Exposition environnementale des structures en conditions hivernales sur un réseau routier

Exposition environnementale des structures en

conditions hivernales sur un réseau routier

Thèse

Gilberto Cidreira Keserle

Doctorat en génie civil

Philosophiæ doctor (Ph. D.)

Exposition environnementale des structures en

conditions hivernales sur un réseau routier

Thèse de doctorat

Gilberto Cidreira Keserle

Sous la direction de :

David Conciatori, directeur de recherche

Jean-Marie Konrad, codirecteur de recherche

Préface

Les travaux de maintenance, de réparation ou de remplacement sur le domaine routier occasionnent des nuisances sociétales, des dépenses majeures à la société. Dans le domaine des ouvrages d’art routier, la corrosion des structures en béton armé est une des premières causes de ces travaux de réhabilitation. Le processus de corrosion est relativement bien connu et plusieurs modèles ont vu l’émergence durant les dernières décennies pour quantifier ces processus de détérioration. De plus, l’effet local du climat et surtout l’exposition des structures face à son environnement changent complètement la cinétique des détériorations observées. L’exposition des structures en milieu hivernal est très mal connue et influencée par de nombreux paramètres environnementaux, humains et climatiques.

Dans sa thèse de doctorat, monsieur Gilberto Cidreira Keserle s’est proposé comme objectif d’améliorer les connaissances des paramètres climatiques et environnementaux ou le niveau d’exposition en contact avec toutes les structures (bois, béton, acier, aluminium, etc.) par le monitorage avec une station météorologique à la pointe nommée MexStUL (Valeur de 173 000$ CAD, provenant de la Fondation canadienne pour l'innovation, FCI).

Les éléments originaux traités dans sa thèse comportent le développement d’un nouveau capteur de brouillard, une vaste campagne expérimentale pour déterminer l’incidence de différents types de sel sur le béton, des essais in-situ pour déterminer le lieu géométrique des projections d’eau engendrées par le passage des véhicules et différents modèles pour déterminer une exposition type à partir d’une station météorologique classique. Des approches statistiques ont été utilisées pour croiser les données mesurées pendant un hiver particulier.

Monsieur Gilberto Cidreira Keserle a abordé une quantité importante de sujets dans le domaine de l’exposition des structures, s’intéressant également à l’exposition marine (non inclus dans ce rapport). Une nette amélioration des connaissances sur les actions climatiques et environnementales sur les ouvrages routiers est ainsi apportée. Les résultats sont utiles et nouveaux pour la modélisation des détériorations des structures en milieu hivernal.

Par cette recherche de science de l'ingénieur, Gilberto Cidreira Keserle apporte la preuve de sa maîtrise de méthodes scientifiques, ainsi que de son aptitude à cerner et à résoudre des problèmes complexes de manière indépendante. Je tiens à remercier Monsieur Keserle pour son intérêt, sa curiosité et son engagement pour ce sujet difficile, et je le félicite chaleureusement pour l'excellente qualité de sa recherche.

Résumé

La modélisation de l’impact des différentes méthodes de réhabilitation, en fonction du temps d’initiation des dégradations, est le défi majeur dans le domaine de la durabilité des structures. La durabilité d’une structure est liée directement aux conditions d’exposition influencées par le climat et l’environnement où l’ouvrage est localisé. Selon le degré d’exposition, la vitesse de dégradation des structures peut alors s’accélérer ou être lente.

Ce travail développe une étude approfondie sur l’exposition des structures en condition hivernales, qui comprend l’utilisation des sels de déglaçage. Une enquête a été réalisée pour connaître la quantité de sel utilisée au Québec et au Canada. En complément, les trois types de sel de déglaçage les plus utilisés ont été évalués afin de déterminer sa vitesse de progression dans un béton sous conditions hivernales sévères. Une station météorologique mobile MexStUL, munie des plusieurs capteurs de mesures temporelles, a été développé pour monitorer des conditions d’exposition dans deux sites expérimentaux soumis au climat hivernal rigoureux des années 2018/19. Il a été alors possible de prédire les facteurs climatiques (température, humidité, vitesse et direction des vents, ensoleillement et précipitations) et environnementaux (trafic, condition de route, concentration de sel sur la chaussée, aux éclaboussures et au brouillard salin) relatifs aux conditions d’exposition des structures. Des modèles ont été proposés afin de prédire l’exposition à travers du biais d’une station météorologique mobile ainsi que pouvoir évaluer l’influence spatiale de la concentration de sel de déglaçage. Un nouveau capteur a été développé, mesurant la concentration de brouillard salin sous condition hivernale sévère. Les résultats démontrent une importante variabilité spatiale de concentration pour l’exposition stagnante. Un modèle d’influence spatiale des éclaboussures a été proposé afin de délimiter ce type d’exposition. La concentration du brouillard salin pendant l’hiver montre une évolution importante et un modèle de concentration a été proposé et le volume de brouillard salin pendant l’hiver a pu être estimé.

Mots-clés : exposition, durabilité, sel, eau stagnante, éclaboussure, brouillard salin,

Abstract

Modeling the impact of the various rehabilitation methods, as a function of the initiation time of the damage, is the major challenge in the field of structural durability. The durability of a structure is directly linked to the exposure conditions influenced by the climate and the environment where the structure is located. Depending on the degree of exposure, the rate of degradation of structures can then accelerate or be slow. This work develops an in-depth study on the exposure of structures in winter conditions, which includes the use of de-icing salts. A survey was carried out to find out the amount of salt used in Quebec and Canada. In addition, the three most used types of de-icing salt were evaluated to determine its speed of progression in concrete under severe winter conditions. A mobile weather station MexStUL, designed with several sensors of temporal measures, has been developed to monitor exposure conditions in two different experimental sites on severe winter conditions during 2018/19. It was then possible to predict the climatic (temperature, humidity, speed and wind direction, sunshine and precipitation) and environmental factors (traffic, road condition, salt concentration on road, splashes and salt laden mist) relating to the conditions of exposure of the structures. Models were proposed to predict exposure condition using a meteorological station and evaluation of spatial influence of de-icing salt on different types of exposure as well. A new sensor has been developed, measuring the concentration of salt laden mist under severe winter conditions. Results demonstrate an important spatial variability on stagnant water. A model about spatial influence of brine splashes is proposed to delimit this type of exposure. Airborne concentration during winter climate shows an important evolution and a concentration model is proposed and the volume of salt laden mist is also determined during winter.

Keywords: exposure, durability, de-icing salt, stagnant water, splash, salt laden mist,

Table des matières

Préface ... iii

Résumé ... v

Abstract ... vi

Liste des tableaux ... xi

Liste des figures ... xiii

Dédicaces ... xxii Remerciements ... xxiii Avant-propos ... xxiv Introduction ... 1 1. État de l’art ... 11 1.1. Notions théoriques ... 11 1.1.1. Climat ... 11 1.1.1.1. Température ... 11

1.1.1.2. Humidité dans l’atmosphère ... 12

1.1.1.2.1. Humidité absolue ... 12

1.1.1.2.2. Humidité spécifique ... 12

1.1.1.2.3. Tension de vapeur et tension de vapeur saturante ... 13

1.1.1.2.4. Humidité relative ... 13

1.1.1.3. Précipitation ... 14

1.1.1.3.1. Précipitation liquide ... 15

1.1.1.3.2. Précipitation de neige ... 15

1.1.1.3.3. Précipitation de pluie verglaçante ... 16

1.1.1.4. Vent ... 17 1.1.1.5. Microclimat ... 18 1.1.2. Matériaux de construction ... 19 1.1.2.1. Bois ... 19 1.1.2.2. Acier ... 20 1.1.2.3. Aluminium ... 21 1.1.2.4. Béton ... 22

