SHERBROOKE
Faculte de genie
Departement de genie civil
EVALUATION DE LA PROBABILITE DE CORROSION
DES ARMATURES DANS LES DALLES DE BETON ARME
PAR RADAR
These de doctorat es sciences
Specialite : genie civil
Omar DO US
Septembre 2007
1*1
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RESUME
La majorite des structures en beton arme construites selon les normes des annees soixante
auront une duree de vie de 70 ans. Depuis une dizaine d'annees ces structures ont montre des
signes de fatigue.
Au Quebec, on denombre 4924 ponts sous la responsabilite du ministere des Transports du
Quebec dont environ 80% ont plus de 30 ans. Parmi ces ponts, 2301 necessitent des travaux
de reparation au cours des cinq prochaines annees. Les methodes devaluation de l'etat des
structures conventionnelles destructives dormant une information ponctuelle, a des points
choisis au hasard, sont desuetes. Cette information ne peut pas etre representative de l'etat reel
de la structure.
Le ministere des transports du Quebec a adopte le releve de potentiel de corrosion comme
une technique normalised et efficace a 1'evaluation de l'etat de corrosion des armatures dans la
dalle du beton arme. Mais cette methode represente certains inconvenients. C'est une methode
destructive, couteuse, provoque d'enormes problemes de circulation dans les zones des
grandes agglomerations. Cette methode mobilise durant une journee une dizaine de personne
par structure. Elle necessite le percage des trous dans le cas d'une dalle en beton avec une
couche de revetement et degagement de l'armature pour s'assurer de la continuity electrique et
le branchement de l'equipement de mesures.
Vu le nombre grandissant des structures deficientes, le ministere des transports du Quebec
s'est mis a la recherche d'une procedure devaluation plus rapide, moins couteuse et a grande
echelle, pour limiter des degradations sur ces structures. D'ou son implication dans la Chaire
en auscultation des structures en beton de l'Universite de Sherbrooke.
Parmi les methodes de controle non destructif qui peuvent etre utilisees directement ou
indirectement pour 1'evaluation de l'etat de corrosion des armatures dans les dalles en beton
armees. Le radar par sa mise en ouvre rapide, a grande echelle et a moindre cotit, peut etre une
bonne alternative. Comparativement au potentiel de corrosion le radar necessite la
mobilisation d'une heure de deux personnes sans aucune atteinte a l'integrite de la structure.
Mais la technique radar devait faire une vaste etude de validation en laboratoire et sur le
terrain en la jumelant a d'autres methodes comme le potentiel de corrosion et la resistivite
electrique. Cette derniere est une reference qui acquiere l'unanimite des professionals, et la
resistivite electrique comme un pont de passage entre le radar et le potentiel. Ce sont des
methodes qui peuvent etre influencees par des facteurs communs.
Done, l'objectif de cette recherche est de developper et valider une methode radar
d'auscultation des tabliers de ponts. Cette methode doit dormer des resultats similaires a ceux
du potentiel de corrosion et ne pas engendrer la fermeture des ponts.
Afin de permettre d'acquerir une meilleure comprehension de l'effet des differents
parametres sur les mesures radar, de potentiel de corrosion et de la resistivite electrique, des
travaux de laboratoire ont ete realises sur des differentes dalles en beton armees. Ces travaux
ont permis d'etudier de l'effet des types des betons, des ions chlorure, de l'humidite, du
revetement, la membrane d'etancheite sur la reflexion radar sur le beton. Enfin developper et
valider une approche de traitement des donnees radar alternative.
Les essais radar sont evalues par les reflexions sur la surface et sur la fin de la dalle en
beton. Le premier cas est valable lorsque l'epaisseur minimale de la couche d'asphalte.
L'evaluation de l'epaisseur minimale de la couche d'asphalte et de l'effet de la membrane
d'etancheite ont ete examines dans le cadre de ces travaux.
Les resultats obtenus ont permis l'etablissement d'une methodologie d'auscultation des
dalles de tabliers de ponts. Par sa simplicite de mise en oeuvre, fiabilite des mesures, le cout et
le caractere non destructif, le radar est un outil d'auscultation par excellence a grande echelle.
ABSTRACT
The majority of reinforced concrete structures built to the standards of the sixties will have a life span of 70 years. Over the past decade these structures have shown signs of fatigue.
In Quebec, there are 4924 bridges under the responsibility of the Ministere des transports du Quebec which approximately 80% are over 30 years old. Among these bridges, 2301 need repair in the next five years. The methods of evaluation of the status of conventional structures' destructive providing timely information, at points selected at random, are outdated. This information may not be representative of the true state of the structure.
The Ministere des transports du Quebec adopted a Half-Cell potential standardized and effective technique in the evaluation of the state of corrosion of reinforcement. But this method represents some drawbacks. It is a destructive, expensive, causes-enormous traffic problem in the areas of large cities. This method is mobilizing for one day a dozen people per structure. It involves drilling holes in the case of a concrete slab with a layer of coating and release of the frame to ensure the electrical continuity and connecting equipment measures.
Given the growing number of deficient structures, the Ministere des transports du Quebec went to look for an evaluation procedure faster, low cost and on a large scale, to limit the damage to these structures. Hence his involvement in the Chaire d'ausculation des structures en beton at the Universite de Sherbrooke.
Among the methods of nondestructive testing that can be used directly or indirectly for the assessment of the state of corrosion of reinforcement in concrete. The radar by its rapid implementation, on a large scale and at low cost, can be a good alternative. Compared to the Half-Cell potential radar requires the mobilization of an hour of two persons without any harm to the integrity of the structure.
But the radar technique was to a large validation study in the laboratory and on the ground in the pairing with other methods such as the Half-Cell potential and electrical resistivity. The latter is a reference to acquire unanimously professionals, and the electrical resistivity as a
bridge crossing between the radar and Hlf-Cell. These are methods that can be influenced by common factors.
Therefore, the objective of this research is to develop and validate a method radar testing of bridge decks. This method must yield results similar to those of the Half-cell potential and not cause the closure of bridges.
To help gain a better understanding of the effect of different parameters on the radar measurements, the Half-cell potential and electrical resistivity, laboratory work has been carried out on different slabs off reinforced concrete. This work has enabled the study of the effect of the concrete, chloride ions, moisture, the membrane on the radar reflection on the concrete. Finally develop and validate an approach radar data-processing alternative.
The tests are evaluated by radar reflections on the upper and on the bottum of the concrete slab. The first case is valid if the minimum thickness of the layer of asphalt. The evaluation of the minimum thickness of the asphalt layer and the effect of the membrane were examined in the context of this work.
The results have helped to develop a methodology for testing slabs of bridge decks. In its simplicity of implementation, reliability measures, the cost and the nondestructive character, the radar is a diagnostic tool for large scale.
REMERCIEMENTS
Ce projet rentre dans le cadre d'un partenariat entre la chaire de recherche en auscultation et instrumentation de l'universite de Sherbrooke et le ministere des Transports du Quebec.
Je remercie en premier lieu mes deux directeurs de recherche Gerard Ballivy et Jamal Rhazi de leurs aides, leurs disponibilites, de m'avoir donne l'opportunite de travailler sur ce projet aussi riche et passionnant et de m'avoir accueillie au sein de leur chaire de recherche en auscultation et instrumentation.
J'exprime ma gratitude a monsieur Ballivy pour son aide financier, moral et l'ambiance conviviale et au professeur Jamal Rhazi par son encadrement et sa disponibilite.
Merci a Radhouane Masmoudi d'avoir accepte de presider le jury. Aux membres du jury Kaveh Saleh, Staphane Laurens et Francois Bonne pour leurs remarques et les critiques enrichissantes. A monsieur Patrice Rivard d'avoir rapporte et cordonne les corrections.
Je tiens a remercier les ingenieurs du ministere des transports, monsieur Daniel Bouchard pour son enthousiasme et son aide, monsieur Guy Allaire, monsieur Gilbert Poutin.
Je remercie monsieur Luc Bertrand, a monsieur Sylvain Gosselin et toute son equipe de Geolab, Inc., a Sherbrooke et a Drummondville.
Je tiens a remercier l'equipe du groupe de recherche en auscultation et en instrumentation de 1'Universite de Sherbrooke, et particulierement les membres de l'equipe partant de Janvier 2002.
J'adresse toute mon estime a Danick Charbonneau l'homme a tout faire du groupe. Je le remercie de toute l'aide et la disponibilite au court de temps de la realisation de mes essais de ce projet et tous les projets sur lesquels j'ai travaille durant mon sejour a 1'Universite de
Sherbrooke. Je tiens a le remercier tres amicalement. Merci a tous mes collegues de la chaire et a tout que j'ai cotoye a Sherbrooke.
A tous mes professeurs qui m'ont aide a aller au bout de mes reves depuis le commencement de mes longues etudes (25 ans). A tous les gens que j'ai croises durant ma carriere professionnelle.
