1. 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 2012
André Orcesi / Mickaël Thiery

2. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012
Carbonatation : couplage chimie-
transport
• Diffusion du CO2 dans • Réactions chimiques • Corrosion des aciers
la zone d'enrobage 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 d'eau Ca(OH)2 + CO2 CaCO3 + H2O

- Influence de l'humidité externe HR (optimum 50%-70%) - humidification / séchage
André Orcesi / Mickaël Thiery

3. 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’ouvrage
Phénolphtaleine
• 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

4. 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

5. 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 l'équilibre)
- Diffusion du CO2 à travers un milieu
CO2 complètement carbonaté
- Etat hydrique uniforme et stabilisé
Fully-carbonated area Non-carbonated area
Inconvénients
- Les cycles d'humidification séchage ne sont pas
pris en compte
- Front de carbonatation raide
Avantages
- Relation analytique
- XC est cohérente avec la profondeur mesurée par projection de phénolphtaléine
André Orcesi / Mickaël Thiery

6. 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 d'humidification-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
carbonatation
André Orcesi / Mickaël Thiery

7. 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
d'humidification) 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 d'une humidité relative seuil au delà de laquelle la carbonatation est
bloquée HRlim=80 %
André Orcesi / Mickaël Thiery

8. 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

9. 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

10. 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 5
André Orcesi / Mickaël Thiery Enrobage e (cm)

11. 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

12. 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 ti3
André Orcesi / Mickaël Thiery

13. 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
d'inspection 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

14. 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 ti3
André Orcesi / Mickaël Thiery

15. 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 d'accès : 250 €
– Relevé des enrobages pour chaque partie d'ouvrage (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 ×528/492
André Orcesi / Mickaël Thiery

16. 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
5
André Orcesi / Mickaël Thiery

17. 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

18. Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012
Merci pour votre attention
André Orcesi / Mickaël Thiery