Dissertations / Theses on the topic 'Béton armé – Corrosion – Prévention'

Les objectifs de ce travail ont été d'évaluer les paramètres d'application du traitement électrochimique de réalcalinisation (rae) et l'influence des caractéristiques liées au béton armé sur cette technique. L'étude a été orientée vers une intervention à caractère préventif sur les structures urbaines en béton armé dégradées par carbonatation, c'est-à-dire lorsque le taux de corrosion des armatures n'est pas encore important. Le traitement de rae a été appliqué sur des échantillons en béton armé dont l'enrobage a été partiellement ou totalement carbonaté. L'efficacite du traitement a été évaluée sur la base de caractéristiques physico-chimiques et électrochimiques (alacalinite, potentiel, résistance de polarisation, spectroscopie d'impédance). L'ensemble du travail indique que, lorsque la corrosion des aciers n'est pas trop avancée, il est possible de récuperer l'alcalinite du béton que ce soit dans le cas d'une carbonatation partielle ou totale. Ceci montre que la réalcalinisation électrochimique permet dans ces conditions d'augmenter la durée de vie des structures en béton armé
The parameters of application of electrochemical realkalisation (rae) treatment was evaluated i this work. Also, the influence of characteristics related to concrete has been analysed. The study of rae was focused as a preventive measure for urban reinforced concrete structures suffering the process known as carbonation, but without significant corrosion of the reinforcement. For this, carbonation was previously induced on the reinforced concrete specimens until obtaining two levels: partial or fully carbonated concrete. The efficiency of rae was evaluated by analysys of physicochemical and electrochemical characteristics (alkalinity, open circuit potential, linear polarization resistance, and electrochemical impedance spectroscopy). Results showed that when the corrosion of the reinforcing steel is not important, the alkalinity of bulk can be achieved on either partial or fully carbonated concrete by applying the rae treatment. Therefore, in these conditions the life cycle of reinforced concrete structures can be improved

Plusieurs pays nordiques qui utilisent des sels de déglaçage et les régions côtières bordées par les eaux salines sont confrontés à d’importants problèmes de corrosion affectant leurs infrastructures en béton armé. Afin de prolonger la durée de vie de ces ouvrages, les produits de mitigation de la corrosion présentent un réel intérêt. Dans le cadre de ce projet de recherche, deux traitements directs de mitigation de la corrosion ont été étudiés, soit les inhibiteurs de corrosion migrateurs et la protection cathodique par anode sacrificielle noyée, ainsi qu’un traitement à incidence indirecte sur la corrosion, soit le chemisage par tissu de fibres de carbone. L’objectif de cette recherche était de déterminer l’influence de ces approches sur la cinétique de corrosion mesurée dans des corps d’épreuve en béton armé préalablement corrodés. Pour ce faire, des mesures du suivi de l’activité électrochimique ont été réalisées sur les corps d’épreuve en béton armé, ayant fait l’objet d’un conditionnement préalable pour favoriser l’initiation de la corrosion, et comparées aux résultats de simulations numériques. Ni les mesures électrochimiques, ni les résultats générés dans les simulations n’ont révélé de réduction significative de l’activité de corrosion dans les corps d’épreuve. Pour les inhibiteurs de corrosion migrateurs testés, il est présumé que les produits n’ont pas été en mesure de pénétrer jusqu’à l’armature. Il semble toutefois que son efficacité repose sur une fonction secondaire qui est l’imperméabilisation du béton. En ce qui concerne les anodes sacrificielles, la résistivité électrique du béton empêche la formation efficace d’une pile galvanique entre celles-ci et la barre d’armature corrodée. Le modèle numérique a permis d’évaluer une diminution maximale du 63 % du courant de corrosion lorsqu’une anode sacrificielle est directement apposée contre la surface de corrosion active. Le chemisage avec tissu de fibres de carbone s’est quant à lui montré inefficace dans une perspective de mitigation de la corrosion à court terme. En effet, le taux de consommation de l’oxygène par l’activité électrochimique dans la dalle ne permet pas de diminuer significativement les courants de corrosion.
It is well known that corrosion of steel rebar is the most important degradation mechanism in reinforced concrete structures. Coastal regions bordered with saline water and northern countries using de-icing salts are faced with tremendous corrosion problems of their reinforced concrete structures. To enhance the lifespan of corroded concrete structures, corrosion mitigation products become more essential. In this research project, two direct mitigation treatments were studied, migrating corrosion inhibitors and cathodic protection with sacrificial anodes, as well as a secondary perspective treatment that is carbon fibre-reinforced polymers wrapping. The objective was to study the influence of mitigation products on corrosion rate in pre-corroded reinforced concrete specimens. The program is conducted throughout experimental phase that requires electrochemical monitoring on concrete specimens, preliminary corroded in a controlled environment, and a modeling phase for validation. In spite of the widespread use of these treatments, the experimental and numerical based results have shown no significant reduction of corrosion rates in the various specimens. For the tested migrating corrosion inhibitors, it is suggested that the products have not been able to reach the reinforcement. Nevertheless, their efficiency seems to be promoted by a secondary function that is the concrete waterproofing. Concerning the sacrificial anodes, the electrical resistivity of concrete hinders the formation of an efficient galvanic cell between the zinc pellet and the corroded rebar. The numerical model evaluated a maximum decrease of 63 % of the corrosion current in case the zinc pellet is place directly under the corrosion zone. Finally, wrapped polymer has not exhibited any significant short-term corrosion-mitigation effect in concrete. In fact, the rate of oxygen consumption associated with the electrochemical activity inside the test slabs is not enough to cause a significant decrease in the currents of corrosion.

Cette étude visait à évaluer l’efficacité de différentes techniques de protection à prolonger la durée de vie des infrastructures en béton susceptibles d’être atteintes de corrosion des armatures. L’objectif principal du projet était de fournir des informations quantitatives sur l’influence de certaines des stratégies les plus couramment utilisées pour protéger les ouvrages contre la pénétration de l’humidité et des ions chlorure ainsi que pour contrôler l’initiation et la propagation de la réaction de corrosion. Ainsi, l’impact de l’utilisation de scellants non coupe-vapeur, de membranes et de produits inhibiteurs de corrosion (migrateur et adjuvant) a été étudié. Les différents traitements ont été testés sur des corps d’épreuve pré-conditionnés de manière à présenter quatre niveaux de contamination et de détérioration : état vierge non corrodé, état contaminé par les ions chlorure mais non corrodé, état de corrosion initiée et état de propagation de la corrosion. Un des objectifs spécifiques de cette étude était d’évaluer l’influence des différents traitements sur l’évolution de facteurs comme la distribution interne de l’humidité relative, la distribution des ions chlorure ainsi que l’activité de corrosion. Pour ce faire, 51 dalles de béton armé ont été fabriquées et exposées à des cycles de mouillage (brouillard salin) et de séchage dans une chambre environnementale. Afin de caractériser l’évolution de l’activité de corrosion propre à chaque condition, un suivi électrochimique des éléments comportant des mesures de potentiel électrochimique et de résistance à la polarisation linéaire a été assuré. À la suite de la période de cyclage dans la chambre de brouillard salin, une autopsie a été pratiqué sur une sélection de corps d’épreuve. Cette opération avait pour but de dégager les barres d’armature de manière à caractériser les zones anodiques.
Cette étude visait à évaluer l’efficacité de différentes techniques de protection à prolonger la durée de vie des infrastructures en béton susceptibles d’être atteintes de corrosion des armatures. L’objectif principal du projet était de fournir des informations quantitatives sur l’influence de certaines des stratégies les plus couramment utilisées pour protéger les ouvrages contre la pénétration de l’humidité et des ions chlorure ainsi que pour contrôler l’initiation et la propagation de la réaction de corrosion. Ainsi, l’impact de l’utilisation de scellants non coupe-vapeur, de membranes et de produits inhibiteurs de corrosion (migrateur et adjuvant) a été étudié. Les différents traitements ont été testés sur des corps d’épreuve pré-conditionnés de manière à présenter quatre niveaux de contamination et de détérioration : état vierge non corrodé, état contaminé par les ions chlorure mais non corrodé, état de corrosion initiée et état de propagation de la corrosion. Un des objectifs spécifiques de cette étude était d’évaluer l’influence des différents traitements sur l’évolution de facteurs comme la distribution interne de l’humidité relative, la distribution des ions chlorure ainsi que l’activité de corrosion. Pour ce faire, 51 dalles de béton armé ont été fabriquées et exposées à des cycles de mouillage (brouillard salin) et de séchage dans une chambre environnementale. Afin de caractériser l’évolution de l’activité de corrosion propre à chaque condition, un suivi électrochimique des éléments comportant des mesures de potentiel électrochimique et de résistance à la polarisation linéaire a été assuré. À la suite de la période de cyclage dans la chambre de brouillard salin, une autopsie a été pratiqué sur une sélection de corps d’épreuve. Cette opération avait pour but de dégager les barres d’armature de manière à caractériser les zones anodiques.
This study aimed at evaluating the capacity of various protection techniques to extend the service-life of concrete infrastructure affected by reinforcement corrosion. The main objective of this project was to provide quantitative information on the influence of some of the most commonly used strategies in practice to protect reinforced concrete structures against the initiation and propagation of corrosion, respectively non-vapor barrier sealants, waterproofing membranes and corrosion inhibitors products (penetrating and admixture). The various treatments were tested on laboratory-size concrete test slabs pre-conditioned in such a way to exhibit four different stages of contamination and deterioration: virgin, contaminated by chlorides but not corroded, corrosion initiated and corrosion propagating. A specific objective of this study was to evaluate the influence of different treatments on the evolution of various factors such as the internal distribution of relative humidity, the distribution of chlorides and the corrosion activity. Through two successive experimental phases, 51 test slabs were produced and subjected to cycles of wetting (salt spray) and drying in an environmental chamber. In order to monitor the evolution of the corrosion activity for each condition, half-cell potential and linear polarization measurements were carried out on all specimens at regular time intervals. Following the period of cycling in the salt spray chamber, an autopsy was performed on a selection of tested slabs in order to expose the reinforcing steel rebars and allow a characterization of the anodic areas.
This study aimed at evaluating the capacity of various protection techniques to extend the service-life of concrete infrastructure affected by reinforcement corrosion. The main objective of this project was to provide quantitative information on the influence of some of the most commonly used strategies in practice to protect reinforced concrete structures against the initiation and propagation of corrosion, respectively non-vapor barrier sealants, waterproofing membranes and corrosion inhibitors products (penetrating and admixture). The various treatments were tested on laboratory-size concrete test slabs pre-conditioned in such a way to exhibit four different stages of contamination and deterioration: virgin, contaminated by chlorides but not corroded, corrosion initiated and corrosion propagating. A specific objective of this study was to evaluate the influence of different treatments on the evolution of various factors such as the internal distribution of relative humidity, the distribution of chlorides and the corrosion activity. Through two successive experimental phases, 51 test slabs were produced and subjected to cycles of wetting (salt spray) and drying in an environmental chamber. In order to monitor the evolution of the corrosion activity for each condition, half-cell potential and linear polarization measurements were carried out on all specimens at regular time intervals. Following the period of cycling in the salt spray chamber, an autopsy was performed on a selection of tested slabs in order to expose the reinforcing steel rebars and allow a characterization of the anodic areas.

Cette étude visait à évaluer l’efficacité de différentes techniques de protection à prolonger la durée de vie des infrastructures en béton susceptibles d’être atteintes de corrosion des armatures. L’objectif principal du projet était de fournir des informations quantitatives sur l’influence de certaines des stratégies les plus couramment utilisées pour protéger les ouvrages contre la pénétration de l’humidité et des ions chlorure ainsi que pour contrôler l’initiation et la propagation de la réaction de corrosion. Ainsi, l’impact de l’utilisation de scellants non coupe-vapeur, de membranes et de produits inhibiteurs de corrosion (migrateur et adjuvant) a été étudié. Les différents traitements ont été testés sur des corps d’épreuve pré-conditionnés de manière à présenter quatre niveaux de contamination et de détérioration : état vierge non corrodé, état contaminé par les ions chlorure mais non corrodé, état de corrosion initiée et état de propagation de la corrosion. Un des objectifs spécifiques de cette étude était d’évaluer l’influence des différents traitements sur l’évolution de facteurs comme la distribution interne de l’humidité relative, la distribution des ions chlorure ainsi que l’activité de corrosion. Pour ce faire, 51 dalles de béton armé ont été fabriquées et exposées à des cycles de mouillage (brouillard salin) et de séchage dans une chambre environnementale. Afin de caractériser l’évolution de l’activité de corrosion propre à chaque condition, un suivi électrochimique des éléments comportant des mesures de potentiel électrochimique et de résistance à la polarisation linéaire a été assuré. À la suite de la période de cyclage dans la chambre de brouillard salin, une autopsie a été pratiqué sur une sélection de corps d’épreuve. Cette opération avait pour but de dégager les barres d’armature de manière à caractériser les zones anodiques.
This study aimed at evaluating the capacity of various protection techniques to extend the service-life of concrete infrastructure affected by reinforcement corrosion. The main objective of this project was to provide quantitative information on the influence of some of the most commonly used strategies in practice to protect reinforced concrete structures against the initiation and propagation of corrosion, respectively non-vapor barrier sealants, waterproofing membranes and corrosion inhibitors products (penetrating and admixture). The various treatments were tested on laboratory-size concrete test slabs pre-conditioned in such a way to exhibit four different stages of contamination and deterioration: virgin, contaminated by chlorides but not corroded, corrosion initiated and corrosion propagating. A specific objective of this study was to evaluate the influence of different treatments on the evolution of various factors such as the internal distribution of relative humidity, the distribution of chlorides and the corrosion activity. Through two successive experimental phases, 51 test slabs were produced and subjected to cycles of wetting (salt spray) and drying in an environmental chamber. In order to monitor the evolution of the corrosion activity for each condition, half-cell potential and linear polarization measurements were carried out on all specimens at regular time intervals. Following the period of cycling in the salt spray chamber, an autopsy was performed on a selection of tested slabs in order to expose the reinforcing steel rebars and allow a characterization of the anodic areas.

Les objectifs de la thèse sont d’étudier l’influence de la pré-fissuration sur le développement de la corrosion des armatures du béton armé, les corrélations entre les pertes de section d’armatures dues à la corrosion et la fissuration du béton d’enrobage en résultant et l'effet de la corrosion sur les propriétés mécaniques des structures en béton armé soumis à un environnement salin. Les essais ont été réalisées pour étudier les différentes propriétés mécaniques comme la résistance à la flexion, la résistance au cisaillement, etc. Le travail expérimental est constitué de deux parties: dans la première partie des petits échantillons annulaires en mortier ont été testés afin d'observer l'effet des fissures sur la corrosion. Les résultats montrent que quelque soit l’ouverture des fissures, la corrosion démarre en fond de fissure et se propage le long de l’interface acier-béton endommagée en fond de fissure par la création de la fissure. Dans la deuxième partie, une étude approfondie a été réalisée sur une poutre en béton armé qui a été corrodée dans un environnement salin pendant 26 ans et une poutre non corrodée de même âge pour mieux comprendre l'effet de la corrosion sur les propriétés mécaniques (flexion, cisaillement , propriétés mécaniques de l’acier corrodé) d’éléments en béton armé. Un nouveau modèle a été proposé pour la relation entre la largeur des fissures de corrosion et la perte de section d'acier
The thesis aims to study the effect of corrosion on the mechanical properties of reinforced concrete reinforced concrete structures in chloride environment. Experiments were carried out in order to investigate the different mechanical properties such as bending strength, shear strength etc. The experimental work consists of two parts; in the first part small annular cement sand mortar samples were tested in order to observe the effect of cracks on corrosion. Results show that cracks whatever their width allows the corrosion onset at bottom of cracks and along the steel-concrete interface damaged zone caused by the creation of cracks. In the second part an extensive study was carried out on a 26-year-old corroded reinforced concrete beam and a non-corroded of same age in order to better understand the effect of corrosion on reinforced concrete members in flexion and shear. Impact of corrosion on the mechanical properties of steel in reinforced concrete was studied. A new model was proposed for the relationship between corrosion cracks width and loss of steel cross-section

Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse de doctorat traitent d’une problématique importante de la durabilité des structures en béton, soit la corrosion des armatures. L’objectif principal de la thèse est de comprendre l’influence de la fissuration du béton de recouvrement sur l’initiation et la propagation de la corrosion. Il s’agit d’un travail expérimental où tous les essais sont réalisés de façon à reproduire du mieux possible les conditions naturelles d’exposition responsables de l’apparition de la corrosion dans le béton armé. Les éprouvettes de béton ont donc été soumises à des cycles de mouillage (solution saline) et de séchage. L’évolution de la corrosion est suivie par des méthodes de mesures électrochimiques non destructives. La nature et la distribution des produits de corrosion formés dans le béton sont analysées pour différents niveaux de propagation de la corrosion. Puisque plusieurs chercheurs utilisent des méthodes accélérées pour faire apparaître la corrosion, des essais ont été réalisés en parallèle afin d’évaluer la fiabilité de ces méthodes. Les résultats montrent des différences importantes sur la distribution des produits de corrosion. Ainsi, un protocole d’essai représentatif de la réalité a été mis au point pour générer la corrosion des armatures dans des éprouvettes de mortier. Une méthodologie précise a aussi été établie afin d’analyser le type et la distribution des oxydes et hydroxydes formés autour des armatures. Une première évaluation de l’initiation et de la propagation de la corrosion a été réalisée sur des bétons sains (non fissurés). Les résultats montrent que l’environnement chimique et la porosité du béton ont une influence sur la nature et la distribution des produits de corrosion. Par la suite, des éprouvettes fissurées artificiellement ont été fabriquées afin de suivre l’initiation et la propagation de la corrosion. La présence d’une fissure dans une éprouvette favorise clairement l’initiation de la corrosion. La magnétite est le principal oxyde qui se forme à l’interface acier / béton. Suivant les périodes de séchage et la présence de fissures, la magnétite se transforme en goéthite et en akaganéite. L’analyse d’éprouvettes chargées mécaniquement comprenant plusieurs fissures a montré que les chargements cycliques ont aussi une influence sur la corrosion des armatures. Cette influence est liée à l’endommagement de l’interface acier / béton qui favorise la propagation de la corrosion et qui modifie la nature et la distribution des produits de corrosion.
The work conducted in this thesis concerns reinforced steel corrosion, which is one of the most important problems affecting the durability of reinforced concrete structures. The principal objective of the thesis is to understand the influence of concrete cracking on corrosion initiation and propagation. This thesis presents experimental work where all tests are done in order to better represent real exposure conditions. Concrete samples are submitted to wetting (saline solution) and drying cycles. The evolution of corrosion of the reinforcement is followed using non-destructives electrochemical techniques. The nature and distribution of the corrosion products formed in concrete are analyzed at different level of corrosion. Since researchers often use accelerated techniques to initiate corrosion, a supplemental test campaign have been done in order to evaluate the reliability of these accelerated techniques. The results show some important differences on the nature and distribution of corrosion products. Subsequently, an experimental protocol representing natural exposure conditions has been set up in order to generate reinforced steel corrosion in mortar. A precise methodology for analyzing the nature and the distribution of corrosion products has also been followed. A first evaluation of corrosion initiation and propagation has been done on uncracked mortars. The results show that the chemical environment and the porosity of concrete have significant influence on the nature and the distribution of corrosion products. Artificially cracked specimens were also prepared to understand the influence of cracks on corrosion initiation and propagation. Results show that the presence of a crack increases the probability of corrosion initiation. The magnetite is the main oxide formed at the steel / concrete interface. Following wetting and drying cycles, the magnetite changes in goethite and akaganeite. Results from loaded and multi-cracked specimen show that cyclic loading also have some effect on corrosion kinetic. This influence seems to be related to the deterioration of steel / concrete interface, which further promotes corrosion propagation and also modify the nature and distribution of corrosion products.

Plus de 30 000 structures en béton armé ont été installées par Hydro-Québec au cours des 30 dernières années. Ces structures, préfabriquées ou coulées sur place, subissent d'importants problèmes de dégradation avec le temps. La pression hydrostatique constante du sous-sol accélère l'infiltration de l'eau, parfois saturée de sels de déglaçage, dans le béton. L'eau réagit avec les armatures d'acier qui se corrodent prématurément. La corrosion des armatures cause ensuite la fissuration prématurée du béton ce qui augmente de débit l'infiltration d'eau, etc.. Le problème peut être résolu en remplaçant l'armature en acier par de l'armature non corrodable en matériaux composites, telles que les barres en polymères renforcés de fibres de verre (PRFV). Ce mémoire présente un résumé des normes canadiennes en vigueur qui régissent l'utilisation des matériaux composites. De plus, une revue de la littérature est effectuée pour le poinçonnement des dalles conventionnelles et renforcées de PRFV. La conception préliminaire des dalles sous charges pondérées et de service est ensuite effectuée pour les chambres renforcées d'acier et de PRFV. Il est démontré lors de la conception préliminaire que les deux types de chambres (renforcées en acier et en PRFV) comportent certains manques sous charges pondérées. Ces manques peuvent être simplement réglés apportant des modifications mineures au ferraillage. Trois types d'essais expérimentaux sont effectués sur huit spécimens de taille réelle. L'essai de compression simule les charges verticales (la pression des terres, le trafic, le camion de tirage, etc.). L'essai de traction avec poulies simule un tirage de câbles sur les murs, le plancher et le plafond. L'essai de traction direct simule le tirage de câbles sur un seul ancrage. L'essai de compression démontre que pour les chambres renforcées de PRFV avec coulis cimentaire entre les pièces, les déformations sur les armatures et sur le béton, les déplacements et la fissuration des chambres sont adéquats pour des charges de service et pondérées selon le devis de performance proposé par Hydro-Québec. L'essai de tirage avec poulies se termine chaque fois avec la rupture de la soudure de l'anneau au plancher. Pour toutes les chambres, les déformations sur les armatures et sur le béton, les déplacements et la fissuration sont adéquats selon le devis de performance proposé. L'essai de tirage direct se termine par la rupture en poinçonnement du mur. Pour toutes les chambres, les déformations sur les armatures et sur le béton, les déplacements et la fissuration sont adéquats selon le devis de performance proposé. De plus les équations de poinçonnement de la norme S806-12 sont toujours conservatrices par rapport aux valeurs expérimentales obtenues.

Ce travail de thèse propose une méthode de requalification d'éléments en béton armé corrodés. Dans un premier temps, la formulation d'un Elément Fini permettant la modélisation du comportement mécanique du béton armé fissuré, qui considère explicitement l'effet raidissant du béton tendu et les conditions d'adhérence acier-béton, est établi. Son domaine d'application est ensuite étendu au cas de structures dégradées par corrosion des armatures, à travers la prise en compte des effets de perte de section et de dégradation de l'adhérence acier-béton dus à la corrosion, dans la modélisation précédente. Enfin, ce modèle associé à une relation empirique reliant l'ouverture de fissure de corrosion au paramètre de perte de section locale constitue la base d'un nouvel outil de diagnostic qui permet de prédire le comportement en service de l'élément en béton armé dégradé
This work of research proposes a method of requalification of corroded reinforced concrete elements. Initially, a Finite Element modeling the reinforced concrete mechanical behavior, which considers explicitly the concrete tension stiffening and the steel-concrete bond conditions, is established. Its application field is then extended to the case of structures damaged by reinforcement corrosion, through the taking into account of the corrosion effects of steel cross-section loss and steel-concrete bond degradation. Lastly, this model associated with an empirical relation connecting the corrosion crack width to the parameter of steel cross-section, constitutes the base of a new tool for diagnosis which allows to predict the behavior in service of the damaged reinforced concrete element

La protection cathodique par courant imposé (PCCI) est l’une des techniques adoptées pour limiter ou annihiler la corrosion dans le béton armé. Le but de cette thèse est de développer des revêtements suffisamment conducteurs et autonomes pour s’affranchir de l’utilisation des anodes primaires métalliques lors de la PCCI. Ce mémoire est formé de quatre parties principales :I. La première partie résume la recherche bibliographique réalisée. II. Cette partie sera consacrée à la formulation des revêtements électro-conducteurs par dispersion des poudres-pigmentaires conductrices (métallique ou carbone) dans une résine acrylique ou polyuréthane. III. L’efficacité des revêtements électro-conducteurs en tant qu’anode autonome est étudiée dans cette partie. IV. La dernière partie présente des essais de PCCI réalisés en continu pendant 6 mois sur des dallettes corrodées. Des spécimens témoins non corrodés sont aussi placés dans le même environnement sans protection cathodique
Impressed Current Cathodic Protection (ICPP) is one of the electrochemical techniques applied to limit or annihilate corrosion. The aim of this thesis is to develop sufficiently conductive and autonomous coatings to overcome the use of primary anodes during ICPP. This thesis is based on four main parts:I. The first part summarizes a bibliographic review of corrosion in reinforced concrete. II. This part will focus on the formulation of electroconductive coatings by mixing conductive powders (metallic or carbon) with an acrylic or polyurethane resin. III. The effectiveness of electroconductive coatings as an autonomous anode is studied in this section. IV. The last part presents ICCP tests carried out continuously for 6 months on corroded slabs. Non-corroded specimens are also placed in the same environment without cathodic protection in order to make a comparative analysis

Une des causes majeures responsables de la perte de performance des ouvrages en béton armé (fissuration excessive, perte de capacité portante) peut être imputée à la corrosion des armatures présentes dans les éléments structuraux. Ce phénomène est susceptible de se développer soit par carbonatation, soit par pénétration des ions chlorures par le béton d'enrobage. C'est alors que des produits de corrosion apparaissent et génèrent des contraintes de traction qui, dès dépassement de la résistance en traction, favorisent l'apparition de fissures. D'un point de vue pratique, dès que les premières fissures sont remarquées à la surface du béton, la corrosion a généralement atteint un stade avancée et des actions de maintenance doivent être envisagées. Cela entraînent d'importants coûts évitables si une prédiction satisfaisante avait pu être réalisée. Cette étude vise à apporter des éléments de réponse à cette problématique. Deux objectifs essentiels sont considérés dans ces travaux de thèse : le premier consiste à proposer des lois de comportement robuste et satisfaisantes permettant de bien décrire le comportement des éléments de structure existants et le second vise à introduire une méthode probabiliste permettant d'actuali ser les paramètres des deux modèles sur la base de l'information disponible sur le terrain. Un cadre constitutif générique couplant élasticité, endommagement isotrope et glissement interne, thermodynamiquement admissible, est pour cela développé. Cette classe de modèles est particularisée au cas de l'interface acier/béton en présence de corrosion et au cas du béton. Ces dernières peuvent être utilisées non seulement sous chargement monotone mais aussi sous chargement cyclique. Les lois proposées permettent de prendre en compte les effets hystérétiques, les déformations permanentes et l'effet unilatéral. En outre, ces dernières ont été validées sur différents cas tests. Des versions multifibres des lois précédemment mentionnées ont également été développées pour offrir à l'ingénieur des modèles simplifiés. Une prise en compte du caractère imparfait de l'interface acier/béton au sein du formalisme multifibre est notamment considérée. L'étape d'identification des paramètres mat ériaux n'est pas toujours aisée à réaliser en raison d'une part des incertitudes qui entachent ces derniers et, d'autre part, de la méconnaissance des mécanismes locaux. Ainsi, une méthodologie probabiliste complète permettant d'actualiser les paramètres d'entrée sur la base d'observations extérieures est proposée. Elle s'appuie sur une utilisation conjointe des réseaux bayésiens et de la théorie de la fiabilité. Elle permet ainsi de réduire l'écart entre la prédiction numérique et les mesures réalisées sur le terrain. Ce travail de thèse devrait contribuer à fournir aux gestionnaires d'ouvrage des outils d'aide à la décision leur permettant de mieux gérer leurs ouvrages en béton armé

Abstract : One of the aims of the thesis is to study corrosion development in cracked concrete, in relation to the effect of concrete cover depth, exposure direction, load-induced transverse cracks, defects in the steel-concrete interface under horizontal bars caused by top-casting and self-healing of the transverse cracks. The other aim is to study the mechanical performance of reinforced concrete beams damaged by corrosion accelerated by a climate accelerated method (wetting/drying cycles in salt fog). Two main parts are included in this thesis. The first part discusses corrosion development, including corrosion initiation and propagation, in cracked concrete. The second part discusses the mechanical performance of slender and deep beams damaged by climate accelerated corrosion, in terms of failure mode, yield capacity, ultimate capacity and ultimate deflection. According to the experimental study, it was found that, corrosion always initiated under the load-induced cracks. It should be noted that corrosion initiation is related to appearance of cracks but not crack width. The surface exposure condition is also an important parameter influencing corrosion development. Top-tensioned surface is the worst exposure condition, because corrosion development was accelerated by both ponding and gravity effect of chloride solution. Furthermore, top-casting-induced defects formed in steel-concrete interface under horizontal top-cast bars due to bleeding, segregation and settlement of fresh concrete, and they were favorable for both corrosion initiation and propagation. Self-healing occurred when the cracked samples were cured in a humidity room with 100% R.H due to the formation of ettringite in the inner zone and calcite in the outer zone of crack planes. Self-healing reduced air flow through the cracks and reduced the risk of corrosion considerably. The flexural performances of slender beams were tested. Corrosion of the reinforcements modified the failure mode of reinforced concrete beams. Both yield and ultimate capacity were correlated to the maximum cross-sectional loss of tensile bars. The experimental results indicated that 1% reduction in cross-section corresponds to 1% reduction in yielding capacity and ultimate capacity. For mechanical performance of deep beams, the results show that, serious pitting corrosion on the tensile bars changed the failure mode from shear to flexure. The failure mode of corroded deep beams depends not only on span to effective depth ratio and corrosion degree of tensile bars, but also on the corrosion degree of stirrups.
Résumé : Un des objectifs de la thèse est d'étudier le développement de la corrosion dans le béton armé fissuré, en fonction de l’enrobage des armatures, des conditions d’exposition, de l’endommagement de l’interface acier-béton induit par le chargement et des défauts de l'interface acier-béton sous les barres horizontales liés à la mise en œuvre du béton frais en prenant en compte l'auto-cicatrisation des fissures transversales. L'autre objectif est d'étudier la performance mécanique des poutres en béton armé endommagées par la corrosion naturelle en ambiance agressive (des cycles humifification/séchage en brouillard salin). Deux parties principales constituent cette thèse. La première partie traite du développement de la corrosion, à la fois initiation et propagation, dans le béton armé en présence de fissures. La deuxième partie traite de la performance mécanique des poutres longues et courtes endommagés par la corrosion des armatures, en termes de mode de défaillance, seuil de plastification, capacité ultime résiduelle et flèche ultime à rupture. Les résultats de l'étude expérimentale confirment que la corrosion est toujours initiée dans les fissures induites par le chargement. Il convient de noter que la corrosion est liée à la présence des fissures mais pas à leur largeur. Les conditions d'exposition sont également un paramètre important influençant le développement de la corrosion. Ainsi, une surface tendue correspondant à la surface supérieure est la pire condition d'exposition, parce que le développement de la corrosion est accéléré par les effets de l’accumulation des chlorures ainsi que l’effet gravitaire favorisant leur pénétration. En outre, les dommages induits par le “top-cast effect” qui sont formés à l'interface acier-béton sous les barres horizontales par le ressuage et le tassement du béton frais, sont favorables à la fois à la l’initiation et à la propagation de la corrosion. Le phénomène d’auto-cicatrisation des fissures survient lorsque les échantillons fissurés sont conservés à 100% d'humidité relative en raison de la formation d'ettringite dans la zone intérieure et de la calcite dans la zone extérieure du plan de fissuration. L’auto-cicatrisation réduit le débit d'air à travers les fissures et réduit considérablement le risque de corrosion. Les performances en flexion de poutres longues ont été testées. La corrosion des armatures modifie le mode de défaillance des poutres en béton armé. La diminution de la charge de plastification et de la capacité ultime a été corrélée à la perte de section transversale des barres tendues. Les résultats expérimentaux indiquent qu’une réduction de 1% de la section transversale correspond à une réduction de 1% de la charge de plastification et de la capacité ultime. En ce qui concerne les performances mécaniques des poutres courtes, les résultats montrent qu’une corrosion sévère par piqûres sur les armatures tendues change le mode de défaillance par cisaillement à celui en flexion. Le mode de rupture des poutres courtes corrodées dépend non seulement du ratio entre la portée et la hauteur utile, mais également du degré de corrosion des cadres d’effort tranchant.

