L'Agence nationale de la recherche Des projets pour la science

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Systèmes urbains durables (DS0601)
Edition 2014


MODEVIE


Modélisation du vieillissement des ouvrages en béton

La modélisation au service de la santé des ouvrages - Eau de mer et CO2, causes récurrentes de la pathologie des bétons armés
La première cause de dégradation des ouvrages en béton armé est la corrosion des armatures. Maîtriser la durée de vie des ouvrages signifie donc contrôler dès la conception le risque de corrosion. Pour cela il faut utiliser la modélisation prédictive. L’enjeu est bien sûr économique car la maintenance d’un patrimoine bâti vieillissant coûte cher mais il est également environnemental car il s'agit ainsi de valider l'utilisation de nouveaux matériaux moins impactants écologiquement.

Prédiction de la performance et de la durée de vie des ouvrages dans le contexte du risque de corrosion des armatures dans le béton
«Le retour d’expérience montre que la meilleure gestion des structures vieillissantes, dans un contexte de développement durable, nécessite des outils pertinents de prédiction de la performance et de la durée de vie des structures. Par ailleurs, le développement de tels outils est également aujourd'hui un enjeu important qui émerge lors de la construction d'ouvrages neufs pour lesquels la pérennité économique du projet dépend aussi des coûts de maintenance. De nombreux exemples montrent que pour le patrimoine bâti au 20ème siècle, les coûts de réparation prévisibles peuvent grever la valeur de certains édifices de manière importante (PERFDUB ?).
D’autre part, il est aujourd’hui techniquement possible de réduire significativement l’impact environnemental des bétons (réduction de 30% à 50% du facteur d’émission de CO2 par exemple) grâce à une utilisation optimale des matériaux locaux (granulats, ciments, additions) et des adjuvants modernes (qui permettent de réduire le dosage en eau des bétons et donc d’assurer une compacité élevée propice à une bonne durabilité). De plus, les voies permettant la réduction de l’impact environnemental des bétons contribuent également à une réduction des coûts grâce à l’utilisation de matériaux recyclés et/ou à la réduction des distances de transport qui représentent une part considérable de l’économie des ouvrages en béton. La possibilité d’optimiser à la fois l’empreinte environnementale et le coût de la construction fait de l’approche performantielle un sujet particulièrement important pour les domaines du bâtiment, du génie civil, du nucléaire....
Ces divers constats montrent qu'il est aujourd'hui nécessaire, pour les différents acteurs de la construction du béton armé, d'aborder le cycle de vie des ouvrages et leur durée de vie de manière plus efficace, rationnelle et pertinente. Une telle action est aujourd'hui un passage obligé pour à terme, optimiser leur maintenance en accord avec une stratégie de développement durable.

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Développement d'un modèle type ingénieur pour la prédiction du comportement des ouvrages - approche performantielle de la durabilité et corrosion
«Pour atteindre les objectifs précédemment décrits, il est nécessaire d’identifier différents verrous scientifiques :
• Modéliser la phase d’initiation de la corrosion sous sollicitations couplées carbonatation – ions chlorure en milieu partiellement saturé en utilisant comme données d’entrée les indicateurs de durabilité utilisés dans l’approche performantielle;
• Faire évoluer les modèles pour prendre en compte les paramètres liés aux granulats et à la mise en œuvre ;
• Modéliser les états limites de corrosion en présence d'ions chlorure et de carbonatation
• Assurer le regroupement des différentes étapes de vie d’un ouvrage en béton en chaînant les modèles en partant du transfert d’espèces puis en passant par la dépassivation des armatures, à la propagation de la corrosion et aux dégradations mécaniques associées.
Pour satisfaire les besoins des acteurs de la construction en général et des ingénieurs en particulier, il est également important de prendre en compte certains verrous techniques :
• Définir à partir des modèles « utiles au chercheurs », un modèle simple accessible aux ingénieurs en vue de l’application de l’approche performantielle dans un premier temps à des d’éléments de structures subissant une dégradation par des essais de laboratoire (couplage carbonatation et brouillard salin)
• Appliquer le modèle « ingénieur » pour quantifier le niveau de dégradation des structures vis-à-vis de la corrosion des armatures dans un cadre état limite selon le schéma suivant :
• ELS « A » : problème purement d’aspect ;
• ELS « F » : problème de fonctionnement (déformation excessive) ;
• ELU « I » : problème d’intégrité mécanique de la structure.
• Proposer pour chaque EL des indices cibles croissants en fonction de la gravité des conséquences de la corrosion des aciers
• Appliquer l’approche performantielle à des cas réels.
Le résultats de ce travail seront également utiles aux maîtres d'ouvrage qui gèrent un parc vieillissant de structures en béton armé.
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Résultats

