Durabilité et évolution in-situ des caractéristiques d'un BFUP - Ductal
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UHPFRC 2009 – November 17 th & 18 th – Marseille, France<br />
Durabilité <strong>et</strong> évolution <strong>in</strong>-<strong>situ</strong> <strong>des</strong> caractéristiques d’un <strong>BFUP</strong> : r<strong>et</strong>our<br />
d’expérience sur poutrelles dans un aéroréfrigérant<br />
François<br />
TOUTLEMONDE<br />
Chef de Division<br />
Université Paris-Est LCPC<br />
Paris, France<br />
Myriam<br />
CARCASSES<br />
Professeur<br />
Université Paul Sabatier<br />
Toulouse, France<br />
Maxime<br />
LION<br />
Ingénieur génie civil<br />
EDF Ceidre TEGG<br />
Aix-en-Provence, France<br />
Résumé<br />
Des prélèvements ont été effectués en février 2008 sur deux poutrelles de BPR (béton fibré ultraperformant<br />
ma<strong>in</strong>tenant <strong>in</strong>tégré comme matériau structurel au se<strong>in</strong> de la gamme ®<strong>Ductal</strong>) fabriquées<br />
en mai 1996 <strong>et</strong> placées ensuite au pied d’un aéroréfrigérant de la centrale nucléaire de Cattenom<br />
dans l’Est de la France. Exposées à une aspersion <strong>in</strong>tense de gouttel<strong>et</strong>tes d’eau, ces poutrelles<br />
précontra<strong>in</strong>tes ma<strong>in</strong>tenues dans un état de flexion permanente constituent <strong>des</strong> témo<strong>in</strong>s de durabilité<br />
vis-à-vis de la poutraison <strong>situ</strong>ée en partie supérieure. Les observations microscopiques <strong>et</strong> les<br />
mesures mécaniques <strong>et</strong> chimiques effectuées sur ces prélèvements sont fournies <strong>et</strong> analysées <strong>et</strong><br />
perm<strong>et</strong>tent de conclure au très haut potentiel de durabilité de ces structures en <strong>BFUP</strong>.<br />
Mots-clés: béton fibré ultra-performant ; BPR ; poutrelles ; précontra<strong>in</strong>te ; durabilité ; évolution <strong>in</strong><strong>situ</strong><br />
; caractéristiques mécaniques ; analyse chimique ; aéroréfrigérant.<br />
1. Les poutrelles en <strong>BFUP</strong> de l’aéroréfrigérant 1 de Cattenom<br />
1.1. Contexte<br />
La centrale nucléaire de Cattenom, dans l’Est de la France, a été construite dans les années 80. Elle<br />
possède <strong>des</strong> aéroréfrigérants à courants croisés, dont le pr<strong>in</strong>cipe de conception est illustré Fig. 1.<br />
Comme sur d’autres sites <strong>et</strong> compte tenu de l’agressivité de l’exposition à laquelle elles étaient<br />
soumises, les structures de supportage <strong>des</strong> lattes qui favorisent la dispersion <strong>des</strong> goutel<strong>et</strong>tes ont<br />
présenté une usure prématurée, ce qui a amené EDF à réaliser une rénovation <strong>des</strong> corps d’échange.<br />
Fig. 1 Centrale de Cattenom. Les aéroréfrigérants à courants croisés<br />
C<strong>et</strong>te rénovation, <strong>in</strong>itiée au milieu <strong>des</strong> années 90, a consisté à diviser le corps d’échange <strong>in</strong>itial en<br />
deux corps superposés. Elle a <strong>in</strong>duit la déf<strong>in</strong>ition d’une structure supplémentaire (en jaune sur la<br />
Fig. 2) devant s’<strong>in</strong>tégrer à la structure existante. Pour <strong>des</strong> raisons de durabilité <strong>et</strong> de conception, en<br />
particulier à Cattenom étant donné les caractéristiques du sol de fondation (limitation du risque de<br />
tassement compte tenu de la surcharge), il a été choisi de réaliser c<strong>et</strong>te structure complémentaire<br />
sous forme de poutres <strong>et</strong> poutrelles en I préfabriquées précontra<strong>in</strong>tes en <strong>BFUP</strong>, ce qui a constitué un<br />
emploi pionnier <strong>des</strong> <strong>BFUP</strong> en France pour un usage <strong>in</strong>dustriel <strong>et</strong> de fort volume [1, 2].<br />
1
Design<strong>in</strong>g and Build<strong>in</strong>g with UHPFRC : State of the Art and Development<br />
Fig. 2 Proj<strong>et</strong> de rénovation<br />
Fig. 3 a) Fig. 3 b)<br />
Fabrication <strong>des</strong> poutrelles. a) coulage du B.S.I.<br />
b)traitement thermique <strong>des</strong> poutrelles en BPR<br />
Fig. 4 Mise en place <strong>des</strong> poutres en <strong>BFUP</strong> (1997)<br />
Les poutrelles ont été fabriquées entre 1996 <strong>et</strong> 1998 (Fig. 3), pour partie en BPR (béton fibré ultraperformant<br />
développé en partenariat par Bouyges, Lafarge <strong>et</strong> Rhodia, ma<strong>in</strong>tenant <strong>in</strong>tégré comme<br />
matériau structurel au se<strong>in</strong> de la gamme ®<strong>Ductal</strong>) <strong>et</strong> pour partie en B.S.I. (béton fibré ultraperformant<br />
