La contamination du béton par les chlorures avec la technique radar

La carbonatation du béton d’enrobage

   La carbonatation du béton d’enrobage est amorcée par la pénétration, à travers les fissures et la porosité, du dioxyde de carbone présent dans l’air. Lorsque le béton est placé dans un environnement avec une humidité relative autour de 65%, la cinétique des réactions de carbonatation est maximale. Le dioxyde de carbone va alors réagir avec les différents types d’hydrates présents dans le béton et spécialement avec la portlandite pour former du carbonate de calcium. Ce phénomène entraine une diminution du pH de la solution interstitielle du béton, jusqu’à des valeurs où la couche passivante (protectrice) des armatures devienne instable. À partir de là, et lorsque les conditions le permettent (présence d’oxygène et humidité suffisante), les processus de corrosions se déclenchent (§II.4.2).

Les conséquences des cycles de gel-dégel

   Dans les régions froides ou en altitude, les gestionnaires d’ouvrage sont souvent confrontés aux conséquences des cycles de gel-dégel sur la durabilité des bétons. Les structures en béton armé construites dans ces régions sont les plus exposées aux mécanismes de dégradation liés à la cristallisation de l’eau dans les pores capillaires. De plus, ce phénomène de cycle de geldégel est amplifié par l’utilisation fréquente de sels de déverglaçage sur les routes et tabliers de ponts [6]. Ainsi, la répétition des cycles de gel-dégel provoque des contraintes à l’intérieur du béton pouvant aller jusqu’à la création des macro-fissures sur la surface du béton. Ce phénomène va accentuer l’effet des sels de déverglaçage et leur conséquence sur la corrosion des armatures et des câbles de précontraintes (§II.1.1).

Les conséquences de la présence d’eau et des ions chlorures dans les milieux poreux 

  Nous avons vu au paragraphe (§II.1.1) que les chlorures migraient dans le béton par diffusion lorsque le béton est suffisamment saturé en eau. On sait aussi que si le béton est partiellement saturé ou soumis à des cycles de séchage/humidification, les chlorures (libres) migrent avec la phase liquide par capillarité [5]. C’est souvent le phénomène qui se produit sur les structures en béton exposées à un environnement marin ou en présence de sels de déverglaçage. Dans ce genre de configuration, il est donc facile de comprendre que l’eau libre présente à l’intérieur des pores capillaires du béton va jouer le rôle de transport, de « véhicule », pour les ions chlorures afin de migrer au cœur du béton. La présence de l’eau à l’intérieur des pores capillaires du béton est donc un paramètre important vis à vis à la durabilité des ouvrages en béton. Car, dans la plupart des cas, elle est un élément fondamental voire nécessaire à l’application et au développement de certaines pathologies. Par conséquent, on sait aujourd’hui que :
• Dans la plupart des cas, la pénétration des chlorures libres au cœur du béton n’est possible que lorsqu’on est en présence d’eau ;
• Une humidité relative interne de 65 % favorise la pénétration et l’activité du CO2 dans le béton ;
• Le béton sec résiste naturellement aux cycles de gel-dégel sans précautions particulières et les risques de dégradations n’existent que lorsque le béton est dans un état de saturation supérieur ou égal à 80 %.
L’eau étant donc un paramètre clé à évaluer dans les processus de dégradation du béton. L’utilisation d’une technique non destructive comme moyens d’investigations afin d’évaluer ce paramètre présente donc un intérêt majeur vis à vis à la durabilité des ouvrages en béton. Mais tout d’abord, nous allons commencer par voir les différentes méthodes qui permettent de caractériser les pathologies liées à la présence d’eau et aux ions chlorures dans les ouvrages en béton.

