RÉHABILITATION ET MAINTENANCE DES BÂTIMENTS Chapitre 2 [PDF]

Zitiervorschau

CHAP2: PATHOLOGIES

CHP II: PATHOLOGIES STRUCTURELLES DU BÂTIMENT

I. Introduction : Le béton armé est un matériau de base de structures largement utilisé depuis plus d’un siècle, aussi bien dans le génie civil que dans le bâtiment. Il peut se dégrader sous l’influence de causes liées à sa qualité originelle ou à des sollicitations d’exploitation ou d’environnement. Des pathologies apparentes ou cachées peuvent survenir. Afin de connaître leur nature, leur étendue et leur potentialité d’évolution, on établit un diagnostic nécessaire pour la prise des décisions relatives à la maintenance de l’ouvrage concerné. II. Structures en béton armé Les signes apparents extérieurs des désordres d'un ouvrage en béton sont souvent des fissures, des désagrégations et des épaufrages. Les causes de ces problèmes sont multiples, les plus fréquemment rencontrées sont : II.1. les dégradations dues aux erreurs d’exécution: L’utilisation de méthodes inadéquates ou la négligence pendant une phase quelconque de la construction peuvent affecter la qualité du béton. Ce béton se détériora plus facilement que celui obtenu conformément aux strictes règles de l’art, bien qu’un défaut d’exécution puisse être la porte ouverte aux agents agressifs, mais il est rarement une cause directe de détérioration sauf dans les cas suivant : - Mauvaise formulation du béton qui engendre une porosité trop élevée, facilitant la circulation de l’eau et des agents agressifs. - Mauvaise exécution des coffrages, mal calculés, déformables, trop minces. - Mauvaise disposition des armatures. - Absence d’armature de peau (pour répartir les contraintes dues au retrait). - Mauvaise condition de transport du béton frais provoquant une ségrégation. - Mauvaise manutention, provoquant des cassures.

Détachement d’un balcon emportant dans sa chute le balcon d’en dessous a) Vue générale b) Nappe d’acier posé dans la partie comprimée

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figure: Formation de nids d'abeilles dans un élément de béton armé

II.2. Les dégradations d’origine chimique: Le béton est un matériau basique (pH>13), pour cette raison, il est vulnérable aux attaques acides, qui agissent sur la pâte de ciment en entraînant soit la dissolution de certains hydrates (comme la portlandite), ce qui entraîne une perte d’alcalinité, soit la formation de composés nouveaux qui peuvent être expansifs. Dans quelques cas les réactions peuvent être internes et affecter les constituants du béton comme le ciment (éttringite différée) ou les granulats (alcali réaction).

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a. la Corrosion des armatures par Carbonatation (CO2): Le processus de carbonatation, qui correspond à la réaction du CO2 avec tous les hydrates du ciment et plus particulièrement avec la chaux hydratée, est généralement schématisé de la manière suivante :

Cette réaction irréversible précipite l’hydroxyde de calcium sous forme de sel insoluble. Le béton se carbonate et son pH diminue pour atteindre une valeur de 9 [SOC 01]. Dès que le front de carbonatation, parti du parement extérieur, atteint les armatures, celles-ci sont dépassivées du fait de l’abaissement du pH. L’oxyde protecteur disparaît et est remplacé par de nouveaux sels appelés rouille, dont le volume est 6 fois supérieur à celui de l’acier, d’où gonflement des armatures et éclatement du béton. La valeur admise pour la profondeur de carbonatation est de 1 cm en 8 à 15 ans et 2 cm en 20 à 30 ans.

- pénétration des Clou CO2 - carbonatation

Initiation

Taux de Corrosio n

- corrosion des armatures - réduction de section - réduction de l'adhérence acier / béton - fissuration de la zone d'enrobage - apparition de traces de rouille en surface - éclatement local du béton

Incubation

Propagation

Temps

figure: Processus de corrosion

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b. la Corrosion des armatures par les Chlorures (Cl-): Les chlorures s’introduisent dans le béton, soit par le biais de ses constituants au moment de sa confection, soit ultérieurement, s’il est exposé à une atmosphère maritime ou en présence de sels de déverglaçage ou de déneigement.

une partie des chlorures, appelés chlorures liés, s’adsorbent physiquement sur les parois des capillaires ou réagissent avec les aluminates tes de calcium pour former des monochloro-aluminates aluminates hydratés. La quantité de chlorures liés par un béton dépend des teneurs en aluminates et en sulfates du ciment utilisé (un ciment riche en C3A est susceptible de fixer davantage d’ions chlore mais cette capacité diminue en présence de sulfates). Cependant, une partie des chlorures liés peut être libérée lorsque le pH du béton diminue sous l’action de la carbonatation. l’autre partie appelés chlorures libres, va pouvoir migrer à l’intérieur du béton et atteindre at les armatures pour les dépassiver, puis les corroder. La quantité de chlorures libres augmente avec le rapport E/C et avec la concentration en sels du milieu environnant.

