Le vent régule la température de la surface de la planète. L’air des régions équatoriales, plus chaud et où la durée de la présence du soleil est constante, s’élève et est remplacé par l’air plus froid qui provient des zones polaires. Cet effet est influencé par l’influence de la rotation de la planète, l’influence des grands courants marins et par les différences de pressions et barrières topographiques [28].
La variation du relief crée des obstacles qui forcent le vent à les contourner ce que réduit la section de passage en augmentant la vitesse du vent à l’amont des obstacles. À l’aval, normalement une zone de turbulence est créée par la dissipation d’énergie qui peut induire des vents ascendants sur le versant aval [28], [30].
Les zones situées à côté de l’eau ou en régions montagneuses présentent des effets de déplacement d’air plus localisé. Pendant la journée, l’eau est plus froide que le continent, ce qui génère un déplacement d’une masse d’air vers le continent. Et la nuit le sol se refroidit rapidement, générant un flux d’air du continent vers le plan d’eau. En
régions montagneuses, un phénomène similaire se produit. Pendant la nuit, une stagnation de l’air froid refroidit le sol en plaine et s’échauffe moins rapidement qu’en altitude, créant un déplacement de masse d’air des plaines vers les montagnes. Pendant nuit, un déplacement de masse d’air froid provenant des montagnes s’engage vers les régions des plaines [28].
Dans une région spécifique, deux types de vent peuvent influencer leur climat : (i) la brise, due aux échanges thermiques, et (ii) les vents générés par des différences de pression observée à large échelle.
1.1.1.5.Microclimat
Le microclimat est défini ici comme l’environnement climatique localisé à l’échelle d’un élément d’ouvrage, comme une pile de ponts, une dalle, etc. Il peut être distingué [6] par différentes zones, comme les zones ombrées, les zones ensoleillées, les zones exposées aux eaux des précipitations, les zones protégées, les zones de séchage rapide et les zones de stagnation d’eau.
Les éléments, composant le microclimat, sont la température de l’air, l’humidité relative de l’air, les précipitations et les stagnations d’eau [6]. Ces sollicitations extérieures, accompagnées de produits chimiques provenant de l’épandage hivernal de produits de déglaçage, influencent les structures par l’intermédiaire d’échange thermique, de transport d’eau, de gaz et d’autres substances entre l’atmosphère et la structure. Dans le cas des structures en béton, lorsqu’elles sont exposées à un même climat avec des niveaux différents de précipitation, les temps d’initiation de la corrosion sont différents [5], [6]. La température influence les détériorations, plus rapides dans les régions plus chaudes [31]. Le microclimat permet de prendre en considération les conditions de bord de modèles de détérioration qui détermineront la durabilité d’une structure.
Les actions anthropiques et mécaniques peuvent aussi influencer le microclimat, comme l’agitation des vagues sur la mer, le trafic des voitures sur la chaussée qui contient de la saumure, le vent, entre autres facteurs. La topographie et l’environnement sont aussi des facteurs importants au niveau du microclimat. Ainsi un microclimat, selon un niveau d’exposition, dépend de la direction du vent, de la vitesse du vent, du relief du terrain
et de la présence de végétation ou d’autres obstacles [32]. Les obstacles peuvent condenser une partie de gouttelettes contenues dans un brouillard sur la surface de l’obstacle, ce qui diminue la concentration en sel en fonction du déplacement de ce brouillard [33].
1.1.2. Matériaux de construction
Toutes les structures sont composées de matériaux plus ou moins sensibles aux conditions climatiques et environnementales dans lequel il se situe. Cet état de l’art aborde de façon exhaustive quelques matériaux.
1.1.2.1.Bois
L’utilisation d’un bois dans la construction de structures est conditionnée par la connaissance de ses propriétés mécaniques changeant en fonction de sollicitations climatiques. Actuellement, le bois de construction moderne est utilisé pour ses propriétés de légèreté et mécanique, notamment une résistance en traction- compression équivalente. Il fait partie des matériaux anisotropes, puisque sa résistance est différente selon la direction de la sollicitation par rapport aux fibres. Par exemple, la résistance à la flexion transversale d’une poutre avec des fibres alignées sur la direction longitudinale offrira de meilleures performances que transversalement, surtout en bois lamellé-collé [34], [35], où le dimensionnement des connexions devient le facteur déterminant de la sécurité de ces structures. La résistance en flexion d'une pièce de bois de charpente se situe entre 12 à 30.5 MPa [34]. La résistance d’une structure au séisme dépend de sa rigidité et de sa résistance aux forces horizontales et verticales, particulièrement au cisaillement [36]. Cette résistance augmente grâce à la légèreté des pièces en bois, il reçoit ainsi moins d’énergie du sol en mouvement.
