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Summary of diagnostic methods and repair approaches of reinforced concrete structures with FRP design, in French
Typology: Summaries
Uploaded on 10/03/2021
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Institut des Sciences Appliquées et Économiques - Université libanaise
ISAE – Cnam Liban
Centre du Liban associé au Conservatoire national des arts et métiers – Paris
‘Information et communication pour l'ingénieur Génie Civil’ –ENG 222
Candidat : Joseph Abou Zeid Numéro du dossier : 8254 f
Introduction Durant la conception et la construction d’un ouvrage de génie civil, un des points du cahier des charges est la durée d’utilisation de cet ouvrage. La durabilité des ouvrages en béton armé, qui peut être définie comme étant leur capacité d’assurer la tenue en service prévue, est une caractéristique très importante, car c’est la garantie d’une sécurité et d’une durée de services accrus de ces ouvrages. Cette durabilité assure également une économie considérable sur le long terme, car de tels ouvrages nécessiteront peu ou pas de réparations, économisant ainsi les coûts de réparation, qui peuvent être très élevés, et peuvent même dépasser les coûts initiaux de construction.
Ces ouvrages sont nécessaires au bon fonctionnement de notre société, car ce sont des éléments facilitant ou améliorant la vie des usagers. Pour leur permettre de remplir leur rôle, il est nécessaire de s'assurer de leur bon état et dans le cas contraire les réparer. Il est nécessaire que les structures en béton armé soient capables de reprendre les efforts qui leur sont appliqués tout au long de leur vie. Cependant les ouvrages subissent des altérations dues au temps mais aussi à l’environnement auquel ils sont exposés.
C'est dans ce contexte que s'inscrit le diagnostic d'un ouvrage. À partir du moment où des pathologies apparaissent, même si cela ne remet pas en cause la stabilité de l'ouvrage, il est important de diagnostiquer d'une part leurs causes, mais leurs ampleurs.
Une fois les causes et les pathologies sont diagnostiquées, il est nécessaire de prévoir une réhabilitation pour rétablir les caractéristiques physiques et mécaniques initiales de la structure. En outre, pour retarder ou limiter des pathologies similaires, il est possible de protéger la structure par différents moyens, selon les différentes pathologies et la durée de pérennisation espérée.
Ces expertises se développent de plus en plus au Liban, notamment du fait d'une volonté des pouvoirs politiques syndicales et des ingénieurs, de s'inscrire dans un schéma de développement durable, à savoir, pérennisé l'existant et blanchir leur réputation après que plusieurs bâtiments dysfonctions et dangereux sont effondrés sous l’attention des médias dans différentes régions du pays. Ce qui a stimulé la conscience du public et des usagers et les a poussé à consulter des experts ingénieurs pour diagnostiquer leurs propres maisons, bureaux, hôpitaux…
Dans cette optique, on tend à concentrer cette recherche sur les méthodes de restauration et de protection des ouvrages en béton armé. Dans un premier temps, on présentera une rémunération et une description restreintes des pathologies du béton les plus courantes, ce qui montrera la nécessité des travaux de réparation, ensuite on discutera la détection des problèmes, en exposant les modes et types d’investigations et diagnostiques de ces pathologies.
On s’intéressera le plus aux méthodes de réparation, leurs historiques, techniques d’application, domaines d’action et différents matériaux utilisés. D’ailleurs, ça sera cultivant de comparer quelques méthodes de point de vue efficacité et usage au Liban. Pour finir, on montrera l’importance de protéger les ouvrages contre futures pathologies, et les différentes méthodes et matériaux nécessaires pour assurer cette protection.
Le phénomène d’alcali-réaction est le résultat des réactions internes au béton, les alcalins solubles dans la solution interstitielle (oxydes de sodium Na 2 O et oxyde de potassium K 2 O) réagissent avec de la silice généralement présente dans les granulats.
Les ouvrages les plus exposées à l’humidité sont souvant victime de l’alcali-réaction. La formation d’un gel gonflant provoque, à l’intérieur du béton, des déformations et de microfissures. Les contraintes de ce gonflement engendrent un décollement entre la pâte et les granulats et donc de microfissures, si elles dépassent la résistance en traction du béton, ce qui se traduit en surface par des fissurations suivant la direction des armatures.
