Suivi de la pénétration des chlorures dans un béton par méthodes non destructives

Les Plénières Journées Techniques Ouvrages d’Art 2012

Suivi de la pénétration des chlorures
dans un béton par méthodes non
destructives

JOA, Sourdun
Mercredi 9 et Jeudi 10 mai

B. Thauvin, CETE Ouest, ERA n°37
G. Villain, IFSTTAR, MACS
R. Du Plooy, IFSTTAR, MACS
C. Lestréhan, CETE Ouest
S. Palma-Lopes, O. Coffec, A. Joubert,
X. Dérobert, MACS

B. Thauvin, G. Villain


Problématique

• Développement des méthodes non destructives pour le
diagnostic de corrosion des structures en béton armé
• Loi de passage entre grandeurs mesurées (observables)
et paramètres de vieillissement du béton armé
• Divers projets : SENSO, ACDC, EVADEOS

- OR 11N075 : Caractérisation du béton d’enrobage par méthodes non
destructives
- Évaluation de la pénétration des chlorures dans un béton non saturé
- Méthodes d’évaluation non destructives (EM, capacitives, résistives)
- Sensibilité à la présence de chlorures dans les premiers cm du béton



Expérimentation
• Dallettes de béton et éprouvettes de références exposées
à des solutions de concentrations en chlorures différentes
(0, 15 et 30 g/L)
• Accélération du processus de pénétration des chlorures :
– Dispositif d’imbibition
– Béton sec
– Béton de qualité médiocre



Expérimentation

Dallettes : 45x35x13cm
Éprouvettes : 11x22cm et 11x13cm
Béton : C25/30 XC2(F) D20 S3 CEMII/A LL 42,5R CP2 NF
1 mois de cure sous eau (20 +/- 1°C)
2 mois d’étuvage à 60°C + 1 mois d’étuvage à 85°C jusqu’à masse constante
Indicateur de durabilité Résultat Durabilité
Coefficient de diffusion apparent des chlorures (10-12 m².s-1) Dapp 25,4 Faible
Résistivité électrique (.m)  54 Faible
Perméabilité à l’eau (kg.m-2.h-0,5) Kliq 2,2 -
Porosité accessible à l’eau (%) Peau 15,7 Faible
Perméabilité au gaz (10-18 m²) Kgaz 509 Faible


Expérimentation
Échéances de mesure :
0,1 – 0,3 – 1 – 1,2 – 1,8 – 6 – 23 jours

Dallettes : Mesures non destructives
- Radar (mono et bi-statique)
- Sondes capacitives
- Sondes résistives

Éprouvettes : caractérisation
- Teneur en eau, masse
- Profondeur du front de chlorures
- Profils de pénétration des chlorures



Caractérisation
• Prise d’eau et gradient hydrique
6%
Variation relative de masse (%)

5%

4%

3%
Auscultation au banc gamma
2%
9%
Eprouvette témoin : bain à 15 g/L

Variation de teneur en eau (%)
1% 8%

0%
7%
0.0 5.0 10.0 15.0 20.0
6%
Durée d'imbibition (jours)
5% A sec
0,1 jour d'immersion
Pesée des éprouvettes témoins 4% 0,4 jours d'immersion
1,1 jours d'immersion
3% 1,4 jours d'immersion
Détermination des variations de teneur en 2%
eau à partir des variations de masse 23,2 jours d'immersion
1%
volumique par mesure au banc gamma :
0%
Profils de teneur en eau 0 20 40 60 80 100 120
Profondeur de l'éprouvette (cm)


Profils de teneur en eau
Variation de teneur en eau (en %)
Caractérisation
9,00%

8,00%
Eprouvette témoin : bain à 15 g/L

7,00%

6,00%

• Prise d’eau et gradient hydrique
5,00%

4,00%
A sec
0,1 jour d'immersion

3,00%
Détermination de la position du
2,00%
« front hydrique »
1,00% 23,2 jours d'immersion

