Une étude
du génie civil des ouvrages d'une station de dépollution menée
par le LERM
Objet
de l'étude
Le LERM a été
chargé de réaliser, en septembre 2004, une étude visant à
émettre un diagnostic concernant l'état de conservation des ouvrages
en béton d'une station de dépollution des eaux, dans l'Est de la
France.
Outre l'établissement d'un diagnostic des structures en béton
armé, des préconisations techniques de réparation de ces
éléments en bétons ont été proposées
: la lagune à boues, le clarificateur, les bassins d'aération, l'ensemble
dégrilleur-dessableur-déshuileur...
Ces ouvrages
en béton armé présentaient des désordres plus ou moins
marqués. Ils ont fait l'objet d'un diagnostic complet de leur structure
afin d'appréhender au mieux les désordres et d'en rechercher l'origine.
Une série d'essais sur site ont été réalisés
pour chacun de ouvrages :
|
examens
visuels des désordres et illustrations photographiques |
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auscultations
radar dans le but de localiser les armatures, d'estimer la profondeur de leur
enrobage et de vérifier leur état de conservation, complètées
par des sondages destructifs |
|
estimation
du degré d'avancement de la corrosion des armatures par mesure du potentiel
d'électrodes |
|
prélèvement
de concrétions et d'échantillons de béton par carottages
diamantés sous eau |
Principales
pathologies rencontrées
Après
examen, les principaux désordres rencontrés ont pu être regroupés
par familles et définis ainsi :
| écaillage
superficiel et gonflement localisé du béton |
| fissuration
des éléments en béton (voiles) : ces fissures sont relativement
fines, apparemment bouchées et marquées par la présence de
concrétions blanchâtres | | épaufrures
(éclats) du béton avec mise à nu des granulats et des armatures
sous-jacentes. Ce dernier cas se traduit par une corrosion apparente des fers,
une décohésion de la structure du matériau et localement
par une diminution du diamètre des armatures. | Les
points suivants ont également été notés :
| aucun
revêtement de surface (produit de protection) n'a été mis
en évidence sur ces bétons | | les
désordres constatés affectent également des zones ayant déjà
fait l'objet de campagnes de réparation antérieures |
Les observations sur site ont permis de montrer que
les désordres affectaient principalement les bassins d'aération
ainsi que le clarificateur.
Investigations
et essais réalisés sur site
Les
examens sur site, réalisés sur l'ensemble de la station de dépollution
(6 ouvrages en béton armé), ont été effectués
dans le but de relever et de situer les différentes pathologies, de caractériser
le plan de ferraillage (maille, diamètre et profondeur d'enrobage par mesures
radar et pachométriques), d'évaluer la corrosion active des armatures
(par la technique du potentiel d'électrodes) et de prélever les
échantillons nécessaires aux essais de laboratoire.
Radargramme
illustrant des fers irrégulièrement répartis
Essais
en laboratoire
Les essais et analyses réalisés
en laboratoire ont consisté en une description détaillée
des échantillons prélevés (principales caractéristiques,
type de béton, profondeur d'enrobage et aspect des armatures recoupées,
évaluation de la carbonatation), ainsi que dans réalisation d'essais
de résistance à la compression, de dosages chimiques (chlorures,
sulfates et alcalins à plusieurs profondeurs) et à l'étude
particulière de concrétions et de la microstructure des matériaux
par microscopie électronique à balayage.
Principaux
résultats des analyses
En
ce qui concerne la recherche de pathologies
Des
composés néoformés riches en soufre (gypse et ettringite)
ont été mis en évidence dans les bétons provenant
du clarificateur et de l'un des bassins d'aération. Les concrétions
prélevées en surface des bétons étaient exclusivement
de composition calcitique.
Les analyses microscopiques
ont confirmé la présence de néoformations à base de
sulfates (ettringite aciculaire et massive à caractère expansif).
Des traces de chlore ont également été mises en évidence.
Enfin, des composés géliformes, de composition silico-calco-alcaline
et probablement en relation avec une réaction alcali-granulat, ont été
identifiés.
Les teneurs en chlorures étaient
faibles et inférieures au seuil de 0,4 % en masse par rapport au poids
de ciment (seuil limite préconisé par la norme NF EN 206-1 dans
le cas d'ouvrages en béton armé).
