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Bétons en environnement marin- Application aux Energies Marines Renouvelables
Armatures alternatives pour le renforcement du béton en milieu marin
IFSTTAR / Dépt MAST : S. Chataigner, L. Gaillet, M. Quiertant, V. Bouteiller, T. Chaussadent, K. Benzarti
Autres Contributeurs : Ph. Jandin (CEREMA), E. Chauveau (UGITECH), Y. Tardivel (CEREMA), P. Corfdir (CEREMA), A. Rolland (CEREMA)
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Contexte
• Le béton n’est jamais seul, il est en général armé, voire précontraint (présence d’armatures métalliques).
• Principale pathologie des ouvrages en béton armé: Corrosion des armatures
Béton
Acier
d’armature
ISIS Canada • Deux possibilités pour y remédier:
– Protection des armatures (revêtements, enrobage: type de béton, épaisseur, …)
– Utilisation d’autres types d’armatures: inox, composites, …
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Plan
I) Les armatures en acier inoxydable
II) Les armatures en matériaux composites
III) Conclusion
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I) Les armatures en acier inoxydable
Acier inoxydable ?
Acier dont la composition contient des teneurs en
Chrome > 10,5% et en Carbone < 1,2%
Différentes microstructures métallurgiques :
austénitiques, ferritiques, austéno-ferritiques
(duplex) et martensitiques
Avantages:
Maintenance réduite (>> 0)
Durabilité élevée en choisissant une
bonne nuance
Coûts de cycles de vie compétitifs
Inconvénients :
Coût initial (3 à 5 fois / armatures au carbone)
Choix des parties d’ouvrages à traiter
À comparer aux coûts d’entretien globaux
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Intérêt :
Ouvrages en site maritime ou exposés aux sels
de déverglaçage (zones de marnage, pieds de
piles )
Parties d’ouvrages difficilement accessibles
Ouvrages sur axes stratégiques, avec
contraintes d’exploitation
Choix de la nuance d’acier inoxydable :
Classes d’exposition de l’ouvrage / parties
d’ouvrage
Forme de corrosion la + problématique :
Corrosion localisée
+ PREN est élevé, + la nuance est résistante
vis-à-vis de la corrosion par piqûres
PREN = indice de résistance à la corrosion par piqûres, fonction du % de Cr et Mo
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Exemples de projets R&D
1. Corrosion de corps d’épreuve en zone de marnage (Port
de La Rochelle, Avril 2013).
1. Acier Carbone FeE500 + Inoxydable1.4362 (23%Cr 4%Ni)
2. Observations visuelles, courant de corrosion (µA/cm2) et
potentiel de corrosion (mV/ECS)
2. Corrosion de prismes en vieillissement accéléré en
enceinte climatiques à 45°C et 92% HR.
Acier Carbone FeE235, Inoxydable martensitique 1.4021
(12%Cr), Lean Duplex 1.4062 (22%Cr 2%Ni), Lean Duplex
1.4362 (23%Cr 4%Ni) et Duplex 1.4462 (22%Cr 5%Ni 3%Mo)
Observations visuelles, potentiel de corrosion, courant de
corrosion (résistance de polarisation, impédance)
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Exemples de projets R&D
3. Corrosion sous contrainte de fils de précontrainte en
acier inoxydable (Thèse B. Grimault).
Aciers Lean Duplex 1.4362 et Austénitique 1.4310
Solution simulant un milieu béton dégradé (pH = 8,([Cl] = 17,5
g/l)
Essai de corrosion, essai de corrosion sous contrainte
classique (NH4SCN suivant ISO 15630-3) et essai de traction
lente (vitesse de déformation 10-8 à 10-6 s-1
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Exemples d’application
Quelques exemples de structures Génie Civil utilisant des armatures inox en substitution totale ou
partielle des aciers au carbone :
Tablier de pont près de Trenton, New Jersey (1985) : armatures en 1.4301 (AISI 304) en première nappe,
aucune trace de corrosion observée
Tablier de pont sur Interstate Highway I-696 près de Detroit, Michigan (1985) : aucune corrosion observée
Stonecutter Bridge à Hong Kong (2010) : Pont haubané autoroutier à pylônes mixtes en béton armé
d’inox 304 (1.4301) en partie inférieure et enserrés dans une coque en inox duplex 2205 (1.4462) en
partie haute.
Mosquée de Casablanca, Maroc : Réparation de la digue de soutènement (2008) avec armatures en
duplex 1.4462. 1500 tonnes d’armatures Inox.
Etc….
