 206-1) Cendres volantes : de 0,40 à 0,60 Fumées de silice : 2,00 ou 1,00 Laitier moulu : 0,90 Additions calcaires : 0,25 Additions siliceuses : 0,25 Nota - L’utilisation des additions suppose qu’elles soient conformes aux normes qui les couvrent. Liant équivalent : C + k A + le liant équivalent est constitué de ciment de type CEM I 42.5 N / CEM I 42.5 R / CEM I 52.5 N / CEM I 52.5 R et des additions. A : addition normalisée (kg / m3 ) utilisable dans la limite du rapport A/(A+C) maximal fonction de la classe d’exposition

Approche prescriptive selon la norme NF EN 206-1 Notion de liant équivalent Valeur du coefficient k : règles de prise en compte des additions Nota : i28, i90, h3/28, h3/7 sont des indices d’activité ou de pouvoir hydraulique déterminés selon les normes d’essais de l’addition considérée

Approche prescriptive selon la norme NF EN 206-1 Méthodes de conception performantielles Norme NF EN 206-1  Prévoit que les spécifications relatives aux classes d’exposition puissent être définies en utilisant des méthodes de conception performantielles En France, ces concepts sont appliqués pour différentes agressions : L’alcali-réaction  Recommandations pour la prévention des désordres dus à l’alcali-réaction (LCPC juin 1994) Le gel  Recommandations pour la durabilité des bétons durcis soumis au gel (LCPC décembre 2003) Carbonatation et pénétration des chlorures  Guide AFGC 2003 Annexe E  Lignes directrices d’application du concept de performance équivalente des propriétés du béton Principe  Montrer que le béton se comporte au moins aussi bien que le béton de référence pour chacune des actions environnementales définies par la norme

Actions environnementales Attaques et risques de corrosion CARBONATATION CHLORURES GEL / DÉGEL ATTAQUES CHIMIQUES LIXIVIATION SULFATES ALCALI-RÉACTION RÉACTION SULFATIQUE INTERNE COMBINAISON DES ATTAQUES ET RISQUES DE CORROSION PARTIE D’OUVRAGE EAU DE MER

Principaux processus de dégradation des ouvrages en béton Pénétration des agents agressifs  Corrosion des armatures Attaques gel/degel avec sels de deverglaçage  Fissuration et écaillage du béton Réactions chimiques internes - Alcali-réaction - Attaques sulfatiques internes  Gonflement et fissuration du béton Attaques chimiques  Fissuration du béton Attaques sulfatiques externes

Durée d’utilisation / Durée de vie Distinguer  « Durabilité du matériau » et « Durabilité de la structure » Durabilité du matériau  Ne suffit pas à assurer la durabilité de la structure Durabilité  N’est pas la garantie d’une durée de vie infinie de la structure, mais un objectif de qualité

Durée d’utilisation / Durée de vie Durée d’utilisation de projet – Eurocode NF EN 1990 « Durée pendant laquelle une structure, ou une de ses parties, est censée pouvoir être utilisée comme prévu en faisant l’objet de la maintenance escomptée, mais sans qu’il soit nécessaire d’effectuer des réparations majeures » Structures de bâtiments et autres structures courantes = 50 ans Structures monumentales de bâtiments, ponts et autres ouvrages de génie civil = 100 ans Durée de vie - Guide AFGC Durée de vie réelle  Période au bout de laquelle la structure est reconnue structurellement ou fonctionnellement obsolète Durée de vie exigée par le maître d’ouvrage  Dépend du type d’ouvrage, de sa fonction et des conditions présumées d’exploitation et éventuellement d’environnement

Durée d’utilisation / Durée de vie Vis-à-vis de la corrosion des armatures Période d’incubation Diffusion des agents agressifs dans la zone d’enrobage jusqu’aux armatures Dépassivation des armatures par la carbonatation Période de propagation de la corrosion Amorçage de la corrosion Propagation de la corrosion Incubation Début de la corrosion Propagation de la corrosion Ruine de l’ouvrage Durée de vie = Durée de la période d’incubation, mais cette Durée de vie est inférieure au temps nécessaire pour atteindre la ruine de l’ouvrage (Guide AFGC)