La corrosion des aciers dans le béton armé conduit à la formation de produits de corrosion (PdC) qui, outre les pertes de section, génère des contraintes mécaniques à l’interface acier/béton qui mènent, à terme, à la fissuration du béton. Le diagnostic de ce type de dégradation est souvent difficile et limite l’évaluation de l’aptitude au service de l’ouvrage, la prédiction de l’évolution des dégradations et le choix adapté d’une méthode de réparation. L’objectif de cette étude est de préciser et de quantifier les relations entre les dégradations internes dues à la corrosion de l’armature (formation de PdC et fissuration du béton) et les dégradations externes (fissuration du béton).Un programme expérimental a été défini pour appréhender ces mécanismes de dégradations. La corrosion des armatures des corps d'épreuve en béton armé confectionnés dans le cadre de cette étude a été générée de manière artificielle et accélérée en présence d'ions chlorure sous un courant imposé en considérant trois densités de courant (50,100 et 200 µA/cm²) et différentes durées.Les caractérisations électrochimiques avant et après corrosion accélérée ont permis de démontrer le passage de la corrosion passive à active des armatures dans le béton à l'échelle macroscopique. L'analyse au MEB des PdC créés à l’interface acier/béton (échelle microscopique) a montré une hétérogénéité importante de ces PdC autour de l'armature, en termes de répartition et d'épaisseurs (entre 0 et 1584 µm). Cette hétérogénéité peut s'expliquer par l'évolution des zones anodiques et cathodiques étant donné la dissymétrie géométrique des corps d’épreuve, les conditions de l'essai accéléré qui engendrent des environnements différents (gradients d'humidité, d'ions chlorure et d'oxygène) et la nature du matériau béton (granulats, porosité).La fissuration interne (orientation, ouverture et longueur de fissures) et externe (ouverture maximale de fissure) du béton d’enrobage induite par la formation des PdC a été analysée. Les faciès de fissuration internes sont constitués d’une à cinq fissures réparties en trois groupes. Les premier et second groupes rassemblent les fissures horizontales et les fissures verticales progressant des côtés de plus petit enrobage. Le troisième groupe est formé des fissures obliques situées du côté opposé aux fissures horizontales. Les ouvertures de fissures internes sont comprises entre 0,1 et 0,4 mm et leurs longueurs entre 1 et 3 cm. Les ouvertures de fissures externes maximales, localisées sur les faces du faible enrobage, varient entre 0,1 et 0,7 mm.L’effort maximum appliqué durant les essais d’arrachement diminue en fonction du taux de corrosion, mais ces taux se sont révélés trop faibles pour influencer la loi de l’interface acier/béton. Le mécanisme prépondérant de rupture observé est l’éclatement du béton d’enrobage qui est resté inchangé avec le niveau de corrosion.Un scénario de « cause à effet » entre la corrosion de l’armature et la dégradation mécanique du béton a été proposé en prenant en compte l'ensemble des résultats.A partir des nombreuses données expérimentales acquises, deux modèles ont été élaborés. Un premier modèle a été développé pour expliquer l’initiation et le développement de la corrosion des aciers. Les résultats numériques permettent de déterminer l’instant d’amorçage de la corrosion selon la densité de courant.Une deuxième modélisation qui a pour objectif d’analyser le comportement mécanique du béton armé corrodé a été mise en place. Les résultats ont montré que la seule prise en compte des épaisseurs de PdC (donnée d'entrée expérimentale) n'était pas suffisante pour obtenir un résultat numérique en adéquation avec le faciès de fissuration interne obtenu expérimentalement. Dans une seconde étape, la prise en compte de nouvelles répartitions des épaisseurs des PdC a permis d'améliorer la concordance entre les résultats numériques et expérimentaux
Corrosion of steel in reinforced concrete generates iron oxides which induce tensile stresses at the steel/concrete interface leading to the concrete cover cracking and loss of reinforcing bar cross-section. The evaluation of such pathology remains difficult and consequently limits the assessment of the structure serviceability, the knowledge on the degradation evolution, and the choice of a suitable repair method. The aim of this study is to correlate internal degradations (corrosion products formation and concrete cracking) induced by steel corrosion to external degradations (concrete cracking).The experimental program aims to determine these degradation mechanisms. The accelerated corrosion tests are carried out on reinforced concrete specimens in the presence of chloride ions by applying a constant current using three current densities (50,100 and 200 µA/cm²) during different exposure periods.Electrochemical properties of reinforced concrete specimens are determined before and after the accelerated corrosion tests. The quantitative evaluation of the corrosion products at the steel/concrete interface based on SEM observations (microscopic scale) demonstrates an important heterogeneity in the distribution and thicknesses (between 0 and 1584 µm). This heterogeneity can be explained by the evolution of anodic and cathodic zones due to different factors such as the non symmetric geometry of the specimens, the accelerated corrosion test environment (moisture, chloride ions and oxygen gradients), and the characteristics of concrete (aggregates, porosity).The internal (angular position, width, and length of cracks) and external crack patterns (maximum crack width) induced by the formation of corrosion products are analyzed. One to five internal cracks are identified in the internal crack patterns and they are classified in three groups. The first and second groups contain horizontal and vertical cracks which propagate in the direction of the shortest concrete cover. The third group is constituted of oblique cracks which are located in the opposite side of the horizontal cracks. The widths of the internal cracks range between 0.1 to 0.4 mm and their lengths between 1 to 3 cm. The maximum external crack widths are between 0.1 to 0.7 mm and are located on the shortest cover sides of the specimens.The maximum effort applied during the pull-out tests decreases with increasing levels of corrosion. However, the corrosion levels reach during the tests are too low to affect the steel/concrete interface behavior. The failure mode identified during the testing is concrete splitting failure regardless the corrosion level. A cause/effect scenario is proposed between steel corrosion and the mechanical induced degradation considering all experimental results.Based on experimental results, two models are proposed. The first one is developed to explain corrosion initiation and propagation. This model is able to determine the corrosion initiation time for each current density.The second model analyses the concrete cover mechanical behavior. The numerical results show that taking into account only the thickness of corrosion products (as an experimental input) does not generate a numerical cracking pattern similar to the experimental one. Then, complementary calculations considering a different distribution of the corrosion product’s thicknesses allow enhancing the agreement between experimental and numerical results

L'objectif principal du travail présenté est la compréhension de la relation liant le flux de chlorures mesuré expérimentalement en régime stationnaire lors d'un essai de diffusion-migration à travers un échantillon de mortier, à la valeur de courant associé. Une approche expérimentale, basée sur un protocole d'essai spécifique, a permis de comparer les courbes de chrono-ampérométries obtenues lors d'essais de diffusion-migration pour des mortiers d'épaisseurs différentes préparés à partir de différents dosages en eau. Tous les essais ont montré que la densité surfacique de courant évoluait en deux phases après ajout d'une solution contenant le chlorure de sodium : 1. Une diminution malgré la présence d'une solution plus conductrice. 2. Une augmentation, malgré un flux constant, d'autant plus importante que les pores sont d'un rayon moyen plus important. Un protocole de mesure de l'impédance électro-chimique des échantillons soumis au test de diffusion-migration a fait apparaître une modification des caractéristiques électriques de ces derniers lors des polarisations en présence de chlorures de sodium. La mesure d'impédance électrochimique du matériau a permis d'accéder au taux de surface d'échange solide-liquide. Ces observations ont conduit au développement d'un modèle théorique nouveau qui permet le calcul d'un coefficient de diffusion apparent en prenant en considération les phénomènes de double couche à l'interface solide-solution, la géométrie de la matrice poreuse, les interactions ioniques, et les cinétiques de réactions hétérogènes. La confrontation des résultats théoriques aux mesures expérimentales valide les hypothèses retenues dans le modèle et souligne la prépondérance des effets électro-capillaires sur la valeur de ce coefficient de diffusion apparent.

Le béton armé est un matériau composite constitué de béton et d'acier qui allie la résistance à la compression du béton à la résistance à la traction de l'acier. De plus, c'est un matériau capable de s'adapter aux formes les plus diverses, grâce à sa facilité de mise en œuvre. Un des axes de recherche pour le béton armé est l'étude de toutes les sources possibles de défaillances potentielles de la structure, afin de les comprendre et de les éliminer, ou de les diminuer et de les contrôler efficacement jusqu'à une certaine limite de sécurité. Parmi ces défaillances, la liaison entre l'acier et le béton est un phénomène central qui peut déterminer les modes de rupture d'un élément structurel, et c'est cela qui a conduit à nos études. L'objectif de cette thèse est donc d'étudier le comportement de l'interface acier-béton sous différents effets tels que: la corrosion, la rugosité, le confinement. On présente dans ce travail un nouvel essai, nommé essai PIAF, en vue d’étudier le comportement de l’interface acier - béton en l’absence de confinement dû à la fois à la géométrie (séchage) et aux conditions aux limites dans l’essai d’arrachement classique. L’essai PIAF permet de mieux comprendre l’influence d’une étreinte latérale et le comportement de l’interface. Pendant l’essai, les champs de déplacement ont été mesurés par corrélation d’images numériques à l’aide du logiciel CORRELILMT. Un modèle de comportement mécanique de l’interface a été développé et identifié. Les résultats numériques implantés dans le code Castem 2000 sont comparés avec ceux obtenus par les expériences en vue de valider le modèle proposé
Reinforced concrete is a composite material consisting of concrete and steel which combines the compressive strength of concrete at the tensile strength of steel. In addition, this is a material which is adaptable to many different forms, thanks to its facility of implementation. One axis of research for reinforced concrete is studying all possible sources of potential failures of the structure to understand and eliminate or reduce them and control effectively them with a certain limit security. Among these failures, the bond between steel and concrete is a central phenomenon which can determine the failure modes of a structural element, and leads therefore to our studies. The objective of this thesis is studying the behavior of steel-concrete interface under various effects such as corrosion, roughness, containment. We present in this work a new test, named PIAF test, in order to study the steel - concrete interface behavior in the absence of the effects of confinement due to the both geometry (shrinkage) and to the boundary conditions arising in the classical test. PIAF test allows to better understand the influence of the lateral confinement and the interface behavior. During PIAF test, the displacement fields can be determined by using digital image correlation CORRELILMT. A mechanical model for the interface has been developed and identified. The numerical results obtained by Finite Element Method (Castem Code 2000) are compared with the ones obtained by experimental measurments in order to validate the proposed model

Le sujet de la thèse est le rôle de la qualité de l'interface acier-béton sur la corrosion des armatures en acier. La qualité de l'interface est abordée selon deux aspects : mise en place et mécanique. Dans le cas de la mise en place, ce sont les défauts dus au ressuage et au tassement du béton frais qui sont étudiées. Pour ce qui est de l'aspect mécanique, un endommagement est créé par glissement contrôlé au cours d'un essai d'arrachement. La corrosion est ensuite étudiée par la mesure de la résistance de polarisation et par spectroscopie d'impédance. Les performances du béton ordinaire et autoplaçant sont également comparées
The subject of the thesis is the role of interface reinforcement-concrete on the corrosion of steel reinforcement. Two aspects of the defects of interface quality were analyzed: non-uniformity of fresh concrete and loading. For the former the defects due to bleeding and settlement were studied and for the latter the defects were created by controlled pull-out of reinforcement. The corrosion of reinforcement was measured by the polarisation resistance and electrochemical impedance spectroscopy. The performances of ordinary and self-compacting concrete were compared

La corrosion des aciers d’armatures résultant de la pénétration des ions chlorure est un problème important qui réduit de manière significative la durée de vie des structures en béton armé exposées à un environnement maritime ou à des sels de déglaçage. Ce mémoire présente une étude de l’initiation de la corrosion sur des éprouvettes de mortier armé ainsi qu’une étude du comportement de barres d’armature corrodées. L’objectif général des travaux de maîtrise était d’étudier l’influence réelle de la minéralogie du ciment sur les mécanismes d’initiation de la corrosion des armatures. En plus de contribuer à l’élaboration d’un outil de prédiction de la durée de vie des ouvrages en béton armé exposés à la pénétration des ions chlorure, ce projet a permis de générer des informations permettant aux ingénieurs de la pratique et aux gestionnaires d’ouvrages d’optimiser la formulation des bétons et d’améliorer la durabilité des structures. Le projet était séparé en deux parties. La première partie portait sur l’identification d’une concentration seuil en ions chlorure requise pour initier la corrosion. Les éprouvettes de mortier ont été soumises à des conditions d’expositions contrôlées (cycles de mouillage-séchage). L’évolution de la corrosion a été suivie par des méthodes électrochimiques non-destructives. Les différents facteurs à l’étude ont été le rapport eau sur ciment (e/c), la minéralogie du ciment et le type de préparation des barres d’armature. Les résultats de l’étude de la pénétration des ions chlorure dans les matériaux cimentaires et de sa conséquence sur l’initiation de la corrosion sont présentés. La deuxième partie du projet était d’étudier l’effet de la corrosion sur les propriétés mécaniques des armatures. Les résultats de la mise en traction de barres ayant des degrés de corrosion spécifiques sont également présentés. Selon les résultats obtenus, une diminution du rapport e/c et une augmentation de la teneur en C3A ont été deux facteurs favorisant un temps d’initiation de la corrosion plus élevé. De plus, les barres préparées au jet de sable ont offert une meilleure résistance à la corrosion que les barres brossées. En outre, le temps de fissuration des éprouvettes semblaient être indépendant du rapport e/c et de la minéralogie (teneur en C3A). La concentration critique en ions chlorure totaux requise pour initier la corrosion, trouvée au cours de l’étude, a été d’environ 0,3 % en masse de mortier sec ou 1,2 % en masse de ciment. Cette concentration seuil a pu être évaluée avec précision à l’aide d’éprouvettes avec et sans barres. De plus, la concentration critique a semblé indépendante de la teneur en C3A, du type de préparation de barres (brossé ou préparé au jet de sable) et du rapport e/c.
Chloride-induced corrosion of steel reinforcement is an important issue that greatly decreases the service life of all concrete structures exposed to marine environments or de-icing salts. This study analysed the phenomenon of corrosion initiation on reinforced mortar specimens and the behavior of several corroded reinforcing bars. The main objective of the study was to observe the actual influence of cement mineralogy on the various mechanisms of corrosion initiation on steel reinforcement. Contributing to the elaboration of a tool that will be able to predict the service life of a reinforced concrete structures exposed to chlorides, this research also allowed to put forward new information for the civil engineering community, helping engineers and owners optimizing concrete formulations, and improving the durability of concrete constructions. The project was divided in two parts. The first one is aimed at isolating a threshold concentration of chloride-ions that would initiate corrosion. The mortar specimens were exposed to chloride-ions in a controlled environment, by chloride ponding, and the evolution of corrosion was observed with non-destructive electrochemical measurements. Different factors were taken into consideration during these tests: the water/cement ratio, the cement mineralogy, and the various type of reinforcing bars preparation. Going trough this paper, you will learn about the consequences that come from the variation of these factors on the corrosion initiation. The second part of the project studied the effects of corrosion on the mechanical properties of steel reinforcement. The data that resulted from the traction tests, on the bars, at different corrosion levels, are also presented in this document. According to the results of the study, reducing the water/cement ratio and increasing the C3A content led to a longer corrosion initiation time. As for the cracking time of the different mortar specimens, it appeared to be independent from these two factors. Moreover, sandblasted bars were found to be a lot more resistant to corrosion than the brushed bars. In the end, the critical concentration of chloride-ions was found to be around 0.3% by weight of dry mortar or 1.2% by weight of cement. This threshold value was precisely evaluated studying different specimens with and without bars. Furthermore, this threshold value seems independent of the concentration of C3A, the type of bar preparation or the water/cement ratio.