Les concentrations
en sulfates étaient généralement inférieures à
3 % en masse par rapport au poids de ciment : ces teneurs étaient donc
conformes à la norme ciment NF EN 197-1 qui préconise une teneur
maximale comprise entre 3,5 et 4 %. Par ailleurs, le béton du clarificateur
était, quant à lui, marqué par une concentration en sulfates
élevée (6 % en masse).
Enfin, les concentrations en alcalins
étaient inférieures ou égales à 2,6 kg d'alcalins
par m3 de béton, excepté dans le seul cas du béton d'un des
bassins où la concentration était égale à 4,7 kg :
ce point particulier est donc supérieur au seuil maximal préconisé
(valeur limite de 3,0 à 3,3 kg d'alcalins par m3 de béton) par les
recommandations concernant la prévention des désordres dus à
l'alcali-réaction (LCPC juin 1994).
En
ce qui concerne l'origine des désordres
De
manière générale, les désordres rencontrés
dans les ouvrages apparaissaient globalement comparables mais présentaient
une intensité variable selon les ouvrages. Ils correspondaient essentiellement
à une fragilisation de la paroi des voiles se traduisant par une altération
superficielle de leurs matériaux constitutifs.
Il
est apparu, au vu des essais et analyses réalisés, que les bétons
étudiés présentaient des pathologies en relation d'une part
avec le milieu dans lequel ils étaient placés (milieu agressif chimiquement,
humidité élevée…), et d'autre part avec les propriétés
intrinsèques des matériaux (compacité moyenne à faible,
enrobage localement faible ou nul et absence de protection de surface de type
revêtement époxy).
En effet, les
altérations provoquées sur le béton et la pâte de ciment
en particulier se sont traduits par une pénétration plus ou moins
marquée de sulfates et/ou d'alcalins dans la matrice cimentaire, par une
dissolution locale de la pâte et par la formation de composés sulfatiques
ou riches en potassium pouvant présenter un caractère expansif.
Ces points ont ont été vérifiés avec la mise en évidence
decristallisations de sulfates de calcium (gypse), d'ettringite à faciès
localement expansif dans une matrice constituée d'hydrates peu denses et
de gel d'alcali-réaction.
D'un point de vue chimique,
il est apparu que la "profondeur d'attaque" de la matrice cimentaire
par les sulfates ou les alcalins était peu importante : pas de profil de
pénétration ni de forte concentration, excepté dans le cas
du clarificateur.
Par ailleurs, certains désordres ont également
été reliés à un phénomène de corrosion
des armatures : cette réaction est directement à mettre en relation
avec la carbonatation de la matrice cimentaire favorisée par la porosité
plutôt élevée des bétons constitutifs des voiles ainsi
que par un enrobage des aciers localement insuffisant.
Ces
deux phénomènes (attaque chimique du fait du caractère acide
des boues et corrosion des fers) ont été favorisés, malgré
la formulation des bétons à base de ciment adapté à
ce milieu chimique (ciment au laitier de haut fourneau, recommandé par
le fascicule de documentation P18-011), par l'absence de revêtement de surface
de type résine de protection.
Mécanismes
de dégradation mis en jeu
Attaque
chimique
Le milieu étudié, apparemment
riche en hydrogène sulfuré compte tenu des fluides y circulant (eaux
usées…), pouvait être classé comme un environnement chimiquement
agressif du fait de la présence de sulfates et d'un degré d'acidité
important.
Les réactions mises en jeu
étaient dues au caractère doublement agressif de l'acide sulfurique
H2SO4 (issu de la réaction de H2S avec l'humidité environnante)
vis à vis de la pâte de ciment (et du béton) de par son acidité
(dissolution de la matrice) et de par la formation de composés sulfatiques
dont la cristallisation peut engendrer une fissuration du béton.
En
effet, sous l'action de mécanismes biologiques, les sulfures s'oxydent
en acide sulfurique lequel provoque l'altération du béton
à la suite d'une succession de réactions chimiques. Voir
notre page consacrée aux pathologies des ouvrages de STEP.
