Evaluation non destructive du gradient de teneur en eau dans les structures en béton armé par résistivité électrique

Les ouvrages d’art en béton armé construits au cours de XXe siècle connaissent maintenant les traces de dégradation. La connaissance de la nature et de l’étendue de la détérioration du matériau est donc une nécessité pour les maîtres d’ouvrage dans un souci de meilleure gestion des patrimoines bâtis. L’intervention tardive de maintenance peut provoquer la défaillance des structures et un coût de réparation élevé. En effet, l’entretien et la réparation des ouvrages sont d’autant plus simples et moins couteux que la détérioration est détectée, localisée et caractérisé suffisamment tôt.

Actuellement il existe deux grandes familles de techniques permettant de caractériser le béton. Une famille basée sur une approche ponctuelle quantitative mais destructive et l’autre à plus grand rendement, non destructive mais plus qualitative. Depuis une quinzaine d’années, et malgré la difficulté à obtenir un résultat fiable, les méthodes non destructives sont préférées aux techniques destructives classiques qui détériorent et endommagent la structure auscultée. Le prélèvement des échantillons peut endommager localement le matériau. En plus, les échantillons prélevés peuvent ne pas représenter la structure auscultée. L’état du matériau est probablement modifié par le prélèvement, et particulièrement sa teneur en eau, car il se fait le plus souvent sous l’eau. Par ailleurs, pour les raisons de sécurité, il n’est pas toujours possible d’effectuer le prélèvement sur certaines structures comme les enceintes de confinement des réacteurs nucléaires par exemple.

Ainsi les techniques de contrôle non destructif (CND) sont plus intéressantes et préférées par rapport aux techniques classiques pour ausculter une structure en béton armé. L’examen avec le CND ne provoque normalement pas d’altérations sur les ouvrages. Il est généralement rapide et moins coûteux que la méthode destructive avec les essais sur les prélèvements, et permet d’ausculter une grande surface de structure. Pourtant l’étude des propriétés du béton avec les techniques de CND reste encore incomplète et demande toujours plus d’avancement.

Etude bibliographique

S’il est vrai que la mesure de la teneur en eau peut être réalisée par des méthodes simples (la gravimétrie) ou plus sophistiquées (la gammadensimétrie par exemple) sur des prélèvements, leur nombre pour obtenir une mesure représentative peut rapidement s’avérer rédhibitoire. Comme pour d’autres propriétés du béton, il y a donc un intérêt à développer des méthodes de contrôle non destructif pour la mesure de la teneur en eau. Parmi les techniques les plus utilisées, la mesure de la résistivité électrique est indiquée pour être efficace et pertinente par de nombreux travaux. L’intérêt de la résistivité par sondes à points, outre son aspect totalement non destructif, réside dans la simplicité de sa mise en œuvre.

Le contrôle non destructif (CND)

Le contrôle non destructif (CND) regroupe l’ensemble des techniques et procédures menées sur des structures ou des ouvrages pour ausculter leur état sans provoquer d’altérations ni influencer leur utilisation. Généralement, le CND est basé sur la réponse du matériau à un impact émis par une source extérieure. Cette réponse, généralement une grandeur physique, est reliée à des caractéristiques du matériau. Une étape d’inversion, souvent complexe, est nécessaire afin de retrouver les caractéristiques initiales du matériau.

Il existe plusieurs possibilités pour l’exploitation des techniques non destructives :
– Travail en combinaison avec d’autre(s) technique(s) non destructive(s) : les mesures non destructives sur une même structure ou un même ouvrage sont souvent combinées pour obtenir un résultat plus fiable.
– Travail en combinaison avec des techniques destructives : les résultats des mesures obtenues avec des méthodes destructives généralement considérées comme des références permettent de recaler ceux obtenus avec la méthode CND.

La procédure d’examen d’un ouvrage par le CND est généralement divisée en grandes étapes :
– Examen de la structure à grande échelle par des méthodes rapides et simples (en particulier un examen visuel).
– Détection et localisation des éventuelles zones particulières où il est nécessaire d’effectuer un diagnostic plus approfondi.
– Traitement de l’ensemble des données par combinaison des résultats issus de différentes méthodes d’auscultation.
– Inversion numérique, analytique ou statistique pour déduire des mesures les paramètres du matériau.

