Analyse de Cycle de Vie et durabilité du béton.

1. 1
Chaire génie civil écoconstruction
Technicales Novabuild 2018
Analyse de Cycle de Vie et
durabilité du béton
Thèse de Van Loc TA
Co-encadrement: Stéphanie BONNET, Anne VENTURA

2. Ciment et changement climatique
2
Émissions de CO2 liées à la production du
ciment (1960 - 2014)
[Carbonatlas.org] [Naik et ASCE (2008)]
2.5
5
0
2
4
6
2006 2020
Production du ciment
[million t]
Augmentation de la consommation
mondiale de ciment
Les émissions de CO2 de la production du ciment
représentent entre 5% et 7% des émissions globales [IEA and WBCSD (2009)]

3. Le béton
3
Air: 6%
Ciment: 10%
Eau: 18%
Sable: 25%
Granulats:
41%
Consommation d’énergie
(GJ/m3)
Émissions de CO2
(kg/m3)
Environ 2,7 milliards m3 de béton produits en 2002
[Brocklesby et Davison (2000)]
ciment cimentgranulats granulatseau eau

4. Conséquences de long terme
4
Maintenance
Construction
Pays industrialisésPays en voie de
développement
Cycle de
Vie
temps
Les choix d’aujourd’hui
imposeront les contraintes et
les conséquences pour les 100
prochaines années sur les
émissions de CO2
Les contraintes
d’aujourd’hui dépendent des
choix d’hier
CO2
CO2

5. Vie en service d’un béton armé
5
temps
fabrication des constituants,
construction, transports
CO2
CO2
carbonatation
Quel bilan CO2 total en fonction :
• des paramètres de conception ?
• des aléas (climatiques) ?
maintenance
CO2
Quelle durée de vie en fonction :
• des paramètres de conception ?
• des aléas (climatiques) ?

6. Objectifs de recherche
6
Développer une méthode pour une
conception environnementale et
durable des structures en béton armé
soumises à la carbonatation
2
Évaluer les impacts environmentaux
des structures en béton armé en
prenant en compte la maintenance
pendant la vie en service
1

7. Méthode
7
Cycle de vie du béton armé
Conception Construction Usage
Recommendations
de conception
Modèle décisionnel
Politique de
maintenance
Modèle de vie
en service
Modèle Analyse de
Cycle de Vie
Leviers d’action
augmentant la durée de vie
Optimisation multicritères
Analyse de sensibilité
Légende: Modèle Processus Résultats
Leviers d’action diminuant les
impacts sur l’environnement
2 4
3
6
1
5

8. Résultats: durée de vie
béton XC4 (climat: Madrid)
8
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
Clinker content (n.u.)
log10
(servicelife)(years)
100 years
50 years
CEM I
CEM II/A
CEM II/B
CEM III/A
CEM III/B
CEM III/C
CEM IV/ACEM IV/B
CEM V/A
CEM V/B
fcem = 32.5 MPa
fcem = 42.5 MPa
fcem = 52.5 MPa
Log10(duréedevie)(années)
Taux en clinker
100 ans
50 ans
• Augmenter la classe de résistance du ciment augmente la durée de vie
• Augmenter le taux de clinker n’est pas toujours efficace
• Autres résultats: augmentation du rapport Eau/Ciment
• Les autres paramètres de conception sont d’influence moindre

9. Résultats: changement climatique
béton XC4 (climat: Madrid)
9
𝑑 𝐶 𝑇𝑟𝑎𝑛 𝑊/𝐶 𝑆_𝑚𝑎𝑥 𝑆/𝐺
Morris indices
𝜇 𝑗
∗
𝜇 𝑗 𝜎𝑗
Sobol indices
𝑆𝑗 𝑆 𝑇 𝑗
• Augmenter la quantité de ciment, l’épaisseur d’enrobage et les distances de transport augmente les
émissions de gaz à effet de serre
• Le rapport eau/ciment, et la taille des granulats et le ratio sable/granulats sont peu influents