développé par Quillery, ma<strong>in</strong>tenant fourni par Eiffage sous l’appellation BSI-Ceracem).<br />
La pose a eu lieu, lors d’arrêts <strong>des</strong> tranches, au-<strong>des</strong>sus du bass<strong>in</strong> d’eau froide alors vide (Fig. 4).<br />
1.2. Poutrelles témo<strong>in</strong><br />
Deux poutrelles témo<strong>in</strong> en <strong>BFUP</strong>, dont la fibre du talon précontra<strong>in</strong>t est tendue jusqu’à 14 MPa, ont<br />
été <strong>in</strong>stallées en 1996 dans l’aéroréfrigérant n°1 af<strong>in</strong> de suivre dans le temps leur comportement en<br />
ambiance agressive. Les poutrelles sont mises en place l’une sur l’autre, les deux torons étant en<br />
regard, l’effort étant ma<strong>in</strong>tenu par une barre de précontra<strong>in</strong>te au centre. Les poutrelles reposent sur<br />
un trépied d’une part <strong>et</strong> la margelle extérieure du bass<strong>in</strong> d’eau froide d’autre part, elles ne sont donc<br />
pas immergées dans le bass<strong>in</strong> d’eau froide. Des éléments courts placés au-<strong>des</strong>sus du montage<br />
perm<strong>et</strong>tent de suivre <strong>in</strong>-<strong>situ</strong> différents types de cach<strong>et</strong>age aux abouts <strong>des</strong> fils adhérents.<br />
Il s’agit de poutrelles dites de type « Ch<strong>in</strong>on » en BPR (traité thermiquement), fabriquées f<strong>in</strong> mai<br />
1996 dans l’us<strong>in</strong>e <strong>des</strong> Sablons à Longjumeau. La résistance d’environ 200 MPa a été obtenue avec<br />
un rapport eau / ciment de 0,19, le dosage en ciment représentant 30,6 % du matériau hors fibres. Le<br />
dosage en fibres est de 161 kg/m 3 (2,1 % en volume). L’affaissement lors de la mise en œuvre a été<br />
mesuré à 16 cm. La section de ces poutrelles est illustrée Fig. 5. L’épaisseur de l’âme est de 50 mm,<br />
Chacun <strong>des</strong> deux torons est tendu à 180 kN, l’enrobage est de 22 mm (la paroi la plus proche étant<br />
la face supérieure <strong>in</strong>cl<strong>in</strong>ée du talon).<br />
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Fig. 5 Section <strong>des</strong> poutrelles<br />
Fig.6 Bass<strong>in</strong> d’eau froide, vide / en eau après rénovation<br />
1.3. Exposition<br />
1.3.1. Conditions thermiques <strong>et</strong> hydriques<br />
Les poutrelles sont en quasi-permanence (hors arrêt) dans la pluie d'eau chaude. On peut considérer<br />
que la température moyenne de l'eau est de 35°C <strong>et</strong> l'humidité est de 100%. En hiver, la température<br />
du bass<strong>in</strong> d'eau froide ne peut être <strong>in</strong>férieure à 10°C compte-tenu <strong>des</strong> dispositifs antigel mis en<br />
place. Les poutrelles étant proches du bass<strong>in</strong> d'eau froide, on pourrait estimer qu'elles se trouvent,<br />
en période hivernale, à ce niveau de température. Par contre, les extrémités <strong>des</strong> poutrelles placées au<br />
droit de la margelle en périphérie de l’aéroréfrigérant (Fig. 6) se trouvent à la limite <strong>d'un</strong>e zone<br />
arrosée <strong>et</strong> <strong>d'un</strong>e zone non-arrosée <strong>et</strong> peuvent prendre en glace. Ceci est bien évidemment variable en<br />
fonction <strong>des</strong> conditions hivernales, plutôt clémentes ces dix dernières années.<br />
1.3.2. Attaques chimiques<br />
L’eau environnante a un pH compris entre 7 <strong>et</strong> 7,5. Il s’agit d’une eau <strong>in</strong>crustante (la surface <strong>des</strong><br />
poutrelles, mais aussi celle <strong>des</strong> poteaux en béton armé supportant la structure externe <strong>et</strong> la chem<strong>in</strong>ée<br />
de l’aéroréfrigérant, s’est entièrement <strong>et</strong> rapidement recouverte <strong>d'un</strong>e couche de tartre, Fig. 7).<br />
L’analyse de l’eau du circuit de refroidissement fait apparaître une concentration maximale en<br />
chlorures comprise entre 1 <strong>et</strong> 2 g/l, <strong>et</strong> une concentration d’environ 500 mg/l pour les sulfates. A titre<br />
de comparaison, l’analyse de l’eau de la Moselle correspond à un pH de 7,8, <strong>et</strong> à <strong>des</strong> concentrations<br />
d’environ 400 mg/l pour les chlorures <strong>et</strong> 100 mg/l pour les sulfates.<br />
En application de la norme NF EN 206-1 [3], c<strong>et</strong> environnement correspond aux classes<br />
d’exposition XD2 (exposition à <strong>des</strong> eaux contenant <strong>des</strong> chlorures d'orig<strong>in</strong>e <strong>in</strong>dustrielle) <strong>et</strong> XA1<br />
(concentration en sulfates comprise entre 200 <strong>et</strong> 600 mg/l). On peut considérer que la norme en<br />
