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Plate forme de modélisation en vue de la prédiction de la durée de vie des bétons vis-à-vis de la pénétration d’agents agressifs
- THIERY M., BAROGHEL-BOUNY V., A. MORANDEAU,B. WANG, Z. ZHANGMAT (Paris)
- DANGLA P.Navier (Champ-sur-Marne)- ORCESI A.SOA (Paris)
Phase d'initiation de la corrosion vis-à-vis de la
pénétration d'agents agressifs (CO2, Cl-)
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Estimation / Prédiction de la durabilité des structures en béton armé (BA)
- Les dépenses pour les réparations des structures en béton constituent entre 50%-100% des dépenses par rapport aux constructions nouvelles (pays développés)
- Le coût annuel des réparations des structures est équivalent à 10% du PIB (Europe)
Approches prescriptives (EN206) : les critères portent sur les moyens (formulation, enrobage, etc.) → limitations de l’innovation (nouveaux liants ?, durée de vie 50 ans, optimisation en terme d’éco-conception ?)
Approche performantielle / outils de prédiction : ↑ durée de vie (100 ans)
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Estimation / Prédiction de la durabilité des
structures en béton armé (BA) Approche performantielle / outils de prédiction :-Plus grande souplesse pour faciliter l’emploi de liants respectueux de l’environnement (identification des indicateurs pertinents)-Lien "Formulation" / "Performances de durabilité"
Les modèles prédictifs :
Objectif 1 : évaluation de la durabilité potentielle durant la phase de conception (formulation d’un béton pour une durabilité pré-définie, qualification d’une formulation, prédiction de la durée de vie)
Objectif 2 : estimation (in situ) et quantification de la durée de vie résiduelle des structures existantes (stratégie de maintenance et de réparation)
MDM : guide AFGCBaroghel-Bouny et al.
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Modèles physico-chimiques de prédiction de la durée de vie- Restriction à la phase d’initiation (incubation) de la corrosion
- Modèles physico-chimiques (pré-requis : analyse des mécanismes)
Données d’entrée : indicateurs de durabilité (souplesse, accessibilité)Données de sorties : témoins de durée de vie (profils de pénétration et cinétiques de dégradation)
- Modèles déterministes et probabilistes
Différents niveaux de sophistication (différents objectifs, sélection suivant le niveau de précision et les données disponibles)
Recherche de la simplicité avant tout(limitation des données et paramètres d’entrée à identifier)
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Compréhension des mécanismesHydratation / Constitution de la microstructure
Mise en relation de l’évolution de la composition chimique du matériau (hydratation du clinker et réactions des additions minérales) avec la nano-micro-structuration du matériau
Eau
Grains anhydres de ciment Produits d’hydratation (CH + C-S-H)
-Prise-Structuration du matériau-Constitution d’une microstructure "cohésive"
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Compréhension des mécanismesHydratation / Constitution de la microstructure
Développement de modèles semi-analytiques prédisant les paramètres fondamentaux caractéristant l’hydratation (teneurs en hydrates, degré d’hydratation) et la microstructure du matériau (porosité)
Teneurs en hydrates Porosité vs. degré d’hydratation
Modèles de type "béton numérique"(Description géométrique de l’hydratation) ...
Nanocem
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Compréhension des mécanismesHydratation / Constitution de la microstructure
Hydratation ⇔ Microstructure ⇔ Propriétiés de transferts
Microstructure Permeabilité
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Le béton est un matériau en constante interaction physico-chimique avec son environnement
-Eau-Ions (Cl-, SO
4
2-, Na+, K+, etc.)
-Gaz (CO2)
La connaissance des interactions est cruciale pour prédire avec précision la pénétration des agents
délétères au sein de la microstructure
Compréhension des mécanismesInteractions physico-chimiques
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Compréhension des mécanismesInteractions eau / matrice
Eau libre – Eau adsorbée(rôle de l’humidité et de la finesse
de la microstructure)
Courbe d’interactionVapeur d’eau (HR) – Teneur en eau
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Compréhension des mécanismesInteractions eau / matrice
- Modélisation des courbes d’interactions(adsorption - désorption - cycles)
- Variables : porosité capillaire + degré d’hydratation
Hystérésis
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Compréhension des mécanismesInteractions chlorures / matrice
Une partie des ions chlorure est libre (mobiles) et une autre partie est fixée sur la matrice cimentaire (chimiquement et par adsorption). Relation s
Cl = f(c
Cl)
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Compréhension des mécanismesInteractions CO
2 / matrice
Quantification de la quantité de matière carbonatable pat ATG et par Spectrométrie de Masse
Quantification du degré de carbonatation en fonction de la formulation du matériau, de la nature des hydrates et de la concentration en CO
2
Spectrométrie de masse
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Effet des interactions sur la pénétration des agents agressifs
Synthèse : les différentes formes d’interactions
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Effet des interactions sur la pénétration des agents agressifs
La nature des interactions joue un rôle fondamental sur la forme du front de
carbonatation
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Compréhension des mécanismesInteractions CO
2 / matrice
Evolution de la microstructure (porosité) en fonction du niveau de carbonatation des hydrates (portlandite et C-S-H)
Matériaux à base de ciment CEM I
Matériaux à base de ciment CEM I + additions
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Modélisation des couplagesChimie - Transport
Chimie
- Interactions chimiques en solution aqueuses (homogènes)
- Interactions hétérogènes
+Réactions chimiques (ions-matrice) : équilibre ?