Les structures en bois sont susceptibles à putréfaction, qui se fait par l’attaque de champignon. Cette dégradation ne se produit pas si l’humidité au bois est inférieure à 20% ou si la structure est immergée. Ces structures peuvent être aussi attaquées par des insectes, connus par vermoulure [35], [37], [38]. À l’air libre, le bois se trouve modifié sous les influences conjuguées de l’humidité et des facteurs photochimiques, physiques, mécaniques et biologiques qui varient en fonction de l’environnement e de l’orientation
de chaque élément de construction. Quand exposée à des intempéries, la variation de l’humidité provoque le gonflement et retrait du bois ainsi que des fentes susceptibles d’affecter la résistance mécanique [35], [37]. C’est pourquoi le processus de dimensionnement s’accompagne d’une étude particulièrement rigoureuse de la protection de la charpente de bois des intempéries, par exemple les ponts couverts en bois, étanchéité approfondie, etc. Encore aujourd’hui, le traitement du bois n’est pas suffisant pour obtenir des propriétés de durabilité satisfaisantes de structures sollicitées dans un environnement sévère.
1.1.2.2.Acier
L’acier est un alliage métallique composé principalement de fer et de carbone. C’est essentiellement la teneur en carbone qui confère les propriétés particulières de l’acier. La masse volumique et le module élastique de l’acier sont respectivement de 7800 kg/m3 et 200 GPa . Ce matériau présente un coefficient de dilatation thermique de
2.5x10-5/°C et une conductivité de 44 à 52 W/m°C [39], [40]. Une structure en acier
possède une grande capacité plastique ou de déformation et ses résistances limites sont égales en traction et en compression. De plus, une phase écrouissante lui permet de garder une certaine réserve de résistance lors de chargements exceptionnels [39].
La quantité élevée de fer dans sa composition permet à l’acier de se corroder si elle n’est pas protégée. La corrosion est un processus naturel qui convertit un métal raffiné en une forme plus stable chimiquement, telle qu'un oxyde, un hydroxyde ou un sulfure. Il s’agit de la destruction progressive de matériaux (généralement des métaux) par réaction chimique et/ou électrochimique avec leur environnement. Le processus de corrosion s’accompagne d’un don d’électrons (anode), partie qui rouille, vers une zone les reçoit (cathode). Les produits de corrosion peuvent atteindre un volume jusqu’à 7x la taille du volume original [41], ce qui peut entraîner une perte des revêtements. Les revêtements métalliques sont couramment employés pour protéger l’acier où le plus souvent est à base de zinc. Il est possible de combiner des pastilles de zinc, une anode sacrificielle, qui corrodent à la place de l’acier. Des revêtements inorganiques sont également utilisés, tels les revêtements à base de résine d’époxy. La perte de section des pièces métalliques génère, par conséquent, une décroissance de la capacité
portante d’une structure qui peut engendrer une limitation du service offert par l’ouvrage. Alors, inhiber le processus de corrosion fait partie des études des structures en acier durables où à nouveau les conditions d’expositions sont à la source du processus de dégradation.
1.1.2.3.Aluminium
Les propriétés mécaniques de l’aluminium sont similaires à celles de l’acier avec des résistances légèrement inférieures et un module élastique très inférieur à 70 GPa [40], [42]. L’aluminium est très léger par rapport à son confrère avec une densité de 2700 kg/m3 et un coefficient de dilatation thermique pratiquement le double, environ
1.2x10-5/°C, et sa conductivité thermique est supérieur, environ 185 W/m°C [40]. Il
garde une très grande résistance à la fissuration à toutes gammes de température [43] et, même à basse température, est très résilient [40]. Sa capacité de déformation est élevée, permettant d’emmagasiner une importante quantité d’énergie en cas d’impacts.