question prend en compte <strong>des</strong> eaux statiques à <strong>des</strong> températures comprises entre 5 <strong>et</strong> 25°C. La<br />
Fig. 7 Aspect <strong>des</strong> poutres en 2000. Montage, couverture de tartre, absence de corrosion.<br />
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politique d'EDF est de surclasser les expositions pour les aéroréfrigérants (eaux cont<strong>in</strong>uellement<br />
renouvelées à <strong>des</strong> températures plus élevées), ce qui donnerait XD3 <strong>et</strong> XA2 dans le cas présent.<br />
Cependant, les poutrelles sont complètement enveloppées de tartre ce qui les protège véritablement<br />
de l'environnement (barrière diffusive). Les classes mentionnées paraissent donc fortement<br />
surestimées. De plus, un milieu XD2 nécessite une protection équivalente au milieu mar<strong>in</strong> immergé<br />
(environ 20 g/l d’ions chlorure), ce qui parait très conservatif. Vis-à-vis de la corrosion par les<br />
chlorures, il semble préférable de se référer au critère d'amorçage de 6,7 g/l <strong>in</strong>diqué en [4] pour <strong>des</strong><br />
bétons classiques, sans doute plus représentatif vu les conditions assez stables d'humidité ambiante.<br />
2. Les <strong>in</strong>vestigations après 10 ans d’exposition<br />
2.1. Réalisation <strong>des</strong> carottes<br />
Une visite lors d’un arrêt de tranche en 2004 a permis de confirmer visuellement l’absence de<br />
corrosion en surface <strong>des</strong> fibres du <strong>BFUP</strong>, la consolidation de la couche superficielle de tartre, <strong>et</strong> la<br />
progression de la corrosion <strong>des</strong> éléments métalliques externes (support, cf Fig. 8). Grâce à une<br />
mobilisation collective du CNPE de Cattenom, d’EDF-Ceidre TEGG, du Septen <strong>et</strong> du groupe<br />
AFGC sur les <strong>BFUP</strong>, il a été décidé de profiter de l’arrêt prévu en février 2008, soit environ 10 ans<br />
après le redémarrage de l’aéroréfrigérant rénové, pour effectuer une nouvelle visite <strong>et</strong> de réaliser<br />
<strong>des</strong> prélèvements perm<strong>et</strong>tant de quantifier l’éventuel vieillissement <strong>in</strong>-<strong>situ</strong> de ces <strong>BFUP</strong> parmi les<br />
plus anciens disponibles en France pour ce type d’<strong>in</strong>vestigations.<br />
Fig. 9 Visite de 2008. Prélèvements rendus possibles<br />
par la vidange du bass<strong>in</strong> d’eau froide<br />
Fig. 8 Visite de 2004. Corrosion du<br />
montant métallique, tartre gratté<br />
localement<br />
Fig. 10 Prélèvements carottés, février 2008.<br />
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Fig. 11 a) Fig. 11 b)<br />
Visite de 2008. Aspect extérieur <strong>des</strong> poutres a) about sans protection b) surface latérale coffrée<br />
Compte tenu de la présence <strong>des</strong> câbles <strong>et</strong> de l’importance de conserver le montage mécanique, les<br />
prélèvements ont consisté en un nombre limité de carottes transversales à l’âme, répartis sur<br />
chacune <strong>des</strong> poutrelles, dans la zone la plus tendue (Fig. 9). Huit carottes (diamètre extérieur du<br />
carottage 52 mm) ont été prélevées aux bons so<strong>in</strong>s de l’entreprise Eiffage présente lors du chantier<br />
(Fig. 10). Les questions posées auxquelles ces <strong>in</strong>vestigations s’efforcent de répondre sont le<br />
ma<strong>in</strong>tien, ou non, <strong>des</strong> propriétés mécaniques ; la confirmation quantitative <strong>des</strong> propriétés de<br />
durabilité actuellement documentées pour ces matériaux ; <strong>et</strong> enf<strong>in</strong> l’état de corrosion, ou de<br />
passivation, <strong>des</strong> fibres d’une part <strong>et</strong> <strong>des</strong> armatures d’autre part.<br />
2.2. Observations, <strong>in</strong>dicateurs <strong>et</strong> témo<strong>in</strong>s de durabilité<br />
Les bases <strong>des</strong> carottes <strong>et</strong> l’état visuel extérieur <strong>des</strong> poutrelles (Fig. 11) confirment la présence d’une<br />
gangue de tartre. En l’absence de protection à l’about, l’extrémité <strong>des</strong> torons est corrodée. En<br />
revanche, l’observation locale <strong>des</strong> surfaces carottées m<strong>et</strong> en évidence l’absence de corrosion <strong>des</strong><br />
fibres, à l’exception de celles qui dépassent en surface (angles ou surfaces non coffrées).<br />
La porosité accessible à l’eau d’une part, <strong>et</strong> l’absorption d’eau d’autre part, ont été mesurées sur la<br />
carotte n°5 selon les métho<strong>des</strong> recommandées en [4]. Les valeurs obtenues sont de 4,3 %, <strong>et</strong> entre<br />
