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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
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
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     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
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
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
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
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
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     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%



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     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
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     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)
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
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
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
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
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
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
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
Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012




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Stratégies de maintenance d'ouvrages dégradés par carbonatation

  • 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