Avantages et inconvénients des techniques destructives

La méthode usuelle pour évaluer des structures en béton armé est d’en prélever des échantillons afin de les caractériser en laboratoire. Les techniques destructives ont de nombreuses limites dans l’évaluation et l’auscultation des bétons et des ouvrages:
❖ Le prélèvement des échantillons peut altérer localement les propriétés du matériau et donc affaiblir la capacité portante de l’ouvrage ou dans certains cas son étanchéité.
❖ Les échantillons ne représentent pas les structures auscultées : les informations sont locales. Elles ne sont valides qu’à l’échelle de l’échantillon et ne peuvent pas représenter la totalité de la structure d’où la nécessité de retirer plusieurs échantillons ce qui va accentuer les phénomènes décrits précédemment. De plus, sans information préalable, le prélèvement peut être réalisé au hasard, probablement dans des zones pas nécessairement représentatives de l’ensemble de la structure. Les grandeurs issues des essais sur échantillon ne peuvent pas être généralisées sans hypothèses supplémentaires.
❖ Désordre possible du matériau suite au prélèvement de l’échantillon : les échantillons sont souvent prélevés de la structure auscultée pour des analyses (mécaniques, physiques ou chimiques) plus approfondies en laboratoire. Mais le prélèvement va probablement modifier l’état de contraintes du matériau et fort probablement sa teneur en eau, le prélèvement se faisant par carottage le plus souvent sous eau. En outre, les essais en laboratoire n’étant effectués, dans la plupart des cas, ni immédiatement ni à proximité de la structure étudiée, il est difficile de garantir que l’échantillon reste intact ou du moins dans le même état hydrique que celui qu’il avait en place.
❖ Les mesures en laboratoire sont généralement longues et coûteuses. Les techniques destructives requièrent en général du temps de préparation et/ou de conditionnement des échantillons. Plusieurs étapes sont nécessaires du prélèvement jusqu’aux essais en laboratoire. Pour diagnostiquer un ouvrage avec une précision suffisante, il faut réaliser une quantité significative de prélèvements. Les frais reliés à des essais destructifs (frais de prélèvement, de transport, de stockage et des essais dans laboratoire) sont souvent plus élevés que ceux d’une campagne d’auscultation non destructive [Naar, 2006].
❖ Dans certains cas il est impossible de prélever les échantillons pour des raisons d’accessibilité ou de sécurité de l’ouvrage (cas des ouvrages de confinement par exemple).

