beton 7 durab pt2.ppt [read-only] - wiki.epfl.ch 7 durab pt2.pdf · w/c =0.50, 21 years in 50,000...
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Durabilité
Causes de dégradation des bétons
Corrosion des armatures
Gel / dégel(freeze / thaw)
RAGréaction alcali granulat(alakli silica reaction
ASR)
Attaquesulfatique(externe)
+ Usure mécaniqueAttaqueacide
Carbonatation
Pénétration des ions chlores
L’eauliquide
Gel Dégel
La glace
∆V
Augmentation du volume ~ 9%
Pâte avec des pores saturés
Gel = Rupture de la pâte
Loi Kelvin-Laplace
0.1 µm
99 % RH
Pâte avec des pores partiellement saturés
Gel = pas d’endommagement
Effet de l’humidité relative sur la quantité d’eau en fusion
-3.5
-3
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
-50 -30 -10
temperature Tsp [°C]
Cp
A c
orr
[J
/gK
]
saturated
97% RH
94% RH
90% RH
70% RH
thawing
Joseph KaufmannEMPA
Pour les dalles
l’eau en surface peut saturer la couche près de la surface
l’écaillage
Pour éviter l’endommagement
Introduction de vides d’air - ~ 6 – 8 %Par utilisation des entraîneurs d’air, adjuvants liquides.
Taille ~50 µm (difficile à saturer).
L’eau dans les pores de la pâte peut «s’échapper »dans ces vides, s’il y a un gel.
Espacement des vides <0.2 mm
Réaction alcali granulat RAGAlkali aggregate reaction AARAlkali silica reaction ASR
Granulatscontenants
du silice amorpheou mal
crystallisé
Solution poreuse de pH élevé
+L’eau
“gel”, forte teneure
en eau gonflement
Manifestation microscopique:
Manifestation macroscopique:
Misalignment (Distorsion)Misalignment (Distorsion)
ASR
Distribution des Fissures Distribution des Fissures –– ““Map CrackingMap Cracking””
Cl - Gel CO2
La fissuration peut augmenter les autres formes de dégradations
Effet d’ASR sur les propriétés mécaniques
• Réduction de la résistance en compression.
• Baisse du module(de Young)
• Augmentation du fluage
Pas endommagé Expansion faible
(0.04 - 0.06%)forte expansion
(> 0.10%)
Développement de la fissuration
Les mécanismes de la réaction
La silice cristallisée est composée de tétraèdres ordonnés
++ +----
Les tétraèdres incomplets à la surface sont chargés
++ +----
H2OOH-
H+
OH- OH-OH-
H+H+ H+
H+
En présence d’eau, les ions sont adsorbés à la surface
H2OOH-
H+
H+
OH-
H+H+ H+
OH-OH-
OH-
H+
OH-
H+H+ H+
OH-OH-
Na+Na+ Na+Na+
OH-
OH- OH-
En solutions alcalines, les ions métalliques adsorbent
OH-OH-
OH-
Na+Na+Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
Na+
OH- OH-
Na+
OH-
Na+
Na+
Na+Na+
Na+
Na+
H2OH2O
H2OH2O
Si-O-Si + 2OH- + 2Na+ → 2(Si-O-Na) + H2O
Ceci conduit à la rupture des liaisons silanol
Dans les roches bien cristallisées, ceci apparaît seulement à la surface
+
+
+-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
-
-
+
++
+--
-
- -
-
--
+
+
+
Dans les silices amorphes ou cristallisée les hydroxydes alcalins peuvent pénétrer dans le cristal
+
+
+-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
-
-
+
++
+--
-
- -
-
--
+
+
+
Na+ Na+
OH-
OH-
Na+
OH- Na+
Na+
OH-
OH-
Na+
OH-
Na+
OH-
Na+OH-
Na+OH-
Na+
OH-
Na+
OH-
Na+
OH-
Na+ OH-
Na+
OH-Na+
OH-
Na+
OH-
Na+
OH-
Na+OH-
Na+
OH-
Na+OH-
+
-
-
-
-
-
-
+
+--
- --
+
+Na+
Na+
OH-
OH-
Na+
OH-
Na+
Na+
OH-
Na+
OH-
Na+
OH-
Na+
OH-
Na+
Na+
OH-
Na+
OH-
Na+
OH-
Na+
Na+
OH-Na+
OH-
Na+
OH-
Na+
OH-
Na+
Na+
OH-
Na+
OH-
H2OH2OH2O
H2OH2O
H2O
Na+
Plusieurs liaisons silanol rompues et l’eau entrante, signifie que la silice disloquée a un volume plus grand > EXPANSION
+
-
-
-
-
-
-
+
+-
--
+
+
Na+
Na+
OH-
OH-
Na+ Na+
Na+
OH-
Na+
OH-
Na
+
OH-
Na+
OH-
Na+
Na+
OH-
Na+
OH-
Na+
OH-
Na+
OH-
OH-
Na+
OH-
Na+
OH-
Na+OH-
H2O
OH-
Na+
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
OH
-
Na+
Na +
-
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
H2O
Le solubilité dépendde la structure minérale et du pH.