Défauts dès la construction et leurs origines possibles :
Bullage : Coffrage inadapté, vibration inadaptée. Nids de cailloux : Vibration inadaptée, ferraillage dense, hauteur de chute du béton trop élevée. Fuites de laitance : Mauvaise étanchéité des coffrages et des joints. Variations de teinte : Ragréages, impuretés. Pommelages : variation de densité entre gravillons et autre constituants, variations du taux d’hydratation du ciment en surface. Fissures de retrait : retrait différentiel, dessiccation en surface.
Défauts dus à l’environnement et leurs origines possibles :
Epaufrures : Choc. Recouvrements biologiques : température, humidité, luminosité. Aspect grenu : érosion éolienne, pluies.
Défauts de circulation des eaux et leurs origines possibles:
Efflorescences : béton poreux soumis à l’humidité. Suintement : mauvaise évacuation des eaux.
Fissures de flexions : Lorsque les armatures sont soumises à des contraintes de tension, elles s'étendent. Le béton autour des barres d'armature est par conséquent soumis à des contraintes de tension. Lorsque la résistance à la traction du béton est atteinte des fissures transversales peuvent apparaître près des barres d'armature.
Fissures de cisaillement :
Famille Lésions Types
Physique
Humidité Capillaire/De filtrage/De condensation/Accidentelle/De travaux Saleté Par dépôt / Par nettoyage différentiel Erosion Météorologique
Mécanique
Déformations Tassement/Effondrement/Flambement/Gauchissement/Flèche Fissures Par charge / Par dilatation - contraction Fissures superficielles Par support / Par finition
Détachements Finitions continues / Finitions par éléments Erosion Coups / Frottements
Chimique
Efflorescence Sels solubles cristallisés/Réaction chimique avec les sels Oxydation Oxidation superficielle
Corrosion Oxydation préalable/Immersion/Aération différentielle/Paire galvanique Organismes Présence et attaque d'animaux/Présence de plante Erosion Pollution Tableau 1: Classification générale des pathologies liées au bâtiment (Source J. Monjo- Carrio, 2011)
L'étude de ces pathologies constitue une étape majeure dans le processus de la réhabilitation-que nous aborderons en aval- notamment au stade de l'élaboration du diagnostic, étape déterminante dans la définition des interventions à mener sur le bâtiment.
L’évaluation du béton n'est pas limitée aux études de son état physique, ses propriétés mécaniques, sa composition chimique, et ses manifestations extérieures. Souvent, l’origine d'un problème de béton est lié à un état de service ou d'exposition.
Le tableau ci-dessous présente certaines des conditions à prendre en considération lors de l'analyse comportement du béton :
Type du problème de Température d'Humidité Chimiques de Chargement
Conditions
Haute-Basse
Taux d'humidité relative
Type: éléments, produits… Dynamique
Fréquence
Type de contact: immersion, écoulement
Concentration Statique
Duration Fréquence état: gazeux, liquide, solide Impact
Cycles de gel- dégel Duration Fréquence Vibration
Exposition au soleil Duration État: gazeux, liquide, solide Protection aux jeunes âges? Grandeur/Ampleur
Fréquence Duration Tableau 2: Le catalogue des conditions de service et d’exposition
Deux catégories d’investigations se présentent : les méthodes non destructives et les méthodes destructives.
Ces méthodes permettent d'analyser la structure sans porter atteinte à son intégrité. Ceci est à privilégier dans différentes structures, tels que les monuments ou bâtiments historiques, où il est difficile de pouvoir prendre des échantillons de la structure pour la caractériser. Ces méthodes sont également en faveur dans le cas où la structure est atteinte et affaibli, l'échantillonnage de ce type de structure pourrait l’affaiblir davantage.
