Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section de génie civil, Institut de structures IS (Laboratoire de maintenance, construction et sécurité des ouvrages MCS)

Effet du microclimat sur l'initiation de la corrosion des aciers d'armature dans les ouvrages en béton armé

Conciatori, David ; Brühwiler, Eugen (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2005 ; no 3408.

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    Summary
    The deterioration of reinforced concrete structures and the associated rehabilitation work represent an economic cost of premier importance. In Switzerland, the structural maintenance expenditures amount to 40% to 65% of the initial construction cost (over a 100 year life-span). Among the maintenance and rehabilitation activities, those dedicated to combating corrosion constitute the largest portion of invested financial resources. For example, the curbs of each highway bridge need to be repaired every 20 to 30 years, resulting in extensive maintenance and user costs. The corrosion phenomenon is initiated by the presence of oxygen and water acting upon steel reinforcement with a compromised protective oxide film (a natural protective layer surrounding the steel). This protective layer is eliminated by carbonization of the concrete (the reaction between carbondioxide and concrete calcium-hydroxide paste), a sufficient chloride ion concentration around the steel reinforcement (introduced by the spreading of de-icing salts on the roads during winter), or a combination of the two phenomena. The water diffusion in the concrete cover facilitates the chloride ion movement, reducing the corrosion initiation time, and likewise, increasing deterioration rate. This research proposes a model, "TransChlor," to evaluate the duration of the corrosion initiation processes. TransChlor can therefore serve as a decision aid during the structural maintenance plan selection process and during the design of new structural elements to mitigate the steel reinforcement corrosion problem. The model can also complement and elaborate upon the existing codes. TransChlor is based on a structural analysis approach that groups the elements of a structure into distinct groups. Each group is defined by similar functional and structural qualities influencing the corrosion phenomenon (concrete cover permeability, degree of exposure to aggressive corrosive agents, local defects). The model in particular distinguishes the elements exposed to mist and liquid water. This model is based on in-situ measurements (structural monitoring) and inspections performed by trained inspectors. TransChlor employs a deterministic approach to simulate water diffusion, chloride ion diffusion, gas penetration, and thermal conduction. The penetration of liquid water into the concrete pours, called capillary suction, was experimentally studied in the laboratory at low temperatures to match in-situ conditions. These experiments formed the calibration base of this model. TransChlor also incorporates a probabilistic model to consider the variable and indeterminate aspects of the corrosion problem, such as the permeability space, the concrete cover thickness, and the reinforcing steel physical-chemical resistance to chloride ion attack. The deterministic model is refined by the probabilistic approach and together TransChlor offers a more exact evaluation of the corrosion deterioration risks and can facilitate the objective dialogue and discussion between owners and maintenance specialists. For locations exposed to liquid water and brine, the standards should impose additional protective provisions such as periodic hydrophobic impregnations, implementation of stainless steel reinforcing bars, etc. For other locations (exposed to salt spay and carbonated concrete not exposed to chloride ions), the codes should require complementary construction and maintenance provisions.
    Riassunto
    Riassunto Il deterioramento delle opere di costruzione in cemento armato e la loro riparazione rappresenta una sfida economica mondiale di primaria importanza. In Svizzera, le spese di manutenzione di un'opera di costruzione corrispondono approssimativamente al 40-65% dell'investimento iniziale (considerando una durata in servizio di 100 anni). Tra gli interventi di riparazione e di rinnovo, quelle legate alla corrosione assorbono la maggior parte delle risorse finanziarie. Un esempio sono i cordoli dei ponti autostradali, che richiedono costose manutenzioni straordinarie ogni 20 o 30 anni, e hanno un forte impatto sugli utenti degli assi viari. Il fenomeno di corrosione degli acciai di rinforzo nel calcestruzzo si innesca per la presenza contemporanea d'ossigeno e d'acqua e quando lo strato di passività (una protezione naturale che circonda gli acciai nei calcestruzzi) è scomparso. La scomparsa di tale strato protettivo è il risultato sia della carbonatazione del calcestruzzo (reazione del gas carbonico con la pasta di cemento) sia della presenza di ioni cloruri a livello dell'acciaio di rinforzo (che proviene principalmente dall'irrorazione di prodotti che sbrinano le carreggiate durante i periodi invernali). Il movimento dell'acqua all'interno del copriferro favorisce il movimento di ioni cloruri e genera così una diminuzione sensibile del tempo d'iniziazione della corrosione e quindi un aumento della rapidità del deterioramento. La ricerca condotta in questa tesi dottorale propone un nuovo modello, chiamato "TransChlor", capace di valutare la durata del processo d'iniziazione della corrosione. Tale modello costituisce un strumento per la corretta pianificazione delle strategie di manutenzione di manufatti esistenti e per una efficace valutazione delle problematiche legate alla corrosione delle armature nella concezione di nuove costruzioni. Inoltre, tale modello, può anche contribuire all'elaborazione delle norme in