Phases d'initiation et de propagation de la corrosion des armatures du béton armé fissuré en environnement carbonique ou salin

par Vu Hiep Dang

Thèse de doctorat en Génie Civil

Sous la direction de Raoul François et de Valérie L'Hostis.

Le président du jury était Jean-Paul Balayssac.

Le jury était composé de Raoul François, Valerie L'hostis, Ngoc Anh Vu.

Les rapporteurs étaient Mark Alexander, Dario Coronelli.


  • Résumé

    Cette thèse s’intéresse à l’étude la corrosion des armatures du béton armé à la fois sur les conditions de son initiation et de sa propagation mais également sur ses conséquences à long terme sur le fonctionnement en service des ouvrages.Le démarrage d’une étude à long terme sur les conditions de l’initiation et de la propagation de la corrosion en ambiance saline est présenté et les premiers résultats confirment l’initiation précoce de la corrosion mais montrent que l’influence des fissures sur la propagation dépend des conditions de leur exposition et de l’enrobage.Une étude a été réalisée sur la carbonatation en présences de fissures et sur ses conséquences sur l’initiation et la propagation de la corrosion. Des échantillons annulaires de mortier renforcé par une armature HA ont été fissurés. Les résultats ont montrés que quelque soit l’ouverture des fissures mécaniques, il y a une carbonatation des lèvres de la fissure et de l’interface acier-béton. Après exposition à des cycles d’humidification séchage, la corrosion se développe tout le long de l’armature mais avec une épaisseur plus importante en sous-face de l’armature ou la qualité de l’interface est moins bonne. Les résultats montrent que les fissures de corrosion induites par le développement de la couche de rouille prennent naissance à partir des micro-fissures dues à l’endommagement mécanique. Ce résultat est cohérent avec le développement des fissures de corrosion observées dans la partie sur l’initiation et la propagation de la corrosion en ambiance saline.Une autre partie de la thèse est consacrée à l’étude des propriétés mécaniques résiduelles de poutres en béton armé corrodées par 26 à 28 années de conservation majoritairement sous charge de flexion en ambiance saline.On s’intéresse d’abord au comportement en traction simple des aciers corrodés. La corrosion induite par les chlorures conduit à des piqûres de géométries très diverses qui rendent difficile l’évaluation de la section résiduelle d’acier. Cependant, il apparait que la contrainte effective de plasticité est peu affectée, la contrainte ultime est légèrement augmentée significative d’un écrouissage plus important après corrosion et surtout l’élongation à rupture est drastiquement réduite par la présence des piqures de corrosion.L’effet de la corrosion des armatures sur le comportement en flexion est ensuite étudié. La corrosion se traduit par un changement du mode de rupture, de l’écrasement du béton comprimé après une phase de plastification des aciers à la rupture fragile et brutale des armatures tendues après corrosion. La diminution de la capacité portante est proportionnelle à la perte de section d’acier dans les sections les plus sollicitées. La perte de ductilité ou diminution de la flèche à rupture des poutres en béton armé est très importante et pourrait remettre ne cause la sécurité dans le fonctionnement des éléments corrodés.L’effet de la corrosion sur la résistance à l’effort tranchant est ensuite étudié. Pour ce faire des éléments courts (poutres épaisses) sont testés en flexion simple. Les résultats montrent que la corrosion peut conduire à des changements de fonctionnement mécanique mais que la résistance vis-à-vis de l’effort tranchant est globalement peu affectée par la corrosion des armatures longitudinales ou des cadres d’effort tranchant. La complexité des phénomènes mis en jeu sur des éléments courts et l’importance des bielles de béton comprimées dans les effets d’arc peuvent expliquer ces résultats. Par ailleurs, la capacité d’ancrage des armatures droites corrodées apparait très largement supérieure à celle attendue compte tenu de la présence des fissures de corrosion et des prévisions issues de la littérature. Le confinement dû à l’appui et le fait que la corrosion naturelle n’affecte pas tout le périmètre des barres d’armatures peuvent expliquer ces résultats surprenants

  • Titre traduit

    Initiation and propagation phases of re-bars corrosion in pre-cracked reinforced concrete exposed to carbonation or chloride environment


  • Résumé

    This thesis aims to study the reinforcement corrosion embedded in reinforced concrete structures on both initiation and propagation of corrosion and its long-term consequences on the service life of structures. Firstly, a long-term study on the conditions for the initiation and propagation of corrosion in saline environment is presented and the first results confirm the early initiation of corrosion, but shows that the influence of pre-cracks on the propagation of corrosion depends on their conditions of exposure and concrete cover thickness. A study was conducted in carbon dioxide condition with presence of cracks to examine its impact on the initiation and propagation of corrosion. The results showed that whatever the mechanical crack opening, the crack edge and the steel-concrete interface were carbonated. Carbonation of the steel-concrete interface is likely to be due to mechanical damage induced by loading and stress transfer from the steel to mortar when creating cracks. This damage is also caused by the presence of internal micro-cracks around the steel bar. Following exposure to wetting-drying cycles, corrosion develops throughout the reinforcement but with a greater thickness of rust layer on the underside of the reinforcement where the quality of the interface is weaker. The results showed that the corrosion cracking induced by the development of rust layer arises from internal micro-cracks due to mechanical damage. This result is consistent with the development of corrosion cracks observed previously in saline environment. Another part of the thesis is to study the residual mechanical properties of corroded reinforced concrete beams of 26-28 years exposed to a saline environment under bending load. The behavior of single tensile steel corroded extracted from these corroded beams is studied. It is very difficult to know the true stress of tensile steels corroded "naturally" in concrete contaminated by exposure to chlorides. Indeed, the corrosion induced by chlorides leads to create corrosion pits with various geometries that make it difficult to determine accurately the residual steel cross-section. However, it appears that the true yield stress is unaffected, the true ultimate stress is slightly increased by corrosion but the total elongation at failure is drastically reduced by the presence of pitting corrosion. The effect of reinforcement corrosion on flexural behavior is then studied. The corrosion resulted in a change in failure mode, from concrete crushing in compression after yielding of tensile steel to brittle failure of tension reinforcement. The decrease of the load bearing capacity is proportional to the loss of steel section in the mid-span section. The loss of ductility or decrease in deflection at failure of reinforced concrete beams is very important and could be the limiting factor for the service life of corroded RC structures. It appears that the change in ductility of corroded reinforced concrete beam is correlated with the change in ductility of the steel due to corrosion. The effect of corrosion on the shear behavior is then studied. To make this, the short-shear span beams (deep beams) were tested under three point bending until failure. The results showed that corrosion can lead to changes in mechanical behavior but load bearing capacity of deep beams is generally unaffected by corrosion of longitudinal reinforcement and stirrups. These results can be explained by a coupled behavior between arch action and beam action leading to change in load transfer mechanism and failure mode. In addition, the capacity of straight end anchorage of corroded reinforcement appears to be very much higher than expected despite the presence of corrosion cracks. Concrete confinement effect due to the end support reaction and the “natural” corrosion condition which do not lead to a homogeneous damage all around perimeter of re-bars may explain these surprising results


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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2013 par INSA à Toulouse

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Informations

  • Sous le titre : Phases d'initiation et de propagation de la corrosion des armatures du béton armé fissuré en environnement carbonique ou salin
  • Détails : 1 vol. (332 p.)
  • Annexes : Notes bibliogr.
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