0,025 <strong>et</strong> 0,035 g/cm² respectivement. On peut noter que pour l’absorption d’eau, la valeur est<br />
environ 10 fois mo<strong>in</strong>dre que pour un béton à hautes performances. Quant à la porosité, qui constitue<br />
souvent l’un <strong>des</strong> <strong>in</strong>dicateurs de durabilité les plus fondamentaux pour les matériaux cimentaires, si<br />
on déduit une teneur en air occlus de l’ordre de 2,5 % mesurée à la fabrication, qui se traduit par un<br />
réseau significatif de bulles non <strong>in</strong>terconnectées, on r<strong>et</strong>rouve une valeur proche de celle attendue [5]<br />
en lien avec la porosité propre <strong>des</strong> hydrates de la pâte de ciment. Globalement, la valeur est<br />
conforme à celles connues sur ce matériau <strong>et</strong>/ou <strong>in</strong>diquées dans les recommandations de l’AFGC<br />
[6].<br />
2.3. Risque de corrosion <strong>des</strong> armatures <strong>et</strong> <strong>des</strong> fibres<br />
2.3.1. Carbonatation<br />
La mesure de la profondeur de carbonatation a été réalisée à l’aide de l’<strong>in</strong>dicateur coloré usuel<br />
(phénolphtalé<strong>in</strong>e) sur la carotte n°6 fendue dans le sens transversal. Un <strong>des</strong> côtés, correspondant à la<br />
face de l’âme la plus entartrée, donne une profondeur de 1 mm correspondant à un pH <strong>in</strong>férieur à 9.<br />
De l’autre côté, la profondeur n’est pas mesurable.<br />
Une évaluation quantitative plus complète a été tentée en réalisant une déterm<strong>in</strong>ation du pH par<br />
tranches d’environ 6 mm, excepté pour le tronçon a, découpées dans la hauteur de la carotte n°8,<br />
correspondant à l’épaisseur de l’âme de la poutrelle. Chaque tranche a été broyée pour fournir<br />
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environ 15 g de poudre, dosée suivant la méthode décrite en [7]. La mesure de pH est réalisée sur<br />
un prélèvement de 10 ml de la suspension réalisée avec 15 g de poudre <strong>et</strong> 15 g d’eau. Avant les<br />
mesures, la sonde du pH-mètre est étalonnée avec <strong>des</strong> solutions tampons de pH égal à 7 <strong>et</strong> de pH<br />
égal à 12,45. Les résultats sont <strong>in</strong>diqués dans le tableau 1 <strong>et</strong> Fig. 12. La valeur du pH de chaque<br />
tranche est vois<strong>in</strong>e de 12,3 <strong>et</strong> les variations selon l’épaisseur ne sont pas significatives. C<strong>et</strong>te valeur<br />
est représentative <strong>d'un</strong> béton sa<strong>in</strong> non carbonaté.<br />
Tableau 1 Déterm<strong>in</strong>ation du pH selon la profondeur, carotte 8.<br />
Réf. Profondeur (mm) pH Température (°C)<br />
a 0-11,5 12,35 23,5<br />
b 12,6-18,6 12,32 23,2<br />
c 19,7-25,7 12,35 23,7<br />
d 26,8-32,8 12,38 23,4<br />
e 33,9-39,9 12,37 23,7<br />
f 41-46 12,32 23,9<br />
moyenne 12,35 23,57<br />
écart type 0,02 0,25<br />
pH<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
0<br />
a b c d e f<br />
Tronçons<br />
Fig. 12 profil de pH, carotte 8<br />
Compte tenu de c<strong>et</strong>te absence de carbonatation importante dans l’épaisseur, <strong>et</strong> pour préciser<br />
l’observation du « tartre » en surface, <strong>des</strong> fragments <strong>des</strong> carottes 2 <strong>et</strong> 3 (cassures fraiches issues <strong>des</strong><br />
essais de compression décrits par la suite) ont fait l’obj<strong>et</strong> d’observations au microscope électronique<br />
à balayage, avec diffractométrie de rayons X, a<strong>in</strong>si que <strong>des</strong> prélèvements de « tartre » en surface<br />
d’une poutrelle <strong>BFUP</strong>, de « tartre » prélevé sur un <strong>des</strong> poteaux en béton armé conventionnel<br />
constituant la structure porteuse de l’aéroréfrigérant, <strong>et</strong> d’un fragment du cœur d’une poutrelle<br />
<strong>BFUP</strong> obtenu suite au carottage. Dans tous les cas, l’élément pr<strong>in</strong>cipal obtenu sur les échantillons<br />
représentatifs de l’<strong>in</strong>térieur de la poutrelle <strong>BFUP</strong> est le quartz. Au contraire la calcite est l’élément<br />
pr<strong>in</strong>cipal constituant le « tartre », en surface <strong>des</strong> poutrelles <strong>BFUP</strong> comme du poteau béton armé<br />
traditionnel.<br />
Tableau 2 Dosage quantitatif de la carbonatation<br />
Réf. Profondeur (mm) % CO 2<br />
A 0-5 1,73<br />
B 6,1-13,1<br />
C 14,2-21,2 0,17<br />
D 22,3-29,3<br />
E 30,4-37,4 0,28<br />
F 38,5-45,5<br />
G 46,6-51,6 1,98<br />
6<br />
Pour compléter quantitativement c<strong>et</strong>te<br />
analyse locale, une analyse thermogravimétrique<br />