Toute enquête approfondie commence par un examen visuel des conditions. Les principaux indices de problèmes à distinguer sont :
Fissuration et craquelures. Détresse de surface : Effritement, désagrégation, surface alvéolaire, écaillage Fuite d'eau : Humidité de la surface, infiltration ou fuite à travers les joints et les fissures. Mouvements : Déflexion, soulèvement, affaissement. Corrosion de l’acier : Taches de rouille, câbles de post-tension exposés, aciers exposés. Autres indices: Cloquage des membranes et revêtements, accumulation d'eau, décoloration. Ce relevé permettra de :
Qualifier les désordres, car chaque type a une origine et des conséquences particulières. Déterminer les caractéristiques d'une pathologie et savoir quelle sorte de traitement sera nécessaire afin d’arrêter le phénomène. Quantifier les désordres, car selon son ampleur, des méthodes de réparation plus ou moins lourdes seront à envisager. Localiser les désordres afin de pouvoir déterminer son origine et ainsi agir à la source du problème.
Quelques outils à utiliser pour une enquête visuelle :
Appareil photo Mètre Distancemètre Pied à coulisse Fissuromètre
Figure 1 : JAUGE GINGER CEBTP - FISSUROMETRE DIGITAL
L'auscultation sonique consiste à mesurer le temps de diffusion d'une impulsion ultrasonore entre un émetteur et un récepteur. L'appareil contenant des matériaux piézoélectriques, transforme l'énergie électrique émise en énergie mécanique ultrasonore, puis il mesure la durée nécessaire à l'onde pour atteindre le récepteur qui la reconvertit en signal électrique.
Connaissant la distance entre l'émetteur et le récepteur, la vitesse de l'impulsion peut être déterminée. En général, plus le béton est dense et fort, plus la vitesse de l'impulsion est importante.
Ce procédé permet de vérifier l'homogénéité du béton, de détecter les fissures et les vides dans le béton, de contrôler la qualité du béton en comparant les résultats à un béton similaire, de détecter l'état de détérioration du béton, de détecter la profondeur d'une fissure de surface, et de déterminer la résistance à la compression du béton.
Pour tester le béton, le contact entre le béton et l'émetteur et le récepteur est réalisé avec un agent de couplage tel qu'une gelée de pétrole.
Le tableau suivant donne les résultats d'essais obtenus par le CEBTP sur l'auscultation sonique des bétons :
Vitesse de propagation du son Qualitéestimée du béton
V > 4000 m/s le béton est de bonne qualité et homogène
3500 < V < 4000 m/s le béton est de qualité moyenne
3000 < V < 3500 m/s le béton est de qualité médiocre
V < 3000 m/s le béton est de mauvaise qualité
Tableau 3: Résultats d'essais d'auscultation sonique des bétons-(CEBTP)
Un autre usage important de cette technique est l'évaluation non destructive des fissures qui sont été remplis avec de l'époxy. Les lectures prises le long de la fissure réparée sont comparées à celles de la section non fissurée. Une fissure bien réparée affiche une vitesse de transit égal à celui de la section non fissuré. De plus, selon l’ASTM, Il existe une corrélation entre la vitesse d'impulsion et la résistance à la compression du béton, généralement ± 20%.
L’essai sclérométrique se base sur la proportionnalité entre la dureté et la contraint de compression du béton. Pour mesurer la dureté du béton, un piston à ressort frappe la surface de la structure, provoquant un rebond du mécanisme, et entrainant un index glissant sur une règle. Plus le rebond est important, plus le matériau est dur.
Selon l’ASTM, Il convient de réaliser dix essais sur l'élément, afin d'obtenir un résultat cohérent. L'indice sclérométrique Is de l'élément testé est la médiane des 10 mesures effectuées, par report sur un abaque considéré. À savoir, les résultats peuvent être affectés par différents paramètres, tels que la résistance à la compression estimée de l'élément, l'inclinaison du scléromètre ou l'homogénéité du béton.
Figure 3: Scléromètre à béton W-M-250 de James
Le relevé du ferraillage peut se faire à l'aide d'un pachomètre de type Ferro scan. Cet appareil est un système de détection portable pour un examen d'armatures non destructif. Il permet de déterminer le positon exact des barres d'armatures, de mesurer l'enrobage et de donner une indication du diamètre de l'armature.
L’appareil émet un flux magnétique, le pachomètre détecte la diffusion de ce champ et la variation électromagnétique qui est causée par la présence des armatures.