0,00% 140
0 20 40 60 80 100 120

Position du front "hydrique" (mm)
Position le long de l'éprouvette
120

100

80

60

40
Position du front hydrique (déf. 1)

20 Position du front hydrique (déf. 2)

0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0
B. Thauvin, G. Villain Durée d'imbibition (jours)


Caractérisation
• Pénétration des chlorures

Avancée du « front de chlorures »

Position du front de chlorures Xd
100

80

Essai colorimétrique à 0,3 j
(en mm)
60
d’imbibition (30g/L)

40

Xd (colorimétrie) - 15 g/L
20 Xd (colorimétrie) - 30 g/L

0
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0

B. Thauvin, G. Villain Durée d'imbibition (jours)


Caractérisation

Position des fronts d'eau et de chlorures
100

80

Pénétration des chlorures entraînés par

(mm)
60

l’eau et se fixant à la matrice cimentaire
40
20
0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0

• Profils de chlorures Durée d'imbibition (jours)

15 g/L NaCl 30 g/L NaCl
0,25 0,25
Concentration en chlorures totaux

Concentration en chlorures
0,1 jours d'imbibition 0,1 jours d'imbibition

totaux (%masse béton)
0,2 0,2 0,3 jours d'imbibition
0,3 jours d'imbibition
1 jours d'imbibition
(%masse béton)

1 jours d'imbibition
1,8 jours d'imbibition 23 jours d'imbibition
0,15 0,15

0,1 0,1

0,05 0,05

0 0
0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100
B. Thauvin, G. Villain Profondeur (mm) Profondeur (mm)


Évaluation non destructive
• Radar en mode mono-statique

GSSI SIR 20 – 2,6 GHz

Onde directe mélangée avec la réfraction sur le
surface

Réflexion sur interface béton sec / béton humide

Réflexion sur l’interface fond de dalle

Demi-hyperboles dues aux effets
Radar-gramme de bords



35000
Étude de l’onde réfléchie en fond de
30000
dallette
25000
Auscultation depuis la surface exposée
Amplitude

20000
35000
15000

10000 30000 0 j d'imbibition
0,1 j d'imbibition
5000 0,3 j d'imbibition
0 0,5 1 1,5 2 1,6 j d'imbibition

Amplitude
Durée d'imbibition (en jours) 23 j d'imbibition
20000

0 g/L NaCl 15 g/L NaCl 30 g/L NaCl

15000

10000
E R
5000

0
0 g/L 15 g/L 30 g/L

Concentration en NaCl de la solution
B. Thauvin, G. Villain d'imbibition



Étude des radargrammes
Détection du « Front hydrique » ~ Echo radar

0 j d’imbibition
0,1 j d’imbibition



Vitesse de propagation dans le béton saturé en solution de NaCl
100

90

80

70
Profondeur (mm)

60

50

40 Vitesse Permittivité
[NaCl]
30 Position de l'écho radar (m.ns-1) ’
20 Position du front hydrique (déf. 1) 0 g/L 0,088 11,6
10
Position du front hydrique (déf. 2) 15 g/L 0,087 11,9
0 30 g/L 0,086 12,2
0 0.5 1 1.5 2



• Radar en mode bi-statique, multi-offsets
Etude des ondes guidées dans une couche de
béton de permittivité contrastée
Courbe de dispersion de la vitesse de phase
Minimisation / 3 paramètres (’1, ’2, h=e1)
pour chaque échéance

[Ihamouten, 2011]
À faire pour cette étude

E R



• Sondes capacitives

Fréquence de résonance d’un circuit oscillant (33 MHz)
 Constante diélectrique ’
Mesure intégrante selon la profondeur (3 patins) pour
chaque échéance