<strong>et</strong> une analyse thermique<br />
différentielle, couplées à la diffractométrie de<br />
rayons X, ont été réalisées sur <strong>des</strong> tranches<br />
prélevées en surface <strong>et</strong> à cœur de l’âme de la<br />
poutre à partir de la carotte n°1 (tableau 2).<br />
La très légère présence de CO 2 détectée sur<br />
les tronçons <strong>in</strong>ternes (C <strong>et</strong> E) peut constituer<br />
un artefact lié à la préparation ou au mode<br />
opératoire. La calcite apparaît clairement<br />
comme issue soit d’une carbonatation<br />
superficielle, soit de la fixation avec le gaz carbonique de l’air du calcium contenu dans l’eau<br />
ruisselante, elle-même susceptible de s’être chargée par lixiviation d’autres éléments en béton.<br />
Quand bien même le calcium de c<strong>et</strong>te calcite proviendrait <strong>des</strong> anhydres contenus dans les couches<br />
superficielles de l’élément <strong>BFUP</strong>, on peut estimer l’épaisseur <strong>des</strong> couches concernées. Par référence<br />
à une pâte de béton ord<strong>in</strong>aire carbonatée où la calcite peut représenter 23 % en masse [8] (donc le<br />
CO 2 10 %), les mesures obtenues sur les tranches A <strong>et</strong> G <strong>in</strong>diquent une épaisseur carbonatée<br />
<strong>in</strong>férieure à 1,73/10 ou 1,98/10 fois l’épaisseur (5 mm) de la tranche, soit mo<strong>in</strong>s de 1 mm, ce qui<br />
confirme l’<strong>in</strong>dication de la phénolphtalé<strong>in</strong>e.<br />
Si l’on suppose à l’<strong>in</strong>verse que la calcite constitue une couche externe, ce qui est plus cohérent avec<br />
un mécanisme d’apport par l’eau externe <strong>in</strong>crustante, le côté « <strong>in</strong>térieur » <strong>des</strong> tranches A <strong>et</strong> G ayant<br />
une teneur en CO 2 analogue à celle <strong>des</strong> tranches C <strong>et</strong> E, l’épaisseur de « tartre pur » obtenue est de<br />
0,2 mm environ. C<strong>et</strong>te faible épaisseur semble plus cohérente avec le fait qu’aucune <strong>des</strong> fibres du<br />
<strong>BFUP</strong> n’apparaît corrodée en partie courante de la poutrelle.
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Comme on l’a dit, la couche superficielle de tartre constitue une barrière diffusive vis-à-vis de la<br />
pénétration du gaz carbonique, aussi bien vis-à-vis <strong>des</strong> poutrelles <strong>BFUP</strong> que <strong>des</strong> éléments en béton<br />
armé, qui ne présentent d’ailleurs pas de signes visibles importants de corrosion de leurs armatures.<br />
L’environnement <strong>des</strong> échangeurs à l’<strong>in</strong>térieur <strong>des</strong> aéroréfrigérants, comb<strong>in</strong>ant gouttel<strong>et</strong>tes, forte<br />
ventilation <strong>et</strong> température plutôt clémente, est cependant favorable à l’attaque superficielle par<br />
carbonatation <strong>et</strong> correspondrait à une classe d’exposition XC4. Les résultats obtenus tendent à<br />
confirmer que grâce à une grande compacité <strong>in</strong>terne, <strong>et</strong> peut-être en outre grâce à une réserve<br />
d’anhydres perm<strong>et</strong>tant de constituer rapidement une couche de calcite protectrice, les <strong>BFUP</strong> étudiés<br />
sont durablement préservés d’une dégradation par carbonatation malgré c<strong>et</strong> environnement sévère.<br />
2.3.2. Pénétrations <strong>des</strong> chlorures<br />
L’<strong>in</strong>dication d’une éventuelle pénétration <strong>des</strong> ions chlorures, présents en relativement grande<br />
quantité dans l’eau <strong>des</strong> échangeurs, a été recherchée par dosage au se<strong>in</strong> de tranches prélevées en<br />
surface <strong>et</strong> à cœur de l’âme de la poutre à partir de la carotte n°1 (tableau 2). Les ions chlorures sont<br />
dosés par méthode potentiométrique avec du nitrate d'argent (concentration 0,01 mole/l). Le mode<br />
opératoire utilisé pour doser les chlorures libres dérive <strong>des</strong> travaux décrits en [9]. La préparation<br />
nécessite de récupérer 5 g de poudre de matériau broyé <strong>et</strong> d’élim<strong>in</strong>er les fibres. Aucune trace de<br />
corrosion <strong>des</strong> fibres <strong>in</strong>térieures a<strong>in</strong>si récupérées n’a été identifiée. Les tranches A, B, C, E <strong>et</strong> G ont<br />
été étudiées en priorité, 22 déterm<strong>in</strong>ations ont été effectuées soit en moyenne 4 mesures pour<br />
chaque tranche. Dans tous les cas, la quantité de chlorures dosée est <strong>in</strong>férieure à 0,1 g Cl - / 100 g de<br />
ciment, ce qui constitue la limite de résolution de la méthode compte tenu <strong>des</strong> quantités disponibles.<br />
