Utilisation des ondes EM pour la caractérisation d’un béton contaminé ou sain

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Les conséquences des cycles de gel-dégel

Dans les régions froides ou en altitude, les gestionnaires d’ouvrage sont souvent confrontés aux conséquences des cycles de gel-dégel sur la durabilité des bétons. Les structures en béton armé construites dans ces régions sont les plus exposées aux mécanismes de dégradation liés à la cristallisation de l’eau dans les pores capillaires. De plus, ce phénomène de cycle de gel-dégel est amplifié par l’utilisation fréquente de sels de déverglaçage sur les routes et tabliers de ponts [6]. Ainsi, la répétition des cycles de gel-dégel provoque des contraintes à l’intérieur du béton pouvant aller jusqu’à la création des macro-fissures sur la surface du béton. Ce phénomène va accentuer l’effet des sels de déverglaçage et leur conséquence sur la corrosion des armatures et des câbles de précontraintes (§II.1.1).

L’action des eaux agressives sur les structures en béton

Les structures en béton de Génie Civil sont souvent construites sur des sites où il est parfois impossible d’échapper aux agents chimiques agressifs extérieurs provenant des eaux agressives de ces milieux. Ces eaux agressives peuvent se trouver sur différents sites autour de la structure et peuvent avoir diverses origines, soit des eaux de pluie, de cours d’eau, souterraines, provenant de la fonte de neige ou encore de la mer.

Bibliographie

Milieu acide

Les milieux acides susceptibles d’agresser le béton s’étendent sur une large gamme d’eaux. Cependant, seulement l’eau pure conduit généralement à un lessivage massif des alcalins, du calcium et des ions hydroxyles par dissolution de l’hydroxyde de calcium, et décalcification des silicates de calcium hydratés et des sulfoaluminates. La sévérité de la dégradation provoquée par une eau pure sur le béton dépend de plusieurs paramètres (paramètres liés à la mise en place du béton ou à l’environnementaux) :
• La qualité du béton ;
• La qualité de l’eau ;
• La température ;
• Et la concentration d’espèce soluble présente dans l’eau.
De façon générale, ces facteurs conduisent à une augmentation de la porosité du béton, de la perméabilité et à une diminution de la résistance mécanique du béton.

Environnement sulfatique et milieu marin

D’après Duval et Hornain [7, 5], les sulfates représentent le risque le plus important d’agressivité sur la durabilité des ouvrages en bétons. L’agression des structures en béton par les sulfates engendre des désordres de type expansion due à la cristallisation d’ettringite secondaire. Néanmoins, ces agressions ne sont dangereuses que si les sulfates peuvent accéder par diffusion en solution jusqu’aux aluminates de calcium de la pâte de ciment hydratée.
D’autre part, en milieu marin, plusieurs mécanismes d’attaque peuvent être prématurés pour le béton. L’action des chlorures sur l’altération du liant (par exemple l’aluminate tricalcique) aboutit à la formation du monochloroaluminate de calcium, relation (2.1), ou encore le sel de Friedel.
3 + 2 + 10 2 ↔ 3 . 2. 10 2 (2.1)
On peut aussi avoir la formation d’ettringite expansive par action des sulfates de magnésium.

Les conséquences de la présence d’eau et des ions chlorures dans les milieux poreux