c. Action des sulfates : Ce type d’agression a été observé dès 1887 par Candlot (observation faite sur les mortiers des fortifications de Paris au contact d’eaux gypseuses). L’attaque donne lieu à la cristallisation d’ettringite (sel de Candlot) qui est expansive. Les sources de sulfates peuvent être externes ou internes. Dans le milieu extérieur au béton, les principales sources se sulfates sont : les sols : ou leur concentration en sulfates est généralement assez faible, (entre 0,01 et 0,05% du sol sec) mais peut aussi être localement très élevée (supérieure à 5ù dans certains certa sols contenant du gypse). Les sols alluviaux et argileux sont également susceptibles de contenir des pyrites qui peuvent 4

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s’oxyder en sulfates au contact de l’air et de l’eau. Les sulfates peuvent aussi contenir de la décomposition biologique aérobie de substances organiques contenant du soufre (engrais, plantes, etc.), les eaux souterraines séléniteuses : les eaux souterraines et les eaux d’infiltration venant en contact avec les sols contenant des sulfates (naturels ou issus de pollutions industrielles) se chargent en ions SO42-. La concentration en ions de l’eau dépend de la solubilité du sulfate et donc de la température et de la présence d’autres sels. Les sulfates présents sont souvent des sulfates alcalins ou de magnésium. l’eau de mer : l’eau de mer renferme des ions variés mais c’est l’action du sulfates de magnésium (à partir de 2,2 g/l de MgSO4) qui peut entraîner le plus de désordres d’origine chimique dans un béton les environnements industriels (industrie chimique, usine d’engrais, combustion du charbon qui dégage du dioxyde de soufre, fumées..). les pluies acides emmenant avec elles le dioxyde de soufre contenu dans l’atmosphère Les sources internes de sulfates sont : les granulats : essentiellement le cas des granulats contenant des pyrites (sulfures de fer) qui peuvent s’oxyder ou des granulats gypseux (la teneur en soufre total des granulats, exprimée en SO3). Les sulfates peuvent être présents sur les granulats suit à une pollution accidentelle (déchets de plâtre par exemple dans des granulats recyclés).

la phase liante : des sulfates libres peuvent être encore présents dans le béton durci si la formation d’ettringite primaire a été empêché lors de durcissement à une température supérieure à 60°C (cas des pièces étuvées ou des bétons massifs), ou si le clinker était sursulfaté (sulfates lentement solubles).

Cette réaction commence par la surface puis pénètre peu à peu vers le cœur du matériau, la vitesse de pénétration étant fonction de la perméabilité du béton vis-à-vis des ions sulfates. Elle provoque des fissurations du matériau sous l’effet du gonflement et, dans les cas graves, conduit à une désorganisation du matériau pouvant s’apparenter à un pourrissement.

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d. Action des eaux pures et eaux douces : Lorsque les eaux de ruissellement ou l'humidité du milieu externe entrent en contact avec la pâte de ciment, elles tendent à lixivier (dissoudre) certains produits à base de calcium (surtout la chaux formée par l'hydratation du ciment). Ce processus peut diminuer les propriétés mécaniques des hydrates ou augmenter la porosité interne. - Perte de résistance mécanique du béton

La dégradation débute par une dissolution de la portlandite puis, lorsque la portlandite a été dissoute, ce sont les silicates et les aluminates, moins solubles, qui sont attaquées. Elle se traduit par une érosion progressive de la surface dans les cas d’un contact superficiel de l’eau, mais elle peut entraîner un lessivage important du béton à cœur dans le cas de la pénétration d’eau sous l’effet d’un gradient de pression hydraulique (cas des barrages et des tunnels).

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Fig.: Lixiviation de surface par les eaux douces

II.3. Les dégradations d’origine physico-chimique

a. Retraits Le symptôme caractéristique de l’action du retrait sur un ouvrage est la fissuration qui peut être soit orientée, soit multidirectionnelle. Les différents types de fissures de retrait sont classés chronologiquement suivant leur ordre d’apparition : - fissures apparaissant une ou deux heures après le bétonnage et parfois visibles à travers l'eau de ressuage (encore appelées cassures de béton frais). Ces fissures sont provoquées par le tassement du béton frais dans les coffrages et le ressuage qui l'accompagne, ou par une sédimentation du béton résultant d'un défaut de compacité et provoquant un gradient vertical de l'ensemble des caractéristiques physiques et mécaniques.

figure: fissure engendrés par le retrait plastique

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Fissures apparaissant juste après le décoffrage. Ces fissures affectent aussi bien les surfaces horizontales que les parements verticaux. Elles forment un maillage de quelques décimètres de côté reproduisant ou non le ferraillage sous-jacent et sont généralement fines et peu profondes lorsqu'elles sont occasionnées par le retrait d'auto-dessiccation. Fissures apparaissant plusieurs jours ou plusieurs mois après le décoffrage. Ces fissures présentent un faciès analogue aux fissures précédentes, et sont créées par le retrait de dessiccation encore appelé retrait à long terme.