1.2. Environnement chimique et climatique ... 26

1.2.1. Environnement chimique ... 26

1.2.1.1. Agressivité atmosphérique ... 26

1.2.1.2. Épandage de produits de déglaçage ... 27

1.2.1.3. Environnement souterrain et agricole ... 30

1.2.1.4. Environnement marin ... 31

1.2.2. Exposition des structures aux microclimats ... 32

1.2.2.1. Exposition au brouillard et zone atmosphérique marine ... 33

1.2.2.2. Exposition aux éclaboussures et zone de marnage ... 35

1.2.2.3. Exposition à l’eau stagnante et zone immergée sous-marine ... 37

1.2.3. Répercussions ... 38

1.3. Synthèse de l’état de l’art ... 39

2. Impact des différents types de sel sur les structures en béton ordinaire... 41

2.1. Impact de différents sels de déglaçage ... 42

2.1.1. Matériaux et procédures... 42

2.1.2. Confection et cure des éprouvettes ... 43

2.1.3.1. Porosité ... 44

2.1.3.2. Résistance à la compression ... 44

2.1.3.3. Essai de migration du chlore ... 45

2.1.3.4. Broyage et titration ... 46

2.1.4. Résultats expérimentaux et discussions ... 47

2.1.4.1. Modélisation des résultats ... 47

2.1.4.2. Résultats des essais ... 48

2.1.4.3. Effet des différents types de sel ... 48

2.1.4.4. Effets de la température ... 49

2.1.4.5. Chlorures liés chimiquement au béton ... 50

2.1.4.6. Coefficient de diffusion apparent ... 51

2.2. Consommation du sel au Canada ... 52

2.2.1. Réseau routier canadien ... 53

2.2.2. Réseau routier de la province du Québec ... 54

2.2.3. Villes de la province du Québec ... 54

2.3. Synthèse ... 55

2.3.1. Synthèse de l’effet des différents sels de déglaçage ... 56

2.3.2. Synthèse de la consommation de sel de déglaçage ... 56

3. Monitorage de l’exposition hivernale ... 58

3.1. Appareillage ... 59 3.1.1. MexStUL ... 59 3.1.1.1. Vent ... 60 3.1.1.2. Climat ... 61 3.1.1.3. Trafic ... 61 3.1.1.4. Ensoleillement ... 61 3.1.1.5. Chaussée ... 62

3.1.1.6. Caméra de haute résolution ... 62

3.1.1.7. Système de mesure ... 62

3.1.2. Monitorage complémentaire ... 63

3.1.2.1. Concentration de sel sur la chaussée ... 63

3.1.2.2. Humidité relative, température et pression atmosphérique ... 64

3.1.2.3. Volume des éclaboussures ... 64

3.1.2.4. Influence spatiale des éclaboussures ... 64

3.1.2.5. Brouillard salin ... 64 3.2. Validation et vérification ... 65 3.2.1. MexStUL ... 65 3.2.1.1. Vent ... 65 3.2.1.2. Climat ... 65 3.2.1.2.1. Température de l’air ... 65 3.2.1.2.2. Humidité relative ... 66 3.2.1.2.3. Pression atmosphérique ... 66 3.2.1.2.4. Point de rosée ... 67 3.2.1.2.5. Précipitation ... 67 3.2.1.3. Trafic ... 68 3.2.1.4. Ensoleillement ... 68 3.2.1.5. Chaussée ... 70

3.2.2. Monitorage complémentaire ... 70

3.2.2.1. Concentration sur la chaussée ... 70

3.2.2.2. Humidité relative, température et pression atmosphérique ... 71

3.2.2.3. Volume des éclaboussures ... 72

3.2.2.4. Influence spatiale des éclaboussures ... 72

3.2.2.5. Brouillard salin ... 72

3.3. Résultats ... 73

3.3.1. MexStUL ... 73

3.3.1.1. Vitesse et direction du vent ... 73

3.3.1.2. Climat ... 74 3.3.1.2.1. Température de l’air ... 74 3.3.1.2.2. Humidité relative ... 75 3.3.1.2.3. Pression atmosphérique ... 76 3.3.1.2.4. Point de rosée ... 76 3.3.1.2.5. Précipitation ... 77 3.3.1.3. Trafic ... 78 3.3.1.4. Énergie solaire... 79 3.3.1.5. Chaussée ... 80 3.3.1.5.1. Température de la chaussée ... 80 3.3.1.5.2. Température du sous-sol ... 81

3.3.1.5.3. Concentration de sel sur la chaussée ... 81

3.3.1.5.4. Épaisseur du film d’eau ... 82

3.3.1.6. Caméra de haute résolution ... 83

3.3.2. Monitorage complémentaire ... 83

3.3.2.1. Volume des éclaboussures ... 84

3.4. Modélisation ... 86

3.5. Synthèse ... 86

4. Monitoring the climatic and environmental impact on structures during severe winter periods ... 87 Abstract ... 87 Résumé ... 88 4.1. Introduction ... 88 4.2. Monitoring set-up ... 90 4.2.1. Environmental conditions ... 90 4.2.2. Stagnant water ... 90 4.2.3. Splash exposure... 91

4.2.4. Salt laden mist ... 92

4.3. Observation of the different exposure conditions ... 92

4.3.1. Stagnant water ... 93

4.3.2. Splash exposure... 95

4.3.3. Salt laden mist ... 96

4.4. Analyses of the different exposure conditions ... 97

4.4.1. Stagnant water ... 98

4.4.2. Splash exposure... 100

4.4.3. Salt laden mist ... 102

4.5. Conclusions ... 104

5.1. Sollicitations climatiques et environnementales ... 107

5.1.1. Température ... 108

5.1.1.1. Prédiction de la température de l’air ... 109

5.1.1.1.1. Modèle cyclométrique ... 109

5.1.1.1.2. Modèle de bilan énergétique ... 111

5.1.1.2. Relation entre la température de l’air et de la chaussée ... 114

5.1.1.3. Relation entre la température de la chaussée et le sous-sol ... 115

5.1.2. Vent ... 117 5.1.3. Ensoleillement ... 118 5.1.4. Eau ... 119 5.1.4.1. Humidité relative ... 120 5.1.4.2. Précipitation ... 122 5.1.5. Présence chimique ... 124 5.1.6. Brouillard salin ... 126 5.2. Variabilité Spatiale ... 129 5.2.1. Eau stagnante ... 129 5.2.2. Éclaboussures ... 130 5.2.3. Brouillard ... 131 5.3. Synthèse ... 132 Conclusion ... 134 Bibliographie ... 141

Annexes A - Résultats des essais de laboratoire ... 151

Annexes B - Consommation de sel de déglaçage aux villes du Québec ... 161

Annexes C - Mesures des éclaboussures recueillies... 162

Annexes D - Données mesurées par MexStUL ... 164

Annexes E - Protocole d’extraction de chlorure ... 166

Annexes F - Protocole de titration de profil de chlorure ... 171

Annexes G - Protocole d’extraction de brouillard salin ... 177

Annexes H - Articles de conference I ... 181

Annexes I - Articles de conférence II ... 188

Liste des tableaux

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) ... 24

Tableau 2 - Concentration de gaz carbonique ... 27

Tableau 3 - Composition de l’eau de mer de référence (salinité 35ppt) [63] ... 31

Tableau 4 - Effet de la dégradation sur les matériaux [80] ... 37

Tableau 5 - Type d'exposition et dégradation [80] ... 38

Tableau 6 - Caractéristiques physiques (gauche) et chimiques (droite) du ciment GU utilisé ... 42

Tableau 7 - Analyse granulométrique des granulats grossiers (gauche) et fins (droite) 43 Tableau 8 - Détail des recettes de béton ... 44

Tableau 9 - Essai de porosité, résultats selon ASTM C642 [85] ... 44

Tableau 10 - Essai de résistance à compression... 45

Tableau 11 - Quantité de chlorure de sodium utilisée sur les chaussées au Canada .... 53

Tableau 12 - Quantité de chlorure de sodium utilisée sur les chaussées au Québec .... 54

Tableau 13 - Quantité de chlorure de sodium utilisée sur les chaussées dans plusieurs grandes villes au Québec ... 55

Tableau 14 - Standards actuels sur la durabilité des structures en béton ... 106

Tableau 15 - Albedo des principaux types de surfaces ... 112

Tableau 16 - Résultats de chlorure de sodium à 21o_{C au à la recette A ... 151}

Tableau 17 - Résultats de chlorure de sodium à 4o_{C au à la recette A ... 151}

Tableau 18 - Résultats de chlorure de sodium à -1o_{C au à la recette A ... 151}

Tableau 19 - Résultats de chlorure de calcium à 21o_{C au à la recette A ... 152}

Tableau 20 - Résultats de chlorure de calcium à 4o_{C au à la recette A ... 152}

Tableau 21 - Résultats de chlorure de calcium à -1o_{C au à la recette A ... 152}

Tableau 22 - Résultats de chlorure de magnésium à 21o_{C au à la recette A ... 152}