Je remercie ma famille, ma mere, mes 4 freres et mes 5 sceurs et mes 41 neveux et nieces que je n'ai pas eu beaucoup de temps a passer avec eux. J'aimerais leur dire que je les porte dans mon coeur ou je suis.
A ma femme, mon amie, ma complice Sylvie Belleau, celle qui m'endure encore je veux dire merci pour les deux beaux enfants que tu m'as donne. Vous serez toujours la raison des rayons les plus resplendissants. Je la remercie de m'avoir endure durant les periodes difficiles. Je la remercie pour ces encouragements et de son support precieux.
A mon amie la plus chere Caroline Dube, je la remercie pour ces corrections, et ces conseils sur la vie et la langue francaise. Qui eveille, de sa facon, ce qu'il y a de plus precieux en moi. Je veux egalement relever sa generosite qui sait specialement bien souligner mes accomplissements.
TABLE PES MATIERES
INTRODUCTION 1 PROBLEMATIQUE CONSIDERED 2
E T U D E S ANTERIEURES 5 OBJECTIFS DES TRAVAUX DE R E C H E R C H E 7
ORGANISATION DE LA T H E S E 8
C H A P I T R E 1
MECANISMES DE LA CORROSION DES ACIERS D'ARMATURES DANS LE BETON 9
1 Role de 1'alcalinite du beton dans la corrosion 12
1.1 Corrosion par carbonatation 12 1.2 Corrosion par intrusion des ions chlorure 13
2 Effet des differents parametres de beton sur la corrosion d'armatures 15
2.1 Type de ciment 15 2.2 Rapport eau/ciment 15 2.3 Ajouts mineraux 16 2.4 Humidite 16 2.5 Porosite 16 2.6 Oxygene 17 2.7 Temperature 17 CHAPITRE 2
TECHNIQUES DE DETECTION DE LA CORROSION DANS LES DALLES DE BETON 18
1 Inspection visuelle 19 2 Potentiel de corrosion 21 3 Resistance de la polarisation lineaire 28
4 Resistivite electrique 33 5 Thermographic infrarouge 40 6 Detection et caracterisation des degradations dans les dalles en beton par radar 42
6.1 Introduction 42 6.2 Historique 42 6.3 Principe de la technique radar 43
6.4 Theorie du RADAR 45 6.5 Parametres electromagnetiques 48
6.5.1 Constante dielectrique 48 6.5.2 Conductivity electrique 49 6.5.3 Attenuation du signal radar 49 6.5.4 Vitesse de propagation du signal radar 50
6.5.5 Frequence de l'onde radar 51 6.6 Facteurs influencant les mesures 51
6.6.1 Rapport eau/ciment 51
6.6.2 Humidite 52 6.6.3 Resistivite 52 6.6.4 Ions chlorure 53 6.6.5 Temperature 53 6.7 Avantages et limites de la technique RADAR 54
6.8 Les differentes approches de traitement des donnees radar sur un pont 54 6.8.1 Approche du ministere des Transports de l'Ontario « DART » 54
6.8.2 Approche de Carter 56 6.8.3 Approche de la compagnie Infrasence 58
6.8.4 Approche de la compagnie Penetradar Corporation 61
6.8.5 Approche de Road Radar 62 6.8.6 Developpements recents 62 6.8.7 Approche de l'Universite de Sherbrooke 63
6.8.8 Norme radar ASTM-D6087-05 63
CHAPITRE 3
PROGRAMME EXPERIMENTAL 64
1 Introduction 64 2 Description des dalles 64
2.1 Effet du type de beton et de la fumee de silice 64 2.1.1 Caracteristiques des dalles A, B, C et C 64
2.1.2 Proprietes des betons 65 2.2 Effet de la teneur en ions chlorure du beton 66
2.2.1 Caracteristiques des dalles D, E et F 66
2.2.2 Proprietes des betons 67 2.2.3 Extraction de la solution interstitielle 67
2.3 Effet de l'epaisseur d'asphalte sur la reflexion radar 68
2.3.1 Caracteristiques des dalles 68 2.3.2 Proprietes du beton 69 2.4 Effet de la membrane d'etancheite sur la reflexion radar 70
2.4.1 Caracteristiques de la dalle 70 2.4.2 Preparation de la dalle 70 2.5 Correlation entre radar, le potentiel, la resistivite electrique des betons
A, B, C, C , D, E, Fet les dalles du viaduc Henri Bourassa 71
a) Criteres de selection des dalles 71
b) Description des dalles 72 3 Caracteristiques des equipements 74
3.1 Systeme radar SIR-20 74 3.1.1 Rapport Signal/Bruit 75 3.1.2 Stabilite des mesures 76 a) Stabilite a court terme 77 b) Stabilite a long terme 77 3.1.3 Repetabilite des mesures 78 3.1.4 Effet des trous dans le revetement bitumineux sur le radar 80
3.2 Systeme de potentiel de corrosion 82
3.2.1 Etalonnage 82 3.2.2 Effet de la resistivite de surface 83
3.2.3 Repetabilite des mesures 83 3.2.4 Effet de l'epaisseur d'enrobage 85 3.3 Systeme de la resistivite electrique 86
3.3.1 Etalonnage 87 3.3.2 Repetabilite des mesures 88
4 Resultats experimentaux 92 4.1 Effet du type du beton et de la fumee de silice 92
4.1.1 Radar 92 4.1.2 Potentiel de corrosion 93
4.1.3 Resistivite electrique 94 4.1.4 Fumee de silice 96 4.2 Effet de la teneur en ions chlorure 97
4.2.1 Radar 97 4.2.2 Potentiel de corrosion 97
4.2.3 Resistivite electrique 97 4.3 Effet de la temperature 98 4.4 Effet de la teneur en humidite relative 98
4.4.1 Dalles de differents types de beton ( AB C C ) 99
a) Radar 99 b) Potentiel de corrosion 100
c) Resistivite electrique 101 4.4.2 Dalles de differentes teneurs en ions chlorure (DEF) 101
a) Radar 101 b) Potentiel de corrosion 101
c) Resistivite electrique 103 4.4.3 Dalles prelevees sur le viaduc Henri - Bourassa (HB) 103
a) Radar 103 b) Potentiel de corrosion 103
c) Resistivite electrique 104 4.5 Effet de l'epaisseur de revetement sur les reflexions radar sur le beton 105
4.5.1 Attenuation dans la couche d'asphalte 106
4.5.2 Epaisseur minimale 107 4.6 Effet de la membrane d'etancheite sur les reflexions radar sur le beton 108
4.6.1 Cas 1 - membrane entre l'antenne et une plaque metallique 109 4.6.2 Cas 2 - membrane entre l'antenne et la dalle en beton 109 4.6.3 Cas 3 - D a l l e en beton arme avec et sans membrane 111
4.7 Conclusion 112 4.7.1 Correlation de la reflexion radar - potentiel - resistivite 112
a) Effet des types de beton 112 b) Effet des ions chlorure 112 5 Validation sur les structures 114
5.1 Objectifs des travaux sur site 114 5.2 Description des structures 114
5.3 Essais 115 5.4 Resultats 116 5.4.1 Structure P-14799W 116 a) Radar 116 b) Potentiel de corrosion 116 c) Resistivite electrique 117 5.4.2 Structure P-14774W 118 a) Radar 118 b) Potentiel de corrosion 118 c) Resistivite electrique 119
5.4.3 Structure P-15500W 121 a) Radar 121 b) Potentiel de corrosion 121 c) Resistivite electrique 123 5.4.4 Structure P-14925W 123 a) Radar 123 b) Potentiel de corrosion 123 c) Resistivite electrique 124 5.4.5 Structure P-14929E 124 a) Radar 124 b) Potentiel de corrosion 125 c) Resistivite electrique 126 5.4.6 Structure P-14927W 126 a) Radar ' 126 b) Potentiel de corrosion 126 c) Resistivite electrique 127 5.4.7 Structure P-l4919E 128 a) Radar 128 b) Potentiel de corrosion 128 c) Resistivite electrique 129 5.4.8 Structure P-14922W 130 a) Radar 130 b) Potentiel de corrosion 130 c) Resistivite electrique 130 5.4.9 Structure P-09780 131 a) Radar 131 b) Potentiel de corrosion 131 c) Resistivite electrique 132 5.4.10 Structure P-3810K 133 a) Radar 133 b) Potentiel de corrosion 133 c) Resistivite electrique 133 5.4.11 Dalle de stationnement Novatech 135
a) Inspection visuelle 136
b) Radar 136 c) Potentiel de corrosion 137
d) Resistivite electrique 138 5.4.12 Dalle de stationnement Hotel Classique 139
a) Radar 140 b) Potentiel de corrosion 140 c) Martelage 141 d) Resistivite electrique 142 f)Carottage 142 e) Ions chlore 142 C H A P I T R E 4
ANALYSES DES RESULTATS 146
1 Effet des types de beton et de la fumee de silice 146
3 Effet de la temperature 147 4 Effet de la teneur en humidite relative 148
4.1 Dalles de differents types du beton et la teneur en ions chlorure ABCCDEF148
4.2 Dalles HB 149 5 Effet de l'epaisseur du revetement sur les reflexions radar sur le beton 149
6 Effet de la membrane d'etancheite sur les reflexions radar sur le beton 149 7 Correlation des mesures radar - potentiel de corrosion - resistivite electrique 150
7.1 Reflexion radar- potentiel de corrosion - resistivite electrique 150
7.1.1 Effet des types de beton 150 7.1.2 Effet des ions chlorure 150 7.1.3 Validation sur les structures 150
CHAPITRE 5
CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS 155
LISTE DES FIGURES
Figure 1 Zones d'attaque par les ions chlore [PRITCHARD, 1992] 2 Figure 1.1 Diagramme d'equilibre potentiel - pH du systeme Fer-eau, a 25°C
[POURBAIX, 1974] 10 Figure 1.2 Conditions thermodynamiques du diagramme d'equilibre potentiel-pH
du systeme Fer-eau, a 25°C [POURBAIX, 1974] 10 Figure 1.3 Mecanisme de la corrosion des aciers d'armature par carbonatation
dans le beton 11 Figure 2.1 Equipement d'inspection visuelle 19
Figure 2.2 Principe de mesure du potentiel de corrosion sur une dalle d'un tablier
depont 21 Figure 2.3 Influence du recouvrement sur les mesures de potentiel de corrosion