materia. "TransChlor" si basa su una classificazione degli elementi strutturali in classi omogenee sul piano funzionali, strutturali e sul piano della sensibilità al fenomeno di corrosione (permeabilità del calcestruzzo di rivestimento, grado d'esposizione agli agenti corrosivi, difetti locali). Il modello distingue in particolare gli elementi del manufatto esposti alla nebbia ed all'acqua. Il modello è calbrato in base a misurazioni in-situ (fra cui i monitoraggi di controllo di un'opera) e dei dati disponibili presso le autorità pubbliche. "TransChlor" simula numericamente i movimenti idrici, i movimenti ionici del cloruro ed i trasferimenti gassosi e termici. La penetrazione dell'acqua nei pori del calcestruzzo, chiamata aspirazione capillare, è stata oggetto di uno studio dettagliato effettuato in laboratorio, simulando le temperature misurate in-situ. Questi esperimenti hanno contribuito alla calibratura finale del modello. "TransChlor" propone inoltre un modello probabilistico che offre uno strumento per tenere conto degli aspetti non deterministici della problematica della corrosione, come la variazione spaziale della permeabilità e dello spessore del calcestruzzo di rivestimento e la variazione della resistenza fisico-chimica degli acciai di rinforzi agli ioni cloruri. Il modello deterministico aumentato dell'approccio probabilistico offre una valutazione più fine dei rischi d'asportazione per corrosione e permette di costituire una base oggettiva di discussione e di concertazione tra padroni imprenditore edile e specialisti della manutenzione dei lavori. Nelle zone esposte all'acqua e a spruzzi d’acqua salata, le norme dovrebbero imporre disposizioni supplementari come impregnazioni idrofobe, utilizzo d'acciai inossidabili, ecc. per gli altri casi (esposizione alla nebbia salina e per i calcestruzzi cartonatati senza presenza di ioni cloruri), le norme dovrebbero esigere disposizioni costruttive complementari.
    Zusammenfassung
    Die Schädigung von Bauwerken aus Stahlbeton und die entsprechenden Instandsetzungsarbeiten stellen weltweit einen bedeutenden wirtschaftlichen Faktor dar. In der Schweiz belaufen sich die Ausgaben für die Instandhaltung eines Bauwerks in der Höhe von ungefähr 40% bis 65% der Anfangsinvestition (bei einer Nutzungsdauer von 100 Jahren). Unter den Instandhaltungs- und Erneuerungsmassnahmen absorbieren jene, die mit der Korrosion zusammenhängen den größten Teil der Finanzmittel. Beispielsweise erfordern die Randabschlüsse der Autobahnbrücken alle 20 bis 30 Jahre eine Instandsetzung, kostspielige Interventionen auch in Bezug auf die Auswirkungen auf die Benutzer. Der Korrosionsprozess beginnt, sobald der Sauerstoff- und Wassergehalt dazu ausreicht, und die Passivierungsschicht (natürliche, den Bewehrungsstahl umgebende Schutzschicht) verschwunden ist. Der Abbau dieses Schutzüberzugs ist das Ergebnis der Karbonatisierung des Betons (Reaktion von Kohlendioxyd mit Zementleim), einer ausreichenden Konzentration von Chloridionen in der Nachbarschaft des Bewehrungsstahls (aus dem Einsatz von Tausalz während der kalten Jahreszeit herrührend), oder einer Kombination der zwei vorhergehenden Phänomene. Die Bewegung des Wassers im Überdeckungsbeton begünstigt den Transport von Chloridionen und verursacht so eine spürbare Senkung der Korrosionsinitationszeit und erhöht die Geschwindigkeit des Schädigungsprozesses. Aus dieser Forschungsarbeit geht ein Modell mit der Bezeichnung "TransChlor" hervor, mit welchem die Korrosionsinitationszeit abgeschätzt werden kann. Es stellt eine Entscheidungshilfe dar, mit welcher die Problematik der Korrosion des Bewehrungsstahls bei der Erhaltungsplanung bestehender Bauwerke oder bei der Bemessung neuer Bauwerke berücksichtigt werden kann. Das Modell kann ebenfalls zur Ausarbeitung von Normen beitragen. "TransChlor" beruht auf einer Modellbildung, welche eine Unterteilung der Grundstruktur in verschiedene diskrete Bestandteile erlaubt, die auf funktioneller und struktureller Ebene, sowie bezüglich deren Empfänglichkeit für Korrosionsphänomene einheitlich sind (Durchlässigkeit des Überdeckungsbetons, Aussetzungsgrad gegenüber korrosiven Substanzen, lokale Fehlstellen). Das Modell unterscheidet zwischen Bauteilen in Kontakt mit Luftfeuchtigkeit und Bauteilen in Kontakt mit Wasser. Die Parametrisierung des Modells basiert auf in-situ Messungen (Monitoring) und Umfragen bei den zuständigen öffentlichen Behörden. "TransChlor" simuliert die Feuchtigkeitsdiffusion, die Bewegungen von Chloridionen sowie gasförmige und thermische Bewegungen mit Hilfe eines numerischen Konzeptes. Das Eindringen von Wasser in die Poren des Betons (Kapillarität) ist Gegenstand einer detaillierten Studie, die in Labor bei niedrigen Temperaturen, wie sie in situ angetroffen werden, durchgeführt wurde. Diese Versuche haben zur Kalibrierung des Modells beigetragen. "TransChlor" schlägt ebenfalls ein Wahrscheinlichkeitsmodell vor, welches ein Werkzeug anbietet, die nicht- deterministischen Aspekte der Problematik der Korrosion wie die Räumliche Verteilung der Durchlässigkeit und der Dicke des Überdeckungsbetons, sowie die Variation des physikalisch-chemischen Widerstandes der Bewehrungsstähle gegen die Chloridionen zu berücksichtigen. Das deterministische, durch das Wahrscheinlichkeitskonzept ergänzbare Modell bietet eine feinere Bewertung der Schädigungsrisiken durch Korrosion an und ermöglicht eine objektive Diskussionsbasis und Abstimmung zwischen Bauherren und Spezialisten für die Erhaltung von Bauwerken. Bei Stellen, welche dem Wasser und der Sole ausgesetzt sind, müssten die Normen zusätzliche Anordnungen wie Wasser abstossende Imprägnierungen, Verwendung von nicht rostenden Stählen auferlegen. Für die anderen Fälle (dem Salzsprühnebel ausgesetzte und ohne Anwesenheit von Chloridionen karbonatisierten Betone) müssten die Normen zusätzliche konstruktive Massnahmen fordern.