Tableau 23 - Résultats de chlorure de magnésium à 4o_{C au à la recette A ... 153}

Tableau 24 - Résultats de chlorure de magnésium à -1o_{C au à la recette A ... 153}

Tableau 25 - Résultats de chlorure de sodium à 21o_{C au à la recette B ... 153}

Tableau 26 - Résultats de chlorure de sodium à 4o_{C au à la recette B ... 153}

Tableau 27 - Résultats de chlorure de sodium à -1o_{C au à la recette B ... 154}

Tableau 29 - Résultats de chlorure de calcium à 4o_{C au à la recette B ... 154}

Tableau 30 - Résultats de chlorure de calcium à -1o_{C au à la recette B ... 154}

Tableau 31 - Résultats de chlorure de magnésium à 21o_{C au à la recette B ... 155}

Tableau 32 - Résultats de chlorure de magnésium à 4o_{C au à la recette B ... 155}

Tableau 33 - Résultats de chlorure de magnésium à -1o_{C au à la recette B ... 155}

Tableau 34 - Coefficient de diffusion apparent au à la recette A ... 155

Tableau 35 - Coefficient de diffusion apparent au à la recette B... 156

Tableau 36 – Erreur quadratique moyenne racine pour la recette A ... 159

Tableau 37 - Erreur quadratique moyenne racine pour la recette B ... 159

Tableau 38 - Masse récoltée de liquide (gauche) et de solide (droite) à 40 km/h ... 162

Tableau 39 - Masse récoltée de liquide (gauche) et de solide (droite) à 50 km/h ... 162

Tableau 40 - Données mesurées par MexStUL ... 164

Tableau 41 - Quantité de solution acide ... 168

Liste des figures

Figure 1 - Dépenses en construction au Canada entre 2000 et 2010 [7] ... 1

Figure 2 - Étapes de la vie de service d’une structure béton affectée par la corrosion, adapté de [9] ... 2

Figure 3 - Évolution des ouvrages d'art à Québec [11] ... 3

Figure 4 - Investissements aux ouvrages d'art à Québec [11] ... 4

Figure 5 - Impact de la réhabilitation sur la vie utile des structures [13] ... 5

Figure 6 - Conception durable des nouveaux ouvrages [13] ... 5

Figure 7 - Concentration en chlorure en fonction de la hauteur par rapport à la chaussée [23] ... 7

Figure 8 - Tension de vapeur saturante de l’eau en fonction de la température [27] .. 13

Figure 9 - Profil vertical de température associé au différent type de précipitation hivernale ... 17

Figure 10 - Test montrant les forces capillarité ... 23

Figure 11 - Température eutectique en fonction de la concentration eutectique [52] 28 Figure 12 - Carte de corrosivité de l'Amérique du Nord montrant l'agressivité particulière de la région « Snow belt ». Adapté de [53] ... 29

Figure 13 - Schéma d’une structure de béton armé exposée à l’eau de mer. Adapté de [44] ... 32

Figure 14 - Schéma de la création du brouillard salin et de la projection des éclaboussures ... 34

Figure 15 - Teneur en eau des échantillons de béton après des cycles de mouillage-séchage [77] ... 36

Figure 16 - Schéma de performance d’une structure ... 40

Figure 17 - Application d’un adhésif époxy sur les éprouvettes de béton... 45

Figure 18 - Illustration de l'échantillon avec une partie extraite au centre ... 46

Figure 19 - Comparaison des concentrations en chlorures totaux de différents types de sel pour la recette A à 21o_{C (a), 4} o_{C (b) et -1} o_{C (c) pour la recette B à 21}o_{C (d), 4} o_{C (e) et} -1 o_{C (f) ... 49}

Figure 20 - Comparaison de températures et la teneur de chlorures totaux pour la recette A : NaCl (a); CaCl2 (b) et MgCl2 (c), pour la recette B : NaCl (d); CaCl2 (e) et MgCl2 (f)... 50

Figure 21 - Comparaison de la teneur de chlorures liés pour la recette A à 21o_{C (a), 4} o_C

(b) et -1 o_{C (c), pour la recette B à 21}o_{C (c), 4} o_{C (d) et -1} o_{C (e) ... 51}

Figure 22 - Coefficient de diffusion apparent pour la recette A (a) et la recette B (b) .. 52

Figure 23 - Schéma de MexStUL ... 58

Figure 24 - Schéma de localisation du monitorage de l'hiver 2018/2019 ... 59

Figure 25 - Photo de la station MexStUL ... 60

Figure 26 - Capteur Heated MeteoWind Compact [108] (a) et capteur R-Weather [109] (b) ... 60

Figure 27 - Capteur SpeedLane Pro [110] (a) Capteur GSM 10.7 [111] (b) ... 61

Figure 28 - Capteur IT-Sens [112] (a) Caméra P1364-E [113] (b) ... 62

Figure 29 - Système de mesure RCM500 NT [114] ... 63

Figure 30 - Appareil SOBO [115] (a) Capteur ATMOS 14 [116] (b) Schéma du monitorage de volume des éclaboussures (c)... 63

Figure 31 - Validation des données de température (a) d’humidité relative (b) ... 66

Figure 32 - Validation des données de pression atmosphérique (a) de point de rosée (b) ... 67

Figure 33 - Validation des données de précipitation selon la température (a) et selon l’humidité relative (b) ... 68

Figure 34 - Analyse de l’ensoleillement le 12/03/2019 (a) et le 19/03/2019 (b) ... 69

Figure 35 - Validation de l'appareil SOBO en laboratoire ... 70

Figure 36 - Validation de la température (a), humidité relative (b) et pression atmosphérique (c) du capteur ATMOS 14 ... 71

Figure 37 - Validation par rapport la station MexStUL de la température (a), humidité relative (b) et pression atmosphérique (c) ... 71

Figure 38 - Analyse du volume d’air incident au capteur brouillard (a) et variation du volume d’air incident selon son angle d’incidence (b) ... 72

Figure 39 - Rose des vents par le monitorage MexStUL ... 74

Figure 40 - Température de l'air par le monitorage MexStUL ... 75

Figure 41 - Humidité relative par le monitorage MexStUL ... 75

Figure 42 - Pression atmosphérique par le monitorage MexStUL ... 76

Figure 43 - Point de rosée par le monitorage MexStUL ... 77

Figure 45 - Histogramme des vitesses de véhicules par le monitorage MexStUL ... 78

Figure 46 - Courbe en S des véhicules par le monitorage MexStUL ... 79

Figure 47 - Ensoleillement par le monitorage MexStUL... 79

Figure 48 - Température de la chaussée par le monitorage MexStUL ... 80

Figure 49 - Température du sous-sol par le monitorage MexStUL ... 81

Figure 50 - Concentration de sel sur la chaussée par le monitorage MexStUL ... 82

Figure 51 - Épaisseur du film d'eau par le monitorage MexStUL ... 82

Figure 52 - Moment d’épandage le 10/03/2019 (a) et le 08/04/2019 (b) ... 83

Figure 53 - Visualisation d’un moment d’épandage le 08/04/2019 ... 83

Figure 54 - Masse récoltée d’eau (a) et de solide (b) pour chaque passage de véhicule à 40 km/h relatifs à l’inclinaison de 30o _{et de 45}o_{... 84}

Figure 55 - Masse récoltée d’eau (a) et de solide (b) pour chaque passage de véhicule à 50 km/h relative à l’inclinaison de 30o _{et de 45}o _{... 84}

Figure 56 - Boîtes en moustaches de masse récoltée d’eau (a) et des solides (b) ... 85

Figure 57 - Schematic representation of the meteorological mobile station. ... 89

Figure 58 - Schematic representation of the stagnant water campaign... 91

Figure 59 - Salt laden mist sensor without rain protection. ... 92

Figure 60 - Temperature, relative humidity and atmospheric pressure measured at the monitored site ... 93

Figure 61 - Chloride concentration evolution on the different areas studied. ... 94

Figure 62 - Spatial variability (box plot) of chloride concentration ... 94

Figure 63 - Chloride concentration evolution analyzed by titration ... 95

Figure 64 - Maximal splash projections measured at 40 km/h (a), 50km/h (b), 60km/h (c) and 70km/h (d). ... 96

Figure 65 - Wind rose of the salt laden mist exposure. ... 97

Figure 66 - Humidity profile evolution during winter of 2018-2019. ... 98

Figure 67 - Relation between roadway border and pothole concentration. ... 99

Figure 68 - Concentration relation between the roadway border and the parking (a); concentration relation between the roadway border and its center (b). ... 99