[ELSENER et al., 1990] 23 Figure 2.4 Mesure de courant Ip pour produire un faible changement dans AE, et
procedure de mesure de la polarisation lineaire au laboratoire 29 Figure 2.5 Mesure de la resistivite electrique du beton avec la technique de
Wenner 34 Figure 2.6 Courbe de correction de la resistivite en fonction de la temperature
[WOELFL et al., 1979] 39 Figure 2.7 Augmentation de la resistivite electrique avec l'age du beton pour
differents rapports E/C [HOPE et al., 1985] 40
Figure 2.8 Essai radar sur un tablier de pont 44 Figure 2.9 Resultat radar sur un tablier de pont avec une antenne de 1,5 GHz,
1) onde directe, 2) demi-cycle, 3) reflexion sur le beton, 4) reflexion sur la premiere rangee d'armatures et 5) reflexion sur la deuxieme
rangeed'armatures 44 Figure 2.10 Comportement du champ electromagnetique sous l'effet du champ
electrique (BONN et COCHON, 1992) 46 Figure 2.11 Approche du ministere des Transports de l'Ontario « DART » 55
Figure 2.12 Approche de Carter, a) donnees brutes et b) alignement par
rapport a la reflexion sur le beton 56 Figure 2.13 Approche de Carter, a) beton sain, b) Beton degrade 57
Figure 2.14 Approche de Carter, a) absence de la delamination,
b) presence de la delamination 57 Figure 2.15 Representation des resultats selon l'approche de Carter 58
Figure 2.16 Approche DECAR, a) constante dielectrique en fonction de la distance
et b) cartographie du tablier ausculte 60 Figure 2.17 Mesure de la vitesse de propagation a l'aide des antennes couplees au
sol, a) configuration des mesures et b) mesure de la duree de
propagation entre les deux recepteurs (TR1 et TR2) 62 Figure 2.18 Approche developpee par l'universite de Sherbrooke 63
Figure 3.1 Description des dalles A, B, C et C 65 Figure 3.2 Description des dalles D, E et F 66 Figure 3.3 Photo des dalles en escaliers As-2, As-1 et As-3 avec la couche du
revetement 68 Figure 3.4 Description de la dalle en escalier As-1 69
Figure 3.5 Dalle de la membrane a) avant la pose de la couche de revetement et
b) apres la pose de la couche de revetement 70 Figure 3.6 Description de la dalle de la membrane 71 Figure 3.7 Mesures de potentiel de corrosion, realisees sur la structure en service
P-9710 du viaduc Henri-Bourassa et localisation des dalles HB1,
HB2, HB3 et HB4 72 Figure 3.8 Description de dalle HB3 73 Figure 3.9 Systeme radar SIR-20 de GSSI 74 Figure 3.10 Signal du test de calcul du rapport S/B par une antenne 1,5 GHz 76
Figure 3.11 Variation des amplitudes de reflexion et de l'onde directe sur une
plaque metallique en fonction du temps d'acquisition 78 Figure 3.12 Point de repetitivite des mesures sur les dalles A, B, C, C , D, E et F 79
Figure 3.14 Cartographie de la reflexion radar sur le beton de la dalle HB4 avant et apres le percage des trous de mesures de potentiel et de la resistivite
electrique 81 Figure 3.15 Leve de potentiel de corrosion sur une dalle de tablier de pont 82
Figure 3.16 Resultats des tests de fiabilite et de stabilite des mesures de potentiel
de corrosion , 83 Figure 3.17 Repetevite des mesures de potentiel de corrosion sur les dalles A, B,
C, D, E et F 84 Figure 3.18 Resultats de la repetabilite et la stabilite des mesures de potentiel de
corrosion sur la dalle HB2 85 Figure 3.19 Effet de 1'epaisseur d'enrobage sur les mesures de potentiel de
corrosion des dalles D, E et F 86 Figure 3.20 Equipements de la resistivite electrique du GRAI 86
Figure 3.21 Repetabilite de mesures de la resistivite electrique sur les dalles C et
HB2 88 Figure 3.22 Repetabilite des mesures de la resistivite electrique sur des dalles A,
B, C, D, E et F 89 Figure 3.23 Evaluation des effets des parametres geometriques sur les mesures de
la resistivite sur la dalle HB-2 90 Figure 3.24 Essais et resultats d'evaluation des effets du revetement, de
l'armature, 1'epaisseur d'enrobage et de bords sur les mesures de la
resistivite electrique 91 Figure 3.25 Mesures radar sur les dalles A, B, C et C avec l'antenne de 1,5 GHz,
a) sur la couche d'asphalte de 8 cm d'epaisseur, b) posee a la surface et
c) deplacee le long de la dalle 93 Figure 3.26 Configuration des mesures de potentiel de corrosion sur les dalles
A, B, C et C 94 Figure 3.27 Mesures de la resistivite electrique sur les dalles A, B, C et C 95
Figure 3.28 Effets de type de beton et de la fumee de silice sur les mesures,
a) amplitude sur la surface A, B et C, b) amplitude de la fin de la dalle A, B et C, c) potentiel des dalles A, B et C, d) resistivite des dalles A, B et C, e) radar des dalles C et C, f) potentiel des dalles C et C et
Figure 3.29 Effet de la teneur en ions chlorure des dalles A, D, E et F sur les mesures a) amplitude sur la surface (dB), b) Amplitude a la fin de la
dalle, c) potentiel de corrosion et d) resistivite electrique 98 Figure 3.30 Effet de la temperature des dalles A, B, C, C , D, E et F sur les mesures,
a) amplitude radar, b) potentiel de corrosion, c) resistivite electrique et d) temperature des dalles enregistree a 1'interieur et a l'exterieur
de l'entrepot 98 Figure 3.31 Saturation des dalles A, B, C, C , D, E et F 99
Figure 3.32 Variation de la deuxieme serie des mesures en fonction du temps de sechage des betons A, B, C et C , a) amplitude radar, b) potentiel de
corrosion et c) resistivite electrique 100 Figure 3.33 Amplitude radar, resistivite electrique et potentiel de corrosion en
fonction du temps de sechage des dalles D, E et F 102 Figure 3.34 Mesures radar, de potentiel de corrosion et de la resistivite electrique
sur les dalles prelevees HB4 104 Figure 3.35 Amplitude radar (dB) en fonction de I'humidite de beton des dalles
H B 3 e t H B 4 104 Figure 3.36 Amplitude radar sur une plaque metallique en fonction de l'epaisseur
du revetement 106 Figure 3.37 Releve radar contenu en profil sur les dalles As-1, As-2, As-3 107
Figure 3.38 Amplitude de reflexion en fonction de l'epaisseur de la couche
d'asphalte 108 Figure 3.39 Donnees radar de l'essai sur 1'effet de la membrane cas 1 et cas 2 110
Figure 3.40 Amplitude radar des mesures sur des points fixes sur la dalle M 111 Figure 3.41 Cartographie de l'amplitude de reflexion sur le beton normalisee par
rapport acelle de l'onde directe sur des profils lateraux 112 Figure 3.42 Correlation entre a) la resistivite electrique et le potentiel de corrosion,
b) la resistivite electrique et l'amplitude de reflexion radar
c) le potentiel de corrosion et l'amplitude radar des betons A, B, et C ... 113 Figure 3.43 Correlation entre: a) la resistivite electrique et le potentiel de
corrosion, b) la resistivite electrique et l'amplitude de reflexion radar
c) le potentiel de corrosion et l'amplitude radar des betons D, E et F 113 Figure 3.44 Cartographie de la dalle du tablier de P-14799W a) amplitude radar
Figure 3.45 Cartographic de la dalle du tablier de P-14774W a) section radar de la ligne 5 (travee nord), b) potentiel de corrosion (travees Nord et Sud),
c) resistivite electrique (travee Nord) et d) carottes 120 Figure 3.46 Cartographie de la moitie nord de la dalle du tablier de P-15500W
a) sections radar b) potentiel de corrosion c) resistivite electrique et
d) carottes 122 Figure 3.47 Cartographie de la moitie de la dalle du tablier de P-14925W
a) section radar b) potentiel de corrosion c) resistivite electrique et
d) carottes 124 Figure 3.48 Cartographie de la moitie est de la dalle du tablier de P-14929W
a) amplitude radar (dB), b) potentiel de corrosion c) resistivite
electrique et d) carottes 125 Figure 3.49 Cartographie de la dalle du tablier de P-14927W, a) section radar,
b) potentiel de corrosion, c) resistivite electrique et c) carottes 127 Figure 3.50 Cartographie de la dalle du tablier de P-14919W a) amplitude radar
sur le beton (dB), b) potentiel de corrosion c) resistivite electrique et
d) carottes 129 Figure 3.51 Cartographie de la dalle du tablier de P-14922W, a) potentiel de
corrosion b) resistivite electrique et c) carottes 131 Figure 3.52 Cartographie de la dalle du tablier de P-7980, a) Amplitude radar et
b) potentiel de corrosion 132 Figure 3.53 Cartographie radar de la structure P-3810K 134
Figure 3.54 Cartographie de potentiel de corrosion de la structure P-3810K 135 Figure 3.55 Inspection visuelle de la dalle de stationnement Novatech 136 Figure 3.56 Resultats sur la dalle de stationnement Novatech, a) radar, b) potentiel