Approche performantielle ESSAIS DE PERFORMANCES Obligation de résultats OUVRAGE PARTIES D’OUVRAGE PERFORMANCES DU BÉTON DURÉE D’UTILISATION DE PROJET ATTAQUES ET RISQUES DE CORROSION INDICATEURS DE DURABILITÉ Méthodologie : guide AFGC Démarche fondée sur des Indicateurs de durabilité, qui s’appuie sur les connaissances acquises sur la microstructure des bétons, sur les mécanismes physico-chimiques mis en jeu dans les processus de dégradation et sur les propriétés de transport

Documents de référence Documents scientifiques et techniques AFGC – Juillet 2004 « 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 œuvre d’une approche performantielle et prédictive sur la base d’indicateurs de durabilité

Objectifs de l’approche performantielle Concerne des ouvrages soumis à des agression ou des attaques spécifiques Pour des durées d’utilisation de projet importantes : 120, 150 ans Permet de vérifier la durabilité d’une formule de béton conforme à la norme NF EN 206-1 Permet de qualifier des formulations de béton Permet de déterminer la durabilité des bétons ou de prévoir l’évolution de l’ouvrage vis-à-vis d’un processus de dégradation considéré Complète et renforce la norme NF EN 206-1, en tirant profit de toute l’expertise et de la recherche de la dernière décennie sur les bétons

Objectifs de la démarche Approche performantielle prédictive de la durabilité des ouvrages Ouvrages à construire / en phase de projet - Définir et formuler des bétons durables - Prescrire des bétons durables Ouvrages existants / en phase de service - Analyser l’état de l’ouvrage - Évaluer la “durabilité résiduelle” de l’ouvrage - Contrôler et suivre les bétons dans le temps - Prédire l’évolution future de l’ouvrage Méthodologie complète pour la spécification, l’évaluation et la prédiction

Outils de l’approche performantielle Indicateurs de durabilité Indicateurs de durabilité généraux Valables pour la plupart des dégradations : corrosion Indicateurs de durabilité spécifiques Valables pour un processus de dégradation donné Indicateurs de substitution Essais de performances Spécifications et valeurs seuils pour chaque indicateur  Fonction de la durée de vie exigée

Indicateurs de durabilité Indicateurs représentatifs pour évaluation et prédiction de durabilité matériau • Indicateurs généraux Porosité accessible à l’eau Coefficient de diffusion de chlorures Perméabilité au gaz Teneur en portlandite Ca (OH)2 Perméabilité à l’eau liquide • Indicateurs spécifiques Variations dimensionnelles / gonflement Gel : caractéristiques du réseau de bulles d’air Alcali-réaction : Quantité de silice libérée par les granulats - Concentration en alcalins équivalents • Indicateurs de substitution Porosité accessible au mercure Résistivité électrique Coefficient d’absorption capillaire Coefficient de diffusion du CO2

Indicateurs de durabilité PARAMÈTRES À DÉTERMINER MÉTHODE DURÉE TOTALE DE L’ESSAI INDICATEURS DE DURABILITÉ GÉNÉRAUX Porosité accessible à l’eau (%) Pesée hydrostatique 3,5 mois Coefficient apparent ou effectif de diffusion des chlorures (m2.s-1) Migration en régime stationnaire 4 mois Migration en régime non stationnaire Diffusion en régime non stationnaire 6 mois Perméabilité aux gaz (m2) CEMBUREAU 4,5 mois Perméabilité à l’eau liquide (m2) Perméamètre à eau sous pression (NF P 18-855) Teneur en Ca(OH)2 (% massique par rapport au ciment) ATG Analyse chimique INDICATEURS DE SUBSTITUTION Caractéristique de la structure poreuse Mesures par intrusion de mercure Résistivité électrique (Ω.m) [ANDR 01] Isothermes de sorption de vapeur d’eau Méthode des solutions salines saturées (LCP n°58) 9 mois INDICATEURS SPÉCIFIQUES À L’ALCALI-RÉACTION Quantité de silice libérée par les granulats en fonction du temps (mol.L-1) Test cinétique NF P 18-589 ou test cinétique modifié NF P 18-594 1 à 2 semaines Bilan des alcalins de la formule de béton (kg.m-3) LCP n°37 et n°48 1 semaine Déformation de gonflement (μm/m) Projet NF P 18-454 5 mois

Paramètres complémentaires aux indicateurs Peuvent être nécessaires pour mieux évaluer les caractéristiques et propriétés des bétons, et analyser certains indicateurs Nombre  Fonction du type d’ouvrage et des types d’agressions et attaques Densité des microfissures Nature des hydrates Taux de saturation en eau Distribution des volumes poreux Chaleur d’hydratation Déformations endogènes Coefficient de diffusion de la vapeur d’eau Concentration en chlorure Variations dimensionnelles des éprouvettes

Essais de performance Permettent d’évaluer le comportement d’un béton soumis à des sollicitations physico-chimiques, de façon amplifiée et accélérée, de même nature que celles auxquelles l’ouvrage sera exposé :  Gel/dégel  Alcali-réaction  Réaction sulfatique interne Doivent être représentatifs, reproductibles, répétables et leur degré de sévérité pertinent et adapté Nota - Il faut tenir compte des incertitudes de mesure associées aux modes opérationnels.