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Normalisation
Normes européennes : • EN 10088-1:2014 « Aciers inoxydables - Partie 1 : liste des aciers inoxydables » • EN 10888-3:2014 « Aciers inoxydables - Partie 3 : conditions techniques de livraison pour les demi-produits,
barres, fils machines, fils tréfilés, profils et produits transformés à froid en acier résistant à la corrosion pour usage général »
• EN 10088-5:2009 « Aciers inoxydables - Partie 5 : conditions techniques de livraison pour les barres, fils tréfilés, profils et produits transformés à froid en acier résistant à la corrosion pour usage de construction ».
Norme française : • NF A-35014 « Aciers pour béton armé - Barres et couronnes lisses, à verrous ou à empreintes en acier
inoxydable », 4 classes de nuance (limite conventionnelle d’élasticité à 0,2%) : InE235, InE500, InE650 et InE800, Désignation numérique : exemple 1.4429 correspondant à un acier austénitique X2CrNiMo17-13-3, Diamètre de 5 à 50 mm
Recommandations • Béton armé d’Inox : Le choix de la durée. CIMBETON et I.D. INOX. T.81. Collection Technique Cimbéton • Guide méthodologique CEREMA-IFSTTAR en cours de rédaction « Utilisation d’armatures passives en acier
inoxydable dans les ouvrages d’art »
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II) Les armatures en matériaux composites • Armatures composites utilisées depuis le début
des années 90 d’abord au Japon, puis au Canada
et aux Etats-Unis:
- Fibre: Verre, Carbone, Aramide, Basalte, …
- Matrice: Epoxy ou Vinylester, …
• Leurs avantages:
- Durabilité (pas de corrosion),
- Légèreté,
- Amagnétique et faible conductivité thermique
pour certaines,
- Bonnes propriétés mécaniques.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
Axial strainA
xia
l s
tre
ss
, in
MP
a
Aramid FRP
Carbon FRP
Glass FRP
Steel rebar
Steel tendons
used for
prestressing
Pinzelli R., Fibres aramides pour matériaux composites,
Techniques de l’Ingénieur, A 3 985, 1994.
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• Microstructure des armatures: – Influence le comportement de l’armature (taux de fibres, adhésion fibre-matrice, …) – Importance de l’homogénéité de la section (variabilité des propriétés) – Comportement anisotrope de l’armature (faible raideur en cisaillement)
Les différentes sections, Ueda T., FRP for construction in Japan, CFRRRA
Une ligne de pultrusion, Gangarao and al., 2007
Rolland A. et al., 173, Const and Build
Materials, 2017
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Exemple d’observation au microscope d’une section d’armature composite à fibre de verre et sablée
Exemple d’observation au microscope d’une section d’armature composite à fibre de carbone et sablée
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• Principaux verrous identifiés: – Question du transfert entre béton et armatures (qualification par essais pull-out = aussi
efficace que les verrous des armatures HA si traitement de surface) – Question de la durabilité en milieu alcalin (Thèse A. Rolland, 2015) – Question de la tenue au feu (recommandations L. Bisby), – Question de l’ancrage dans le cas de précontrainte, …
• Applications: – Nombreuses en Amérique du Nord et au Japon
Source: Pr B. Benmokrane, Université de Sherbrooke (GFRP) Fondation de supercalculateur au Japon en AFRP
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• Certification: – ISIS Canada, Exigences pour l’homologation de barres d’armature en polymères
renforcés de fibres pour les structures en béton, Canada, 2006. – EOTA en cours de rédaction.
• Normalisation: – JSCE: recommandations sur la conception de béton armé renforcé par armatures
composites en 1996 (Japon) – ACI: recommandations sur la conception en 2001, guide sur la caractérisation des
armatures composites en 2004, guide sur la future certification de ces armatures en 2008 (US)
– CSA: recommandations sur la conception en 2002 (Canada)
• Recommandations: – Fib, FRP reinforcement in RC Structures, bulletin 40, Technical report, 2007 (Europe) – CNR-DT 203/2006, Guide for the design and construction of concrete structures
reinforced with fibre-reinforced polymer bars, National Research Council, Rome, 2007 (Italie)
– Groupe de travail de l’AFGC (Association Française du Génie Civil) démarré début 2018.
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Conclusion • Deux alternatives pour le béton en mer
Optimiser le béton, Utiliser des armatures moins (ou pas) sensibles à la corrosion.
• Acier inoxydable
Mise en oeuvre similaire à l’acier carbone, Choix de la nuance de l’acier, choix de la partie d’ouvrage à traiter.
• Matériaux composites Avantages des matériaux composites: légèreté, amagnétisme, … Spécificités en terme de mise en oeuvre (recherches en cours sur des matrices
thermoplastiques), Nombreuses applications en Amérique du Nord, et en Asie, Solution économiquement viable, si on raisonne à l’échelle de la structure.
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Merci de votre attention
Sylvain Chataigner ([email protected]) Laurent Gaillet ([email protected])
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