0

GE y = -24.36x + 28.46
Variation de fréquence (Hz) -50 R2 = 1.00

-100 3E y = -23.21x + 21.88
R2 = 1.00
-150
ME y = -28.37x + 26.45
R2 = 0.99
-200
PE y = -24.18x + 19.29
-250 R2 = 1.00
0 2 4 6 8 10
Constante diélectrique (-)



• Sondes capacitives
24
22

Constante diélecrique GE ' (-)
20
18
16 Saturation
14
12
10 Dalle 1 (0 g/L)
8 Dalle 2 (15 g/L)
6 Dalle 3 (30 g/L)
4
0 0.5 1 1.5 2

Constante diélectrique dans le béton saturé en solution de NaCl
0 g/L 15 g/L 30 g/L
14 20 24
13 22
Constante diélecrique ' (-)


18
12 20
16
11 18
10 14 16
9 12 14
8 10 12
7 Electrode GE Electrode GE 10 Electrode GE
Electrode ME 8
6 Electrode ME 8 Electrode ME
5 Electrode PE 6 Electrode PE 6 Electrode PE
4 4 4
B. Thauvin, 0.1 Villain0.2
0
G. 0.3 0.4 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0 0.1 0.2 0.3 0.4
Durée d'imbibition (jours) Durée d'imbibition (jours) Durée d'imbibition (jours)


• Sonde multi-électrodes de résistivité

Mesure de la résistivité en configuration Wenner
Mesure intégrante selon l’écartement des électrodes
Inversion des résistivités apparentes
Tomographie de résistivités électriques
[R. Du Plooy, S. Palma-Lopes et al. 2012]



100000
T1
T2
10000 T3
T4

Résistivité (Ohm.m)
T5
1000 T6

100

10
0 0.02 0.04 0.06 0.08
Evolution dans le temps
Profondeur (m) similaire / 3 dalles
100000
T1 Résistivité diminue ave
T2

10000 T3
T4 la concentration [NaCl]
T5
1000 T6

100

10
0 0.02 0.04 0.06 0.08
Profondeur (m)

100000
T1
T2

10000 T3
T4
T5
1000 T6

100

10
0 0.02 0.04 0.06 0.08
B. Thauvin, G. Villain Profondeur (m)


100% 7%

90% 100
6%

Variation de teneur en eau (%)
80%

Position du front d'eau (mm)
Degré de saturation (%) .

T1
5% 80
70% T2
60% T3 4%
60
50% T4
3%
40% T5
40
30% T6 2% Radar monostatique
20% Résistivité
1% 20
10%
0% 0%
0
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0 20 40 60 80 0 1 2 3 4
Profondeur (m) Profondeur de l'éprouvette (cm) Durée d'imbibition (jours)

Dalle 1 : 0 g/L
90%
80% Dalle 1 (0g/L)
70% Dalle 2 (15 g/L)
Difference Relative (%)

60% Dalle 3 (30 g/L)
Sensibilité aux chlorures 50%
40%
30%
20%
10%
0%
TRE - résistivité Capacimétrie Radar mono.
Technique EM


• Conclusions et perspectives

• Tomographie de Résistivité Electrique TRE particulièrement sensible
à l’eau et aux chlorures permettant de déterminer des profils
• Poursuivre l’analyse
– Inversion des mesures des sondes capacitives
– Analyser les mesures du radar en configuration bi-statique multi-offsets
– Croiser les méthodes pour obtenir les profils de chlorure (?)
• Déterminer des courbes de caalibration pour passer des observables
ND (Permittivité, résistivité) aux paramètres de suivi des dégradations
• Comparer ces profils avec les modèles de prédictifs de durabilité
(Département MAT)

[R. Du Plooy, S. Palma Lopes, G. Villain & X. Dérobert, B. Thauvin & C. Lestréhan, Comparison of
electromagnetic non-destructive evaluation techniques for the monitoring of chloride ingress in
cover concrete, 6th International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management,
IABMAS, Villa Erba, Lake Como, Italy, July 8-12 2012, 8p



Merci pour votre attention


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