Essais de performance Principaux essais actuellement développés Durabilité du béton au gel : Résistance au gel interne - Résistance à l’écaillage en présence de sels de déverglaçage Qualification d’une formule de béton vis-à-vis des risques liés à l’alcali-réaction Carbonatation accélérée Réactivité d’une formule de béton vis-à-vis d’une réaction sulfatique interne Lixiviation d’un béton à pH constant

Essais de performance Permettent de comparer deux formules de béton  1 formule conforme aux obligations de moyens définies dans les normes  1 formule dérogeant à une ou plusieurs obligations de moyens Permettent de vérifier que la 2e formule ne présente pas une durabilité plus faible Permettent de classer des bétons en fonction de leur résistance et de leur durabilité à une attaque ou une agression spécifique

Modèles prédictifs Des modèles prédictifs permettant de déterminer des témoins de durée de vie pour les indicateurs de durabilité  Développés, calés et validés Prennent en compte les modifications microstructurales induites par les processus de dégradation Utilisés pour la phase de conception de l’ouvrage et pour suivre des ouvrages existants Évaluent l’avancement du processus de dégradation Principaux modèles Carbonatation des bétons Pénétration des chlorures Alcali-reaction Gel/dégel Nota - Des modèles couplés sont en cours de mise au point

Etapes de la démarche performantielle Pour la formulation du béton d’une partie d’ouvrage Choix de la durée de vie de l’ouvrage Détermination de la catégorie d’ouvrage Alcali-réaction RSI Détermination des actions environnementales auxquelles est soumis la partie d’ouvrage Corrosion Attaques Expertise sur les phénomènes de dégradation du béton Choix des indicateurs de durabilité du béton et des paramètres complémentaires traduisant les risques de dégradation Sélection des spécifications et des seuils adaptés à chaque indicateur de durabilité Vérification des spécifications Mesure des indicateurs de durabilité sur éprouvette Formulation du béton Qualification des formules de béton

Conditions d’application de la démarche Choix par le maître d’ouvrage de la durée de vie de l’ouvrage Choix des critères performantiels adaptés à l’ouvrage Introduction dans le cahier des charges des spécifications relatives aux propriétés de durabilité :  Critères d’acceptation : valeurs limites  Indication de durabilité En fonction  Des actions environnementales  De la durée de vie souhaitée

Limites de l’approche performantielle Difficulté de déterminer des paramètres pertinents de la durabilité du béton dans un ouvrage Représentativité des essais pour évaluer les phénomènes à long terme Durée des essais de performance Reproductibilité des essais pour mesurer les indicateurs de durabilité Pertinence et choix des indicateurs de durabilité, ou des essais de performance, représentatifs des agressions ou attaques du béton, au cours de la durée d’utilisation de l’ouvrage Valeurs des niveaux de seuils représentatifs de la performance Durabilité différente de chaque partie d’ouvrage Incertitude des calculs prédictifs et des modèles théoriques Validation délicate des modèles de dégradation sur le long terme Difficultés juridiques liées aux garanties contractuelles

Quelques références d’utilisation de l’approche performantielle Pont de la Confédération (Canada) : 100 ans Tunnel sous la Manche : 120 ans

Pont Vasco de Gama (Portugal) : 120 ans Quelques références d’utilisation de l’approche performantielle Tunnel de l’Oresund-Link (Danemark-Suède) : 100 ans Pont Vasco de Gama (Portugal) : 120 ans

Quelques références d’utilisation de l’approche performantielle Viaduc de la Medway (Royaume-Uni) : 100 ans Port de la Condamine (Monaco) : 100 ans

Pont de Rion-Antirion (Grèce) : 120 ans Quelques références d’utilisation de l’approche performantielle Viaduc de Millau : 120 ans SOMMAIRE SESSION 9 Pont de Rion-Antirion (Grèce) : 120 ans SOMMAIRE GÉNÉRAL