Stratégies de maintenance d'ouvrages dégradés par carbonatation
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Stratégies de maintenance d'ouvrages dégradés par carbonatation Stratégies de maintenance d'ouvrages dégradés par carbonatation Presentation Transcript

  • Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Stratégies de maintenance d’ouvrages dégradés par carbonatation JOA Sourdun Mercredi 9 et Jeudi 10 mai André Orcesi / Mickaël Thiery IFSTTAR Mercredi 9 mai 2012André Orcesi / Mickaël Thiery
  • Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Carbonatation : couplage chimie- transport • Diffusion du CO2 dans • Réactions chimiques • Corrosion des aciers la zone denrobage hydrates / CO2 - Formation de rouille - Coulées inesthétiques à la surface du béton Modèles physico- - Fissures, épaufrures chimiques - Réduction de la section des Chute pH armatures 13-14 →9 Point de vue des matériaux cimentaires - Réduction de porosité (effet colmatage) - Libération deau Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O  - Influence de lhumidité externe HR (optimum 50%-70%) - humidification / séchageAndré Orcesi / Mickaël Thiery
  • Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Contexte/objectifs de l’étude Acier CO2 Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O 9 13 Carbonaté (pH=9) Sain (pH=13) • Comment déclencher une action de maintenance préventive ? – pour éviter l’apparition de pathologies – pour prolonger la durée d’utilisation de l’ouvragePhénolphtaleine • Réduction de l’impact environnemental via l’utilisation de matériaux de substitution (projet SBRI) – principes d’éco-conception et d’éco-gestion (OR 11L094)André Orcesi / Mickaël Thiery
  • Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Matériaux de substitution • Laitiers de haut fourneau • Cendres volantes Al2Si2O5(OH)4 • Fumées de silice • Métakaolin • Influence sur la carbonatation?André Orcesi / Mickaël Thiery
  • Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Modèle de Papadakis (1989) Depth of carbonation Carbonatation partielle (9<pH<12) XC Hypothèses - Front de carbonatation raide CO2 (réactions chimiques à léquilibre) - Diffusion du CO2 à travers un milieu CO2 complètement carbonaté - Etat hydrique uniforme et stabilisé Fully-carbonated area Non-carbonated areaInconvénients- Les cycles dhumidification séchage ne sont paspris en compte- Front de carbonatation raideAvantages- Relation analytique- XC est cohérente avec la profondeur mesurée par projection de phénolphtaléineAndré Orcesi / Mickaël Thiery
  • Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Influence des cycles d’humidification- séchage -Optimum de carbonatation HR 50-70 % CO2 cannot be dissolved Water inhibits the CO2-diffusion - Un niveau plus élevé de sécurité doit être assuré : ■ pour un environnement à HR modérée (50-70%) ■ pour un environnement avec des cycles dhumidification-séchage entre HR=100% et une humidité intermédiaire - Nécessité de disposer de modèles capables de prendre en compte les transferts hydriques, les variations climatiques et le rôle de HR sur la cinétique de carbonatationAndré Orcesi / Mickaël Thiery
  • Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Modèle de Bakker Hypothèses Drying-wetting cycles - Le séchage progresse plus vite que la not taken into account max. depth of drying carbonatation -Le front de carbonatation est raide : -XC=a √t Depth of - Humidification instantanée (absorption) carbo. XC (tw = durée de chaque phase Depth of dhumidification) drying Xd - La carbonatation est stoppée quand le td tw béton est humide - Cinétique de séchage : Xd=d√t (td = durée de la période de séchage)- Choix dune humidité relative seuil au delà de laquelle la carbonatation estbloquée HRlim=80 %André Orcesi / Mickaël Thiery
  • Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Caractéristiques des béton C1 C2 C3 COV Béton C35/45 C35/45 C50/60 (%) C [kg.m−3] 300 223 350 FA [kg.m−3] 95 80 w/b [-] 0.62 0.52 0.36 Rc28 [MPa] 41 48 58 Ф[%] 14.4 13.9 11.5 6.5% -log(Kl) [m2] 19.5 19.9 20.2 3% n0 [mol.L−1] 1.25 0.91 0.72 10% λ [-] & μ [-] 9.5/0.45 8.2-0.44 7.5/0.44 10%André Orcesi / Mickaël Thiery
  • Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Caractéristiques des mortiers Mortier M1 M2 M3 COV (%) C [kg.m−3] 492 757 528 FA [kg.m−3] 160 w/b [-] 0.38 0.34 0.67 Rc28 [MPa] - ++ + Qualité + - ++ environnementale Ф[%] 20.1 18.3 16.1 6.5% -log(Kl) [m2] 18.5 18.8 19.5 3% n0 [mol.L−1] 1.85 2.31 1.05 10% λ [-] & μ [-] 12.1/0.44 8.1/0.48 3.8/0.5 10%André Orcesi / Mickaël Thiery
  • Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Indicateurs de performance - bétons Marge de sécurité M = e-xc • Méthode probabiliste 5  État limite C1 C2 4 R≥S C3 Indice de fiabilité β  Variables aléatoires 3 2 βlim=1.0 1 σR R ~ Loi (µR;σR) S ~ Loi (µS;σS) 0 0 20 40 60 80 100 Temps (années) 3 C1 µR 2.5 C2 C3 Indice de fiabilité β  Calcul probabiliste 2 β = f(P(R ≥ S)) ≥ βlim 1.5 βlim=1.0 1 0.5 0 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5André Orcesi / Mickaël Thiery Enrobage e (cm)
  • Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Indicateurs de performance - mortiers • Méthode probabiliste  État limite R≥S  Variables aléatoires σR R ~ Loi (µR;σR) S ~ Loi (µS;σS) Marge de sécurité M = e-xc 5 M1 M2 4 M3 Indice de fiabilité β µR 3  Calcul probabiliste 2 β = f(P(R ≥ S)) ≥ βlim 1 0 0 20 40 60 80 100 Temps (années)André Orcesi / Mickaël Thiery
  • Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Prise en compte des instants d’inspection • Marge d’évènement H = γe-xc – H ≤ 0 si seuil atteint, – H > 0 si seuil non atteint P( H ≤ 0 ∩ H0 ≤ 0 ∩ M0,0 (t) ≤ 0) - P( (H ≤ 0) ∩ (M(t) ≤ 0) ) - P( H ≤ 0 ∩ H0 > 0 ∩ M0,1(t) ≤ 0) + P (M(t) ≤ 0) P( H > 0 ∩ H1 ≤ 0 ∩ M1,0(t) ≤ 0) - Seuil atteint, P( (H > 0) ∩ (M (t) ≤ 0) ) - + Seuil non atteint 1 + P( H > 0 ∩ H1 > 0 ∩ M1,1(t) ≤ 0) + Temps ti1 ti2 ti3André Orcesi / Mickaël Thiery
  • Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Utilisation d’arbres d’évènements 0 ≤ t ≤ ti1: Pf (t) = P (M(t) ≤ 0) 3.5 M1 Instants 3 M2 dinspection aux années 70 et 90 M3 ti1 < t ≤ ti2: Pf (t) = P( (H ≤ 0) ∩ (M(t) ≤ 0) ) Indice de fiabilité β 2.5 C2 + P( (H > 0) ∩ (M1(t) ≤ 0) ) βmin 2 C1 1.5 ti2 < t ≤ ti3: Pf (t) = P( H ≤ 0 ∩ H0 ≤ 0 ∩ M0,0 (t) ≤ 0) + P( H ≤ 0 ∩ H0 > 0 ∩ M0,1(t) ≤ 0) 1 βmin + P( H > 0 ∩ H1 ≤ 0 ∩ M1,0(t) ≤ 0) 0.5 + P( H > 0 ∩ H1 > 0 ∩ M1,1(t) ≤ 0) 30 40 50 60 70 80 90 100 Temps (années)André Orcesi / Mickaël Thiery
  • Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Analyse économique N CI0 • Coût des inspections CI = ∑ ti i=1 (1+ r ) Objectif: Minimiser CI+CR N 0 piCR • Coût des actions de maintenance CR = ∑ ti i=1 (1+ r ) - - + - Seuil atteint, - + Seuil non atteint + + Temps ti1 ti2 ti3André Orcesi / Mickaël Thiery
  • Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Cas d’étude • Ouvrages de la famille A (Projet européen SBRI) – Longueur/largeur du tablier: 160 m / 12 m • Diagnostic de durabilité – 8 détermination de profondeurs de carbonatation : 8x250 = 1600 € – 1 location de moyen daccès : 250 € – Relevé des enrobages pour chaque partie douvrage (1 pile, 1 culée, tablier) : 3X300 = 900€ – 1 synthèse : 1000 € • Rechargement en mortier – Mortier M1: 227€/m2 – Mortier M2: 227€/m2 ×757/492 – Mortier M3: 227€/m2 ×528/492André Orcesi / Mickaël Thiery
  • Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Résultats • Recherche de : – la qualité de mortier – le premier instant pour effectuer un diagnostic – l’intervalle entre chaque diagnostic 1.5 30 - 20 1.4 M3 M3 50 - 20 1.2 Optimum 20 - 20 Indice de fiabilité β Indice de fiabilité β 1 40 - 20 60 - 20 0.8 M2 0.6 1 0.4 M1 70 - 10 M1 0.2 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 Cins+repair (€) 5 x 10 Cins+repair (€) x 10 5André Orcesi / Mickaël Thiery
  • Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Conclusions/perspectives • Outil d’optimisation et d’organisation des programmes de maintenance préventive • Approche probabiliste • Perspectives: – utilisation d’autres matériaux de substitution – analyse économique à approfondir (recueil de données,…) – étude de sensibilité du modèle (différentes familles de béton, de techniques de réparation, de classes d’environnement)André Orcesi / Mickaël Thiery
  • Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012 Merci pour votre attentionAndré Orcesi / Mickaël Thiery