de corrosion et c) resistivite electrique 138 Figure 3.57 Zone 1 de la dalle de stationnement de l'hotel Classique, Quebec,
a) radar, b) potentiel de corrosion, c) marteau et d) resistivite electrique. 143 Figure 3.58 Zone 2 de la dalle de stationnement de l'hotel Classique, Quebec,
a) radar, b) potentiel de corrosion, c) marteau et d) resistivite
electrique 143 Figure 3.59 Zone 3 de la dalle de stationnement de l'hotel Classique, Quebec,
a) radar, b) potentiel de corrosion, c) marteau et d) resistivite
Figure 3.60 Zone 5 de la dalle de stationnement de l'hotel Classique, Quebec, a) radar, b) potentiel de corrosion, c) marteau et d) resistivite
electrique 144 Figure 3.61 Zone 6 de la dalle de stationnement de l'hotel Classique, Quebec,
a) radar, b) potentiel de corrosion, c) marteau et d) resistivite
electrique 144 Figure 3.62 Zone 7 de la dalle de stationnement de l'hotel Classique, Quebec,
a) radar, b) potentiel de corrosion, c) marteau et d) resistivite
electrique 145 Figure 3.63 Zone 8 de la dalle de stationnement de l'hotel Classique, Quebec,
a) radar, b) potentiel de corrosion, c) marteau et d) resistivite
electrique 145 Figure 4.1 Correlation empirique entre les mesures de potentiel de corrosion et la
resistivite electrique du beton 154 Figure 4.2 Correlation theorique entre les mesures de l'attenuation radar et la
resistivite electrique du beton 155 Figure 4.3 Correlation entre les mesures de l'attenuation radar et le potentiel de
LISTE DES TABLEAUX
Tableau 1 Relation entre les mecanismes de deterioration et les mecanismes du
transfert de masse dans le beton [PAROT, 1988] . 3 Tableau 1.1 Concentration des ions chlore par poids de ciment
[MAILVAGANAM, 1992] 14 Tableau 2.1 Interpretation des resultats de l'inspection visuelle
[ASTM-D-45 80-92] 20 Tableau 2.2 Relation entre les valeurs de potentiel de corrosion et la probabilite de
corrosion de Facier d'armature dans le beton [ASTM 876-99] 22 Tableau 2.4 Vitesses de corrosion mesurees au laboratoire et sur site
[TACHE, 2001] 31 Tableau 2.5 Interpretation des mesures de resistivite electrique 35
Tableau 2.6 Valeur de la constante dielectrique des materiaux [LAURENS, 2002] 52
Tableau 2.7 Valeurs de Rl et R2 de l'approche de traitement DART 56
Tableau 3.1 Proprietes des melanges A, B, C et C .- 65 Tableau 3.2 Proprietes des melanges D, E et F 67 Tableau 3.3 Solution interstitielle et resultats des analyses chimiques des dalles
D, E et F 68 Tableau 3.4 Proprietes des melanges des dalles en escalier 69
Tableau 3.5 Dimensions des dalles HB 73 Tableau 3.6 Caracteristiques du systeme radar sir-20 [User's Manual (GSSI)] 75
Tableau 3.7 Repetabilite de la moyenne des mesures radar sur les dalles
A, B, C, C \ D, E et F 79 Tableau 3.8 Caracteristiques des equipements de la resistivite electrique 87
Tableau 3.9 Parametres etudies et la serie de dalles correspondantes 92 Tableau 3.10 Probabilite de corrosion selon la norme [ASTM C876 + MTQ] en
fonction de l'amplitude radar sur la surface du beton 114 Tableau 3.11 Description et caracteristiques des structures auscultees 115
Tableau 3.12 Donnees de potentiel de corrosion et de la resistivite electrique
P-09780 132 Tableau 3.13 Donnees de potentiel de corrosion et de la resistivite electrique
P-3810K 133 Tableau 3.14 Recapitulatif des resultats radar sur les structures en service 152
Tableau 3.15 Recapitulatif des resultats de mesures sur les zones auscultees de la
ABREVIATION
CRSNG Conseil de Recherche en Sciences Naturelles et en Genie du Canada MTQ Ministere des Transports du Quebec
GRAI Groupe de Recherche en Auscultation et en Instrumentation RADAR RAdio Detection And Ranging
GPR Groung Penetrating Radar
GGBFS Ground granulated blast-furnace slag NDT Non destructive testing
CND Controle non destructif
GSSI Geophysical Survey Systems Inc SIR-20 Subsurface Interface Radar
DART Deck Assessment by Radar and Thermography MTO Ministere des transports de l'Ontario
ASTM American Society for Testing and Materials, Commuty
RILEMTCEMC Reunion Internationale des Laboratoires d'Etude sur les Materiaux -Technical Committee - Electrochemical Techniques for Measuring Metallic Corrosion
HR Humidite relative (%) pH Potentiel Hydrogene I Flux de courant
AU Cellule de voltage dans le macro element (anode -cathode) RE Resistance electrique du beton
RA Resistance de la reaction anodique Re Resistance de la reaction cathodique icorr Densite de courant de corrosion en A/cm
Rp Caracteristique des courbes de polarisation (Q.cm2) Rpapp Resistance apparente de polarisation
Ip Courant de polarisation (A) B Constante egale a 26 mV Ppit, Perte de section des armatures Px Profondeur de la piqure de corrosion
2
Icorr Vitesses de corrosion (pA/crri )
EA Taux de corrosion
A Surface de contact electrode - echantillon (cm2) R Resistance (£1)
L Longueur de l'echantillon (cm) D Diametre du disque (cm) J Flux electrique (N.m /Coulomb) V Potentiel electrique (V)
I Intensite de courant injection ponctuelle du materiau p Resistivite electrique (£Xm)
r Distance de la source de courant (o Pulsation de l'onde (rad/s) egale a 27tf f Frequence
e Constante dielectrique (F/m)
\x Permeabilite magnetique du milieu ( H/m) o Conductivite electrique du milieu (S/m)
eo Constante dielectrique du vide (8,85 10e"'2 Farad/m) er Constante relative au milieu (er = e/eo)
Ho Permeabilite du vide (4;il0"7 (henry/m)
R12 Coefficient de reflexion a 1'interface de deux milieux de constantes dielectriques differentes
T|,2 Coefficient de transmission V2 Vitesse du milieu 2
3d Densite de courant de deplacement (A/m ) E C h a m p electrique (V/m)
e Permittivite dielectrique (F/m)
J=oeE Densite totale de courant
Ar Amplitude du signal reflechi
Am Amplitude du signal reflechi par la surface de l'echantillon
Aasphaite Amplitude de reflexion sur la couche d'asphalte
R2 Rapport de 1'amplitude de reflexion sur le beton par rapport a l'amplitude de reflexion sur l'asphalte
Jc Densite de courant de conduction (A/m~)
E Champ electrique (V/m) o Conductivite electrique (S/m)
o Partie reelle de la conductivite electrique a"(co) Partie imaginaire de la conductivite electrique
/ Longueur d'onde de rayonnement (/ < k~l - XI2K)
CT(W) Pulsation (Hz) (co = Irf)
V Vitesse de propagation de l'onde electromagnetique dans le milieu c Vitesse de propagation de l'onde electromagnetique dans le vide e r Constante dielectrique relative du milieu
X Longueur d'onde (m) ( A = V/f ) e(co) Permittivite complexe £{co) = £'—ie"n
es Constante dielectrique a basse frequence Eoo Constante dielectrique a haute frequence T Temps de relaxation (s)
o0 Conductivite en DC (S/m)
Ab Amplitude de reflexion a l'interface asphalte-beton R1 Rapport des amplitudes B / A
R2 Rapport des amplitudes C / A
A Amplitude de reflexion a l'interface air - asphalte Gb Constante dielectrique du beton au point considere ea Constante dielectrique de l'asphalte
R Rapport de l'amplitude de reflexion a l'interface asphalte-beton sur amplitude de reflexion a l'interface air-asphalte
F Constante a Attenuation du signal radar / Degre de saturation
Es Amplitude du champ electrique du beton sature Ad Amplitude de l'onde directe
Am Amplitude du signal reflechi sur la plaque metallique
An Amplitude moyenne du bruit definie par 1'amplitude maximale entre la reflexion
S/B Signal / Bruit
E/C Rapport eau sur ciment
ST Stabilite du signal radar a court terme SL Stabilite du signal radar a long terme
Amax Amplitude maximale des reflexions sur la plaque des 100 signaux Amin Amplitude minimale des reflexions sur la plaque des 100 signaux Amoy Amplitude moyenne des reflexions sur la plaque des 100 signaux Amax Amplitude maximale de 120 signaux
A20 Amplitude du signal a la 20eme minute Adirecte Amplitude de l'onde directe
INTRODUCTION
Devant l'ampleur des degats constates sur les structures en beton, les choix economiques actuels des societes industrielles sont orientes vers la sauvegarde et la reparation des structures existantes plutot que vers la demolition et la construction de nouvelles structures. Cette solution necessite toutefois des couts tres eleves qui sont en accroissement constant. La commission Johnson sur l'effondrement du viaduc de la concorde recommande au gouvernement du Quebec d'envisager un effort budgetaire d'au moins un demi-milliard de dollars canadien par annee durant une decennie, s'il veut relever l'indice d'etat des ponts a un niveau acceptable.