10. Bilan
 Résultats dépendent du climat: les
incertitudes liées aux aléas sont importantes
 Le modèle permet de trouver des solutions
optimales pour tous les indicateurs
environnementaux et la durée de vie selon la
localisation de l’infrastructure
 Perspectives: intégrer d’autres phénomènes
d’altération (chlorures)
10

11. Donators
Merci pour votre attention
anne.ventura@ifsttar.fr
stephanie.bonnet@univ-nantes.fr

12. Annexe: méta-modèle de carbonation dévelopé
12
𝑥 =
2. 𝐷 𝐶𝑂2
. 𝐶𝑂2
𝑎
. 𝑡 𝑎 = 0,75 × 𝐶 × 𝐶𝑎𝑂 ×
𝑀 𝐶𝑂2
𝑀 𝐶𝑎𝑂
𝐷 𝐶𝑂2
= 𝐷 𝐶𝑂2
28
𝐷 𝐶𝑂2
28
= 10−7
× 10−0,025𝑓𝑐
𝑓 𝑅𝐻 = 1 − 𝑅𝐻 2
. 𝑅𝐻2,6
𝑓 𝑇 = 𝑒𝑥𝑝
4700(𝑇 − 293)
293𝑇
𝑓
𝑆 + 𝐺
𝐶
=
𝑆 + 𝐺
𝐶
0,1
𝑓
𝑊
𝐶
= 2437,7exp⁡ −5,592
𝑊
𝐶
𝑓 ,
𝑊
𝐶
, 𝐹𝐴 = 𝑓
𝑊
𝐶
0,93 − 3,95 × 0,94
100𝑊
𝐶 ×  −  𝑎𝑖𝑟
𝑊
𝜌 𝑤
+
𝐶
𝜌𝑐
+
𝐹𝐴
𝜌 𝑓𝑎
1,8
 =  𝑎𝑖𝑟 +
𝑊
𝜌 𝑤
− 0,249 𝐶𝑎𝑂 − 0,7𝑆𝑂3 + 0,191𝑆𝑖𝑂2 + 1,118𝐴𝑙2 𝑂3 − 0,357𝐹𝑒2 𝑂3 .
𝐶
1000
𝑓 𝑡 𝑐 =
1,9 × 10−2
10−0,025𝑓𝑐
+ 1 −
1,9 × 10−2
10−0,025𝑓𝑐
28
0,01 × 𝑡 𝑐
𝑆_𝑚𝑎𝑥 (mm)  𝑎𝑖𝑟 (-)
31,5 0,015
16 0,023
8 0,035
Interpolation linéaire pour les
valeurs intermédiaires
𝑓𝑐 =
7,84𝑓𝑐𝑒𝑚
1 +
𝑊
𝐶
.
𝜌𝑐
𝜌 𝑤
+  𝑎𝑖𝑟.
𝜌𝑐
𝐶
2
[Pade et Guimaraes (2007)]𝑎 = 0,75 × 𝐶 × 𝐶𝑎𝑂 × 𝜑 𝑐𝑙𝑖𝑛𝑘𝑒𝑟 ×
𝑀 𝐶𝑂2
𝑀 𝐶𝑎𝑂
[CEB-FIB Model Code 1990]
𝐷 𝐶𝑂2
= 𝐷 𝐶𝑂2
28
× 𝑓(𝑅𝐻) [Papadakis et al. (2011)]
[SP 23: 1982]
[Salvoldi et al. (2015)]
[Loi d’Arrhenius]
[Yang et al. (2014)]
𝐷 𝐶𝑂2
= 𝐷 𝐶𝑂2
28
× 𝑓(𝑅𝐻) × 𝑓(𝑇)
𝐷 𝐶𝑂2
= 𝐷 𝐶𝑂2
28
× 𝑓(𝑅𝐻) × 𝑓(𝑇) × 𝑓
𝑆 + 𝐺
𝐶
[Papadakis et al. (1991)]
𝐷 𝐶𝑂2
= 𝐷 𝐶𝑂2
28
× 𝑓(𝑅𝐻) × 𝑓(𝑇) × 𝑓
𝑆 + 𝐺
𝐶
× 𝑓 ,
𝑊
𝐶
, 𝐹𝐴 × 𝑓 𝑡 𝑐