Figure 69 - Representation of the total velocity of the splash in the 3D coordinates. 100 Figure 70 - Lateral projection velocity in function of the vehicle velocity ... 101

Figure 72 - Salt mist chloride content in function of mist flow (a); Wet candle chloride content in function of mist flow (b) and Dispersion of salt mist sensor and wet candle measures (c). ... 103 Figure 73 - Comparison between marine and winter chloride aggression ... 104 Figure 74 - Évolution des températures pendant l'hiver 2018/2019 ... 108 Figure 75 - Dispersion entre la température de l’air mesurée versus calculée (a) et l’évolution temporelle de la température de l’air et modèle de prédiction (b) ... 110 Figure 76 - Évolution de l’albedo pendant une année ... 113 Figure 77 - Dispersion entre la température de l’air mesurée versus calculée (a) et l’évolution temporelle de la température de l’air et modèle de prédiction à travers d’un bilan énergétique (b) ... 113 Figure 78 - Dispersion entre la température de la chaussée mesurée versus calculée (a) et l’évolution temporelle de la température de la chaussée (b) ... 115 Figure 79 - Dispersion entre la température du sous-sol mesurée versus calculée (a) et l’évolution temporelle de la température du sous-sol (b) ... 116 Figure 80 - Histogramme des périodes des vents principaux : ESE (a) et ONO-NO (b) 117 Figure 81 - Directions principales de vents sur la carte du site de monitorage ... 118 Figure 82 - Dispersion entre l’ensoleillement mesuré versus calculé (a) et prédiction de l’ensoleillement pour 2019 avec les données de la station MexStUL (b) ... 119 Figure 83 - Évolution de l’humidité spécifique (a) et de l’humidité relative (b) ... 120 Figure 84 - Profil de l'humidité spécifique en considérant un intervalle de 90% de confiance ... 121 Figure 85 - Humidité relative pendant précipitation (a); température pendant précipitation (b); humidité relative versus température pendant précipitation (c) .... 123 Figure 86 - Histogramme des périodes précipitation selon l’humidité relative (a) et la température (b) ... 123 Figure 87 - Évolution de la concentration après l’épandage durant la journée du 8 avril (a); relation entre l’épaisseur de film d’eau et la concentration sur la chaussée (b) .. 124 Figure 88 - Profil de la concentration en fonction du volume du vent (a) et en fonction de la quantité de véhicules (b) ... 127 Figure 89 - Concentration du brouillard salin en fonction du débit de saumure pulvérisé avec une concentration de chlore de 500 mmol/l ... 127

Figure 90 - Modèle pour la concentration du brouillard salin ... 128

Figure 91 - Concentration estimée du brouillard salin pendant le monitorage MexStUL ... 128

Figure 92 - Résultats de la concentration en chlorures de la recette A : NaCl à 21o_{C (a),} 4o_{C (b) et -1}o_{C (c); CaCl} 2 à 21oC (d), 4oC (e) et -1oC (f); MgCl2 à 21oC (g), 4oC (h) et -1oC (i) ... 157

Figure 93 - Résultats de la teneur de chlorure de la recette B : NaCl à 21o_{C (a), 4}o_{C (b) et} -1o_{C (c); CaCl} 2 à 21oC (d), 4oC (e) et -1oC (f); MgCl2 à 21oC (g), 4oC (h) et -1oC (i) ... 158

Figure 94 - Comparaison de la teneur de chlorures libres de différents types de sel pour la recette A à 21o_{C (a), 4}o_{C (b) et -1}o_{C (c) ... 159}

Figure 95 - Comparaison de la teneur de chlorures libres de différents types de sel pour la recette B à 21o_{C (a), 4}o_{C (b) et -1}o_{C (c) ... 160}

Figure 96 - Masse récoltée d’eau (a) et de solide (b) pour chaque passage de véhicule à 40 km/h relatifs à la hauteur ... 163

Figure 97 - Masse récoltée d’eau (a) et de solide (b) pour chaque passage de véhicule à 50 km/h relative à la hauteur ... 163

Figure 98 - Photo 01 de la station MexStUL pendant l’hiver 2018/2019 ... 165

Figure 99 - Photo 02 de la station MexStUL pendant l’hiver 2018/2019 ... 165

Figure 100 - Solution de 10% de HNO3 avec pureté de 69% ± 1% ... 167

Figure 101 - Pesage de la poudre ... 167

Figure 102 - La mélange de la poussière et la solution de HNO3 ... 168

Figure 103 - Le montage de l’équipement de filtration ... 169

Figure 104 - Le déversement du mélange de solution acide avec la poudre ... 169

Figure 105 - La mesure avec le cylindre gradué ... 169

Figure 106 - Le pot de plastique (fiole en plastique) ... 170

Figure 107 - L’icône « titreurs → T50 → Méthodes » ... 171

Figure 108 - L’icône « Fichier → impression automatique » ... 172

Figure 109 - Ensemble de l’électrode, le tube de dosage et l’agitateur ... 172

Figure 110 - Le purge du titreur ... 173

Figure 111 - Ensemble de pipette et poire ... 173

Figure 112 - Le démarrage d’essai par le titreur ... 174

Figure 114 - Le démarrage d’essai par l’ordinateur ... 175

Figure 115 - Le résultat sur l’ordinateur ... 175

Figure 116 - Schéma de l’abri salin ... 177

Figure 117 - Photos de l’abri salin ... 178

Figure 118 - Bouchon de la bougie humide ... 178

Figure 119 - Bougie humide... 179

Figure 120 - Échantillonnage du capteur brouillard ... 180

Figure 121 - Durable concrete diagram ... 181

Figure 122 - Modelling Taheri test [6] on TransChlor® _{software: above, water content} variation and below, concrete samples moisture on different depths during water content variation [77]. ... 182

Figure 123 - Chloride content as a function of ground level height [21] ... 183

Figure 124 - Typical profile of a bridge or viaduct with the different exposure zones [19] ... 184

Figure 125 - Correlation between sodium chloride application on winter period: above, mechanical spreading and below, automatic spreading [19] ... 185

Figure 126 - Sketch of mobile weather station ... 186

Figure 127 - Évolution des ouvrages d'art à Québec [11]. ... 189

Figure 128 - Investissements aux ouvrages d'art à Québec [11] ... 189

Figure 129 - Condition d’exposition des régions en Suisse [6] ... 190

Figure 130 - Évolution temporelle de la concentration des ions chlore au béton exposé au brouillard salin à une profondeur d’enrobage de 30 mm [6]. ... 192

Figure 131 - Évolution temporelle de la concentration des ions de chlore dans le béton exposé aux éclaboussures en zone de montagnes à une profondeur d’enrobage de 30 mm [6]. ... 192

Figure 132 - Évolution temporelle de la concentration des ions chlore dans le béton exposé au brouillard salin en zone de plaine à une profondeur d’enrobage de 30 mm [6]. ... 193

Figure 133 - Évolution temporelle de la concentration des ions chlore au béton exposé aux intempéries en zone de plaines à une profondeur d’enrobage de 30 mm [6]. .... 194

Figure 134 - Évolution de la concentration de chlore à Montréal en différentes profondeur [174]. ... 194

Figure 135 - Schéma de déploiement de MExStUL durant les périodes hivernales. ... 195 Figure 136 - Typical bridge profile with three different exposure zones ... 199 Figure 137 - Exposure conditions in Switzerland [19] ... 200 Figure 138 - Temporal evolution of the chloride concentration to concrete exposed to salt-laden mist (left) splash (right) at 30mm depth on mountain region [19] ... 201 Figure 139 - Temporal evolution of the chloride concentration to concrete exposed to salt-laden mist (left) and splash (right) at 30mm depth on the plain region [19] ... 202 Figure 140 - Evolution of chloride concentration in Montreal in different depths, points at 45 years: chloride concentration measured in cores [174] ... 202 Figure 141 - Mobile Meteorological Station – MExStUL (left) and border road concentration versus the center of road concentration (right) ... 203 Figure 142 - Water thickness and salt concentration which road during 2019 ... 204

Abréviation

AgNO3 - Nitrate d’argent

ASTM - American Scoiety for Testing and Materials C3A - Aluminate de tricalcium

Ca(OH)2 - Hydroxyde de calcium (portlandite)