Alors que les exigences pour des infrastructures en bon etat augmentent, les fonds disponibles ne permettent pas d'investissements illimites pour la reparation de toutes les infrastructures en service. Le probleme majeur auquel tous les pays ont ete confrontes est l'identification d'une methodologie qui permettrait d'investir dans leurs infrastructures de la maniere la plus efficace qui soit. Le concept de la gestion des structures (ponts, chaussees, barrages, etc.) a ete mis de l'avant ces dernieres annees pour resoudre, de facon economique et durable, les nombreux problemes lies a la securite et a la perennite des structures. La mise en place d'un tel systeme repose sur la connaissance precise de l'etat actuel des structures. Cette connaissance est essentielle pour identifier les causes, l'etendue et la severite des dommages, pour predire la progression des deteriorations dans le temps et, en definitive, pour fournir un outil d'aide a la decision pour la formulation des meilleurs programmes de reparation. Les techniques d'auscultation sont done extremement importantes pour les gestionnaires de structures. Ces techniques exigent un niveau eleve de precision et de fiabilite pour repondre aux besoins actuels et futurs. Une evaluation erronee peut en effet se traduire par des accidents graves du fait de la non-detection de degradations, ou donner lieu a la perte d'investissements en cas de travaux de reparation ou de renforcement inutiles si les dommages sont surestimes.
PROBLEMATIQUE CONSIDERED
Au Quebec, les facteurs responsables de l'endommagement des dalles des tabliers de ponts de beton arme sont: la carbonatation, la presence des ions chlorure, des sulfates, de dioxyde de carbone, d'oxygene, la reaction alcalis granulats, 1'ecaillage lie aux sels de deglacage, la fissuration interne due au gel, les surcharges mecaniques et les conditions climatiques severes (changement de la temperature et de l'humidite de l'air).
Dans une structure en beton arme, les zones les plus vulnerables exposees au sel sont donnees a la figure 1.
Figure 1 : Zones d'attaque par les ions chlore [PRITCHARD, 1992)
Ces zones se situent au niveau des joints, des drains et des fissures. L'accumulation des solutions riches en ions chlorure ou en sulfate et leurs infiltrations dans le beton cree une reaction entre les composantes du beton et ces elements. Dans ces conditions, la presence de dioxyde de carbone (C02) et d'oxygene (02) provoque la carbonatation et la corrosion des armatures. Ensuite, un transfert de masse en phase liquide et en phase gazeuse a travers les
pores [PARROTT, 1988] peut se produire dans la structure. Le tableau 1 donne la relation entre le type de deterioration, l'agent de transfert et la teneur en humidite relative (HR %).
Done, il est important au cours de la construction des structures en beton arme, de proteger ces zones par un drainage adequat, une etancheite efficace aux joints et a l'interface revetement/beton.
TABLEAU 1 : RELATION ENTRE LES MECANISMES DE DETERIORATION ET LES MECANISMES DE TRANSFERT DE MASSE DANS LE BETON [PARROTT, 1988).
Type de deterioration Carbonatation
Diffusion des ions chlore Corrosion des armatures Attaques des sulfates Attaque des acides Reaction alcalis-granulats Cycle de gel degel Abrasion Mouillage-sechage Agent transports C 02, H20 CI", H20 H20 , 02, cl Sulfates, H20 Acides OLT H20 , sels de glacage H20 H20 Teneur en HR% 30-80 >90 70-99 >90 -80-85 >90
-En plus des zones sensibles a la deterioration de la structure en beton, les charges mecaniques importantes dues a la circulation des camions lourds et les conditions climatiques aggravent le phenomene de deterioration. Ces charges produisent des fissures dans le revetement et la dalle de beton jusqu'au decollement de la couche de revetement, ce qui facilite l'infiltration et la circulation des solutions riches en acides.
Parmi tous les facteurs de degradation des dalles des tabliers de ponts en beton arme cites ci-dessus, la corrosion de l'acier d'armatures est sans conteste le facteur le plus frequent. Elle est la consequence de la carbonatation et la presence des ions chlorure. Ces phenomenes sont acceleres par la presence de l'humide dans le beton.
La corrosion se traduit par l'augmentation du volume de la barre d'acier de 5 a 10 fois le volume initial, creant ainsi de fortes contraintes dans le beton qui finit par se Assurer. Cette fissure situee juste au-dessus de l'armature est appelee la «delamination». En consequence, la corrosion provoque 1'eclatement du beton d'enrobage, la diminution de la section des
armatures, la degradation de l'adherence acier-beton, la diminution des proprietes mecaniques et la capacite portante de la dalle en beton reduisant ainsi la duree de vie de la structure.
La connaissance de l'etat du tablier permet de statuer sur d'eventuelles reparations et ce de facon economique et efficace. II existe plusieurs techniques d'auscultation pour la detection des zones degradees dans les tabliers de ponts [MASER, 1990 et 1996], [CARTER ET AL., 1992, 1995 et 1986], [CHUNG ET AL., 1994], [RHAZI ET AL., 1998, 1999, 2003], [CARINO, 1999] et [LAURENS, 2002 et 2003].
Dans la recherche bibliographique, ces methodes sont regroupees en quatre categories : inspection visuelle et methodes mecaniques (chaine, marteau, etc.), methodes electrochimiques (potentiel de corrosion, resistivite electrique, polarisation lineaire), les methodes electromagnetiques (radar) les methodes thermiques (thermographie infrarouge).
La methode de potentiel de corrosion est actuellement utilisee par le ministere des Transports du Quebec pour l'auscultation des dalles des tabliers de ponts. Malheureusement cette methode est semi-destructive. Elle necessite le percage des trous dans la couche d'asphalte, de s'assurer de la continuite electrique entre les armatures. Sur les veilles structures, cette continuite n'est pas toujours facile a etablir, la connexion des armatures en plusieurs points est obligatoire pour avoir des mesures stables. Mais le probleme majeur qui rencontre le ministere des transports avec cette methode est la fermeture des ponts a la circulation dans les zones de grandes agglomerations et les couts qui engendrent. En plus, cette methode mobilise une dizaine de personnes sur un pont durant une journee.
L'interet majeur du MTQ est de trouver une methode d'auscultation rapide, peu couteuse et qui ne necessite pas la fermeture du pont a la circulation. La technique radar repond parfaitement a ces criteres. Cette methode est utilisee depuis les annees 1970 pour detecter la delamination de beton cause par la corrosion. A la fin des annees 1990 le radar a fait l'objet de plusieurs etudes pour caracteriser l'etat de deterioration des infrastructures en beton. Toutefois, la fiabilite de cette technique n'a jamais fait l'unanimite et son utilisation demeure occasionnelle et optionnelle. La difficulte du radar se definit dans le traitement et 1'interpretation des donnees.