L'experimentation est conduite sur des poutres de beton arme de grandes dimensions, conservees sous charge dans des ambiances agressives: brouillard salin ou atmosphere enrichie en gaz carbonique. L'etat des armatures est suivi periodiquement a l'aide de mesures du potentiel electrochimique (non destructives). Les evolutions de l'endommagement macroscopique et microscopique du beton, de la profondeur de carbonatation et de la penetration des chlorures sont egalement determinees. L'ensemble des observations permet de proposer un modele quadriphasique du processus de corrosion qui prend en compte l'influence de la fissuration de service. La premiere phase dite d'incubation correspond a la penetration des agents agressifs le long des fissures, jusqu'aux armatures. La phase d'initiation debute alors et se traduit par une corrosion localisee en fond de fissures. Lorsque les oxydes formes obstruent le fond des fissures, la corrosion est fortement ralentie: c'est la phase dormante. Durant cette phase, les agents agressifs continuent de penetrer a travers le beton d'enrobage et, lorsque le seuil critique de depassivation est atteint au niveau des armatures, commence la phase de propagation. La corrosion se developpe, conduisant a une fissuration secondaire ramifiee qui contribue a accelerer le phenomene. L'influence du beton d'enrobage est nettement mise en evidence alors que l'ouverture des fissures primaires, qui n'excede pas 0,5 mm dans les poutres experimentees, n'a pas un role determinant. En revanche, l'endommagement des interfaces pate-granulat accelere la penetration des agents agressifs dans les zones tendues des poutres. La comparaison entre les deux ambiances indique que le brouillard salin est plus agressif que l'atmosphere carbonique. De ce fait, le principal parametre a prendre en compte dans la reglementation ne devrait pas etre la seule epaisseur d'enrobage mais un enrobage equivalent integrant le niveau de sollicitation, l'agressivite du milieu et la position des armatures

La corrosion des armatures est l’une des causes principales de la diminution de la performance structurale des ouvrages en béton armé au cours du temps. La littérature fait clairement état d’un nombre très limité d’études expérimentales, visant à caractériser le comportement dynamique des ouvrages en béton armé atteints de corrosion en considérant des sollicitions de nature dynamique.Pour pallier les manques relevés dans les études expérimentales antérieures, une campagne d'essai est conduite sur des poutres en béton armé de grande échelle. Ces poutres corrodées avec une technique de corrosion accélérée sont soumises à des chargements de nature quasi-statique aussi bien que dynamique.À partir des résultats expérimentaux dynamiques et quasi-statiques, l’évaluation de certaines grandeurs d’intérêt, notamment la capacité portante, la ductilité, la capacité hystérétique, les fréquences propres et les coefficients d’amortissement, est réalisée. Dès lors, l’effet de la corrosion sur ces différentes grandeurs est relevé, la comparaison entre les conclusions issues d’essais dynamiques et celles issues d’essais quasi-statiques est établie.Afin de capitaliser les résultats issus de la campagne d’essai, un modèle numérique est développé. Ce modèle multifibre, à faible coût de calcul, intègre certains effets de la pathologie de corrosion, notamment la réduction localisée de la section utile des barres corrodées, la dégradation des propriétés mécaniques de l'acier et l'état de fissuration du béton d'enrobage. Une étude de sensibilité du modèle développé à ces différentes composantes a été réalisée, en comparaison avec les résultats d’essais expérimentaux
Reinforcement corrosion is one of the main causes of the decrease in the structural performance of reinforced concrete (RC) structures over time. The literature clearly reports a very limited number of experimental studies aimed at characterizing the dynamic behavior of corroded RC structures by the means of dynamic loadings.To improve the state of knowledge in terms of dynamic behavior of corroded RC structures, an experimental campaign is conducted on large-scale RC beams. These beams are corroded using an accelerated corrosion technique and subjected to quasi-static as well as dynamic loadings.From the experimental results, the evaluation of certain quantities of interest, in particular the bearing capacity, the ductility, the hysteretic capacity, the natural frequencies and the damping ratios, is carried out. Therefore, the effect of corrosion on these different quantities is revealed and the comparison between the conclusions drawn by dynamic and quasi-static tests is established.In order to capitalize the experimental campaign results, a numerical model is developed. This multifiber model, with a low computational cost, integrates certain effects of corrosion pathology, in particular the localized reduction of the corroded bars section, the degradation of the mechanical properties of the steel and the concrete cover cracking. A sensitivity study of the developed model to these different components was carried out, in comparison with the experimental results

Ce travail porte sur l'étude du comportement mécanique des structures en béton armé dégradé par la corrosion. Le premier chapitre traite des aspects physico-chimiques de la corrosion et de son influence sur le comportement mécanique des structures. Dans le second chapitre, les modèles pour l'acier et le béton sont présentés ainsi que les éléments d'interface : éléments classiques de contact et un élément que nous avons mis au point, l'élément "rouille". Les troisième et quatrième chapitres valident l'élément "rouille" sur des essais conventionnels d'adhérence et sur deux études expérimentales de poutres fléchies. Le chapitre cinq présente les résultats d'une campagne expérimentale que nous avons effectuée sur l'influence de l'adhérence. L'adhérence des poutres a été supprimée en entourant les armatures tendues de gaines en plastique. Enfin, dans le chapitre six, nous avons effectué des simulations de poutres en modifiant la taille, la position et l'intensité de la zone corrodée.

Dans les ouvrages du Génie Civil, l'acier est couvert par un film protecteur constitué d'oxydes de fer. Une pénétration des agents agressifs externes peut déstabiliser ce film et provoquer l'initiation de la corrosion. Lorsque la couche des oxydes s'épaissit du fait de la corrosion métallique une réduction de la section d'acier, une perte de ductilité, une perte d'adhérence ou une fissuration du béton peuvent se produire. La capacité portante diminue et le mécanisme de ruine des éléments d'ouvrage peut changer. Le besoin est alors de comprendre des mécanismes de la corrosion afin de réaliser une ré-évaluation de la durée de vie des ouvrages en béton armé soumis à la corrosion
In the reinforced concrete structures, by nature, the reinforcing steel is covered with a protective film consisted of iron oxides. Penetration of aggressive externat agents can destabilize the film and initiale corrosion. When the layer of corrosion products grows around of the steel, loss of the rebat cross-section which is transformed into rust, decrease of rebat ductility, cracking and delamination of the concrete and loss of bond between concrete and reinforcement can be observed. The mechanical load capacity decreases and the ruin mechanism of concrete structures can change. The necessity is Io understand phenomena due to corrosion in order to perform a re-evaluation of the service lifetime of the reinforced concrete structures attacked by the corrosion

L’utilisation de ressources locales est une des facettes importantes du développement durable pour le secteur de la construction. Plusieurs types de sous-produits sont aujourd’hui à l’étude pour une utilisation dans les bétons en tant qu’addition cimentaire alternative, dans le but de développer des liants basés sur des ressources alternatives. La présente étude cherche à évaluer les performances de quatre types de sous-produits sur les propriétés des bétons armés vis-à-vis de la corrosion. La poudre de verre, les cendres volantes de papeterie, les cendres de boues d’épuration ou les sédiments calcinés présentent une nature minérale compatible avec un milieu cimentaire. Face à la problématique de corrosion des armatures, le béton constitue à la fois un milieu alcalin favorisant la passivité des aciers et une barrière de transport qui limite la pénétration de contaminants au sein de la matrice cimentaire (principalement les chlorures et le dioxyde de carbone). Les additions cimentaires doivent donc permettre aux aciers de développer un état passif et apporter à l’enrobage une densification afin de limiter la pénétration de contaminants jusqu’aux armatures. Les propriétés électrochimiques d’un acier au contact des additions ont été caractérisées et les propriétés de transfert des bétons face aux chlorures et au dioxyde de carbone ont été étudiées. L’utilisation de ces matériaux n’influe pas particulièrement sur le comportement des aciers. Toutefois, l’enrobage est d’une importance particulière, à la fois vis-à-vis de la pénétration des ions chlorure et du dioxyde de carbone, mais aussi sur la cinétique de corrosion des armatures. La réactivité des additions impacte les propriétés de transfert qui contrôlent aussi bien la cinétique de contamination des bétons que le processus de corrosion d’armatures dépassivées.

L'efficacité de la technique NSM dans la réparation et renforcement des structures est fortement dépendante de la performance d’adhérence entre les joncs de carbone et le béton. De nombreuses études récentes ont été réalisées pour quantifier d’adhérence sur des éprouvettes saines en raison de la complexité de ce problème. Par contre, le comportement des éléments réparés peut être affecté, d’une part, selon les conditions de pré-chargement, et d’autre part, selon l’endommagement spécifique, qui pourraient être rencontrés dans les structures existantes. En effet, un endommagement dans le béton ou dans les armatures peut modifier le comportement global des éléments réparés en réduisant la capacité portante.Tout d’abord, des essais à grande échelle en flexion ont été réalisés pour étudier le comportement des poutres en béton armé. D’une part, différents types d’endommagements ont été considérés tels que la corrosion des aciers et les charges excessives. D’autre part, différentes conditions de pré-chargement incluant les maintiens du chargement à l’heure de la mise en oeuvre de la réparation ont été étudiées. Le comportement de la poutre témoin renforcée se distingue par son côté fragile qui s’accompagne d’une ruine soudaine par pull-out du jonc de carbone de la résine suivie d’éclatement de morceaux de béton dans la zone de béton d’enrobage et d’un écrasement du béton comprimé. Par contre, la ruine de la poutre corrodée et réparée intervient par séparation (délamination) du béton d’enrobage dans la zone tendue au niveau à l’insertion du jonc de carbone, qui a commencé entre deux fissures de flexion dans la zone centrale et s’est propagé vers l’appui. Ensuite, afin de comprendre l’origine du mode de ruine de la poutre corrodée et réparée, et d'étudier le comportement global, la rigidité, la ductilité, le mode de ruine, et la capacité portante, des essais expérimentaux ont été réalisés en faisant varier les paramètres relatifs aux conséquences de la corrosion (perte généralisée de la section d’acier tendu, éclatement du béton d’enrobage, détérioration de l’adhérence acier-béton). Cependant, la ruine par la séparation du béton d’enrobage entre deux fissures adjacentes observé sur la poutre corrodée et réparée n’a jamais été obtenue. Pour nos simulations : La ruine a eu lieu par Pull-out du jonc de carbone. Dans tous les cas, la capacité portante mesurée des poutres endommagées puis réparées était supérieure à celle de la poutre témoin (non-renforcée)Finalement, puisque les structures nécessitant de la réparation par application de matériaux composites ne sont pas de récentes, et par conséquent, qui ont déjà subi un certain nombre d’endommagements dus aux contraintes mécaniques (surcharge maintenue à long-terme, charge accidentelle à court-terme), une partie expérimentale s’est intéressée à l'utilisation des joncs de carbone pour la réparation des éléments endommagés par une charge excessive, puis réparés sous ou sans charge maintenue. Un endommagement est capable de réduire légèrement la capacité portante des poutres réparées (moins de 8% par rapport à la poutre témoin renforcée). La réparation des poutres sous charge maintenue a une influence non-significative en diminuant la capacité portante entre 5% et 6% par rapport aux poutres endommagées réparées sans charge maintenue. La ruine des poutres pré-chargées puis réparées a été par l’arrachement du jonc de carbone de la résine « Pull-out » à cause des fissures longitudinales développées dans la résine qui conduit à la perte d'adhérence entre le jonc de carbone et le matériau de scellement en réduisant légèrement leur capacité portante. Par contre, les poutres endommagées par chargement excessif puis réparées ont montré un mode de ruine différent (par écrasement du béton comprimé) mais avec une réduction significative leur capacité portante
The effectiveness of the NSM technique for repairing or strengthening the RC structures is highly dependent on the bond strength behavior between CFRP rods and concrete. Many recent studies have been conducted to evaluate bond strength on undamaged concrete specimens because of the complexity of this problem. On the contrary, the behavior of repaired specimens may be affected, first, by pre-loading conditions, and the other, depending on specific damage that could be encountered in the existing structures. Indeed, damage in concrete or in reinforcement can change the global behavior of repaired elements by reducing the bearing capacity.First, large-scale bending tests were carried out to study the behavior of reinforced concrete beams. On the one hand, various types of damage were considered such as the steel corrosion and excessive loads. On the one hand, different pre-loading conditions including sustaining loads at the time of implementation repair were studied. The behavior of the beam strengthened control is distinguished by its fragile side which is accompanied by sudden failure due to pull-out of the CFRP NSM rod, followed by splitting of concrete pieces in the concrete cover and a crushing of concrete in compressive zone. On the other hand, the failure mode of corroded repaired beam occurred by concrete cover delamination in the tension zone at the level of insertion of CFRP NSM rod that started between two bending cracks in the central area and has spread to the support. Then, in order to understand the origin of the failure mode, global behavior, stiffness, ductility, and bearing capacity of repaired corroded beam, an experimental tests were performed by varying the parameters relating to the consequences of corrosion (such as generalized loss of bottom steel section, concrete cover delamination failure and bond strength failure between concrete and reinforcing steel). However, the failure occurred by the concrete cover delamination between two adjacent bending cracks was never obtained on the repaired corroded beam. For our simulations: The failure was due to pull-out of CFRP rod. In all cases, the bearing capacity measured for repaired damaged beams was greater than that of control beam (non-repaired).Finally, since the structures requiring repair by applying composite materials are not recent, and consequently, number of damages occurred due to mechanical stress (long-term sustained overloading, short term accidental load), an experimental part was interested in the use of CFRP NSM rods to repair of beams damaged by excessive load, and then repaired under or without sustained load. A damage can slightly reduce the bearing capacity of the repaired beams (less than 8% compared to the strengthened control beam). The repair of beams under sustained load has a non-significant effect by reducing the bearing capacity between 5% and 6% compared to the damaged beams repaired without sustained load. The damages of the pre-loaded RC beams repaired with NSM failed by the tearing of the carbon rod "pull-out" due to the longitudinal cracks developed in the epoxy resin volume, which leads to loss of adhesion between the CFRP rod and the sealing material by slightly reducing their bearing capacity. While, the RC beams damaged by overloading which were repaired showed a different mode of failure (crushing of concrete in compression) with also a significant reduction in their ultimate bearing capacity values

La corrosion de l’acier par carbonatation du béton est un phénomène de dégradation majeur des structures en béton armé, qui débute par la dépassivation de l'acier due à l'abaissement du pH de la solution interstitielle, se concrétise par une initiation effective avant de se propager. Nous nous sommes focalisé sur la dépassivation et l'initiation effective. Une large campagne expérimentale a permis de comprendre l'incidence des conditions d'exposition, de la nature des ciments utilisés dans les bétons et des conditions de carbonatation de l'enrobage, sur la dépassivation des armatures et le démarrage effectif de la corrosion. Au total 27 configurations ont été étudiées. Le potentiel libre de corrosion et la résistance de polarisation ont été mesurés au cours de l'expérimentation sur une durée voisine d'une année. Parallèlement, à échéances régulières, les coefficients de Tafel et la masse de produits de corrosion ont été également mesurés. L'ensemble des données a été analysé pour conduire, à partir du calcul des probabilités de bonne ou de mauvaise alarme, aux seuils de détection du démarrage effectif de la corrosion associés aux paramètres électrochimiques ainsi que la masse seuil de produits de corrosion correspondant à cette détection. Alimentée par les résultats des essais de caractérisation des bétons, une simulation numérique par éléments finis du démarrage de la corrosion a été développée permettant de corroborer de façon satisfaisant les résultats expérimentaux
The steel corrosion induced by carbonation is a major cause of degradation of the reinforced concrete structures. Two stages arise: the steel depassivation due to the decrease of pH of the pore solution and the effective initiation, and then the propagation. A wide experimental study was carried out focusing on the first stage, in order to emphasize the effect of the exposure conditions, the type of cement and the concrete mixes, and the carbonation conditions of the concrete cover. In all a set of 27 configurations was investigated. The free potential of corrosion and the resistance of polarization were measured in the course of the experiment during one year. Regularly the Tafel coefficients along with the mass of corrosion products were also measured. The set of data was analyzed in order to derive the detection thresholds of the effective onset of corrosion associated with the electrochemical parameters, from the calculation of the probabilities of good or bad alarm. The threshold of the mass of corrosion products corresponding to this detection was also derived. The tests on concrete probes (porosity, permeability, etc.) supplied data that were used to calibrate a finite element model of the onset of corrosion: this model was found in fairly good agreement with the experimental results

Cette thèse s'inscrit dans le cadre des recherches sur la durabilité des ouvrages de stockage des déchets radioactifs en profondeur. Le travail réalisé est essentiellement expérimental. Une première partie du travail s'intéresse à la corrosion de l'acier à l'état passif en milieu aéré ou désaéré. En effet, la solution interstitielle du béton qui constitue l'électrolyte au contact du métal reste fortement alcaline. Dans ces conditions les aciers du béton armé forment par corrosion une couche d'oxydes stable et protectrice. Cette couche passive limite la corrosion de l'acier à des valeurs très faibles (négligeables sur des durées de vie courtes) mais non nulles. Etant donné la durée de vie pluriséculaire des ouvrages de stockage des déchets nucléaires, il est nécessaire d'étudier l'évolution dans le temps de cette couche d'oxydes sous l'effet d'une part de la corrosion lente de l'acier qui contribue à la faire croître et d'autre part de la dissolution/transformation (lente aussi) des oxydes dans le milieu et qui tend à l'inverse à faire diminuer son épaisseur. La seconde partie du travail s'intéresse à la corrosion des armatures dans le béton carbonaté en phase de propagation. L'originalité de ce travail porte sur la prise en compte de la présence de défauts d'interface acier-béton et sur l'apparition possible de courants de corrosion galvaniques entre différentes zones de ferraillage en fonction des conditions locales d'interface acier-béton et/ou de carbonatation du béton. L'étude de la corrosion à l'état passif a montré la présence d'une nouvelle couche d'oxydes, riche en calcium, formée post-coulage par transformation des oxydes préexistants comme notamment la magnétite sur tous les échantillons quel que soit le milieu de conservation. La présence de défauts d'interface semble augmenter la cinétique de formation de cette nouvelle couche. Malgré cela, les vitesses de corrosion à l'état passif mesurées restent équivalentes avec ou sans défaut d'interface et inférieures à 0,6 ?A/an (0,05 ?A/cm2). En ce qui concerne la corrosion par carbonatation, l'étude montre clairement que les courants de corrosion galvaniques pouvant se développer entre différentes zones de ferraillage peuvent être extrêmement importants notamment en présence de défaut d'interface acier-béton
This thesis aims to study the durability of nuclear waste deep storage structures. The work carried out is essentially an experimental study, and focuses on the corrosion of steel in the passive state with aerated or non-aerated conditions on the one hand, and the corrosion of steel in carbonated concrete during the propagation phase on the other hand. Indeed, the pore solution of concrete in contact with the metal is alkaline (pH between 12 and 13). Under these conditions, steel reinforced concrete remains passive by forming a stable and protective oxide layer (corrosion of steel in the passive state). This passive layer limits the steel corrosion rate at very low values (negligible on a short life time) but not null. For the nuclear waste storage structures due to a very long life time (up to several hundred years), this low corrosion rate can become a risk. Therefore, it is necessary to study the evolution of the oxide layer growth over time. The objectives of the thesis are to study the influence of the steel-concrete interface quality on reinforcement corrosion in passive and active state, and the possible occurrence of galvanic corrosion currents between different reinforcement steel areas. The study of corrosion in the passive state showed the presence of a new oxide layer, rich in calcium, formed post-casting by transformation of initial oxides layer such as magnetite whatever the conservation condition. The presence of interface steel-concrete default increases the kinetics of formation of this new layer. Despite of this, corrosion rates in passive state measured with or without default interface are equivalent and corrosion rates remain less than 0. 6 ?A/year (0. 05 ?A/cm2). The study of corrosion due to concrete carbonation shows clearly that extremely important galvanic corrosion currents can propagate between different reinforcement areas, especially in the presence of interface steel-concrete default