A venir

Perspectives

«Le projet MODEVIE a pour ambition d’asseoir les fondements de l’approche performantielle, pour ce qui concerne la corrosion des armatures, afin de valider une telle méthodologie et de mettre à disposition des acteurs de la construction les outils développés.
Par conséquent, pour assurer une diffusion la plus large possible des résultats du projet, une présentation finale du projet sera préparée collectivement par l’ensemble des partenaires puis restituée dans le cadre de 5 présentations régionales (Ile de France, Nantes, Toulouse, Lyon, Lille) afin d’essaimer notre démarche et le (ou les) modèles développé(s) auprès de l’ensemble des acteurs de la filière génie civil. Ces journées de restitution s’adresseront entre autres aux maîtres d’ouvrage, aux entreprises, aux enseignants, aux élèves-ingénieurs, etc.
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Productions scientifiques et brevets

A venir

Partenaires

Cerema Centre d'études et d'expertise sur les risques, l'environnement, la mobilité et l'aménagement

CERIB CERIB

 EUROVIA MANAGEMENT

GeM Institut de recherche en Génie Civil et Mécanique

IFSTTAR Institut Français des Sciences et Technologies, des Transports, de l'Aménagement et des Réseaux

 LAFARGE CENTRE DE RECHERCHE

LaSIE Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur pour l'Environnement

LMDC Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions

 VINCI CONSTRUCTION FRANCE

Aide de l'ANR 697 777 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2014 - 42 mois

Résumé de soumission

La première cause de dégradation des ouvrages en béton armé est la corrosion des armatures provoquées par les agents agressifs du milieu extérieur comme le dioxyde de carbone et les ions chlorure. Maîtriser la durée de vie des ouvrages signifie donc contrôler dès la conception le risque de corrosion. L’enjeu est bien sûr économique car la maintenance d’un patrimoine bâti vieillissant coûte cher aux maîtres d’ouvrages. Il est aussi environnemental car l’utilisation du béton a un impact à l’échelle de la planète (8% des émissions de gaz à effet de serre) ou à une échelle locale (consommation des ressources en granulats).
Dans la réglementation actuelle, la maîtrise de la durée de vie passe par une obligation de moyens. Les normes imposent par exemple un enrobage minimal des armatures ou un dosage minimal en liant dans la composition du béton. Dans les prochaines années, l’approche dite performantielle qui consiste à considérer les performances réelles de la structure sera également intégrée dans les normes comme une autre voie pour définir la composition des bétons. Il est possible d’évaluer les performances du béton à l’aide d’essais de vieillissement accéléré ou d’indicateurs de durabilité. En France, il existe des méthodes d’application d’une approche performantielle de la durabilité. Un projet national, PERFDUB en cours de montage, doit rassembler la plupart des acteurs de la construction pour asseoir ces méthodes et proposer une méthodologie globale.
Pour accroître la robustesse de l’approche performantielle basée sur des essais ou des indicateurs de durabilité il est nécessaire de s’appuyer aussi sur des outils de modélisation permettant de prédire le comportement à long terme des structures en béton armé.
Ces dernières années ont vu beaucoup de progrès dans la modélisation des phénomènes physico-chimiques et mécaniques agissant sur la durabilité du béton armé. Néanmoins, les modèles actuels sont bien souvent focalisés sur une seule des phases du processus de corrosion, par exemple sur la phase de pénétration des agents agressifs ou sur la phase de propagation de la corrosion. L’ambition du projet MODEVIE est d’une part de regrouper ces différentes étapes de la vie d’un ouvrage en chainant les modèles de comportement, du transfert des espèces jusqu’à la corrosion et aux dégradations mécaniques associées et d’autre part d’aboutir à un modèle de type « ingénieur » utilisable pour l’approche performantielle dans le contexte normatif par les acteurs de la construction. Le projet MODEVIE doit aussi permettre une meilleure compréhension des paramètres favorables à la dépassivation des aciers et à la propagation de la corrosion. Il s’agit ainsi de définir de manière rationnelle des états limites associés à la corrosion des armatures.
Organisé en 6 tâches, le projet associera modélisation et expérimentations. Ces dernières permettront de prendre en compte des paramètres tels que la mise en œuvre, la nature des granulats et la nature du liant. Seront ainsi étudiés des matériaux potentiellement qualifiés par l’approche performantielle (bétons à teneur élevée en addition minérale ou en granulats recyclés). Le projet aboutira à la définition d’un modèle de calcul type « ingénieur » de la durée de vie pour un type d’état-limite défini (correspondant à un stade de corrosion acceptable) en fonction des paramètres de formulation, de mise en œuvre, des conditions d’environnement et exploitable par les utilisateurs finaux à partir de données accessibles par des essais normalisés.
L’un des points forts du projet MODEVIE est de réunir des partenaires spécialistes des phénomènes de transfert et de corrosion et du contexte normatif afférant à la durabilité des ouvrages en béton, tous impliqués dans la mise en œuvre de l’approche performantielle, qu’ils s’agissent de laboratoires universitaires (LaSIE, GeM, LMDC), de laboratoires publics (IFSTTAR, CEREMA) ou privés (LAFARGE, EUROVIA, VINCI Construction France, CERIB).

 

Programme ANR : Systèmes urbains durables (DS0601) 2014

Référence projet : ANR-14-CE22-0018

Coordinateur du projet :
Madame Myriam CARCASSES (Laboratoire Matériaux et Durabilité des Constructions)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.