Ca2+ _{- Calcium}

CaCl2 - Chlorure de calcium

CaCO3 - Carbonate de calcium

Cl- _{- Chlorure}

CO2 - Gaz carbonique

CO32- - Carbonate

CRIB - Centre de recherche interuniversitaire sur le béton

CRSNG - Conseil de Recherche en Sciences Naturelles et en Génie du Canada DGS - Grupo de recherche de durabilité et gestion des structures

DJM - Débit journalier moyen E/C - Rapport massique eau/ciment ESE - Est-sud-est

FCI - Fondation Canadienne pour l’Innovation

FRQNT - Fonds de recherche Nature et Technologies H2CO3 - Acide carbonique

H2SO4 - Acide sulfurique

HNO3 - Acide nitrique

MexStUL - Meteorological Station of Laval University Mg2+ - Magnésium

MgCl2 - Chlorure de magnésium

Na+ _{- Sodium}

NaCl - Chlorure de sodium NH4+ - Ammonium

NNE - Nord-nord-est NOx - Oxydes d’azote

PIB - Produit intérieur brut ppt - Partie par trillion

RAG - Réaction alcali-granulat

SCGC - Société canadienne de génie civil SI - Système international d’unités SO2 - Dioxyde de soufre SO42- - Sulfates TI - Téchnologie de l'information

Unité

g/s - Gramme par seconde

gCl/m2.jour - Gramme de chlorure par mètre carré par jour

GPa - Gigapascal h - Heure

hPa - Hectopascal K - Kelvin

kg/m3 _{- Kilogramme par mètre cube}

km/h - Kilomètre par heure kPa - Kilopascal

m - Mètre

m/s - Mètres par seconde mm - Millimètre

mm/h - Millimètre par heure MPa - Mégapascal

MPa/s - Mégapascal par seconde

o_{C - Degré Celsius} o_{F - Degré Farenheit}

Dédicaces

À Eliete, Gilberto, Marina et Eduarda pour leur support et encouragement qui, même physiquement à distance, m’ont motivé et ont eu la foi en mes réalisations.

À tous mes amis qui, dispersés autour de la planète, ont été là pour moi en cas de besoin. À toutes les personnes, qui m’ont mis au défi sur cette route et qui, par conséquent, m’ont permis de me dépasser et aller vers la réussite.

Remerciements

Ce projet de recherche a été financé grâce à deux sources de financement :

• Conseil de Recherche en Sciences Naturelles et en Génie du Canada – CRSNG • Fondation Canadienne pour l’Innovation – FCI ;

• Fonds de recherche Nature et Technologies – FRQNT.

Je souhaite remercier également le centre de recherche sur les infrastructures en béton (CRIB. Plus spécifiquement, j’aimerai remercier le support de David Conciatori, un directeur de recherche extraordinaire techniquement et un être humain exceptionnel. L’application de mon codirecteur Jean-Marie Konrad et des professeurs Daniel Nadeau et Luc Chouinard ont été aussi très important pour le développement de ce projet, ainsi que la collaboration avec l’entreprise suisse Boschung.

Difficile de nommer chacun spécifiquement, je souhaite remercier toutes les personnes qui font, et qui ont fait, partie du groupe de recherche de durabilité et gestion des structures (DGS) pour leur support et pour les jours qui on est passé ensemble pendant environ quatre ans. Je ne peux pas oublier toutes les personnes qui sont passées, et sont encore présentes, au bureau PLT-2954Z.

Du secrétariat au laboratoire, j’aimerai remercier tout le personnel impliqué, direct et indirectement, à mon projet. Je remercie aussi aux plusieurs collègues, même hors université, qui se sont impliqués et m’ont donné leur support quand nécessaire, leur participation a été inestimable pour finir ce travail.

Avant-propos

Cette thèse dispose d’un chapitre par insertion d’article. Cet article a été soumis au journal « Construction & Building Materials » le 28 octobre 2019. L’auteur principal de l’article est aussi l’auteur de la présente thèse de doctorat. Son rôle a été de rédiger l’article, réaliser les essais en laboratoire à l’Université Laval et de développer les modèles présentés dans l’article, en collaboration avec Thomas Sanchez et David Conciatori, coauteurs de l’article.

Introduction

Quelques aspects fondamentaux relatifs à l’exposition des structures en condition hivernale sont présentés et les principaux objectifs de ces travaux de recherche sont par la suite décrits, pour terminer avec la méthodologie de la recherche.

Contexte

Actuellement, les gestionnaires des ouvrages sont confrontés à des défis décisionnels concernant l’optimisation de l’agenda et le type d’inspection, de l'entretien, de la réparation ou du renouvellement des leurs structures existantes. De plus, les gestionnaires travaillent avec des outils simplifiés, que ce soit de la littérature ou des logiciels intelligents, pour les aider dans le processus de prise de décision [1]. Il existe des solutions provenant de la technologie de l'information (TI), par exemple CHLODIF [2], Duracrete [3], Life-365 [4], Stadium [5], Transchlor [6], etc., qui prétendent répondre aux besoins complets des municipalités.

Figure 1 - Dépenses en construction au Canada entre 2000 et 2010 [7]

Au Canada depuis les années 2000, les dépenses pour les ouvrages d’ingénierie, la réparation et les autres activités de construction sont équivalentes, ou supérieures, aux coûts destinés à la construction des bâtiments résidentiels et non résidentiels [7] (Figure 1). En 2010, la construction (résidentiel, non résidentiel et génie) au Canada représente

6,0% du produit intérieur brut (PIB) du Canada, ce qui représente à 73,8 milliards de dollars [7]. Parmi les trois industries (Figure 1), l'ingénierie, la réparation et les autres services de construction représentent la plus grande part du PIB de la construction. En 2010, il représentait 54,0% du PIB de la construction, soit 39,9 milliards de dollars.

Les principales dépenses d'entretien, aux États-Unis, au Canada, au Japon, en Australie ou encore au Royaume-Uni, sont investies sur la détérioration prématurée des ponts en béton. Les frais indirects, comme les retards dus aux embouteillages et à la perte de productivité résultant de l'entretien des ponts et aux remplacements des structures, augmentent de plus de dix fois le coût direct lié aux détériorations des ouvrages [8]. Ces bilans financiers et l’impact sur la société motivent les recherches actuelles sur la durabilité des structures sous leurs conditions environnementales réelles.

Les structures peuvent être affectées par plusieurs types de dégradations et les causes les plus courantes sont toujours reliées à des conditions environnementales spécifiques, par exemple des conditions hivernales sévères, des milieux marins, présence alternée d’eau et d’air, etc. Les types de dégradation peuvent être énumérés selon une liste non exhaustive dans le cas des structures en béton armé : (i) cycles de gel-dégel, (ii) abrasion, (iii) écaillage, (iv) réaction de gonflement interne (granulats gélifs, RAG, autres réactions), (v) contrainte générée par des changements dimensionnels, (vi) corrosion ou (vii) les combinaisons de deux, ou plus, types de dégradation.

Figure 2 - Étapes de la vie de service d’une structure béton affectée par la corrosion, adapté de [9]

La corrosion des structures est la dégradation qui génère le coût de réhabilitation le plus élevé des structures dans les pays nordiques [8]. En hiver, l’origine principale de la

corrosion est liée à l’utilisation de sel de déglaçage pour assurer la sécurité routière des usagers, contenant des chlorures Cl-_{. Ces ions Cl}-_{, en contact avec l’acier éliminent la}

couche de passivation autour des aciers d’armature et initient le processus d’oxydation par corrosion des aciers générant ainsi une dégradation graduelle de la structure. L’évolution de l’endommagement des structures en béton exposées aux chlorures augmente à travers du temps dès que la corrosion s’initie, ce phénomène peut être décrit par la Figure 2 [9].

La maintenance ne peut être traitée simplement comme une intervention ponctuelle, il doit inclure l'effet cumulatif du report de la maintenance d'une année à l'autre. Cet effet cumulatif est similaire à l'intérêt sur une dette : si l'entretien n'est pas initié la première année, les coûts d'entretien, de réparation ou de remplacement sont nettement plus élevés les années suivantes [9], [10]. La « loi des cinq » de De Sitter [10] montre explicitement cet effet : si la maintenance n'est pas effectuée au temps opportun, des réparations équivalant à cinq fois les coûts d'entretien sont nécessaires. Avec la même logique, si les réparations ne sont pas effectuées, les frais de renouvellement peuvent atteindre cinq fois les coûts de réparation. Par conséquent, le report de travaux d'entretien ajoute une quantité d'entretien différé.

