Démarche durabilité pour les bétons de deux grands ouvrages d'art

Démarche durabilité
La durabilité s'inscrit aujourd'hui au centre des préoccupations des maîtres d'ouvrages. Ce souci de la durabilité s'appuie notamment sur la nouvelle normalisation européenne (Eurocodes et norme EN 206-1) et sur la publication de documents intégrant la notion de durée de vie (documents scientifiques de l'AFGC). Le LERM se place au centre de ces problématiques et poursuit une démarche durabilité engagée depuis déjà plus de 10 ans. (se reporter, à ce sujet à l'introduction de notre dossier technique consacré au contrôle non destructif des ouvrages et à notre page durabilité)

C'est dans cette optique que le LERM est associé aux démarches de durabilité engagées pour deux des plus grands ouvrages d'art construits en Europe au cours de la dernière décennie : le pont Vasco de Gama à Lisbonne et le pont de Rion Antirion en Grèce.

Une formulation adaptée aux bétons exposés aux chlorures
Ces deux ouvrages sont exposés à des environnements chimiquement agressifs en raison, notamment, de la présence de chlorures et de sulfates dans les eaux du Tage et du Golfe de Corinthe, majoritairement constituées par de l'eau de mer.
Le principal risque identifié en terme de durabilité des bétons correspond, par conséquent, pour ces deux ouvrages, à la corrosion des armatures sous l'action des chlorures.
La spécification principale et particulière à ces ouvrages qui figurait dans le cahier des charges est une exigence de durée de vie de 120 ans pour les bétons de structure dans le but de garantir un faible coût d'entretien et de réparation. La durée de vie a été définie dans les deux cas, comme le temps nécessaire à l'initiation de la corrosion qui correspond lui-même à un seuil de concentration en chlorures au niveau des armatures. Ce seuil a été fixé à 0,4 % pondéral de Cl- par rapport au ciment.

Les bétons ont été formulés suivant les spécifications de la norme européenne EN 206-1 avec des dosages en ciment supérieurs ou égaux à 400 kg/m3 dans les zones les plus exposées et, dans un souci de sécurité, des rapports Eau efficace/Liant équivalent effectifs (0,40) généralement inférieurs à ceux qui sont préconisés par la norme. Dans ces mêmes zones, les profondeurs d'enrobage des armatures sont de l'ordre de 70 à 75 mm.

Choix d'indicateurs de durabilité et modèle de prédiction
La démarche de durabilité adoptée pour quantifier l'objectif de durée de vie requis, a consisté à choisir des indicateurs de durabilité (indicateurs généraux et indicateurs secondaires) parmi lesquels :

	la perméabilité à l'oxygène (AFREM, 1997),
	le coefficient de diffusion des ions chlore par un essai de migration sous champ électrique selon la méthode Tang et Nilsson (1992)
	la résistance à la pénétration des ions chlore suivant la procédure AASHTO T277-93 (1993)
	la porosité accessible à l'eau (AFREM, 1997)
	ou encore la profondeur de carbonatation d'éprouvettes conservées en atmosphère de CO2 (50 % en volume), à 20°C et 65 % d'humidité relative (AFREM, 1997).

Les formulations de bétons ont été sélectionnées selon des critères de performance vérifiant les seuils fixés pour les différents indicateurs choisis.

Pendant la phase de construction, et depuis la mise en service, le LERM effectue des missions de suivi visant à contrôler les bétons de structure, en s'appuyant notamment sur un modèle de prédiction de durée de vie développé au LERM et validé dans le cadre du suivi du pont Vasco de Gama (cf nos publications sur ce sujet : Un exemple d'application des indicateurs de durabilité : le Pont Vasco de Gama à Lisbonne et Modèle du LERM de transport des ions. Application de la pénétration des chlorures et des sulfates dans les bétons).
Les simulations numériques, réalisées en intégrant les mesures de profondeur de pénétration des chlorures et les valeurs des coefficients de diffusion déterminées sur l'ensemble des bétons à différentes échéances, ont non seulement pour but de vérifier que l'objectif de durabilité est effectivement atteint (teneur en chlorures libres < 0,4% en poids de ciment au droit des armatures) mais également de valider la pertinence du modèle en comparant les résultats des simulations numériques avec ceux obtenus en laboratoire sur des prélèvements in situ. L'originalité du modèle utilisé au LERM vient du fait qu'il intègre une possibilité de faire varier les paramètres d'entrée, notamment le coefficient de diffusion, dans l'espace et dans le temps.

Conclusions
Les conclusions obtenues à ce jour sur les deux ouvrages montrent une bonne corrélation entre les résultats in situ et ceux déterminés au moyen du modèle numérique prédictif. Les simulations réalisées sur le modèle ont donc permis de confirmer la pertinence des matériaux choisis, des formulations de bétons, et des épaisseurs d'enrobage retenues par rapport à l'exigence de durée de vie de 120 ans escomptée. La démarche durabilité adoptée apparaît donc pertinente et permet d'espérer, avec un taux de risque satisfaisant, que les objectifs de durabilité fixés pour le matériau, seront atteints.

Exemple de rendu de simulations numériques du modèle de prédiction de vie - Pont de Rion Antirion

Exemple de rendu de simulations numériques du modèle de prédiction de vie - Pont Vasco de Gama
(figure de gauche : simulation après 8 ans d'exposition, figure de droite : simulation à 120 ans)

Par ailleurs, les recalages mineurs réalisés sur le modèle ont permis, dans le cas du pont Vasco de Gama, de constituer une base de données extrêmement utile, d'une part pour l'amélioration des connaissances en matière de durabilité des bétons armés en ambiance marine, et, d'autre part, pour le développement de nouvelles approches tenant compte d'exigences de plus en plus grandes en ce qui concerne la durée de vie des ouvrages.