Conclusion générale

   Bien que les échanges entre les ouvrages en béton et leur environnement extérieur conduisent généralement à des détériorations irréversibles, les mécanismes qui permettent d’initier ces détériorations ne se déclenchent que lorsque le béton est suffisamment saturé en eau. Et dans la plupart des cas, ces détériorations sont fortement sollicitées par la présence des ions chlorure dans la solution interstitielle du béton. Cependant, il s’avère que l’augmentation de l’eau libre et des ions chlorure dans la porosité du béton atténue fortement la propagation des ondes EM. L’utilisation de la méthode GPR est donc judicieuse ici car elle permet une estimation de ces deux grandeurs clés, l’eau libre et les ions chlorure, par la mesure de la vitesse de propagation et de l’atténuation de l’onde EM. Dans ce manuscrit, nous avons donc considéré dans un premier temps différents types de conditionnements et différents modes de contaminations sur plusieurs séries d’échantillons de béton S0, S1, S1.2, S2 et S3. Ces séries de béton, préparées avec la même formulation et réalisées avec un seul gâchage de béton, subissent alors une cure humide de 28 jours suivie d’un séchage de deux mois dans une étuve réglée à 80°C jusqu’à stabilisation de la masse. Cette étape est nécessaire pour la préparation des échantillons de béton à la contamination. À chaque série d’échantillons de béton est alors associé un mode de contamination donné :
– La série S0 non contaminée par les chlorures
– Une contamination homogène de la solution saline sur les séries S1 et S1.2 ;
– Une contamination par gradient de teneur en chlorure sur la série S2 ;
– Et une contamination par introduction de 30g/L de NaCl dans l’eau de gâchage pour la série S3.
Aussi, pour certains modes de contamination, contamination homogène par exemple, les échantillons subissent une homogénéisation dans l’étuve à 80°C dont la durée est égale à celle du premier séchage. Cette condition permet d’obtenir une répartition homogène de la solution saline à l’intérieur de la porosité du béton. Des mesures radar sont aussitôt effectuées lorsque les séries d’échantillons de béton atteignent les degrés de saturation suivants :
– 0%, 50% et 100% pour les séries (S0), S1, S1.2 et S3.
– 0%, 25%, 50%, 75% et 100% pour la série S2.
D’autre part, nous avons vu que l’étude de la vitesse de propagation et de l’atténuation du signal EM a nécessité d’introduire deux méthodes, de mesure de vitesse, la méthode fixedoffset et la méthode en transmission. Aussi, dans ce processus nous avons vu qu’en prenant comme valeurs de référence les mesures en transmission, il a été possible de proposer une méthodologie de traitement de mesure à partir des signaux réfléchis sur le fond de la dalle obtenus par la méthode fixed-offset. Cette nouvelle méthodologie fait donc intervenir un nouveau mode de détermination de l’écart de temps, delta t, estimé entre le deuxième pic de l’onde directe et le premier pic de l’onde réfléchie. Par ailleurs, l’étude de la propagation des ondes EM des différentes séries d’échantillons de béton a montré que l’onde EM est à la fois sensible à la présence d’eau dans la porosité du béton et aux ions chlorures présents dans la solution interstitielle. Les analyses ont montré que la vitesse de propagation d’une onde EM est uniquement influencée par la teneur en eau, et cela quel que soit le mode de contamination du béton. Cependant, les résultats ont aussi montré que l’atténuation du signal EM est à la fois fortement influencée par la teneur en eau et par la teneur en chlorure libres. Toutefois, nous avons vu que l’atténuation de l’onde réfléchie est plus influencée que celle de l’onde directe. De plus, à partir des mesures de la série S2, nous avons vu que l’amplitude normalisée de l’onde directe semble être sensible à la présence d’un gradient de distribution de la solution interstitielle à l’intérieur de l’échantillon de béton.