Figure 3 - Évolution des ouvrages d'art à Québec [11]

Au Québec, la majorité des ouvrages d’art ont été construits dans les années 60 à 70 (Figure 3). En considérant la durée de vie de ces structures d’environ 70 ans, on peut s’attendre à ce que dans 10 ans, environ 67% des ouvrages d’art nécessiteront des interventions majeures [11].

Figure 4 - Investissements aux ouvrages d'art à Québec [11]

Les investissements réalisés pour la gestion du réseau routier ont augmenté, en 2008, de 2.5x depuis 2006 (Figure 4). La majorité de ces investissements (environ 87%) sont alloués au maintien et à la réhabilitation des structures [11]. Peut-être que cet accroissement des investissements est relié aux répercussions étalées de la considération de la durée de vie moyenne d’une structure de 70 ans. Toutefois, il reste difficile à prédire si les montants alloués augmenteront ou resteront stables dues à cette répercussion étalée. Ce qui semble plus probable, selon les constatations précédentes, c’est que ces montants ne diminueront pas dans les prochaines années. Selon une étude de la SCGC [12], les investissements augmenteront drastiquement dans les prochaines années pour maintenir tout le parc des infrastructures au Canada, et la Province de Québec fait partie de ce constat.

Si le Canada et la province du Québec souhaitent assurer un service de mobilité satisfaisant pour les citoyens, il est nécessaire de préserver les structures en maintenant leurs performances tout au long de leur vie utile. Dans cette optique, connaître et prédire la vitesse de dégradation des structures est indispensable à ce maintien de performance. Les différentes méthodes de protection, de réparation et de réhabilitation prolongent la durée de vie des ouvrages, ce qui permet également d’étaler le besoin budgétaire sur une période plus grande. Par exemple, selon l'état de dégradation d’une structure en béton armé, certaines méthodes de réhabilitation sont plus efficaces que d'autres pour ralentir la pénétration des ions chlore, augmenter le temps d’initiation de

la corrosion et/ou le temps de propagation de la corrosion, ce qui améliore la performance des ouvrages et prolonge sa durée de vie (Figure 5).

Figure 5 - Impact de la réhabilitation sur la vie utile des structures [13]

La conception de la durabilité connait un essor rapide avec l’émergence de nouvelles technologies et les découvertes scientifiques. La détérioration est un processus variable sur la structure dépendant fortement des conditions d’exposition à son environnement d’où l’importance de bien quantifier l’influence spatiale [13]. La Figure 6 ci-dessous montre l’influence du remplacement d’un ouvrage avec des critères de conception plus durable.

Figure 6 - Conception durable des nouveaux ouvrages [13]

Les conditions de vie utiles des structures, ainsi que la vitesse de dégradation, sont influencées par différents facteurs d’exposition : (i) la température ambiante; (ii) l’humidité; (iii) les facteurs physiques comme le vent, les vagues, l’abrasion des

véhicules, etc.; (iv) les facteurs chimiques comme les polluants industriels, le sel de déglaçage, etc.); (v) les facteurs biologiques comme les algues, les bactéries, les insectes, etc. La modélisation de l’initiation des dégradations est la problématique principale dans le domaine de durabilité des structures. Actuellement, les modèles sont calibrés par des résultats expérimentaux [14], les conditions de bord sont souvent considérées avec une approche simple, par exemple une concentration uniforme. Les paramètres du modèle sont dérivés par ajustement avec des essais en laboratoire sous conditions contrôlées, conditions souvent uniformes ou oscillatoires (sinusoïdale) [14]–[17]. Plusieurs de ces modèles prennent en considération les dissolutions d’espèces chimiques où la formation de minéraux, les variations thermiques, hydriques influençant directement le mouvement ionique [18]. Quelquefois la calibration se fait sur des prélèvements de matériaux sur la structure.

En condition hivernale, le sel de déglaçage est utilisé pour assurer la sécurité des usagers [19] et actuellement il existe un besoin critique d’identifier de manière fiable les actions environnementales pour la conception d'infrastructures durables dans les régions nordiques. La plupart des sels de déglaçage utilisés sont à base de chlorure qui, diffusé dans l'eau dans les pores du béton, peut initier un processus de corrosion des aciers d’armature et donc une détérioration. Des modèles de transport sont souvent utilisés pour modéliser le mouvement des ions chlore et prédire sa concentration à l’intérieur des structures.

Même si la dégradation, causée par l’utilisation de sel, est récurrente dans les pays nordiques, connaître ses mécanismes de dégradation ainsi que ses zones d’influence est nécessaire pour prédire la fonctionnalité d’une structure. En Suède, des études ont été faites où il a été possible de déterminer une zone d’influence aux éclaboussures [20], [21]. La variation de la quantité de sel de déglaçage en fonction de l’élévation par rapport à la chaussée montre une diminution de la concentration en fonction de la hauteur (Figure 7).

Cette variation, cependant, est sujette aussi à l’influence des paramètres environnementaux (par exemple l’effet de la pluie, vitesse et direction du vent, etc.) ce qui n’ont pas été pris en compte dans l’étude existante [20], [21]. Une autre étude, aussi

en Suède [22], indique l’importance de ces facteurs climatiques et environnementaux, soit l’effet de l’orientation de la structure vers le trafic, sa hauteur par rapport la chaussée et le flux d’air environnant.

Figure 7 - Concentration en chlorure en fonction de la hauteur par rapport à la chaussée [23]

La terminologie utilisée dans ce document considère : (i) le climat comme les différents phénomènes météorologiques/atmosphériques; (ii) l’environnement comme un ensemble intégrant le climat et des conditions environnementales chimiques; (iii) l’exposition comme l’environnement sur une partie de structure permettant de définir une zone de même sensibilité d’action face à la dégradation ou vieillissement.

La durabilité des ouvrages est liée directement aux conditions d’exposition influencées par le climat et l’environnement extérieur. Selon le degré d’exposition à ces deux éléments, la vitesse de dégradation des structures peut alors s’accélérer ou se retarder [18], [24]. Il est possible de diviser les niveaux d’exposition en condition hivernale en trois milieux génériques différents :

• exposition au brouillard salin : zones où de microgouttelettes originaires de l’agitation mécanique occasionnée par le passage de véhicules sur la chaussée entrent en contact avec la structure;

• exposition aux éclaboussures : zones affectées par les éclaboussures provenant de l’expulsion de grosses gouttelettes d’eau avec le passage de véhicules; cet

effet est accentué lorsqu’il y a accumulation d’eau sur la chaussée, comme dans les ornières, les flaques d’eau, etc.

• exposition stagnante : zones influencées par un contact direct des solutions salines où la saumure reste prisonnière par manque d’évacuation, le séchage dépend du volume d’accumulation et peut être très lent.

Afin de contextualiser l’importance de l’exposition, il est intéressant d’observer le processus de dégradation dans le cas d’une structure en béton armé soumise à des sollicitations climatiques et environnementales à différents niveaux pendant une période hivernale. La dégradation des structures, dans une zone d’exposition au brouillard salin, est plus rapide dans les régions humides et plus lente dans les régions sèches [24]. En région humide, le taux de remplissage des pores est plus important ce qui favorise un plus grand déplacement d’ions [25]. Le niveau de séchage du béton d’enrobage a également un impact sur l’effet de succion capillaire aux pores des structures, apparaissant lorsqu’une précipitation survient. Lorsque le matériau sèche fortement, le mouvement d’eau par succion capillaire est très rapide [18], [24], beaucoup plus rapide que si le béton d’enrobage est saturé ou a un taux de remplissage des pores par l’eau élevé, comme dans le cas des régions humides [24]. Juste en observant ces 2 conditions d’exposition dans le cas d’une structure en béton armé, l’importance de bien connaître les conditions d’exposition au climat et à son environnement est renforcée et nécessaire pour l’utilisation de modèles de prédiction à long terme.

Objectifs

L’objectif général de cette recherche est d’évaluer l’exposition réelle des structures, sans simplification, en condition hivernale, soumise aux actions climatiques et environnementales. Il est entendu par climatique et environnement l’atmosphère, l’ambiance et le climat dans lequel l’élément de structure se trouve. Les actions climatiques et environnementales se composent de données météorologiques, telles que la température, l’humidité relative, la vitesse et la direction du vent, etc., et de la politique d’épandage de sel sur la chaussée.