+Réactions chimiques (entre les phases solides)
⇒ modèle de solution solide
Transports
- Phase gazeuse : vapeur d’eau et air sec
- Phase liquide : eau liquide, espèces ioniques
Transport par électro-diffusion / advection
Nanocem
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Reactions chimiques homogènes en solution aqueuse
Effets cinétiques
Modèlede solution solide
Equations chimiques⇒ de fortes non-linéarités
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Equations de transportPhases gazeuse et liquide
Transport par advection et diffusion
MDM + Navier +Nanocem
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Simulations de la carbonatation atmosphérique (conditions accélérées)
-Description correcte de la "chimie" de la solution interstitielle en fonction du niveau de carbonatation
-Evolution de l’assemblage minérale en fonction de la concentration en CO2
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Simulations de la carbonatation atmosphérique (conditions accélérées)
-Profil de teneur en portlandite à différentes échéances
-Profils de pH à différentes échéances (cf. rôle des alacalins)
-Crucial pour l’estimation du risque de corrosion des armatures
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Simulations probabilistes de la pénétration de la carbonatation
Abaissement du niveau de raffinement du modèle pour prendre en compte la variabilité des paramètres d’entrée du modèle-Incertitude des données d’entrée du modèle (mesures des indicateurs de durabilité)-Variabilité sur la formulation et les conditions de mise en oeuvre-Variation stochastique des conditions d’exposition (HR, CO2, etc.)etc.
Calcul d’une probabilité de défaillance ou d’un
indice de fiabilité
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Simulations probabilistes de la pénétration de la carbonatation
Indice de fiabilité=Distance entre l’état limite (XC=E) et le point de fonctionnement (point "moyen")
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Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions saturées, lab.)
Essai de diffusionExploitation du profil à une échéance donnée et une CL fixéePrédictions à d'autres échéances et/ou des CL différentes
Chlorures totaux
Chlorures libres
Fixation
Wang, 2012
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Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions saturées, in situ)
Wang, 2012
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Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions saturées, in situ)
Wang, 2012
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Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions non-saturées)
Cas du "wick-action test"Forts couplages entre les transferts hydriques et les mouvements ioniquesExposition en zone de marnage
Profils de taux de saturation(état hydrique)
Baroghel-Bouny & Thiery, 2011
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Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions non-saturées)
Profils ioniques à différentes échéances
Accumulation des ions au niveau d'un front du front de séchage
35 jours35 jours
4 mois
Baroghel-Bouny & Thiery, 2011
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Conclusion
• Plateforme de modélisation et de prédiction de la durée de vie (agressions ioniques + CO2 / transferts hydriques)
• Multi-phases, multi-espèces, multi-physiquesFondements physico-chimiques / Souplesse(cohérence avec l’approche performantielle)
• Différents niveaux de raffinement :-Ingénieurs (modèles probabilistes)-Analyse inverse des données d’entrée-Compréhension des mécanismes
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Perspectives de recherche
-Interactions alcalins / matrice (cas des matériaux fortement dosés en additions)
-Prise en compte dans les modèles des phénomènes d’hystérésis (humidification – séchage) : influence sur la pénétration d’agents agressifs
-Problématique du décoffrage des bétons fortement dosés en additions minérales (cendres volantes, laitiers, etc.)-Modélisation des couplages transferts hydriques - réactions chimiques(à court terme)-Simulation de la dégradation des propriétés de durabilité de la zone d’enrobage-Accroissement de la sensibilité à la carbonatation
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temps
HydratationSéchage et carbo.
Longue phase de cure(essais accélérés)
CEM I
CEM I
Déco
ffra
ge
temps
Hydratation
Courte durée de cure (bétons à base de CEM I)
Déco
ffra
ge
temps
Hydratation
CEM I CV
Déco
ffra
ge
Séchage et carbo.
Séchage et carbo.
Courte durée de cure (bétons à base de CEM I + CV)