Dû à sa noblesse, l’application de l’aluminium en contact avec d’autres matériaux (béton, acier, etc.) occasionne un problème de corrosion galvanique, où l’aluminium se sacrifie [40]. Ce type de corrosion s’initie lorsque deux matériaux conducteurs de potentiel de corrosion différent peuvent s’échanger des électrons et des ions. L’échange d’électrons n’est pas possible dans un environnement sans humidité. En même temps, les structures en aluminium sont très résistantes à l’exposition aux intempéries, aux environnements chimiques lui conférant une très grande durabilité. Malheureusement aujourd’hui, les structures en aluminium sont peu nombreuses, limitées par des dilatations thermiques importantes et le coût de fabrication. Cette tendance pourrait changer dans les prochaines décennies, puisque le gouvernement canadien favorise l’exploitation de ce matériau pour de petites structures, passerelles, ponts mobiles, ponts à petites portées, charpentes de bâtiments, etc. Le dimensionnement de ce matériau demande de bien connaître les changements de température et de bien isoler la structure d’aluminium des autres matériaux, ce qui est, pour le premier paramètre, relié à la connaissance des sollicitations climatiques.
1.1.2.4.Béton
Le béton est le matériau artificiel le plus utilisé par l’homme. Ce matériau est un mélange de granulats, de l’eau et de ciment Portland. Un béton ordinaire a une densité spécifique de 2400 kg/m3 avec une résistance à compression de 20 à 40 MPa à 28 jours [44].
Typiquement, la résistance à la traction est entre 10 et 15% de la résistance à compression et le module d’élasticité d’un béton ordinaire est d’environ 40 GPa.
À la base, le béton est un matériau hétérogène où la microstructure joue un rôle primordial dans la compréhension des différents modes de transport à son intérieur. La période de durcissement du ciment s’accompagne d’une consommation d’eau et d’une production de chaleur, appelée « hydratation du ciment ». La porosité dans le béton se forme également lors de cette étape de durcissement. Le volume molaire des produits d’hydratation est inférieur au volume molaire de l’eau et du ciment anhydre participant à la réaction, phénomène appelé « contraction Le Chatelier » [44]–[46]. À cause du retrait chimique, l’eau n’occupe plus tout le volume disponible, ce qui génère une phase gazeuse d’eau plus de l’air à l’intérieur du matériau. Une variabilité des propriétés du béton est présente selon la profondeur depuis la surface.
La perméabilité du béton est très importante pour l’évaluation de la durabilité d’une structure en béton (progression de l’eau, du gaz carbonique, de différents ions, etc.). Cette caractéristique dépend de la porosité du matériau ainsi que son degré de fissuration. La porosité dans les bétons peut être représentée par un espace vide ou un réservoir où l’eau, les ions et le gaz peuvent être stockés. L’accessibilité à ces pores dépend de la connexion des pores entre eux au substrat. Ainsi, un béton peut avoir une très grande porosité avec très peu de connexions entre les pores, par exemple les bétons confectionnés avec des entraîneurs d’air [47]. Et dès lors, un processus naturel de diffusion d’ions, de dissolution ou de précipitation (échange chimique avec la pâte de ciment et les granulats) se met en place et change le milieu aqueux dans lequel le béton se trouve.
Le transport des ions (chlorures, sulfates, etc.) se fait des régions de plus forte concentration vers les régions de concentration moindre à travers d’un gradient de
concentration, appelé diffusion. Le transport des ions en solution par diffusion est le résultat de leur agitation thermique. Cette agitation produit une suite de collisions aléatoires entre les particules qui a pour effet de les disperser vers des régions de la solution où la concentration est plus faible. Le coefficient de diffusion à l’intérieur du béton est fonction de la température, perméabilité, saturation, etc. [48].
Figure 10 - Test montrant les forces capillarité
Le processus de diffusion peut être accéléré avec un processus de succion capillaire lorsque l’eau liquide arrive en contact avec la surface du béton. Les ions à l’intérieur des interstices du béton subissent également cette accélération par un processus de convection où les ions sont simplement entraînés par le mouvement de l’eau. La succion capillaire est mise en évidence par un essai simple où l’on place un tube dans un récipient d’eau (Figure 10). Les pores du béton peuvent être représentés par le rayon du tube (r) et une montée capillaire (h) est observée grâce aux tensions de surface (σ). Ces tensions varient en fonction de la température et des types de fluides en contact (Tableau 1). La force résultante, provoquant cette montée capillaire, est la tension capillaire (Fσ), fonction du diamètre des pores (r) et du poids (Fg) du liquide ou du volume
de fluide déplacé, de la densité du fluide (ρ) et de la force de la gravité (g).