C<strong>et</strong>te limite de précision est à comparer au seuil généralement admis de 0,4 g Cl - / 100 g de ciment<br />
pour l’amorçage de la corrosion <strong>des</strong> armatures. On peut conclure à l’absence de pénétration<br />
significative d’ions chlorures dans les <strong>BFUP</strong> de Cattenom vis-à-vis d’un éventuel amorçage de<br />
corrosion, ce résultat étant sans doute lié au mo<strong>in</strong>s autant à une concentration faible dans l’eau<br />
environnante, qu’aux faibles coefficients de transfert attendus pour les <strong>BFUP</strong>.<br />
De ce fait <strong>et</strong> pour mieux documenter la durabilité <strong>des</strong> <strong>BFUP</strong> <strong>in</strong>-<strong>situ</strong> vis-à-vis du risque de corrosion<br />
par les chlorures, il pourrait être <strong>in</strong>téressant de réaliser <strong>des</strong> <strong>in</strong>vestigations similaires sur <strong>des</strong> éléments<br />
exposés à une atmosphère maritime agressive, comme les plaques d’ancrage, réalisées en <strong>Ductal</strong>®-<br />
FO, de certa<strong>in</strong>s murs en terre armée à La Réunion [5].<br />
Fig. 13 Séparation <strong>des</strong> fibres par zones de l’échantillon <strong>et</strong> dosage <strong>des</strong> ions chlorure<br />
2.4. Propriétés mécaniques<br />
Trois carottes ont enf<strong>in</strong> été utilisées pour vérifier l’évolution éventuelle <strong>des</strong> caractéristiques<br />
mécaniques du <strong>BFUP</strong>. Le choix s’est porté sur les carottes 2, 3 <strong>et</strong> 4, pour lesquelles la géométrie<br />
cyl<strong>in</strong>drique était la plus satisfaisante (Fig. 14). Un sur-carottage a été réalisé, pour éviter les<br />
excentrements parasites lors de l’essai de compression, réduisant le diamètre f<strong>in</strong>al utile à 36 mm, la<br />
hauteur <strong>des</strong> échantillons après rectification mécanique pour assurer un surfaçage compatible avec<br />
les résistances attendues étant de 48 mm. Il en résulte un élancement de 1,33, légèrement <strong>in</strong>férieur<br />
aux valeurs généralement admises pour éviter une surestimation <strong>des</strong> résistances par rapport à un état<br />
de compression uniaxiale (eff<strong>et</strong> de bord par fr<strong>et</strong>tage <strong>des</strong> extrémités). Les cyl<strong>in</strong>dres a<strong>in</strong>si obtenus ont<br />
été équipés de 3 paires de jauges axiales <strong>et</strong> transversales de 10 mm, collées sur 3 génératrices à<br />
120°, pour mesure du module d’Young <strong>et</strong> du coefficient de Poisson, ces deux déterm<strong>in</strong>ations<br />
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n’ayant cependant pu être correctement enregistrées que pour deux <strong>des</strong> éprouv<strong>et</strong>tes. La résistance en<br />
compression a quant à elle pu être mesurée sur les trois cyl<strong>in</strong>dres.<br />
Lors de la fabrication <strong>des</strong> poutrelles, les données de suivi de la fabrication comportent <strong>des</strong> mesures<br />
à 7 jours, après traitement thermique, sur cyl<strong>in</strong>dres de diamètre 70 mm. La comparaison directe<br />
avec les valeurs obtenus sur prélèvement à 10 ans doit donc également tenir compte, pour la<br />
résistance, d’un possible eff<strong>et</strong> d’échelle qui tendrait à surestimer la valeur obtenue sur échantillon<br />
de p<strong>et</strong>ite taille. Quoi qu’il en soit, les valeurs de référence <strong>in</strong>itiales sont les suivantes :<br />
Résistance en compression : 207,8 MPa. Module d’Young : 56,0 GPa. Coefficient de Poisson 0,21<br />
Ces valeurs résultent de la moyenne sur 3 éprouv<strong>et</strong>tes, avec un écart-type de 2,2 MPa sur la<br />
résistance <strong>et</strong> <strong>des</strong> valeurs de module échelonnées de 54,8 à 56,8 GPa.<br />
Fig. 14 Préparation <strong>des</strong> éprouv<strong>et</strong>tes pour mesure <strong>des</strong> caractéristiques mécaniques<br />
Pour les résultats à 10 ans sur prélèvements, les résultats sont récapitulés dans le tableau 3. On peut<br />
noter une très bonne l<strong>in</strong>éarité <strong>des</strong> courbes contra<strong>in</strong>te-déformation longitud<strong>in</strong>ale <strong>et</strong> déformation<br />
transversale pour <strong>des</strong> cycles réalisés entre 5 % <strong>et</strong> 30 % de l’effort résistant attendu [10, 11], ce qui<br />
favorise la qualité de déterm<strong>in</strong>ation du module <strong>et</strong> du coefficient de Poisson (Fig. 15) <strong>et</strong> traduit<br />
l’absence de dégradation <strong>in</strong>terne du matériau. Compte tenu <strong>des</strong> écarts usuellement observés dans ce<br />