Nous avons vu au paragraphe (§II.1.1) que les chlorures migraient dans le béton par diffusion lorsque le béton est suffisamment saturé en eau. On sait aussi que si le béton est partiellement saturé ou soumis à des cycles de séchage/humidification, les chlorures (libres) migrent avec la phase liquide par capillarité [5]. C’est souvent le phénomène qui se produit sur les structures en béton exposées à un environnement marin ou en présence de sels de déverglaçage. Dans ce genre de configuration, il est donc facile de comprendre que l’eau libre présente à l’intérieur des pores capillaires du béton va jouer le rôle de transport, de « véhicule », pour les ions chlorures afin de migrer au cœur du béton.
La présence de l’eau à l’intérieur des pores capillaires du béton est donc un paramètre important vis à vis à la durabilité des ouvrages en béton. Car, dans la plupart des cas, elle est un élément fondamental voire nécessaire à l’application et au développement de certaines pathologies. Par conséquent, on sait aujourd’hui que :
• Dans la plupart des cas, la pénétration des chlorures libres au cœur du béton n’est possible que lorsqu’on est en présence d’eau ;
• Une humidité relative interne de 65 % favorise la pénétration et l’activité du CO2 dans le béton ;
• Le béton sec résiste naturellement aux cycles de gel-dégel sans précautions particulières et les risques de dégradations n’existent que lorsque le béton est dans un état de saturation supérieur ou égal à 80 %.
L’eau étant donc un paramètre clé à évaluer dans les processus de dégradation du béton. L’utilisation d’une technique non destructive comme moyens d’investigations afin d’évaluer ce paramètre présente donc un intérêt majeur vis à vis à la durabilité des ouvrages en béton. Mais tout d’abord, nous allons commencer par voir les différentes méthodes qui permettent de caractériser les pathologies liées à la présence d’eau et aux ions chlorures dans les ouvrages en béton. Processus de corrosion des aciers dans ouvrages en béton
Au cours de la vie d’un ouvrage en béton armé, des agents agressifs extérieurs peuvent pénétrer et atteindre les aciers de services, soit par diffusion de gaze (O2, CO2 ..), ou soit par pénétration d’eau et d’ions à travers les fissures et les cavités (H2O, Cl-, (SO4)2- ..). Les réactions qui s’en suivent au contact de ces produits sur les aciers de service aboutissent dans la plupart des cas à des produits d’expansion, généralement de la corrosion, qui dégrade fortement les ouvrages en béton armé et réduisent leurs durabilités. La corrosion débute sur une zone dite anodique par une dissolution de l’acier de service dans un pore contenant de l’eau suivant la réaction anodique (2.2).