Dissolved Silica – ASTM C 289(Grattan-Bellew, 1989)
OPAL
CHALCEDONY
RHYOLITE
QUARTZITE
QUARTZ SAND
Dissolved silica
Dis
solv
ed s
ilica
Courbe de solubilité pour silice amorphe
pH9 10 11 1213
Note historique
• Première identification de la RAS en Californie par Stanton dans les années 1940
• Au début, seules les roches en silice peu cristalline – telles que l’opale- ont été crues réactives
• Durant les 60 dernières années, de plus en plus de roches se sont avérées réactives
• Des cas ont été identifiées presque dans tous les pays
Caractérisation du ciment
Analyse oxyde (XRF)
0,3 (0,2-0,4)resid insol
1 (0,5-1,5)CaO libre
1 (1-2)PaF(LO)I
0,2 (0,2-0.5)Na2O0,5 (0,3-1)K2O2,8 (2,5-3,2)SO3
1,2 (1-4)MgO64 (62-65)CaO2,5 (2-3)Fe2O3
6 (4-7)Al2O3
20,5 (19 – 21)SiO2
+Mn2O3, TiO2, P2O5, CO2
Na2O(eq) = Na2O + 78/94 K2O
Poids molaireNa2O
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
2 3 4 5 6
Alcali dans le béton (kg/m3 Na2Oe)
Expa
nsion
à1
an (%)
275300350400450
Effet des alcali du béton sur l’expansion
Contenu du ciment(kg/m3)
Granulat silico-calcaire
Effet des alcalis du ciment sur lEffet des alcalis du ciment sur l’’expansionexpansion
250
350
450
550
0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
Alcalis dans le ciment (% Na2Oe)
Cont
enu
du c
imen
t (k
g/m
3 )gonflant
Nongonflant
Alcalis dans le Béton =3.0 kg/m3 Na2Oe
Seuil pour ASR ~ 3kg/m3 Na2Oe
Ciment à basse teneur en alcali: Na2Oe < ~ 0.7 %
MAIS: il y a évidence maintenant que cette approche n’est pas fiable
Méthodes de prévention
• Eviter les granulats réactifs
• (Utiliser le ciment à basse teneur en alkali)
• Utiliser du ciment avec des cendres volantes ou (à voir prochainement)
Mais des fois la réaction se manifeste seulement après 30 / 40 ans
• Cosmétique ou structurelle?
• Remplacer ou réparer?
• Des fois des mesures drastiques sont nécessaire
Dans les barrages le l’expansion peut engendre des problèmes structuraux avant la fissuration ou la perte de performance mécanique:
• Pas d’armatures
• Structure en compression
Slot Cutting
Providesstress relief
Diamondwire cutting
Barrage de Chambon, France
Attaque sulfatique
+ (eau de mer)
SO42-
~1 µm
C-S-H + calcium aluminate monosulfate
SO42-
C-S-H + calcium aluminate trisulfate, ETTRINGITE
OHCaSOOAlCa
OHSOCa
OHCaSOOAlCa
24623
22
42
24623
32.3.
2022
12..
⇒+++ −+
Augmentation du volume ⇒ gonflement
Prendre de calcium du C-S-H ⇒ softening
Necessité d’avoir une dispersion fine de monosulfo dans le C-S-H
géneration de pression de crystallisation
Comment éviter
• Moins de monosulfate pour la transformation
• Ciment avec teneur basse en C3A
• Limiter le rapport e/c
12.3 % C3A
w/c =0.50, 21 years in 50,000 ppm MgSO4
Concrete: Effect of C3A in Portland Cement
3.5 % C3A 7.1 % C3A
(Saw Cut cylinders on right side)
Brown, Hooton and Clark, 2003
Effect of W/C: USBR 40-Year Data (C3A = 0-8%)
Monteiro and Kurtis, 2003
Photo J. Marchand, 2000
Degradation of concrete by sulfate attack
Poorly produced concrete is not durable.
