1. Plate forme de modélisation en vue de la
prédiction de la durée de vie des bétons
vis-à-vis de la pénétration d’agents
agressifs
Phase d'initiation de la corrosion vis-à-vis de la
-
pénétration d'agents agressifs (CO2, Cl )
- THIERY M., BAROGHEL-BOUNY V., A. MORANDEAU,
B. WANG, Z. ZHANG
MAT (Paris)
- DANGLA P.
Navier (Champ-sur-Marne)
- ORCESI A.
SOA (Paris)
Intervenant - date

2. Estimation / Prédiction de la durabilité des
structures en béton armé (BA)
- Les dépenses pour les réparations des structures
en béton constituent entre 50%-100% des
dépenses par rapport aux constructions nouvelles
(pays développés)
- Le coût annuel des réparations des structures est
équivalent à 10% du PIB (Europe)
Approches prescriptives (EN206) : les critères
portent sur les moyens (formulation, enrobage, etc.)
→ limitations de l’innovation (nouveaux liants ?,
durée de vie 50 ans, optimisation en terme d’éco-
conception ?)
Approche performantielle / outils de prédiction :
↑ durée de vie (100 ans)
Intervenant - date

3. Estimation / Prédiction de la durabilité des
structures en béton armé (BA)
Approche performantielle / outils de prédiction : MDM : guide AFGC
-Plus grande souplesse pour faciliter l’emploi de Baroghel-Bouny et al.
liants respectueux de l’environnement (identification
des indicateurs pertinents)
-Lien "Formulation" / "Performances de durabilité"
Les modèles prédictifs :
Objectif 1 : évaluation de la durabilité potentielle
durant la phase de conception (formulation d’un
béton pour une durabilité pré-définie, qualification
d’une formulation, prédiction de la durée de vie)
Objectif 2 : estimation (in situ) et quantification de la
durée de vie résiduelle des structures existantes
(stratégie de maintenance et de réparation)
Intervenant - date

4. Modèles physico-chimiques de
prédiction de la durée de vie
- Restriction à la phase d’initiation (incubation) de la corrosion
- Modèles physico-chimiques (pré-requis : analyse des mécanismes)
Données d’entrée : indicateurs de durabilité (souplesse, accessibilité)
Données de sorties : témoins de durée de vie (profils de pénétration et
cinétiques de dégradation)
- Modèles déterministes et probabilistes
Différents niveaux de sophistication (différents objectifs, sélection suivant le
niveau de précision et les données disponibles)
Recherche de la simplicité avant tout
(limitation des données et paramètres d’entrée à
identifier)
Intervenant - date

5. Données d'entrée
Transferts hydriques
Modèles prédictifs
Intervenant - date

6. Intervenant - date

7. Compréhension des mécanismes
Hydratation / Constitution de la microstructure
Mise en relation de l’évolution de la composition chimique du matériau (hydratation du
clinker et réactions des additions minérales) avec la nano-micro-structuration du matériau
Eau
Grains anhydres de ciment Produits d’hydratation (CH + C-S-H)
-Prise
-Structuration du
matériau
-Constitution d’une
microstructure
"cohésive"
Intervenant - date

8. Compréhension des mécanismes Nanocem
Hydratation / Constitution de la microstructure
Développement de modèles semi-analytiques prédisant les paramètres fondamentaux
caractéristant l’hydratation (teneurs en hydrates, degré d’hydratation) et la microstructure
du matériau (porosité)
Teneurs en hydrates Porosité vs. degré d’hydratation
Modèles de type "béton numérique"
(Description géométrique de
l’hydratation) ...
Intervenant - date

9. Compréhension des mécanismes
Hydratation / Constitution de la microstructure
Hydratation ⇔ Microstructure ⇔ Propriétiés de transferts
Microstructure Permeabilité
Intervenant - date

10. Compréhension des mécanismes
Interactions physico-chimiques
Le béton est un matériau en constante interaction
physico-chimique avec son environnement
-Eau
-Ions (Cl-, SO42-, Na+, K+, etc.)
-Gaz (CO2)
La connaissance des interactions est cruciale pour
prédire avec précision la pénétration des agents
délétères au sein de la microstructure
Intervenant - date

11. Compréhension des mécanismes
Interactions eau / matrice
Eau libre – Eau adsorbée
Courbe d’interaction
(rôle de l’humidité et de la finesse
Vapeur d’eau (HR) – Teneur en eau
de la microstructure)
Intervenant - date

12. Compréhension des mécanismes
Interactions eau / matrice
- Modélisation des courbes d’interactions
(adsorption - désorption - cycles)
- Variables : porosité capillaire + degré d’hydratation
Hystérésis
Intervenant - date

13. Compréhension des mécanismes
Interactions chlorures / matrice
Une partie des ions chlorure est
libre (mobiles) et une autre partie
est fixée sur la matrice cimentaire
(chimiquement et par adsorption).
Relation sCl = f(cCl)
Intervenant - date

14. Compréhension des mécanismes
Interactions CO2 / matrice
Quantification de la quantité de matière
carbonatable pat ATG et par Spectrométrie
de Masse
Quantification du degré de carbonatation Spectrométrie
en fonction de la formulation du matériau, de masse
de la nature des hydrates et de la
concentration en CO2
Intervenant - date

15. Effet des interactions sur la pénétration
des agents agressifs
Synthèse : les différentes formes d’interactions
Intervenant - date

16. Effet des interactions sur la pénétration
des agents agressifs
La nature des interactions joue un rôle
fondamental sur la forme du front de
carbonatation
Intervenant - date

