Durabilité des réparations des ouvrages d'art en béton

Durability of repairs of concrete structures

• Auteur / Autrice : Inès Leana Tchetgnia Ngassam
• Direction : Thierry Chaussadent
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Soutenance le 30/09/2013
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Matériaux - MAT (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Anaclet Turatsinze
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Chaussadent, Sandrine Marceau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Genevieve Foray, Elhem Ghorbel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résistance des matériaux

Béton -- Détérioration

Polymères -- Détérioration

Ouvrages d'art

Mortier

Mots clés libres

Mortier

Durabilité

Polymères

Adhésion

Vieillissement

Béton

Mortar

Durability

Polymers

Bond

Ageing

Concrete

Résumé

Près de la moitié des réparations réalisées sur les ouvrages en béton se concluent par un échec prématuré. Cela se traduit principalement par le décollement de la couche réparatrice, dû à un manque d'adhérence de cette couche sur le support dégradé, et par la corrosion des armatures métalliques de la structure. C'est ainsi que l'Europe consacre la moitié du budget alloué à la construction à la réhabilitation des ouvrages. Deux types de produits de réparation sont principalement proposés sur le marché, les mortiers hydrauliques et les mortiers modifiés par des polymères. Les propriétés intrinsèques de ces produits sont connues mais peu d'études portent sur l'évolution de ces propriétés à long terme, notamment lorsque les matériaux sont appliqués sur un support en béton dégradé. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre l'influence de la présence de polymère dans les mortiers sur la durabilité des réparations des ouvrages d'art en béton. Pour mener à bien cette étude, des mortiers modifiés de formulation connue et contrôlée ont été préparés en laboratoire à partir de l'analyse de la composition de plusieurs produits de réparation commerciaux. Les propriétés intrinsèques à l'état frais et durci de ces deux types de matériaux ont été analysées, en s'intéressant notamment à l'influence de la nature et de la teneur en polymères et à l'influence de la cure appliquée sur ces matériaux. L'augmentation de la quantité de polymère entraîne l'accroissement des propriétés mécaniques des mortiers. Cet effet est surtout visible en flexion car les polymères viennent renforcer l'interface granulat-liant. La cure des mortiers à 40°C permet d'améliorer leurs performances mécaniques et de diminuer leur porosité car dans ces conditions, la formation de films de polymère entremêlés aux hydrates de ciment est favorisée. Un essai a également été développé pour mesurer l'adhérence des mortiers sur un support représentant le béton à réparer. L'influence de la présence de polymère et de l'état de surface du support sur l'adhérence a été analysée, ainsi que l'évolution de l'adhérence pendant la conservation des éprouvettes dans des environnements différents. Ces essais ont permis de montrer que l'addition de polymère permettait d'augmenter l'adhérence des mortiers contenant des polymères par rapport aux mortiers non-modifiés. Après trois mois de durcissement, l'adhérence maximale est obtenue à partir de 10% de polymère. L'augmentation de la rugosité et la saturation en eau du support n'ont pas entraîné d'augmentation de l'adhérence par rapport aux surfaces sèches et planes. Comme pour les propriétés intrinsèques des mortiers modifiés, une cure à 40°C permet d'améliorer l'adhérence alors qu'une immersion dans l'eau est défavorable. Enfin, le risque de corrosion des armatures enrobées de mortiers modifiés a été étudié en caractérisant les propriétés électrochimiques des aciers ainsi que les propriétés de transfert d'espèces agressives dans les mortiers. L'addition de polymères dans les mortiers renforce la protection des armatures métalliques grâce à leurs propriétés d'isolant électrique. Dans la plupart des cas, ils limitent également la diffusion du CO2 et des ions chlorure dans le matériau

About half of the repairs carried out on concrete structures conclude with a premature failure. This is mainly due to the debonding of the repair layer, caused by a lack of adhesion on the degraded concrete surface, and by the corrosion of steel rebars in concrete. It is estimated that over 50% of Europe's annual construction budget is spent on the rehabilitation of existing structures. Two types of repair products are mainly offered on the market, hydraulic mortars and polymer-modified mortars. The intrinsic properties of these products have been studied, but few works have been conducted to assess the evolution of these properties, especially when they are applied on a degraded concrete surface. The aim of this work is to better understand the influence of the presence of polymer in mortars on durability of the repair of concrete structures. To carry out this study, polymer-modified mortars were prepared with a controlled formulation based on the analysis of the composition of several commercial products. The intrinsic properties of these mortars were studied at the fresh and hardened state, focusing in particular on the influence of the nature and content of polymers and of the curing applied to these materials. Increasing the quantity of polymer leads to the increase of the mechanical properties of mortars. This effect is especially noticeable in flexion because polymers reinforce the aggregate-binder interface. The curing of mortars at 40°C improves their mechanical performances and reduce their porosity because in these conditions, the formation of polymer films intertwined with cement hydrates is favored. A test has also been developed to measure the adhesion of mortars on a support representing the concrete surface to be repaired. The influence of the presence of polymer and of the surface state of the support on the adhesion was analyzed, as well as the evolution of adhesion during the storage of specimens in different environments. These tests have shown that the addition of polymer can increase the adhesion of polymer-modified mortars comparing to unmodified mortars. After three months of curing, the adhesion is maximum from 10% of polymer. The increase of the roughness and saturation with water of the support did not induce any increase of the adherence comparing to flat and dry surfaces. As for the intrinsic properties of polymer-modified mortars, the curing at 40°C improves the adherence while an immersion in water is unfavorable. Finally, the risk of corrosion of a steel bar embedded in the mortar was studied by characterizing the electrochemical properties of steel and the transfer properties of aggressive species in mortars. The addition of polymers in mortars enhances the protection of rebar thanks to their electrical insulation properties. In most cases, they also limit the diffusion of CO2 and chloride ions in the material