La corrosion des armatures de renforcement des structures en béton représente un enjeu socio-économique majeur. Sa détection et le suivi de son évolution constituent un défi pour la recherche appliquée. Les techniques standards non destructives de détection de corrosion mettent en œuvre des procédés indirects tels la mesure d’impédance, de potentiels, ou par ultrasons. Leurs capacités d’auscultation sont limitées dans l’espace (notamment en profondeur), leur coût reste élevé dans un contexte de maintenance périodique et elles conduisent à des paramètres d’interprétation complexe. Des progrès sont nécessaires dans la détection et l’analyse fiable de la progression des processus de corrosion. Dans ce travail, nous présentons une nouvelle méthode pour détecter la corrosion et le suivi de son évolution, basée sur l’observation directe des changements intervenant à l’interface fer-béton par Capteur à Fibre Optique (CFO). L'attaque par corrosion de la surface de l'armature dépend de plusieurs paramètres électrochimiques (température, pH, carbonatation, présence de chlorures, contamination biologique, etc.). Deux comportements mécaniques à l'interface fer-béton sont distingués. Dans le premier cas (carbonatation), le produit d'oxydation du métal reste à l'interface et augmente la pression interne, pouvant conduire à la fissuration de la couche de béton extérieure. Dans le second cas (piqures), les ions métalliques sont évacués hors de la structure avec comme conséquence une réduction de section des barres d'armature (affaiblissement du renforcement). Un CFO innovant est proposé dans le but de localiser et quantifier les deux types de corrosion précités. Le principe consiste à observer l’impact direct de la corrosion sur l’état de déformation d’une fibre optique préalablement précontrainte par construction. Deux procédés métrologiques sont étudiés : Bragg et réflectométrie fréquentielle (Optical Frequency-Domain Reflectometry - OFDR). Des tests de corrosion accélérée montrent la faisabilité du procédé. Une procédure de fabrication simplifiée et à coût optimisé est proposée pour la surveillance in situ et répartie des structures de génie civil, dans une perspective future de maintenance conditionnée
Corrosion of reinforced bars (rebars) in concrete structures remains a major issue in civil engineering works, being its detection and evolution a challenge for the applied research. Usual non-destructive corrosion detection methods involve impedance, potential or ultra-sonic indirect measurements of complex interpretation. Besides, they are restricted to near-surface examinations and the maintenance cost is still high (scheduled maintenance). Many efforts remain to be done to survey the onset and progression of corrosion processes in a reliable way. In this work, we present a new methodology to detect the onset of corrosion and to monitor its evolution, based on the direct observation of rebar–concrete interface changes by the use of an Optical Fiber Sensor (OFS). The corrosion attack over rebar surface depends on several physical, chemical and electrochemical parameters (temperature, pH, presence of chlorides/CO2, biological contamination, etc.). Two types of mechanical behavior and described. In the first case (carbonation), metal oxidation products stay at the interface and increase internal pressure, potentially leading to a crack of the external concrete layer. In the second case (pitting), metal ions are evacuated out of the structure, leading to a reduction of the rebar section (structural weakness). An innovative sensor design is proposed with the purpose of localizing and quantifying the amount of both corrosion types. The basic principle consists in measuring the impact of corrosion over the state of strain of a prestressed optical fiber. Two metrological techniques are used: Fiber Bragg Grating (FBG) and Optical Frequency-Domain Reflectometry (OFDR). Accelerated corrosion tests were performed in electrolytic solutions for both kinds of corrosion types (pitting and carbonation) and provide a proof-of-concept for the technique. A low-cost, simplified manufacturing procedure is proposed with the aim to provide distributed and in situ Structural Health Monitoring (SHM), suitable for future Condition-Based Maintenance (CBM) of civil engineering concrete structures

L’objectif général du projet est de valider l’existence d’un effet d’échelle liant temps d’initiation de la corrosion à la taille des éléments en béton armé. Dix-huit poutres ont été fabriquées avec les mêmes caractéristiques, soit : la même section transversale, le même gâchage de béton, le même lot d’acier, la même épaisseur de béton de recouvrement et les mêmes conditions de cure. Le seul facteur qui diffère entre les poutres est la longueur. Six poutres ont été construites avec une longueur de 0,60 m, six de 1,80 m et six de 3,00 m. Les éléments ont été exposés à un environnement salin (3% de NaCl) avec des cycles de mouillage de 2,5 jours et de séchage de 4,5 jours. Il a été confirmé que la taille des éléments en béton armé a une influence sur le temps d’initiation de la corrosion. Ce dernier diminue lorsque la taille de l’élément augmente.
The main objective of the study was to validate the existence of a scale effect of the initiation corrosion time related to the size of the reinforced concrete elements. Eighteen beams were poured with the same characteristics: same cross-section, same concrete pouring, same steel batch, same thickness of concrete and same curing conditions. The only difference between the beams was their length. Six beams were built to the length of 0.60 metres, six to 1.80 metres and six to 3.0 meters. The elements were exposed to a saline environment (3% of NaCl) with wetting cycles of 2.5 days and drying cycles of 4.5 days. It was confirmed that in the work conditions of the project, the size of the reinforced concrete elements has an influence on the corrosion initiation time. The initiation time decreases as the size of the element increases.

L'objectif de cette thèse était de définir les paramètres permettant de réhabiliter une structure en béton armé corrodé par la technique d'extraction électrochimique des ions chlore (ECE), et d'expliciter les conditions d'application de cette technique. La ECE a été appliquée sur des éprouvettes soumises à une pollution par une solution artificielle d'eau de mer dans deux conditions (marnage ou immersion). L'influence de plusieurs paramètres a été étudiée (niveau en ions chlore, état de dégradation de l'acier, qualité et épaisseur de l'enrobage). Les résultats ont montré que les caractéristiques du profil initial intervenaient seulement pour des enrobages importants, que la diminution des chlorures à l'interface acier – béton dépendait de l'état de dégradation de l'acier et que la repassivation n'était pas systématique. Le traitement d'ECE appliqué à des éprouvettes présentant des vitesses de corrosion d'acier élevées n'est donc pas suffisant pour garantir une prolongation de leur vie
The objective of this work is to define the parameters, capable of rehabilitating a corroded concrete structure by the Electrochemical Chloride Extraction technique (ECE), and more precisely to clarify the application conditions of this technique. For that, the ECE technique was applied to reinforced concrete specimens before being exposed to an artificial seawater under two conditions (splash and tidal zones). The influence of various parameters was studied (chloride contamination level, state of degradation of rebar, quality and cover depth of concrete). The results demonstrate that, the characteristics of the initial profile intervened only for larger cover depths, the reduction in the chloride content near to steel – concrete interface depends on the degradation of steel and the repassivation was not systematic. The ECE treatment applied to specimens presenting a high steel corrosion rate is not sufficient to guarantee a prolongation of their service life

Certains corps contenus dans les milieux naturels tels que l’atmosphère, peuvent pénétrer dans le béton qui est de nature poreuse. Parmi ces agents agressifs, le dioxyde de carbone de l’atmosphère et les chlorures présents dans les sels de deverglaçage sont les plus courants. Ces agents sont responsables de la corrosion des armatures qui est l’une des principales causes de détérioration des ouvrages en béton armé. Cette corrosion se développe au cours du temps et influe fortement sur la performance des ouvrages tout au long de leur vie. Le caractère aléatoire de la pénétration des agents agressifs et celui des propriétés des matériaux ou des structures introduit de plus un grand nombre d’incertitude. L’étude de l’évolution de la dégradation d’une structure demande donc une analyse qu’il faut développer sur des bases probabilistes. La Théorie de la fiabilité constitue un des outils les mieux adaptés, car elle permet de tenir compte des incertitudes inhérentes aux dimensions géométriques des éléments de structures, aux caractéristiques des matériaux, à celles de l’environnement et à celles des dégradations qui en résultent. L’objectif de cette thèse a ainsi consisté à développer une démarche probabiliste pour obtenir l’évolution de la perte de capacité portante des ponts-routes en béton armé exposés à des environnements agressifs divers. L’étude de cette évolution permet d’estimer les principales étapes ou phases qui caractérisent la performance de la structure (perte de durabilité au niveau du matériau, perte d’aptitude au service et perte de sécurité structurale). Cette étude vise aussi à donner aux gestionnaires d’ouvrages les moyens nécessaires pour estimer et prédire ces principales phases de performance à partir de résultats d’inspection visuelle et aux projeteurs des bureaux d’étude, les outils nécessaires pour obtenir une grille des coefficients partiels de sécurité plus adaptée au recalcul des ouvrages dégradés. L’étude a comporté cinq axes. Un premier axe a porté sur la modélisation de la performance de poutres en béton armé soumises à de la flexion simple, des phénomènes de pénétration des agents agressifs et des étapes de performance. Un deuxième axe a considéré l’incertitude sur les différentes variables : les études de sensibilité ont notamment montré l’influence des diverses variables sur l’évolution de l’indice de fiabilité. Un troisième axe a proposé des éléments quantitatifs capables de fournir aux gestionnaires d’ouvrages les outils nécessaires pour la prédiction des phases de performance d’un ouvrage sur la base de résultats d’inspection visuelle. Le quatrième axe a présenté une méthodologie de calibration des coefficients partiels de sécurité adaptée aux ouvrages en béton armé atteints par la corrosion. Enfin le cinquième axe est consacré à la requalification de la fiabilité par un calcul de probabilité conditionnelle en fonction de résultats d’inspections détaillées

Les inhibiteurs de corrosion sont des substances chimiques utilisées pour limiter la corrosion des armatures du béton. Ce travail de thèse s'intéresse a un inhibiteur de corrosion a base de glycérophosphate de sodium et de lithium, a appliquer a la surface du béton durci et commercialise par la société PAREX LANKO. Outre les produits principaux, constitues des isomères alpha et beta du glycérophosphate, le inhibiteur de corrosion contient des sous-produits de synthèse. Les principaux objectifs de la thèse sont la caractérisation physique et chimique de l'inhibiteur en question, l'étude de ses possibles interactions sur le béton notamment les éventuelles réactions avec la matrice cimentaire, son mode de pénétration et son influence sur les propriétés de transfert mais également l'étude de son efficacité vis-à-vis de la corrosion par des mesures d'électrochimie. L'étude expérimentale de ces différents aspects est synthétisée par une modélisation numérique
Corrosion inhibitors are chemical substances used to decrease the corrosion rate of concrete rebars. This work focuses on a sodium and lithium glycerophosphate based inhibitor, to be applied on the hardened surface of concrete and commercialised by PAREX LANKO. Besides the main products, which are constituted by isomers alpha and beta of glycerophosphates, the commercial product contains by-products of synthesis. The main objectives of the thesis are the physical and chemical characterization of the inhibitor, the study of its possible interaction with concrete especially the eventual reactions with the cement matrix, the type of penetration of the inhibitor through concrete and its influence on the transfer properties as well as its efficiency toward corrosion by means of electrochemical measurements. The experimental study of these different aspects is synthesised thanks to a numerical modelling

La prise en compte du développement des couches de corrosion d'armature dans les calculs de durée de vie d'ouvrage en béton armé nécessite une bonne connaissance des propriétés mécaniques de ces produits. Ce travail est consacré à la caractérisation des propriétés mécaniques de ces couches de produits de corrosion. L'approche adoptée consiste en une identification des propriétés de la microstructure complétée par des calculs d'homogénéisation en élasticité linéaire afin de calculer un comportement mésoscopique des couches de produits de corrosion. L'étude comprend une série de campagnes expérimentales à l'échelle de la microstructure. Des essais de microindentation Vickers analysés par une approche de modèle de mélanges gaussien ont permis l'acquisition de duretés et modules d'élasticité locaux. Une analyse des principaux composants est réalisée par microspectrométrie Raman. L'étude à l'échelle microscopique fournit les informations morphologiques et mécaniques nécessaires aux calculs d'homogénéisation en élasticité linéaire. La première approche a consisté en des calculs d'homogénéisation des milieux aléatoires par des schémas autocohérent et autocohérent généralisé. Dans une deuxième approche, et d'après les hétérogénéités importantes observées pour la microstructure qui ne présente pas de motif régulier, des calculs de modules effectifs ont été réalisés en employant la méthode des éléments finis sur des images 2D prises au microscope optique. Le corpus étant composé d'échantillons de provenances et d'âges divers, leurs microstructures ont été comparées

Les objectifs de la thèse sont l’étude de la phase d’initiation et de propagation de la corrosion des armatures du béton armé en atmosphère saline. La phase d’initiation et le début de la phase de propagation sont étudiés expérimentalement sur des éprouvettes réalisées spécifiquement pour cette thèse et permettant de faire varier la qualité de l’interface armature-béton en évitant les effets de bords. Le suivi du développement de la corrosion est réalisé par mesures électrochimiques à échéances régulières. L’analyse de l’évolution de la résistance de polarisation en fonction du temps a permis de confirmer l’importance de la qualité de l’interface sur l’initiation de la corrosion ainsi que sur la présence de deux étapes distinctes dans la phase de propagation : un développement de piqûres (corrosion locale) qui conduit à une fissuration coïncidentes avec l’armature puis une généralisation de la corrosion (corrosion généralisée puis homogène) liée à la présence des fissures de corrosion. Ce dernier aspect permet un lien avec l’autre partie du travail de thèse qui utilise des éléments de béton armé âgés de 22 ans au début de la thèse et qui se trouvent en phase de propagation depuis de nombreuses années. L’analyse du vieillissement de ces poutres en fonction du temps a permis de confirmer l’existence les deux étapes de la phase de propagation déjà mentionnées ci-dessus : une corrosion locale conduisant à une fissuration du béton d’enrobage pour laquelle existait un modèle reliant la géométrie des fissures (ouverture) au taux de corrosion; une corrosion généralisée puis homogène qui se développe grâce aux fissures existantes et conduit à une augmentation de l’ouverture de ces fissures mais également à la création de nouvelles fissures. Un nouveau modèle permettant de relier le taux de corrosion à la géométrie des fissures a été proposé dans le cadre de la thèse. Ces résultats sont importants car spécifiques à la corrosion naturelle, en effet on ne retrouve pas ces deux phases dans les essais classiques accélérés sous champ électrique. L’existence de ces étapes de la phase de propagation nécessite également la définition de deux stratégies de modélisation du comportement mécanique en service ; c’est à dire la réponse en déplacement des éléments corrodés. En effet, dans la première étape, il y a une perte d’adhérence entre l’armature et le béton qui modifie le comportement mécanique mais la perte de section qui est locale a un effet négligeable. En revanche, dans la seconde étape, la généralisation et l’homogénéisation de la corrosion conduit à un couplage entre la perte d’adhérence et la perte de section. L’expérimentation à rupture d’un élément âgé de 23 ans a permis de confirmer la corrélation entre la perte de section d’acier et la charge de rupture résiduelle. La modélisation du comportement à rupture des ouvrages corrodés est donc simplement liée à la perte maximale de section dans les zones les plus sollicitées. Cependant dans le cadre d’un diagnostic, l’existence des deux étapes de la phase de propagation pose un problème pour connaître le taux de corrosion des structures corrodées. Les expérimentations font également apparaître que durant la phase de propagation de la corrosion, les éléments en béton armé conservent un comportement mécanique satisfaisant par rapport aux prescriptions réglementaires et qu’il serait donc important pour les maîtres d’ouvrages de prendre en compte cette phase de propagation dans la durée de vie des ouvrages corrodés
The thesis aims to study both initiation and propagation phase of steel corrosion in reinforced concrete structures in chloride environment. Experiments were carried out in order to investigate the initiation period and the beginning of the propagation period in relation with the steel-concrete interface quality. Specific high size reinforced concrete members were cast to create various steel-concrete interface qualities and were stored in a saline environment. Polarisation resistance was measured regularly to assess the corrosion rate. Results show firstly the significant influence of the steel-concrete interface condition on corrosion initiation and propagation. In the propagation period, two different phases were observed: In the first phase, pitting corrosion attacks (local corrosion) lead to concrete cracking characterized by small width cracks propagating along the reinforcing bars and in front the pitting attacks. In the second phase, due to the presence of these cracks, the local corrosion turns to a generalised corrosion propagating all along the reinforcing bars and leading to an important increase of the corrosion cracks width. This last point is totally in connection with the other part of the work carried out on large size reinforced concrete beams, which were 22 years old at the beginning of the thesis and in corrosion propagation phase since many years. The investigations performed on these old beams confirm the results obtained on the high size concrete members experiments (i. E. The propagation period divided into two different phases: local and generalised corrosion). A model was already developed in the past allowing predicting the corrosion state of the reinforcing bars from the cracks width during pitting corrosion period. To generalise the model to the whole corrosion process, a new model is proposed in this thesis linking the generalised corrosion in term of steel cross-section reduction to the corrosion cracking geometry and width. These results are important because representatives of the natural process. Indeed, these two different phases in the corrosion propagation period do not exist in usual accelerated tests under electric current. According to this new approach of the corrosion propagation phase, a new model is proposed for the assessment of reinforced concrete structures serviceability versus corrosion. During the pitting corrosion phase, the serviceability of the structural members is only affected by the steel-concrete bond reduction leading to a global deflection increase. At this stage the steel cross-section reductions are so local that they do no affect the global behaviour. Then, in the second propagation phase, the generalisation of the corrosion, which leads to a homogeneous steel loss all along the reinforcing bars, is taken into account as a coupled effect of the cross-section and bond reduction. At last, experiment performed up to failure on one 23 years old beam confirms the direct correlation between the reduction of the bearing capacity and in steel cross-section. Finally, the long term experiments carried out on the old reinforced concrete beams show that reinforced concrete structures can perfectly ensure a good quality of serviceability for a very long time in corrosion propagation period. Regarding the structural performance reduction, results have shown that the propagation period can be as long as the initiation phase in the service life. Therefore, the propagation period should be considered as a normal step in the service life span