ETUDES ANTERIEURES
Cette etude fait suite aux travaux de controle de l'etat des dalles des tabliers de ponts en beton arme par radar, potentiel de corrosion et resistivite electrique inities en 1997 a l'Universite de Sherbrooke en collaboration avec le ministere des Transports du Quebec [RHAZI et al., 2000], [RHAZI, et al., 1998]. Les travaux realises jusqu'en 2002 ont permis de poser de nombreuses questions sur le rendement et l'apport de la technique radar. Ces travaux ont en particulier ete menes dans le cadre de la these de doctorat de S. Laurens (2002) portant sur l'influence de l'humidite relative du beton sur les caracteristiques du signal radar. Une partie des essais in-situ de cette these a ete realisee sur quelques ponts situes au Quebec.
Habituellement, le radar est utilise pour la detection de la delamination causee par la corrosion de l'acier d'armature. Toutefois, les travaux du GRAI visaient plutot a caracteriser la corrosivite du beton d'enrobage par la detection par radar des variations de la teneur en eau et des ions chlorure dans celui-ci. Ces variations sont obtenues par la mesure de l'intensite de la reflexion des ondes radar a l'interface beton bitumineux-beton de ciment: la reflexion des ondes est plus intense dans le cas d'un beton humide (et done corrosif). Les travaux ont ete completes par une etude sur site dans le but de developper une methode d'interpretation des donnees radar permettant d'identifier les zones a forte probability de corrosion. Elle est basee sur une cartographie de la reflectivite de beton par l'intermediaire d'un Indice de Corrosion Radar (ICR), donne par l'equation (1) de Return Loss.
/Cfl = 20*log1 0(/LMr f) < en(dB) (1)
Ou Ar est l'amplitudede l'onde reflechie a la surface de beton
Ad est l'amplitude de l'onde directe (onde emise)
Les donnees radar ont ete validees lors d'une compagne de terrain par les mesures de potentiel de corrosion. Les resultats de correlation des donnees de 1TCR et des donnees de potentiel de corrosion montrent que le radar peut etre considere comme un nouvel outil d'aide au diagnostic de la corrosion. Ces travaux ont en effet montre que les resultats des releves radar permettent d'identifier les zones de fortes probabilites de corrosion au sein d'une dalle de tablier de pont en beton arme. La similitude entre les resultats radar et les resultats du
potentiel de corrosion a ete attribute au fait que les deux mesures sont reliees a la resistivite electrique du beton.
D'autres travaux menes par la suite en collaboration avec des partenaires industriels de la Chaire sur Vauscultation des ouvrages de beton ont confirme ces resultats [BOUCHER et al., 2000], [DOUS, 2002], [DOUS, et al., 2004], [RHAZI, et al., 2003], [RHAZI et al., 2004], [LAURENS, 2003], [LAURENS, 2002].
Toutefois, il a ete constate que 1'approche visant a detecter les zones de fortes probabilites de corrosion par la mesure de la reflexion des ondes radar a la surface du beton presente certaines limitations. En particulier :
il a ete constate que la valeur de 1'ICR au dela de laquelle la probability de corrosion est forte (valeur equivalente a la valeur du potentiel de corrosion de -350 mV) est variable d'une structure a une autre ;
il n'est pas possible de mesurer l'intensite de la reflexion des ondes radar a l'interface asphalte/beton a cause de l'interference entre l'onde directe et l'onde reflechie.
Ainsi, les conclusions et les recommandations des travaux cites precedemment suggerent une etude plus approfondie de la caracterisation de l'etat du beton par la reflexion du signal radar a l'interface beton - asphalte des dalles des tabliers de ponts
OBJECTIFS DES TRAVAUX DE RECHERCHE
Les methodes de potentiel de corrosion (STRATFULL, 1973], [ASTM C876-99] et la resistivite electrique [MONFORE, 1968], [MILLARD, 1996], [LATASTE, et Al., 2000] ont ete developpees pour 1'evaluation de l'etat de corrosion des armatures dans le beton de tabliers de ponts. Malheureusement, ces deux methodes sont tres lentes et couteuses. Le recours au developpement d'autres methodes plus economiques et plus rapides comme le radar est done avantageux.
Les travaux realises dans le cadre du doctorat de S. Laurens (2002) et des travaux de la Chaire montrent que le radar ne se limite pas a la detection des objets enfouis et aux calculs des epaisseurs, mais peut etre utilise pour limiter les zones ou l'activite de corrosion est tres probable.
Les travaux entrepris dans le cadre de ce projet ont deux objectifs :
a) Acquerir une meilleure comprehension de l'effet des differents parametres sur les mesures radar, de potentiel de corrosion et de la resistivite electrique. Ceci permettrait notamment d'expliquer les limites de l'approche de traitement des donnees radar qui a ete utilisee. Les parametres etudies sont:
• Effet des types des betons (rapports e/c et fumee de silice) • Effet de la teneur en ions chlorure
• Effet de la teneur en humidite
• Effet de l'epaisseur d'asphalte sur la reflexion radar sur le beton
• Effet de la membrane d'etancheite sur la reflexion radar sur le beton.
b) Developper et valider une approche de traitement des donnees radar alternative qui ne souffre pas des limites d'application de la premiere approche developpee.
ORGANISATION DE LA THESE
Le chapitre 1 presente les mecanismes de la corrosion de l'acier d'armature dans le beton et l'effet de differents parametres sur la corrosion.
Le chapitre 2 decrit les techniques de detection et de caracterisation de la corrosion dans les dalles de beton arme et abordera en detail le principe, l'exploitation des resultats, les avantages et les limites de chacune d'elles. Ce chapitre donne aussi une description detaillee de l'utilisation du radar pour l'auscultation des ouvrages d'art en genie civil. II debute par un historique de la methode, suivi par le concept theorique. II aborde ensuite, les applications en genie civil du radar pour la detection des causes de la corrosion des armatures dans le beton et de la delamination. Enfin, il presente les avantages et limites de la methode radar.
Le chapitre 3 presente le programme experimental et la caracterisation des equipements. La caracterisation des equipements concerne le systeme radar SIR-20 de GSSI, les systemes de potentiel et la resistivite electrique. Dans ce chapitre, on examine par l'etude de l'effet des parametres geometriques sur les essais radar, le potentiel de corrosion et la resistivite electrique, suivie par l'effet des parametres physiques du beton.
Le chapitre 4 porte sur les analyses des resultats, soit les essais sur les dalles au laboratoire pour l'etude de l'effet du type de beton, l'humidite, les teneurs en ions chlorures, la temperature sur deux cycles de mouillage sechage. II sera aussi analyse les resultats de l'etude de l'effet de l'humidite sur des dalles recuperees sur un pont demoli et la correlation des mesures sur des structures en service.
CHAPITRE 1
MECANISMES DE LA CORROSION DES ARMATURES DANS LE BETON
La corrosion obeit aux principes de la thermodynamique et de la cinetique electrochimique. L'approche thermodynamique prevoit la possibilite ou non de la reaction de corrosion, tandis que l'approche cinetique permet d'evaluer les vitesses des deux reactions elementaires et par consequent la vitesse globale de la corrosion (dans le cas de corrosion uniforme).
Pourbaix (1974) a montre, a partir des donnees thermodynamiques, que le comportement d'un metal dans un systeme simplifie tel que l'eau a 25°C peut etre prevu a l'aide du trace des diagrammes potentiel-pH. Dans le cas du fer, le diagramme potentiel-pH des systemes Fer-H2O a 25°C fait apparaitre trois domaines (Figure 1.1):
un domaine de corrosion : en solutions neutre et acide, le diagramme prevoit la dissolution du fer avec la formation d'ions ferreux Fe"+ et d'ions ferriques Fe"+, tandis qu'en solution alcaline, le fer est sous forme d'ions ferrate HFeOi.
un domaine de passivite : la corrosion du fer permet la precipitation d'oxydes et/ou d'hydroxydes qui protegent ce materiaux en reduisant considerablement la vitesse de corrosion.
un domaine d'immunite ou la forme la plus stable est le metal.
A la vue des diagrammes de Pourbaix du fer, il n'existe aucun pH pour lequel le fer metallique et le fer bivalent (ions ferreux) sont stables en presence de l'oxygene et/ou de CI. Par consequent, si de l'eau contenant l'un de ces deux oxydants est mis en contact avec du fer metallique, l'oxydation de ce dernier en fer trivalent (ions ferriques) ainsi que la reduction du CI en CI" et de l'oxygene en H2O ou OH" seraient toujours favorisees par la thermodynamique. Cependant, la penetration de dioxyde du carbone ou d'ions de depassivation tel que les ions chlorure peuvent detruire la couche passive et causer une corrosion severe en presence d'humidite et de l'oxygene [POURBAIX, 1974] (Figure 1.2).