Malgré tout, les techniques destructives présentent des avantages :
➤ Représentativité : le prélèvement d’échantillons dans les structures auscultées permet également de faire des diagnostics complémentaires, donc plus complets, du matériau. En outre les caractérisations en laboratoire avec les techniques classiques sont bien maîtrisées et pour beaucoup d’entre elles normalisées.
➤ Possibilité de multiplier des essais : les échantillons prélevés dans les structures peuvent être stockés pendant une longue période pour effectuer plusieurs essais à différents états du matériau ou pour répéter les mesures.
➤ Exploitation directe des résultats : les essais expérimentaux sur les échantillons prélevés donnent directement les caractéristiques étudiées du matériau contrairement aux contrôles non destructifs, pour lesquels il est difficile de trouver une corrélation empirique entre les mesures non destructives et les paramètres du matériau via une procédure d’inversion.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ETUDE BIBLIOGRAPHIQUE
1.1. INTRODUCTION
1.2. LE CONTROLE NON DESTRUCTIF (CND)
1.2.1. Avantages et inconvénients des techniques destructives
1.2.2. Avantages et inconvénients des techniques de CND
1.2.3. Application des techniques de CND
1.3. LA CORROSION ET LA DURABILITE DU BETON ARME
1.3.1. Le processus de corrosion de l’acier
1.3.2. Causes de la corrosion de l’acier
1.3.2.1 La carbonatation
1.3.2.2 La pénétration des ions chlorure
1.3.2.3 Le rôle majeur de l’eau dans la durabilité du béton et des ouvrages
1.4. LA RESISTIVITE ELECTRIQUE
1.4.1. Définition
1.4.2. Conduction du courant électrique dans les structures en béton armé
1.4.3. Résistivité apparente
1.4.4. Les techniques existantes pour la mesure de résistivité
1.4.4.1. Mesure par transparence
1.4.4.2. Mesure sur site
1.4.5. Paramètres influençant la résistivité du béton
1.4.5.1. Paramètres concernant les propriétés du béton
1.4.5.2. Paramètres liés aux conditions de mesure
1.4.5.3. Résistivité électrique et teneur en eau
1.4.5.4. Résistivité et corrosion des armatures
1.4.6. Exploitation possible des mesures de résistivité
1.5. CONCLUSION
CHAPITRE 2 PROPOSITION D’UNE METHODOLOGIE POUR LA RECHERCHE DU GRADIENT DE LA TENEUR EN EAU DANS LES STRUCTURES EN BETON ARME
2.1. INTRODUCTION
2.2. MESURES DE RESISTIVITE EN SURFACE AVEC LE DISPOSITIF QUADRIPOLAIRE
2.2.1. Bases théoriques
2.2.2. Différentes configurations de mesure avec le dispositif quadripolaire
2.2.3. Caractérisation du gradient de teneur en eau dans le béton par résistivité
2.3. INFLUENCE DE L’ACIER SUR LA MESURE DE RESISTIVITE ELECTRIQUE
2.4. EFFETS DE BORD SUR LA MESURE DE RESISTIVITE EN SURFACE
2.5. PROPOSITION D’UNE NOUVELLE PROCEDURE POUR LA MESURE DE LA RESISTIVITE D’UN BETON AYANT UN GRADIENT DE TENEUR EN EAU
2.5.1. Procédure de mesure proposée
2.5.2. Méthode d’exploitation de la courbe de potentiel
2.5.3. Configuration symétrique
2.5.4. Simulation numérique d’une mesure de résistivité sur un matériau ayant un gradient de résistivité
2.6. ETUDE NUMERIQUE SUR LA TAILLE DU MILIEU AUSCULTE SUR LA RESISTIVITE MESUREE
2.7. ANALYSE NUMERIQUE DES EFFETS DE BORD ET DE L’ACIER SUR LA MESURE DE RESISTIVITE
2.7.1 Effets de bord et des aciers
2.7.2 Modélisation de la configuration Wenner sur des structures en béton armé
2.8. METHODOLOGIE PROPOSEE POUR LA SUITE DE L’ETUDE
CHAPITRE 3 PROCEDURES EXPERIMENTALES
RESUME DU CHAPITRE 3
3.1. INTRODUCTION
3.2. MESURE DE RESISTIVITE DU BETON PAR TRANSMISSION
3.2.1. Introduction
3.2.2. Mode opératoire
3.2.3. Préparation des corps d’épreuve
3.3. TEST DE REPETABILITE
3.4. RESULTAT DE MESURES SUR DALLES EN BETON / BETON ARME
3.4.1. Sur les dalles non carbonatées
3.4.1.1. Résultats sur la dalle non armée
3.4.1.2. Résultats sur la dalle armée
3.4.1.3. Effet de court-circuit sur la dalle armée
3.4.2. Effet de l’état électrochimique de l’acier sur les mesures de résistivité
3.5. CONCLUSION
CHAPITRE 4 ANALYSE NUMERIQUE
RESUME
4.1. INTRODUCTION
4.2. EQUATIONS CONSTITUTIVES DU MODELE NUMERIQUE
4.3. MODELE DE BUTLER-VOLMER
4.3.1. Système électrochimique de la corrosion
4.3.2. La corrosion uniforme
4.4. EXPLOITATION NUMERIQUE DE L’ETUDE EXPERIMENTALE
4.4.1. Description
4.4.2. Mode opératoire
4.4.3. Résultats de simulation
4.4.3.1. Simulation de la dalle non carbonatée à 43 jours
4.4.3.2. Simulation de la dalle non carbonatée à 265 jours
4.4.3.3. Simulation de la dalle carbonatée à l’état saturé (jour 0)
4.5. ETUDE PARAMETRIQUE DES FACTEURS INFLUENÇANT DE L’EFFET DE BORD
4.6. ETUDE SUR L’INFLUENCE DES MAILLES D’ARMATURES
4.6.1. Objectif
4.6.2. Mode opératoire
4.6.3. Résultats
4.7. CONCLUSION
CONCLUSION

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