Certains corps contenus dans les milieux naturels tels que l'atmosphère, peuvent pénétrer dans le béton qui est de nature poreuse. Parmi ces agents agressifs, le dioxyde de carbone de l'atmosphère et les chlorures présents dans les sels de deverglaçage sont les plus courants. Ces agents sont responsables de la corrosion des armatures qui est l'une des principales causes de détérioration des ouvrages en béton armé. Cette corrosion se développe au cours du temps et influe fortement sur la performance des ouvrages tout au long de leur vie. Le caractère aléatoire de la pénétration des agents agressifs et celui des propriétés des matériaux ou des structures introduit de plus un grand nombre d'incertitude. L'étude de l'évolution de la dégradation d'une structure demande donc une analyse qu'il faut développer sur des bases probabilistes. La Théorie de la fiabilité constitue un des outils les mieux adaptés, car elle permet de tenir compte des incertitudes inhérentes aux dimensions géométriques des éléments de structures, aux caractéristiques des matériaux, à celles de l'environnement et à celles des dégradations qui en résultent. L'objectif de cette thèse a ainsi consisté à développer une démarche probabiliste pour obtenir l'évolution de la perte de capacité portante des ponts-routes en béton armé exposés à des environnements agressifs divers. L'étude de cette évolution permet d'estimer les principales étapes ou phases qui caractérisent la performance de la structure (perte de durabilité au niveau du matériau, perte d'aptitude au service et perte de sécurité structurale). Cette étude vise aussi à donner aux gestionnaires d'ouvrages les moyens nécessaires pour estimer et prédire ces principales phases de performance à partir de résultats d'inspection visuelle et aux projeteurs des bureaux d'étude, les outils nécessaires pour obtenir une grille des coefficients partiels de sécurité plus adaptée au recalcul des ouvrages dégradés. L'étude a comporté cinq axes. Un premier axe a porté sur la modélisation de la performance de poutres en béton armé soumises à de la flexion simple, des phénomènes de pénétration des agents agressifs et des étapes de performance. Un deuxième axe a considéré l'incertitude sur les différentes variables: les études de sensibilité ont notamment montré l'influence des diverses variables sur l'évolution de l'indice de fiabilité. Un troisième axe a proposé des éléments quantitatifs capables de fournir aux gestionnaires d'ouvrages les outils nécessaires pour la prédiction des phases de performance d'un ouvrage sur la base de résultats d'inspection visuelle. Le quatrième axe a présenté une méthodologie de calibration des coefficients partiels de sécurité adaptée aux ouvrages en béton armé atteints par la corrosion. Enfin le cinquième axe est consacré à la requalification de la fiabilité par un calcul de probabilité conditionnelle en fonction de résultats d'inspections détaillées.

Cette thèse a été financée par Electricité de France-Recherche et Développement (EDF R&D). L'objectif est le développement d'une méthodologie pour une meilleure estimation de l'état de corrosion des armatures du béton des aéroréfrigérants, soumis à la carbonatation atmosphérique, sur la base d'une double approche: le radar géophysique (GPR) et la mesure de la résistance de polarisation1. Le GPR peut être utilisé pour la détection rapide des zones présentant un risque élevé de corrosion (détection des contrastes de permittivité). En plus, le GPR est utilisé pour la localisation des armatures d'acier et l'estimation de l'épaisseur d'enrobage. Cette dernière application est très importante pour cette étude. Dans les zones identifiées comme potentiellement corrodées par le GPR, il est proposé d'utiliser la mesure de la résistance de polarisation pour quantifier l'activité de corrosion. Cette étude propose une méthode opérationnelle et originale, adaptée seulement à cette problématique. Après une analyse critique des dispositifs existants pour la mesure sur site de la résistance de polarisation, un nouveau dispositif est proposé. Un modèle numérique de ce dispositif est développé. Sur la base des résultats du modèle, des abaques sont construites afin de remonter aux propriétés électrochimiques de l'acier (potentiel et courant) à partir des valeurs qui sont mesurées à la surface du béton. Le rôle des paramètres influents, physiques (courant injecté, résistivité), géométriques (enrobage, position de la sonde) et électrochimiques (état de l'acier), est examiné en détail. Ensuite, la méthode d'inversion proposée est testée en laboratoire, sur des corps d'épreuve reproduisant les conditions du site2. La fiabilité et l'efficacité du modèle dans son domaine de définition sont démontrées. Les limites et l'incertitude du protocole de mesure sont également abordées. Enfin, un premier protocole opérationnel pour l'utilisation sur site de la technique est proposé
The current thesis is the result of a study funded by Electricité de France -Research and Development (EDF R&D). It aims to develop an original methodology for a better estimation of the state of corrosion of steel reinforced concrete of cooling towers, due to atmospheric carbonation, based on a double approach: the Ground Penetrating Radar (GPR) and the electrochemical measurement of polarization resistance1. GPR can be used for detecting zones with a high risk of corrosion (detection of contrasts of permittivity). In addition, GPR is used for the location of steel rebars and the estimation of concrete cover thickness. On the zones identified by GPR with high risk of corrosion, it is proposed to use the polarization resistance measurement to define quantitatively the corrosion activity. This study proposes an original simple operative measurement mode, adapted only for this particular context. After a critical analysis of the existing devices of the polarization resistance measurement, a novel probe is proposed. A numerical model of this probe is developed. Based on the results of the model, abacuses are built in order to gather the real electrochemical proprieties of the steel reinforcement (potential and current) from those values measured on the concrete surface. The role of the influencing factors i. E. Physical (injected current, resistivity), geometric (concrete cover, probe's position) and electrochemical (state of the reinforcement), are fully investigated. The proposed model is applied in a laboratory environment, by reproducing the real site conditions2. The experimental work proves its feasibility, efficiency and effectiveness (within certain limits) by confirming its theoretical principles and indicating some uncertainties during its application. Finally, a primary operational protocol for the on site utilization of the technique is proposed

Cette thèse a pour objectif d’apporter une meilleure connaissance de la réalcalinisation par deux procédés (courant imposé et anode sacrificielle) pour réhabiliter la corrosion des armatures dans un béton dégradé par carbonatation. Une méthodologie des essais a été dégagée afin, d’une part, d’évaluer l’efficacité et la durabilité des traitements à l’aide de caractérisations électrochimiques (potentiel libre, résistance de polarisation, impédance et densité de courant de corrosion) et de caractérisations analytiques (pH qualitatif, pH quantitatif et dosages d’alcalins) et d’autre part de vérifier les éventuels effets secondaires à l’aide des techniques MEB+EDS, Raman, Porosité Mercure et des essais mécaniques. L’évolution de la nature des produits de corrosion a été étudiée in-situ sur les armatures enrobées dans un micro-béton à l’aide de la Spectroscopie Raman afin de vérifier si un béton réalcalinisé pourrait contribuer à une repassivation des armatures. Enfin, le suivi du chantier du pont Camille De Hogues a fourni des indications lors du traitement d’ouvrage sur site.

Cette étude allie une approche numérique à une approche expérimentale, afin de comprendre les mécanismes de transport ionique dans un béton soumis à un champ électrique externe. L'application concrète de ce travail concerne la réhabilitation des ouvrages en béton armé corrodés par extraction électrochimique des chlorures appelée technique de déchloruration. Le volet modélisation numérique porte sur le développement d'un modèle macroscopique basé sur les équations de base de la thermodynamique des processus irréversibles. Dans le cas d'un milieu poreux saturé (béton), les mouvements ioniques en présence d'un champ électrique externe sont décrits à travers l'équation de Nernst-Planck. Les interactions entre les espèces ioniques dans la solution interstitielle d'une part, et physico-chimiques (sorption et désorption des ions chlore) d'autre part sont prises en compte. Le volet expérimental comporte deux parties. Une première où les échantillons en terre cuite sont utilisés et une seconde partie où des échantillons en béton sont testés. Les essais sur terre cuite ont permis des tester le modèle dans un environnement simplifié (sans interaction physico-chimique (fixation), tandis que, les essais sur béton ont permis la confrontation du modèle à un cas réel. Dans les deux cas, les résultats montrent que le modèle présenté est un outil adapté pour prédire l'évolution des espèces ioniques dans l'échantillon en fonction du temps d'application de l'extraction, ce qui en fait un outil d'optimisation du temps d'application de la technique de déchloruration.

La corrosion des armatures en acier est l'un des mécanismes les plus destructifs pour les structures en béton armé. La corrosion nuit non seulement à l'intégrité structurale et à l’aptitude au service de la structure endommagée, mais peut aussi entraîner des défaillances inattendues ou des ruptures fragiles. Malgré les dispositions rigoureuses de la plupart des codes de pratique pour éviter la corrosion, des signes de dommages dus à la corrosion sont toujours signalés. Récemment, des systèmes à matrice cimentaire renforcée de fibre (MCRF) ont été proposés comme une technique innovante de renforcement/réparation pour les structures en béton afin de surmonter les inconvénients associés à l'utilisation des systèmes de polymères renforcés de fibres (PRF). Bien que l'utilisation de composites MCRF pour renforcer les éléments en béton non endommagés ait prouvé son efficacité, très peu est connu sur la viabilité de leur utilisation pour renforcer les éléments en béton endommagés à divers niveaux dus à la corrosion. De plus, les comportements de post-réparation et la durabilité à long-terme des éléments corrodés et renforcés par les systèmes MCRF et qui seront probablement exposés aux mêmes conditions environnementales qui prévalaient avant leur réparation, n'ont pas retenu l'attention des chercheurs dans la littérature. De plus, la plupart de nos infrastructures, telles que les ponts et garages de stationnement, sont susceptibles d'être endommagées par la corrosion tout en étant soumises à des charges oscillatoires qui provoquent de la fatigue. À ce jour, aucune information n'est disponible sur l'effet de la combinaison de la charge de fatigue et de la corrosion dans les structures renforcées par les systèmes MCRF. Dans ce travail, les comportements monotones et de fatigue en flexion des poutres en béton endommagées par la corrosion et renforcées par des systèmes MCRF ont été étudiés en plus de leur performance à long-terme, c'est-à-dire après une exposition à un environnement corrosif après leur renforcement. Le travail comprend des investigations expérimentales et numériques. Les prédictions analytiques et les formulations théoriques actuellement disponibles dans les codes de conception ont été aussi vérifiées par rapport aux résultats expérimentaux. Le programme expérimental consistait à tester trente (30) poutres en béton à grande échelle de 150 × 250 × 2800 mm. Les poutres ont été construites et testées en configuration de charge à quatre points. Un processus accéléré de corrosion a été utilisé pour corroder les armatures d'acier en traction dans le tiers central des poutres. Les paramètres d'essai comprenaient le niveau de corrosion (représenté par 10, 20 et 30% de perte de masse dans l'acier de traction), le type de système de renforcement utilisé (Polyparaphénylène benzobisoxazole (PBO-MCRF), MCRF de carbone et PRF), la quantité de composites MCRF (1, 2, 3 et 4 couches), le schéma de renforcement MCRF (couches ancrées aux extrémités par rapport aux couches continues sous forme U) et le régime de chargement (monotone et fatigue). Les résultats des tests ont montré que l'utilisation de composites MCRF améliorait significativement le comportement en flexion des poutres corrodées. Les composites MCRF ont contrôlé le mode de défaillance des poutres renforcées plutôt que le niveau de corrosion des barres d'acier. Les poutres renforcées par la MCRF ont montré une augmentation de leurs résistances ultimes variant entre 7 et 65% de celles des poutres vierges (poutres ni corrodées ni renforcées) en fonction du type, de la quantité et du schéma de la MCRF utilisée. L'exposition des poutres réparées par la MCRF à d’autres cycles de corrosion a entraîné une réduction de 23% de la perte de masse de l'acier. Le schéma en U était plus efficace que le schéma d'ancrage aux extrémités à retarder le délaminage des couches de MCRF dans les poutres renforcées et testées à court terme. Il a également atténué l'effet des fissures de corrosion longitudinales et, par conséquent, a augmenté l'efficacité du renforcement MCRF. Les essais de fatigue ont montré que la corrosion des barres d'acier diminuait considérablement la résistance à la fatigue des poutres non renforcées. Le renforcement avec des composites MCRF a augmenté la durée de vie en fatigue des poutres endommagées par la corrosion de 38 à 377% de celle des poutres corrodées non-renforcées. Cependant, le renforcement par MCRF n'a pas restauré la durée de vie en fatigue des poutres vierges. Dans l'étude numérique réalisée dans ce travail, des modèles d'éléments finis (ÉF) tridimensionnels (3D) ont été développés pour simuler le comportement non linéaire des poutres corrodées et renforcées par des composites MCRF et PRF à l'aide du progiciel ATENA-3D. Les résultats de l'analyse numérique étaient en bon accord avec ceux obtenus expérimentalement en termes de modes de défaillance, de déformations, de capacités de charge et de flèches. Les modèles ÉF développés ont été capables de capturer le comportement non-linéaire des poutres testées avec une bonne précision. Une étude paramétrique a ensuite été menée pour étudier l'effet de la résistance à la compression du béton et de l'épaisseur de recouvrement des armatures sur l'efficacité de renforcement des systèmes composites. Il a été observé que la rupture des poutres renforcées par des FRCM était indépendante de la résistance à la compression du béton ou de l'épaisseur de de recouvrement et était régie uniquement par le glissement du tissu dans la matrice. Sur le plan analytique, les équations de conception de l’ACI-549.4R-13 (ACI 2013) ont été évaluées à l'aide des données expérimentales obtenues à partir des tests. Il a été conclu que les formulations théoriques de l’ACI-549.4R-13 peuvent raisonnablement prédire les résistances ultimes des poutres renforcées ancrées à l'extrémité mais sous-estimer celles des poutres ancrées en continu sous forme U. Un facteur de schéma de 1,1 a ensuite été proposé pour calculer la résistance nominale des poutres renforcées par MCRF sous forme U. Le résultat de ce travail a été publié (ou soumis pour publication) dans cinq articles de revues et cinq conférences, comme détaillé tout au long de la thèse.
Corrosion of steel reinforcement is one of the most destructive mechanisms for reinforced concrete (RC) structures. Corrosion not only impairs the structural integrity and the serviceability of the damaged structure, but it may also lead to unexpected and brittle failures. Despite the rigorous provisions of most codes of practice to avoid corrosion, evidences of corrosion damage are still being reported. Recently, fabric-reinforced cementitious matrix (FRCM) systems were proposed as an innovative strengthening/repair technique for RC structures to overcome the drawbacks associated with the use of the well-documented fiber-reinforced polymer (FRP) systems. While the use of FRCM composites to strengthen un-damaged RC members has proven its efficiency, very little is known about the viability of their use to retrofit RC members with various levels of corrosion damage. In addition, the post-repair performance and the long-term durability of the FRCM-strengthened corroded members, which most likely will be exposed to the same environmental conditions that have prevailed prior their repair, have not received attention in the literature. Moreover, most of our infrastructures such as bridges and parking garages are susceptible to corrosion damage while continuously being subjected to oscillatory loads that cause fatigue. To date, no information is available about the effect of combining fatigue loading with corrosion in FRCM-strengthened structures. In this work, the monotonic and fatigue flexural behaviors of corrosion-damaged RC beams strengthened with FRCM systems were investigated in addition to their long-term performance, i.e. after further exposure to corrosive environment following their strengthening. The work includes experimental and numerical investigations. The analytical predictions and theoretical formulations that are currently available in the design codes have been verified against the experimental results. The experimental program consisted of testing thirty (30) large-scale RC beams of 150×250×2800 mm. The beams were constructed and tested under four-point load configuration. An accelerated corrosion process was utilized to corrode the bottom steel reinforcement in the middle third of the test specimens. The test parameters included the level of corrosion damage (represented by 10, 20, and 30% mass loss in the tensile steel), the type of the strengthening system used (Polyparaphenylene benzobisoxazole (PBO-FRCM), C-FRCM, and FRP), the amount of FRCM composites (1, 2, 3, and 4 layers), the FRCM strengthening Scheme (end-anchored versus continuously wrapped layers), and the loading regime (monotonic and fatigue). The test results showed that the use of FRCM composites significantly enhanced the flexural behavior of the corroded beams. FRCM governed the failure mode of the strengthened beams rather than the level of corrosion damage of the steel bars. FRCM-strengthened beams showed an increase in their ultimate strengths that ranged between 7 and 65% of that of the virgin (neither corroded nor strengthened) beam based on the type, amount, and Scheme of the FRCM used. Exposing the repaired beams to post-repair corrosion resulted in 23% reduction in the steel mass loss. The U-wrapped scheme was more efficient than the end-anchoring scheme in delaying the delamination of the FRCM plies in the short-term repaired beams. It also mitigated the effect of the longitudinal corrosion cracks and consequently increased the post-repair strengthening effectiveness of FRCM systems. Fatigue tests showed that corrosion of steel bars dramatically decreased the fatigue life of the unstrengthened-beams. Strengthening with FRCM composites increased the fatigue life of the corrosion-damaged beams by 38 to 377% of that of the corroded-unstrengthened beams. However, FRCM strengthening did not restore the fatigue life of the virgin beams. In the numerical study carried out in this work, three-dimensional finite element (FE) models were developed to simulate the nonlinear behavior of the corroded beams strengthened with FRCM and FRP composites using the software package ATENA-3D. The results of the numerical analysis were in good agreement with those obtained experimentally in terms of failure modes, strains, load-carrying capacities, and deflections. The developed FE models were able to capture the non-linear behavior of the tested beams with good accuracy. A parametric study was then conducted to investigate the effect of concrete compressive strength and thickness of concrete cover on the strengthening effectiveness of the composite systems. It was observed that failure of RCM-strengthened beams was independent of the compressive strength of concrete or the thickness of the concrete cover and was governed only by fabric slippage within the matrix. Analytically, the design equations of ACI-549.4R-13 (ACI 2013) were assessed using the experimental data obtained from the tests. It was concluded that the theoretical formulations of CI-549.4R-13 can reasonably predict the ultimate strengths of the end-anchored strengthened beams but underestimated those of continuously-anchored beams. A scheme factor of 1.1 was then proposed to calculate the nominal strength of beams strengthened with continuously-wrapped shape of FRCM. The outcome of this work has been published (or submitted for publication) in five journal articles and five conferences, as detailed throughout the thesis.

