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Identification desdonnées dentrée(analyse inverse)Transferts hydriquesModèles prédictifs(multi-niveaux) Intervenant - date
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Alimentation des modèles prédictifsIntervenant - date
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Transferts hydriquesIntervenant - date
Transferts hydriques                                [Coussy, Baroghel-Bouny, Thiery, 1997-2012]           Modèle multi-pha...
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Chimie        ⇒ de fortes non-linéarités                                                     Carbonatation de la          ...
Chimie        ⇒ de fortes non-linéarités                                                      Carbonatation de la         ...
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Conclusion        • Plateforme de modélisation et de prédiction de la durée de vie        (agressions ioniques + CO2 / tra...
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Plateforme de modélistaion en vue de la prédiction de la durée de vie des bétons vis-à-vis de la pénétration d'agents agressifs (CO2, chlorures)

  1. 1. Plateforme de modélisation en vue de la prédiction de la durée de vie des bétons vis-à-vis de la pénétration d’agents agressifs (CO2, chlorures) THIERY M., BAROGHEL-BOUNY V., A. MORANDEAU, X. WANG, B. WANG, Z. ZHANG MAT (Paris) DANGLA P. Navier (Champ-sur-Marne) ORCESI A. SOA (Paris) CREMONA C. SetraIntervenant - date
  2. 2. Enjeux : prédiction de la durabilité des structures en béton armé (BA) - Coût de réparation des structures en BA : 50%- 100% des dépenses par rapport aux constructions nouvelles (Europe) - Coût annuel des réparations des structures : équivalent à 10 % du PIB (Europe) Approches prescriptives : les critères portent sur les moyens (formulation, enrobage, etc.) → innovation limitée (nouveaux liants ?, durée de vie 50 ans, optimisation en terme d’éco-conception, flexibilité des marges de sécurité) Approche performantielle / outils prédictifs : ↑ durée de vie (100 ans) Intervenant - date
  3. 3. Enjeux : prédiction de la durabilité des structures en béton armé (BA) Guide AFGC Baroghel-Bouny et al. Approche performantielle / outils prédictifs : -Plus grande souplesse pour faciliter l’emploi de liants respectueux de l’environnement (identification dindicateurs pertinents) -Lien "Formulation" / "Performances" Approche multi-niveaux Les modèles prédictifs : Objectif 0 : compréhension des mécanismes de dégradation et identification des paramètres de durabilité par analyse inverse 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 : quantification de la durée de vie  résiduelle des structures existantes (aide au diagnostic, stratégie de maintenance et de réparation) Intervenant - date
  4. 4. Modèles physico-chimiques prédictifs - Modèles physico-chimiques (pré-requis : connaissance 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) - Cadres déterministes ou probabilistes Différents niveaux de sophistication (suivant les objectifs, le niveau de précision et les données disponibles) Recherche de la simplicité avant tout (limitation des données dentrée et des paramètres à identifier)Intervenant - date
  5. 5. Identification desdonnées dentrée(analyse inverse)Transferts hydriquesModèles prédictifs(multi-niveaux) Intervenant - date
  6. 6. Identification desdonnées dentrée(analyse inverse)Transferts hydriquesModèles prédictifs(multi-niveaux) Intervenant - date
  7. 7. Identification desdonnées dentrée(analyse inverse)Transferts hydriquesModèles prédictifs(multi-niveaux) Intervenant - date
  8. 8. Alimentation des modèles prédictifsIntervenant - date
  9. 9. Hydratation 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)Structuration du matériau Intervenant - date
  10. 10. Hydratation Constitution de la microstructureDéveloppement de modèles semi-analytiques quantifiant les paramètres fondamentauxcaractérisant l’hydratation (teneurs en hydrates, degré d’hydratation, etc.) et la microstructuredu matériau (porosité) Teneurs en hydrates Porosité vs. degré d’hydratationA distinguer des modèles de type« béton numérique »(Description « géométrique »)µic (EPFL)Intervenant - date