Les objectifs spécifiques de ce travail sont de (1) déterminer l’impact spatial et temporel pour les différents types d’expositions par le monitorage, (2) évaluer l’influence des conditions météorologiques sur l’exposition des structures, (3) évaluer les concentrations de chlore relatives aux différents types d’expositions, (4) valider une station météorologique mobile pour mesurer l’exposition hivernale des structures, (5) évaluer l’impact des différents types de sel sur un matériau

Justifications

Actuellement, la société cherche à limiter les impacts financiers directs et indirects dus aux dégradations des structures et à donner en héritage aux générations futures un réseau performant et pérenne. Pour atteindre cet objectif, la société gère des systèmes de plus en plus complexes, à multiéchelle, pluridisciplinaire en intégrant la modélisation, le monitorage, l’auscultation, etc. La convergence de ces possibilités permet de réaliser une optimisation ayant un impact considérable sur l’économie, l’écologie, la société et la technologie, qui sont les idéologies de base du développement durable.

Au niveau économique : selon la « Loi des cinq » [10], il est possible de remarquer que le coût de maintenance grandit d’une façon exponentielle d’ordre cinq avec le vieillissement de la structure. Ainsi, une intervention dans la phase de projet a un gain considérable sur le bilan des coûts dépensés durant la vie utile prévue d’un ouvrage.

Au niveau écologique : l’optimisation des gains écologiques peut se faire une gestion efficace et intelligente des ressources. Les choix de gestion ont un effet indirect sur l’impact écologique. Le principal bénéfice de cet aspect est de mettre les bonnes ressources au bon endroit et au bon moment, c’est-à-dire, avoir une prédiction la plus fiable possible de l’évolution de la dégradation et de la fin de la vie utile d’un ouvrage, permettant d’optimiser la prédiction des maintenances au bon endroit et au bon moment, ce qui diminue les ressources utilisées tout en augmentant la durée de vie d’un ouvrage. Le bilan écologique se trouve ainsi bien amélioré, car l’impact d’un remplacement est bilan lourd en termes d’écologie.

Au niveau social : la dégradation génère une dépréciation des prix de l’ouvrage. La quantité des interventions occasionne aussi certains défis au gestionnaire et une

certaine gêne aux utilisateurs. Par exemple, le trafic dans certaines zones d’un réseau routier (embouteillage, durée de maintenance, etc.) occasionne des frais indirects gigantesques aux utilisateurs. Ainsi lorsqu’il est possible d’optimiser la durabilité des ouvrages, l’impact des interventions diminue (durée de maintenance plus courte, ampleur de la maintenance amoindrie, etc.), ce qui occasionne des gains sociaux.

Au niveau technologique : une meilleure connaissance des conditions de bord permet de mieux apprécier la durabilité des ouvrages en génie civil, comme le développement des nouvelles idéologies de placer le bon matériau au bon endroit, de créer des zones sacrificielles, etc., ce qui signifie qu’il est possible d’augmenter la durée de vie d’une structure, grâce à l’évolution technologique, et/ou d’optimiser les coûts pendant sa vie utile.

Finalement, il est intéressant de voir que cet équilibre de ces 5 niveaux demande aujourd’hui une gestion intelligente et efficace. Cette gestion va vers le développement de techniques à multiéchelle plus complexe, comme la gestion de grandes bases de données et dont le présent travail est une brique dans ce grand éventail de possibilités.

Organisation du document

Ce document se divise en 5 chapitres comprenant (1) le contexte où s’inscrit cette recherche, (2) un état de l’art, (3) l’impact de différents types de sel sur les infrastructures en béton, (4) le monitorage de l’exposition hivernale, (5) la modélisation des résultats de mesure, et (6) pour terminer avec une conclusion et une ouverture sur des perspectives futures. Lors de la description des travaux accomplis pendant la recherche, au début de chaque chapitre, un résumé donne un aperçu des différents sujets abordés. À la fin de chaque chapitre également, une synthèse amène les idées importantes traitées et les résultats innovants. Les annexes regroupent les procédures des essais en laboratoire ainsi que deux articles publiés dans des conférences internationales.

1. État de l’art

L’état des connaissances est orienté sur les bases fondamentales, tirées de la littérature, pour le développement de ce travail de recherche. Les sujets sont très variés puisqu’il touche à la météorologie, à l’environnement, aux conditions de trafic, à l’exposition des structures et aux dégradations des matériaux.

1.1. Notions théoriques

Ce chapitre est destiné aux notions théoriques qui vont soutenir l’état de l’art pour une meilleure compréhension de l’exposition des structures en conditions hivernales.

1.1.1. Climat

L’environnement routier peut être défini comme particulier selon ses caractéristiques spéciales. La fonction d’un réseau routier est d’assurer un transit de véhicules, camions, bus, voitures, sous des conditions idéales, ainsi que des conditions difficiles, brouillard, tempête de neige, verglas, etc. Le climat peut perturber la fonction et la sécurité du transit peut entraîner des interventions humaines, comme de l’épandage de sel pendant les périodes hivernales. Ainsi, il convient de bien comprendre la variabilité climatique sur un réseau routier qui influence grandement la détérioration des structures, comme la variation de la température, humidité relative, précipitation, etc.

1.1.1.1.Température

La température est une quantité physique exprimant le chaud et le froid. La température de l’air, ou de n’importe quelle substance est représentée par la mesure de la moyenne de son énergie cinétique. Alors, la température est la mesure de la vitesse moyenne des atomes et molécules, où les températures les plus élevées correspondent aux vitesses moyennes les plus élevées [26]. Physiquement, la température se définit de plusieurs manières : (i) comme fonction croissante du degré d’agitation thermique des particules; (ii) par l’équilibre des transferts thermiques entre plusieurs systèmes ou (iii) à partir de l’entropie (en thermodynamique et en physique statistique).

La température est mesurée avec un thermomètre étalonné sur une ou plusieurs échelles de température. Les échelles les plus couramment utilisées sont l’échelle Celsius (°C), l’échelle Fahrenheit (°F) et l’échelle Kelvin (K). Le kelvin est l'unité de température du Système international d'unités (SI).

1.1.1.2.Humidité dans l’atmosphère

L’eau est toujours présente dans la basse atmosphère. Sous forme de gaz, les molécules de vapeur d’eau se déplacent librement se mélangeant avec des atomes et des molécules dans leur entourage immédiat. Sous forme liquide, les molécules d’eau sont plus proches les unes des autres et se bousculent constamment. À l’état solide (glace), les molécules s’organisent de manière ordonnée en cristallisant, chaque molécule étant plus ou moins bloquée dans une position rigide qui peut vibrer, sans se déplacer librement [26]. La vapeur d’eau, gaz invisible, devient visible que lorsque de nombreuses molécules se joignent (condensation) pour former des nuages avec des microgouttelettes ou des particules de glace (lentilles). Humidité correspond, de manière directe, à la quantité d’eau contenue dans l’air.

1.1.1.2.1.Humidité absolue

L’humidité absolue est la relation de la masse de vapeur d’eau présente dans un volume d’air spécifique. Ce type d’humidité est représentée par la densité de la vapeur d’eau (masse/volume) et est normalement exprimée en gramme de vapeur d’eau par mètre cube d’air [26].

𝐻𝑢𝑚𝑖𝑑𝑖𝑡é 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑒 =𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑒𝑢𝑟 𝑑′𝑒𝑎𝑢

𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒 𝑑𝑒 𝑙′𝑎𝑖𝑟 (1)

1.1.1.2.2.Humidité spécifique

L’humidité peut être exprimée d’une façon qui ne soit pas influencée par la variation du volume d’air [27]. Cette relation entre la masse de la vapeur et la masse du volume d’air total est exprimée par gramme de vapeur d’eau par kilogramme d’air.

𝐻𝑢𝑚𝑖𝑑𝑖𝑡é 𝑠𝑝é𝑐𝑖𝑓𝑖𝑞𝑢𝑒 =𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑒𝑢𝑟 𝑑′𝑒𝑎𝑢

𝑚𝑎𝑠𝑠𝑒 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑒 𝑑′𝑎𝑖𝑟 (2)

L’humidité spécifique devient constante lorsqu’aucune eau n’est ajoutée ou enlevée du volume étudié. Ce phénomène se produit par la constance de la quantité de molécules d’eau [26].