type de déterm<strong>in</strong>ation, on ne peut pas conclure à une évolution du module d’Young <strong>et</strong> du coefficient<br />
de Poisson. Quant à la résistance, il semble difficile de conclure avec assurance à une augmentation<br />
à long terme, compte tenu de l’écart <strong>des</strong> dimensions <strong>des</strong> éprouv<strong>et</strong>tes <strong>et</strong> à la différence d’élancement.<br />
Néanmo<strong>in</strong>s, le ma<strong>in</strong>tien <strong>des</strong> performances mécaniques vis-à-vis <strong>des</strong> valeurs utilisées pour le calcul<br />
apparaît comme acquis.<br />
Module d'Young<br />
Tableau 3 Caractéristiques mécaniques à 10 ans.<br />
Réf. Résistance<br />
(MPa)<br />
Module<br />
d’Young (GPa)<br />
Coefficient<br />
de Poisson<br />
2 236,8<br />
3 230,9 53,9 0,184<br />
4 253,5 54,9 0,191<br />
moyenne 240,4 54,4 0,19<br />
contra<strong>in</strong>te (MPa)<br />
60<br />
50<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
0<br />
0,0000% 0,0200% 0,0400% 0,0600% 0,0800% 0,1000% 0,1200%<br />
déformation axiale<br />
Fig. 15 L<strong>in</strong>éarité de la courbe contra<strong>in</strong>tedéformation<br />
pour calcul du module<br />
3. Conclusions <strong>et</strong> perspectives<br />
Les observations microscopiques <strong>et</strong> les mesures mécaniques <strong>et</strong> chimiques effectuées sur les<br />
prélèvements de BPR issues <strong>des</strong> poutrelles témo<strong>in</strong> de l’aéroréfrigérant n°1 de Cattenom fournissent<br />
<strong>des</strong> résultats conformes aux attentes : stabilité du module <strong>et</strong> de la résistance en compression, qui<br />
présagent d’une bonne stabilité chimique <strong>des</strong> hydrates ; absence de pollution mesurable par les<br />
chlorures ; carbonatation éventuelle uniquement superficielle (probablement plutôt associée à un<br />
dépôt d’orig<strong>in</strong>e externe) qui se traduit par une couche de tartre constituant une barrière diffusive,<br />
8
UHPFRC 2009 – November 17 th & 18 th – Marseille, France<br />
cohérente avec l’absence de corrosion visible <strong>des</strong> fibres métalliques sauf si celles-ci dépassent de la<br />
surface extérieure coffrée ; ces <strong>in</strong>dications perm<strong>et</strong>tent de considérer que les câbles de précontra<strong>in</strong>te<br />
sont protégés de la corrosion, sauf peut-être à leur extrémité s’ils n’ont pas bénéficié d’un cach<strong>et</strong>age<br />
adéquat. Le très haut potentiel de durabilité de ces structures en <strong>BFUP</strong> peut donc être confirmé.<br />
A l’occasion de ces <strong>in</strong>vestigations il a été confirmé également que certa<strong>in</strong>es techniques de mesure<br />
se <strong>situ</strong>ent à la limite de leur doma<strong>in</strong>e de sensibilité pour <strong>des</strong> matériaux aussi peu perméables aux<br />
agents agressifs.<br />
La quantité d’échantillons prélevés n’a pas permis de réaliser d’autres <strong>in</strong>vestigations<br />
complémentaires susceptibles de compléter la garantie de durabilité chimique (mesure de porosité<br />
par <strong>in</strong>trusion de mercure, caractérisation de la résistivité électrique, analyse complète <strong>des</strong> hydrates)<br />
<strong>et</strong> mécanique (ma<strong>in</strong>tien dans le temps du comportement caractéristique en traction, traduisant<br />
l’apport <strong>des</strong> fibres). Il serait évidemment <strong>in</strong>téressant de disposer de ces <strong>in</strong>formations pour confirmer<br />
que la sûr<strong>et</strong>é de ces éléments. Il serait a fortiori important de pouvoir réaliser <strong>des</strong> <strong>in</strong>vestigations<br />
similaires dans 10 ans <strong>et</strong> plus dans l’environnement agressif <strong>et</strong> contrôlé que représente<br />
l’aéroréfrigérant de Cattenom, <strong>et</strong> d’effectuer dès que possible <strong>des</strong> mesures appropriées pour<br />
caractériser la résistance à la pénétration <strong>des</strong> chlorures sur <strong>des</strong> <strong>BFUP</strong> exposés à un environnement<br />
maritime, plus sévère que celui rencontré ici, pour confirmer par r<strong>et</strong>our de l’expérience <strong>in</strong>-<strong>situ</strong> les<br />
excellentes propriétés obtenues en laboratoire [12].<br />
4. Remerciements<br />
Les <strong>in</strong>vestigations décrites dans c<strong>et</strong> article n’auraient pas été possibles sans l’appui <strong>des</strong> responsables<br />
du CNPE de Cattenom <strong>et</strong> la coord<strong>in</strong>ation <strong>des</strong> experts d’EDF dont D. Chauvel du SEPTEN. L’appui<br />