L'acide sulfurique H2SO4 est donc doublement agressif, par son acidité
et par la formation de sulfates qui donnent naissance à des composés
secondaires expansifs (gypse, ettringite...) dont la cristallisation peut engendrer
une fissuration du béton.
Les principaux désordres
en partie haute des bassins (zones de marnage) provenaient de la nature même
des effluents, des boues ou des projections. En effet, l'activité bactérienne
dans ces bassins de dépollution conduit dans un premier temps au dégagement
d'hydrogène sulfuré qui se combine à l'humidité ambiante
pour ensuite se condenser sous forme d'acide sulfurique et ainsi " attaquer
" chimiquement les zones émergées (en conditions aérobies).
Corrosion
des armatures
La corrosion des armatures peut
être initiée, dans les bétons par la carbonatation du béton
d'enrobage au contact du CO2 atmosphérique. Les armatures sont dépassivées
par la diminution de pH occasionnée par la réaction entre les hydrates
de la pâte de ciment et le CO2 atmosphérique (la dépassivation
intervient ainsi lorsque le front de carbonatation atteint les armatures).
Lorsque
les armatures ne sont plus passivées en raison de l'un ou l'autre des deux
facteurs, le processus de corrosion met en jeu des phénomènes de
piles électrochimiques se produisant entre des zones anodiques et des zones
cathodiques.
La formation des oxydes et hydroxydes
de fer s'accompagne d'une augmentation de volume par rapport au métal de
base, provoquant ainsi des contraintes internes dans le béton qui conduisent
à l'apparition de désordres tels que de la fissuration, des coulures
de rouille et des épaufrures. A un stade plus avancé, la réduction
de section des aciers diminue la capacité portante, et peut entraîner
ainsi des dégâts structuraux importants.
Perspectives
Compte
tenu du contexte général, des désordres relevés et
des défauts récurrents affectant les bétons constitutifs
des différents ouvrages, il est apparu que des travaux de réparation
étaient à entreprendre dans le cas de la lagune à boues et
du complexe dégrilleur-dessableur-déshuileur.
Ces bétons,
en effet, étaient globalement peu dégradés (d'un point de
vue chimique) mais étaient caractérisés par une carbonatation
notable, un enrobage moyen des armatures et la présence de fissures peu
ouvertes. Il était important de noter la présence de composés
délétères et expansifs et, dans le cas de la lagune à
boues, la présence d'un contact très moyen avec le sous-sol.
Dans
le cas du clarificateur et des bassins d'aération, l'état de conservation
des bétons étant classé de très moyen à très
mauvais, il s'avèrait délicat de prendre des mesures conservatoires
et réparatrices concernant ces ouvrages particulièrement dégradés.
La démarche générale des réparations
proposées avait donc pour but de limiter ou d'inhiber la présence
d'éléments exogènes dans le béton support et de retrouver
un béton sain.
Dans cette optique, tout ou
partie des phases suivantes ont été recommandées :
Ragréage
Le
produit de ragréage a pour but d'une part de re-placer les armatures dans
un milieu passivant, et d'autre part de confectionner un enrobage des fers suffisant
vis-à-vis du phénomène de carbonatation.
Ce produit peut
correspondre à un matériau de nature hydraulique (mortier ou micro-béton)
ou à un produit mixte (résine époxy - ciment, en particulier
dans le cas où un enrobage minimum de 5 cm ne pourrait être garanti).
Le produit de ragréage peut être adjuvanté d'un inhibiteur
de corrosion.
Traitement des parements
Ce
traitement de protection de surface a pour but de limiter la pénétration
de produits issus de l'environnement extérieur vers le béton (éléments
exogènes). Le produit de " finition " doit être adapté
à l'environnement chimiquement agressif (résine époxy particulièrement
résistant aux conditions spécifiques du milieu) et présenter
les caractéristiques suivantes :
- résistance chimique aux attaques
acides,
- comportement plus ou moins souple afin d'épouser parfaitement
la surface du support et de supporter une éventuelle déformation
du support,
- imperméabilité aux gaz et aux liquides afin de
stopper la pénétration d'éléments exogènes
dans le béton (humidité, CO2, H2S, chlorures, sulfates…).
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