3 O o a Q) Potent i 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0 -1,2 -1,4 ""** -». _^ Fe+++ X . H20 H20 Fe++ ^ v H2 F e 2 0 3 Fe304 """--•-Fe ^ ^ ^ H F e O - 2 '/ 10 12 14 16 PH
Figure 1.1 : Diagramme d'equilibre potentiel - pH du systeme Fer-eau, a 25°C [POURBAIX, 1974] 2.0 t 1.6
" h - - .
„ 0.8 > -o.s -1.2 -1.8 Passivation Corrosic A Immunite 6 S pH 10 14 16Figure 1.2: Conditions thermodynamiques du diagramme d'equilibre potentiel - pH du systeme Fer-eau, a 25°C [POURBAIX, 1974]
La corrosion se traduit par un gain ou une perte d'electrons suite a une reaction d'oxydoreduction. L'oxydation est la fixation de l'oxygene sur l'armature suivie par une perte d'electrons alors que la reduction est un gain d'electrons. D'apres [GATZKY, 1984] la corrosion ne peut avoir lieu qu'en presence d'une anode electriquement connectee a une cathode dans une enthalpie libre. L'enthalpie libre permet de savoir si une reaction chimique est thermodynamiquement possible et dans quel sens elle a lieu. Le beton arme est un excellent electrolyte a deux electrodes et a deux reactions.
Les reactions electrochimiques lors de la corrosion de l'acier sont [HANSSON 1984] : • reactions anodiques :
Fe^Fe2++2e~ (1.1)
Fe2++2(OH~) -» Fe(OH)2 (hydroxyde ferreux) (1.2)
4Fe(OH)2+2H20 + 02->4Fe(OH)3 (hydroxyde ferrique) (1.3)
• reaction cathodique :
02 + 2H20 + 4e~ -* 40H~ (1.4)
La poursuite de ces reactions electrochimiques necessite alors la presence de l'oxygene et l'eau. En effet, la corrosion ne peut done avoir lieu dans un beton sec et/ou completement immerge [HANSSON 1995).
f f " i
O, +2//,0+4?~->40tf 2+
Fe —> Fe + 2e
O H" °H" ^ ^ v ^2 + + 2(OH~) ^ Fe(OH)24r~^ °H"
Corrosion par piqurc Corrosion uniforme
^^//m/^mmt/mmm,.
-sss*
Armature
Beton
La figure 1.3 montre que les agents agressifs les plus frequents sont le dioxyde de carbone (CO2) dans 1'atmosphere (carbonatation), les chlorures dans l'eau et les eaux pures (lixiviation). Ces elements conduisent a la diminution du pH de la solution interstitielle et entratnent a la fois la depassivation et la corrosion des armatures. Les produits de corrosion qui se forment font eclater le beton qui assure la protection de l'acier. La penetration des agents agressifs en direction de 1'armature est done facilitee, ce qui se traduit par une augmentation de la vitesse de corrosion. Ensuite, la propagation de la corrosion a l'anode reduit la section effective de l'acier, ce qui reduit par consequent sa capacite de chargement.
1 Role de l'alcalinite du beton dans la corrosion
Les armatures exposees a l'air libre avant d'etre immergees dans le beton se recouvrent d'une fine couche d'oxydation. Au moment de la fabrication du beton, cette couche se transforme en un film d'oxyde passif d'environ de 10"3 a 1 0 ' urn d'epaisseur grace aux conditions alcalines dans les pores du ciment de pH d'environ 13 [TUTTI, 1982],
[ROSENBERG et al., 1989]. Deux facteurs peuvent detruire le film passif: la carbonatation et les ions chlorure.
1.1 Corrosion par carbonatation
La carbonatation est engendree par une reaction entre le dioxyde de carbone (CO2) de fair et la portlandite (Ca(OH)2). Le resultat de cette reaction etant la formation des carbonates de calcium (CaC03) selon la reaction :
Ca(OH)2+C02 -> CaCOj + H20 (1.5)
Le dioxyde de carbone peut-etre dissout et reagit avec la solution interstitielle basique du beton, diminuant ainsi le pH [MINDESS et YOUNG 1981; NEVILLE 1990]. La carbonatation est un phenomene progressif. Sa profondeur depend de la porosite du beton d'enrobage, de la teneur en eau, des teneurs en cendres volantes et des laitiers [TSUKAYAMAR ET AL., 1980].
Lorsque le front de carbonatation atteint l'armature, le pH chute approximativement de 13 a 9 provoquant ainsi une depassivation de celle-ci [SAEKI, et al., 1984]. La corrosion apparait lorsque les ions ferreux Fe2+ reagissent avec les ions OH" pour former de l'hydroxyde ferreux (Fe(OH)?) ou la rouille (Eq. 1.2) (Figure 1.3). La presence de l'oxygene accelere les processus de corrosion par la formation des nouveaux produits expansifs (Eq.1.3).
La presence d'une petite quantite d'ions chlorures dans le beton carbonate augmente le taux de corrosion induite par une basse alcalinite [GLASS et al., 1991).
1.2 Corrosion par instruction des ions chlorure
La presence des ions chlorure dans le beton est le resultat soit de la reaction chimique entre les composantes du beton soit des granulats reactifs contenant du NaCl, de la Halite, des ajouts mineraux (CaCL) utilise comme accelerateur d'hydratation et de sable de mer. Les ions chlorure de l'eau de mer et/ou des sels de deglacages, penetrent dans le beton dependant de la temperature et de l'humidite relative. Les ions chlorures penetrent dans le beton par diffusion ou par convection dans les fissures. Leur penetration depend de la porosite, de la distribution, de la connectivite et des dimensions des pores [CASTEL, 2000].
Ces ions chlorure remplacent progressivement une partie de l'oxygene en augmentant sa solubilite, sa permeabilite et sa conductivite. La couche passive perd sa propriete protectrice lorsqu'il y a concentration critique d'ions chlorure. La corrosion par piqure est alors initiee. Une corrosion severe se produit quand il y a alternance des cycles sec-humide.
Par ailleurs, le resultat de la presence des ions chlorure favorise egalement la formation des chlorures ferreux solubles pour un faible pH a 1'anode. Le FeCl2 est facilement evacue de 1'anode empechant la formation des ions Fe + ce qui pourrait freiner le processus de la corrosion. A quelques distances de l'anode, oil le pH, et O2 sont eleves, FeCh se degrade, Fe(OH)2 et CI" et H+ retournent a l'anode. Ainsi, le processus se produit sans cesse. Au lieu de s'etendre le long de la barre, la corrosion se poursuit localement a l'anode et des piqures profondes se forment. En effet, la presence des ions chlorure contribue a activer la surface de
l'acier pour former une anode et initier la corrosion par piqure. Les reactions se deroulent comme suit :(Eq. 1.6) :
Fe2+ + 2Cl~ - > FeCl2 (1.6)
En presence de l'eau, les ions chlorure, CI", sont recycles avec une acidification locale du milieu, ce qui explique que la rouille ne contient pas de chlorures (Eq. 1.7)
FeCU + 2H20^> Fe(OH)2 + 2HCI (1.7)
Des experiences ont montre que la corrosion s'amorce par une concentration en ions chlore de l'ordre de 0,5% par masse de ciment [MAILVAGANAM, 1992]. Le tableau 1.1 demontre la concentration par masse de ciment des ions chlorures en fonction du risque de corrosion.
TABLEAU 1.1 : CONCENTRATION DES IONS CHLORE PAR POIDS DE CIMENT [MAILVAGANAM, 1992]. Chlorures totaux (%) <0,2 0,2 a 0,4 0,4 a 1,0 >1,0 Risque de corrosion negligeable bas modere eleve
Ex. Norme canadienne beton precontract beton arme (+humidite et ou CI")
beton arme (sec, sans CI")
-% chlorure (soluble) (par masse de beton)
0,06 0,15 1,0
-Lorsque le degre de saturation des pores diminue a environ 60%, il y aura une baisse considerable du taux de corrosion dans le beton contamine d'ions chlorure libre [GONZALEZ, 1993]. Probablement, cette baisse est due a l'effet de la couche de passivation. Au meme temps, ce taux de corrosion augmente, par un ordre de grandeur dans le meme beton, quand le degre de la saturation de pores diminue de 100% a 60%, cause par l'augmentation de la concentration de l'oxygene. Pour un degre de saturation des pores de 60% a 30%, le taux de la corrosion diminue d'une maniere logarithmique avec le degre de la saturation pour un beton qui contient des ions chlorure. En bas de 30%, la resistance electrique du beton devient le facteur qui controle la corrosion [GONZALEZ, 1993]. Dans le cas d'une resistivite elevee du beton l'oxygene n'atteint pas facilement les armatures, donne une vitesse de corrosion faible.
2 Effet des differents parametres de beton sur la corrosion des armatures
Un beton est constitue par un melange d'eau, de ciment, de sable, de granulats et parfois, d'ajouts mineraux et d'acier. La qualite du beton est liee principalement a la qualite de la pate de ciment hydrate formee essentiellement par des hydrates (C-S-H), Ca(OH)2, sulfoaluminates, des grains de ciment non-hydrates, des espaces capillaires et des bulles d'air [PRUCKNER, 2001].