À travers de l’équilibre des forces, le poids (Fg) du volume déplacé doit être égal à la
tension de surface composée à la verticale (Fσ,y). Ainsi, la montée capillaire h (m) est
ℎ =2𝜎 cos 𝜃 𝜌𝑔𝑟
(5)
Lorsque la taille des pores diminue, la tension capillaire augmente. La montée capillaire (h) est donnée dans le Tableau 1 en utilisant l’hypothèse de contact parfait de la surface (θ=0) entre l’eau et l’air à 20°C pour différents rayons (r).
Tableau 1 - Tension de surface en fonction de matériaux et de la température [49] (gauche); montée capillaire (h) en fonction du rayon des pores (droite)
Fluides Temp. (°C) σ (N/m) Rayon h (cm)
Eau/air 5 0.0749 1 cm 0.15
10 0.0742 1 mm 1.5
20 0.0728 1 μm 1484
Pour pallier la faible résistance en traction du béton, des barres d’acier sont placées dans les zones de traction à l’intérieur du béton. Les armatures sont protégées par une couche de passivation, grâce à un pH élevé à l’intérieur du béton. Ce milieu alcalin peut changer proche de ces barres d’armature et si le milieu devient acide, la couche de passivation est éliminée et un processus de corrosion s’amorce en présence d’eau. Cette couche de passivation peut être éliminée par la présence des ions chlorure et/ou par un processus de carbonatation.
Les structures les plus touchées par la carbonatation sont les structures exposées à de fortes concentrations en dioxyde de carbone, telles que les tunnels routiers, les ouvrages urbains ou encore les stationnements souterrains. Le dioxyde de carbone pénètre dans le réseau poreux du béton soit par l’intermédiaire de la phase liquide soit par l’intermédiaire de la phase gazeuse ((6). Selon l’état de saturation du béton, le dioxyde de carbone pourra donc pénétrer plus facilement à travers les pores du béton. Il se dissout ensuite dans la solution interstitielle du béton et réagit avec certains hydrates ((7) dans le substrat [44]–[46].
𝐶𝑂2+ 𝐻2𝑂 ↔ 𝐶𝑂3−2+ 2𝐻+ (6)
La consommation de la réserve de basicité constituée par Ca(OH)2 (portlandite) par le
processus de carbonatation a notamment pour effet d’abaisser le pH d’environ 13 à 8,5 [44], [45]. Dans le cas du béton armé, la carbonatation entraîne une chute du pH au voisinage des armatures et peut être à l’origine de la dépassivation de la couche protectrice autour de l’acier et de la corrosion de l’acier.
La pénétration des ions de chlore est une des causes majeures de dégradation des structures en béton armé entraînant une corrosion prématurée des armatures. La dégradation se déroule en trois étapes différentes : diminution de la passivité des armatures, amorçage d’une pile électrochimique et enfin, la dépassivation totale de l’acier, ce qui permet de démarrer le processus de corrosion. Lorsque les ions chlorure sont adsorbés dans la couche de passivation, la valeur du pH diminue à travers une série des réactions chimiques et la couche de passivation se détruit complètement. On peut remarquer que les ions de chlore ne sont pas consommés dans les réactions chimiques, ce qui alimente en continu ce processus de dépassivation dans le temps, voir équation (8) et (9).
𝐹𝑒2++ 2𝐶𝑙−+ 4𝐻2𝑂 → 𝐹𝑒𝐶𝑙2+ 4𝐻2𝑂 (8)
𝐹𝑒𝐶𝑙2+ 4𝐻2𝑂 → 𝐹𝑒(𝑂𝐻)2+ 2𝐶𝑙−+ 2𝐻++ 2𝐻2𝑂 (9)
Les produits de corrosion de l’acier sont très expansifs à l’intérieur du béton. Ce processus crée des contraintes très élevées qui fissurent et endommagent le matériau. De plus, la perte de section d’acier dans le béton armé affecte la capacité portante d’un élément. Par conséquent, la corrosion dans le béton armé est très importante, car l’endommagement peut avoir des répercussions en service, éclatement du béton, fissures, etc. voire même structurales, rupture de stationnement, etc.
Le béton, considéré comme un matériau durable et souvent utilisé dans les environnements les plus agressifs, sera utilisé à titre d’exemple dans ce travail pour montrer l’importance des effets de l’exposition sur les ouvrages de génie civil.