Le diamètre des armatures est déterminé par le fait que plus le diamètre d’une armature augmente, plus le signal reçu par l’appareil sera important. Alors que, plus l'épaisseur d'enrobage sera importante, plus le signal s’affaiblit. Pour cela, la profondeur de mesure du pachomètre est limitée (généralement de l'ordre de 10 à 15 centimètres selon le type de bétons et le type d'armatures).
Figure 4: détection par fenêtres et résultats
Pour déterminer la profondeur de la carbonatation, une surface de béton frais doit être exposée. Cela peut être fait par carottage de la surface et diviser la carotte avec un marteau et un burin. La position de la limite de carbonatation est mesurée par pulvérisation de la surface du béton avec un indicateur à base acide qui change de couleur à un pH d'environ 10, ce qui indique la limite entre la partie carbonaté et la zone non carbonatée. L'indicateur le plus couramment utilisé à cette fin est une solution de phénolphtaléine, qui colore le béton d'un rouge intense (rose) à des valeurs de pH supérieur à 10 et incolore à des valeurs de pH inférieur à 10.
Il sera intéressant de comparer les mesures de profondeur de carbonatation avec l’enrobage donné par un pachomètre. Après plusieurs mesures, on obtenir une telle courbe:
Figure 5: Graphique enrobage-carbonatation
Le pourcentage des armatures non protégées est l’abscisse du point d'intersection de la courbe d'enrobage avec celle de carbonatation.
On se permet de conclure l’importance de l’étape diagnostic grâce à la valeur des données qu’on peut récupérer par les méthodes énumérées ci-dessus.
Mais surtout, c’est l'étape qui permettra l’implémentation des méthodes de réparation les plus convenables et l'évaluation des causes de ces problèmes.
Ces causes peuvent être tout simplement le vieillissement naturel de la structure, mais cela peut aussi être à cause de l'environnement alentours. Afin de conserver les réparations et les rendre durables, il est nécessaire de réaliser des travaux de protection adaptés, pour d'éviter l'apparition rapide de nouvelles pathologies semblables.
Chapitre 3. Réparation des ouvrages en béton armé
Suite à un propre diagnostic, les procédés de réparation d'un ouvrage ne viennent pas seulement ramener les sections d'origine de l'acier et du béton, mais aussi rétablir les caractéristiques mécaniques des différents éléments concernés. C'est-à-dire remettre la possibilité à la structure de reprendre au mieux les efforts qui lui sont appliqués.
La préparation des surfaces à réparer est très importante pour la longueur de vie des réparations. Il convient dans un premier temps de dégager toutes les zones de faible cohésion.
S'il y a corrosion des armatures, il est important de dégager les aciers corrodés pour arriver à une zone saine apparaisse ; plusieurs techniques sont valables pour vérifier qu’on atteint des zones sous corrosion (burinage, repiquage, bouchardage, jet d’eau, sablage). Pour être sûr d’une bonne réparation, il est d'usage d'obtenir un dégagement comme le montre le schéma suivant selon AFNOR :
Figure 6: Dégagement des armatures selon la norme NF P 95.
Il faut ensuite nettoyer la surface du béton afin d'enlever toute trace de poussière et souillure. Si la perte de section de l'acier est très élevée, il est alors nécessaire de remplacer l'armature ; par scellement ou soudure.
Il est important qu'après cette opération, de respecter la section d’armatures (au moins égale à la section initiale), les longueurs d'ancrage et de recouvrement, et les armatures de couture.
Pour limiter les risques d'apparition de la corrosion, une protection immédiate des armatures, par un produit convenablement choisi, est nécessaire surtout si l’enrobage final ne pourra pas être de la même valeur prévue dans les règlements.
Il est possible, après cette étape, de commencer la réparation.
Lorsque les surfaces de béton à réparer sont importantes, la méthode du béton projeté est une option souvent utilisée. Puisque ce type de réparation est relativement rapide à mettre en œuvre, mais nécessite du matériel particulier.
Projeté avec une force assez importante, le béton se place et se compacte au même instant, ce qui le diffère du béton conventionnellement coulé et ensuite vibré. Ce procédé permet de produire un béton plus dense, homogène et imperméable, ayant une surépaisseur moins poreuse, plus durable et peu sensible aux attaques chimiques.