  11. 11. Hydratation Propriétés de transfert Hydratation → Microstructure → Propriétés de transferts Microstructure Perméabilité K PerméabilitéPorosité Degré dhydratation [Nguyen, 2009] Intervenant - date
  12. 12. Interactions physico-chimiques Le béton est un matériau en interactions physico- chimique avec son environnement - Eau - Ions (Cl-, SO42-, Na+, K+, ...) - Gaz (CO2) La quantification des interactions est cruciale pour  prédire avec précision la pénétration des agents  délétères au sein de la microstructureIntervenant - date
  13. 13. Effet des interactions sur le transport La nature des interactions joue un rôle  fondamental sur la forme du front de  pénétration des agents agressifs [Nilsson, 2010]Intervenant - date
  14. 14. Interactions physico-chimiques Eau - matrice Eau libre - Eau adsorbée Courbe d’interaction (humidité / finesse de la microstructure) Vapeur d’eau (HR) - Teneur en eauIntervenant - date
  15. 15. Interactions physico-chimiques Eau - matrice- Modélisation du comportement hydrique(adsorption - désorption - cycles)- Variables : porosité capillaire + degré d’hydratation Hystérésis Désorption -  [Nguyen, 2009] adsorption Teneur en eau [Thiery, 2007] Humidité relativeIntervenant - date
  16. 16. Interactions physico-chimiques Chlorures – matrice cimentaire Une partie des ions chlorure est libre et une autre partie est fixée sur la matrice cimentaire (chimiquement et par adsorption) Captage chimique / ralentissement [Nguyen, 2007]- Isotherme de type « double couche »ou Freundlich eq sCl = N CSH f (c Cl )+δ N C 3A f(ccl) est une fonction intrinsèque δ est un paramètre intrinsèque [Wang, 2012] Intervenant - date
  17. 17. Interactions physico-chimiques CO2 - matrice [Thiery, 2011, 2012] Les mécanismes de carbonatation sont différents suivant la nature des hydrates concernés : CH, C-S-H, AFm, AFt, etc. Rôle sur le pH Spectrométrie de masse Prédiction de la capacité et de la cinétique de  captation en fonction de la formulation du matériau, de la nature des hydrates et de la concentration en CO 2Intervenant - date
  18. 18. Interactions physico-chimiques CO2 - matrice [Thiery, Morandeau, 2011, 2012] Evolution de la microstructure  (porosité) en fonction du niveau de carbonatation des hydrates (CH et C-S-H) Lois de comportement pour les modèles Matériaux à base de ciment CEM I Matériaux à base de ciment  CEM I + additions (CV)Intervenant - date
  19. 19. Identification desdonnées dentrée(analyse inverse)Transferts hydriquesModèles prédictifs(multi-niveaux) Intervenant - date
  20. 20. Transferts hydriquesIntervenant - date
  21. 21. Transferts hydriques [Coussy, Baroghel-Bouny, Thiery, 1997-2012] Modèle multi-phasique Eau liquide, vapeur eau, air secLa séparation des modes de transfert hydriqueest essentielle pour quantifier :- transports ioniques (chlorures)- impact du transfert hydrique sur le transport des gaz (CO2) Séchage : contribution du flux deau liquide par rapport au flux de vapeur deau (pâtes de ciment à base de CEM I)Intervenant - date
  22. 22. Transferts hydriques et hydratation [Thiery, Nguyen, 2009-2012] Couplages entre hydratation et  séchage à lissue du décoffrage -Ralentissement des cinétiques dhydratation -Mûrissement incomplet de la zone denrobage Surface -Influence des conditions de cure / H2O H2O thermo-hygrométriques H2O Ciment 2C3S + 6 H22O → C3S2H3 + 3CH HO 2C2S + 4 H2O → C3S2H3 + CH H2O etc. Défauts de microstructure Durabilité réduite  Eau indispensable pour l’hydratation H2OPlus grande sensibilité des bétons fortement dosés en additions minéralesIntervenant - date
  23. 23. Transferts hydriques et hydratation [Thiery, Nguyen, 2009-2012]Porosité Porosité Séchage (53% HR) Pâtes de ciment soumises en laboratoire à une  dessiccation précoce (24 h) E/C= 0.6 / 0.45 / 0.35 Prédiction de la durée de cure nécessaire pour limiter la dégradation de la durabilité dun  béton « vert » Surface (béton M30CV, CV/C=0,4) H2O H2O H2O Intervenant - date
  24. 24. Identification desdonnées dentrée(analyse inverse)Transferts hydriquesModèles prédictifs(multi-niveaux) Intervenant - date
  25. 25. Modèles prédictifsIntervenant - date