Table des matières

Liste des figures
Liste des tableaux
Principales notations
Chapitre I
Introduction
I. Introduction
I.1 Préambule
I.2 Objectifs et plan de thèse
I.3 Références
Chapitre II
Bibliographie
II. Pathologies des ouvrages en béton et méthodes d’auscultation.
II.1 Les différents types de dégradations observées sur les ouvrages en béton de
Civil.
II.1.1 Les phénomènes responsables de la corrosion des armatures
II.1.2 Les conséquences des cycles de gel-dégel
II.1.3 L’action des eaux agressives sur les structures en béton..
II.2 Les conséquences de la présence d’eau et des ions chlorures dans les milieux poreux
II.2.1 Processus de corrosion des aciers dans ouvrages en béton
II.2.2 Généralité sur les méthodes d’évaluation de la teneur en chlorure
II.3 Les méthodes de contrôle non destructif (CND) des structures en béton.
II.4 Notions théoriques sur la propagation des ondes électromagnétisme (EM)
II.4.1 Définition d’une onde électromagnétique (EM)
II.4.2 Propagation des ondes électromagnétiques dans le vide
II.4.3 Propagation des ondes électromagnétique dans un milieu matériel
II.4.4 Réflexion et transmission des ondes électromagnétiques à l’interface
milieux.
II.5 Phénomènes d’atténuation dans les milieux matériels.
II.5.1 Atténuation par diffusion
II.5.2 Atténuation géométrique
II.6 Propriétés électromagnétiques des bétons
II.6.1 Conductivité électrique..
II.6.2 Permittivité diélectrique, phénomène de polarisation électrique
II.6.3 Permittivité diélectrique et conductivité électrique effectives
II.6.4 Perméabilité magnétique
II.7 Le Radar GPR et ses applications usuelles en génie civil
II.7.1 Le radar GPR
II.7.2 Calibration du radar GPR
II.7.3 Les dispositifs de rayonnement d’une onde électromagnétique
II.7.4 Les applications usuelles en Génie Civil
II.8 Utilisation des ondes EM pour la caractérisation d’un béton contaminé ou sain
II.8.1 Sensibilité des ondes EM en présence d’eau et des ions chlorures
II.8.2 Propagation des ondes EM dans le béton
II.9 Conclusion
II.10 Références
Chapitre III
Procédures expérimentales
III Etudes expérimentales : Procédures techniques.
III.1 Matériaux et préparations
III.2 Les méthodes de conditionnements et de contaminations
III.2.1 Répartition homogène de la solution saline : Séries d’échantillons S1, S1.2 et
III.2.2 Gradient de teneur en chlorure : Série d’échantillons S2
III.2.3 Introduction des chlorures dans l’eau de gâchage : Série d’échantillons S3
III.2.4 Exposition à des embruns salins intermittents : Série d’échantillons S4
III.3 Les différents modes de conditionnement
III.4 Moyens de mesure
III.4.1 Méthode de mesure de vitesse en transmission
III.4.2 Méthode de mesure de vitesse en « fixed-offset »
III.4.3 Vitesses des ondes réfléchies sur le fond des échantillons
III.5 Calcul de l’atténuation du signal EM : amplitudes normalisées
III.6 Méthode de dosage en chlorure
III.6.1 Mode d’échantillonnage
III.6.2 Préparation des solutions pour les dosages en chlorure
III.6.3 Résultats du dosage en chlorure
III.7 Porosité et masse volumique apparente
III.8 Méthode de mesure de la permittivité diélectrique
III.8.1 Présentation de la sonde coaxiale
III.8.2 Exemple de résultats de la sonde coaxiale
III.9 Conclusion
III.10 Références
Chapitre IV
Résultats et analyses
IV. Résultats et analyses.
IV.1 Séries d’échantillons S0, S1 et S1.2
IV.1.1 Les signaux radar
IV.1.2 Vitesses de propagation : Séries S0, S1 et S1.2
IV.1.3 Amplitudes radar : Séries S0, S1 et S1.2
IV.2 Séries d’échantillons S2 (S0 et S1)
IV.2.1 Vitesses de propagation : Série S2 (S0 et S1)
IV.2.2 Amplitudes radar : Série S2 (S0 et S1)
IV.3 Séries d’échantillons S3 (S0, S1 et S2)
IV.3.1 Vitesses de propagation : Série S3
IV.3.2 Amplitudes radar : Série S3 (S0, S1 et S2)
IV.4 Comparaison des résultats pour toutes les séries d’échantillons
IV.4.1 Comparaison des vitesses de propagations de toutes les séries d’échantillons
IV.4.2 Comparaison des amplitudes normalisées de toutes les séries d’échantillons
IV.5 Proposition d’un modèle à deux variables
IV.5.1 Vitesse de propagation : Séries S1, S2 et S1.2
IV.5.2 Amplitude normalisée d’onde directe : Séries S1, S2 et S1.2
IV.6 Analyses fréquentielles des signaux radar
IV.6.1 Analyse fréquentielle des séries d’échantillons S0, S1 et S1.2
IV.7 Conclusion
IV.8 Références
Chapitre V
Modèles de permittivité
V. Modèles de permittivité diélectrique
V.1 Introduction
V.2 Les modèles
V.2.1 Modèles volumiques
V.2.2 Modèle géométrique.
V.2.3 Modèle d’homogénéisation
V.3 Données d’entrée des modèles
V.4 Valeurs mesurées
V.5 Résultats
V.5.1 Simulation d’un béton sain
V.5.2 Simulation pour un béton contaminé à 30 g/L de NaCl
V.5.3 Simulation pour un béton contaminé à 120 g/L de NaCl
V.6 Conclusion
V.7 Références
Chapitre VI
Conclusion générale
VI.1 Conclusion générale
VI.2 Perspectives
Annexes