    Résumé
    Les détériorations des ouvrages en béton armé et les travaux de remise en état correspondants représentent un enjeu économique mondial de première importance. En Suisse, les dépenses de maintenance d'un ouvrage d'art s'élèvent à environ 40% à 65% de l'investissement initial (durée de service de 100 ans). Parmi les activités d'entretien et de renouvellement, celles liées à la corrosion absorbent la plus grande partie des ressources financières. A titre d'exemple, les bordures des ponts autoroutiers nécessitent une remise en état tous les 20 à 30 ans, interventions également coûteuses en termes d'impacts sur les usagers. Le phénomène de corrosion des aciers d’armature dans le béton s'amorce lorsque la présence d'oxygène et d'eau est suffisante et lorsque la couche de passivation (couche naturelle de protection entourant les aciers) autour de l'acier d'armature a disparu. La disparition de cette couche protectrice est le résultat soit de la carbonatation du béton (réaction du gaz carbonique avec la pâte de ciment) soit de la présence suffisante d'ions chlorures au niveau de l'acier d'armature (provenant de l'épandage de produits de déverglaçage sur les chaussées durant les périodes hivernales), soit d'une combinaison des deux phénomènes précédents. Le mouvement de l'eau dans le béton d'enrobage favorise le mouvement d'ions chlorures et engendre ainsi une diminution sensible du temps d'initiation de la corrosion et, par corollaire, une augmentation de la rapidité des détériorations. Cette recherche propose un modèle, appelé "TransChlor", capable d'évaluer la durée du processus d'initiation de la corrosion. Il constitue ainsi une aide à la décision permettant d'inclure la problématique de la corrosion des aciers d'armatures lors de la planification des stratégies de maintenance d'ouvrages existants ou lors du dimensionnement d'éléments d'ouvrages neufs. Le modèle peut également contribuer à l'élaboration de documents normatifs. "TransChlor" repose sur une modélisation des ouvrages d'art qui permet une dissociation de la structure de base en éléments constitutifs distincts, chaque élément étant homogène sur les plans fonctionnel, structurel ainsi que sur le plan de la sensibilité au phénomène de corrosion (perméabilité du béton d'enrobage, degré d'exposition aux agents corrosifs, défauts locaux). Le modèle distingue notamment les éléments d'ouvrages exposés au brouillard et à l'eau liquide. Le modèle est paramétré sur la base de mesures in-situ (dont le monitoring d'un ouvrage) et d'enquêtes auprès des autorités publiques. "TransChlor" simule, par le biais d'une approche numérique, les mouvements hydriques, les mouvements ioniques des chlorures et les transferts gazeux et thermique. La pénétration de l'eau liquide dans les pores du béton, appelée succion capillaire, fait l'objet d'une étude détaillée effectuée en laboratoire, à basses températures telles que rencontrées in situ. Ces essais ont contribué au calibrage du modèle. "TransChlor" propose également un modèle probabiliste offrant un moyen de tenir compte des aspects non-déterministes de la problématique de la corrosion, tels que la variation spatiale de la perméabilité et de l'épaisseur du béton d'enrobage ainsi que la variation de la résistance physico-chimique des aciers d'armatures aux ions chlorures. Le modèle déterministe augmentée de l'approche probabiliste offre une évaluation plus fine des risques de détériorations par corrosion et permet de constituer une base objective de discussion et de concertation entre maîtres d'oeuvre et spécialistes de la maintenance des ouvrages. Dans les zones exposées à l'eau liquide et à la saumure, les normes devraient imposer des dispositions supplémentaires telles qu'imprégnations hydrophobes, utilisation d'aciers inoxydables, etc. Pour les autres cas (exposition au brouillard salin et pour les bétons carbonatés sans présence d'ions chlorures), les normes devraient exiger des dispositions constructives complémentaires.