La résistance en compression du béton projeté a, selon la norme NBN EN 14487-1, un minimum de 40 Mpa. Un mélange soigneusement réalisé, permet l'application de ce béton sur toutes les surface même les surfaces verticales et en surplomb.
Il existe principalement deux techniques de projection du béton suivant le moment d'introduction de l'eau de gâchage dans la chaine. En projetant par voie humide, le béton gâché est pompé jusqu'à la lance, alors que par voie sèche le mélange de ciment et de granulats, sans l'eau, est propulsé par de l'air comprimé, l'eau s’ajoute en bout de lance.
Différentes méthodes vont présenter de différents résultats. Par voie sèche, le rapport E/C est évidement plus faible, on obtiendra alors une résistance plus élevée que par voie humide. Mais on aura un dégagement de poussière plus important et un risque de détérioration d'un support fragile.
Figure 8: projection par voie humide
Avantage : Ici Le contrôle de la qualité est simple, puisque l'on utilise un béton conventionnel (le dosage des constituants du mélange est connu) Désavantage : Ici le procédé ne peut être arrêté, car le mélange eau-ciment est préalable.
Figure 9: projection par voie sèche
Avantages : Ce procédé peut être arrêté et continué à tout moment durant les travaux. En effet, le contact ciment-eau ne se fait qu’à la lance, il n’y a aucune prise possible par avant si la production du béton est interrompue. Des résistances élevées sont facilement obtenues puisqu’il permet d’avoir de faibles rapports eau- liant. Désavantage : Le dosage de l’eau dans le mélange se fait directement à la lance, par le lancier, ce qui complique le contrôle de la qualité.
Le mode opératoire doit être conforme aux normes (NF P 95 102, NF EN 934-2) et aux recommandations du Fascicule n°3 du STRRES et de l’ASQUAPRO.
La mise en œuvre se fait à l'aide d'une machine à projeter qui est transporté à travers un boyau et projeté pneumatiquement à très grande vitesse sur une surface. L’air expulsé et le béton compacté, par la puissance de projection et l’impact sur la surface, permettent au matériau de se supporter sans affaissement, même sur une surface en surplomb. Tout comme pour la méthode de réparation par ragréage, il est nécessaire de dégager les armatures en suivant les descriptions de la partie 1 de ce chapitre.
Il est possible d'appliquer un passivant (par brossage, par application au pinceau, etc.) sur les armatures réparées pour diminuer les risques de réapparition de la corrosion. Cette application peut se faire dans le cas du béton projeté par voie humide, mais n’est pas possible lors de la projection par voie sèche, parce que la protection serait abimée.
Dans ce sens, les caractéristiques des matériaux de cette technique sont similaires à ceux du mortier du ragréage. Les produits doivent être conformes à la norme NF P 18-840 ou être admis à la marque « NF Produits spéciaux destinés aux constructions en béton hydraulique ».
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Remplacement du béton par ragréage avec passivant
Remplacement du béton par béton projeté
Avantages
Petites destructions localisées de béton, pas de risque de déstabilisation de la structure. Adapté aux petites surfaces.
Mise en place du mortier de réparation plus rapide. Béton moins poreux, donc moins sensible aux chlorures. Adapté aux grandes surfaces.
Inconvénients
Beaucoup de main d'œuvre nécessaire. Délais plus long. Nécessite un revêtement imperméabilisant.
Risque de déstabilisation suite à une enlevée importante du béton. Surcharges possibles => recalcule de la structure. Pas adapté aux petites surfaces.
Contraintes phase travaux
Bien éliminer toutes les traces de corrosion des aciers et bien les passiver sur l'ensemble de la zone de désordre et non pas seulement au droit de l'épaufrure sous peine de corrosion accentuée.
Bien éliminer toutes les traces de corrosion des aciers et bien les passiver sur l'ensemble de la zone de désordre et non pas seulement au droit de l'épaufrure sous peine de corrosion accentuée.
Durée de vie estimée
Temps de carbonatation/détérioration du nouveau béton. Limité par rapport à la présence de chlorures. Améliorée si protection complémentaire.
Temps de carbonatation/détérioration du nouveau béton. Limité par rapport à la présence de chlorures. Améliorée si protection complémentaire. Tableau 4: Tableau comparatif (Ragréage v/s Béton projeté)