Table des matières

Chapitre I : Introduction
I. Introduction
I.1 Préambule
I.2 Objectifs et plan de thèse
I.3 Références
Chapitre II : Bibliographie
II. Pathologies des ouvrages en béton et méthodes d’auscultation
II.1 Les différents types de dégradations observées sur les ouvrages en béton de Génie Civil
II.1.1 Les phénomènes responsables de la corrosion des armatures
II.1.2 Les conséquences des cycles de gel-dégel
II.1.3 L’action des eaux agressives sur les structures en béton
II.2 Les conséquences de la présence d’eau et des ions chlorures dans les milieux poreux
II.2.1 Processus de corrosion des aciers dans ouvrages en béton
II.2.2 Généralité sur les méthodes d’évaluation de la teneur en chlorure
II.3 Les méthodes de contrôle non destructif (CND) des structures en béton
II.4 Notions théoriques sur la propagation des ondes électromagnétisme (EM)
II.4.1 Définition d’une onde électromagnétique (EM)
II.4.2 Propagation des ondes électromagnétiques dans le vide
II.4.3 Propagation des ondes électromagnétique dans un milieu matériel
II.4.4 Réflexion et transmission des ondes électromagnétiques à l’interface de deux milieux
II.5 Phénomènes d’atténuation dans les milieux matériels
II.5.1 Atténuation par diffusion
II.5.2 Atténuation géométrique
II.6 Propriétés électromagnétiques des bétons
II.6.1 Conductivité électrique
II.6.2 Permittivité diélectrique, phénomène de polarisation électrique
II.6.3 Permittivité diélectrique et conductivité électrique effectives
II.6.4 Perméabilité magnétique
II.7 Le Radar GPR et ses applications usuelles en génie civil
II.7.1 Le radar GPR
II.7.2 Calibration du radar GPR
II.7.3 Les dispositifs de rayonnement d’une onde électromagnétique
II.7.4 Les applications usuelles en Génie Civil
II.8 Utilisation des ondes EM pour la caractérisation d’un béton contaminé ou sain
II.8.1 Sensibilité des ondes EM en présence d’eau et des ions chlorures
II.8.2 Propagation des ondes EM dans le béton
II.9 Conclusion
II.10 Références
Chapitre III : Procédures expérimentales
III Etudes expérimentales : Procédures techniques
III.1 Matériaux et préparations
III.2 Les méthodes de conditionnements et de contaminations
III.2.1 Répartition homogène de la solution saline : Séries d’échantillons S1, S1.2 et S0
III.2.2 Gradient de teneur en chlorure : Série d’échantillons S2
III.2.3 Introduction des chlorures dans l’eau de gâchage : Série d’échantillons S3
III.2.4 Exposition à des embruns salins intermittents : Série d’échantillons S4
III.3 Les différents modes de conditionnement
III.4 Moyens de mesure
III.4.1 Méthode de mesure de vitesse en transmission
III.4.2 Méthode de mesure de vitesse en « fixed-offset »
III.4.3 Vitesses des ondes réfléchies sur le fond des échantillons
III.5 Calcul de l’atténuation du signal EM : amplitudes normalisées
III.6 Méthode de dosage en chlorure
III.6.1 Mode d’échantillonnage
III.6.2 Préparation des solutions pour les dosages en chlorure
III.6.3 Résultats du dosage en chlorure
III.7 Porosité et masse volumique apparente
III.8 Méthode de mesure de la permittivité diélectrique
III.8.1 Présentation de la sonde coaxiale
III.8.2 Exemple de résultats de la sonde coaxiale
III.9 Conclusion
III.10 Références
Chapitre IV : Résultats et analyses
IV. Résultats et analyses
IV.1 Séries d’échantillons S0, S1 et S1.2
IV.1.1 Les signaux radar
IV.1.2 Vitesses de propagation : Séries S0, S1 et S1.2
IV.1.3 Amplitudes radar : Séries S0, S1 et S1.2
IV.2 Séries d’échantillons S2 (S0 et S1)
IV.2.1 Vitesses de propagation : Série S2 (S0 et S1)
IV.2.2 Amplitudes radar : Série S2 (S0 et S1)
IV.3 Séries d’échantillons S3 (S0, S1 et S2)
IV.3.1 Vitesses de propagation : Série S3
IV.3.2 Amplitudes radar : Série S3 (S0, S1 et S2)
IV.4 Comparaison des résultats pour toutes les séries d’échantillons
IV.4.1 Comparaison des vitesses de propagations de toutes les séries d’échantillons
IV.4.2 Comparaison des amplitudes normalisées de toutes les séries d’échantillons
IV.5 Proposition d’un modèle à deux variables
IV.5.1 Vitesse de propagation : Séries S1, S2 et S1.2
IV.5.2 Amplitude normalisée d’onde directe : Séries S1, S2 et S1.2
IV.6 Analyses fréquentielles des signaux radar
IV.6.1 Analyse fréquentielle des séries d’échantillons S0, S1 et S1.2
IV.7 Conclusion
IV.8 Références
Chapitre V : Modèles de permittivité
V. Modèles de permittivité diélectrique
V.1 Introduction
V.2 Les modèles
V.2.1 Modèles volumiques
V.2.2 Modèle géométrique
V.2.3 Modèle d’homogénéisation
V.3 Données d’entrée des modèles
V.4 Valeurs mesurées
V.5 Résultats
V.5.1 Simulation d’un béton sain
V.5.2 Simulation pour un béton contaminé à 30 g/L de NaCl
V.5.3 Simulation pour un béton contaminé à 120 g/L de NaCl
V.6 Conclusion
V.7 Références
Chapitre VI : Conclusion générale
VI.1 Conclusion générale
VI.2 Perspective
Annexes

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