L’objectif des travaux réalisés est de proposer une alternative aux méthodes de déconstruction traditionnelles des ouvrages massifs en béton armé. Le moyen envisagé est d’affecter les structures par deux pathologies connues du béton armé que sont l’attaque sulfatique et la corrosion par les chlorures. Les phénomènes de transport et de réaction sont accélérés par l’application d’un champ électrique externe. Tout d’abord, une étude bibliographique sur les deux espèces agressives nous a permis de développer des essais accélérés. L’approche comportementale des espèces ioniques durant la phase de migration a été réalisée par une modélisation. Un scénario a ensuite été envisagé à partir des résultats obtenus sur les différentes campagnes d’essais accélérés et testé sur des corps d’épreuve de dimensions variées
The objective of the work is to propose an alternative to the traditional techniques of deconstruction of massive structures made of reinforced concrete. The purpose is to attack the structures by two pathologies known to be extremely noxious to reinforced concrete: sulfate attack and chloride corrosion. Transport and reaction phenomena (with the cement matrix and the reinforcement bars) are accelerated by the application of an external electricla field. First a review of the literature on the agressive species (sulfate and chloride) allowed to develop accelerated tests. The transfer of ionic species during the phase of migration was studied by numerical modelling. A scenario of attack, tried on different body sizes, was then proposed from the results of different experimental campaigns on accelerated tests

La corrosion des armatures est une des causes principales de la dégradation des structures en béton armé en Europe. Plus particulièrement en zones côtières, où les ions chlore, présents dans l’eau de mer, ont clairement été identifiés comme étant l'élément déclencheur du processus chimique menant à la corrosion. Dans ce contexte, la détermination de cette valeur critique d’amorçage de la corrosion et le temps correspondant sont des éléments clés de la prédiction de la duré de vie des matériaux. Dans ce travail, quatre types de bétons armés ordinaires (C15, C22, C4 et C30) ont été placés dans trois environnements différents : une zone de marnage au port de La Rochelle, un simulateur de marnage avec une solution saline (0,5M NaCl) conçu au laboratoire où les conditions d’exposition sont contrôlées et une cellule de migration où un champ électrique a été appliqué afin d’accélérer la pénétration des chlorures. Des mesures électrochimiques (spectroscopie d’impédance électrochimique SIE, potentiel de corrosion et résistance de polarisation) ont été réalisées afin de suivre le processus de transport aboutissant à la corrosion. Une étude de caractérisation des matériaux a été réalisée dans le but de relever les propriétés de transfert de chaque béton. La description morphologique (MEB Microscopie Electronique et EDXA Energy Dispersive X-ray Analysis) de l’interface acier-béton a apporté des compléments sur la microstructure et les mécanismes physico-chimiques mis en jeu. Enfin, un modèle numérique unidimensionnel et multi-espèces de transport des chlorures, basé sur l’équation de Nernst-Planck, a été développé. La réactivité chimique du matériau cimentaire est prise en compte à travers les isothermes d’interaction
The reinforcement corrosion is one of the main causes of degradation of reinforced concrete structures in Europe. More particularly in coastal areas where chloride ions, present in sea water, were clearly identified as the trigger factor of chemical process leading to corrosion. At this time, corrosion initiates. In this context, the determination of this critical value for the corrosion initiation and the corresponding time are the key elements in the prediction of the prediction of materials service life. In this work, four types of ordinary reinforced concretes (C15, C22, C4 and C30) have been exposed in three different environments: A tidal area at the port of La Rochelle, a tidal simulator with a saline solution (0,5 M NaCl) designed in the laboratory where the exposure conditions are controlled and a cell migration where an electric field has been applied in order to speed up the chlorides penetration. Electrochemical measurements (electrochemical impedance spectroscopy EIS, corrosion potential and polarization resistance) were carried out to follow the transport processes leading to the corrosion. A study of materials characterization was performed to collect transfer properties of each concrete. Morphological descriptions (SEM Scanning Electron Microscopy and EDXA Energy Dispersive X-ray Analysis) of the steel-concrete interface gave further informations on the microstructure and the physico-chemical mechanisms. Finally, a one-dimensional numerical model and multi-species of chloride transport based on the Nernst-Planck equation was developed. The Chemical reactivity of cement based materials is taken into account through the adsorption isotherms

La corrosion des armatures est reconnue comme la première cause de dégradation des structures en béton armé dans les domaines du génie civil et des monuments historiques. La corrosion peut survenir lorsque le béton d'enrobage est carbonaté ou lorsque les ions chlorure sont présents en quantité suffisante au niveau de l'armature.Les objectifs de cette thèse visent à appréhender les processus de corrosion des armatures lorsque le béton est doublement contaminé (carbonatation et ions chlorure) et d'évaluer une solution de réparation de type traitement électrochimique d’extraction des ions chlorure (ECE).Pour répondre à ces objectifs, trois phases ont été programmées : (1) des vieillissements artificiels, (2) un traitement ECE et (3) un suivi de la durabilité du traitement. Pour chacune de ces phases, les évolutions (1) de la corrosion des armatures dans le béton, (2) des produits de corrosion à l'interface armature/béton et (3) de la matrice cimentaire ont été investiguées. L'approche scientifique de l'étude, avec des analyses multiples d'observations à différentes échelles et l'utilisation de techniques non destructives, destructives ou in situ, a permis de rendre compte des processus de corrosion avant et après traitement et de discuter les résultats en fonction de critères d'efficacité proposés.L'étude a été réalisée en prenant en compte deux ciments (CEM I et CEM III/A) et en considérant deux modes de vieillissements artificiels. Trois cent vingt éprouvettes en micro-béton armé répondant à quatre formulations ont ainsi été étudiées. Les techniques principales utilisées sont des caractérisations électrochimiques non destructives, des caractérisations au MEB et EDS, des analyses destructives de déterminations quantitative pour la teneur en ions chlorure et qualitative pour l'évaluation du pH et enfin la microspectrométrie Raman qui permet de déterminer la nature des produits de corrosion in situ.L’exploitation de l’ensemble des résultats a mis en évidence l’évolution des caractéristiques étudiées au cours des phases de l’étude. Avant traitement, l'enrobage béton était entièrement carbonaté et la teneur en ions chlorure libres au voisinage de l'armature était comprise entre 0,9 et 2,1% par rapport à la masse de ciment en fonction des formulations. Les courants de corrosion étaient de l’ordre de 10 µA/cm² et une épaisseur de corrosion homogène de l’ordre de 5-10 µm était observée. Lors des analyses Raman in situ, de la rouille verte chlorurée a été identifiée, synonyme de corrosion active. Après traitement, plus de 90% des ions chlorure ont été extraits et le pH du béton au voisinage de l'armature a augmenté (pH>9) sur une épaisseur d’environ 1 cm. Les courants de corrosion sont devenus inférieurs à 0,1 µA/cm² (niveau de corrosion négligeable). La formation de magnétite a majoritairement été observée avec néanmoins la présence résiduelle très locale de rouille verte. Aucune évolution délétère significative de la matrice cimentaire n’a été identifiée. L’efficacité du traitement a donc été démontrée. L'évaluation de la durabilité du traitement sur une période de 4 à 12 mois a montré que les caractéristiques électrochimiques restaient stables. En revanche, la diminution de l'épaisseur de béton dont le pH avait augmenté pour les éprouvettes fabriquées avec le ciment CEM III/A peut laisser craindre une reprise de corrosion sur du plus long terme. Enfin, le suivi Raman in situ, montre des différences de la durabilité en fonction de la durée du traitement
Reinforcement corrosion is known as the first cause of reinforced concrete degradation in the fields of civil engineering structures and historical monuments. Corrosion occurs when concrete cover is carbonated or when chloride ions are present in sufficient quantity at the reinforcement vicinity.The main objectives of this thesis are to investigate the corrosion processes of the reinforcement when the concrete is contaminated by carbonation as well as chloride ions and to evaluate a cathodic electrochemical treatment as a repair solution.To meet these objectives, three phases were investigated: (1) artificial agings, (2) an electrochemical chloride extraction (ECE) treatment and (3) durability. For each of these phases, the evolutions (1) of the rebar corrosion in concrete, (2) of the corrosion products at the reinforcement/concrete interface and (3) of the cementitious matrix were studied.The scientific approach gathered multiple analyzes at different scales and the use of non-destructive, destructive or in situ technique. It allowed to study the corrosion processes before and after treatment and to discuss results according to efficiency criteria suggested.The study was carried out taking into account two cements (CEM I and CEM III/A) and considering two modes of artificial aging. More than three hundred specimens of reinforced micro-concrete, corresponding to four concrete designs, were therefore studied. The main techniques used were non-destructive electrochemical characterizations, SEM and EDS characterizations, destructive quantitative determinations (chloride ion content) and qualitative determinations (pH evaluation), and finally Raman microspectrometry to determine the nature of the corrosion products.The results highlighted some evolutions of different characteristics studied during the phases of the study. Before treatment, the concrete cover was entirely carbonated and the free chloride content at the reinforcement level was in the range of 0.9-2.1% by weight of cement depending on the concrete design. A 10 μA/cm² average corrosion currents was reported and a homogeneous corrosion layer thickness of about 5-10 μm was observed. During in situ Raman analysis, chloride green rust was identified indicating an active corrosion.After treatment, more than 90% of the chloride ions were extracted and the thickness of the concrete which had a pH value higher than 9 around the reinforcement, was about 1 cm. The corrosion currents became less than 0.1 μA/cm² (negligible corrosion level). The formation of magnetite was mostly observed with nevertheless a local presence of residual green rust. No significant deleterious evolution of the cementitious matrix was identified. The treatment efficiency was therefore demonstrated. The evaluation of the treatment durability over a period of 4 to 12 months showed that the electrochemical characteristics remained stable. On the other hand, a decrease in the concrete area which pH increased during the electrochemical treatment was observed for CEM III/A cement which could lead to a corrosion recovery over the longer term. Finally, the in situ Raman study revealed differences in durability as a function of the treatment duration

Ce travail s'inscrit dans une demarche visant a cerner les parametres decisifs de la durabilite du beton arme. Il comporte deux aspects. Le premier consiste a identifier la capacite du beton d'enrobage a limiter l'acces des agents agressifs dans le cas d'un beton economique (resistance caracteristique a la compression 25 mpa) ou 30% du ciment est substitue par des cendres espagnoles. Le second consiste a identifier l'influence du type de fissuration et de micro-fissuration sur la corrosion des armatures. Puisque le ferraillage du beton arme comporte une reseau d'armatures principales destinees a couturer les fissures (fissuration transversale) et un reseau d'armatures secondaires perpendiculaire au premier pour lequel la fissuration est donc longitudinale, il etait necessaire d'entreprendre des etudes sur les deux types de fissuration. Pour cela, deux modeles experimentaux ont ete mis au point. Dans le premier cas, un essai tirant est realise pour creer une fissuration transversale, dans un deuxieme cas, un essai d'arrachement permet de creer une fissuration longitudinale. L'etude micro-structurale du materiau beton pour les deux types de modeles montre que l'essai tirant se traduit par un endommagement diffus dans le beton alors que l'essai d'arrachement se traduit par un endommagement localise a l'interface acier-beton. Pour chaque modele, un colmatage des fissures est realise sur une partie des echantillons afin de separer l'influence de la penetration directe des chlorures par les fissures et l'influence de l'endommagement du beton. Ce travail montre que pour un materiau et une epaisseur donnee d'enrobage, cette resistance a la penetration des agents agressifs n'est pas un parametre intrinseque : le type et le niveau de sollicitation de l'ouvrage, sa geometrie qui modifie le micro-environnement et influe sur l'homogeneite du beton, ont un effet non negligeable. Ainsi, l'endommagement du beton essentiellement localise aux interfaces pate-granulat, qui precede et accompagne la fissuration visible, se traduit par une baisse de resistance a la penetration des chlorures. Enfin, cette influence de la zone interfaciale est generalisee a l'interface armature-beton qui semble etre un parametre important de la cinetique de corrosion.

The majority of reinforced concrete structures built with the standards of the sixties will have a life span of 70 years. Over the past decade, these structures have shown signs of fatigue. In Québec, there are 4924 bridges under the Ministère des transports du Québec responsibility, which approximately 80% are over 30 years old. Among these bridges, 2 301 need repair in the next five years.The destructive evaluation methods used for assessing conventional structure destructive and providing timely information at randomly selected points are obsolete. This information may not be representative of the true state of the structure.The Ministère des transports du Québec adopted a Half-Cell potential standardized and effective technique in the evaluation of the state of corrosion of reinforcement. But this method represents some drawbacks. It is destructive, expensive, and causes enormous traffic problems in the area of large cities. This method often mobilizes, for one day, a dozen persons per structure. It involves drilling holes in the case of a concrete slab with a layer of coating and release of the frame to ensure the electrical continuity and connecting equipment measures. With growing number of deficient structures, the Ministère des transports du Québec went to look for an evaluation procedure which could be faster, low cost and on a large scale, to limit the damage to these structures, thus, his involvement in the NSERC Industrial Research Chair at the Université de Sherbrooke. Among the non destructive testing methods that can be used directly or indirectly for the assessment of the state of corrosion in concrete reinforcement, the radar, by its rapid implementation on a large scale and low cost, can be a good alternative if compared to the Half-Cell potential radar who requires the mobilization, for one hour of two, persons without any harm to the integrity of the structure. However, the radar technique had to be validated in the laboratory and on the field with other methods such as the Half-Cell potential and electrical resistivity.The latter is a reference to acquire unanimously professionals, and the electrical resistivity as a bridge crossing between the radar and Half-Cell. These are methods that can be influenced by common factors. Therefore, the objective of this research is to develop and validate a radar method for testing bridge decks. This method must yield results similar to those of the Half-cell potential and not cause the closure of bridges. To help gain a better understanding of the effect of different parameters on the radar measurements, the Half-cell potential and electrical resistivity, laboratory work has been carried out on different slabs of reinforced concrete. This work has enabled the study of the effect of the concrete, chloride ions, moisture, the membrane on the radar reflection on the concrete. Finally, it develops and validates an approach radar data-processing alternative.The tests are evaluated by radar reflections on the upper and bottom of the concrete slab.The first case is valid if the minimum thickness of the asphalt layer is 7 cm.The evaluation of the minimum thickness of the asphalt layer and the effect of the membrane were examined in the context of this work.The results have helped to develop a methodology for testing slabs of bridge decks. In its simplicity of implementation, reliability measures, the cost and the nondestructive character, the radar is a diagnostic tool for large scale.