17. Compréhension des mécanismes
Interactions CO2 / matrice
Evolution de la microstructure
(porosité) en fonction du
niveau de carbonatation des
hydrates (portlandite et C-S-H)
Matériaux à base de
ciment CEM I
Matériaux à base de
ciment CEM I + additions
Intervenant - date

18. Intervenant - date

19. Modélisation des couplages
Chimie - Transport Nanocem
Chimie
- Interactions chimiques en solution aqueuses (homogènes)
- Interactions hétérogènes
+Réactions chimiques (ions-matrice) : équilibre ?
+Réactions chimiques (entre les phases solides)
⇒ modèle de solution solide
Transports
- Phase gazeuse : vapeur d’eau et air sec
- Phase liquide : eau liquide, espèces ioniques
Transport par électro-diffusion / advection
Intervenant - date

20. Intervenant - date

21. Intervenant - date

22. Equations chimiques
⇒ de fortes non-linéarités
Effets cinétiques
Reactions chimiques homogènes
en solution aqueuse
Modèle
de solution solide
Intervenant - date

23. MDM +
Navier +
Equations hydriques Nanocem
Courbes de sorption
Intervenant - date

24. Equations de transport MDM +
Navier +
Nanocem
Phases gazeuse et liquide
Transport par advection
et diffusion
Intervenant - date

25. MDM +
Navier +
Equations de transport Nanocem
Intervenant - date

26. MDM +
Navier +
Equations de bilan Nanocem
Bilans sur les éléments chimiques
Intervenant - date

27. Simulations de la carbonatation
atmosphérique (conditions accélérées)
Intervenant - date

28. Simulations de la carbonatation
atmosphérique (conditions accélérées)
-Description correcte de la
-Evolution de l’assemblage
"chimie" de la solution
minérale en fonction de la
interstitielle en fonction du
concentration en CO2
niveau de carbonatation
Intervenant - date

29. Simulations de la carbonatation
atmosphérique (conditions accélérées)
-Profil de teneur en -Profils de pH à différentes échéances
portlandite à différentes (cf. rôle des alacalins)
échéances
-Crucial pour l’estimation du
risque de corrosion des armatures
Intervenant - date

30. Intervenant - date

31. Simulations probabilistes de la
pénétration de la carbonatation
Abaissement du niveau de raffinement du modèle pour prendre en
compte la variabilité des paramètres d’entrée du modèle
-Incertitude des données d’entrée du modèle (mesures des indicateurs de
durabilité)
-Variabilité sur la formulation et les conditions de mise en oeuvre
-Variation stochastique des conditions d’exposition (HR, CO2, etc.)
etc.
Calcul d’une probabilité
de défaillance ou d’un
indice de fiabilité
Intervenant - date

32. Simulations probabilistes de la
pénétration de la carbonatation
Indice de fiabilité
=
Distance entre l’état limite (XC=E) et le point de
fonctionnement (point "moyen")
Intervenant - date

33. Simulations probabilistes de la
pénétration de la carbonatation
Intervenant - date

34. Intervenant - date

35. Simulations de la pénétration des ions chlorure
(conditions saturées, lab.)
Essai de diffusion
Exploitation du profil à une échéance donnée et une CL fixée
Prédictions à d'autres échéances et/ou des CL différentes
Chlorures libres
Wang, 2012
Chlorures totaux
Fixation
Intervenant - date

36. Simulations de la pénétration des ions
chlorure (conditions saturées, in situ)
Wang, 2012
Intervenant - date

37. Simulations de la pénétration des ions
chlorure (conditions saturées, in situ)
Intervenant - date
Wang, 2012

38. Intervenant - date

39. Simulations de la pénétration des ions chlorure
(conditions non-saturées)
Cas du "wick-action test"
Forts couplages entre les transferts
Profils de taux de saturation
hydriques et les mouvements
(état hydrique)
ioniques
Exposition en zone de marnage
Baroghel-Bouny & Thiery, 2011
Intervenant - date

40. Simulations de la pénétration des ions chlorure
(conditions non-saturées)
Profils ioniques à différentes
échéances
Accumulation des ions au
niveau d'un front du front de
séchage
Baroghel-Bouny & Thiery, 2011
4 mois
35 jours
Intervenant - date

41. Conclusion
• Plateforme de modélisation et de prédiction de la durée
de vie (agressions ioniques + CO2 / transferts hydriques)
• Multi-phases, multi-espèces, multi-physiques
Fondements physico-chimiques / Souplesse
(cohérence avec l’approche performantielle)
• Différents niveaux de raffinement :
-Ingénieurs (modèles probabilistes)
-Analyse inverse des données d’entrée
-Compréhension des mécanismes
Intervenant - date

42. Perspectives de recherche
-Interactions alcalins / matrice (cas des matériaux fortement
dosés en additions)
-Prise en compte dans les modèles des phénomènes d’hystérésis
(humidification – séchage) : influence sur la pénétration d’agents
agressifs
-Problématique du décoffrage des bétons fortement dosés en
additions minérales (cendres volantes, laitiers, etc.)
-Modélisation des couplages transferts hydriques - réactions
chimiques
(à court terme)
-Simulation de la dégradation des propriétés de durabilité de la
zone d’enrobage
-Accroissement de la sensibilité à la carbonatation
Intervenant - date

43. Longue phase de
cure CEM I
(essais accélérés)
Décoffrage
Hydratation
Séchage et carbo.
temps
Courte durée de
cure (bétons à CEM I
base de CEM I) Séchage et carbo.
Décoffrage
Hydratation
temps
CEM I CV
Courte durée de
cure (bétons à base
Séchage et carbo.
Décoffrage
de CEM I + CV) Hydratation
temps
Intervenant - date