apporté aux <strong>in</strong>vestigations par plusieurs membres du groupe de travail de l’AFGC sur les <strong>BFUP</strong>, en<br />
particulier J. Resplend<strong>in</strong>o, P. Acker, T. Thibaux <strong>et</strong> A. Simon, a grandement facilité le travail<br />
présenté ici. Enf<strong>in</strong>, il convient d’associer explicitement à c<strong>et</strong> article les nombreux <strong>in</strong>tervenants <strong>des</strong><br />
<strong>in</strong>vestigations expérimentales, en particulier au LCPC F. Mart<strong>in</strong>eau, L. Lauv<strong>in</strong>, F.-X. Bar<strong>in</strong>, A.<br />
Deman, V. Bouteiller, A. Pavo<strong>in</strong>e, G. Platr<strong>et</strong>, B. Duchesne, A. Plant<strong>et</strong>, F. Lesp<strong>in</strong>asse, J. Dauthuille,<br />
<strong>et</strong> de remercier pour leurs conseils dans l’élaboration du programme d’<strong>in</strong>vestigations V. Baroghel-<br />
Bouny <strong>et</strong> L. Div<strong>et</strong>.<br />
5. Références<br />
[1] BIRELLI G., CHAUVEL D., DUGAT J., ADELINE R., BEKAERT A., “Industrialisation du<br />
BPR. Utilisation dans les aéroréfrigérants à courants croisés <strong>et</strong> premières règles de calculs”,<br />
La technique française du béton, AFPC-AFREM, 13 e congrès de la FIP, 1998, pp. 230-213.<br />
[2] DUTALLOIR F., THIBAUX T., CADORET G., BIRELLI G., “Un nouveau béton très hautes<br />
performances : le B.S.I. Première application <strong>in</strong>dustrielle”, La technique française du béton,<br />
AFPC-AFREM, 13 e congrès de la FIP, 1998, pp. 25-32.<br />
[3] norme NF EN 206-1 Béton. Partie 1 : Spécification, performances, production <strong>et</strong> conformité<br />
[4] sous la direction de V. BAROGHEL-BOUNY, Conception <strong>des</strong> bétons pour une durée de vie<br />
donnée <strong>des</strong> ouvrages, AFGC, documents scientifiques <strong>et</strong> techniques, 2004.<br />
[5] BEHLOUL M., ARSENAULT J., “<strong>Ductal</strong>®: a durable material for durable structures”,<br />
Concr<strong>et</strong>e under severe conditions. Environment and Load<strong>in</strong>g, actes de la 5 e conf. <strong>in</strong>t. sur les<br />
structures en béton sous conditions extrêmes d’environnement <strong>et</strong> de chargement CONSEC’07,<br />
Tours (France), 4-6 ju<strong>in</strong> 2007, Toutlemonde <strong>et</strong> al. eds., vol. 1, pp. 951-958.<br />
[6] sous la direction de J. RESPLENDINO <strong>et</strong> J. PETITJEAN, Bétons fibrés à ultra-hautes<br />
performances. Recommandations provisoires, AFGC, documents scientifiques <strong>et</strong> techniques,<br />
2002.<br />
[7] YEIH W., CHANG J. J., “A study on the efficiency of electrochemical realkalisation of<br />
carbonated concr<strong>et</strong>e”, Construction and Build<strong>in</strong>g Materials, vol. 19, 2005, pp. 516-524.<br />
[8] THIERY M. Modélisation de la carbonatation atmosphérique <strong>des</strong> matériaux cimentaires.<br />
Prise en compte <strong>des</strong> eff<strong>et</strong>s c<strong>in</strong>étiques <strong>et</strong> <strong>des</strong> modifications microstructurales <strong>et</strong> hydriques,<br />
Etu<strong>des</strong> <strong>et</strong> recherches <strong>des</strong> laboratoires <strong>des</strong> ponts <strong>et</strong> chaussées, OA52, LCPC, 2006.<br />
9
Design<strong>in</strong>g and Build<strong>in</strong>g with UHPFRC : State of the Art and Development<br />
[9] CASTELLOTE M., ANDRADE C., “Round rob<strong>in</strong> test on chloride analysis <strong>in</strong> concr<strong>et</strong>e.<br />
Part 2: Analysis water soluble chloride content”, Materials and structures, 34, 2001, 589<br />
(procedure B1)<br />
[10] TOUTLEMONDE F., “Quelques réflexions sur la déterm<strong>in</strong>ation du module d’élasticité du<br />
béton, en vue de l’élaboration d’un mode opératoire LPC”, Bull<strong>et</strong><strong>in</strong> <strong>des</strong> laboratoires <strong>des</strong> ponts<br />
<strong>et</strong> chaussées, 220, 1999, pp. 75-78.<br />
[11] TORRENTI J.-M., DANTEC P., BOULAY C., SEMBLAT J.-F., “Proj<strong>et</strong> de processus d’essai<br />
pour la déterm<strong>in</strong>ation du module de déformation longitud<strong>in</strong>ale du béton”, Bull<strong>et</strong><strong>in</strong> <strong>des</strong><br />
laboratoires <strong>des</strong> ponts <strong>et</strong> chaussées, 220, 1999, pp. 79-81.<br />
[12] SAKAMOTO J., SHINDOH T., MARUYA T., SUGIYAMA T., UJI K., “Study on evaluation<br />
of chloride permiability of ultra high strength fiber re<strong>in</strong>forced concr<strong>et</strong>e”, 8 th <strong>in</strong>t. symp. on<br />
Utilization of High-strength and High-performance concr<strong>et</strong>e, 8HSC-HPC, Tokyo (Japon), 27-<br />
29 oct. 2008, vol. 2, pp. 827-832.<br />
10