1.1.1.2.3.Tension de vapeur et tension de vapeur saturante

Le contenu d’eau peut être aussi exprimé par la mesure de la pression exercée par la vapeur d’eau dans l’air. La pression totale présente dans un volume étudié est la somme des pressions individuelles des gaz. La pression partielle de vapeur d’eau est aussi nommée tension de vapeur [26]. Si la tension de vapeur indique le contenu de vapeur d’eau dans l’air, la tension de vapeur saturante décrit la quantité de vapeur maximale pour saturer l’air à une température déterminée. Afin de maintenir l'équilibre, l’augmentation de la température entraîne une augmentation du nombre de molécules de vapeur d'eau dans l'air au-dessus du liquide. Par conséquent, lorsque la température de l'air est élevée, il faut plus de vapeur d'eau pour saturer l'air. Alors, plus de molécules de vapeur exercent une plus grande pression (Figure 8).

Figure 8 - Tension de vapeur saturante de l’eau en fonction de la température [27]

1.1.1.2.4.Humidité relative

L'humidité relative est la manière la plus courante à décrire l’humidité atmosphérique. C’est également, la plus mal comprise, car il n'indique pas la quantité réelle de vapeur d'eau dans l'air. Il indique à quel point l'air est proche de la saturation [26]. L'humidité

relative se définit donc comme le rapport entre la quantité de vapeur d'eau réellement présente dans l'air à une température donnée et la quantité maximale de vapeur d'eau requise pour saturer à cette température (et à cette pression) particulière.

𝐻𝑢𝑚𝑖𝑑𝑖𝑡é 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒 = 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑒𝑛𝑢 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑒𝑢𝑟 𝑑′𝑒𝑎𝑢

𝑐𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡é 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑒𝑢𝑟 𝑑′𝑒𝑎𝑢 (3)

La pression de vapeur réelle est une mesure du contenu réel de vapeur d’eau de l’air et la pression de vapeur saturante est une mesure de la capacité totale de l’air en vapeur d’eau. Par conséquent, l’humidité relative peut être exprimée par :

𝐻𝑢𝑚𝑖𝑑𝑖𝑡é 𝑟𝑒𝑙𝑎𝑡𝑖𝑣𝑒 = 𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑒𝑢𝑟 𝑎𝑐𝑡𝑢𝑒𝑙𝑙𝑒

𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑑𝑒 𝑣𝑎𝑝𝑒𝑢𝑟 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑛𝑡𝑒 (4)

L'humidité relative est sans unité et est exprimée en pourcentage. Un air à 50% d'humidité relative contient en réalité la moitié de la quantité requise pour la saturation. L’air saturé à 100% est saturé, car il est rempli de vapeur d’eau et un supplément de vapeur d’eau précipiterait en eau liquide immédiatement.

1.1.1.3.Précipitation

L’air a une densité supérieure à celle de la vapeur d’eau qui s’élève dans l’atmosphère. Pendant cette ascension, l’air humide se condense dû à une dépressurisation, ayant comme conséquence l’agglutination de ces gouttelettes en forme de nuages. Le relief terrestre, les vents génèrent l’élévation des masses d’air, provoquant la précipitation des gouttelettes sous différentes formes : (i) eau; (ii) neige ou (iii) glace [28]. Un changement de température peut également créer une précipitation. Plus spécifiquement, ces masses d’air sont transportées par le vent, où à la variation du relief et la présence obstacles pour les nuages, par exemple des chaînes des montagnes, peuvent provoquer des précipitations plus intenses dans des régions localisées. À l’amont du relief, l’ascension des masses d’air refroidit le nuage, ce qui produit une condensation et de la précipitation. La variation de la pression génère des turbulences qui peuvent aussi provoquer des précipitations. À l’aval par contre, l’air très humide se réchauffe plus lentement et affecte cet endroit par des températures plus froides et une

humidité relative plus importante. Alors qu’en présence d’air plus sec, le réchauffement est plus rapide, provoquant dans la région avale des températures plus chaudes [28], [29].

1.1.1.3.1.Précipitation liquide

La plupart des gens considèrent la pluie comme une précipitation de gouttes d'eau liquide. Pour le météorologue, les gouttelettes doivent avoir un diamètre égal ou supérieur à 0,5 mm pour être considérées comme de la pluie. De fines gouttes d'eau uniformes, dont le diamètre est inférieur à 0,5 mm, sont appelées bruines [26]. De petites gouttes de pluie peuvent tomber dans l'air non saturé, s'évaporer partiellement et atteindre le sol sous forme de bruine. Parfois, la pluie qui tombe d’un nuage n’atteint jamais la surface, car la faible humidité de l’air provoque une évaporation rapide.

Les gouttes de pluie qui atteignent la surface de la Terre mesurent rarement plus de 6mm. Les collisions entre elles tendent à les diviser en plusieurs gouttes plus petites lorsqu’elles dépassent cette dimension. Après une pluie torrentielle, la visibilité s’améliore généralement principalement parce que les précipitations enlèvent (nettoient) les particules en suspension [26]. Lorsque la pluie se combine à des polluants gazeux, tels que des oxydes de soufre et d'azote, elle devient acide. Les pluies acides, ayant des effets néfastes sur les plantes et les ressources en eau, deviennent un problème majeur dans de nombreuses régions industrialisées du monde.

1.1.1.3.2.Précipitation de neige

La condensation d’un nuage commence sous forme de neige et la chaleur de l’atmosphère transforme la neige en gouttelettes de pluie. En été, le point de congélation est généralement supérieur à 3600 m d’altitude (isotherme du 0°C) et les chutes de neige fondent avant d'atteindre le sol. Cependant, en hiver, cette isotherme est beaucoup plus bas, voire en dessous du niveau du sol, et les flocons de neige peuvent atteindre le sol. Les flocons de neige restent sous forme solide généralement jusqu’à environ 300 m sous l’isotherme avant de fondre complètement [26]. Les flocons de neige, en mouvement dans l'air humide légèrement au-dessus de 0°C, fondent lentement en descendant. Une fine pellicule d'eau se forme sur les extrémités des

flocons, agissant comme de la colle lorsque les autres flocons de neige entrent en contact avec lui. De cette façon, plusieurs flocons se joignent pour produire des flocons de neige géants mesurant souvent plusieurs centimètres ou plus de diamètres. Ces grands flocons de neige détrempés sont associés à un air humide et à des températures proches du point de congélation.

Cependant, lorsque les flocons de neige tombent dans un air extrêmement froid et faiblement humide, de petits flocons poudreux de neige « sèche » s’accumulent sur le sol, appelé poudrerie. Quand un vent fort souffle à la surface, la neige peut être ainsi ramassée et accumulée dans des zones de turbulence et/ou protégée des vents. La neige est généralement accompagnée de poudrerie; c'est-à-dire que la neige soulevée de la surface par le vent et soufflée en quantité telle que la visibilité horizontale est fortement réduite. La combinaison de la neige et la poudrerie, une fois la chute de neige se termine, sont appelées une tempête de neige. Une véritable tempête de neige est une condition météorologique caractérisée par des températures basses et des vents violents (supérieurs à 30 nœuds, ou 15.43m/s) contenant de grandes quantités de fines particules de neige sèche et poudreuse qui peuvent réduire la visibilité à quelques mètres seulement.

1.1.1.3.3.Précipitation de pluie verglaçante

Un flocon de neige qui tombe quand il tombe dans un air plus chaud commence à fondre. Quand il tombe à travers la couche d'air superficielle sous-gelée, la neige partiellement fondue ou la goutte de pluie froide se transforme en glace, non pas comme une neige, mais comme une minuscule pastille de glace appelée grésil. En règle générale, ces granulés de glace sont transparents (ou translucides), d’un diamètre de 5 mm ou moins. La couche de surface froide sous un nuage peut être trop peu profonde pour geler les gouttes de pluie lorsqu'elles tombent. Dans ce cas, ils atteignent la surface sous forme de gouttes de liquide en surfusion. En frappant un objet froid, les gouttes s’étalent et gèlent presque immédiatement, formant une mince couche de glace. Cette forme de précipitation est appelée pluie verglaçante [26]. La différence pour la génération du grésil, ou même de la grêle, c’est que le flocon de neige tombant s’échauffe et change de phase en eau puis regèle lorsqu’il s’approche du sol (Figure 9).