2.1 Type de ciment
L'utilisation du ciment avec une teneur elevee de C3A (3CaO-A1203) est considered comme un resistant a la corrosion car il a 1'habilite de lier chimiquement les ions chlorure par la formation des chloro-aluminates de calcium, 3CaOA12O3CaC1210H2O [FRIEDEL, 1934 et PRUCKNER, 2001].
Cependant, l'attaque du beton par les sulfates provoque la decomposition des chloro-aluminate de calcium et la destruction des liaisons C-S-H. [NEVILLE, 1995]. Par exemple, la reaction chimique des sulfates de sodium (Na2S04) avec la pate de ciment durcie est la
suivante :
Ca(OH)2 + Na2SO4.\0H2O -» CaS04.2H20 + 2NaOH + SH20 (1.8)
Des sulfates fixent les ions chlorures libres par la formation des sulpho-aluminates de calcium [NEVILLE, 1995] qui peuvent contribuer au processus de corrosion (la vitesse de corrosion devient plus importante).
2.2 Rapport eau/ciment
Le rapport eau/ciment exerce une grande influence sur la porosite de la pate de ciment hydrate car il gouverne directement l'espacement initial entre les grains de ciment en suspension dans l'eau de gachage. Plus le rapport E/C est faible, plus les grains de ciment sont rapproches les uns des autres. Les petits grains de ciment reduisent les dimensions et la connectivite des pores ce qui ralenti la carbonatation, l'infiltration des sels et retarde la corrosion.
2.3 Aj outs mineraux
La substitution du ciment par la fumee de silice provoque une augmentation du retrait endogene et une diminution de l'humidite relative interne. La fumee de silice provoque un raffinement des pores, ce qui engendre alors des depressions capillaires plus importantes retardant ainsi la corrosion [BERKEL, 1992].
Les cendres volantes, la fumee de silice et les laitiers diminuent tres significativement le coefficient de diffusion des ions chlorure. Le remplacement de 10% a 20% du ciment par de la fumee de silice peut reduire le coefficient de diffusion de 5 a 10, notamment si le rapport E/C est relativement eleve. L'effet des cendres volantes est d'autant plus grand que le rapport E/C est eleve [WOLSIEFIER, 1991].
2.4 Humidite
L'eau joue un role dominant dans les reactions physico-chimiques dans le beton. Elle gouverne le durcissement, le retrait, la permeabilite, l'immobilite des ions et contribue activement au developpement de la corrosion des armatures.
Une diminution de la teneur en eau permet aux plus gros pores de se vider et laisse penetrer l'air riche en O2 dans le beton. Dans ce cas, la corrosion de l'acier se declenche en la presence d'ions chlorure. En dessous du seuil critique de 6 % en teneur en eau, la corrosion devient negligeable [GONZALEZ et al., 1993]. La teneur en eau joue un role, d'une part sur la composition de la solution interstitielle et la resistivite du beton et, d'autres part sur la capacite de l'oxygene a atteindre les armatures.
2.5 Porosite
Plus le beton est poreux, plus il emmagasine de l'eau libre, plus il est conducteur de courant electrique. La porosite et la permeabilite dependent de la granulomere des constituants et du rapport E/C. L'augmentation de la compacite ou la reduction de la permeabilite du beton augmente sa resistance a la corrosion. Les cendres et la fumee de silice diminuent la permeabilite [PRUCKNER, 2001].
Le rapport E/C d'un beton a l'etat sec affecte la quantite d'eau liee. A cet etat, l'eau n'a aucun effet marquant sur la permittivite du beton [HADDAD et al.,1998]. Toutefois, la porosite et la permeabilite sont generalement tres affectees par le rapport E/C, et Ton considere alors que ce dernier parametre a un effet indirect sur la constante dielectrique [BILALetal., 2006].
2.6 Oxygene
La presence de 1'oxygene accelere le processus de corrosion par la formation de nouveaux produits expansifs (rouille) (Eq. 1.3). La plupart de l'oxygene dans le beton pres de la surface des armatures est consommee par la reaction cathodique (Eq.1.4). Dans le cas de beton en plein air expose a la pluie, il n'y a aucune diminution du taux de la corrosion induite par une diffusion de l'oxygene limitee [RAUPACH, 1996]. Pour un beton completement sature d'eau, le taux de corrosion est limite par la diffusion d'oxygene dissout dans la phase liquide retenue dans les pores.
2.7 Temperature
L'influence de la temperature sur le processus de corrosion se manifeste sur le potentiel de corrosion, la resistivite du beton, le taux de corrosion et le transport des particules [PRUCKNER, 2001]. Ce dernier depend fortement de la viscosite des proprietes physico-chimiques de l'eau des pores. La viscosite diminue exponentiellement avec l'augmentation de la temperature. L'effet de la temperature sur les autres parametres sera discute dans le chapitre 2.
CHAPITRE 2
TECHNIQUES DE DETECTION DE LA CORROSION DANS LES DALLES DE BETON
Les techniques de controle non destructif (CND) permettent d'etablir un diagnostic de la structure sans atteindre son integrite. Sur un tablier de ponts, ces techniques sont basees sur 1'evaluation des proprietes physiques du beton.
Avant chaque projet d'auscultation, une etude de faisabilite doit etre realisee afin de choisir la technique la plus appropriee pour resoudre correctement la problematique. L'evaluation d'une structure comprend six phases 1) l'inspection visuelle, 2) l'analyse des charges, 3) le besoin d'une auscultation, 4) Incorporation de toutes les informations concernant le design, la construction, les materiaux utilises et le sol, 5) etudes d'auscultation anterieures, et 6) mise en place d'une strategic d'auscultation qui tient compte des proprietes physiques, du cofit des materiaux en place, des avantages et des limites des techniques utilisees [McCANN, 2001].
Les techniques de controle non destructif sont classees en cinq groupes [McCANN, 2001] : Les techniques soniques et ultrasoniques. Elles sont basees sur la transmission et la reflexion des ondes mecaniques a travers le beton. Les methodes soniques englobent la tomographic sismique et 1'impact-echo.
Les methodes electromagnetiques : le radar et le pachometre determinent ainsi la position des armatures et l'epaisseur du beton d'enrobage [ALLDRED, 1995].
Les methodes electriques et electrochimiques : la resistivite electrique, la polarisation lineaire, le potentiel de corrosion (sont decrites dans ce chapitre).
La thermographic infrarouge (sera decrite dans ce chapitre) [STANLEY, 1995]. La radiographic [MISHIN, 1997] qui se fait par les rayons X, les rayons gamma et la radiographic de neutron [NAJJAR, 1987].
Ce chapitre donne une description detaillee des principales techniques de controle de l'etat des dalles des tabliers de ponts : la technique de l'inspection visuelle, de potentiel de
corrosion, la resistance de polarisation lineaire, la resistivite electrique, la thermographic infrarouge et le radar. II decrit le principe d'application, les avantages et les limites de chaque methode.
1 Inspection visuelle et a la chaine
L'inspection visuelle consiste a etablir un diagnostic de l'etat du beton a l'aide d'observations de la surface. Des inspections visuelles a partir de l'intrados permettent de localiser les zones d'infiltrations d'eau (riches en sels). Les equipements qui peuvent etre utilises durant une inspection visuelle comprennent le plan de construction, le marteau, la chaine, des jumelles, le ruban a mesurer et la lampe. La figure 2.1 montre les differents equipements utilises au cours d'une inspection visuelle.
Marteau Ruban a mesurer
Figure 2.1 : Equipement d'inspection visuelle
Cette technique est basee sur la norme [ASTM-D-4580-92] de l'entrainement d'une chaine sur le tablier de pont. L'operateur present les zones ou il y a probability de presence de vides (delaminage). La delamination est localisee selon l'echo de la chaine. Pour un beton non delamine la reponse de la chaine a un son grave. Celui de la delamination est creux et emousse, varie selon le vide ou la discontinuity entre le beton et la cavite. Les techniques
![Figure 1.2: Conditions thermodynamiques du diagramme d'equilibre potentiel - pH du systeme Fer-eau, a 25°C [POURBAIX, 1974]](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123doknet/3327290.95904/35.922.128.767.124.1010/figure-conditions-thermodynamiques-diagramme-equilibre-potentiel-systeme-pourbaix.webp)
![Figure 2.3 : Influence du recouvrement sur les mesures de potentiel de corrosion [ELSENER etal., 1990]](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123doknet/3327290.95904/48.922.199.723.507.916/figure-influence-recouvrement-mesures-potentiel-corrosion-elsener-etal.webp)
![Figure 2.6 : Courbe de correction de la resistivite en fonction de la temperature [WOELFL et al., 1979]](https://thumb-eu.123doks.com/thumbv2/123doknet/3327290.95904/64.921.163.758.460.821/figure-courbe-correction-la-resistivite-fonction-temperature-woelfl.webp)