Causes de dégradation des bétons
Corrosion des armatures
Gel / dégel(freeze / thaw)
RAGréaction alcali granulat(alakli silica reaction
ASR)
Attaquesulfatique(externe)
+ Usure mécanique
Attaqueacide
Carbonatation
Pénétration des ions chlores
Processus de transport
Les processus de pénétration des ions
• Béton saturé, sans différence de pression:
– Diffusion
• Saturé, avec différence de pression
– Advection, flux de liquide
• Non saturé
– Absorption
• Une face saturé, un face sèche
– “wick action”
Perméabilité
Ax
hK
dt
dqp •
ƥ=
Flux
Coefficient de perméabilité
Gradient depression
aire
Loi de Darcy
Diffusion
dx
dcD
dt
dc•−=
Taux dediffusion
Coefficient de diffusion
Gradient deconcentration
Loi de Fick
D
pK Dépend des mêmesparamètres
Perméabilité augmente avec porosité
Coe
ffici
ent d
e pe
rméa
bilit
é, x
10-1
4 m/s
Rés
ista
nce
àla
com
pres
sion
, MP
a
Porosité capillaire, % vol
SELECTED DURABILITY PRESCRIPTIONS IN EN 206
Type of Corrosion
Environmental Conditions
Max. w/c
ratio
Min. cement content,
kg/m3
Strength Grade
Dry or Wet 0.65 260 C 20/25 Wet rarely dry 0.60 280 C 25/30 Mod. humidity 0.55 280 C 30/37
Carbonation
Cyclic wet/dry 0.55 300 C 30/37 Mod. humidity 0.50 300 C 30/37 Wet 0.45 320 C 35/45
Sea water chlorides
Cyclic wet/dry 0.40 340 C 35/45 Slight 0.50 320 C 30/37 Moderate 0.45 320* C 30/37
Aggressive chemicals
High 0.45 350* C 35/45 * Sulfate resistant cement
V. Baroghel-Bouny (LCPC)
• Exemple : coefficient de diffusion "apparent" des chlorures •(obtenu à partir d'essais de diffusion ou migration
sur des bétons âgés de 28 ou 90 jours)
0,01
0,1
1
10
100
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130Résistance moyenne à la compression à 28 jours (MPa)
Coe
f. de
diff
. "ap
pare
nt"
des
Cl- (1
0-12 m
2 .s-1
)
Dns(dif) 90jDns(mig) NTB492-90jDns(mig) NTB492-28jDapp(mig) time-lag-90j
E
BO BHP
TE
M
F
TF
CV
La résistance mécanique est insuffisante pour évaluer la durabilité "potentielle"
des bétons (notamment avec additions) et pour qualifier une formule
Effet de la Porosité
Porosité ElevéeRésistance au flux
plus basse
Porosité BasseRésistance au flux
plus haute
Effet de Connectivité
Pores connectésRésistance au flux
plus basse
Pores isolésRésistance au flux
plus haute
Effet de Resserrement
Un grand poreRésistance au flux plus basse
Plusieurs petitsporesRésistance au flux
plus haute
Effet de la tortuosité
Pore rectiligneFaible résistance
au flux
Pore tortueuxRésistance au flux
plus grande
Pour diminuer la perméabilitéd’un matériau poreux:
• Diminuer la porosité totale• Diminuer la connectivité• Diminuer la taille des pores• Augmenter la tortuosité
PermPermééabilitabilitéé éélevlevééee(Interconnection des pores capillaires)(Interconnection des pores capillaires)
Pores capillairesPores capillaires
Structure CStructure C--SS--HH
Neville
Pores capillairesPores capillaires
Structure CStructure C--SS--HH
Neville
Faible PermFaible PermééabilitabilitééPores capillaires segmentPores capillaires segmentéés et partiellement connects et partiellement connectééss
Impact des paramètres du béton
La plupart du transport se passe dans la pâte de ciment
Donc, pour diminuer la perméabilité, vous devez modifier la pâte.
Réduction de la quantité de pâte:Diminuer le rapport eau / cimentAméliorer la composition granulométrique
Améliorer la qualité de la pâte:Diminuer le rapport eau / cimentUtiliser SCM’s
A dosage en ciment constant,
la réduction du rapport eau / ciment
diminue la quantité de pâte, donc la porosité totale
Effet de la teneur en eau
2
4
6
8
100 120 140 160 180 200
Water Content (kg/m3)
Per
mea
bili
ty (
x 10
-17
m2)
Teneur en eau
E/C = 0.45E/C = 0.45
Perméabilité aux gaz
0
1000
2000
3000
4000
100 120 140 160 180 200
Teneur en eau (kg/m3)
RC
PT
(C
oulo
mbs
)
200 240 280 320Teneur en eau (pcy)
E/C = 0.45E/C = 0.45
Perméabilité aux “Chlorures”
Améliorer la répartition
granulométriquedes granulats
réduit le volume de la pâte, et donc la porosité totale.
Bonne granulométrie
Mauvaise granulométrie
Faibleperméabilité
Hauteperméabilité
Même teneure/c
Une diminution du rapport E/C améliore la qualité de la pâte, réduit la porosité totale, réduit
la connectivité, et augmente le
resserrement et la tortuosité.
Effet de E/C
2
4
6
8
0.3 0.4 0.5 0.6
Eau/Ciment
Per
méa
bili
té(x
10-1
7 m2 )
Perméabilité aux Gaz
0
1000
2000
3000
4000
0.3 0.4 0.5 0.6
Eau/CimentR
CP
T (
Cou
lom
bs)
Perméabilité aux “Chlorures”