Depuis la première certification de lancier de béton projeté tenue par l’American Concrete Institute (ACI) au printemps 2001, ce programme de certification gagne continuellement en popularité. La certification des lanciers consiste à s’assurer que les lanciers sont en mesure de manipuler les équipements de projection de façon sécuritaire et d’appliquer le béton projeté de façon adéquate. Une partie importante de la certification consiste à évaluer l’enrobage des aciers d’armature sur des carottes prélevées d’un panneau rempli de béton projeté par le lancier. L’enrobage est jugé adéquat, ou non, par un évaluateur reconnu de l’ACI, selon une évaluation qualitative basée sur des paramètres reliés à la présence de vides ou de défauts derrière les barres d’armature. Toutefois, il existe peu d’information objective sur l’effet de la qualité d’enrobage. Ce mémoire présente des résultats expérimentaux portant sur l’évaluation des effets des défauts d’enrobage sur la durabilité et les propriétés structurales d’un ouvrage en béton projeté. Plus particulièrement, l’effet des défauts d’enrobage sur l’initiation de la corrosion des barres d’aciers d’armature et sur les propriétés d’adhérence de l’acier d’armature dans le béton est évalué. La consistance de projection (quantité d’eau ajoutée à la lance), l’épaisseur de recouvrement, les types de défaut créés derrière la barre par une mauvaise projection ont une importance majeure sur les propriétés d’un ouvrage en béton projeté.
Since the first shotcrete nozzleman certification held by the American Concrete Institute (ACI) in the spring of 2001, the program has continuously grown in popularity. The nozzleman certification consists of making sure that the nozzle operator are capable of operating shotcrete equipments and apply shotcrete in a safe and effective manner. A significant part of the certification program consists of evaluating the rebar encasement on specific core extracts from shotcrete panels. Encasement is considered adequate or not by an examiner accredited by the ACI, according to a qualitative evaluation based on established parameters such as the presence of voids or defaults behind bars. However, there is a limited amount of objective information available to determine what is acceptable or not as for the quality of an encasement. This document presents experimental results relating to the evaluation of the effects of defects on durability and structural properties of a shotcrete application. More particularly, the effect of a poor quality encapsulation on the initiation of corrosion of reinforcing bars and on the properties of the bond between reinforcing steel and shotcrete are visited. The shotcrete’s consistency (amount of water added at the lance), the concrete cover thickness, the types of defects created behind the bar by a poor workmanship have a major importance on the properties of a shotcrete work.

Les ouvrages en béton armé ont aujourd'hui en moyenne un âge qui approche de la période critique d'amorçage de la corrosion des aciers de renfort (de 30 à 50 ans), et leur remise à niveau représente un enjeu économique considérable. Les études dans le cadre de cette thèse ont pour but d'apporter des éléments de réponse à la question préoccupant les ingénieurs, à savoir l'influence de la corrosion des armatures sur la résistance mécanique des structures et les marges résiduelles par rapport à la ruine. Ces informations sont nécessaires pour obtenir l'évolution de la perte de capacité des ouvrages soumis à la corrosion. L'étude de cette évolution est calée sur les principales phases qui caractérisent la dégradation d'une structure. Ces informations sont néccessaires pour mettre en place une politique de gestion du patrimoine et décider en connaissance de cause d'une planification des travaux de réparation, du renforcement ou du remplacement des éléments d'ouvrage défaillants. Le mémoire comporte six chapitres. Le premier chapitre propose un modèle d'évolution dans le temps des performances d'un ouvrage selon trois étapes : étape d'initiation ti, étape de déterioration stable tsp et étape de déterioration imprévisible tup. Le chapitre 2 précise la première étape pour des éléments en béton armé et béton précontraint. Le chapitre 3 analyse les mécanismes de corrosion et leurs conséquences sur les structures en béton. Le chapitre 4 porte sur la prédiction de la corrélation entre l'adhérence et la corrosion. Le chapitre 5 développe une méthode de calcul de l'évalauation du comportement structurel des éléments. Cette méthode permet d'intégrer les conséquences de la corrosion des armatures dans le comportement de la structure. Le chapitre 6 propose une validation du modèle par comparaison avec des essais expérimentaux, notamment ceux du projet "Benchmark des poutres de la Rance"

Cette thèse de doctorat est réalisée en partenariat avec EDF et s’inscrit dans le cadre de la gestion du parc de tours aéroréfrigérantes des centrales nucléaires. Certaines tours présentent des fissures qui peuvent favoriser la carbonatation du béton d’enrobage et ainsi accélérer l’initiation de la corrosion des armatures. L’objectif de ce travail est de caractériser l’impact de ces fissures sur l’initiation et la propagation de la corrosion des armatures. Un programme expérimental dédié est détaillé. Dans un premier temps, un protocole de fissuration permettant de reproduire les fissures observées sur les tours est défini. Une attention particulière a été portée à la limitation de l’endommagement de l’interface acier/béton. Les éprouvettes fissurées sont ensuite carbonatées (de manière accélérée) dans le double but de mesurer la longueur de la zone d’interface altérée et de dépassiver l’armature en fond de fissure pour permettre l’initiation de la corrosion. La corrosion est contrôlée en laboratoire par l’intermédiaire de cycles de pluie/séchage et l’état de corrosion est caractérisé par différentes techniques (desquamation, microscopie optique, spectroscopie Raman, suivi de potentiel de corrosion libre). Différentes configurations représentatives du service des tours aéroréfrigérantes sont testées (3 ouvertures de fissures, 2 orientations de fissures, température, HR, etc.). Les résultats obtenus permettent de montrer qu’après une période d’initiation, la vitesse moyenne de corrosion décroit rapidement et que l’acier tend à se repassiver. Cette repassivation est liée à la formation d’une couche d’oxydes en fond de fissure qui limite l’accès de l’oxygène et de l’eau à l’armature
This thesis is performed in partnership with EDF in the framework of concrete ageing management of cooling towers of Electricity of France (EDF) nuclear power plants. Indeed some of them can be affected by cracks which may promote the carbonation of the concrete cover and accelerate the reinforcement corrosion initiation. The objective of this work is to characterize the impact of these cracks on the initiation and propagation of reinforcement corrosion. A dedicated experimental program is detailed. Firstly, a cracking protocol reproducing cracks found in the concrete of cooling towers is defined. Particular attention was paid to limit the damage along the steel/mortar interface. Cracked specimens are thereafter exposed to accelerated carbonation for the dual purpose of measuring the length of the damaged interface and accelerating the depassivation of the rebar deep in the crack in order to accelerate the corrosion initiation. The corrosion is controlled in the laboratory via raining/drying cycles and its state is characterized by several technics (desquamation, optical microscopy, Raman spectroscopy, monitoring of the free corrosion potential). Different configurations representative of the cooling towers are tested (three crack openings, 2 crack orientations, temperature, relative humidity, etc.). Obtained results show that after the corrosion initiation period, the corrosion kinetics decreases rapidly and the reinforcement tends to repassivation. This repassivation is related to the formation of oxide layer deep in the crack limiting therefore the access of water and oxygen to the rebar

La maîtrise et l'optimisation de la durabilité des structures en béton et des produits préfabriqués en particulier constituent un enjeu particulièrement important pour l'ensemble des acteurs (maîtres d'ouvrages, maîtres d'œuvres, industriels de la préfabrication). L'objectif des travaux développés dans le cadre de cette thèse de doctorat est de faire le point sur les connaissances actuelles et les besoins vis-à-vis de la tenue des armatures à la corrosion et de renforcer la compréhension phénoménologique de ces mécanismes de dégradation. In fine, ces travaux permettent d'aboutir à l'élaboration d'un modèle permettant d'étudier la pénétration des ions chlorure en conditions hydriques variables ou non, la carbonatation, le couplage des deux mécanismes, et le phénomène de corrosion des armatures en conditions hydriques variables. Une campagne expérimentale permet de caractériser les propriétés mécaniques et physico-chimiques de différents bétons et leur comportement au regard des principaux environnements agressifs pouvant conduire à la corrosion des armatures. L'objectif final de ces travaux réside dans l'élaboration d'un modèle simple et fiable permettant de considérer le couplage de tous les phénomènes importants liés à la durabilité des bétons, de la pénétration des espèces agressives à l'amorçage et à la propagation du phénomène de corrosion des armatures. En première application, le modèle peut être utilisé pour des calculs de durée de vie des ouvrages en béton armé dans un contexte probabiliste, cela en adoptant un critère de quantité de produit corrodé et non pas seulement de dépassivation, il permet alors d'optimiser le dimensionnement des enrobages en prenant en compte les propriétés intrinsèques des matériaux et les conditions environnementales. Cette étude permet de quantifier les gains de durabilité de produits exposés à un risque de corrosion des armatures obtenus en augmentant la compacité du béton, en optimisant les caractéristiques du liant et le process de fabrication
Mastering and optimizing the durability of concrete structures and especially prefabricated products is a major challenge for the entire profession. The goal of this work is to focus on the knowledge and the needs for assessing the performance of the reinforcement to the corrosion phenomenon and to heighten the mechanisms comprehension. Finally, this work allows coming up with a model able to simulate the penetration of chlorides in saturated environment or with wetting-drying cycles, the carbonation, the combination between these two mechanisms and the reinforcement corrosion in variable hydric conditions. A huge experimental campaign leads to a complete characterization of the mechanical, chemical and physical properties of several concretes and their performance towards to the main aggressive environment for the reinforcement corrosion. The final goal of this research project is to come up with a comprehensive and accurate model which should be able to consider all the most important coupled phenomena linked to the concrete durability, from the penetration of aggressive species to the real initiation of the corrosion phenomenon. First practical applications will consist in assessing the lifetime of the concrete structures in a probabilistic way and optimizing the design of concrete cover thickness by taking into account the intrinsic properties of the materials and the environmental conditions. This work allows quantifying the gain in durability performance of concrete product exposed to a risk of reinforcement corrosion obtained by increase the density level, optimize the cast process, or optimize the characteristic of the binder

Ce travail s'inscrit dans le cadre des recherches sur la durabilité des bétons armés et plus particulièrement sur l'action des ions chlorures en milieu saturé menées au LEPTAB. La première partie est un état de l'art sur les processus de transfert ioniques au sein d'un milieu cimentaire et sur les mécanismes réactionnels qui se développent à l'interface acier/matériau cimentaire engendrant la corrosion. La deuxième partie présente une étude expérimentale basée sur le couplage d'un essai d'électrodiffusion pour accélérer le transfert ionique et d'une méthode électrochimique non-stationnaire (spectroscopie d'impédance) pour assurer le suivi de la corrosion d'une armature métallique. Les résultats obtenus ont principalement mis en évidence : la corrélation entre l'évolution de la réponse impédancielle et l'initiation de la corrosion, l'influence du rapport E/C sur le temps nécessaire à l'amorçage, puis au développement de la corrosion. La dernière partie traite de la modélisation des phénomènes de transport au sein d'un matériau poreux saturé basée sur les lois de la thermodynamique des processus irréversibles et sur les équations de conservation de masse d'espèces ioniques. Une première application, déduite de cette modélisation, a fourni des résultats satisfaisants sur la description des phénomènes mis en jeu lors de l'essai d'électrodiffusion. Ceci a permis d'expliquer notamment l'évolution des courants de transfert ioniques et d'estimer un certain nombre de paramètres géométriques et électriques liés au matériau poreux. Une deuxième application a contribué à apporter de nouvelles informations sur la réponse impédancielle d'un processus de transfert. Nous avons clairement mis en évidence l'action de l'impédance de diffusion de la matrice cimentaire sur la réponse impédancielle du système acier/matériau cimentaire dans le domaine des basses fréquences. La modélisation élaborée couplée aux résultats expérimentaux ont permis d'apporter une description cohérente des mécanismes impliqués lors de l'initiation de la corrosion.

La pénétration des ions chlorures dans les bétons provoque la corrosion des armatures. L'objectif de ce travail est la modélisation de l'électrodiffusion des ions chlorures au travers des matériaux cimentaires, en régime transitoire, selon une approche multi-espèces intégrant les phénomènes de double couche électrique se développant aux interfaces du milieu poreux. Les équations de transport, issues de la théorie des processus irréversibles, sont résolues par une méthode numérique afin de simuler l'évolution du courant électrique enregistré lors d'un essai accéléré. La confrontation entre courant simulé et courant expérimental, obtenu sur des mortiers, montre une très nette amélioration par rapport à un modèle se basant sur la notion de diffusibilité. Le recouvrement important des couches diffuses chargées négativement, dans les pores de faible diamètre, est à l'origine d'un effet retardateur dans l'évolution du courant, rapprochant ainsi courant électrique simulé et mesuré
Chloride penetration in concrete initiates corrosion of the reinforcement. The aim of this work is to model the chloride ion transport in cement based-materials in non-steady state, according to a multi-species approach, and integrating electrical double layer phenomena occurring at the interfaces of the porous media. Equations of transfer, obtained by the thermodynamic theory of irreversible processes are solved by a numerical method in order to simulate the electrical current evolution recorded during an accelerated test. Comparison between simulated and experimental currents obtained on mortars shows a great improvement compared to a purely geometrical model, based on the concept of diffusibility. A significant overlapping of negatively charged diffuse layers within the small pores is the cause of a slowing effect of the electrical current evolution

Il est prévu d’augmenter la durée de vie des centrales nucléaires actuellement opérationnelles. Le vieillissement des structures en béton armé telles que les tours aéroréfrigérantes doit être évalué, son incidence sur la capacité portante calculée. Dans le cas de fortes dégradations, le renforcement doit être envisagé, afin d’assurer la pérennité de ces tours face aux sollicitations extrêmes telles que les tempêtes de vent et les séismes. Ce travail vise à quantifier les effets néfastes que peut générer la réduction de section des aciers induite par la corrosion, en particulier sur la capacité portante des tours dans des conditions de sollicitations extrêmes monotones ou cycliques de types vent et séisme. Ces sollicitations sont certainement les plus sévères, entrainant la structure dans le domaine non linéaire, elles sont susceptibles d’induire des endommagements de type fissuration qui dans le cas de sollicitation cycliques peuvent s’avérer néfastes. Des modélisations numériques sont proposées pour déterminer la réponse quasi-statique ou dynamique de la structure, en tenant compte des apparitions de fissures dans le béton et de leur évolution via des lois de comportement appropriées du matériau béton, ainsi que la plastification des aciers. Dans le cas d’une sollicitation sismique, dans le but de comparer les approches de modélisation du séisme et d’évaluer la robustesse des résultats, les réponses dynamiques sont évaluées par trois méthodes différentes de calcul : l’approche dynamique temporelle non linéaire, la méthode spectrale et la méthode modale temporelle. Des études paramétriques portant sur l’amortissement, les combinaisons de charges et les configurations structurales, sont aussi menées. Dans le cas d’une sollicitation de type vent, la technique de renforcement à l’aide de matériaux composite, tel que le tissu de fibres de carbone (TFC) est modélisée. Le comportement de la structure endommagée présentant un taux de corrosion avancée, est évalué dans le régime pré- et post-fissuration, comparativement à la structure intègre. La perte de capacité portante est quantifiée, un renforcement permettant de restaurer l'intégrité et donc d’augmenter la durée de vie de la structure est proposé
The authorities have planned to increase the lifetime of currently operating nuclear power plants. The ageing of reinforced concrete structures such as cooling towers should be evaluated and its impact on the bearing capacity calculated. In the case of significant damage, the strengthening must be considered to ensure the sustainability of these towers facing the risk of storms and earthquakes becoming more and more frequent. This work aims to quantify the adverse effects that can generate concrete cracks and rebar section loss induced by corrosion, especially on the bearing capacity of nuclear power plant cooling towers under monotonic or cyclic extreme load conditions (wind and earthquake). These loads are certainly the most severe, since they take the structure into the nonlinear domain and can induce or amplify cracking damage. Numerical simulations are proposed to determine the quasi-static or dynamic response of the structure, taking into account appearance of concrete cracks and their evolution via an appropriate material concrete law and rebar's yielding. In the case of a seismic load, the responses are evaluated by three different methods; the nonlinear response history analysis (NLRHA), the response spectrum analysis and the modal response history analysis (MRHA) in order to compare the earthquake modeling approaches and to evaluate the robustness of the results. Parametric studies on damping, load combinations and structural configurations, are also performed. In the case of a wind load, the strengthening technique using composite materials, such as carbon fiber reinforced plastic (CFRP) is modeled. The behavior of the damaged structure with an advanced corrosion rate is estimated in the pre- and post-cracking regime, compared to the undamaged structure. The drop of bearing capacity is quantified, a reinforcement designed is proposed to restore the integrity and thus increase the lifetime of the structure