b. Gel-dégel Si l'eau absorbée par le béton est exposée à des températures inférieures à zéro degré Celsius, elle gèle en augmentant le volume ; la pression résultante fissure le béton. Au moment du dégel la surface fissurée s'épaufre. La meilleure protection à prendre est : De diminuer la porosité en utilisant un béton dense et de bonne qualité (le rapport eau-ciment est inférieur à 0.5) ; Utilisation des adjuvants pour accroître la résistance aux agents atmosphériques ;

II.4. Les dégradations d’origine mécanique dégradations due aux chocs Le béton est susceptible de s'épaufrer quand il est soumis à des ondes de choc. Ceci est dû aux différentes vitesses de propagation des ondes dans les différents matériaux ( les agrégats, le liant et les armatures ). La résistance aux chocs peut être améliorée par l'emploi pour la confection du béton, d'agrégats anguleux et rugueux et par l'utilisation de sections fortement armées

II.5. Les dégradations d’origine sismiques a. Poutres Les dommages qui se produisent dans les poutres en béton armé dus au tremblement de terre sont les suivants : - les fissures dans la zone de tendue le long des travées constituent le type de dommage le plus répondu dans les structures. Durant le séisme de 1978 en Grèce, 83% de dommages dans les poutres sont des dommages de ce type. Ce type de dommages est dû simplement au caractère cyclique de l'action sismique où le fléchissement de la zone tendue augmente les micros fissures.

Figure : fissures orthogonales sur l'axe de la poutre le long de la travée dans la zone de tendue 8

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L'échec flexion - cisaillement près des appuis est le deuxième type dommages le plus fréquent dans les poutres. Il constitue le type de dommages plus sérieux que le précédent, en vue leur caractère fragile. Cependant, seulement dans très peu de cas il compromet la stabilité globale de la structure.

Figure : L'échec des poutres par flexion - cisaillement près des appuis

Les fissures de flexion sur les faces supérieures et inférieures aux appuis de la poutre peuvent être expliquées si le mode de la force sismique est statiquement comparé aux forces horizontales. La majeure partie des fissures est due au mauvais ancrage dans les armatures inférieures dans les appuis.

Figure : Fissures de Flexion sur les faces supérieure ou inférieure aux appuis de la poutre

b. Jonction poteaux – poutres (nœuds) Les dommages aux joints poteaux – poutres, même aux premières fissures, sont considérés comme extrêmement dangereux pour la structure et devrait être traité en conséquence. Ces dommages réduire la rigidité de l'élément structural et mènent à la redistribution incontrôlable des charges. Des échecs communs dans les joints poteau poutre (joint faisant le coin, joint extérieur multi de structure d'étage, et joint intérieur) sont montrés dans la Figure .

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Figure : Les dommages aux joints poteaux – poutres

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c. Poteaux Les dommages des poteaux provoqués par un séisme sont principalement de deux types : - Dommages dû a la flexion cyclique avec un faible effort de cisaillement sous un effort axial de compression très élevé ; conduisant aux poteaux fragiles ; - Dommages en raison d’un effort de cisaillement cyclique avec un faible moment fléchissant sous un effort axial de compression très élevé conduit au phénomène des poteaux courts. Poteaux fragiles Ce type de dommages se manifeste par l'échec dans la base et le sommet du poteau . Il se produit dans les poteaux ayant un coefficient d’élancement moyen à élevé, où celui ci est de :

Figure : Dommage du poteau due a un effort axial de compression très élevé et à un moment fléchissant cyclique avec un faible effort de cisaillement

Poteaux courts Le second type de dommages est le type de cisaillement qui est manifesté par des fissures formées dans la zone la plus faible du poteau en forme de X . Il se produit dans les poteaux avec un élancement modéré à faible rapport, où celui de :

Figure : Dommage du poteau due à un effort axial de compression très élevé et effort de cisaillement élevé 11

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d. Murs en béton armé (voiles) Le terme de voile regroupe des éléments de structures au comportement mécanique très divers. Cependant, on peut considérer que les principaux paramètres ayant une influence prépondérante sur le comportement d’un voile sont les suivants: - l’élancement, défini comme le rapport de la hauteur par la largeur du voile, h / l, - la disposition et le pourcentage des armatures, - l’intensité de l’effort normal. Ruptures en flexion - effort tranchant Mode f/t : rupture par plastifications des armatures verticales de flexion et des armatures transversales. C’est ce qui se produit dans les voiles moyennement élancés où la flexion n’est plus prépondérante et où les armatures horizontales sont insuffisantes.

a- Mode f/t

Ruptures par effort tranchant Mode t : rupture des bielles de compression développées dans l’âme du voile. On l’observe dans les voiles munis de raidisseurs, fortement armés longitudinalement et transversalement et soumis à des cisaillements élevés.

b - Mode t 12

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Mode g : rupture par glissement au niveau des reprises de bétonnage. Ce mode de rupture qui est plutôt caractéristique aux voiles courts a été aussi observé dans les cas des voiles moyennement élancés. Ce type de rupture peut apparaître lorsque les armatures

c - Mode g

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