  26. 26. Modélisation carbonatation Chimie - TransportChimie- Interactions chimiques en solution aqueuse (homogènes)- Interactions hétérogènes + Réactions chimiques (ions-matrice) + Réactions chimiques (entre les phases solides) ⇒ modèle de type « solution solide »Transports- Phase gazeuse : vapeur d’eau et air sec- Phase liquide : eau liquide, espèces ioniquesTransport par électro-diffusion / advection Intervenant - date
  27. 27. Chimie ⇒ de fortes non-linéarités Carbonatation de la  portlandite (cinétique) Réactions chimiques homogènes  en solution aqueuse Modèle de  solution solide Décalcification des C-S-HIntervenant - date
  28. 28. Chimie ⇒ de fortes non-linéarités Carbonatation de la  portlandite (cinétique) Réactions chimiques homogènes  en solution aqueuse Alcalins Modèle de  solution solide Décalcification des C-S-HIntervenant - date
  29. 29. Simulations de la carbonatation atmosphérique (conditions accélérées)Description correcte de la « chimie » de Evolution de l’assemblage minérale enla solution interstitielle en fonction du fonction de la concentration en CO2niveau de carbonatation des C-S-H Pâte de ciment E/C=0.45 CEM IIntervenant - date
  30. 30. Simulations de la carbonatation atmosphérique (conditions accélérées) -Profil de teneur en CH à -Profils de pH à différentes échéances différentes échéances (rôle des alcalins) Pâte de ciment E/C=0.45 CEM I Carbonatation accélérée (CO2 = 50%)Intervenant - date
  31. 31. Intervenant - date
  32. 32. Simulations probabilistes de la pénétration de la carbonatationAbaissement 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-Variabilité sur la formulation et les conditions de mise en œuvre-Variation stochastique des conditions d’expositionObjectifs : calcul plus « juste » des marges de sécurité (sur-dimensionnement) Calcul d’une probabilité de défaillance ou d’un indice de fiabilitéIntervenant - date
  33. 33. Modèle de carbonatation probabiliséHypothèses Drying-wetting cycles - Le séchage progresse plus vite que la  not taken into account max. depth of dryingcarbonatation- Le front de carbonatation est raide : XC=a√t Depth of carbo. XC- Humidification instantanée (absorption) Depth of drying Xd(tw = durée de chaque phase dhumidification) td tw- La carbonatation est stoppée quand le béton est humide - Choix dune humidité - Cinétique de séchage : Xd=d√t relative seuil au delà de (td = durée de la période de séchage) laquelle la carbonatation  est bloquée HRlim= 80 % 33Intervenant - date
  34. 34. Modèle de carbonatation probabilisé Calcul de lindice de fiabilité à -Calcul de lenrobage optimal différentes échéances (bétons du projet SBRI) -Comparaison avec EN 1992-1-1 prévoyant E=3,5 cm C1 : C35/45 C2 : C35/45 (30% CV) -Surdimensionnement pour des 34 C3 : C50/60 (20% CV) bétons avec cendres volantesIntervenant - date
  35. 35. Intervenant - date
  36. 36. Simulations de la pénétration des ions chlorure(conditions saturées, laboratoire) -Essai de diffusion -Exploitation du profil à une échéance donnée et une CL fixée -Prédictions à dautres échéances et/ou des CL différentes Chlorures libres Wang, 2012 Chlorures totaux FixationIntervenant - date
  37. 37. Intervenant - date
  38. 38. Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions non-saturées) « wick-action » test Forts couplages entre les transferts hydriques et les mouvements ioniques Profils de taux de saturation (état hydrique) Baroghel-Bouny & Thiery, 2011Intervenant - date
  39. 39. Simulations de la pénétration des ions chlorure (conditions non-saturées) Profils ioniques à différentes  échéances Accumulation des ions au niveau du  front de séchage Baroghel-Bouny & Thiery, 2011 4 mois35 joursIntervenant - date
  40. 40. Conclusion • Plateforme de modélisation et de prédiction de la durée de vie (agressions ioniques + CO2 / transferts hydriques) • Multi-phasique, multi-espèces, multi-physiques (cohérence avec l’approche performantielle = souplesse) • Différents niveaux de raffinement : - Ingénieurs (modèles probabilistes) - Analyse inverse des données d’entrée - Compréhension des mécanismes Environnement : bil (langage C, Navier, P. Dangla Matlab (dont ReliabTbx, C. Cremona)Intervenant - date

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